Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідниками вважають речовини, питомій опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків. Таке означення напівпровідників не є вичерпним, оскільки є речовини з проміжним значенням питомого опору, але які не є напівпровідниками. Деякі напівпровідники є такими ж добрими провідниками струму, як і метали. Напівпровідники відрізняються від інших речовин деякими властивостями, і значення їх питомого опору не є головним серед них.

Для напівпровідників є характерною дуже сильна залежність їх питомого опору від стану речовини: від температури, освітлення, наявності домішок тощо. В цьому легко переконатися на дослідах.

Складемо електричне коло з послідовно увімкнутих джерела струму і гальванометра.

Дослідження показали, що опір у більшості напівпровідників значно чутливі ший до змін температури, ніж у металів. Якщо опір металів приблизно лінійно зростає з підвищенням температури, то опір напівпровідника різко зменшується з підвищенням температури.

З підвищенням температури речовини зростає енергія теплових коливань і зростає кількість електронів, які дістають достатню для відщеплення від атомів енергію. В таких речовинах концентрація електронів провідності навіть при кімнатній температурі може бути значною і сильно зростає з підвищенням температури.

Отже, основною відмінністю металів від напівпровідників є те, що в металах практично всі валентні електрони є вільними, а в напівпровідниках – зв’язаними. Енергія зв’язку їх з атомами невелика, так що за рахунок теплових коливань іонів решітки частина електронів із зв’язаного стану може переходити у вільний.

Однак істотною відміною від металів, яка визначає виняткові можливості технічного використання напівпровідників, є можливість ще й іншого механізму електропровідності. Він обумовлений тим, що кожний розкрив валентного зв’язку веде до виникнення вакантного місця, де відсутній зв’язок. Такі “пусті” місця з відсутніми електронами зв’язку дістали назву “дірок”.

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 дірковим, а електропровідність, обумовлену переміщенням дірок, називають дірковою провідністю.

Домішкова електропровідність напівпровідників

Домішки можуть підвищувати концентрацію електронів провідності і створювати в напівпровіднику електронну домішкову провідність n-типу (від negativ – відємний). Такі домішки називаються донорними.

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

Оскільки перехід електрона з сусіднього атома на дірку відбувається практично без затрат енергії, то дірка вільно переміщається по кристалу за рахунок перестрибувань електронів від сусідніх атомів на дірку.

Якщо перевищує концентрація електронів провідності, то напівпровідник має електронну провідність (n-тип). Якщо переважає концентрація додатних дірок, то електропровідність буде дірковою (р-тип).

Термо- і фоторезистор

Прилади, дія яких ґрунтується на використанні залежності опору напівпровідників від температури, дістали назву терморезисторів (або термісторів).

Терморезистори застосовуються в різних установах автоматики й телемеханіки, в радіотехніці, термометрії тощо. Принцип дії цих установок такий. Терморезистор вмикається в електричне коло того чи іншого пристрою. Його опір значно перевищує опір інших елементів кола і, що найголовніше, сильно залежить від температури. Тому сила струму в колі визначається опором терморезистора або в кінцевому рахунку його температурою. З підвищенням температури терморезистора сила струму зростає, і навпаки, з пониженням температури сила струму зменшується. Таким чином, зміни температури терморезистора викликають зміни сили струму в колі. Це дає можливість застосовувати терморезистори в десятках різних схем, і створювати багато автоматичних пристроїв. За допомогою терморезисторів можна просто і надійно здійснювати дистанційне вимірювання і регулювання температури, пожежну сигналізацію, контроль за температурним режимом працюючих машин і механізмів.