§16. Полупроводники и полупроводниковые приборы

Определения и обозначения

Полупроводник — материал, проводимость которого занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и заметно зависит от температуры, освещения и примесей. К ним относят, например, кремний и германий. Это определение показывает, почему полупроводники удобны для управления электрическим током.

Собственная проводимость — проводимость чистого полупроводника, возникающая благодаря одновременно движению свободных электронов и дырок. Дырка представляет собой свободное место в связи между атомами и ведёт себя как положительный носитель. Такое понятие нужно, чтобы объяснить ток в материале без специально добавленных примесей.

Примесная проводимость — проводимость полупроводника, изменённая добавлением примесей, создающих преимущественно электронную или дырочную проводимость. Одни примеси легко отдают электроны, другие создают свободные места — дырки. С помощью примесей заранее задают нужные свойства материала.

Полупроводниковый диод — прибор с одним p-n-переходом, который хорошо пропускает ток в одном направлении и плохо — в противоположном. Буквы p и n обозначают области с преобладанием дырок и электронов. Диод применяют там, где ток нужно выпрямить или защитить цепь от неправильной полярности.

Как это устроено

При обычной температуре в полупроводнике свободных носителей заряда меньше, чем свободных электронов в металле, поэтому он проводит ток хуже. Связи между атомами удерживают многие электроны, и лишь часть из них может перемещаться по веществу. При нагревании колебания атомов помогают разрывать отдельные связи, поэтому число подвижных носителей увеличивается.

Разрыв связи образует сразу пару: свободный электрон и дырку на его прежнем месте. Электрон движется в одном направлении, а соседние электроны последовательно занимают освободившиеся места, так что дырка перемещается в противоположном направлении. Поэтому ток в чистом полупроводнике создают оба типа носителей, а не только электроны.

Освещение также может передавать электронам энергию, достаточную для образования электронно-дырочных пар. Чем ярче свет в подходящем диапазоне, тем больше носителей появляется в некоторых материалах и тем меньше их сопротивление. На этом основана работа светочувствительных приборов, например фоторезисторов.

Если в чистый полупроводник добавить небольшое количество другого вещества, его проводимость изменится. Примесь, отдающая лишние электроны, создаёт материал n-типа, где основными носителями становятся электроны. Примесь, создающая свободные места в связях, даёт материал p-типа, где преобладают дырки.

При соприкосновении областей p- и n-типа электроны и дырки начинают переходить через границу и частично рекомбинируют, то есть исчезают как свободные носители. Оставшиеся заряженные частицы создают внутреннее электрическое поле и обеднённую носителями область — p-n-переход. При прямом напряжении поле ослабляется и ток проходит, а при обратном усиливается и почти запирает ток.

Типы проводимости полупроводников и их применение

В таблице сравниваются носители заряда, причины проводимости и поведение разных полупроводниковых структур. Сначала найдите нужный тип материала в заголовке столбца, а затем сравните его свойства по строкам. Последний столбец показывает, как p-n-переход используют в приборе.

Разбор задач

Изменение проводимости при нагревании

Условие. Сравнить проводимость полупроводника при комнатной температуре и после нагревания, объяснив изменение сопротивления.

1. Вспоминаем, что ток создают свободные электроны и дырки.
2. Нагревание передаёт электронам дополнительную энергию и образует больше электронно-дырочных пар.
3. Число носителей увеличивается, поэтому проводимость возрастает, а сопротивление уменьшается.

Ответ. После нагревания полупроводник проводит ток лучше, потому что в нём становится больше свободных электронов и дырок.

Определение направления включения диода

Условие. В цепи ток проходит через исправный диод, но после изменения полярности источника почти исчезает. Определить исходное направление включения.

1. Односторонняя проводимость означает, что в одном направлении диод включён прямо.
2. При прямом включении p-n-переход пропускает ток, а при обратном создаёт большое сопротивление.
3. Раз ток сначала проходил, исходное подключение было прямым, а после смены полярности стало обратным.

Ответ. Изначально диод был включён в прямом направлении; после смены полярности его нужно развернуть обратно.

Светодиод не светится

Условие. В цепи есть источник, резистор и светодиод, но при заданной полярности свечения нет. Найти причину и предложить исправление.

1. Проверяем полярность: при обратном включении светодиод почти не пропускает ток и не светится.
2. Меняем местами подключения выводов светодиода, чтобы он оказался включён прямо.
3. Убеждаемся, что резистор соединён последовательно: он ограничивает ток и защищает светодиод.

Ответ. Причина, скорее всего, в обратной полярности. Нужно поменять местами выводы светодиода и оставить последовательно включённый резистор.

Типичные ошибки

Ошибка: считать полупроводник просто плохим проводником. Так рассуждают по его проводимости при обычной температуре, но забывают о сильной зависимости от света, нагревания и примесей. Проверка: спросите себя, может ли материал изменить сопротивление под действием внешних условий.

Ошибка: утверждать, что ток создают только электроны. Такое представление переносят из металлических проводников, хотя в полупроводнике движутся также дырки. Проверка: при объяснении собственной проводимости обязательно назовите пару «электрон и дырка».

Ошибка: путать n- и p-типы или считать p обозначением положительного электрона. Буквы относятся к преобладающим носителям: n — электронам, p — дыркам, а заряд электрона не меняется. Проверка: вспомните фразу «n — negative, p — positive» и уточните, что речь идёт о типе носителей.

Ошибка: подключать диод любой полярностью или без ограничения тока. При обратном включении ток почти не проходит, а слишком большой прямой ток может повредить прибор. Проверка: определите направление тока, проверьте полярность и наличие последовательного резистора.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о строении атома, электрическом токе и его носителях, напряжении, сопротивлении и последовательном соединении элементов. Эти понятия объясняют, откуда берётся ток и как его ограничивать.

Полупроводники помогают понять выпрямление переменного тока, работу светодиодов, фотодатчиков и терморезисторов. Далее p-n-переход становится основой для изучения транзисторов, микросхем и современной электроники.

Что запомнить

• Полупроводники по проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
• При нагревании и освещении проводимость полупроводников обычно увеличивается.
• Носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки.
• В полупроводнике n-типа преобладают электроны, а в полупроводнике p-типа — дырки.
• p-n-переход обладает односторонней проводимостью.
• Диод используют для пропускания тока преимущественно в одном направлении.
• Свойства полупроводников позволяют создавать датчики, светодиоды и выпрямители.