Напівпровідники приклади. Сучасні уявлення про електричні властивості речовин

Напівпровідники - це речовини, у яких електричний струм утворюється рухом електронів, а величина питомого опору знаходиться в межах між провідниками та діелектриками. Напівпровідниками є хімічні елементи IV, У та VI груп періодичної системи Д. І. Менделєєва - графіт, кремній, германій, селен та інші, а також багато оксидів та інших сполук різних металів. Кількість рухомих носіїв зарядів у напівпровідниках у звичайних умовах невелика, проте вона зростає в сотні та тисячі разів при деяких зовнішніх впливах (нагрівання, дія світла тощо), а також за наявності у напівпровіднику певних домішок.

Напівпровідники поділяються на електронні (типу n) та дірочні (типу p). У напівпровідниках типу nяк носії зарядів розглядаються електрони, які при утворенні струму переміщуються по всьому напівпровіднику подібно до вільних електронів у металах. У напівпровідниках типу pяк носії зарядів розглядаються так звані дірки (під дірками розуміється вільне місце в атома, яке може бути зайняте стороннім йому електроном). Дірки вважаються еквівалентом позитивного заряду, що дорівнює електрону. При утворенні струму в напівпровіднику типу pелектрони здійснюють лише спрямовані перескоки між сусідніми атомами; при перескоку електрона з однієї дірки в іншу дірка переміщається у протилежному напрямку, що й сприймається як утворення струму.

Основні сфери застосуваннянапівпровідників. Напівпровідники, опір яких при нагріванні внаслідок звільнення носіїв зарядів значно знижується, застосовуються як електротермометри, або термістори; в порівнянні з ртутними термометрами вони відрізняються значно вищою чутливістю та відсутністю теплової інерції. Термістор (рис. 1, а) зазвичай має форму кульки 1, який закладені висновки 2 з тонкого дроту. Термістор оточений тонкою ізоляцією пластмасової 3 і укріплений на кінці вимірювальної ручки 1 (рис. 1,6). Провід від термістора включаються в одне плече вимірювальної схеми (місток Уітстона), в інше плече якої включено мікроамперметр 2 (рис. 1 б). Шкала приладу градує у градусах Цельсія. В одному корпусі з приладом розміщуються сухі елементи та інші деталі вимірювальної схеми. Завдяки малій величині термістор може застосовуватися для вимірювання шкірної, порожнинної та навіть внутрішньотканинної температури; в останньому випадку він закладається всередину голки, яка працює в тканину.

Якщо нагрівати один кінець стрижня з напівпровідника, то носії зарядів з високою кінетичною енергією (електрони або дірки), що звільняються в ньому, будуть дифундувати до іншого кінця стрижня, утворюючи на ньому надлишок заряду відповідного знака. Між гарячим і холодним кінцями напівпровідника утворюється різниця потенціалів, прямо пропорційна різниці температур цих кінців. Зазвичай складають пару з електронного та діркового напівпровідника. При нагріванні їх спаю між холодними кінцями утворюється термоелектрорушійна сила, що дорівнює сумі різниць потенціалів, що утворюється в кожному з напівпровідників. Вона в сотні разів перевищує термоелектрорушійну силу металевих термопар.

Термоелектричні явища оборотні: якщо через спай електронного та діркового напівпровідника пропускати у певному напрямку струм від стороннього джерела, то спай охолоджуватиметься по відношенню до температури вільних кінців напівпровідника. Це використовується при влаштуванні холодильних елементів. На рис. 2 показаний напівпровідниковий лабораторний холодильник. Холодильні елементи розташовані у формі кільця, спаями усередину. У це кільце вставляється посудина з рідиною, що охолоджується. Протилежні кінці елементів мають радіатори, за допомогою яких у них підтримується температура навколишнього середовища. Постійний струм від акумулятора підводиться до клем.

При тісному зіткненні напівпровідника з електронною та дірковою провідністю (такий контакт називається електронно-дірковим переходом) відбувається дифузія електронів з електронного напівпровідника в дірковий та дірок з діркового напівпровідника в електронний. При цьому в шарах напівпровідника, що прилягають до контакту, кількість основних носіїв зарядів зменшується, і електропровідність їх знижується. Якщо до електронно-діркового переходу додано зовнішню різницю потенціалів, що викликає рух основних носіїв зарядів у напівпровіднику назустріч один одному, то прикордонні шари збагачуються ними, електропровідність їх підвищується і струм у цьому напрямі утворюється безперешкодно. Якщо зовнішня різниця потенціалів спричиняє рух основних носіїв зарядів у напівпровіднику у протилежні сторони від контакту, то електропровідність прикордонних шарів знижується до мінімуму. Струм у цьому напрямі не утворюється. У зв'язку з цим електронно-дірковий перехід називається «замикаючим шаром» і застосовується для випрямлення змінного струму. Купроксні або селенові випрямляючі елементи складаються з опорної шайби з шаром напівпровідника, у якому утворений замикаючий шар. Необхідне (залежно від величини напруги, що випрямляється) число елементів збирається на стрижні у формі стовпчика (рис.3). Площа елементів узгоджується з силою струму, що випрямляється.

Мал. 4. Схема влаштування фотоелемента.

Фотоелементи - це напівпровідникові прилади, у яких під впливом світла утворюється самостійна різниця потенціалів. Селеновий фотоелемент (рис. 4) складається з шару напівпровідника, розташованого між двома електродами: 1 опорним і другим 3 у вигляді тонкого прозорого для світла шару металу. Усередині напівпровідника утворений замикаючий шар 2.

При дії світла у напівпровідниках відбувається звільнення електронів та дірок, які прагнуть розподілитися по всьому напівпровіднику. Однак через замикаючий шар можуть проходити заряди лише одного якогось знака. В результаті цього у напівпровіднику відбувається поділ зарядів і між прилеглими до нього електродами утворюється різниця потенціалів. Крива спектральної чутливості селенового фотоелемента близька до аналогічної кривої ока. У зв'язку з цим він широко застосовується у приладах для об'єктивної фотометрії (люксметрів) та колориметрії (фотоколориметрів).

Електронно-дірковий перехід використовується також при влаштуванні кристалічних діодів і тріодів - приладів, аналогічних за властивостями електронних ламп і в багатьох випадках застосовуються замість них.

Напівпровідникові прилади, що мають ряд властивостей, які роблять їх застосування кращим перед вакуумними приладами, все ширше використовуються в електронній техніці. Останніми роками, які характеризуються прогресом у напівпровідникової електроніці, розробляються прилади нових фізичних принципах.

До напівпровідників відносять багато хімічних елементів, такі, як кремній, германій, індій, фосфор та ін, більшість оксидів, сульфідів, селенідів і телуридів, деякі сплави, ряд мінералів. За словами академіка А. Ф. Іоффе, "напівпровідники - це майже весь навколишній неорганічний світ".

Напівпровідники бувають кристалічні, аморфні та рідкі. У напівпровідникової техніці зазвичай використовують лише кристалічні напівпровідники (монокристали з домішками трохи більше одного атома домішки на 1010 атомів основної речовини). Зазвичай до напівпровідників відносять речовини, що за питомою електричною провідністю займають проміжне положення між металами та діелектриками (звідси походження їх назви). При кімнатній температурі питома електрична провідність становить від 10-8 до 105 См/м (для металів - 106-108 См/м, для діелектриків - 10-8-10-13 См/м). Основна особливість напівпровідників – зростання питомої електричної провідності у разі підвищення температури (для металів вона падає). Електропровідність напівпровідників значно залежить від зовнішніх впливів: нагрівання, опромінення, електричного та магнітного полів, тиску, прискорення, а також від вмісту незначної кількості домішок. Властивості напівпровідників добре пояснюються за допомогою зонної теорії твердого тіла.

Атоми всіх речовин складаються з ядра та електронів, що рухаються по замкнутій орбіті навколо ядра. Електрони в атомі групуються оболонки. У основних напівпровідників, що використовуються для створення напівпровідникових приладів - кремнію та германію, кристалічні грати тетраедричні (має форму правильної трикутної піраміди) (рис. 16.1). Проекція структури Ge на площину показано на рис. 16.2. Кожен валентний електрон, тобто електрон, що знаходиться на зовнішній, незаповненій оболонці атома, в кристалі належить не тільки своєму, а й ядру сусіднього атома. Усі атоми в кристалічній решітці розташовані на однаковій відстані один від одного і пов'язані ковалентними зв'язками (ковалентним називається зв'язок між парою валентних електронів двох атомів, на рис. 16.2 вона показана двома лініями). Ці зв'язки є міцними; щоб їх розірвати, потрібно ззовні додати енергію.

Енергія електрона W дискретна, або квантована, тому електрон може рухатися лише за тією орбітою, що відповідає його енергії. Можливі значення енергії електрона можна на діаграмі енергетичними рівнями (рис. 16.3). Чим більша віддалена орбіта від ядра, тим більша енергія електрона і тим вищий його енергетичний рівень. Енергетичні рівні розділені зонами II, які відповідають забороненій енергії для електронів (заборонені зони). Так як у твердому тілі сусідні атоми знаходяться дуже близько один від одного, це викликає зміщення та розщеплення енергетичних рівнів, внаслідок чого утворюються енергетичні зони, які називаються дозволеними (I, III, IV на рис. 16.3). Ширина дозволених зон зазвичай дорівнює декільком електрон-вольтам. В енергетичній зоні число дозволених рівнів дорівнює числу атомів у кристалі. Кожна дозволена зона займає певну область енергії та характеризується мінімальним та максимальним рівнями енергії, які називаються відповідно дном та стелею зони.

Дозволені зони, в яких відсутні електрони, називаються вільними (I). Вільна зона, в якій при температурі 0 К електронів немає, а при більш високій температурі вони можуть знаходитися в ній, називається зоною провідності.

Вона знаходиться вище валентної зони (III) – верхньої із заповнених зон, у яких усі енергетичні рівні зайняті електронами при температурі 0 К.

У зонній теорії підрозділ твердих тіл на метали, напівпровідники та діелектрики заснований на ширині забороненої зони між валентною зоною та зоною провідності та ступеня заповнення дозволених енергетичних зон (рис. 16.4). Ширина забороненої зони ΔWa називається енергією активації власної електропровідності. Для металу ΔWa = 0 (рис. 16.4 а); умовно при ΔWa ≤ 2 еВ кристал є напівпровідником (рис. 16.4,6), при ΔWa ≥ 2 еВ - діелектриком (рис. 16.4, в). Так як у напівпровідників значення ΔWa порівняно невелике, достатньо повідомити електрону енергію, порівнянну з енергією теплового руху, щоб він перейшов з валентної зони в зону провідності. Цим пояснюється особливість напівпровідників – збільшення електропровідності у разі підвищення температури.

Електропровідність напівпровідників. Власна електропровідність. Для того, щоб речовина мала електропровідність, вона повинна містити вільні носії заряду. Такими носіями заряду у металах є електрони. У напівпровідниках - електрони та дірки.

Розглянемо електропровідність власних напівпровідників (i-тип), тобто таких речовин, в яких не містяться домішок і немає структурних дефектів кристалічної решітки (порожніх вузлів, зсувів решітки та ін.). При температурі 0 К у такому напівпровіднику вільних носіїв заряду немає. Однак з підвищенням температури (або при іншому енергетичному впливі, наприклад, освітленні) частина ковалентних зв'язків може бути розірвана і валентні електрони, ставши вільними, можуть уникнути свого атома (рис. 16.5). Втрата електрона перетворює атом на позитивний іон. У зв'язках тому місці, де раніше був електрон, з'являється вільне ( " вакантне " ) місце - дірка. Заряд дірки позитивний і за абсолютним значенням дорівнює заряду електрона.

Вільне місце - дірку - може заповнити валентний електрон сусіднього атома, на місці якого в ковалентному зв'язку утворюється нова дірка, і т. д. Таким чином, одночасно з переміщенням валентних електронів переміщатимуться і дірки. При цьому слід мати на увазі, що в кристалічній решітці атоми жорстко закріплені у вузлах. Відхід електрона з атома призводить до іонізації, а подальше переміщення дірки означає почергову іонізацію "нерухомих" атомів. Якщо електричне поле відсутнє, електрони провідності здійснюють хаотичний тепловий рух. Якщо напівпровідник помістити у зовнішнє електричне поле, то електрони та дірки, продовжуючи брати участь у хаотичному тепловому русі, почнуть переміщатися (дрейфувати) під дією поля, що створить електричний струм. При цьому електрони переміщуються проти напрямку електричного поля, а дірки, як позитивні заряди, - у напрямку поля. Електропровідність напівпровідника, що виникає за рахунок порушення ковалентних зв'язків, називається власною електропровідністю.

Електропровідність напівпровідників можна пояснити і з допомогою зонної теорії. Відповідно до неї всі енергетичні рівні валентної зони при температурі 0 К зайняті електронами. Якщо електронам повідомити ззовні енергію, що перевищує енергію активації ΔWa, частина валентних електронів перейде в зону провідності, де вони стануть вільними, або електронами провідності. Внаслідок відходу електронів з валентної зони в ній утворюються дірки, число яких, природно, дорівнює числу електронів, що пішли. Дірки можуть бути зайняті електронами, енергія яких відповідає енергії рівнів валентної зони. Отже, у валентній зоні переміщення електронів викликає переміщення у протилежному напрямку дірок. Хоча у валентній зоні переміщуються електрони, зазвичай зручніше розглядати рух дірок.

Процес утворення пари "електрон провідності – дірка провідності" називається генерацією пари носіїв заряду (1 на рис. 16.6). Можна сміливо сказати, що власна електропровідність напівпровідника - це електропровідність, викликана генерацією пар " електрон провідності - дірка провідності " . Електронно-діркові пари, що утворилися, можуть зникнути, якщо дірка заповнюється електроном: електрон стане невільним і втратить можливість переміщення, а надмірний позитивний заряд іона атома виявиться нейтралізованим. При цьому одночасно зникають і дірка та електрон. Процес возз'єднання електрона та дірки називається рекомбінацією (2 на рис. 16.6). Рекомбінацію відповідно до зонної теорії можна розглядати як перехід електронів із зони провідності на вільні місця у валентну зону. Зазначимо, що перехід електронів з більш високого енергетичного рівня на нижчий супроводжується вивільненням енергії, яка або випромінюється у вигляді квантів світла (фотони), або передається кристалічним ґратам у вигляді теплових коливань (фонони). Середній час існування пари носіїв заряду називається часом життя носіїв заряду. Середня відстань, яку проходить носій заряду за час життя, називається дифузійною довжиною носія заряду (Lр - для дірок, Ln - для електронів).

При постійній температурі (і за відсутності інших зовнішніх впливів) кристал перебуває у стані рівноваги: ​​число генерованих пар носіїв заряду дорівнює числу рекомбінованих пар. Число носіїв заряду в одиниці об'єму, тобто їх концентрація визначає значення питомої електричної провідності. Для напівпровідника концентрація електронів ni дорівнює концентрації дірок pi (ni = pi).

Домішка електропровідність. Якщо в напівпровідник внести домішок, він матиме крім власної електропровідності ще й домішкової. Домішна електропровідність може бути електронною або дірковою. Як приклад розглянемо випадок, коли чистий германій (чотиривалентний елемент) вводиться домішка пятивалентного елемента, наприклад миш'яку (рис. 16.7, а). Атом миш'яку зв'язується в кристалічній решітці германію ковалентними зв'язками. Але у зв'язку можуть брати участь лише чотири валентні електрони миш'яку, а п'ятий електрон виявляється "зайвим", менш сильно пов'язаним з атомом миш'яку. Для того щоб цей електрон відірвати від атома, потрібно значно менше енергії, тому вже при кімнатній температурі може стати електроном провідності, не залишаючи при цьому в ковалентному зв'язку дірки. Таким чином, у вузлі кристалічних ґрат з'являється позитивно заряджений іон домішки, а в кристалі - вільний електрон. Домішки, атоми яких віддають вільні електрони, називаються донорними (донорами).

На рис. 16.7 б показана діаграма енергетичних зон напівпровідника з донорною домішкою. У забороненій зоні поблизу дна зони провідності створюється дозволений енергетичний рівень (домішковий, донорний), на якому при температурі, близької до 0 К, розташовуються "зайві" електрони. Для перекладу електрона з домішкового рівня зону провідності потрібно менше енергії, ніж перекладу електрона з валентної зони. Відстань від донорного рівня до дна зони провідності називається енергією іонізації (активації) донорів Wіd.

Внесення до напівпровідника донорної домішки істотно збільшує концентрацію вільних електронів, а концентрація дірок залишається такою ж, якою вона була у власному напівпровіднику. У такому домішковому напівпровіднику електропровідність обумовлена ​​переважно електронами, її називають електронною, а напівпровідники - напівпровідниками n-типу. Електрони в напівпровідниках n-типу є основними носіями заряду (їхня концентрація висока), а дірки - неосновними.

Якщо в германій ввести домішка тривалентного елемента (наприклад, індію), то для утворення восьмиелектронного ковалентного зв'язку з германієм не вистачить одного електрона. Один зв'язок залишиться незаповненим. При незначному підвищенні температури в незаповнений валентний зв'язок може перейти електрон сусіднього атома германію, залишивши на своєму місці дірку (рис. 16.8 а), яка може бути заповнена електроном і т. д. Таким чином, дірка як би переміщається в напівпровіднику. Домішковий атом перетворюється на негативний іон. Домішки, атоми яких здатні при збудженні прийняти валентні електрони сусідніх атомів, створивши в них дірку, називають акцепторними або акцепторами.

На рис. 16.8 б показана діаграма енергетичних зон напівпровідника з акцепторною домішкою. У забороненій зоні поблизу стелі валентної зони створюється домішковий енергетичний рівень (акцепторний). При температурах, близьких до 0 К, цей рівень вільний, при підвищенні температури може бути зайнятий електроном валентної зони, в якій після відходу електрона утворюється дірка. Відстань від стелі валентної зони до рівня акцептора називається енергією іонізації (активації) акцепторів ΔWіa. Внесення до напівпровідника акцепторної домішки істотно збільшує концентрацію дірок, а концентрація електронів залишається такою ж, якою вона була у власному напівпровіднику. У цьому домішковому напівпровіднику електропровідність обумовлена ​​переважно дірками, її називають дірковою, а напівпровідники - напівпровідниками р-типу. Дірки для напівпровідника р-типу – основні носії заряду, а електрони – неосновні.

У домішкових напівпровідниках поряд із домішковою електропровідністю існує і власна, обумовлена ​​наявністю неосновних носіїв. Концентрація неосновних носіїв у домішковому напівпровіднику зменшується в стільки разів, скільки збільшується концентрація основних носіїв, тому для напівпровідників n-типу справедливе співвідношення nnpn = nipi = ni2 = pi2 , а для напівпровідників р-типу - співвідношення ppnp = ni2 = pi2 , де nn pn - концентрація основних, a pp і np - концентрація неосновних носіїв заряду відповідно в напівпровіднику n і р-типу.

Питома електрична провідність домішкового напівпровідника визначається концентрацією основних носіїв і тим вище, що більша їх концентрація. Насправді часто зустрічається випадок, коли напівпровідник містить і донорні, і акцепторні домішки. Тоді тип електропровідності визначатиметься домішкою, концентрація якої вища. Напівпровідник, у якого концентрації донорів Nd та акцепторів Na дорівнюють (Nd = Na)), називають скомпенсованим.

Свою назву напівпровідники отримали від того, що вони займають проміжне місце між провідниками (метали, електроліти, вугілля), що мають велику електропровідність, та ізолятори (порцеляна, слюда, гума та інші), які майже не проводять електричного струму.

Якщо порівняти питомий об'ємний опір Ом × см для різних речовин, то виявиться, що провідники мають: ρ U= 10 -6 - 10 -3 Ом × см; питомий опір напівпровідників: ρ U= 10 -3 - 10 8 Ом × см; а у діелектриків: ρ U= 10 8 - 10 20 Ом × див. До напівпровідників відносяться: оксиди металів - оксиди (Al 2 O 3 , Cu 2 O, ZnO, TiO 2 , VO 2 , WO 2 , MoO 3); сірчисті сполуки - сульфіди (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); з'єднання з селеном – селеніди; з'єднання з телуром – телуриди; деякі сплави (MgSb 2 , ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb); хімічні елементи - германій, кремній, телур, селен, бір, вуглець, сірка, фосфор, миш'як, а також велика кількість складних сполук (гален, карборунд та інші).

Малюнок 1. Німеччина

Малюнок 2. Кремній

Малюнок 3. Теллур

Повне та широке дослідження властивостей напівпровідників виконано радянським ученим А. Ф. Іоффе та його співробітниками.

Електричні властивості напівпровідників різко відрізняються від властивостей провідників та ізоляторів. Електропровідність провідників сильно залежить від температури, освітленості, наявності та інтенсивності електричного поля, кількості домішок. При звичайній температурі в напівпровідниках є кілька вільних електронів, що утворилися внаслідок розриву електронних зв'язків. У напівпровідників розрізняють два види провідності: електронну та дірочну. Носіями заряду в напівпровідниках при електронній провідності є вільні електрони, а при дірковому зв'язку, позбавлені електронів.

Розглянемо наступний досвід. Візьмемо металевий провідник і будемо нагрівати його кінець, тоді нагрітий кінець провідника отримає позитивний заряд. Це пояснюється переміщенням електронів від гарячого кінця до холодного, у результаті чого на гарячому кінці провідника виходить недолік електронів (позитивний заряд), але в холодному кінці надлишок електронів (негативний заряд). Короткочасне протікання струму провідником було викликано переміщенням електронів з одного краю провідника на інший. Таким чином, тут йдеться про провідника з електронною провідністю. Однак існують речовини, які за такого досвіду поводяться інакше: нагрітий край такої речовини отримує негативний заряд, а холодний край - позитивний заряд. Це можливо, якщо припустити, що перенесення струму здійснюється позитивними зарядами.

Рисунок 4. Зв'язок між атомами речовини

Малюнок 5. Власна провідність напівпровідників

Малюнок 6. Електронна провідність напівпровідника

Малюнок 7. Діркова провідність напівпровідника

Познайомимося з іншим видом провідності у напівпровідників – дірковою провідністю. У чистих напівпровідниках всі електрони, що слабко пов'язані з ядрами, беруть участь в електронних зв'язках. На малюнку 4, аумовно показано заповнений зв'язок між атомами речовини. "Діркою" називається елемент кристалічної решітки речовини, що втратив електрон, що відповідає появі позитивного заряду (рисунок 4, б).

Зв'язок, що звільнився, може знову виявитися заповненим, якщо "дірка" захопить електрон із сусіднього зв'язку (рисунок 4, в). Це спричинить перехід "дірки" на нове місце. У речовині напівпровідника, що знаходиться в нормальних умовах, напрямок вильоту електронів і місце утворення "дірки" носять хаотичний характер. Якщо до чистого напівпровідника прикласти постійну напругу, то електрони та дірки будуть переміщатися (перші проти напряму сил поля, другі в протилежному напрямку). Якщо число утворюються "дірок" дорівнюватиме кількості електронів, що звільнилися, то, як це буває у чистих напівпровідників, провідність напівпровідників невелика (власна провідність). Наявність навіть невеликої кількості сторонніх домішок може змінити механізм електропровідності: зробити його електронним чи дірковим. Розглянемо конкретний приклад. Як напівпровідник візьмемо германій (Ge). У кристалі германію кожен атом пов'язані з чотирма іншими атомами. При збільшенні температури або внаслідок опромінення парні зв'язки кристала можуть бути порушені. При цьому утворюється рівна кількість електронів і дірок (рисунок 5).

Додамо до Німеччини як домішку миш'як. Така домішка має велику кількість слабозв'язаних електронів. Атоми домішки мають свій енергетичний рівень, що розташовується між енергетичними рівнями вільної та заповненої зон, ближче до останньої (рисунок 6). Подібні домішки віддають свої електрони у вільну зону та називаються донорними домішками. У напівпровіднику виявиться наявність вільних електронів, тоді як усі зв'язки будуть заповнені. Напівпровідник матиме електронну провідність у вільній зоні.

Якщо тепер як домішка до германію додасть не миш'як, а індій, то станеться таке. Така домішка має невелику кількість слабко пов'язаних електронів, а енергетичний рівень домішки розташовується між енергетичними рівнями вільної та заповненої зон, ближче до вільної зони (рисунок 7). Домішки цього роду приймають у свою зону електрони із сусідньої заповненої зони та називаються акцепторними домішками. У напівпровіднику виявляться незаповнені зв'язки - "дірки" за відсутності вільних електронів. Напівпровідник матиме дірочну провідність у заповненій зоні.

Тепер стане зрозумілим досвід нагрівання напівпровідника, коли нагрітий кінець отримував негативний заряд, а холодний кінець – позитивний заряд. Під дією тепла на гарячому кінці почнуть руйнуватися зв'язки, виникнуть "дірки" та вільні електрони. Якщо напівпровідник містить домішки, то дірки почнуть переходити до холодного кінця, заряджаючи його позитивно, а нагрітий кінець напівпровідника зарядиться негативно.

Закінчуючи розгляд напівпровідників, робимо такий висновок.

Додаванням до напівпровідника домішок можна надати йому переважну електронну або діркову провідність. Виходячи з цього отримують наступні типи напівпровідників. Напівпровідники з електронною провідністю називають напівпровідниками n-типу (негативні), а з дірковою провідністю - p-Типу (позитивні).

Пропонуємо вам також переглянути навчальні відео-фільми про напівпровідників:

List=PL_QCOTUIndSFAbWcR3t0wYp5IORVEHu3I

При вивченні теплових явищ говорилося, що за здатністю проводити теплоту речовини поділяються на добрі та погані провідники тепла.

За здатністю передавати електричні заряди речовини також поділяються на кілька класів: провідники, напівпровідникиі непровідникиелектрики.

Провідниками називають тіла, якими електричні заряди можуть переходити від зарядженого тіла до незарядженого.

Хороші провідники електрики - це метали, ґрунт, вода з розчиненими в ній солями, кислотами чи лугами, графіт. Тіло людини також проводить електрику. Це можна знайти на досвіді. Доторкнемося до зарядженого електроскопа рукою. Листочки відразу опустяться. Заряд з електроскопа йде нашим тілом через підлогу кімнати в землю.

а – залізо; б - графіт

З металів найкращі провідники електрики – срібло, мідь, алюміній.

Непровідниками називають такі тіла, якими електричні заряди що неспроможні переходити від зарядженого тіла до незарядженого.

Непровідниками електрики, або діелектриками, є ебоніт, бурштин, фарфор, гума, різні пластмаси, шовк, капрон, олії, повітря (гази). Виготовлені з діелектриків тіла називають ізоляторами (від італ. ізоляро - усамітнювати).

а – бурштин; б - порцеляна

Напівпровідниками називають тіла, які за здатністю передавати електричні заряди займають проміжне положення між провідниками та діелектриками.

У природі напівпровідники поширені досить широко. Це оксиди та сульфіди металів, деякі органічні речовини та ін. Найбільше застосування в техніці знайшли германій та кремній.

Напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм і є діелектриками. Однак при підвищенні температури в напівпровіднику починає різко збільшуватись кількість носіїв електричного заряду, і він стає провідником.

Чому це відбувається? У напівпровідників, таких як кремній і германій, у вузлах кристалічних ґрат атоми коливаються біля своїх положень рівноваги, і вже при температурі 20 °С цей рух стає настільки інтенсивним, що хімічні зв'язки між сусідніми атомами можуть розірватися. При подальшому підвищенні температури валентні електрони (електрони, що знаходяться на зовнішній оболонці атома) атомів напівпровідників стають вільними і під дією електричного поля в напівпровіднику виникає електричний струм.

Характерною особливістю напівпровідників є зростання їх провідності із підвищенням температури. У металів при підвищенні температури провідність зменшується.

Здатність напівпровідників проводити електричний струм виникає також при дії на них світла, потоку швидких частинок, введенні домішок та ін.

а – германій; б-кремній

Зміна електропровідності напівпровідників під дією температури дозволило застосовувати їх як термометри для вимірювання температури навколишнього середовища, широко застосовують у техніці. З його допомогою контролюють та підтримують температуру на певному рівні.

Підвищення електропровідності речовини під впливом світла зветься фотопровідність. Засновані на цьому явищі прилади називають фотоопірами. Фотоопіри застосовуються для сигналізації та в управлінні виробничими процесами на відстані, сортуванні виробів. З їхньою допомогою в екстрених ситуаціях автоматично зупиняються верстати та конвеєри, попереджаючи нещасні випадки.

Завдяки дивовижним властивостям напівпровідників вони широко використовуються при створенні транзисторів, тиристорів, напівпровідникових діодів, фоторезисторів та іншої складної апаратури. Застосування інтегральних мікросхем у теле-, радіо- та комп'ютерних приладах дозволяє створювати пристрої невеликих, а часом і мізерно малих розмірів.

Запитання

1. На які групи ділять речовини наскільки можна передавати електричні заряди?
2. Яку характерну особливість мають напівпровідники?
3. Перелічіть сфери застосування напівпровідникових приладів.

Вправа 22

1. Чому заряджений електроскоп розряджається, якщо його кулька торкнутися рукою?
2. Чому стрижень електроскопа виготовляють із металу?
3. До кульки незарядженого електроскопа підносять тіло, позитивно заряджене, не торкаючись його. Який заряд виник на листочках електроскопа?

Це цікаво...

Здатність тіла до електризації визначається наявністю вільних зарядів. У напівпровідниках концентрація носіїв вільного заряду зростає із зростанням температури.

Провідність, що здійснюється вільними електронами (рис. 43), називається електронною провідністю напівпровідникаабо провідністю n-типу (від латів. negativus – негативний). При відриві електронів від атомів германію у місцях розриву утворюються вільні місця, які зайняті електронами. Ці вакансії отримали назву «дірки». У сфері освіти дірки виникає надмірна позитивна заряд. Вакантне місце може бути зайнятим іншим електроном.

Електрон, переміщаючись у напівпровіднику, створює можливість заповнення одних дірок та утворення інших. Виникнення нової дірки супроводжується появою вільного електрона, тобто йде безперервне утворення пар електрон - дірка. У свою чергу заповнення дірок призводить до зменшення кількості вільних електронів. Якщо кристал помістити в електричне поле, відбуватиметься переміщення як електронів, а й дірок. Напрямок переміщення дірок протилежний напрямку руху електронів.

Провідність, що виникає внаслідок переміщення дірок у напівпровіднику, називається дірковою провідністюабо провідністю р-типу (від латів. positivus – позитивний). Напівпровідники поділяють на чисті напівпровідники, домішкові напівпровідники n-типу, домішкові напівпровідники р-типу.

Чисті напівпровідникимають власну провідність. У створенні струму беруть участь вільні заряди двох типів: негативні (електрони) та позитивні (дірки). У чистому напівпровіднику концентрація вільних електронів та дірок однакова.

При введенні до напівпровідника домішок виникає домішкова провідність. Змінюючи концентрацію домішки, можна змінювати і кількість носіїв заряду тієї чи іншої знака, т. е. створювати напівпровідники з переважною концентрацією негативного чи позитивного заряду. Домішні напівпровідники n-типумають електронну провідність. Основними носіями заряду є електрони, а неосновними – дірки.

Домішні напівпровідники р-типумають діркову провідність. Основними носіями заряду є дірки, а неосновними – електрони.

Являє собою з'єднання напівпровідників р- та л-типу. Опір області контакту залежить від напрямку струму. Якщо діод включити в ланцюг, щоб область кристала з електронною провідністю n-типу була приєднана до позитивного полюса, а область з дірковою провідністю р-типу до негативного полюса, то струму в ланцюзі не буде, оскільки перехід електронів з n-області до р -область не може.

Якщо р-область напівпровідника підключити до позитивного полюса, а n-область до негативного, то цьому випадку струм проходить через діод. За рахунок дифузії основних носіїв струму в чужий напівпровідник в області контакту утворюється подвійний електричний шар, що перешкоджає руху зарядів. Зовнішнє поле, спрямоване від р до n, частково компенсує дію цього шару і при збільшенні напруги струм швидко зростає.

Одна з головних властивостей p-n‑переходу полягає в його здатності пропускати електричний струм в одному (прямому) напрямку в тисячі та мільйони разів краще, ніж у зворотному.

Напівпровідники - клас речовин, що займають проміжне положення між речовинами, що добре проводять електричний струм (провідники, переважно метали), і речовинами, що практично не проводять електричного струму (ізолятори або діелектрики).

Для напівпровідників характерна сильна залежність їх властивостей і характеристик від мікроскопічних кількостей домішок, що містяться в них. Змінюючи кількість домішок у напівпровіднику від десятимільйонних часток відсотка до 0,1–1%, можна змінити їх провідність у мільйони разів. Інша найважливіша властивість напівпровідників у тому, що електричний струм переноситься у яких як негативними зарядами - електронами, а й рівними їм за величиною позитивними зарядами - дірками.

Якщо розглядати ідеалізований напівпровідниковий кристал, абсолютно вільний від якихось домішок, його здатність проводити електричний струм визначатиметься так званої власної електропровідністю.

Атоми у кристалі напівпровідника пов'язані між собою за допомогою електронів зовнішньої електронної оболонки. При теплових коливаннях атомів теплова енергія розподіляється між електронами, що утворюють зв'язки, нерівномірно. Окремі електрони можуть отримувати кількість теплової енергії, достатню для того, щоб відірватися від свого атома і отримати можливість вільно переміщатися в кристалі, тобто стати потенційними носіями струму (інше можна сказати, що вони переходять в зону провідності). Такий відхід електрона порушує електричну нейтральність атома, у нього виникає позитивний заряд, рівний за величиною заряду електрона, що пішов. Це вакантне місце називають діркою.

Так як вакантне місце може бути зайняте електроном сусіднього зв'язку, дірка також може переміщатися всередині кристала і є позитивним носієм струму. Природно, що електрони та дірки за цих умов виникають у рівних кількостях, і електропровідність такого ідеального кристала однаковою мірою визначатиметься як позитивними, так і негативними зарядами.

Якщо місце атома основного напівпровідника помістити атом домішки, у зовнішній електронної оболонці якого міститься однією електрон більше, ніж в атома основного напівпровідника, такий електрон виявиться хіба що зайвим, непотрібним освіти міжатомних зв'язків у кристалі і слабко пов'язані з своїм атомом. Достатньо в десятки разів менше енергії, щоб відірвати його від свого атома і перетворити на вільний електрон. Такі домішки називають донорними, тобто віддають "зайвий" електрон. Атом домішки заряджається, зрозуміло, позитивно, але дірки при цьому не з'являється, так як діркою може бути лише вакансія електрона в незаповненому міжатомному зв'язку, а в даному випадку всі зв'язки заповнені. Цей позитивний заряд залишається пов'язаним зі своїм атомом, нерухомим і, отже, у процесі електропровідності брати участь не може.

Введення в напівпровідник домішок, зовнішня електронна оболонка яких містить менше електронів, ніж атомах основної речовини, призводить до появи незаповнених зв'язків, т. е. дірок. Як було сказано вище, ця вакансія може бути зайнята електроном із сусіднього зв'язку, і дірка отримує можливість вільного переміщення по кристалу. Іншими словами, рух дірки - це послідовний перехід електронів із одного сусіднього зв'язку до іншого. Такі домішки, які «приймають» електрон, називають акцепторними.

Якщо прикласти до структури метал - діелектрик напівпровідник n-типу напруга (зазначеної малюнку полярності), то приповерхневому шарі напівпровідника виникає електричне поле, що відштовхує електрони. Цей шар виявляється збідненим.

У напівпровіднику p-типу, де основними носіями є позитивні заряди - дірки, полярність напруги, яка відштовхувала електрони, притягуватиме дірки і створювати збагачений шар зі зниженим опором. Зміна полярності в цьому випадку призведе до відштовхування дірок та утворення приповерхневого шару з підвищеним опором.

Зі збільшенням кількості домішок того чи іншого типу електропровідність кристала починає набувати все більш яскраво вираженого електронного або діркового характеру. Відповідно до перших літер латинських слів negativus і positivus електронну електропровідність називають електропровідністю n-типу, а дірочну - p-типу, відзначаючи цим, який тип рухомих носіїв заряду для даного напівпровідника є основним, а який - неосновним.

При електропровідності, обумовленої наявністю домішок (тобто домішкової), в кристалі як і залишається 2 типу носіїв: основні, що з'являються головним чином за рахунок введення в напівпровідник домішок, і неосновні, зобов'язані своєю появою теплового збудження. Зміст 1 см 3 (концентрація) електронів n і дірок p для даного напівпровідника при даній температурі є постійна величина: n − p = const. Це означає, що, збільшуючи рахунок введення домішок у кілька разів концентрацію носіїв даного типу, ми у стільки ж разів зменшуємо концентрацію носіїв іншого типу. Наступна важлива властивість напівпровідників - їх сильна чутливість до температури та опромінення. Зі зростанням температури підвищується середня енергія коливання атомів у кристалі, і дедалі більше зв'язків піддаватиметься розриву. З'являтимуться нові й нові пари електронів і дірок. За досить високих температур власна (теплова) провідність може зрівнятися з домішковою або навіть значно перевершити її. Чим вище концентрація домішок, тим за більш високих температур буде наступати цей ефект.

Розрив зв'язків може здійснюватися за рахунок опромінення напівпровідника, наприклад, світлом, якщо енергія світлових квантів достатня для розриву зв'язків. Енергія розриву зв'язків у різних напівпровідників різна, тому вони по-різному реагують ті чи інші ділянки спектра опромінення.

Як основні напівпровідникові матеріали використовують кристали кремнію і германію, а в ролі домішок - бір, фосфор, індій, миш'як, сурму і багато інших елементів, що повідомляють напівпровідникам необхідні властивості. Отримання напівпровідникових кристалів із заданим вмістом домішок - найскладніший технологічний процес, що проводиться в особливо чистих умовах з використанням високої точності та складності обладнання.

Всі перелічені найважливіші властивості напівпровідників використовуються для створення найрізноманітніших за своїм призначенням та областями застосування напівпровідникових приладів. У техніці широко використовуються діоди, транзистори, тиристори та багато інших напівпровідникових приладів. Застосування напівпровідників почалося порівняно недавно, а сьогодні вже важко перерахувати всі їхні «професії». Вони перетворюють світлову та теплову енергію на електричну і, навпаки, за допомогою електрики створюють теплоту і холод (див. Геліоенергетика). Напівпровідникові прилади можна зустріти у звичайному радіоприймачі та в квантовому генераторі - лазері, в крихітній атомній батареї та в мініатюрних блоках електронної обчислювальної машини. Інженери не можуть сьогодні обходитися без напівпровідникових випрямлячів, перемикачів та підсилювачів. Заміна лампової напівпровідникової апаратури дозволила в десятки разів зменшити габарити і масу електронних пристроїв, знизити споживану ними потужність і різко збільшити надійність.

Про це можна прочитати у статті Мікроелектроніка.