1.6 Электрический ток в полупроводниках

Многие ве­щества в кристаллическом состоя­нии не являются такими хорошими проводниками электрического тока, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, так как они не яв­ляются хорошими изоляторами. Удельное сопротивление типич­ных проводников имеет значение 10^-8 - 10^-6 Ом ^.м, диэлектриков — 10¹⁰ - 10¹⁶ Ом ^.м, а удельное сопро­тивление полупроводников при ком­натной температуре находится в ши­роком интервале от 10^-3 до 10⁷ Ом ^.м.

Зависимость сопротивления полу­проводников от внешних условий. Наиболее характерным свойством по­лупроводников является то, что их удельное сопротивление резко изме­няется под влиянием некоторых внешних воздействий. Включим, на­пример, германиевый кристалл при комнатной температуре в цепь, содержащую источник тока и гальвано­метр. Мы увидим, что стрелка гальванометра отклоняется незначительно, т. е. сила тока в цепи мала. Значит, полупроводник при комнатной температуре имеет боль­шое электрическое сопротивление.

При нагревании удельное сопротивление полупроводника умень­шается. Если же охладить полупро­водник, например, опустив в стакан с холодной водой, то его сопротивление увеличится. При очень низких темпе­ратурах удельное электрическое сопротивление многих полупровод­ников становится таким же большим, как и у диэлектриков.

Н а рисунке изображен гра­фик зависимости удельного сопро­тивления полупроводника от темпе­ратуры (кривая 1). Для сравнения на том же рисунке дан график 2 этой зависимости для металлического про­водника. Как видно из графиков, со­противление полупроводников, в от­личие от металлов, уменьшается с ростом температуры. И это изменение сопротивления с изменением темпе­ратуры происходит более резко, чем у металлов. Из полупроводниковых материа­лов, удельное сопротивление которых особенно резко изменяется с изме­нением температуры, изготовляют терморезисторы. Ими пользуются для измерения температуры, а также как чувствительными элементами (датчиками), реагирующими на из­менения температуры в автоматиче­ских устройствах.

Сопротивление полупроводников уменьшается под действием освеще­ния, причем у некоторых весьма зна­чительно. Это явление получило на­звание фотопроводимости. Из таких полупроводников делают фоторезис­торы, которые применяются для уп­равления током в цепи за счет изме­нения освещения.

Итак, удельное сопротивление по­лупроводников резко уменьшается при их нагревании или освещении. Это позволяет использовать полупро­водники в различных автоматичес­ких устройствах.

Эксперименталь­но установлено, что электрический ток в полупроводниках не сопровож­дается переносом вещества — ни­каких химических изменений с ними не происходит. Отсюда следует, что носителями тока в полупроводниках, как и в металлах, являются элект­роны. Однако между полупроводни­ками и металлами имеются и глубо­кие различия. Мы уже говорили о том, что у металлов имеются электроны, кото­рые сравнительно слабо связаны с атомами. Это валентные электроны (электроны прово­димости), которые находятся на внешних элект­ронных оболочках, принадлежат всей кристал­лической решетке и, подобно моле­кулам в обычном газе, свободно пере­мещаются между ионами по всему проводнику. Именно с этим связа­на высокая проводимость металлов.

В полупроводниках валентные электроны значительно сильнее свя­заны с атомами. Поэтому концентра­ция электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках незначительна — она в миллиарды раз меньше, чем у метал­лов, и удельное сопротивление полу­проводников при низкой температуре велико, оно близко к удельному со­противлению диэлектриков. Почему же оно уменьшается при нагревании полупроводников? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим схему строе­ния какого-либо типичного полупро­водника, например кремния.