Электропроводность полупроводников

В § 8-д мы отметили, что по способности проводить электрический ток все вещества можно разделить на две группы: проводники и диэлектрики.Однако с развитием науки и техники к середине XX в. выяснилось, что многие кристаллические вещества, например, кремний, германий, селен, а также многие минералы и металлические сплавы, более правильно выделить в отдельную группу и назвать полупроводниками. Каковы причины этого?

Во-первых, полупроводники проводят электрический ток хуже, чем проводники (то есть при одинаковых размерах и форме обладают большим сопротивлением), но значительно лучше, чем диэлектрики. Во-вторых, в отличие от металлов, сопротивление которых с повышением температуры увеличивается (см. § 8-и), полупроводники при повышении температуры (и при увеличении освещённости) уменьшают своё сопротивление.
Это свойство полупроводников позволяет применять их как датчики температуры и освещённости – чувствительные к их изменению элементы более сложных приборов. Однако главное применение полупроводников – это любые электронные приборы и устройства.Цифровые фото- и видеокамеры, плееры и компьютеры давно вытеснили из нашей жизни фотоплёнку, магнитофонную ленту и бухгалтерские арифмометры.

Рассмотрим внутреннее строение полупроводников на примере кристалла кремния. Взгляните на рисунок. Кремний четырёхвалентен, и это значит, что четыре электрона каждого атома образуют связи с ближайшими четырьмя атомами-соседями. Воздействуя на кристалл теплом или светом, мы сообщаем электронам дополнительную энергию, и они могут, «разорвав» связи, вылететь за пределы «четвёрки», став свободными электронами. С этой точки зрения кристалл кремния становится похож на кристалл металла, где также есть электронный газ – условие электропроводности.
Однако полупроводники обладают не только электронной проводимостью,но и так называемой дырочной проводимостью. Изучим это.
При «освобождении» валентных электронов кремния на их местах остаются «дырки» – области, где недостаёт отрицательного заряда, то есть имеется избыток положительного. В эти области могут перескочить соседние электроны, и дырки «переместятся» на их места (подобно тому, как перемещаются назад свободные места в кинотеатре, когда зрители в неполном зале пересаживаются ближе к экрану). Итак, дырка – это подвижная область с положительным зарядом.
Если полупроводник соединить с источником электроэнергии, возникнет встречное движение электронов (к «+» источника) и дырок (к «–» источника) – собственная проводимость полупроводника. Однако для понимания работы многих электронных приборов необходимо изучить примесную проводимость полупроводников. Она возникает, если в кристалл полупроводника ввести небольшое количество вещества с валентностью, большей или меньшей валентности основного вещества.

В чистом полупроводнике (например, кремнии) количество свободных электронов и дырок одинаково, так как они образуются только парами. Если в кристалл кремния добавить пятивалентного вещества, например мышьяка (см. левый рисунок), количество свободных электронов станет больше количества дырок, и образуется полупроводник n-типа (от лат. «негатив» – отрицательный). Если в кристалл кремния добавить трёхвалентного вещества, например, индия (см. правый рисунок), то в кристаллической решётке возникнут дополнительные дырки, и образуется полупроводник p-типа (от лат. «позитив» – положительный).
Если полупроводники n-типа и p-типа привести в соприкосновение, то образуется p-n-переход. Из-за диффузии (см. § 7-в) электроны из n-области и дырки из p-области проникают через переход навстречу друг другу, и в n-области нарастает положительный заряд, а в p-области – отрицательный, то есть самопроизвольно возникает разноимённая электризация концов полупроводника с p-n-переходом. Понимание этого важно для изучения работы приборов, которые мы рассмотрим в § 9-и.