Электрический ток в полупроводниках

1. Что такое полупроводники

Полупроводники — это вещества, проводимость которых зависит от внешних условий: температуры, освещённости, примесей. Основные типы:

• Чистые (собственные) полупроводники: кремний (Si), германий (Ge);

• Примесные (легированные): кремний с добавлением фосфора, бора и других элементов.

В полупроводниках ток создаётся за счёт электронов и дырок:

• Электроны — отрицательные носители заряда;

• Дырки — отсутствие электрона, которое ведёт себя как положительный заряд.

2. Механизм проводимости

В полупроводниках проводимость зависит от числа свободных носителей заряда.

• В чистом полупроводнике при низкой температуре свободных электронов мало, ток малый.

• При повышении температуры электроны получают энергию и переходят в зону проводимости, увеличивая ток.

Это отличие от металлов, где ток создаётся только электронами.

3. Типы полупроводников

1. n-тип (электронная проводимость)

• Вводят атомы с лишним электроном (например, фосфор в кремнии).

• Основные носители заряда — электроны.

2. p-тип (дырочная проводимость)

• Вводят атомы с недостатком электронов (например, бор в кремнии).

• Основные носители заряда — дырки.

Когда n- и p-тип соединяются, образуется p-n переход, который используется в диодах.

Наглядная схема проводимости полупроводников

На схеме показано:

• кристаллическая решётка полупроводника;

• электроны и дырки;

• направление движения носителей заряда;

• p-n переход.

4. Температурная зависимость тока

В полупроводниках сила тока растёт с температурой:

​где:

•  — ширина запрещённой зоны,
•  — постоянная Больцмана,
•  — температура (К).

Это противоположно металлам, где ток уменьшается с нагревом из-за увеличения сопротивления.

5. Применение полупроводников

• Диоды — пропускают ток в одном направлении;

• Транзисторы — усиливают ток и управляют цепями;

• Солнечные батареи — преобразуют световую энергию в электрическую;

• Светодиоды (LED) — светятся при прохождении тока.

Полупроводники — основа всей современной электроники.

6. Закон Ома для полупроводников

Для полупроводников закон Ома справедлив, но сопротивление зависит от температуры и освещённости:

​

где  — сопротивление, изменяющееся с температурой.

В сложных устройствах (диоды, транзисторы) ток зависит нелинейно от напряжения.

7. Важность изучения

Знание о токе в полупроводниках позволяет:

• проектировать электронные устройства;

• использовать солнечную энергию;

• управлять сигналами в компьютерах и телефонах;

• понимать работу диодов и транзисторов.

8. Вопросы для самопроверки

1. Чем полупроводники отличаются от металлов?

2. Какие носители заряда существуют в полупроводниках?

3. Что такое n-тип и p-тип полупроводников?

4. Как изменяется ток в полупроводнике с температурой?

5. Что такое p-n переход?

6. Приведите примеры применения полупроводников в жизни.

7. Почему закон Ома в полупроводниках может быть нелинейным?