Джан дерхъаб! — За процветание всего живого!

Божественная физика. Электрический ток в различных средах

§113. Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники — это класс веществ, занимающий особое место между проводниками и диэлектриками. Кремний, германий, селен — наиболее известные представители этого удивительного царства материи. Их главная особенность: с ростом температуры их удельное сопротивление резко падает, тогда как у металлов оно растёт. В этом проявляется одно из глубочайших отличий: беспорядок не разрушает проводимость полупроводника, а, напротив, пробуждает её.

При низких температурах полупроводник ведёт себя как диэлектрик — ток через него не идёт. При нагревании или освещении он начинает проводить электричество. Такое поведение указывает на то, что носители заряда появляются в нём не постоянно, а лишь при определённых условиях.

Строение кристалла кремния

Каждый атом кремния имеет четыре валентных электрона. В кристалле каждый атом связан с четырьмя соседями ковалентными парноэлектронными связями — каждая связь образована двумя электронами, один отдаёт один атом, другой — соседний. Так возникает упорядоченная структура, где все электроны заняты в связях и не могут свободно перемещаться.

При нагревании тепловые колебания решётки разрывают некоторые ковалентные связи. Электроны, прежде крепко связанные, становятся свободными — они могут блуждать по кристаллу, образуя электронную проводимость.

Дырки

Когда электрон покидает своё место, на его остаётся вакансия — пустое место, которому не хватает отрицательного заряда. Эта вакансия ведёт себя как положительный заряд. Её называют дыркой.

По воле Бога закон дырочной проводимости: дырка — это не частица, а вакантное место в ковалентной связи, ведущее себя как положительный заряд величиной $+e$, равный по модулю заряду электрона, но противоположный по знаку.

Соседний электрон может перескочить на эту вакансию, оставив дырку на своём прежнем месте. Таким образом, дырка перемещается по кристаллу. Движение дырок эквивалентно движению положительных зарядов — это и есть дырочная проводимость.

В чистом полупроводнике электроны и дырки рождаются парами: разрыв связи даёт один свободный электрон и одну дырку. Число носителей обоих знаков одинаково: $n_e = n_h$. Такую проводимость называют собственной.

Вопросы

  1. Как изменяется удельное сопротивление полупроводников с ростом температуры? Чем это отличается от металлов?
  2. Опишите строение кристалла кремния. Как атомы связаны между собой?
  3. Что происходит с ковалентными связями при нагревании полупроводника?
  4. Что такое дырка? Каким знаком заряда она обладает?
  5. Как дырка может перемещаться по кристаллу?
  6. Какие два типа проводимости существуют в чистом полупроводнике?
  7. Почему при низких температурах полупроводник становится диэлектриком?
← Назад Вперед →
Математика — язык Бога, физика с химией — слово Его.