08-к. Электропроводность полупроводников
§ 08-к. Электропроводность полупроводников
В § 8-в мы отметили, что по способности проводить электрический ток все вещества можно разделить на две группы: проводники и диэлектрики. Однако с развитием науки и техники к середине XX века выяснилось, что многие вещества, например кремний, германий, селен, а также многие минералы и металлические сплавы, более правильно выделить в отдельную группу и назвать полупроводниками. Каковы причины этого?
Во-первых, полупроводники проводят электрический ток хуже, чем проводники (при одинаковых размерах и форме обладают большим сопротивлением), но значительно лучше, чем диэлектрики. Во-вторых, в отличие от металлов, сопротивление которых с повышением температуры увеличивается (см. § 8-и), полупроводники при увеличении температуры (и освещённости) уменьшают своё сопротивление.
Это свойство полупроводников позволяет применять их в технике как датчики температуры и освещённости, однако главное применение полупроводников — электроника. Цифровые фото- и видеокамеры, плееры и компьютеры давно вытеснили из нашей жизни фотоплёнку, магнитофонную ленту и бухгалтерские арифмометры.
Рассмотрим строение полупроводников на примере кристалла кремния (см. рисунок). Кремний четырёхвалентен, и это значит, что четыре электрона каждого атома образуют связи с ближайшими четырьмя атомами-соседями. Воздействуя на кристалл теплом или светом, мы сообщаем электронам дополнительную энергию, и они могут, «разорвав» связи, вылететь за пределы «четвёрки», став свободными электронами (см. рисунок). С этой точки зрения, кристалл кремния становится похож на кристалл металла, где также есть электронный газ — условие электропроводности.
Однако все полупроводники обладают не только электронной проводимостью, но и так называемой дырочной проводимостью.
Поясняем. При «освобождении» электронов кремния на их местах остаются «дырки» — области, где недостаёт отрицательного заряда, то есть имеется избыток положительного. В эти области могут перескочить соседние электроны, и дырки «переместятся» на их места (как «перемещаются» назад свободные места в кинотеатре, когда зрители пересаживаются ближе к экрану). Итак, в физике дырка — это подвижная область с положительным зарядом.
Если полупроводник соединить с источником электроэнергии, возникнет встречное движение электронов (к «+» источника) и дырок (к «–» источника) — это собственная проводимость полупроводника. Однако для понимания работы многих электронных приборов необходимо изучить примесную проводимость полупроводников. Она возникает, если в кристалл полупроводника ввести небольшое количество вещества с валентностью, большей или меньшей валентности основного вещества.
В чистом полупроводнике (например, кремнии) количество свободных электронов и дырок одинаково, так как они образуются только парами. Если в кристалл кремния добавить пятивалентного вещества, например мышьяка (см. левый рисунок), количество свободных электронов станет больше количества дырок, и образуется полупроводник n-типа (от лат. «негатив» — отрицательный). Если в кристалл кремния добавить трёхвалентного вещества, например индия (см. правый рисунок), то в кристаллической решётке возникнут дополнительные дырки, и образуется полупроводник p-типа (от лат. «позитив» — положительный).
Если полупроводники n-типа и p-типа привести в соприкосновение, то образуется np-переход. Двигаясь, электроны из n-области и дырки из p-области проникают через переход навстречу друг другу, и в n-области нарастает положительный заряд, а в p-области — отрицательный, то есть самопроизвольно возникают разноимённые заряды частей кристалла с np-переходом. Понимание этого факта важно для изучения работы полупроводниковых приборов, которые мы рассмотрим в § 9-и.