§ 44. Електричні властивості напівпровідників.

Тут ти дізнаєшся, які речовини називаються напівпровідниками та як вони використовуються на практиці.

Проводячи дослідження електричних явищ, учені помітили, що різні речовини по-різному проводять електрику. У деяких речовинах електричний заряд проходив краще, в інших — гірше. Деякі ж з них взагалі не проводили електричний заряд. Тому всі речовини поділили J_l^rMOBHO на провідники і непровідники — діелектрики.

Найбільші досягнення у вивченні електрики були досягнуті саме в царині властивостей провідників і діелектриків. Майже уся теорія електричних явищ була побудована на результатах їх вивчення. Але залишалася досить велика кількість речовин, які не привертали уваги вчених, оскільки їх важко було віднести до добрих провідників, і разом з тим вони не мали відвертих ознак діелектриків. Через таку невизначеність їх електричних ознак їх назвали напівпровідниками. Цьому сприяло і те, що питомий опір більшості із цих речовин займав проміжне положення між питомим опором металів (провідників) і питомим опором діелектриків: Р_М^<Р_МП^<Р.·

Детальні дослідження напівпровідників показали, що за деякими властивостями вони дуже специфічні і суттєво відрізняються від металів і діелектриків.

Головною відмінністю напівпровідників від металів і діелектриків стала залежність питомого опору цих речовин від температури. Вимірювання питомого опору в різних умовах показало, що у напівпровідників відчутно зменшується опір при підвищенні температури (і навпаки) (мал. 134).

Типовими і найбільш вживаними в сучасній техніці і виробництві напів-

провідниками стали кремній і германій, хоча застосовуються і речовини, які є хімічними сполуками деяких елементів, зокрема, оксиди міді і цинку, сульфіди свинцю, срібла, кадмію тощо. Якщо в звичайних умовах виміряти їх питомий опір, то дійсно , він більший за питомий опір міді, хоча в кремнія і силіція він співрозмірний. Але будь-яка з цих речовин має інші електричні властивості при зміні температури. Якщо в просте електричне коло послідовно увімкнути кристалик кремнія, а потім його нагріти, то побачимо, струм у колі зросте. Тобто, питомий опір кремнія при нагріванні зменшується. Кажуть, що термічний коефіцієнт опору напівпровідників від'ємний.

Усі тверді речовини, які мають від'ємний термічний коефіцієнт опору, називаються напівпровідниками.

У чому ж причина таких властивостей напівпровідників?

Пригадаємо, що електричний струм у твердих тілах — це упорядкований рух електронів. І чим більша густина вільних електронів у провіднику, тим меншим буде питомий опір такої речовини. Для напівпровідників характерно, що атоми, з яких складаються ці речовини, зв’язані між собою хімічними зв'язками, які називаються ковалентними, які здійснюються шляхом обміну електронами між атомами. За низьких температур такі зв’язки досить сильні і вільних електронів у речовині мало. При підвищенні температури частина електронів втрачає зв’язки з атомами і вони стають вільними, не зв'язаними з атомами. І чим вища температура, тим більше таких вільних електронів, (мал. 135).

У чистих речовин-напівпровідників кількість вільних електронів дорівнює кількості атомів, які їх втратили. Атоми, які втратили електрони в напівпровідниках називають «дірками», які мають позитивний заряд. Якщо в електричному

полі електрони будуть рухатися в одному напрямі, то «дірки* будуть зміщуватися в протилежному.

Уведення різних домішок дозволяє змінювати кількість вільних електронів так, що їх кількість буде більшою чи меншою за кількість дірок. Якщо переважають вільні електрони, то напівпровідник називають напівпровідником η-типу (мал. 136, див. стор. 141).

Якщо більша кількість «дірок*, то напівпровідник відносять до p-типу. (мал. 137 див. стор. 143).

Незважаючи на внутрішні відмінності, однорідні напівпровідники проводять струм незалежно від полярності клем джерела струму. Вони не мають однобічної провідності. І в такому вигляді їх застосовують, як правило, в ролі термо-чутливих елементів електричних схем.

Як що ж сплавити два кристала напівпровідників η-типу і p-типу, то отримаємо структуру з р-п-переходом, яка має однобічну провідність. Прилади на основі р-п-преходу отримали назву напівпровідникових діодів. У наш час це — невід’ємна частина кожного електронного чи електротехнічного пристрою (мал. 138).

Навіть LED-лампа має напівпровідниковий світловий діод, який при проходженні струму випромінює світло (мал. 139).

Сплавляння трьох кристалів за схемою р-п-р або п-р-п дозволило створити транзистор, який має властивість підсилювати електричні сигнали (мал. 138).

В електронній промисловості розроблені технології, які дозволили створювати системи з сотень а то і тисяч діодів та транзисторів у межах одного кристала. Такі системи отримали назву інтегральних схем (мал. 140).

Саме вони дозволили створити сучасну економічну, продуктивну і компактну електронну апаратуру.

Прочитай і з'ясуй, що ти знаєш.

1.    Яка основна ознака напівпровідника.

2.    Яка природа провідності напівпровідників?

3.    Чому питомий опір напівпровідників зменшується при збільшенні температури?

4.    Яка відмінність між напівпровідниками різних типів?

5.    Як утворюють р-п-перехід ?

6.    Яка основна властивість р-п-переходу?

7.    Які найбільш поширені напівпровідникові прилади?

8.    Чого досягли вчені та інженери досліджуючи та використовуючи напівпровідники?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Савченко