2. Ток в полупроводниках

В электростатике мы делили твердые вещества на металлы и диэлектрики. Если посмотреть на твердые вещества с точки зрения их способности проводить ток, то мы увидим, что у металлов удельные сопротивления при комнатной температуре отличаются не столь уж сильно (значения варьируются от до Ом·м), а у диэлектриков значения отличаются на 24 порядка! (от до Ом·м).

Те неметаллы, у которых удельное сопротивление не превышает Ом·м, называют полупроводниками.

Но отличие металлов от диэлектриков и полупроводников не только в значениях (у металлов удельное сопротивление, как правило, существенно меньше). Есть существенные качественные отличия.

1 ) Характер зависимости от температуры. Сопротивление диэлектриков и полупроводников при нагревании очень быстро уменьшается.

Демонстрация: уменьшение сопротивления полупроводника при нагревании.

Это свойство используют для измерения температуры по силе тока в цепи с полупроводником. Такие приборы называют терморезисторами или термисторами. 

2) полупроводника может уменьшаться при освещении.

Этот эффект используют для измерения освещенности. Приборы, в которых учитывается зависимость сопротивления полупроводников от освещения, называют фоторезисторами.

Демонстрация: фотореле: при освещении полупроводника цепь замыкается и загорается лампочка.

3) полупроводника очень сильно уменьшается при внесении определенных примесей (а металла при добавлении примесей, наоборот, увеличивается).

§1. Собственная проводимость полупроводников.

Химически чистое вещество (элемент из III, IV, V групп таблицы Менделеева) – это полупроводник с собственной проводимостью.

Как и для металлов, удельное сопротивление полупроводника можно оценить по формуле (2): . Но если у металлов концентрация носителей тока не зависит от температуры (обычно свободных электронов примерно равна концентрации ионов решетки и составляет порядка 10²⁹ м^-3), то у чистого полупроводника концентрация носителей тока сильно растет с ростом температуры, что и приводит к уменьшению сопротивления. Объясним, почему так происходит.

В озьмем типичный полупроводник – элемент IV группы германий (Ge). У каждого атома 4 валентных электрона и 4 соседа в решетке, поэтому все валентные электроны задействованы в парноэлектронной (ковалентной) связи с соседними атомами решетки.

Эти ковалентные связи при низких температурах достаточно прочны, и свободных электронов в кристалле почти нет. Поэтому полупроводники при не проводят электрический ток ( ).

Э лектропроводимость химически чистого полупроводника возможна в том случае, когда ковалентные связи в кристаллах разрываются. Для разрыва связи требуется определенная энергия - энергия активации. Ее значение у различных полупроводников и диэлектриков меняется в широких пределах (для германия эВ). Если эта энергия не превышает 1 – 2 эВ, нагревание до комнатной температуры приводит к разрыву некоторого числа (относительно небольшого) ковалентных связей и появлению свободных электронов. Их число экспоненциально растет с ростом температуры: , а удельное сопротивление, соответственно, уменьшается. Разрыв связи может произойти и при облучении светом.

После ухода электрона со своего места в этой области кристалла возник избыточный положительный заряд — образовалась положительная "дырка". Ее заряд по модулю равен заряду электрона. На это вакантное место — дырку — может перескочить другой электрон, что эквивалентно перемещению дырки в направлении, противоположном направлению перескока электрона. В отсутствие внешнего электрического поля свободные электроны и дырки движутся в кристалле полупроводника хаотически, концентрации свободных электронов ( ) и дырок ( , индекс «р» – от «positiv») равны.

Во внешнем электрическом поле электроны перемещаются в сторону, противоположную направлению , дырки же преимущественно перемещаются в направлении – возникает ток электронов и ток дырок. Полный ток равен их сумме:

Итак, сильное уменьшение чистого полупроводника с ростом температуры, а также при освещении, связано с ростом числа носителей тока – электронов и дырок. Влияние времени свободного пробега на значительно слабее и может не учитываться.

Отличие полупроводников от изоляторов чисто количественное. Диэлектрики, у которых энергия разрыва ковалентных связей не превышает примерно 2 эВ, называют полупроводниками: они проводят ток уже при комнатой температуре.