Електродинаміка

десятків мільйонів градусів) у керованих термоядерних реакціях. Розв’язок цієї грандіозної задачі дасть людству не-

вичерпне джерело енергії.

Блискавка — це плазмовий шнур, що замикає наелектризовані хмари або наелектризовану хмару і Землю. Сила струму у блискавці досягає 500 000 А, а різниця потенціалів між хмарою і Землею 100 000 000 В.

3.4. Струм у напівпровідниках

Напівпровідники — це речовини, питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури (Ge, Si, Te та ін.). Із графіка (рис. 202) видно, що при температурах, близьких до абсолютного нуля, питомий опір дуже великий. Це означає, що при низьких температурах напівпровідник веде себе як діелектрик.

Щоб зрозуміти механізм виникнення провідності­ напівпровідників з підвищенням температури, необхідно знати будову напівпровідникових кристалів і природу зв’язку, що утримує атоми кристала один навколо одного. Для прикладу розглянемо кристал кремнію. Кремній — чотиривалентний елемент. Це означає, що на зовнішній оболонці міститься чотири електрони, що порівняно слабко пов’язані з ядром. Кількість найближчих­ сусідів кожного атома кремнію також дорівнює чотирьом. Двовимірна структура кристала кремнію зображена на рис. 203.

Si

e

SiSi Si

O

Si

244

3. Струми провідності

У чистих напівпровідниках між атомами діє ковалентний зв’язок. Кожний атом обмінюється валентними електронами з чотирма сусідами. При теплових співударах атомів якийсь із електронів, отримавши порцію енергії, може покинути зв’язок з атомом — утворюється вільний електрон, а відсутній міжатомний зв’язок називається «дірка», яка є еквівалентною позитивному заряду. При кімнатних температурах концентрація вільних електронів і дірок мала. Таким чином, у чистих напівпровідниках є носії зарядів двох типів: електрони і дірки. Провідність при цих умовах називають власною провідністю напівпровідників.

3.4.1. Власна і домішкова провідність напівпровідників

Провідність чистих напівпровідників електронно­ -

діркова (власна провідність).

За наявності в напівпровідниковому матеріалі малого процента (одна десятимільйонна доля) п’ятивалентної домішки, наприклад As, кожний атом домішки оточений атомами основного напівпровідника. При одержанні невеликої порції енергії електрон домішки покидає свій атом — утворюється вільний електрон, а домішковий атом стає позитивним іоном, закріпленим у вузлі кристалічної ґратки

(рис. 204, а).

Провідність таких напівпровідників електрон­ но­ -дірко­ ва зі значною перевагою електронної (домішкова провідність електронного типу).

Така домішка називається донором («той, що дає»), а напівпровідник — домішковим напівпровідником n-типу (негативний).

За наявності в напівпровіднику тривалентної домішки (наприклад In) атом домішки захоплює в атома основного напівпровідника валентний електрон, тим самим поповнюючи недостатній ковалентний зв’язок. При цьому він стає негативним іоном, закріпленим у вузлі кристалічної ґратки, а в основному напівпровіднику утворюється рухома дір-

ка (рис. 204, б).

Така домішка називається акцептором («беручий»), а напівпровідник — домішковим напівпровідником p-типу (позитивний).

245

Електродинаміка

Рис. 204

Провідність напівпровідників p-типу електронно­ -дірко­ ва з явною перевагою діркової (домішкова провідність дірко­ вого типу).

При створенні в напівпровіднику електричного поля вільні електрони рухаються до анода, а зв’язані електрони переходять від атома до атома, заповнюючи дірки. Дірки при цьому переміщуються до катода (як позитивний заряд) і замикають коло (рис. 205):

I = Iе + Iд .

Рис. 205

3.4.2. Застосування напівпровідників

Термістори (терморезистори) — напівпровідники, які різко змінюють опір при зміні температури (використову-

ються як термометри, термореле).

Фоторезистори — напівпровідники, які різко змінюють опір при освітленні (використовуються як люксметри, фото-

реле) (рис. 206).

246

3. Струми провідності

Контакт домішкових напівпровідників p і n-типу­ (p—n-перехід)

У контакті напівпровідників p- і n-типу відбуваєть-

ся взаємна дифузія електронів і дірок та їх нейтралізація, в результаті чого виникає запірний шар: шар, збіднений

вільними носіями заряду. У запірному шарі створюється

електричне поле E, спрямоване від n до p, і контактна різниця потенціалів ϕ1 −ϕ2 (рис. 207).

Одностороння провідність p—n-переходу

Якщо створити поле E , спрямоване від p- до n-типу напівпровідника, то запірний шар ліквідується, опір зменшується, струм збільшується (рис. 208).

Якщо створити поле E , спрямоване від n- до p-типу напівпровідника, то запірний шар збільшується, опір збільшується, сила струму зменшується (рис. 209).

247