Власна та домішкова провідність напівпровідників, її залежність від температури та освітленості
Напівпровідники – тверді тіла, що займають місце між провідниками та діелектриками. До напівпровідників належать або чисті хімічні елементи третьої, четвертої, п'ятої груп таблиці Менделєєва, або їх сполуки.
Особливість напівпровідників у тому, що вони є два роду носіїв електричного заряду: електрони і дірки.
Якщо напівпровідник утворений одним елементом, то в ньому існує лише один із зазначених вище носіїв зарядів та один вид провідності.
Як приклад, розглянемо елемент IV групи таблиці Менделєєва: германій – Ge[3].
Німеччина має кристалічну решітку, у вузлах якої знаходяться атоми германію, у яких чотири валентні електрони свої, а чотири є загальними, тобто. належать сусіднім атомам. Таким чином, зовнішній шар виходить повністю заповненим (ковалентний зв'язок).
За рахунок зовнішніх впливів кристалічні грати не є ідеальними, тобто. у ній існують дефекти. За наявності дефектів частина електронів виявляється вільними і під дією зовнішнього електричного поля може переміщатися. Так виникає електронна провідність.
З тієї ж причини ряд хімічних зв'язків виявляються незаповненими, у кристалічних ґратах з'являються дірки. Туди, де є незаповнена хімічна зв'язок, може потрапити електрон, але місце, де він був раніше, звільниться, тобто. електрон та дірка зміняться місцями. Тому можна сказати, що в напівпровіднику під впливом електричного поля виникає не тільки струм електронів, а й струм квазічастинок - дірок. "Дірка" - така квазічастинка ("квазі" - як би) заряд якої за модулем дорівнює заряду електрона, а маса дорівнює масі електрона.
Розглянемо цей процес за допомогою енергетичної діаграми. Якщоелектрон перейдено з валентної зони в зону провідності під дією електричного поля, то у валентній зоні виникає дірка, і навпаки.
Збільшити кількість носіїв заряду в напівпровіднику можна за допомогою внесення до нього певних домішок. При цьому можливі два випадки:
1. Нехай один із атомів германію в кристалічній решітці заміщений атомом елемента п'ятої групи таблиці Менделєєва, наприклад, миш'яком As. При цьому з'явиться зайвий електрон (п'ятий). Якщо атом миш'яку не один, то з'являться вільні електрони, виникає домішкова провідність n-типу (від англ. Negative - негативний).
2. Нехай один із атомів германію заміщений у кристалічній решітці на один з елементів третьої групи таблиці Менделєєва, наприклад, індієм In. Тоді один зв'язок залишається незаповненим, виникає домішкова провідність p-типу (від англ. positive - Позитивний).
Досвід 14.1. Дія напівпровідникового фотоелемента [8,9]
1. Напівпровідниковий елемент на підставці;
2. Сполучні дроти;
3. Демонстраційний світильник;
Селеновий фотоелемент є залізною пластинкою, покритою тонким шаром селену, що володіє дірковою провідністю. На поверхню селену нанесено тонкий напівпрозорий шар золота. Внаслідок спеціальної обробки частина атомів золота проникла в селен і утворила в ньому тонкий шар з електронною провідністю. На межі двох шарів з різним типом провідності утворився електронно-дірковий перехід.
Збирають установку (рис. 14.5) і при денному освітленні виявляють по гальванометр поява слабкого струму в ланцюгу. Потім фотоелемент висвітлюють електричною лампою. Спостерігають, як у міру наближення лампи дофотоелемент струм у ланцюгу збільшується і стрілка гальванометра відхиляється на всю шкалу. При затемненні фотоелемента струм майже припиняється. Таким чином, переконуються, що напівпровідниковий фотоелемент є джерелом струму, в якому енергія світла перетворюється безпосередньо в електричну.
Досвід 14.2. Електронно-діркові провідності напівпровідників [8,9].
1. Термоелемент на підставці;
2. Нагрівач (спиртування);
3. Сполучні дроти;
4. Гальванометр демонстраційний;
Для демонстрації двох видів провідності домішкових напівпровідників беруть напівпровідниковий термоелемент. Вид провідності визначають у напрямку термоструму в ланцюзі. Досвід починають із демонстрації електронної провідності.
Збирають установку на малюнку 14.6. Індикатором термоструму служить демонстраційний гальванометр із малим внутрішнім опором (від вольтметра) та шкалою “5-0-5”. Його стрілку попередньо встановлюють на нуль шкали за допомогою механічного коректора, а сам прилад підключають до термоелемента так: затискач гальванометра зі знаком "+" з'єднують з нижнім холодним кінцем напівпровідника, що володіє електронною провідністю (з правим затискачем термоелемента), а другий затискач верхнім кінцем напівпровідника (середнім затиском термоелемента).
Поки температура обох кінців напівпровідника однакова, струму в ланцюзі немає. Потім верхній кінець напівпровідника (до нього припаяна мідна пластинка) обережно нагрівають, наприклад, злегка розігрітим паяльником. Стрілка гальванометра відхиляється вліво. У напрямку струму легко визначити полярність кінців включеного напівпровідника. Перевірка показує, що струм ланцюга йде від гарячого кінця напівпровідника до холодного. Отже, гарячий кінецьнапівпровідника зарядився позитивно, а холодний негативно.
На малюнку 14.7 видно, що таке явище можливе у тому випадку, якщо основними носіями заряду в напівпровіднику є електрони. Дійсно, при нагріванні напівпровідника за рахунок атомів домішки збільшується кількість та швидкість вільних електронів. Ці електрони за законами дифузії починають переміщатися у напівпровіднику у бік холодного кінця і заряджають його негативно. Гарячий кінець у своїй заряджається позитивно. Поділ зарядів призводить до утворення електричного поля, під дією якого створюється термострум у ланцюзі.
Для демонстрації діркової провідності гальванометр підключають до кінців другого напівпровідника термоелемента, причому нагрітий кінець напівпровідника (середній затискач) з'єднують з тим самим затискачем гальванометра, що й у першому випадку (рис. 14.8). Тепер стрілка гальванометра відхиляється праворуч, незважаючи на однакове включення гальванометра.
Зворотний напрямок струму в ланцюзі свідчить про зворотну полярність кінців напівпровідника: гарячий кінець зарядився негативно, а холодний – позитивно. Отже, у другому напівпровіднику змінився знак носія заряду. Тепер носіями заряду є дірки, які поводяться як позитивні заряди.
На гарячому кінці напівпровідника з'являються додаткові вільні електрони (рис. 14.9). Але тепер електрони, що звільнилися, захоплюються атомами домішки і знову втрачають можливість переміщатися і брати участь у провідності. У той самий час у основних атомах напівпровідника, у тому числі ці електрони вирвалися, залишаються вільні місця – дірки. Таких дірок утворюється більше у нагрітому кінці напівпровідника. Із сусідніх атомів на місце дірок, що утворилися, переходятьвалентні електрони. Дірки в перших атомах заповнюються електронами, зате вони з'являються в інших атомах. Внаслідок таких своєрідних переходів електронів дірки переміщаються від гарячого кінця до холодного і заряджають його позитивно; гарячий кінець напівпровідника заряджається негативно.