Полупроводники в химической таблице Менделеева занимают средние положения (см. рис. 2). Мы же рассмотрим строение полупроводников на примере кремния.

Рис. 2. Положение основных полупроводников в таблице Менделеева

Примесная проводимость

Добавление к полупроводниковым кристаллам различных примесей может значительно повысить проводимость этих полупроводников. Существует два типа таких примесей: донорная и акцепторная. Разберем их подробнее.

Если в кристаллическую структуру кремния добавить некоторое количество атомов пятивалентного мышьяка, то связанными окажутся только четыре из его пяти валентных электронов, пятый остается свободным. Таким образом, к собственной проводимости кремния добавляется фактор наличия избыточного количества свободных электронов (примесная проводимость). Такой полупроводник называется полупроводником n-типа (от английского «negative») (рис. 3).

Рис. 3. Схема донорной примеси; проводимость n-типа

Если же к кристаллу кремния добавить примесь трехвалентного индия, то будет отсутствие одной связи, на месте которой образуется дырка. Таким образом, к собственной проводимости добавить фактор наличия избыточного количества дырок. Такой полупроводник называется полупроводником p-типа (от английского «positive») (рис. 4).

Рис. 4. Схема акцепторной примеси; проводимость p-типа

В полупроводниковых приборах тем не менее зачастую используют не сами полупроводники того или иного типа, а приведенные в контакт кристаллы полупроводников n- и p-типа.

Кремний занимает место в таблице Менделеева в четвертой группе, и это значит, что атом кремния имеет четыре валентных электрона. Теперь если схематически изобразить эту структуру, то можно представить отдельно взятый атом кремния и структуру вещества, соответственно, следующим образом (рис. 5):

Рис. 5. Атом кремния и атомная структура кремния соответственно

То есть вблизи каждого ядра кремния находится по 8 валентных электронов: 4 собственных и 4 от соседних в решетке атомов. И при достаточно низких температурах подобное строение не содержит свободных зарядов, способных направленно перемещаться, инициируя электрический ток.

При нагревании же некоторые электроны вследствие получения дополнительной кинетической энергии будут покидать свои позиции и переходить в межатомное пространство. Таким образом, они превращаются в электроны проводимости. И теперь, перемещаясь упорядоченно под действием электрического поля, они могут создавать электрический ток. Однако не только одни электроны являются свободными зарядами. В тех местах, которые покинули электроны, образуются области избыточного положительного заряда. И эти условные положительно заряженные частицы были названы «дырками». Таким образом, носителями свободных зарядов в полупроводниках являются электроны проводимости и дырки.

p-n переход

Особое значение в технике имеет приведение в контакт полупроводников различных проводимостей. Что же произойдет при таком контакте? Вследствие диффузии зарядов начнется проникновение электронов в p-полупроводник, а дырок – в n-полупроводник. В результате чего на границе образуется так называемый запирающий слой, который своим электрическим полем препятствует дальнейшему обмену зарядами (рис. 6).

Рис. 6. Запирающий слой при p-n переходе

Для построения вольт-амперной характеристики n-p перехода была собрана следующая схема (см. рис. 7), благодаря которой можно как менять полярность, так и величину напряжения, подаваемого на p-n переход.

Рис. 7. Схема для получения характеристики и сама вольт-амперная характеристика p-n перехода соответственно

При подключении разности потенциалов в обратном направлении, то есть + – к n-полупроводнику, – к p-полупроводнику, проходить через барьер смогут только неосновные носители заряда (дырки в n области и электроны в p области). Основные же не смогут преодолеть запирающее поле, которое теперь будет еще усиливаться внешним полем (рис. 8).

Рис. 8. p-n переход при обратном подключении (Источник)

Если же совершить прямое подключение, то внешнее поле нейтрализует запирающее, и ток будет совершаться основными носителями заряда (рис. 9).

Рис. 9. p-n переход при прямом подключении (Источник)

При этом ток неосновных носителей ничтожно мал, его практически нет. Поэтому p-n переход обеспечивает одностороннюю проводимость электрического тока.

Рис. 10. Атомная структура кремния при увеличении температуры

Проводимость полупроводников является электронно-дырочной, и такая проводимость называется собственной проводимостью. И в отличие от проводниковых металлов при увеличении температуры как раз увеличивается количество свободных зарядов (в первом случае оно не меняется), поэтому проводимость полупроводников растет с ростом температуры, а сопротивление уменьшается (рис. 10).

Очень важным вопросом в изучении полупроводников является наличие примесей в них. И в случае наличия примесей следует говорить уже о примесной проводимости.

Полупроводниковые приборы

Малые размеры и очень большое качество пропускаемых сигналов сделали полупроводниковые приборы очень распространенными в современной электронной технике. В состав таких приборов может входить не только вышеупомянутый кремний с примесями, но и, например, германий.

Одним из таких приборов является диод – прибор, способный пропускать ток в одном направлении и препятствовать его прохождению в другом. Он получается вживлением в полупроводниковый кристалл p- или n-типа полупроводника другого типа (рис. 11).

Рис. 11. Обозначение диода на схеме и схема его устройства соответственно

Другим прибором, теперь уже с двумя p-n переходами, называется транзистор. Он служит не только для выбора направления пропускания тока, но и для его преобразования (рис. 12).

Рис. 12. Схема строения транзистора и его обозначение на электрической схеме соответственно (Источник)

Следует отметить, что в современных микросхемах используется множество комбинаций диодов, транзисторов и других электрических приборов.

На следующем уроке мы рассмотрим распространение электрического тока в вакууме.

Список литературы

Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
Мякишев Г. Я., Синяков А. З., Слободсков Б. А. Физика. Электродинамика. – М.: 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Энциклопедия Физики и Техники (Источник)
Принципы действия устройств (Источник)
Энциклопедия Физики и Техники (Источник)

Домашнее задание

Вследствие чего в полупроводнике появляются электроны проводимости?
Что такое собственная проводимость полупроводника?
Как зависит проводимость полупроводника от температуры?
Чем отличается донорная примесь от акцепторной?
* Какую проводимость имеет кремний с примесью а) галлия, б) индия, в) фосфора, г) сурьмы?