Власна і домішкова провідність напівпровідниках. Струм в напівпровідниках.

Провідність чистих напівпровідників, що не мають ніяких домішок, називають власною провідністю напівпровідників.

Власна провідність напівпровідників невелика, оскільки малою є кількість вільних електронів. Особливість напівпровідників полягає в тому, що в них за наявності домішок поряд із власною провідністю виникає додаткова - домішкова провідність. Змінюючи концентрацію домішки, можна суттєво змінити кількість носіїв заряду того або того знака, а отже, створити напівпровідники з переважаючою концентрацією чи позитивно, чи негативно заряджених носіїв. Наприклад, внесемо в чотиривалентний кремній Si невелику кількість п'ятивалентного арсену (As) (рис. 4.3.12). Чотири електрони арсену (As) утворюють ковалентні зв'язки із сусідніми атомами силіцію (Si), а п'ятий одразу стає вільним. Домішки, що легко віддають електрони, і, отже, збільшують кількість вільних носіїв, називають донорними домішками.

Питомий опір низки елементів (кремнію, германію, селену тощо) та деяких оксидів, сульфідів, телуридів з підвищенням температури не зростає, як у металів, а, навпаки, різко зменшується (рис. 4.3.10). Такі речовини назвали напівпровідниками. Як видно з графіка, при температурах, що наближаються до абсолютного нуля, питомий опір різко зростає, тобто при низьких температурах T напівпровідник веде себе як діелектрик. Зі зростанням температури питомий опір напівпровідників швидко зменшується.

Пояснимо ці закономірності, розглянувши будову напівпровідників на прикладі чотиривалентного елемента силіцію (рис. 4.3.11). Взаємодія пари сусідніх атомів здійснюється за допомогою ковалентного (парноелектронного) зв'язку. У темноті і при низьких температурах усі електрони зайняті в ковалентних зв'язках. Вільних носіїв у кристалі напівпровідника немає (n), отже I = q₀nS  = 0, тому кристал не проводить струму і його опір великий. За цих умовнапівпровідник схожий на ізолятор.

З підвищенням температури кристала (або під час попадання на нього світла) деякі ковалентні зв'язки руйнуються. На місці кожного розірваного зв'язкувідразу утворюється вакантне місце з нестачею електрона. Його називають діркою. Оскільки дірка переміщується в кристалі, як і вільний носій в електричного заряду, то їй приписують позитивний заряд. Якщо діє зовнішнє електричне поле, в кристалі напівпровідника виникає впорядковане переміщення дірок і до електричного струму вільних електронів додається електричний струм, пов'язаний з переміщенням дірок (діркова провідність).

Струми в напівпровідниках

До напівпровідників належать речовини, які по електричних характеристиках займають проміжне стаовище між провідниками та діелектриками. Опір надчистих кристалів германію (Ge) і силіцію (Si) менший, ніж діелектриків, але більший, ніж у металів. За рахунок малої кількості колективізованих електронів при підвищенні температури збільшується їх число, при цьому зменшуючи опір кристала. До такого ж результату призводить і збільшення освітленості напівпровідникових кристалів (у цьому випадку збільшення числа колективізованих електронів відбувається за рахунок енергії світлової хвилі, тобто за рахунок внутрішнього фотоефекту). Таким чином, при підвищенні температури та (або) освітленості опір напівпровідників зменшується. У напівпровідниках крім напрямленого руху електронів відбувається також рух позитивно заряджених «частинок» — «дірок». Дірка — це вакансія у зв'язках між атомами Gе або Sі, вона не може існувати у вакуумі. І електронна, і діркова провідність чистих кристалів (власна провідність) мала. Внесення у кристал відповідних домішок підсилює провідність одного типу. Кристал з підсиленою електронною провідністю — n-кристал, а з підсиленою дірковою провідністю — р-кристал. У першому випадку використовуються домішки з валентністю, більшою ніж 4 (валентність Gе і Sі): п'ятивалентні стибій і фосфор; це — домішки-донори. У другому випадку валентність домішок дорівнює 3 (арсен, алюміній), це — домішки-акцептори. Якщо в одній частині кристалу підсилити n-провідність, а в іншій — p-провідність, то утвориться (n-р) — кристал з однобічною провідністю (подібно до вакуумного діода). Це дозволяє використовувати такий подвійний кристал для випрямлення змінного струму. Потрійний кристал, (n-p-n) або (р-n-р), який називається транзистором використовується для підсилення слабких змінних струмів (слабких сигналів). На базі транзисторів створюється більшість сучасних приладів. Завдяки розвитку технології стало можливим розташовувати тисячі транзисторів на кількох квадратних міліметрах кремнієвого кристалу, що дало потужний поштовх розвитку обчислювальної техніки. Сучасний комп'ютер, що розташовується на письмовому столі, потужніший у багато разів від того, що 40 років тому займав кілька кімнат. На залежності опору напівпровідників від температури базується дія пристроїв, що дозволяють вимірювати температуру за силою струму в колі і називаються термісторами. На залежності опору напівпровідників від ступеня їх освітлення базується дія пристроїв, які використовуються для реєстрації і вимірювання слабких світлових потоків і називаються фоторезисторами. На цій же залежності базується дія фотоопорів, джерел струму (сонячних батарей). Напівпровідникові пристрої також щироко застосовуються у сучасних комп'ютерах, мобільних телефонах.