Які струми протікають у напівпровідниках. Контактні явища у металах

Напівпровідники - це матеріали, які при звичайних умовахє діелектриками, але зі збільшенням температури стають провідниками. Тобто у напівпровідниках зі збільшенням температури, опір зменшується.

Будова напівпровідника на прикладі кристала кремнію

Розглянемо будову напівпровідників та основні типи провідності у них. Як приклад розглянемо кристал кремнію.

Кремній є чотиривалентним елементом. Отже, у його зовнішньої оболонкиє чотири електрони, які слабко пов'язані з ядром атома. З кожним по сусідству є ще чотири атоми.

Атоми між собою взаємодіють та утворюють ковалентні зв'язки. Від кожного атома у цьому зв'язку бере участь один електрон. Схема устрою кремнію зображена на наступному малюнку.

малюнок

Ковалентні зв'язки є досить міцними і при низьких температурах не розриваються. Тому в кремнії немає вільних носіїв заряду, і він за низьких температур є діелектриком. У напівпровідниках існує два види провідності: електронна та діркова.

Електронна провідність

При нагріванні кремнію йому повідомлятиметься додаткова енергія. Кінетична енергіячастинок збільшується і деякі ковалентні зв'язки розриваються. Тим самим утворюються вільні електрони.

В електричному полі ці електрони переміщуються між вузлами кристалічних ґрат. При цьому в кремнії створюватиметься електричний струм.

Оскільки основними носіями заряду є вільні електрони, такий тип провідності називають електронною провідністю. Кількість вільних електронів залежить від температури. Чим сильніше ми нагріватимемо кремній, тим більше ковалентних зв'язківбуде розриватися, а отже, з'являтиметься більше вільних електронів. Це призводить до зменшення опору. І кремній стає провідником.

Діркова провідність

Коли відбувається розрив ковалентного зв'язку, на місці електрона, що вирвався, утворюється вакантне місце, яке може зайняти інший електрон. Це місце називається діркою. У дірці є надлишковий позитивний заряд.

Положення дірки в кристалі постійно змінюється, будь-який електрон може зайняти це положення, а дірка при цьому переміститься туди, звідки перескочив електрон. Якщо електричного поляні, то рух дірок безладний, і тому струму не виникає.

За його наявності виникає упорядкованість переміщення дірок, і крім струму, який створюється вільними електронами, з'являється ще струм, який створюється дірками. Дірки будуть рухатися в протилежному рухуелектронів напрямку.

Таким чином, у напівпровідниках провідність є електронно-дірковою. Струм створюється як за допомогою електронів, так і за допомогою дірок. Такий тип провідності ще називається власною провідністю, оскільки беруть участь елементи лише одного атома.

У напівпровідниках вільні електрони та дірки перебувають у стані хаотичного руху. Тому, якщо вибрати довільний перетин усередині об'єму напівпровідника і підрахувати кількість носіїв заряду, що проходять через цей переріз за одиницю часу зліва направо та праворуч наліво, значення цих чисел виявляться однаковими. Це означає, що електричний струм у цьому обсязі напівпровідника відсутній. При приміщенні напівпровідника в електричне поле напруженістю Е хаотичний рух носіїв зарядів накладається складова спрямованого руху. Спрямований рух носіїв зарядів в електричному полі зумовлює появу струму, що називається дрейфовим (рис. 1.5)

В області високих температурконцентрація електронів та дірок значно зростає за рахунок розриву ковалентних зв'язків та, незважаючи на зменшення їх рухливості, електропровідність напівпровідника збільшується за експоненційним законом.

Малюнок 1.5 Дрейфовий струм у напівпровіднику

1.2.2 Дифузійний струм

Крім теплового збудження, що призводить до виникнення рівноважної концентрації зарядів, рівномірно розподілених за обсягом напівпровідника, збагачення напівпровідника електронами до концентрації n p і дірками до концентрації p n може здійснюватися його освітленням, опроміненням потоком заряджених частинок, введенням через контакт (інжекцією) і т.д. У цьому випадку енергія збудника передається безпосередньо носіям заряду та теплова енергіякристалічних ґрат залишається практично постійною. Отже, надлишкові носії заряду не знаходяться в тепловій рівновазі з ґратами і тому називаються нерівноважними. На відміну від рівноважних, вони можуть нерівномірно розподілятися за обсягом напівпровідника (рис. 1.6)

Після припинення дії збудника за рахунок рекомбінації електронів та дірок концентрація надлишкових носіїв швидко зменшується і досягає рівноважного значення.

Носії зарядів рекомбінують обсягом напівпровідника і його поверхні. Нерівномірний розподіл нерівноважних носіїв зарядів супроводжується їхньою дифузією у бік меншої концентрації. Цей рух носіїв зарядів зумовлює проходження електричного струму, що називається дифузійним (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 Дифузійний струм у напівпровіднику

1.3 Контактні явища

Електронно-дірковий перехід у стані рівноваги

Принцип дії більшості напівпровідникових приладів ґрунтується на фізичних явищах, що відбуваються в області контакту твердих тіл. При цьому переважно використовуються контакти: напівпровідник-напівпровідник; метал-напівпровідник; метал-діелектрик-напівпровідник.

Якщо перехід створюється між напівпровідниками n-типу та p-типу, то його називають електронно-дірковим або p-n переходом.

Електронно-дірковий перехід створюється в одному кристалі напівпровідника з використанням складних та різноманітних технологічних операцій.

Розглянемо p-n перехід, у якому концентрації донорів N д і акцепторів N a змінюються стрибком межі розділу (рис. 1.7, а). Такий p-n перехід називають різким. Рівноважна концентрація дірок у p-області () значно перевищує їхню концентрацію в n-області (). Аналогічно для електронів виконується умова>. Нерівномірний розподіл концентрацій однойменних носіїв зарядів у кристалі (рис. 1.7 б) призводить до виникнення дифузії електронів з n-області в p-область і дірок з p-області в n-область. Такий рух зарядів створює дифузійний струм електронів та дірок.

Електрони та дірки, переходячи через контакт назустріч один одному (завдяки дифузії), рекомбінують і в приконтактній області діркового напівпровідника утворюється нескомпенсований заряд негативних іонів акцепторних домішок, а в електронному напівпровіднику некомпенсований заряд позитивних донорних іонів (рис. 16). Таким чином, електронний напівпровідник заряджається позитивно, а дірковий – негативно. Між областями з різними типами електропровідності виникає власне електричне поле напруженістю E соб (рис. 1.7 а), створене двома шарами об'ємних зарядів.

Власне електричне поле є гальмуючим для основних носіїв заряду і прискорює для неосновних. p align="justify"> Електрони p-області і дірки n-області, здійснюючи тепловий рух, потрапляють у межі дифузійного електричного поля, захоплюються ним і перекидаються в протилежні області, утворюючи струм дрейфу, або струм провідності.

Рисунок 1.7 Рівноважний стан p-n переходу

Приконтактну область, де є власне електричне поле, називають p- nпереходом. У цій галузі напівпровідник характеризується власною електропровідністю і має порівняно з рештою обсягу підвищений опір. У зв'язку з цим його називають замикаючим шаром або областю об'ємного заряду.

На ширину замикаючого шару істотно впливає концентрація домішкових атомів. Збільшення концентрації домішкових атомів звужує замикаючий шар, а зменшення розширює його. Це часто використовується для надання напівпровідникових приладів необхідних властивостей.

На цьому уроці ми розглянемо таке середовище проходження електричного струму як напівпровідники. Ми розглянемо принцип їхньої провідності, залежність цієї провідності від температури та наявності домішок, розглянемо таке поняття, як p-n перехід та основні напівпровідникові прилади.

Якщо ж здійснити пряме підключення, то зовнішнє поле нейтралізує замикаюче, і струм здійснюватиметься основними носіями заряду (рис. 9).

Мал. 9. p-n перехід при прямому підключенні ()

При цьому струм неосновних носіївмізерно малий, його практично немає. Тому p-n перехід забезпечує односторонню провідність електричного струму.

Мал. 10. Атомна структура кремнію зі збільшенням температури

Провідність напівпровідників є електронно-дірковою, і така провідність називається власною провідністю. І на відміну від провідникових металів зі збільшенням температури якраз збільшується кількість вільних зарядів (у першому випадку воно не змінюється), тому провідність напівпровідників зростає зі зростанням температури, а опір зменшується (рис. 10).

Дуже важливим питанняму вивченні напівпровідників є наявність домішок у них. І в разі наявності домішок слід говорити вже про домішкову провідність.

Напівпровідникові прилади

Малі розміри і дуже велика якість сигналів, що пропускаються, зробили напівпровідникові прилади дуже поширеними в сучасній електронній техніці. До складу таких приладів може входити як вищезгаданий кремній з домішками, а й, наприклад, германій.

Одним із таких приладів є діод - прилад, здатний пропускати струм в одному напрямку та перешкоджати його проходженню в іншому. Він виходить вживлення в напівпровідниковий кристал p-або n-типу напівпровідника іншого типу (рис. 11).

Мал. 11. Позначення діода на схемі та схема його пристрою відповідно

Іншим приладом, тепер уже з двома p-n переходаминазивається транзистор. Він служить як вибору напрями пропускання струму, але й його перетворення (рис. 12).

Мал. 12. Схема будови транзистора та його позначення на електричної схемивідповідно ()

Слід зазначити, що у сучасних мікросхемах використовується безліч комбінацій діодів, транзисторів та інших електричних приладів.

на наступному уроціми розглянемо поширення електричного струму у вакуумі.

Список літератури

1. Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика ( базовий рівень) – К.: Мнемозіна, 2012.
2. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. - М: Ілекса, 2005.
3. Мякішев Г.Я., Синяков А.З., Слобідськ Б.А. фізика. Електродинаміка. – К.: 2010.

1. Принципи дії пристроїв ().
2. Енциклопедія Фізики та Техніки ().

Домашнє завдання

1. Внаслідок чого у напівпровіднику з'являються електрони провідності?
2. Що таке власна провідність напівпровідника?
3. Як залежить провідність напівпровідника від температури?
4. Чим відрізняється донорна домішка від акцепторної?
5. *Яку провідність має кремній з домішкою а) галію, б) індія, в) фосфору, г) сурми?

Мета уроку: сформувати уявлення про вільні
носії електричного зарядуу напівпровідниках та про
природа електричного струму в напівпровідниках.
Тип уроку: вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань 5 хв. 1. Електричний струму металах.
2. Електричний струм у електролітах.
3. Закон Фарадея для електролізу.
4. Електричний струм у газах
Демонстрації
5 хв. Фрагменти відеофільму «Електричний струм у
напівпровідниках»
Вивчення нового
матеріалу
28
хв.
1. Носії зарядів у напівпровідниках.
2. Домішна провідністьнапівпровідників.
3. Електронно-дірковий перехід.
4. Напівпровідникові діоди та транзистори.
5. Інтегральні мікросхеми
Закріплення
вивченого
матеріалу
7 хв. 1. Якісні питання.
2. Вчимося вирішувати завдання

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Носі зарядів у напівпровідниках

Питомі опори напівпровідників при кімнатній
температурі мають значення, які знаходяться у широкому
інтервалі, тобто. від 10-3 до 107 Ом · м, і займають
проміжне положення між металами та діелектриками.
Напівпровідники - речовини, питомий опір яких
дуже швидко зменшується з підвищенням температури.
До напівпровідників належать багато хімічні елементи
(Бір, кремній, германій, фосфор, миш'як, селен, телур та ін),
велика кількістьмінералів, сплавів та хімічних
з'єднань. Майже все неорганічні речовининавколишнього
світу – напівпровідники.
За досить низьких температур та відсутності зовнішніх
впливів
освітлення або нагрівання)
напівпровідники не проводять електричний струм: за цих
умовах всі електрони в напівпровідниках є
пов'язаними.
Однак зв'язок електронів зі своїми атомами в
напівпровідниках не такий міцний, як у діелектриках. І в
у разі підвищення температури, а також за яскравого освітлення
деякі електрони відриваються від своїх атомів і стають
вільними зарядами, тобто можуть переміщатися всім
зразком.
Завдяки цьому у напівпровідниках з'являються
негативні носії заряду – вільні електрони.

Коли електрон відривається від атома, позитивний заряд
цього атома стає некомпенсованим, тобто. в цьому місці
з'являється зайвий позитивний
Цей
позитивний заряд називають «діркою». Атом, поблизу
якого утворилася дірка, може відібрати пов'язаний
електрон у сусіднього атома, при цьому дірка переміститься до
сусіднього атома, а той атом, у свою чергу, може передати
дірку далі.
Таке «естафетне» переміщення зв'язаних електронів можна
розглядати як переміщення дірок,
тобто
позитивних зарядів.
(наприклад,
заряд.

Провідність напівпровідника, обумовлена ​​рухом

дірок, називається дірочною.
відмінність дірочної провідності від
Таким чином,
електронної полягає в тому, що електронна провідність
обумовлена ​​переміщенням у напівпровідниках вільних
електронів, а дірочна – переміщенням пов'язаних електронів.
У чистому напівпровіднику (без домішок) електричний струм
створює однакову кількість вільних електронів та дірок.
Таку провідність називають власною провідністю
напівпровідників.
2. Домісна провідність напівпровідників
Якщо додати до чистого розплавленого кремнію
незначна кількість миш'яку (приблизно 10-5%), після
твердіння утворюється звичайна кристалічна решітка
кремнію, але в деяких вузлах решітки замість атомів кремнію
будуть знаходитися атоми миш'яку.
Миш'як, як відомо, п'ятивалентний елемент. Чотиривалентні
електрони утворюють парні електронні зв'язкиіз сусідніми
атомами кремнію. П'ятого ж валентного електрона зв'язку не
вистачить, при цьому він буде так слабко пов'язаний з атомом Миш'яку,
який легко стає вільним. В результаті кожен
атом домішки дасть один вільний електрон.

Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються
донорними.
Електрони з атомів кремнію можуть ставати вільними,
утворюючи дірку, тому в кристалі можуть одночасно

Домішки, які «захоплюють» електрони атомів
називаються
існують і вільні електрони та дірки. Однак
вільних електронів у багато разів буде більше, ніж дірок.
Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів

Якщо до кремнію додати незначну кількість
тривалентну індію,
то характер провідності
напівпровідника зміниться. Оскільки індій має три
валентного електрона, то він може встановити ковалентна
зв'язок лише з трьома сусідніми атомами. Для встановлення
зв'язку із четвертим атомом електрона не вистачить. Індій
«позичить» електрон у сусідніх атомів, у результаті кожен
атом Індія утворює одне вакантне місце - дірку.

акцепторними.
У разі акцепторної домішки основними носіями заряду
під час проходження електричного струму через
напівпровідник є дірки. Напівпровідники, в яких
основними носіями зарядів є дірки, які називають
напівпровідниками р-типу.
Майже всі напівпровідники містять і донорні, і
акцепторні домішки. Тип провідності напівпровідника
визначає домішка з вищою концентрацією носіїв
заряду - електронів та дірок.
3. Електронно-дірковий перехід
Серед фізичних властивостей, властивих напівпровідникам,
Найбільшого застосування отримали властивості контактів (р-n-
переходу) між напівпровідниками з різними типами
провідності.
У напівпровіднику n-типу електрони беруть участь у тепловому
рух і дифундують через кордон у напівпровідника р-
типу, де їхня концентрація значно менша. Так само
дірки будуть дифундувати з напівпровідника р-типу в
напівпровідник п-типу. Це відбувається подібно до того, як
атоми розчиненої речовини дифундують із міцного
розчину у слабкий у разі їх зіткнення.
В результаті дифузії приконтактна ділянка збідняється
основними носіями заряду: у напівпровіднику n-типу

зменшується концентрація електронів, а в напівпровіднику р-
типу – концентрація дірок.
Тому опір
приконтактної ділянки виявляється дуже значною.
Дифузія електронів та дірок через р-n-перехід призводить до
тому, що напівпровідник n-типу, з якого йдуть електрони,
заряджається позитивно, а р-типу негативно. Виникає
подвійний електричний шар, що створює електричне поле,
яке перешкоджає подальшій дифузії вільних
носіїв струму через контакт напівпровідників. За деякою
напруги між подвійним зарядженим шаром подальше
зубожіння приконтактної ділянки основними носіями
припиняється.
Якщо тепер напівпровідник приєднати до джерела струму
так, щоб його електронна областьз'єднувалася з
негативним полюсом джерела, а дірочна - з
позитивним, то електричне поле, створене джерелом
струму, буде спрямовано так, що воно переміщатиме основні
носії струму в кожній ділянці напівпровідника з р-n-
переходу.
При контакті ділянка збагачуватиметься основними
носіями струму, та його опір зменшиться. Через
контакт буде проходити помітний струм. Напрямок струму в
цьому випадку називають пропускним або прямим.
Якщо ж приєднати напівпровідник n-типу до
позитивному, а р-типу до негативного полюса джерела,
то приконтактна ділянка розширюється. Опір області
значно збільшується. Струм через перехідний шар буде
дуже малий. Цей напрямок струму називають замикаючим, або
зворотним.
4. Напівпровідникові діоди та транзистори
Отже, через межу розділу напівпровідників n-типу
та р-типу електричний струм йде тільки в одному напрямку -
від напівпровідника p-типу до напівпровідника n-типу.
Це використовують у пристроях, які називають діодами.
Напівпровідникові діоди використовують для випрямлення струму
змінного напрямку (такий струм називають змінним), а
також виготовлення світлодіодів. Напівпровідникові
випрямлячі мають високу надійність та тривалий термін
використання.

пристроях:
Широко застосовують напівпровідникові діоди в
радіотехнічних
радіоприймачі,
відеомагнітофони, телевізори, комп'ютери.
Ще більш важливим застосуваннямнапівпровідників став
транзистор. Він складається з трьох шарів напівпровідників:
краям розташовані напівпровідники одного типу, а між
ними – тонкий шар напівпровідника іншого типу. Широке
застосування транзисторів обумовлено тим, що з їх допомогою
можна посилювати електричні сигнали. Тому транзистор
став основним елементом багатьох напівпровідникових
приладів.
5. Інтегральні мікросхеми
Напівпровідникові діоди та транзистори є
«цеглинами» дуже складних пристроїв, які називають
інтегральними мікросхем.
Мікросхеми працюють сьогодні в комп'ютерах та телевізорах,
мобільних телефонах та штучних супутниках,
в
автомобілях, літаках і навіть у пральних машинах.
Інтегральну схему виготовляють на платівці кремнію.
Розмір платівки - від міліметра до сантиметра, причому на
одній такій платівці може розміщуватись до мільйона
компонентів - крихітних діодів, транзисторів, резисторів та
ін.
Важливими перевагами інтегральних схем є
висока швидкодія та надійність, а також низька
вартість. Саме завдяки цьому на основі інтегральних
схем і вдалося створити складні, але багатьом доступні прилади,
комп'ютери та предмети сучасної побутової техніки.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. Які речовини можна віднести до напівпровідникових?
2. Рухом яких заряджених частинок створюється струм
напівпровідниках?
3. Чому опір напівпровідників дуже сильно
залежить від наявності домішок?

4. Як утворюється p-n-перехід? Яка властивість має p-n-
перехід?
5. Чому вільні носіїзарядів не можуть пройти
крізь p-n-перехід напівпровідника?
Другий рівень
1. Після введення в германій домішки миш'яку концентрація

Це концентрація дірок?
2. За допомогою якого досвіду можна переконатися в односторонній
провідності напівпровідникового діода?
3. Чи можна отримати р-n-перехід, виконавши вплавлення олова
у германій чи кремній?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1.
Чому вимоги до чистоти напівпровідникових
матеріалів дуже високі (у ряді випадків не допускається
наявність навіть одного атома домішки на мільйон атомів)?
2. Після введення в германій домішки миш'яку концентрація
електронів провідності збільшилася. Як змінилася при
Це концентрація дірок?
3. Що відбувається в контакті двох напівпровідників n-і р-
типу?
4. У закритому ящику знаходяться напівпровідниковий діод і
реостат. Кінці приладів виведені назовні та приєднані до
клем. Як визначити, які клеми належать діоду?
2). Вчимося вирішувати завдання
1. Яку провідність (електронну чи дірочну) має
кремній із домішкою галію? Індію? фосфору? сурми?
2. Яка провідність (електронна чи дірочна) буде у
кремнію, якщо до нього додати фосфор? бор? алюміній?
миш'як?

3. Як зміниться опір зразка кремнію з домішкою
фосфору, якщо ввести до нього домішка галію? Концентрація
атомів Фосфору та Галію однакова. (Відповідь: збільшиться)

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОКУ
· Напівпровідники - речовини, питомий опір яких
дуже швидко знижується із підвищенням температури.

електронів називають електронною.
· Провідність напівпровідника, обумовлена ​​рухом
дірок, називається дірочною.
· Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються
донорними.

є електрони, що називають напівпровідниками n-типу.
· Домішки, які «захоплюють» електрони атомів
кристалічних ґрат напівпровідників,
називаються
акцепторними.
· Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів
є дірки, що називають напівпровідниками р-типу.
· Контакт двох напівпровідників з різними видами
провідності має властивості добре проводити струм в одному
напрямі та значно гірше у протилежному
напрямі, тобто. має односторонню провідність.

Домашнє завдання
1. §§ 11, 12.

До напівпровідників відносяться багато хімічних елементів (германій, кремній, селен, телур, миш'як та ін.), величезна кількість сплавів і хімічних сполук. Майже всі неорганічні речовини навколишнього світу – напівпровідники. Найпоширенішим у природі напівпровідником є ​​кремній, що становить близько 30% земної кори.

Якісна відмінність напівпровідників від металів проявляється в залежності питомого опору від температури(Рис.9.3)

Зонна модель електронно-діркової провідності напівпровідників

При освіті твердих тілможлива ситуація, коли енергетична зона, що виникла з енергетичних рівнів валентних електроніввихідних атомів, виявляється повністю заповненою електронами, а найближчі, доступні для заповнення електронами енергетичні рівнівідокремлені від валентної зони Е V проміжком невирішених енергетичних станів– так званою забороненою зоною Е g.Вище забороненої зони розташована зона дозволених для електронів енергетичних станів – зона провідності Е c.

Зона провідності при 0 К повністю вільна, а валентна зона повністю зайнята. Подібні зонні структури характерні для кремнію, германію, арсеніду галію (GaAs), фосфіду індію (InP) та багатьох інших твердих тіл, які є напівпровідниками.

При підвищенні температури напівпровідників та діелектриків електрони здатні отримувати додаткову енергію, пов'язану з тепловим рухом. kT. У частині електронів енергії теплового рухувиявляється достатньо для переходу з валентної зони до зони провідності,де електрони під впливом зовнішнього електричного поля можуть переміщатися практично вільно.

В цьому випадку, у ланцюгу з напівпровідниковим матеріалом у міру підвищення температури напівпровідника наростатиме електричний струм.Цей струм пов'язаний не лише з рухом електронів у зоні провідності, а й з появою вакантних місць від електронів, що пішли в зону провідностіу валентній зоні, так званих дірок . Вакантне місце може бути зайняте валентним електроном із сусідньої пари, тоді дірка переміститься на нове місце у кристалі.

Якщо напівпровідник поміщається в електричне поле, то до впорядкованого руху залучаються не тільки вільні електрони, а й дірки, які поводяться як позитивно заряджені частинки. Тому струм Iу напівпровіднику складається з електронного I nта діркового I pструмів: I= I n+ I p.

Електронно-дірковий механізм провідності проявляється лише у чистих (тобто без домішок) напівпровідників. Він називається власною електричною провідністю напівпровідників. Електрони закидаються в зону провідності з рівня Фермі, який опиняється в власному напівпровідникурозташованим посередині забороненої зони(Рис. 9.4).

Істотно змінити провідність напівпровідників можна, ввівши в них дуже невелику кількість домішок. У металах домішка завжди зменшує провідність. Так, додавання до чистого кремнію 3 % атомів фосфору збільшує електропровідність кристала в 10 5 разів.

Невелике додавання домішки до напівпровідника називається легуванням.

Необхідною умовоюрізкого зменшення питомого опору напівпровідника під час введення домішок є відмінність валентності атомів домішки від валентності основних атомів кристала. Провідність напівпровідників за наявності домішок називається домішковою провідністю .

Розрізняють два типи домішкової провідності – електронну і дірочну провідності. Електронна провідністьвиникає, коли кристал германію з чотиривалентними атомами введені пятивалентные атоми (наприклад, атоми миш'яку, As) (рис. 9.5).

Чотири валентні електрони атома миш'яку включені в утворення ковалентних зв'язків з чотирма сусідніми атомами германію. П'ятий валентний електрон виявився зайвим. Він легко відривається від атома миш'яку і стає вільним. Атом, що втратив електрон, перетворюється на позитивний іон, розташований у вузлі кристалічних ґрат.

Домішка з атомів з валентністю, що перевищує валентність основних атомів напівпровідникового кристала, називається донорською домішкою . Внаслідок її введення в кристалі з'являється значна кількість вільних електронів. Це призводить до різкого зменшення питомого опору напівпровідника – у тисячі та навіть мільйони разів.

Питомий опір провідника з великим змістомдомішок може наближатися до питомого опору металевого провідника. Така провідність, обумовлена ​​вільними електронами, називається електронною, а напівпровідник, що має електронну провідність, називається напівпровідником n-типу.

Діркова провідність виникає, коли кристал германію введені тривалентні атоми, наприклад, атоми индия (рис. 9.5)

На малюнку 6 показаний атом індію, який створив за допомогою своїх валентних електронів ковалентні зв'язки лише з трьома сусідніми атомами Німеччини. На утворення зв'язку з четвертим атомом германію атом індію не має електрона. Цей недостатній електрон може бути захоплений атомом індію з ковалентного зв'язку сусідніх атомів германію. У цьому випадку атом індія перетворюється на негативний іон, розташований у вузлі кристалічних ґрат, а в ковалентному зв'язку сусідніх атомів утворюється вакансія.

Домішка атомів, здатних захоплювати електрони, називається акцепторною домішкою . В результаті введення акцепторної домішки в кристалі розривається безліч ковалентних зв'язків та утворюються вакантні місця (дірки). На ці місця можуть перескакувати електрони із сусідніх ковалентних зв'язків, що призводить до хаотичного блукання дірок кристалом.

Концентрація дірок у напівпровіднику з акцепторною домішкою значно перевищує концентрацію електронів, що виникли через механізм власної електропровідності напівпровідника: n p>> n n. Провідність такого типу називається дірковою провідністю . Домішний напівпровідник з дірковою провідністю називається напівпровідником p-типу . Основними носіями вільного заряду у напівпровідниках p-типу є дірки.

Електронно-дірковий перехід. Діоди та транзистори

У сучасної електронної техніки напівпровідникові прилади грають виняткову роль. Останні три десятиліття вони майже повністю витіснили електровакуумні прилади.

У будь-якому напівпровідниковому приладі є один або кілька електронно-діркових переходів . Електронно-дірковий перехід (або n–p-перехід) - це область контакту двох напівпровідників із різними типами провідності.

На межі напівпровідників (рис. 9.7) утворюється подвійний електричний шар, електричне поле якого перешкоджає процесу дифузії електронів та дірок назустріч один одному.

Здатність n–p-перехід пропускати струм практично тільки в одному напрямку використовується в приладах, які називаються напівпровідниковими діодами. Напівпровідникові діоди виготовляються із кристалів кремнію або германію. При їх виготовленні кристал з яким-небудь типом провідності вплавляють домішка, що забезпечує інший тип провідності.

На малюнку 9.8 наведено типову вольт - амперну характеристику кремнієвого діода.

Напівпровідникові прилади не з одним, а з двома n-p-переходами називаються транзисторами . Транзистори бувають двох типів: p–n–p-транзистори та n–p–n-транзистори. У транзисторі n–p–n-типу основна германієва пластинка має провідність p-Типу, а створені на ній дві області - провідністю n-Типу (рис.9.9).

У транзисторі p–n–p– типу все навпаки. Платівку транзистора називають базою(Б), одну з областей із протилежним типом провідності – колектором(К), а другу – емітером(Е).