Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 9 клас>> Струм у напівпровідниках. Електропровідність напівпровідників. Залежність струму в напівпровідниках від температури. Термістори

EЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У НАПІВПРОВІДНИКАХ

Коли ви дивитеся телевізор, працюєте з мікрокалькулятором або комп'ютером, розмовляєте по мобільному телефону, то навряд чи замислюєтесь, як улаштовані ці пристрої. Усі ці тепер звичні пристрої не були б створені, якби вчені не дослідили, а техніки не навчилися використовувати напівпровідники (рис. 23.1).

Рис. 23.1. Пристрої на напівпроводниках.

З цього параграфа ви дізнаєтеся про особливості провідності напівпровідників.

Згадуємо, що таке напівпровідники
Напівпровідники, як це й виходить з їхньої назви, за своєю провідністю посідають проміжне місце між провідниками і діелектриками. Якщо значення питомого електричного опору провідників становить приблизно 10 8 Ом м, а діелектриків — від 1012 до ІО20 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.

 Знайомимося з особливостями внутрішньої будови напівпровідників

З'ясуємо, які частинки є носіями заряду в напівпровідниках, за яких умов концентрація цих частинок збільшується і звідки вони з'являються. Для цього розглянемо будову чистих (без домішок) напівпровідників на прикладі силіцію.
У Періодичній системі елементів Д. І. Менделєєва бачимо, що Силіцій — це хімічний елемент, який має порядковий номер 14 і розташований у IV групі. Як і всі елементи цієї групи, Силіцій має чотири валентні електрони. Саме ці валентні електрони відповідають за зв'язок між сусідніми атомами. У твердому стані для силіцію характерна кристалічна ґратка, в якій кожний атом має чотиРьох найближчих «сусідів».
Атом Силіцію ніби «позичає» своїм сусідам по одному валентному електрону. Сусіди, у свою чергу, «позичають» йому свої валентні електрони «для спільного користування». У результаті між кожними двома атомами Силіцію завжди є електронна пара, що на даний момент спільна для обох атомів. Такий зв'язок, як вам відомо з курсу хімії, називають ковалентним (рис. 23.2).

Рис. 23.2. Схематичне зображення ковалентного зв'язку.

Пояснюємо 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.

Рис. 23.3. 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).

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 (рис. 23.5).

Рис. 23.5. 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.
Застосовуємо напівпровідники.

Широке застосування напівпровідників зумовлене кількома чинниками.
По-перше, властивостями р-ппереходу — місця контакту двох напівпровідників — р і гс-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-я переходу використовують для виготовлення напівпровідникових діодів і транзисторів, без яких не обходиться жодний сучасний електронний пристрій (рис. 23.6), а також у сонячних батареях — приладах для безпосереднього перетворення енергії випромінювання Сонця на електричну енергію.

Рис. 23.6. 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 (рис. 23.7).

Рис. 23.7. 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. (рис. 23.8).

Рис. 23.8. Фоторезистор.
Підбиваємо підсумки
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.


Фізика 9 клас. Ф.Я.Божинова, М.М.Кірюхін О.О.Кірюхіна

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.