Электрический ток в полупроводниках. Виды полупроводников.

По способности тел проводить электрический ток их можно разделить на несколько групп. Вещества, содержащие много свободных электронов, в которых легко создать электрический ток, называются проводниками. К проводникам относятся все металлы, среди которых наибольшей электропроводностью обладают серебро, медь и алюминий. Металлические проводники широко применяются в передаче электроэнергии от источника тока к потребителям. Эти проводники также используются в генераторах, электродвигателях, трансформаторах, электроизмерительных приборах и т. д.

Наряду с металлами хорошими проводниками являются водные растворы или расплавы электролитов и ионизованный газ – плазма. При определенных условиях и в вакууме может существовать электрический ток.

К другой группе веществ, которые не проводят электрический ток из-за того, что в них мало свободных заряженных частиц относятся диэлектрики или изоляторы. Деление веществ на проводники и диэлектрики условно. В природе нет идеальных диэлектриков.

Кроме проводников и диэлектриков имеется группа веществ (в основном твердых), проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества не настолько хорошо проводят электрический ток, чтобы назвать их проводниками, и не настолько плохо, чтобы их отнести к диэлектрикам. Поэтому они получили название полупроводников. К ним относятся кремний, германий, селен и многие другие вещества. Существуют и жидкие полупроводники.

Для полупроводников характерно резкое изменение электропроводности с изменением температуры. При низких температурах число свободных зарядов в них мало и по своим свойствам эти вещества близки к диэлектрикам. С повышением температуры число свободных носителей заряда увеличивается настолько, что эти вещества уже можно отнести к хорошим проводникам.

Э лектропроводность полупроводников также зависит от падающего на них света, напряженности и направления электрического поля и особенно резко изменяется при введении в их состав небольшого количества примесей.

В радиотехнике полупроводники стали широко применяться после того как была открыта и изучена легко осуществимая возможность управления электрической проводимостью полупроводников.

Итак, главное отличие полупроводников от проводников состоит в характере зависимости электропроводности от температуры. Исследования показывают, что у ряда элементов удельное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у металлов, а, наоборот, уменьшается.

Из графика видно, что при температурах, близких к абсолютному нулю, удельное сопротивление полупроводников очень велико, т. е. при низких температурах полупроводник ведет себя как диэлектрик. По мере повышения температуры удельное сопротивление полупроводника быстро уменьшается.

Ч тобы понять механизм возникновения проводимости в по­лупроводниках, необходимо знать строение полупроводниковых кристаллов и природу связей, удерживающих атомы кристалла друг около друга. Для примера рассмотрим крис­талл германия.

Нам известно, что кристаллы германия и других полупро­водников имеют атомную (ковалентную) кристаллическую ре­шетку. Плоская схема структуры кристалла германия изобра­жена на рисунке 3.44. Четыре валентных электрона каждого атома германия связаны с такими же электронами соседних атомов химическими парноэлектронными (ковалентными) свя­зями. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от ато­мов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между сосед­ними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положи­тельные ионы германия друг возле друга. Такого рода связь существует между ядрами (протонами) в молекуле водорода. Она условно может быть изображена двумя линиями, соеди­няющими ядра (рис. 3.45).

Не надо думать, что коллективизированная пара электро­нов принадлежит лишь двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с соседними, а данный валентный электрон мо­жет двигаться по любой из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Коллективизированные валентные электроны при­надлежат всему кристаллу.

Парноэлектронные связи германия достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому германий при низкой температуре не проводит электрический ток. Уча­ствующие в связи атомов валентные электроны прочно привя­заны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Анало­гичное строение имеет и кристалл кремния.