Fizika 10 klas - Goncharenko S.U

татню для відщеплення від атомів енергію. В таких речовинах концентрація електронів провідності навіть за кімнатної температури може мати помітне значення, яке сильно зростає з підвищенням температури.

Отже, основною відмінністю металів від напівпровідників є те, що в металах практично всі валентні електрони перебувають у вільному стані, а в напівпровідниках — у зв'язаному. Причому енергія зв'язку їх з атомами невелика, так що за рахунок теплових коливань йонів решітки частина електронів із зв'язаного стану може переходити у вільний.

У деяких речовин енергія зв'язку валентних електронів з атомами може значно перевищувати енергію коливального руху атомів решітки, і тому за звичайних умов у таких речовинах вільних електронів практично немає. Такі речовини називають діелектриками (ізоляторами). Таким чином, між напівпровідниками і діелектриками не молена провести чіткої межі — за досить високих температур діелектрики можуть поводити себе як напівпровідники.

? 1. Чим відрізняються напівпровідники від діелектриків і металів? 2. Чому опір напівпровідникових матеріалів залежить від температури?

§ 80Власна провідність напівпровідників

З'ясуємо детальніше процес утворення електронів провідності у напівпровідниках. Для конкретності міркувань розглянемо Германій — типовий напівпровідник. Його порядковий номер % = 32, а це означає, що до складу атома входить 32 електрони. Однак із них лише чотири слабко зв'язані з ядром атома. Саме вони беруть участь у хімічних реакціях і зумовлюють чотири валентності Германію. В решітці германію атоми розміщуються так, що кожен атом оточений чотирма найближчими сусідами. Спрощену плоску схему розташування його атомів показано на малюнку 174.

Зв'язок двох сусідніх атомів зумовлений парою валентних електронів, які утворюють парно-елек- тронний, або валентний зв'язок. Чотири валентні електрони кожного атома вступають у ковален-

241

тні зв'язки з електронами сусідніх атомів, так що вільних електронів у чистому германії немає.

Таким чином, чистий германій за дуже низьких температур має бути надійним ізолятором. Під час підвищення температури кристала внаслідок теплових коливань решітки відбувається розривання деяких валентних зв'язків. У результаті цього частина електронів, які раніше брали участь в утворенні валентних зв'язків, відщеплюються і стають електронами провідності. За наявності електричного поля вони переміщаються проти поля і утворюють електричний струм. Цей механізм провідності по суті не відрізняється від провідності металів.

Однак істотною відмінністю від металів, яка визначає виняткові можливості технічного використання напівпровідників, є можливість ще й іншого механізму електропровідності. Він зумовлений тим, що будь-яке розривання валентного зв'язку спричиняє появу вакантного місця, де відсутній зв'язок. Такі місця з відсутніми електронами зв'язку дістали назву «дірок» (мал. 175).

Нестача в даному місці одного елементарного електричного заряду еквівалентна наявності однакового за значенням надлишкового позитивного заряду, тому дірка веде себе як позитивно заряджена частинка. Дійсно, за наявності дірки один з електронів зв'язку може перейти на її місце, внаслідок чого на цьому місці відновлюється нормальний зв'язок, але з'явиться дірка в іншому місці і в цю нову зможе перейти якийсь з інших електронів зв'язку, а це рівносильно переміщенню дірки. Щось схоже спостерігається, наприклад, коли в ряду крісел у театрі є вільне крайнє праве місце і глядачі послідовно пересідають на вільне місце. Все відбувається так, ніби вільне місце рухається справа наліво в бік, протилежний переміщенню глядачів.

У зовнішньому електричному полі електрони провідності рухаються проти напруженості поля, а дірки — в напрямі напруженості. В результаті електричний струм забезпечується рухом як електронів провідності, так і дірок. Прийнято розрізняти ці струми, називаючи їх відповідно електронним і Зірковим,

а електропровідність, зумовлену переміщенням дірок, називають дірковою провідністю. В процесі діркової провідності беруть участь не позитивно заряджені йони

242

атомів, а звичайні електрони зв'язку (непровідності), які переміщаються від дірки до дірки проти поля.

Розглянуте вище стосується хімічно чистих напівпровідників, які містять завжди однакові кількості електронів провідності і дірок.

? 1. Які рухомі носії зарядів є в чистому напівпровідникові? 2. Поясніть механізм проходження струму через напівпровідник без домішок.

§ 81. Домішкова електропровідність напівпровідників

Вище вже йшлося про те, що мізерні кількості домішок різко змінюють електричні властивості напівпровідників. При цьому під домішкою звичайно розуміють як атоми чи йони інших елементів, так і різного роду дефекти і спотворення в кристалічній решітці: вузли, тріщини тощо. Далі розглянемо в основному спотворення решітки, зумовлені наявністю реальних домішок — атомів інших елементів.

Повернемося до конкретного прикладу. Припустимо, що в напівпровіднику германію є атоми інших хімічних елементів, які заміщають окремі його атоми. Нехай домішками є атоми Фосфору — елемента п'ятої групи Періодичної системи хімічних елементів. Він має п'ять валентних електронів. Але для забезпечення парно-електронних зв'язків чотиривалентного Германію потрібно всього чотири електрони. Тому п'ятий електрон атома Фосфору виявляється зв'язаним особливо слабко і може бути легко відірваним від домішкового атома за рахунок енергії теплових коливань. При цьому виникає електрон провідності, а атом Фосфору перетворюється на позитивно заряджений йон. Утворення ж дірки не відбувається. Подібний процес схематично показаний на малюнку 1 76.

243

ються атомами з меншою валентністю, наприклад тривалентними атомами Індію (мал. 177, а). У такого домішкового атома не вистачає одного електрона для утворення нормального ковалентного зв'язку, характерного для решітки германію. Однак домішковий атом Індію може створити всі зв'язки, якщо він позичить електрон у ближнього атома Германію. Тоді на місці електрона, який залишив атом Германію, утворюється дірка (мал. 177, б). Енергія, необхідна для переходу електрона від сусіднього атома Германію до атома Індію, невелика, тому за кімнатної температури всі домішкові атоми Індію захоплюють від сусідніх атомів Германію електрони, яких не вистачає для нормального зв'язку, а в решітці германію з'являється така сама кількість дірок.

Домішки, які захоплюють електрони від сусідніх атомів і викликають появу дірок, називають акцепторними.

Процес послідовного заповнення дірок електронами еквівалентний, як ми вже переконалися, переміщенню дірки у напівпровіднику і виникненню в ньому носіїв струму.

Оскільки перехід електрона із сусіднього атома відбувається практично без втрат енергії, то дірка, що утворилася, вільно переміщається у кристалі в результаті перестрибувань електронів від сусідніх атомів на дірку. Якщо зовнішнє електричне поле відсутнє,— дірки рухаються хаотично. Коли ж на напівпровідник накласти електричне поле, стрибкоподібний рух електронів від атома до атома стає напрямленим, отже, набуває спрямування і рух дірок у протилежний бік.

Описаний тип провідності називається провідністю р-типу (від розіііV — позитивний), а напівпровідники з такою провідністю — дірковими, або напівпровідниками р-типу.

244

Природно, що, коли у напівпровідник одночасно вводять донорні і акцепторні домішки, які створюють обидва типи провідності, характер домішкової провідності залежатиме від того, яка з домішок створює більшу концентрацію носіїв струму. Якщо концентрація електронів провідності в напівпровіднику значно перевищує концентрацію дірок, напівпровідник має електронну провідність (тг-типу). Якщо переважає концентрація дірок, то електропровідність буде дірковою (р-тип).

Таким чином, вводячи в напівпровідники різні домішки, можна в широких межах не лише змінювати значення електропровідності, а й створювати їх з переважною електронною чи дірковою провідністю.

? 1. Як одержати напівпровідник з переважною електронною провідністю (/г-типу)? 2. Як одержати напівпровідник з дірковою провідністю (р-типу)? 3. Чому незначна кількість домішки

п'ятивалентного або тривалентного хімічного елемента до речовини кремнію різко збільшує її провідність?

§ 82. Термо- і фоторезистор

Залежність питомого опору напівпровідників від температури широко використовується для вимірювання температур, автоматичного регулювання сили струму в різних керуючих реле тощо. Прилади, дія яких ґрунтується на використанні значної залежності опору напівпровідників від температури, дістали назву терморезисторів (або

термісторів).

Для виготовлення терморезисторів використовуються напівпровідникові матеріали з великим температурним коефіцієнтом опору. Терморезистори широко використовуються в різних установках автоматики й телемеханіки, радіотехніці, термометрії тощо. Принцип дії цих установок такий. Терморезистор, опір якого значно перевищує огіір інших елементів, вмикають в електричне коло пристрою. Коли в колі проходить електричний струм, його сила визначається опором терморезистора (або його температурою). З підвищенням температури терморезистора сила струму в колі зростає і, навпаки, зі зниженням температури сила струму зменшується. Таким чином, зміни температури терморезистора впливають на зміни сили струму в колі. Ця важлива обставина дає змогу застосовувати терморезистори в різних схемах і створювати багато автоматичних пристроїв, просто й надійно здійснювати дистанційне вимірювання і ре-

245

гою електричного нагрівника, увімкнутого в мережу через контакти електромагнітного реле К і Я. Під час нагрівання повітря нагрівається і терморезистор, що веде до зменшення його опору і зростання сили струму, який проходить в обмотці реле Р. У разі досягнення певної сили струму реле спрацьовує — рухомий контакт відходить від нерухомого, коло нагрівника розривається і повітря в приміщенні починає охолоджуватися. Із зниженням температури до певного значення опір терморезистора знову зростає і електромагнітне реле «відпустить» рухомий контакт — коло нагрівника замкнеться. Добираючи відповідний терморезистор, нагрівник і електромагнітне реле, можна створити терморегулятор для потрібних режимів експлуатації.

Залежність опору напівпровідників від освітлення (§ 78) використовується у фоторезисторах (фотоопорах). Найпростіший фоторезистор — це діелектрична пластинка (мал. 179), на яку нанесено тонкий шар напівпровідника. На кінцях цього шару закріплені металеві електроди, а всю систему вміщують у пластмасовий корпус з віконцем для світлових променів.

Фоторезистори використовуються в різних пристроях автоматики й телемеханіки, у пристроях для відтворення оптичного запису звуку тощо. Вони дають змогу керувати на відстані

246

Мал. 180

проходить струм значної сили, і якір реле притягується до осердя котушки. Коло освітлювальної лампи розімкнуте. Від настання сутінок опір фоторезистора різко зростає, сила струму в його колі зменшується майже до нуля, якір відходить від осердя і замикає коло освітлювальної лампи.

Аналогічні реле на фоторезисторах застосовуються в автоматичних лініях для підрахунку і сортування виробів масової продукції на виробництві за їх розмірами і кольором. На малюнку 181 показано схему установки для сортування деталей за розмірами. З одного боку лінії конвеєра розміщене джерело світла 5, а з другого — фотореле Ф, яке під час його затемнення вмикає електромеханічний скидач. Відстань від полотна лінії до світлового променя відповідає заданій висоті деталі. Якщо конвеєром рухається деталь, висота якої більша за відстань від полотна лінії до світлового променя, то, проходячи повз фоторезистор, вона перекриває світловий промінь. Реле спрацьовує, і електромеханічний скидач переміщає браковану деталь на сусіднє полотно.

Фоторезистори мають такі переваги: практично необмежений строк служби, малі розміри, простота виготовлення,

Мал. 181

24 7

висока чутливість і надійність у роботі тощо. Це зумовило їх широке застосування в різноманітних автоматичних пристроях і приладах.

? 1. Який принцип дії терморезисторних пристроїв? 2. Пакресліть схему використання терморезистора в установках для регулювання температури. 3. Накресліть схему використання фоторезистора в автоматичних пристроях.

§ 83, Електронно-дірковнй перехід. Напівпровідниковий діод

Найширше застосування напівпровідники знаходять у приладах для випрямлення змінного струму і підсилення електричних сигналів. В основі дії цих напівпровідникових приладів лежать процеси, які відбуваються в місцях контакту різних напівпровідників між собою і напівпровідників з металами.

Розглянемо коротко фізичні процеси в таких контактах. Пригадаємо, що за характером своєї провідності напівпровідники можуть бути електронними (д-тигі) і дірковими (р-тип). У напівпровідниках тг-типу основними носіями заряду є електрони, а в напівпровідниках р-типу — дірки. Приведемо до зіткнення (контакту) два напівпровідники з різними типами провідності (мал. 182). Внаслідок теплового руху електрони з п-області дифундуватимуть у р-область (і там рекомбінуватимуть з дірками), а дірки з р-області — в п-область (і рекомбінуватимуть з електронами). Це приводить до збіднення електронами /г-напів- провідника поблизу межі поділу і до утворення надлишкового позитивного заряду в /г-напівпровіднику. Дифузія дірок з р-напів- провідника спричиняє утворення в р-області поблизу межі поділу надлишкового негативного заряду. Таким чином, виникає подвійний електричний шар з контактною різницею потенціалів, яка перешкоджає переходу електронів у р-область і дірок в ті-область. З часом взаємне проникнення дірок і електронів зменшується і врешті-решт встановлюється така різниця потенціалів на межі поділу р—п-областей, за якої настає рівновага.

Оскільки внаслідок дифузії електронів у р-область і дірок у д-область у подвійному шарі відбувається рекомбінація носіїв струму, в рівноважному стані в шарі поблизу межі поділу з боку д-напівпровідника концентрація електронів менша, ніж у решті цього напівпровідника, а в прилеглому до межі шарі з боку напівпровідника р-типу концентрація дірок менша, ніж в іншій його частині. Контактна різниця потенціалів між напівпровідникам з різним механізмом провідності стано-

248

тр о н н о - д ір к о в и м, або р — п-пере- ходом.

Особливістю р—^-переходу є те, що його опір залежить від значення і напряму напруженості зовнішнього електричного поля, прикладеного до цього переходу. Припустимо, що д-напівпровідник приєднано до негативного полюса джерела напруги, а напівпровідник р-типу — до позитивного полюса (мал. 183, а). Під дією електричного поля електрони в я-напівпровіднику і дірки в р-напівпровіднику переміщаються назустріч одні одним до межі поділу напівпровідників (межі р—д-переходу). Внаслідок цього концентрація носіїв струму в області підвищеного опору збільшується, що веде до зменшення опору р—д-переходу. Зі збільшенням напруги опір р—д-переходу зменшується. Цей напрям зовнішнього електричного поля прийнято називати пропускним.

Якщо ж змінити полярність прикладеної до напівпровідників напруги, то електрони в ^-напівпровіднику і дірки в р-напівпровіднику рухатимуться від межі поділу в протилежні боки (мал. 183, б). Внаслідок цього розмір подвійного шару, збідненого на носії струму електрони й дірки, збільшуватиметься і його опір зростає. Опір буде тим більший, чим більша напруга прикладена до р п-переходу. За досить великої напруги цього напряму подвійний шар є практично ізолятором, в якому відсутні рухомі носії струму. Цей напрям зовнішнього електричного поля називають запірним: у цьому напрямі електричний струм практично не проходить через контакт напівпровідників.

249