Полупроводниками называют вещества, занимающие в отношении электропроводности промежуточное положение между хорошими проводниками и хорошими изоляторами (диэлектриками).
Полупроводниками являются и химические элементы (германий Ge, кремний Si, селен Se, теллур Te), и соединения химических элементов (PbS, CdS, и др.).
Природа носителей тока в различных полупроводниках различна. В некоторых из них носителями зарядов являются ионы; в других носителями зарядов являются электроны .
Собственная проводимость полупроводников
Существует два вида собственной проводимости полупроводников: электронная проводимость и дырочная проводимость полупроводников.
1. Электронная проводимость полупроводников.
Электронная проводимость осуществляется направленным перемещением в межатомном пространстве свободных электронов, покинувших валентную оболочку атома в результате внешних воздействий.
2. Дырочная проводимость полупроводников.
Дырочная проводимость осуществляется при направленном перемещении валентных электронов на вакантные места в парно-электронных связях - дырки. Валентный электрон нейтрального атома, находящегося в непосредственной близости к положительному иону (дырке) притягиваясь к дырке, перескакивает в неё. При этом на месте нейтрального атома образуется положительный ион (дырка), а на месте положительного иона (дырки) образуется нейтральный атом.
В идеально чистом полупроводнике без каких - либо чужеродных примесей каждому свободному электрону соответствует образование одной дырки, т.е. число участвующих в создании тока электронов и дырок одинаково.
Проводимость, при которой возникает одинаковое число носителей заряда (электронов и дырок), называется собственной проводимостью полупроводников.
Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов. Малейшие следы примесей коренным образом меняют свойства полупроводников.
Электрическая проводимость полупроводников при наличии примесей
Примесями в полупроводнике считают атомы посторонних химических элементов, не содержащиеся в основном полупроводнике.
Примесная проводимость - это проводимость полупроводников, обусловленная внесением в их кристаллические решётки примесей.
В одних случаях влияние примесей проявляется в том, что «дырочный» механизм проводимости становится практически невозможным, и ток в полупроводнике осуществляется в основном движением свободных электронов. Такие полупроводники называются электронными полупроводниками или полупроводниками n - типа (от латинского слова negativus - отрицательный). Основными носителями заряда являются электроны, а не основными - дырки. Полупроводники n - типа - это полупроводники с донорными примесями.
1. Донорные примеси.
Донорными называют примеси, легко отдающие электроны, и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов. Донорные примеси поставляют электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок.
Типичным примером донорной примеси в четырёхвалентном германии Ge являются пятивалентные атомы мышьяка As.
В других случаях практически невозможным становится движение свободных электронов, и ток осуществляется только движением дырок. Эти полупроводники называются дырочными полупроводниками или полупроводниками p - типа (от латинского слова positivus - положительный). Основными носителями заряда являются дырки, а не основными - электроны. . Полупроводники р - типа - это полу-проводники с акцепторными примесями.
Акцепторными называют примеси в которых для образования нормальных парноэлектронных связей недостаёт электронов.
Примером акцепторной примеси в германии Ge являются трёхвалентные атомы галлия Ga
Электрический ток через контакт полупроводников р- типа и n- типа p-n переход - это контактный слой двух примесных полупроводников p-типа и n-типа; p-n переход является границей, разделяющей области с дырочной (p) проводимостью и электронной (n) проводимостью в одном и том же монокристалле.
Прямой p-n переход
Если n-полупроводник подключён к отрицательному полюсу источника питания, а положительный полюс источника питания соединён с р-полупроводником, то под действием электрического поля электроны в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников. Электроны, переходя границу, «заполняют» дырки, ток через р-n-переход осуществляется основными носителями заряда. Вследствие этого проводимость всего образца возрастает. При таком прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля толщина запирающего слоя и его сопротивление уменьшаются.
В этом направлении ток проходит через границу двух полупроводников.
  |
Обратный р-n-переход
Если n-полупроводник соединён с положительным полюсом источника питания, а р-полупроводник соединён с отрицательным полюсом источника питания, то электроны в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике под действием электрического поля будут перемещаться от границы раздела в противоположные стороны, ток через р-n-переход осуществляется неосновными носителями заряда. Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление - большим.
Образуется так называемый запирающий слой. При таком направлении внешнего поля электрический ток через контакт р- и n-полупроводников практически не проходит.
Таким образом электронно-дырочный переход обладает одно-сторонней проводимостью.
Зависимость силы тока от напряжения - вольт - амперная характеристика р-n перехода изображена на рисунке (вольт - амперная характеристика прямого р-n перехода изображена сплошной линией, вольт - амперная характеристика обратного р-n перехода изображена пунктирной линией).
Полупроводниковые приборы:
Полупроводниковый диод - для выпрямления переменного тока, в нем используют один р - n - переход с разными сопротивлениями: в прямом направлении сопротивление р - n - перехода значительно меньше, чем в обратном.
Фоторезисторы - для регистрации и измерения слабых световых потоков. С их помощью определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий.
Термисторы - для дистанционного измерения температуры, противопожарной сигнализации.
На этом уроке мы рассмотрим такую среду прохождения электрического тока, как полупроводники. Мы рассмотрим принцип их проводимости, зависимость этой проводимости от температуры и наличия примесей, рассмотрим такое понятие, как p-n переход и основные полупроводниковые приборы.
Если же совершить прямое подключение, то внешнее поле нейтрализует запирающее, и ток будет совершаться основными носителями заряда (рис. 9).
Рис. 9. p-n переход при прямом подключении ()
При этом ток неосновных носителей ничтожно мал, его практически нет. Поэтому p-n переход обеспечивает одностороннюю проводимость электрического тока.
Рис. 10. Атомная структура кремния при увеличении температуры
Проводимость полупроводников является электронно-дырочной, и такая проводимость называется собственной проводимостью. И в отличие от проводниковых металлов при увеличении температуры как раз увеличивается количество свободных зарядов (в первом случае оно не меняется), поэтому проводимость полупроводников растет с ростом температуры, а сопротивление уменьшается (рис. 10).
Очень важным вопросом в изучении полупроводников является наличие примесей в них. И в случае наличия примесей следует говорить уже о примесной проводимости.
Полупроводниковые приборы
Малые размеры и очень большое качество пропускаемых сигналов сделали полупроводниковые приборы очень распространенными в современной электронной технике. В состав таких приборов может входить не только вышеупомянутый кремний с примесями, но и, например, германий.
Одним из таких приборов является диод - прибор, способный пропускать ток в одном направлении и препятствовать его прохождению в другом. Он получается вживлением в полупроводниковый кристалл p- или n-типа полупроводника другого типа (рис. 11).
Рис. 11. Обозначение диода на схеме и схема его устройства соответственно
Другим прибором, теперь уже с двумя p-n переходами, называется транзистор. Он служит не только для выбора направления пропускания тока, но и для его преобразования (рис. 12).
Рис. 12. Схема строения транзистора и его обозначение на электрической схеме соответственно ()
Следует отметить, что в современных микросхемах используется множество комбинаций диодов, транзисторов и других электрических приборов.
На следующем уроке мы рассмотрим распространение электрического тока в вакууме.
Список литературы
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
- Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. - М.: 2010.
- Принципы действия устройств ().
- Энциклопедия Физики и Техники ().
Домашнее задание
- Вследствие чего в полупроводнике появляются электроны проводимости?
- Что такое собственная проводимость полупроводника?
- Как зависит проводимость полупроводника от температуры?
- Чем отличается донорная примесь от акцепторной?
- *Какую проводимость имеет кремний с примесью а) галлия, б) индия, в) фосфора, г) сурьмы?
Электрический ток в полупроводниках Цель урока: сформировать представление о свободные носители электрического заряда в полупроводниках и о природе электрического тока в полупроводниках. Тип урока: урок изучения нового материала. ПЛАН УРОКА Контроль знаний 5 мин. 1. Электрический ток в металлах. 2. Электрический ток в электролитах. 3. Закон Фарадея для электролиза. 4. Электрический ток в газах Демонстрации 5 мин. Фрагменты видеофильма «Электрический ток в полупроводниках» Изучение нового материала 28 мин. 1. Носители зарядов в полупроводниках. 2. Примесная проводимость полупроводников. 3. Электронно-дырочный переход. 4. Полупроводниковые диоды и транзисторы. 5. Интегральные микросхемы Закрепление изученного материала 7 мин. 1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА 1. Носи зарядов в полупроводниках Удельные сопротивления полупроводников при комнатной температуре имеют значения, которые находятся в широком интервале, т.е. от 10-3 до 107 Ом·м, и занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых очень быстро убывает с повышением температуры. К полупроводникам относятся многие химические элементы (бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, селен, теллур и др.), огромное количество минералов, сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего мира - полупроводники. За достаточно низких температур и отсутствия внешних воздействий освещения или нагревания) полупроводники не проводят электрический ток: при этих условиях все электроны в полупроводниках являются связанными. Однако связь электронов со своими атомами в полупроводниках не такой крепкий, как в диэлектриках. И в случае повышения температуры, а так же за яркого освещения некоторые электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными зарядами, то есть могут перемещаться по всем образцом. Благодаря этому в полупроводниках появляются отрицательные носители заряда - свободные электроны. электронов, называют электронной. Когда электрон отрывается от атома, положительный заряд этого атома становится некомпенсированным, т.е. в этом месте появляется лишний положительный Этот положительный заряд называют «дыркой». Атом, вблизи которого образовалась дырка, может отобрать связанный электрон у соседнего атома, при этом дырка переместится до соседнего атома, а тот атом, в свою очередь, может «передать» дырку дальше. Такое «естафетне» перемещение связанных электронов можно рассматривать как перемещение дырок, то есть положительных зарядов. Проводимость полупроводника, обусловленная движением (например, заряд. Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называется дырочной. отличие дырочной проводимости от Таким образом, электронной заключается в том, что электронная проводимость обусловлена перемещением в полупроводниках свободных электронов, а дырочная - перемещением связанных электронов. В чистом полупроводнике (без примесей) электрический ток создает одинаковое количество свободных электронов и дырок. Такую проводимость называют собственной проводимостью полупроводников. 2. Примесная проводимость полупроводников Если добавить в чистый расплавленный кремний незначительное количество мышьяка (примерно 10-5 %), после твердения образуется обычная кристаллическая решетка кремния, но в некоторых узлах решетки вместо атомов кремния будут находиться атомы мышьяка. Мышьяк, как известно, пятивалентный элемент. Чотиривалентні электроны образуют парные электронные связи с соседними атомами кремния. Пятом же валентному электрону связи не хватит, при этом он будет так слабо связан с атомом Мышьяка, который легко становится свободным. В результате каждый атом примеси даст один свободный электрон. Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными. Электроны из атомов кремния могут становиться свободными, образуя дыру, поэтому в кристалле могут одновременно Примеси, которые «захватывают» электроны атомов называются существовать и свободные электроны и дырки. Однако свободных электронов во много раз будет больше, чем дырок. Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n-типа. Если в кремний добавить незначительное количество трехвалентного индию, то характер проводимости полупроводника изменится. Поскольку индий имеет три валентных электрона, то он может установить ковалентная связь только с тремя соседними атомами. Для установления связи с четвертым атомом электрона не хватит. Индий «одолжит» электрон в соседних атомов, в результате каждый атом Индия образует одно вакантное место - дырку. кристаллической решетки полупроводников, акцепторными. В случае акцепторной примеси основными носителями заряда во время прохождения электрического тока через полупроводник есть дыры. Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называют полупроводниками р-типа. Практически все полупроводники содержат и донорные, и акцепторные примеси. Тип проводимости полупроводника определяет примесь с более высокой концентрацией носителей заряда - электронов и дырок. 3. Электронно-дырочный переход Среди физических свойств, присущих полупроводникам, наибольшее применение получили свойства контактов (р-n- перехода) между полупроводниками с разными типами проводимости. В полупроводнике n-типа электроны участвуют в тепловом движении и диффундируют через границу в полупроводника р- типа, где их концентрация значительно меньше. Точно так же дырки будут диффундировать из полупроводника р-типа в полупроводник п-типа. Это происходит подобно тому, как атомы растворенного вещества диффундируют из крепкого раствора в слабый в случае их столкновения. В результате диффузии приконтактна участок обедняется основными носителями заряда: в полупроводнике n-типа уменьшается концентрация электронов, а в полупроводнике р- типа - концентрация дырок. Поэтому сопротивление приконтактної участка оказывается очень значительным. Диффузия электронов и дырок через р-n-переходе приводит к тому, что полупроводник n-типа, из которого идут электроны, заряжается положительно, а р-типа - отрицательно. Возникает двойной электрический слой, что создает электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии свободных носителей тока через контакт полупроводников. По некоторой напряжения между двойным заряженным слоем дальнейшее обнищание приконтактної участка основными носителями прекращается. Если теперь полупроводник присоединить к источнику тока так, чтобы его электронная область соединялась с отрицательным полюсом источника, а дырочная - с положительным, то электрическое поле, созданное источником тока, будет направлено так, что оно перемещать основные носители тока в каждом участке полупроводника с р-n- перехода. При контакте участок будет обогащаться основными носителями тока, и его сопротивление уменьшится. Через контакт будет проходить заметный ток. Направление тока в этом случае называют пропускным, или прямым. Если же присоединить полупроводник n-типа к положительному, а р-типа к отрицательному полюсу источника, то приконтактна участок расширяется. Сопротивление области значительно увеличивается. Ток через переходный слой будет очень мал. Это направление тока называют замыкающим, или обратным. 4. Полупроводниковые диоды и транзисторы Следовательно, через границу раздела полупроводников n-типа и р-типа электрический ток идет только в одном направлении - от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа. Это используют в устройствах, которые называют диодами. Полупроводниковые диоды используют для выпрямления тока переменного направления (такой ток называют переменным), а также для изготовления светодиодов. Полупроводниковые выпрямители имеют высокую надежность и длительный срок использования. устройствах: Широко применяют полупроводниковые диоды в радиотехнических радиоприемниках, видеомагнитофонах, телевизорах, компьютерах. Еще более важным применением полупроводников стал транзистор. Он состоит из трех слоев полупроводников: по краям расположены полупроводники одного типа, а между ними - тонкий слой полупроводника другого типа. Широкое применение транзисторов обусловлено тем, что с их помощью можно усиливать электрические сигналы. Поэтому транзистор стал основным элементом многих полупроводниковых приборов. 5. Интегральные микросхемы Полупроводниковые диоды и транзисторы являются «кирпичиками» очень сложных устройств, которые называют интегральными микросхемами. Микросхемы работают сегодня в компьютерах и телевизорах, мобильных телефонах и искусственных спутниках, в автомобилях, самолетах и даже в стиральных машинах. Интегральную схему изготавливают на пластинке кремния. Размер пластинки - от миллиметра до сантиметра, причем на одной такой пластинке может размещаться до миллиона компонентов - крошечных диодов, транзисторов, резисторов и др. Важными преимуществами интегральных схем является высокое быстродействие и надежность, а также низкая стоимость. Именно благодаря этому на основе интегральных схем и удалось создать сложные, но многим доступны приборы, компьютеры и предметы современной бытовой техники. ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА Первый уровень 1. Какие вещества можно отнести к полупроводниковых? 2. Движением которых заряженных частиц создается ток в полупроводниках? 3. Почему сопротивление полупроводников очень сильно зависит от наличия примесей? 4. Как образуется p-n-переход? Какое свойство имеет p-n- переход? 5. Почему свободные носители зарядов не могут пройти сквозь p-n-переход полупроводника? Второй уровень 1. После введения в германий примеси мышьяка концентрация электронов проводимости увеличилась. Как изменилась при этом концентрация дырок? 2. С помощью какого опыта можно убедиться в односторонней проводимости полупроводникового диода? 3. Можно ли получить р-n-переход, выполнив вплавления олова в германий или кремний? ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА 1). Качественные вопросы 1. Почему требования к чистоте полупроводниковых материалов очень высоки (в ряде случаев не допускается наличие даже одного атома примеси на миллион атомов)? 2. После введения в германий примеси мышьяка концентрация электронов проводимости увеличилась. Как изменилась при этом концентрация дырок? 3. Что происходит в контакте двух полупроводников n- и р- типа? 4. В закрытом ящике находятся полупроводниковый диод и реостат. Конце приборов выведены наружу и присоединены к клеммам. Как определить, какие клеммы принадлежат диода? 2). Учимся решать задачи 1. Какую проводимость (электронную или дырочную) имеет кремний с примесью галлия? индию? фосфора? сурьмы? 2. Какая проводимость (электронная или дырочная) будет в кремния, если к нему добавить фосфор? бор? алюминий? мышьяк? 3. Как изменится сопротивление образца кремния с примесью фосфора, если ввести в него примесь галлия? Концентрация атомов Фосфора и Галлия одинакова. (Ответ: увеличится) ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ · Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых очень быстро снижается с повышением температуры. · Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов, называют электронной. · Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называется дырочной. · Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными. · Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n-типа. · Примеси, которые «захватывают» электроны атомов кристаллической решетки полупроводников, называются акцепторными. · Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называют полупроводниками р-типа. · Контакт двух полупроводников с различными видами проводимости имеет свойства хорошо проводить ток в одном направлении и значительно хуже в противоположном направлении, т.е. имеет одностороннюю проводимость. Домашнее задание 1. §§ 11, 12.
Полупроводниками назвали класс веществ, у которых с повышением температуры увеличивается проводимость, уменьшается электрическое сопротивление. Этим полупроводники принципиально отличаются от металлов.
Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены кова-лентной связью. При любых температурах в полупроводниках имеются свободные электроны. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов кристаллической решетки приводит к превращению этого атома в положительный ион. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон у одного из соседних атомов. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс воспринимается как перемещение положительного электрического заряда, называемого дыркой .
При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение дырок - дырочный ток проводимости.
В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Проводимость в идеальных полупроводниках называется собственной проводимостью.
Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов - донорные и акцепторные.
Примеси, отдающие электроны и создающие электронную проводимость, называютсядонорными (примеси, имеющие валентность больше, чем у основного полупроводника). Полупроводники, в которых концентрация электронов превышает концентрацию дырок, называют полупроводниками n-типа.
Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными (примеси имеющие валентность меньше, чем у основного полупроводника).
При низких температурах основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а не основными носителями - электроны. Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа. Рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости.
Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия основных носителей: электроны из n-полупроводника диффундируют в р-полупроводник, а дырки из р-полупроводника в n-полупроводник. В результате участок n-полупроводника, граничащий с контактом, будет обеднен электронами, и в нем образуется избыточный положительный заряд, обусловленный наличием оголенных ионов примеси. Движение дырок из р-полупроводника в n-полупроводник приводит к возникновению избыточного отрицательного заряда в пограничном участке р-полупроводника. В результате образуется двойной электрический слой, и возникает контактное электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Этот слой называют запирающим .
Внешнее электрическое поле влияет на электропроводность запирающего слоя. Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 55, то под действием внешнего электрического поля основные носители заряда - свободные электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике - будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников, при этом толщина p-n-перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление. В этом случае сила тока ограничивается внешним сопротивлением. Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. Прямому включению p-n-перехода соответствует участок 1 на вольт-амперной характеристике (см. рис. 57).
Носители электрического тока в различных средах и вольт-амперные характеристики обобщены в табл. 1.
Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 56, то электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут перемещаться под действием внешнего электрического поля от границы в противоположные стороны. Толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются. При таком направлении внешнего электрического поля - обратном (запирающем) через границу раздела проходят только неосновные носители заряда, концентрация которых много меньше, чем основных, и ток практически равен нулю. Обратному включению р-п-перехода соответствует участок 2 на вольт-амперной характеристике (рис. 57).
Таким образом, р-п-переход обладает несимметричной проводимостью. Это свойство используется в полупроводниковых диодах, содержащих один p-n-переход и применяемых, например, для выпрямления переменного тока или детектирования.
Полупроводники находят широкое применение в современной электронной технике.
Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых металлов от температуры используется в специальных полупроводниковых приборах - терморезисторах . Приборы, в которых используется свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами .
Электрический Ток в Вакууме
Если два электрода поместить в герметичный сосуд и удалить из сосуда воздух, то электрический ток в вакууме не возникает - нет носителей электрического тока. Американский ученый Т. А. Эдисон (1847-1931) в 1879 г. обнаружил, что в вакуумной стеклянной колбе может возникнуть электрический ток, если один из находящихся в ней электродов нагреть до высокой температуры. Явление испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией. Работа, которую нужно совершить для освобождения электрона с поверхности тела, называется работой выхода. Явление термоэлектронной эмиссии объясняется тем, что при повышении температуры тела увеличивается кинетическая энергия некоторой части электронов в веществе. Если кинетическая энергия электрона превысит работу выхода, то он может преодолеть действие сил притяжения со стороны положительных ионов и выйти с поверхности тела в вакууме. На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа различных электронных ламп.
Полупроводниками называют вещества, удельное сопротивление которых во много раз меньше, чем у диэлектриков, о намного больше, чем у металлов. Наиболее широко в качестве полупроводников используют кремний и германий.
Главная особенность полупроводников – зависимость их дельного сопротивления от внешних условий (температуры, освещенности, электрического поля) и от наличия примесей. В 20-м веке ученые и инженеры начали использовать эту особенность полупроводников для создания чрезвычайно миниатюрных сложных приборов с автоматизированным управлением – например, компьютеров, мобильных телефонов, бытовой техники.
Быстродействие компьютеров примерно за полвека их существования увеличилось в миллионы раз. Если бы за этот же промежуток времени скорость автомобилей увеличилась тоже миллионы раз, то они мчались бы сегодня со скоростью, приближающейся к скорости света!
Если бы в одно (далеко не прекрасное!) мгновение полупроводники «отказались от работы», то сразу погасли бы экраны компьютеров и телевизоров, замолчали бы мобильные телефоны, а искусственные спутники потеряли бы управление. Остановились бы тысячи производств, потерпели бы аварии самолеты и корабли, а также миллионы автомобилей.
Носители заряда в полупроводниках
Электронная проводимость.
В полупроводниках валентные электроны «принадлежат» двум соседним атомам. Например, в кристалле кремния у каждой пары атомов-соседей есть два «общих» электрона. Схематически это изображено на рисунке 60.1 (здесь изображены только валентные электроны).
Связь электронов с атомами в полупроводниках слабее, чем в диэлектриках. Поэтому даже при комнатной температуре тепловой энергии некоторых валентных электронов достаточно для того, чтобы они оторвались от своей пары атомов, став электронами проводимости. Так в полупроводнике возникают отрицательные носители заряда.
Проводимость полупроводника, обусловленную перемещением свободных электронов, называют электронной.
Дырочная проводимость. Когда валентный электрон становится электроном проводимости, он освобождает место, в котором возникает нескомпенсированный положительный заряд. Это место называют дыркой. Дырке соответствует положительный заряд, равный по модулю заряду электрона.