2. Носители зарядов в полупроводниках. Транзисторы

Определения и обозначения

Полупроводник — материал, в котором электрический ток создают подвижные электроны и дырки, а проводимость зависит от температуры и примесей. К таким материалам относятся, например, кремний и германий. Это определение нужно, чтобы отличать полупроводники от металлов и изоляторов и понимать, почему их свойства можно изменять.

Дырка — вакантное место в электронных связях кристалла, которое ведёт себя как положительный носитель заряда. Она не является отдельной частицей вроде протона: соседние электроны по очереди занимают свободное место, и оно перемещается. Понятие дырки помогает описывать ток там, где перенос заряда связан с недостатком электронов.

p–n-переход — граница между областями полупроводника с преимущественно дырочной и электронной проводимостью. На этой границе образуется область, которая препятствует свободному движению носителей. Понимание p–n-перехода необходимо для объяснения работы диодов и транзисторов.

Транзистор — полупроводниковый прибор, в котором малое изменение тока в одной области управляет большим током в другой. Поэтому транзистор может усиливать электрические сигналы или работать как переключатель. Его работу удобно представлять как управляемый электронный кран.

Как это устроено

В чистом полупроводнике электроны удерживаются связями между атомами. При нагревании частицы получают дополнительную энергию и некоторые электроны покидают свои связи. На их месте возникают дырки, поэтому появляется сразу два вида носителей, а проводимость возрастает.

Примеси изменяют число носителей, потому что атом примеси имеет другое количество валентных электронов. Донорная примесь содержит лишний электрон и сравнительно легко отдаёт его в кристалл. Акцепторной примеси, наоборот, не хватает электрона для полной связи, поэтому она забирает электрон у соседнего атома и оставляет после себя дырку.

Если в кремнии больше свободных электронов, говорят о проводимости n-типа; буква n связана с отрицательно заряженными электронами. В области p-типа основными носителями становятся дырки, которые рассматривают как положительные. Заряды примеси и основных носителей компенсируют друг друга, поэтому весь кристалл не получает заметного электрического заряда.

При соединении p- и n-областей электроны начинают переходить из n-области в p-область, а дырки — в обратную сторону. У границы они встречаются и взаимно нейтрализуются, поэтому возникает обеднённый носителями запирающий слой. Внешнее напряжение может уменьшить этот слой и облегчить движение зарядов либо расширить его и затруднить ток.

Транзистор содержит несколько областей с разными типами проводимости. Ток через управляющую область изменяет условия движения носителей между двумя другими областями, поэтому небольшое управляющее воздействие вызывает заметное изменение основного тока. Благодаря питанию транзистор усиливает сигнал, а при полном прекращении управления может закрыть цепь и выполнить роль электронного ключа.

Сравнение полупроводников n- и p-типа

Таблицу удобно использовать так: сначала определите вид примеси, затем установите, какие носители стали основными. Последняя строка напоминает, что тип проводимости не означает заряд всего образца.

Разбор задач

Задача 1

Условие: в кремний добавили примесь, атомы которой имеют на один валентный электрон больше, чем атомы кремния. Определите тип проводимости и основные носители заряда.

1. У лишнего валентного электрона нет необходимости участвовать во всех связях кристалла.
2. Такой электрон сравнительно легко становится свободным и может переносить заряд.
3. Преобладание свободных электронов означает электронную проводимость, которую обозначают как n-тип.

Ответ: проводимость будет электронной, то есть n-типа; основные носители заряда — свободные электроны.

Задача 2

Условие: к полупроводниковому диоду подключили источник сначала в прямом, затем в обратном направлении. В каком случае ток будет больше?

1. При прямом подключении внешнее поле уменьшает толщину запирающего слоя p–n-перехода.
2. Через более узкий слой основные носители проходят легче, поэтому ток быстро увеличивается.
3. При обратном подключении слой расширяется и движение основных носителей затрудняется.

Ответ: ток больше при прямом подключении, потому что оно облегчает прохождение носителей через переход.

Задача 3

Условие: небольшой ток в управляющей области транзистора вызывает значительно больший ток в основной цепи. Объясните усиление сигнала и результат прекращения управляющего тока.

1. Изменение управляющего тока меняет прохождение носителей между двумя другими областями.
2. Большой ток основной цепи изменяется вслед за малым входным сигналом, используя энергию источника питания.
3. Если управляющий ток прекращается, транзистор закрывается или резко уменьшает ток основной цепи.

Ответ: транзистор усиливает сигнал за счёт управления большим током малым; при прекращении управления он может работать как разомкнутый электронный ключ.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Дырку принимают за отдельную положительно заряженную частицу, похожую на протон. Так происходит из-за удобного описания её движения как движения положительного заряда. Проверьте себя: вспомните, что дырка — это отсутствие электрона в связи.

Ошибка 2. Тип n- или p-проводимости путают с зарядом всего кристалла. Буквы обозначают преобладающих носителей, а не избыток заряда образца. Проверка проста: для легированного кристалла отдельно назовите основные и неосновные носители, затем учтите нейтральность.

Ошибка 3. Считают, что любая примесь увеличивает число свободных электронов. Донор действительно отдаёт электроны, но акцептор принимает их и создаёт дырки. Определяйте сначала, чего у атома примеси больше или меньше по сравнению с атомом основного вещества.

Ошибка 4. Транзистору приписывают создание энергии или считают управляющий ток равным основному. На самом деле энергию даёт источник питания, а транзистор регулирует её передачу. Проверьте себя вопросом: какой ток мал, какой велик и откуда поступает энергия?

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что такое электрический заряд, электрический ток, электрон и проводник. Эти понятия помогают понять, какие частицы движутся в полупроводнике и почему их движение создаёт ток.

Материал связан с электрической проводимостью и работой полупроводниковых диодов: диод использует свойства одного p–n-перехода. Знания о транзисторах пригодятся при изучении электронных устройств, усилителей, переключателей и электрических цепей.

Что запомнить

• В полупроводниках ток могут переносить электроны и дырки.
• При нагревании полупроводника число свободных носителей обычно возрастает.
• Донорная примесь создаёт электронную проводимость n-типа.
• Акцепторная примесь создаёт дырочную проводимость p-типа.
• В p–n-переходе направление приложенного напряжения влияет на силу тока.
• Транзистор позволяет управлять током основной цепи с помощью тока в управляющей области.