Про напівпровідники науково-популярно: власна та домішкова провідність, p-n-перехід

#напівпровідник #дірка #донор #акцептор #домішкова
Дистанційне навчання: / physics.ukr
Науково-популярно про напівпровідники.
Вимірювання показують що питомий опір напівпровідників з підвищенням температури зменшується. Щоб зрозуміти механізм виникнення провідності в напівпровідниках необхідно знати будову напівпровідникових кристалів. Для прикладу розглянемо кристал Кремнію. Кремній чотиривалентний елемент. В зовнішній оболонці атома кремнію є 4 електрони порівняно слабо зв`язаних з ядром. Кількість найближчих сусідів атому Кремнію теж рівна 4. Взаємодія пари сусідніх атомів здійснюється за допомогою ковалентного зв`язку. Перед нами спрощена плоска схема структури кристалу Кремнію. Кожен атом утворює 4 звязки з сусідніми і кожен валентний електрон може брати участь в будь-якій з них. Ці валентні електрони знаходяться в спільному використанні і належать всьому кристалу. Ковалентні зв`язки кремнію достатньо міцні і за низьких температур не розриваються. При нагріванні кремнію кінетична енергія валентних електронів збільшується. Для наочності сповільнимо рух валентних електронів. При достатній зовнішній дії, деякі електрони покидають свої місця і стають вільними, подібно електронам в металі. В електричному полі їх рух упорядковується. Характер цього руху показаний на прикладі одного електрона. Зберігаючи тепловий рух, вільні електрони зміщуються під дією поля. Виникає струм. При збільшенні теплового впливу кількість вільних електронів різко зростає. Такий вид провідності називається електронним. Про розриві зв`язків утворюється вакантне місце, в якому не вистачає електрона. Його називають діркою. Дірка поводить себе подібно до позитивного заряду. Положення дірки в кристалі не є незмінним. За допомогою цієї умовної моделі видно, що поява дірки та переміщення її по кристалу супроводжується рухом сусідніх валентних електронів, що беруть участь у ковалентних зв`язках. Рух дірки по кристалу нагадує собою переміщення позитивного заряду. В електричному полі дірки починають рухатися впорядковано. З електронної та діркової провідності складається власна провідність напівпровідника. У чистому напівпровіднику число дірок завжди дорівнює числу вільних електронів. Провідність напівпровідників можна змінити також ввівши в них певні концентрації спеціальних домішок. Візьмемо як домішку пятивалентний атом сурми. У цьому випадку 4 з 5 валентних електронів атома домішки увійдуть до системи ковалентних зв`язків структури кремнію. П`ятий, менш зв`язаний електрон, стане вільним. Кожен атом домішки дає вільний електрон. Тим самим збільшуючи провідність. В напівпровідниках з такою домішкою, яку називають донорною, число електронів виявляється значно більшим ніж число дірок. Електрони в цьому випадку є основними носіями заряду, а дірки неосновними. Провідність такого напівпровідникового кристалу називають електронною. А сам напівпровідник напівпровідником n-типу. Якщо в якості домішки взяти 3-валентний хімічний елемент. Наприклад індій. То атом індію, розміщуючись в вузлі кристалійної гратки кремнію, заповнює електронами лише три ковалентні зв`язки сусідніх атомів. Зв`язок, якого не вистачає, заміщається електроном "відібраним" у сусіднього атома кремнію. В тому місці, де раніше був цей електрон, утворюється дірка. Такі домішки називаються акцепторними. Чим більше атомів домішки тим більше утворюється дірок, основних носіїв заряду. Провідність такого напівпровідникового кристала називається дірковою. А сам він напівпровідником p-типу. Напівпровідники чутливі не тільки до теплового впливу, але й до світлового. Використовуючи домішкові властивості напівпровідників, люди створюють складні електронні пристрої. найрізноманітнішого призначення. Напівпровідникові прилади безмежно розширили можливості побутової та наукової електронної апаратури. З їх допомогою ми досліджуємо складні фізичні процеси. Вивчення фізики напівпровідників допомагає нам інакше поглянути на природу навколишнього матеріального світу. Сучасні успіхи в освоєнні космічного простору були б немислимі без автоматики на напівпровідникових пристроях. За допомогою напівпровідникових сонячних батарей вирішується задача прямого перетворення світлової енергії в електричну. Основою переважної більшості напівпровідникових приладів є електр-дірк перехід Електр.-дірк. перехід виникає в напівпровідникових кристалах, що мають області з електронною та дірковою провідністю, які межують між собою. Завдяки тепловому руху вільні носії зарядів дифундують, проникаючи в сусідні області. В результаті на межі двох видів напівпровідників виникає подвійний електричний шар, що перешкоджає подальшому руху основних носіїв заряду. Якщо на PN-перехід накласти зовнішнє поле такого ж напрямку, тобто приєднати мінус джерела струму до P-області, а плюс до N-області, то воно посилить подвійний шар. Поле ж, яке напрямлене у ІНШИЙ бік, послабить його, допомагаючи основним носіям заряду подолати PN-перехід. Провідність pn-переходу в прямому та зворотному напрямі не однакова.