§ 32. Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідники - ще один клас матеріалів, які проводять струм. В сучасній електроніці (мол. 32.1) широко застосовують германій (Ge), кремній (Si), телур (Те), миш'як (As) та інші напівпровідникові матеріали. Атоми цих речовин утворюють ковалентні (парно-електронні) зв'язки в кристалічній решітці. Наприклад, атоми германію і кремнію чотиривалентні, тобто на останній оболонці у них по чотири електрони. Отже, кожен атом цих елементів утворює парноелектронний зв'язок з чотирма своїми сусідами (мал. 32.2). Два негативних електрони, що знаходяться між двома позитивними ядрами атомів, створюють міцний електричний зв'язок. Електрони, що утворюють ковалентний зв'язок міцно «сидять» на своїх місцях і «вибити» їх звідти можна тільки затративши певну енергію, яку називають енергію активації.

Механізм провідності чистих напівпровідників

При температурах, близьких до абсолютного нуля, усі валентні електрони задіяні в зв'язках і вільних зарядів немає. В такому стані напівпровідник схожий на діелектрик і струму не проводить, маючи безмежний опір. Але при підвищенні температури, внаслідок теплового руху атомів, частина електронів може отримати енергію, достатню для того, щоб покинути своє місце. Виникають вільні електрони, які у випадку наявності електричного поля утворюють так званий електронний струм, а на покинутих місцях виникає нескомпенсований додатній заряд, який називають «діркою».

Отже, напівпровідникам притаманна дуже цікава особливість - на пустому місці, яке покинув електрон, виникає нескомпенсований позитивний заряд, який притягує сусідні зв'язані електрони. При додатковій підтримці електричного поля (E) ці електрони можуть перескочити на вільне місце, а «пусті місця - дірки», переміщуються в напрямі поля і утворюють позитивний заряд вже в новій позиції-так виникає дірковий струм.

На малюнку 32.3 схематично показано, як електрон покинув позицію 1 і перемістився в позицію 3 ставши «вільним», а зв'язаний електрон з позиції 2 перемістився на звільнене місце I. В той же час позитивно заряджена дірка перейшла з позиції 1 на місце 2, яке звільнилося.

Таким чином, вільні електрони рухаються проти поля, утворюючи електронний струм, а «пусті місця - дірки» рухаються в напрямі поля, утворюю-

чи дірковий струм. У цьому напівпровідники схожі на електроліти, де також є два види носіїв заряду.

Залежність опору напівпровідника від температури

На відміну від металів, у яких зі збільшенням температури опір збільшується, у напівпровідників, навпаки, опір зменшується. Це пояснюється тим, що зі збільшенням температури концентрація вільних носив - електронів і дірок - суттєво збільшується (мал. 32.4). Натомість у металах концентрація вільних електронів від температури не залежить.

ПРИКЛАД 32.Ί

Якщо охолодити резистор, зроблений з мідного дроту, від кімнатної температури до температури рідкого азоту, тобто понизити його температуру приблизно на 200°С, то його опір (формула 24.1 і таблиця 24. /) зменшиться

Механізм провідності домішкових напівпровідників

Напівпровідники отримали свою назву через те, що концентрація вільних зарядів в них лежить десь посередині між концентрацією вільних носіїу діелектриках і такою у провідниках-металах. Треба також розуміти, що концентрація вільних електронів і дірок у чистому напівпровіднику при будь-якій температурі - однакова. Кожен електрон, що звільнив своє місце, створює собі пару -дірку. Процес, коли вільний електрон займає пусте місце, називають «рекомбінацією» - при цьому пара електрон-дірка зникає.

Якщо до чотиривалентного германію додати домішку пятивалентного миш'яку, то число вільних електронів зросте, оскільки кожен п'ятий електрон миш'яку не задіяний у створенні зв'язку з сусідніми атомами і легко покидає своє місце. Таку домішку називають донорною. Аналогічно, домішка тривалентного індію створює в кристалі германію додаткові дірки, оскільки, біля кожного атома індію є незадіяна вакансія - відсутність одного електрона, що мав би здійснювати зв'язок з сусіднім атомом. Таку домішку називають акцепторною.

Отже, домішка більшої валентності збільшує електронну провідність -створюється так званий напівпровідник η-типу (п - негативний). Домішка меншої валентності збільшує діркову провідність - створюється напівпровідник p-типу (р - позитивний).

Напівпровідникові діоди і транзистори

Саме з напівпровідників п- та p-типу і створюються кристали, які «працюють» в комп'ютерах та багатьох інших приладах. Пояснимо принцип роботи напівпровідникового діода (мал. 32.5), основна задача якого -пропускати струм тільки в одному напрямі.

Діод складається з двох шарів домішко-вих напівпровідників - р- та η-типу (мал. 32.6). При полярності джерела, як це вказано на малюнку 32.6а, основні носії (вони зображені в кружечках) рухаються до межі з'єднання шарів (p-η переходу), де в області шириною d = 10-100 мкм, вони рекомбінують. Замість них в об'ємі кристалів народжуються усе нові і нові дірки та електрони. Таким чином, через p-η перехід іде так званий «основний» струм. Таке включення діода називають прямим.

В той же час на неосновні носії (позначені «+» чи «-» без кружечків) з боку електричного поля, створеного джерелом у кристалах, діють сили, які їх «розтягують» у різні боки. Ці заряди не можуть покинути зону p-η переходу (через взаємне притягання) і струму не утворюють.

Якщо поміняти полярність клем джерела (мал. 32.66), то основні носії утворюють у зоні p-η переходу так званий «запираючий шар», який припиняє струм основних носіїв. Натомість, така полярність джерела сприятлива для

неосновних носіїв, які утворюють «зворотній струм». Якщо задля конкретності припустити, що концентрація вільних електронів у кристалі η-типу у 1000 разів перевищує концентрацію дірок та електронів в основному матеріалі (аналогічно в кристалі p-типу), то прямий струм перевищує зворотний в 1000 разів, так що діод практично пропускає струм тільки в одному напрямі.

Напівпровідниковий транзистор

Транзистор - це тришаровий напівпровідниковий прилад (мал. 32.7), який здійснив революцію в електроніці. Десятки мільйонів транзисторів всередині мікросхем керують роботою процесорів та елементів пам'яті в комп'ютерах, мобільних телефонах та багатьох інших приладах. Транзистор винайшли у 1947 році, а в 1956 році троє американських фізиків - Уолтер Браттейн, Джон Бардін та Bi-льям Шоклі - отримали за цей винахід Нобелівську премію.

Перший і третій шар транзистора називають емітером і колектором (мал. 32.8а). Середній шар називають базою і він дуже вузький порівняно з двома іншими. З колектора, наприклад, р-п-р транзистора інжектуються (вкидуються) у базу основні носії-дірки, утворюючи емітерний струм Ie і вони повинні встигнути потрапити у колектор раніше, ніж «загинуть», тобто рекомбінують з електронами, які є основними у матеріалі η-типу бази.

Колектор збирає дірки, які туди добралися, створюючи колекторний струм ІК. Аналогічно працює і п-р-п транзистор, як це показано на малюнку 32.86.

Створюючи незначний позитивний чи негативний потенціал на базі, можна ефективно керувати величиною колекторного струму або навіть його припинити. В цьому суть роботи транзистора. Один з основних параметрів транзистора - коефіцієнт підсилення по колекторному струму, дорівнює:

Числове значення коефіцієнта лежить в межах від 50 до 250 - це означає, що невеликі струми через базу можуть керувати набагато більшими струмами в колекторі.

Транзистор може працювати як підсилювач слабких електричних сигналів - з самого початку (мал. 32.9) він був задуманий як прилад, що замінить вакуумні радіолампи. Значно пізніше виявилося, що транзистор можна застосовувати як швидкодіючий вимикач. Застосування транзистора в цифровій техніці полягає саме в тому, щоб пропускати струм (умовна одиниця) або не пропускати (умовний нуль). Швидкодія комп'ютера залежить від того, скільки разів на секунду можуть перемикатися мільйони транзисторів в його мі-крочіпах.

Інші напівпровідникові прилади

Висока чутливість напівпровідників до зміни температури дозволила зробити термістори (терморезистори), які використовують у електричних термометрах. Примусити електрон покинути свою місце можна не тільки за рахунок теплової енергії. Це може, наприклад, зробити світло, якщо у фотонів, з яких воно складається, вистачить енергії, щоб забезпечити енергію активації. Напівпровідникові прилади, які реагують на світло називають фоторезисторами і фотодіодами і їх використовують в елементах автоматики.

Сонячні батареї також використовують енергію світла, перетворюючи її на електроенергію. В наш побут прийшли світлодіоди, які ще економніші, ще довговічніші, ніж газорозрядні лампи, і напівпровідникові лазери, які ми використовуємо як ліхтарики чи указки. Напівпровідники використовуються також в матрицях цифрових фотоапаратів.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Струм в напівпровідниках утворюють від'ємні носії - вільні електрони і додатні носії - дірки, які рухаються за рахунок перескоків зв'язаних електронів.

У чистому напівпровіднику концентра-

ція вільних електронів і дірок однакова. При збільшенні температури опір напівпровідника зменшується.

>    Домішковий напівпровідник η-типу утворюють за рахунок донорної домішки більшої валентності, а напівпровідник p-типу отримують за рахунок акцепторної домішки меншої валентності.

* Напівпровідникові діоди - це двошарові прилади, які пропускають струм тільки в одному напрямі і використовуються в блоках живлення мобільних пристроїв і комп'ютерів.

>    Транзистори - це тришарові напівпровідникові прилади, які використовуються як електронні підсилювачі або перемикачі.

ВПРАВА №32

1.    Яку енергію треба надати електронам в напівпровіднику, щоб вони стали вільними?

2.    Чому кожен електрон, що вивільнився в чистому напівпровіднику, створює дірку?

3.    Як впливає рекомбінація електронів і дірок на провідність напівпровідника?)

4.    Домішку якого типу отримали, додавши індій до миш'яку?

5.    За рахунок яких носіїв струму виникає: а) прямий, б) зворотний струм на p-η переході діода?

6.    Як залежить провідність напівпровідникового резистора від збільшення: а) температури, б) освітлення?

7.    Фоторезистор, який має в темноті опір 20 000 Ом, з'єднали послідовно з металічним резистором, що має опір 4 000 Ом. Обидва прилади підключені до джерела стабільної напруги. Яким став опір фоторезистора, якщо після того, що його освітили, сила струму в колі зросла у 8 разів?

8.    Термістор і металічний резистор опором Ί кОм з'єднані послідовно і підключені до джерела напругою 12 В? При кімнатній температурі сила струму складала 5 мА. Коли термістор нагріли, сила струму збільшилася вдвічі. Як змінився опір термістора?

9.    Колекторний струм транзистора дорівнює 20 мА при струмі бази 0,2 мА. Визначте коефіцієнт підсилення транзистора.

10.    Як вплине від'ємний потенціал на базі р-п-р транзистора на величину колекторного струму?

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка