Додаткові теоретичні відомості. Напівпровідники, як це й виходить з їхньої назви, за своєю провідністю посідають проміжне місце міжпровідниками і діелектриками

Напівпровідники, як це й виходить з їхньої назви, за своєю провідністю посідають проміжне місце міжпровідниками і діелектриками. Якщо значення питомого електричного опору провідників становить приблизно 10 8 Ом м, а діелектриків — від 1012 до 1020 Омм, то напівпровідників — від 10 ' до 107 Ом м. З точки зору мікроструктури речовини це означає, що концентрація вільних заряджених частинок у напівпровідниках набагато менша, ніж у провідниках, і набагато більша, ніж у діелектриках. Наприклад, дуже поширений у техніці напівпровідник германій при кімнатній температурі має приблизно ІО20 вільних заряджених частинок уїм3 речовини. Здавалося б, велика кількість? Але це в 10 млрд разів менше, ніж у металах.

У процесі вивчання фізичних властивостей напівпровідників, зокрема провідності, виявилось, що в напівпровідників залежність провідності від зовнішніх чинників значно відрізняється від тієї, що спостерігається в металів.

По-перше, якщо опір металів із підвищенням температури збільшується, то опір напівпровідників, навпаки, зменшується. По-друге, опір напівпровідників падає зі збільшенням освітленості, тоді як опір металів від освітленості практично не залежить. По-третє, якщо за наявності домішок метали гірше проводять струм, то введення домішок у напівпровідники, навпаки, різко зменшує опір останніх. Існують і інші, не менш важливі й цікаві відмінності, але про них ви дізнаєтеся пізніше.

Механізм власної провідності напівпровідників.У напівпровідниковому кристалі серед валентних електронів обов'язково є електрони, кінетична енергія яких настільки велика, що вони можуть залишити зв'язок і стати вільними.

Якщо напівпровідниковий кристал помістити в електричне поле, то вільні електрони почнуть рухатися до позитивного полюса джерела струму і в напівпровіднику виникне електричний струм. Зі збільшенням температури середня кінетична енергія електронів збільшується, у результаті дедалі більше електронів стають вільними. Тому, незважаючи на те що йони внаслідок коливального руху ще більше заважають рухові вільних електронів, опір напівпровідника зменшується. Провідність напівпровідників, зумовлену наявністю в них вільних електронів, називають електронною провідністю, а вільні електрони — електронами провідності.

Коли електрон залишає ковалентний зв'язок одного з атомів, точніше — однієї пари атомів, то цей зв'язок у парі лишається незайнятим — вільним. Цей вільний зв'язок прийнято називати діркою. Природно, що дірці приписують позитивний заряд.

На вакантне місце може «перестрибнути» електрон від сусіднього зв'язку, і там, у свою чергу, утвориться дірка.

У результаті послідовності таких «стрибків» дірка ніби переміщується по кристалу. (Насправді ж, як ви бачите на рис. 23.3, переміщуються — у зворотному напрямку! — зв'язані валентні електрони.)Провідність напівпровідників, зумовлену «переміщенням» дірок, називають дірковою провідністю.

Діркова провідність

Вивчаємо домішкову провідність напівпровідників.До цього було розглянуто електричний струм у чистих напівпровідниках. У таких напівпровідниках кількість вільних електронів і дірок є однаковою.

Проте якщо в чистий напівпровідник додати невелику кількість домішки, то картина дещо зміниться. Наприклад, якщо в чистий розплавлений силіцій додати трохи арсену, то після кристалізації утвориться звичайна кристалічна ґрат-ка силіцію, однак у деяких її вузлах замість атомів Силіцію перебуватимуть атоми Арсену (рис. 23.4).

Додавання арсену до чистого розплавленого сіліцію.

Арсен, як відомо,— п'ятивалентний елемент. Чотири валентні електрони атома Арсену утворять парні електронні зв'язки із сусідніми атомами Силіцію. П'ятому ж валентному електрону зв'язку не вистачить, при цьому він буде так слабко пов'язаний з атомом Арсену, що легко стане вільним. У результаті кожний атом домішки дасть один вільний електрон, а вакантне місце (дірка) при цьому не утвориться. Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються донорними домішками (від латин. сїопаге — дарувати, жертвувати).

Нагадаємо, що крім вільних електронів, які надаються домішками, у напівпровідниках є електрони й дірки, наявність яких спричинена власною провідністю напівпровідників. Отже, у напівпровідниках з донорними домішками кількість вільних електронів значно більша, ніж кількість дірок. Таким чином, основними носіями зарядів у таких напівпровідниках є негативні частинки. Тому напівпровідники з донорними домішками називають напівпровідниками п-типу (від латин. пеаішиз — негативний).

Якщо в силіцій додати невелику кількість тривалентного елементу, наприклад Індію, то характер провідності напівпровідника зміниться. Оскільки атом Індію має три валентні електрони, то він може встановити ковалентний зв'язок тільки з трьома сусідніми атомами Силіцію.

Ковалентний зв'язок.

Для встановлення зв'язку з четвертим атомом електрона не вистачить, і цей відсутній електрон Індій «запозичить» у сусідніх атомів Силіцію. У результаті кожний атом Індію створить одну дірку. Домішки такого роду називаються акцепторними домішками (від латин, ассеріог — той, що приймає). У напівпровідниках з акцепторними домішками основними носіями заряду є дірки. Напівпровідники з переважно дірковою провідністю називають напівпровідниками р-типу (від латин. розіііоиз — позитивний). Оскільки при наявності домішок кількість вільних заряджених частинок збільшується (кожний атом домішки дає вільний електрон або дірку), то провідність напівпровідників з домішками набагато краща, ніж провідність чистих напівпровідників.

Застосування напівпровідників.Широке застосування напівпровідників зумовлене кількома чинниками. По-перше, властивостями р-ппереходу — місця контакту двох напівпровідників — р і n-типу. Саме тут спостерігається ряд цікавих явищ. Наприклад, через такий контакт електричний струм добре проходить в одному напрямку і практично не проходить у протилежному. Це явище отримало назву однобічної провідності. Властивості р-n переходу використовують для виготовлення напівпровідникових діодів і транзисторів, без яких не обходиться жодний сучасний електронний пристрій, а також у сонячних батареях — приладах для безпосереднього перетворення енергії випромінювання Сонця на електричну енергію.

Напівпровідникові діоди і транзистори.

Слід додати, що застосування напівпровідників у техніці майже на 99 % зумовлене саме властивостями р-«переходу і що докладніше з цими властивостями ви познайомитеся під час подальшого вивчання фізики. По-друге, опір напівпровідників зменшується зі збільшенням температури, і навпаки. Цю залежність використовують у спеціальних термометрах, які застосовують для вимірювання температури,підримання сталої температури на автоматичних пристроях.

Автоматичні прилади зі спеціальними термометрами.

По-третє, напівпровідники мають властивість змінювати свій опір залежно від освітленості. Ця властивість використовується у напівпровідникових приладах, які називають фоторезисторами і застосовують для вимірювання освітленості, контролю якості поверхні та ін.

Фоторезистор.

Провідність напівпровідників зумовлена рухом вільних електронів (електронна провідність) і рухом дірок (діркова провідність). У чистому напівпровіднику електричний струм створює однакова кількість вільних електронів і дірок. Таку провідність називають власною провідністю напівпровідників. За наявності домішок провідність напівпровідників різко збільшується. У разі введення в напівпровідник домішки з більшою валентністю (донорної домішки) вільних електронів стає в багато разів більше, ніж дірок. Такі напівпровідники називають напівпровідниками п-типу. У випадку введення в напівпровідник домішки з меншою валентністю (акцепторної домішки) дірок стає більше, ніж вільних електронів. Напівпровідники з переважно дірковою провідністю називають напівпровідниками р-типу. Напівпровідники широко використовують у техніці, наприклад для виготовлення напівпровідникових діодів і транзисторів, фотоелементів, термісторів, фоторезисторів тощо.

Напівпровідни́к — матеріал, електропровідність якого має проміжне значення між провідностями провідника та діелектрика. Напівпровідниками є речовини, ширина забороненої зони яких складає порядку декількох електронвольт (еВ). Наприклад, алмаз можна віднести до широкозонних напівпровідників, а арсенід індію — до вузькозонних. До числа напівпровідників належать багато простих речовин хімічних елементів (германій, кремній, селен, телур, арсен та інші), величезна кількість сплавів і хімічних сполук (арсенід галію та ін.).

При накладанні на кристал електричного поля електрони у напівпровідниках переміщаються проти поля і створюють електричний струм. Таким чином, зона внаслідок часткового укомплектування електронами стає зоною провідності.

Провідність власних напівпровідників, зумовлена електронами, називається електронною провідністю, або провідністю n-типу. Провідність власних напівпровідників, зумовлена квазічастинками-дірками, називається дірковою провідністю, або провідністю р-типу. Провідність напівпровідників завжди є збудженою, тобто появляється лише під дією зовнішніх факторів (температури, опромінювання, сильних електричних полів і т.д.). У напівпровідників спостерігається два механізми провідності – електронна і діркова. Кількість електронів в зоні провідності дорівнює кількості дірок у валентній зоні, тобто .

У напівпровідниках, що містять домішку, електропровідність складається із власної й домішкової. Провідність, викликана присутністю в кристалі напівпровідника домішок з атомів з іншою валентністю називається домішковою. Домішки, що викликають у напівпровіднику збільшення вільних електронів, називаються донорними, а викликаючи збільшення дірок - акцепторними. Різна дія домішкових атомів пояснюється в такий спосіб. Припустимо, що в кристал германія (Ge44) атоми якого мають 4 валентних електрона, уведено п'ятивалентний миш'як As5+. У цьому випадку атоми миш'яку своїми 4-я з п'яти валентних електронів вступають у зв'язок. 5-й валентний електрон миш'яку виявиться не зв'язаним, тобто стає вільним електроном. Напівпровідник, електропровідність яких підвищилася завдяки утвору надлишку вільних електронів при введенні домішки, називаються напівпровідниками з електронною провідністю (напівпровідник n-типу), а домішка донорною, (що віддає електрон). Уведення в 4-х валентний напівпровідник 3-х валентного елемента, наприклад (In3+) індію приводить, навпаки, до надлишку дірок над вільними електронами. У цьому випадку ковалентні зв'язки не будуть повністю завершені дірки, що утворюються, можуть переміщатися по кристалу, створюючи діркову провідність. Напівпровідники, електропровідність яких обумовлена в основному рухом дірок, називається напівпровідниками з дірковою провідністю або напівпровідниками р-типу, а домішка - акцепторною (захоплюючі електрон з ковалентного зв'язку або з валентної зони). Енергетичні рівні цих домішок називаються акцепторними рівнями - розташовані над валентною зоною. Енергетичні рівні донорних домішок називаються донорними рівнями - розташовані під нижнім рівнем зони провідності. У домішкових напівпровідниках носії заряду бувають основними (електрони в провіднику n-типу) і не основними (дірки в напівпровіднику р-типу, електрони в напівпровіднику n-типу)..

Енергія активації - характерний параметр процесів, зокрема хімічних реакцій, кінетика яких описується рівнянням Арреніуса. , де Е_а- енергія активації, R - газова стала, T - температура, A - певний передекспоненційний множник, який слабо залежить від температури. Енергія активації описує потенціальний бар'єр, який повинні подолати частинки для того, щоб реакція відбулася. При підвищенні температури,доля частинок із лкінетичною енергією, достатньою для подолання бар'єру збільшується.

Енергія активації вимірюється зазвичай у кДж/моль або ккал/моль.

В фізиці закон Арреніуса частіше записують у вигляді , де k_B- стала Больцмана. При такому записі енергія активації записується в розрахунку на одну частинку і має розмірність енергії. Найчастіше її значення приводиться в електронвольтах.

Характерна риса напівпровідників — зростання електропровідності зі зростанням температури; при низьких температурах електропровідність мала. При температурі близькій до абсолютного нуля напівпровідники мають властивості ізоляторів. Кремній, наприклад, при низькій температурі погано проводить електричний струм, але під впливом світла, тепла чи напруги електропровідність зростає.

Терморезистор, термістор — напівпровідниковий резистор, активний електричний опір якого залежить від температури; терморезистори випускаються у вигляді стрижнів, трубок, дисків, шайб і бусинок; розміри варіюються від декількох мкм до декількох см; на їх основі розроблені системи і пристрої дистанційного та централізованого вимірювання і регулювання температури, протипожежної сигналізації та теплового контролю, температурної компенсації різних елементів електричного кола, вимірювання вакууму та швидкості руху рідин і газів та ін. Терморезисторами також називають термометри, в яких температура визначається за зміною електричного опору. Терморезистори діють системи дистанційного і централізованого вимірювання, і регулювання температури, системи теплового контролю машин та правових механізмів, схеми температурної компенсації, схеми виміру потужності ВЧ. Терморезистори знаходять використання у промислової електроніці і побутової апаратурі: рефрижераторах, автомобілях, електронагрівальних приладах, телевізорах, системах центрального опалення й ін. У телевізорах часто використовуються терморезистори з позитивним ТКС для розмагнічування кінескопа. Вперше, де застосовувалися терморезистори – це датчики для виміру чи регулювання температури. Терморезистори широко використовують у різних пристроях у ролі датчиків температури. Після відповідної модифікації їх можна використовувати в електронних пристроях зволікання з досить широким інтервалом часів затримки, як конденсаторів чи котушок індуктивності в низькочастотних генераторах, захисту від викидів напруги в ємкостях, індуктивних чи резистивних схемах, як обмежувачів струму, напруги, для вимірювань тиску газу чи теплопровідності. Отже, терморезистори знаходять застосування в багатьох областях.