Электрический ток в полупроводниках

Электрический ток в полупроводникахМногие ве­щества в кристаллическом состоя­нии не являются такими хорошими проводниками электрического тока, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, так как они не яв­ляются хорошими изоляторами. Та­кие вещества долгое время не привле­кали особого внимания ученых и ин­женеров. Одним из первых начал сис­тематические исследования физи­ческих свойств таких веществ, назы­ваемых сегодня полупроводниками, Д. Ф. Иоффе.

Удельное сопротивление типич­ных проводников имеет значение 10-8 – 10-6 Ом*м, диэлектриков 1010 – 1016 Ом*м, а удельное сопротивление полупроводников при ком­натной температуре находится в ши­роком интервале от 10-3 до 107 Ом*м.

К полупроводникам относится ог­ромное большинство веществ, масса которых составляет 4/5 массы земной коры. Это ряд элементов (германий, кремний, селен и др.), множество ми­нералов, различные оксиды, сульфи­ды, теллуриды и другие химические соединения. Полупроводники оказа­лись не просто «плохими проводни­ками», а особым классом кристаллов со многими замечательными физи­ческими свойствами.

Зависимость сопротивления полу­проводников от внешних условий.

Наиболее характерным свойством по­лупроводников является то, что их удельное сопротивление резко изме­няется под влиянием некоторых внешних воздействий. Включим, на­пример, германиевый кристалл при комнатной температуре в цепь, содержащую источник тока и гальвано­метр. Мы увидим, что стрелка гальванометра отклоняется незначительно, т. е. сила тока в цепи мала. Значит, полупроводник при комнатной температуре имеет боль­шое электрическое сопротивление.

Нагревая полупроводник, мы за­метим, что стрелка гальванометра от­клоняется на больший угол, следо­вательно, при нагревании удельное сопротивление проводника уменьшается. Если же охладить полупроводник, например, опустив в стакан с холодной водой, то его сопротивление увеличится. При очень низких темпе­ратурах удельное электрическое сопротивление многих полупроводников становится таким же большим, как и у диэлектриков.

Из полупроводниковых материа­лов, удельное сопротивление которых особенно резко изменяется с изме­нением температуры, изготовляют терморезисторы. Ими пользуются для измерения температуры, а также как чувствительными элементами (датчиками), реагирующими на из­менения температуры в автоматиче­ских устройствах.

Сопротивление полупроводников.

Уменьшается под действием освеще­ния, причем у некоторых весьма зна­чительно. Это явление получило название фотопроводимости. Из таких полупроводников делают фоторезис­торы, которые применяются для уп­равления током в цепи за счет изме­нения освещения.

Заменим терморезистор в описан­ном выше опыте фоторезистором, который в начале опыта закрыт непрозрачным экраном. Уб­рав экран, по отклонению стрелки мы убедимся, что освещение вызывает значительное уменьшение сопротив­ления фоторезистора.

Итак, удельное сопротивление по­лупроводников резко уменьшается при их нагревании или освещении. Это позволяет использовать полупро­водники в различных автоматичес­ких устройствах.

Рассмотрим, например, как рабо­тает простейшее полупроводниковое термореле. Это реле может быть использовано, в частности, для сигнализации о том, что в помещении с электронагревателем достигнута за­данная температура.

Когда температура в помещении, в котором находится терморезистор, низка, в цепи течет электрический ток, недостаточный для срабатыва­ния электромагнитного реле. Когда температура в помещении достигает необходимого значения, сила тока в цепи возрастает до такого значения, при котором реле срабатывает. При этом замыкаются контакты, вклю­чающие цепь исполнения, содержащую сигнализатор — звонок. Ана­логично работает фотореле.

Природа электрического тока в полупроводниках.

Экспериментально установлено, что электрический, ток в полупроводниках не сопровож­дается переносом вещества — никаких химических изменений с ними не происходит. Отсюда следует, что носителями тока в полупроводниках, как и в металлах, являются элект­роны. Однако между полупроводни­ками и металлами имеются и глубо­кие различия. В чем же причина различия свойств полупроводников и металлов?

Мы уже говорили о том, что у металлов имеются электроны, кото­рые сравнительно слабо связаны с атомами. Это валентные электроны, которые находятся на внешних электронных оболочках. Валентные элект­роны металлов легко отделяются от атомов и образуют электронный газ, концентрация которого очень велика. Эти электроны (электроны прово­димости) принадлежат всей кристаллической решетке и, подобно моле­кулам в обычном газе, свободно пере­мещаются между ионами по всему проводнику. Именно с этим связа­на высокая проводимость металлов.

В полупроводниках валентные электроны значительно сильнее свя­заны с атомами. Поэтому концентра­ция электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках незначительна – она в миллиарды раз меньше, чем у метал­лов, и удельное сопротивление полу­проводников при низкой температуре велико, оно близко к удельному со­противлению диэлектриков. Почему же оно уменьшается при нагревании полупроводников? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим строе­ние какого-либо типичного полупро­водника, например кремния.

Атом кремния четырехвалентен. В кристалле кремния каждый атом ок­ружен четырьмя такими же атомами, с которыми его связывают четыре валентных электрона. Соседние атомы кремния взаимодействуют друг с другом благодаря паре электронов, каждый из которых стал общим электроном двух атомов при образо­вании кристалла.