• Полупроводники

Определения и обозначения

Полупроводник — вещество, проводимость которого занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и зависит от температуры, освещения и примесей. К таким веществам относятся кремний, германий и некоторые соединения. Определение помогает отличить их не только по способности проводить ток, но и по тому, насколько сильно на неё влияют внешние условия.

Собственная проводимость — проводимость чистого полупроводника, возникающая благодаря движению собственных электронов и образующихся при этом дырок. Она появляется без намеренно добавленных примесей. Это понятие нужно, чтобы отделять свойства самого вещества от изменений, вызванных добавками.

Электронно-дырочная пара — свободный электрон и оставшаяся после его ухода вакантная позиция в кристаллической решётке. Вакантную позицию называют дыркой. Понятие пары показывает, почему при появлении одного свободного электрона одновременно возникает второй носитель заряда.

Примесная проводимость — проводимость полупроводника, обусловленная введением атомов примеси в его кристаллическую решётку. Подбирая примесь, можно увеличить число электронов или дырок. Это позволяет целенаправленно менять электрические свойства материала.

Как это устроено

Кремний и германий относят к полупроводникам по их способности проводить ток: она промежуточна между проводимостью металлов и диэлектриков. В металле подвижных электронов много, а в диэлектрике электроны прочно удерживаются и почти не переносят заряд. У полупроводника число подвижных носителей невелико, но его можно менять нагреванием, светом или примесями. Поэтому проводимость оказывается не неизменным свойством, а величиной, чувствительной к условиям.

В кристалле кремния атомы связаны с соседями ковалентными связями: валентные электроны участвуют в образовании общих электронных пар. Пока связь цела, электрон не может свободно перемещаться по кристаллу. Нагревание передаёт электронам энергию, а свет может поглощаться веществом и также передавать энергию. Если её хватает, связь разрывается и электрон становится свободным носителем заряда.

Когда электрон покидает связь, в ней остаётся незанятое место — дырка. Поэтому освобождение электрона не создаёт только один носитель: одновременно появляются отрицательно заряженный электрон и вакантное место, которое ведёт себя как положительный носитель. Соседний электрон может занять дырку, оставив новую вакансию на прежнем месте. Так дырка как бы перемещается по решётке, хотя движутся реальные электроны.

Чем выше температура, тем больше электронов получает достаточно энергии для выхода из связей. В результате в кристалле возникает больше электронов и дырок, а значит, увеличивается число частиц, способных переносить заряд. Поэтому электропроводность полупроводника обычно растёт при нагревании. Это поведение противоположно привычному случаю многих металлов, у которых нагревание, как правило, затрудняет движение электронов.

Количество носителей можно увеличить и с помощью примесей. Донорные атомы имеют лишний по сравнению с кремнием валентный электрон и могут предоставить его для переноса заряда; так возникает электронная проводимость. Атомы акцепторной примеси принимают электрон из соседней связи, оставляя дырку. В первом случае получают полупроводник n-типа, во втором — p-типа; эти обозначения указывают на преобладающий вид носителей.

Виды полупроводников и носители заряда

Сравнивайте образцы по составу, преобладающим носителям и причине проводимости. Слова «основные носители» означают, что именно этот вид заряда вносит наибольший вклад в перенос тока, а не то, что носителей другого вида совсем нет. Таблица помогает связать выбранную примесь с типом полупроводника.

Разбор задач

Задача 1. Распределите кремний, медь и стекло по группам: проводники, полупроводники и диэлектрики. Укажите признак классификации.

1. Сравниваем вещества по способности проводить электрический ток, а не, например, по внешнему виду.
2. Медь — металл, в котором есть подвижные электроны, поэтому она относится к проводникам.
3. Проводимость кремния промежуточна и заметно зависит от внешних условий; это полупроводник.
4. Стекло очень плохо проводит ток в обычных условиях, поэтому его относят к диэлектрикам.

Ответ: медь — проводник, кремний — полупроводник, стекло — диэлектрик. Признак классификации — способность вещества проводить ток и особенности его проводимости.

Задача 2. Объясните, какие носители заряда появляются при нагревании кристалла чистого кремния и почему их число увеличивается.

1. В чистом кремнии валентные электроны участвуют в ковалентных связях, поэтому в обычном состоянии они не все свободно перемещаются.
2. При нагревании электроны получают энергию; часть из них разрывает связь и становится свободной.
3. После ухода электрона в связи остаётся дырка, так что одновременно возникают два вида носителей.
4. Чем выше температура, тем больше электронов может получить нужную энергию, поэтому число электронов и дырок растёт.

Ответ: появляются свободные электроны и дырки. Их число увеличивается, потому что нагревание помогает разорвать больше ковалентных связей.

Задача 3. В один кристалл кремния добавили фосфор, а в другой — бор. Определите тип каждого полупроводника и основные носители заряда.

1. Учитываем, что у кремния четыре валентных электрона, а у фосфора — пять.
2. Четыре электрона фосфора участвуют в связях, а пятый может стать свободным; фосфор действует как донор.
3. Донор создаёт избыток электронов, значит, образец с фосфором — полупроводник n-типа, где основные носители — электроны.
4. У бора три валентных электрона, поэтому одной связи недостаёт электрона; возникает дырка, а бор действует как акцептор.

Ответ: кремний с фосфором — n-типа, основные носители электроны; кремний с бором — p-типа, основные носители дырки. Тип определяется не названием вещества, а действием примеси на число носителей.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что у полупроводника постоянная проводимость. Такое представление возникает, если сравнивать его с привычным проводником и не учитывать влияние температуры, света и добавок. Проверка простая: вспомните, что все три условия могут менять число носителей заряда.

Дырку иногда называют самостоятельной частицей вещества, хотя это не отдельный атом или электрон, а вакантное место в решётке. Путаница появляется потому, что дырка переносит заряд и может перемещаться по кристаллу. Проверяйте себя вопросом: что физически движется между узлами? Реальные электроны переходят на свободные места, а движение вакансии выглядит как перенос положительного заряда.

Ещё одна ошибка — менять местами типы n и p. Причина путаницы — буквенные обозначения, которые проще запомнить вместе с носителями. В n-типе главные носители — электроны, а в p-типе — дырки; эту пару стоит проверять каждый раз при решении задачи.

Не всякая примесь ухудшает проводимость: специально подобранные доноры и акцепторы увеличивают число носителей заряда. Ошибка возникает, если считать примесь только загрязнением материала. Чтобы проверить вывод, определите, отдаёт ли атом дополнительные электроны или создаёт дырки, а затем назовите тип проводимости.

Связь с другими темами

Для понимания полупроводников нужны знания о строении атома, валентных электронах, ковалентной связи, кристаллической решётке и электрическом токе. Они объясняют, почему одни электроны связаны, а другие могут переносить заряд. Свойства кремния и германия меняют направленным легированием — добавлением нужной примеси. Эти представления пригодятся при изучении p-n-перехода, диодов, транзисторов, солнечных батарей и микросхем.

Что запомнить

• Полупроводники проводят ток хуже металлов, но лучше диэлектриков.
• Главные материалы полупроводниковой техники — кремний и германий.
• В чистом полупроводнике носителями заряда являются электроны и дырки.
• При повышении температуры электропроводность полупроводника обычно возрастает.
• Донорная примесь создаёт полупроводник n-типа с преобладанием электронов.
• Акцепторная примесь создаёт полупроводник p-типа с преобладанием дырок.