1. Полупроводники и их использование

Определения и обозначения

Полупроводник — вещество, электрическая проводимость которого занимает промежуточное положение между проводниками и изоляторами и сильно зависит от внешних условий. К таким условиям относятся температура, освещение и наличие примесей. Это определение помогает отличать полупроводники от материалов, чьи свойства почти не меняются.

Электронно-дырочная пара — свободный электрон и образовавшееся при его освобождении незаполненное место в кристаллической решётке. Свободный электрон может перемещаться по веществу, а место его отсутствия передаётся между соседними атомами. Понятие пары показывает, почему при появлении одного электрона возникает сразу два носителя заряда.

Электронная проводимость — прохождение тока за счёт движения свободных электронов. Такие электроны перемещаются упорядоченно под действием электрического поля. По электронной проводимости удобно описывать часть тока в полупроводнике, связанную именно с отрицательными зарядами.

Дырочная проводимость — прохождение тока, которое описывают движением положительно заряженных дырок. Дырка не является отдельной материальной частицей, но её перемещение соответствует последовательному переходу электронов между соседними связями. Поэтому в расчётах дырку считают самостоятельным носителем положительного заряда.

Как это устроено

В кристаллической решётке полупроводника атомы связаны с соседями, поэтому электроны обычно участвуют в этих связях и не могут свободно перемещаться по всему веществу. При нагревании частицы получают дополнительную энергию, и некоторые электроны покидают свои связи. Освещение может передать электрону энергию фотона, поэтому похожее освобождение происходит и под действием света.

Когда электрон становится свободным, в его прежней связи остаётся незаполненное место. Соседний электрон может перейти в это место, оставив дырку уже в другом месте, поэтому кажется, что дырка движется в противоположную сторону. Так одновременно возникают свободный электрон и дырка, то есть электронно-дырочная пара.

Электрическое поле заставляет свободные электроны двигаться направленно, создавая электронную проводимость. Дырки также перемещаются в направлении, соответствующем движению положительного заряда, и создают дырочную проводимость. Поэтому ток в полупроводнике переносится двумя типами носителей, а в чистом веществе обе проводимости возникают одновременно.

При повышении температуры всё больше электронов получает энергию, достаточную для выхода из связанного состояния. Число электронов и дырок увеличивается быстрее, чем ухудшается их движение из-за тепловых столкновений. Поэтому для полупроводника обычно возрастает проводимость и уменьшается сопротивление, тогда как в металле нагревание в основном усиливает столкновения электронов с узлами решётки.

Примеси могут добавить в кристалл дополнительные свободные носители и заметно изменить его проводимость. Освещение также увеличивает число электронно-дырочных пар, если энергия света подходит для освобождения электронов. Зависимость от внешних условий используют в терморезисторах, фоторезисторах и датчиках, которые превращают изменение температуры или света в изменение электрического сигнала.

Сравнение проводников, полупроводников и изоляторов

Сравнивать материалы нужно не только по проводимости при комнатной температуре, но и по тому, как она изменяется под действием внешних условий. Особенно заметна разница между полупроводниками и металлами при нагревании. Таблица помогает выбрать материал для передачи тока, изоляции или создания чувствительного датчика.

Разбор задач

Задача 1. Почему сопротивление терморезистора уменьшается при нагревании?

Терморезистор изготовлен из полупроводника, поэтому его свойства зависят от температуры. Нужно объяснить причину изменения сопротивления, а не просто назвать результат. Используем связь между температурой и числом носителей заряда.

1. При нагревании электроны получают дополнительную энергию.
2. Часть электронов освобождается из связей, и одновременно образуются дырки.
3. Число носителей заряда увеличивается, поэтому проводимость возрастает.
4. Так как сопротивление и проводимость связаны обратно, сопротивление терморезистора уменьшается.

Ответ: нагревание увеличивает число свободных электронов и дырок, поэтому проводимость возрастает, а сопротивление уменьшается.

Задача 2. В фоторезистор попадает больше света. Как изменятся проводимость и сопротивление?

Фоторезистор реагирует на освещённость. Предположим, что свет освобождает дополнительные электроны в полупроводнике. Тогда нужно проследить изменение носителей, проводимости и сопротивления по цепочке.

1. При увеличении освещённости образуется больше электронно-дырочных пар.
2. Число свободных носителей заряда возрастает, поэтому проводимость фоторезистора увеличивается.
3. При неизменном напряжении и увеличении проводимости сопротивление уменьшается.

Ответ: проводимость увеличится, а сопротивление уменьшится.

Задача 3. Сравнение силы тока при 20 °C и 80 °C

Терморезистор подключён к источнику постоянного напряжения, а при нагревании его сопротивление уменьшается в 4 раза. Требуется сравнить токи, поэтому применяем закон Ома для участка цепи: I = U/R. Напряжение во время сравнения одинаково.

1. Обозначим сопротивление при 20 °C через R, тогда сопротивление при 80 °C равно R/4.
2. При 20 °C ток I₁ = U/R.
3. При 80 °C ток I₂ = U/(R/4) = 4U/R = 4I₁.

Ответ: при температуре 80 °C сила тока будет в 4 раза больше, чем при 20 °C.

Типичные ошибки

«Полупроводники всегда проводят хуже металлов». Так думают, сравнивая материалы только при одной температуре. Проверьте себя: вспомните, что примеси, свет и нагревание могут сильно изменить число носителей и проводимость полупроводника.

«Дырка — отдельная материальная частица». Ошибка возникает из-за удобного описания её как положительного носителя. Проверьте себя: дырка обозначает отсутствие электрона, а её перемещение связано с переходами соседних электронов.

«При нагревании сопротивление полупроводника увеличивается». Это свойство часто переносят с металлов, где усиливаются столкновения электронов. Проверьте себя: в полупроводнике при нагревании обычно растёт число электронов и дырок, поэтому сопротивление уменьшается.

«Терморезистор и фоторезистор — одно и то же». Их путают, потому что оба изменяют сопротивление. Проверьте себя: терморезистор реагирует прежде всего на температуру, а фоторезистор — на освещённость.

Связь с другими темами

Для понимания полупроводников нужны знания о строении вещества, электрическом заряде, токе, сопротивлении и законе Ома. Тема продолжает изучение электрических цепей и помогает понять принцип действия датчиков, автоматических устройств, диодов и транзисторов. Она также связывает электрические явления с тепловыми и световыми: температура и освещённость изменяют электрические свойства вещества.

Что запомнить

• Полупроводники имеют проводимость, промежуточную между проводниками и изоляторами.
• Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры, освещения и примесей.
• При нагревании в полупроводнике увеличивается число свободных электронов и дырок.
• Ток в полупроводнике может создаваться движением электронов и дырок.
• В чистом полупроводнике электронная и дырочная проводимости возникают одновременно.
• Терморезистор изменяет сопротивление при изменении температуры.
• Фоторезистор изменяет сопротивление при изменении освещённости.