Власна і домішкова провідності

Напівпровідники – речовини, питомий опір яких має проміжне значення між питомим опором металів (10-6-10-8 Ом • м) і питомим опором діелектриків (108-1013 Ом • м).

Відмінність провідників від напівпровідників особливо проявляється при аналізі залежності їх електропровідності від температури
Відмінність провідників від напівпровідників особливо проявляється при аналізі залежності їх електропровідності від температури. Дослідження показують, що у ряду елементів (кремній, германій, селен, індій, миш’як і ін.) І з’єднань (PbS, CdS, GaAs та ін.) Питомий опір зі збільшенням температури не росте, як у металів (див. Рис. 16.3 ), а, навпаки, надзвичайно різко зменшується (рис. 16.4). Така властивість притаманне саме напівпровідників.

З графіка, зображеного на малюнку, видно, що при температурах, близьких до абсолютного нуля, питомий опір напівпровідників дуже велике. Це означає, що при низьких температурах напівпровідник поводиться як діелектрик. У міру підвищення температури його питомий опір швидко зменшується.

Будова напівпровідників. Для того щоб включити транзисторний приймач, знати нічого не треба. Але щоб його створити, треба було знати дуже багато і володіти неабияким талантом. Зрозуміти ж у загальних рисах, як працює транзистор, не так вже й важко. Спочатку необхідно познайомитися з механізмом провідності в напівпровідниках. А для цього доведеться вникнути в природу зв’язків, утримують атоми напівпровідникового кристала один біля одного.

Для прикладу розглянемо кристал кремнію.

Схема структури кристала кремнію
Кремній – чотиривалентність елемент. Це означає, що в зовнішній оболонці його атома є чотири електрона, порівняно слабко зв’язані з ядром. Число найближчих сусідів кожного атома кремнію також дорівнює чотирьом. Схема структури кристала кремнію зображена на малюнку (16.5).

Взаємодія пари сусідніх атомів здійснюється за допомогою парноелектронную зв’язку, званої ковалентного зв’язком. В освіті цьому зв’язку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону, електрони відокремлюються від атома, якій вони належать (коллектівіруются кристалом), і при своєму русі більшу частину часу проводять в просторі між сусідніми атомами. Їх негативний заряд утримує позитивні іони кремнію один біля одного.

Не треба думати, що коллектівірованная пара електронів належить лише двом атомам. Кожен атом утворює чотири зв’язку з сусідніми, і будь валентний електрон може рухатися по одній з них. Дійшовши до сусіднього атома, він може перейти до наступного, а потім далі вздовж усього кристала. Валентні електрони належать всьому кристалу.

При нагріванні кремнію кінетична енергія часток підвищується, і настає розрив окремих зв’язків
Парноелектронную зв’язку в кристалі кремнію достатньо міцні і при низьких температурах не розриваються. Тому кремній при низькій температурі не проводить електричний струм. Беруть участь у зв’язку атомів валентні електрони є як би цементуючим розчином, що утримує кристалічну решітку, і зовнішнє електричне поле не робить помітного впливу на їх рух. Аналогічну будову має кристал германію.

Електронна провідність. При нагріванні кремнію кінетична енергія часток підвищується, і настає розрив окремих зв’язків. Деякі електрони залишають свої «второваною шляху» і стають вільними, подібно електронам в металі. В електричному полі вони переміщаються між вузлами решітки, створюючи електричний струм (рис. 16.6).

Запам’ятай
Провідність напівпровідників, зумовлену наявністю у них вільних електронів, називають електронною провідністю.

При підвищенні температури число розірваних зв’язків, а значить, і вільних електронів збільшується. При нагріванні від 300 до 700 К число вільних носіїв заряду збільшується від 1017 до 1024 1 / мл3. Це призводить до зменшення опору.

Діркова провідність.

Запам’ятай
При розриві зв’язку між атомами напівпровідника утворюється вакантне місце з відсутньою електроном, яке називають діркою.

У дірці є надлишковий позитивний заряд в порівнянні з іншими, що не розірваними зв’язками (див. Рис. 16.6).

Напрямок руху дірок протилежно напрямку руху електронів
Положення дірки в кристалі не є незмінним. Безперервно відбувається наступний процес. Один з електронів, що забезпечують зв’язок атомів, перескакує на місце утворилася дірки і відновлює тут парноелектронную зв’язок, а там, звідки перескочив цей електрон, утворюється нова дірка. Таким чином, дірка може переміщатися по всьому кристалу.

Якщо напруженість електричного поля в зразку дорівнює нулю, то переміщення дірок відбувається безладно і тому не створює електричного струму. При наявності електричного поля виникає впорядковане переміщення дірок.

У відсутність зовнішнього поля на один вільний електрон (-) припадає одна дірка (+). При накладенні поля вільний електрон зміщується проти напруженості поля. У цьому напрямку переміщається також один з пов’язаних електронів. Це виглядає як переміщення дірки в напрямку поля.

Отже, в напівпровідниках є носії заряду двох типів: електрони і дірки.

Запам’ятай
Провідність, обумовлена ​​рухом дірок, називається доречнийпровідністю напівпровідників.

Ми розглянули механізм провідності чистих напівпровідників.

Запам’ятай
Провідність чистих напівпровідників називають власною провідністю.

рімесная провідність. Власна провідність напівпровідників зазвичай невелика, так як мало число вільних електронів: наприклад, в германии при кімнатній температурі nе = 3 • 1013 см-3. У той же час число атомів германію в 1 см3 порядку 1023.

Таким чином, число вільних електронів складає приблизно одну десятимільярдний частину від загального числа атомів.

Провідність напівпровідників можна істотно збільшити, впроваджуючи в них домішка. У цьому випадку поряд з власною провідністю виникає додаткова – домішкових провідність.

Запам’ятай
Провідність провідників, обумовлена ​​внесенням до їх кристалічні решітки домішок (атомів сторонніх хімічних елементів), називається примесной провідністю.

Додамо в кремній невелика кількість миш’яку
Донорні домішки. Додамо в кремній невелика кількість миш’яку. Атоми миш’яку мають п’ять валентних електронів. Чотири з них беруть участь у створенні ковалентного зв’язку даного атома з оточуючими атомами кремнію. П’ятий валентний електрон виявляється слабо пов’язаним з атомом. Він легко покидає атом миш’яку і стає вільним (рис. 16.8).

При додаванні однієї десятимільйонна частки атомів миш’яку концентрація вільних електронів стає рівною 1016 см-3. Це в тисячу разів більше концентрації вільних електронів в чистому напівпровіднику.

Запам’ятай
Домішки, легко віддають електрони і, отже, збільшують число вільних електронів, називають донорними (віддають) домішками.

Вільні електрони переміщаються по напівпровідника подібно тому, як переміщаються вільні електрони в металі.

Запам’ятай
Напівпровідники, які мають донорні домішки і тому володіють великим числом електронів (у порівнянні з числом дірок), називаються напівпровідниками n-типу (від англійського слова negative – негативний).

Важливо
У напівпровіднику n-типу електрони є основними носіями заряду, а дірки – неосновними.

Число дірок в кристалі дорівнює кількості атомів домішки
Акцепторні домішки. Якщо в якості домішки використовувати індій, атоми якого тривалентні, то характер провідності напівпровідника змінюється. Для утворення нормальних парноелектронних зв’язків з сусідами атому індію бракує одного електрона, який він бере у сусіднього атома кристала. У результаті утворюється дірка. Число дірок в кристалі дорівнює кількості атомів домішки (рис. 16.9).

Запам’ятай
Домішки в напівпровіднику, що створюють додаткову концентрацію дірок, називають акцепторні (приймають) домішками.

При наявності електричного поля дірки переміщаються направлено і виникає електричний струм, обумовлений доречнийпровідністю.

Запам’ятай
Напівпровідники з переважанням доречний провідності над електронною називають напівпровідниками p-типу (від англійського слова positive – позитивний).

Важливо
Основними носіями заряду в напівпровіднику p-типу є дірки, а неосновними – електрони.

Обговоріть з однокласником, як впливає власна провідність на силу струму в провіднику з одним з типів примесной провідності

Змінюючи концентрацію домішки, можна значно змінювати число носіїв заряду того чи іншого знака. Завдяки цьому можна створювати напівпровідники з переважною концентрацією одного з носіїв струму електронів чи дірок. Ця особливість напівпровідників відкриває широкі можливості для їх практичного застосування.

Ключові слова для пошуку інформації по темі параграфа.
Провідність напівпровідників. Домішкових провідність

Питання до параграфу

1. Яку зв’язок називають ковалентним?

2. У чому полягає відмінність залежності опору напівпровідників і металів від температури?

3. Які рухливі носії зарядів маються на чистому напівпровіднику?

4. Що відбувається при зустрічі електрона з діркою?

5. Чому опір напівпровідників сильно залежить від наявності домішок?

6. Які носії заряду є основними в напівпровіднику з акцепторною домішкою?

7. Яку домішка треба ввести в напівпровідник, щоб отримати напівпровідник n-типу?

Посилання на основну публікацію