В предыдущей части мы разобрались со строением полупроводников. В этой части мы выясним, почему эти вещества проводят ток и от чего зависит их электропроводность.
Собственная электропроводность
Рассмотрим упрощенную схему взаимосвязи атомов кремния, изображенную на рисунке ниже. Здесь кружки со знаком «+» обозначают ядра атомов с внутренними электронными оболочками, а линии – валентные связи (ссылка на часть 1) электронов внешнего слоя.
Если температура вещества близка к абсолютному нулю, то кремний является диэлектриком, поскольку не имеет свободных электронов. Если температуру повысить, благодаря дополнительной энергии некоторые из них, образующие валентные связи, могут покидать свои орбиты, превращаясь в свободные. На рисунке эти электроны обозначены черными точками. Место же, которое покинул электрон, остается свободным. Его условно называют дыркой. Чем выше температура вещества, тем большее количество электронов превращается в свободные, и соответственно увеличивается количество дырок.
Без внешнего воздействия свободные электроны появляются в случайном месте и перемещаются хаотически. Иногда они находят дырки и занимают их, но на месте уже бывших свободных возникают новые, покидающие свои орбиты.
А теперь приложим к полупроводнику напряжение, создав на его краях разность потенциалов. В этом случае появившийся свободный электрон начинает двигаться в сторону положительного полюса, поскольку имеет отрицательный заряд, оставляя после себя дырку. На своем пути к положительному электроду электрон находит дырку, которую образовал его «коллега», «убежав» вперед, к плюсу, и занимает ее. Пока существует разность потенциалов, процесс протекает постоянно – одни межатомные связи нарушаются, другие восстанавливаются. Таким образом, электроны движутся по полупроводнику, образуя электрический ток. Дырки в свою очередь движутся к отрицательному электроду.
Повышение электропроводности
При комнатной температуре чистые полупроводники имеют не особо много свободных электронов. При этом количество их точно равно количеству образовавшихся дырок – это логично. Таким образом, сам по себе полупроводник не особо хорошо проводит ток, имея достаточно большое электрическое сопротивление. Но, как оказалось, количество свободных электронов и дырок можно увеличить, если добавить в полупроводник определенные примеси в виде атомов других элементов.
Полупроводники n-типа
Начнем с электронов и добавим в полупроводник некоторое количество сурьмы. Атом этого элемента во внешнем слое имеет пять валентных электронов. Если он заместит собой атом кремния, то один электрон окажется лишним и превратится в свободный. Чем больше такой примеси мы сделаем (естественно, в разумных пределах), тем больше свободных электронов получим, и тем выше будет электропроводность полупроводника. Ведь теперь свободные электроны есть в избытке и их не нужно добывать выколачиванием из межатомных связей.
Добавляя сурьму или подобный ей по строению атома элемент, мы получаем полупроводник с избытком свободных электронов, а они заряжены отрицательно. Поэтому такой тип электропроводности назвали n-проводимостью, а сам материал – полупроводником n-типа (от английского «negativ» - отрицательный).
Полупроводники p-типа
А теперь в качестве примеси используем индий. Его атомы имеют три валентных электрона. Если такой атом заместит атом кремния, то для полной связи не хватит одного электрона и на его месте образуется дырка. Больше примеси – больше дырок и лучше электропроводность. Материал же, имеющий такую структуру, называют полупроводником p-типа (от английского «positive» позитив).
Термин «p-тип» нужно понимать в том смысле, что возникновение тока в полупроводнике этого типа все равно возникает за счет свободных электронов. Они в любом случае должны появляться за счет разрушения валентных связей. Просто дырки, перемещаясь в массе полупроводника, как бы являются носителями тока.
Вот мы и имеем представление о явлениях, которые возникают в полупроводнике. Теперь нам уже будет несложно понять, как работают полупроводниковые приборы. Начнем с диодов, о которых поговорим в следующей части нашего цикла.