Що таке напівпровідники? Опір напівпровідників. Як залежить опір від температури Питомий опір напівпровідників при збільшенні температури

У своїй практичній діяльності кожен електрик зустрічається з різними умовами проходження носіїв зарядів в металах, напівпровідниках, газах і рідинах. На величину струму впливає електричний опір, яке по-різному змінюється під впливом навколишнього середовища.

Одним з таких факторів є температурний вплив. Оскільки воно значно змінює умови протікання струму, то враховується конструкторами в виробництві електрообладнання. Електротехнічний персонал, який бере участь в обслуговуванні та експлуатації електроустановок, зобов'язаний грамотно використовувати ці особливості в практичній роботі.

Вплив температури на електричний опір металів

У шкільному курсі фізики пропонується провести такий досвід: взяти амперметр, батарейку, відрізок дроту, з'єднувальні дроти і пальник. Замість амперметра з батарейкою можна підключити омметр або використовувати його режим в мультиметри.

Тепер піднесемо полум'я пальника до дроту і станемо її нагрівати. Якщо дивитися на амперметр, то буде видно, що стрілка стане переміщатися вліво і досягне положення, зазначеного червоним кольором.

Результат досвіду демонструє, що при нагріванні металів їх провідність зменшується, а опір зростає.

Математичне обгрунтування цього явища наведено формулами прямо на зображенні. У нижньому вираженні добре видно, що електричний опір «R» металевого провідника прямо пропорційно його температурі «Т» і залежить ще від декількох параметрів.

Як нагрів металів обмежує електричний струм на практиці

лампи розжарювання

Щодня при включенні освітлення ми зустрічаємося з проявом цієї властивості у ламп розжарювання. Проведемо нескладні вимірювання на лампочці з потужністю 60 ват.

Найпростішим омметром, що живиться від низьковольтної батарейки 4,5 V, заміряємо опір між контактами цоколя і побачимо значення 59 Ом. Цією величиною володіє нитка розжарення в холодному стані.

Вкрутити лампочку в патрон і через амперметр підключимо до неї напругу домашньої мережі 220 вольт. Стрілка амперметра покаже 0,273 ампера. За визначимо опір нитки в нагрітому стані. Воно складе 896 Ом і перевищить попереднє показання омметра в 15,2 рази.

Таке перевищення оберігає метал тіла розжарення від перегорання і руйнування, забезпечуючи його тривалу працездатність під напругою.

Перехідні процеси при включенні

При роботі нитки напруження на ній створюється тепловий баланс між нагріванням від проходить електричного струму і відведенням частини тепла в навколишнє середовище. Але, на початковому етапі включення при подачі напруги виникають перехідні процеси, що створюють кидок струму, який може привести до перегорання нитки.

Перехідні процеси протікають за короткий час і викликані тим, що швидкість зростання електричного опору від нагрівання металу не встигає за збільшенням струму. Після їх закінчення встановлюється робочий режим.

Під час тривалого світіння лампи поступово товщина її нитки доходить до критичного стану, яке призводить до перегорання. Найчастіше цей момент виникає при черговому новому включенні.

Для продовження ресурсу лампи різними способами зменшують цей кидок струму, використовуючи:

1. пристрою, що забезпечують плавне подачу і зняття напруги;

2. схеми послідовного підключення до нитки напруження резисторів, напівпровідників або терморезисторов (термісторів).

Приклад одного із способів обмеження пускового струму для автомобільних світильників показаний на зображенні нижче.

Тут струм на лампочку подається після включення тумблера SA через запобіжник FU і обмежується резистором R, у якого номінал підбирається так, щоб кидок струму під час перехідних процесів не перевищував номінальне значення.

При нагріванні нитки напруження її опір зростає, що веде до збільшення різниці потенціалів на її контактах і паралельно підключеного обмотці реле KL1. Коли напруга досягне величини уставки реле, то нормально відкритий контакт KL1 замкнеться і зашунтірует резистор. Через лампочку почне протікати робочий струм вже усталеного режиму.

Вплив температури металу на його електричний опір використовується в роботі вимірювальних приладів. Їх називають .

Їх чутливий елемент виконують тонким дротиком з металу, опір якої ретельно заміряні при певних температурах. Цю нитку монтують в корпусі зі стабільними термічними властивостями і закривають захисним чохлом. Створена конструкція поміщається в середу, температуру якої необхідно постійно контролювати.

На висновки чутливого елемента монтуються проводи електричної схеми, якими підключається ланцюг виміру опору. Його величина перераховується в значення температури на основі раніше виробленої калібрування приладу.

Бареттер - стабілізатор струму

Так називають прилад, що складається зі скляного герметичного балона з газоподібним воднем і металевої дротяної спіраллю з заліза, вольфраму або платини. Ця конструкція за зовнішнім виглядом нагадує лампочку розжарювання, але вона має специфічну вольт-амперної нелінійної характеристикою.

На ВАХ в певному її діапазоні утворюється робоча зона, яка не залежить від коливань прикладеного на тіло розжарення напруги. На цій ділянці бареттер добре компенсує пульсації харчування і працює як стабілізатор струму на підключеної послідовно до нього навантаженні.

Робота бареттера заснована на властивості теплової інерції тіла розжарення, яка забезпечується маленьким перетином нитки і високу теплопровідність навколишнього її водню. За рахунок цього при зниженні напруги на приладі прискорюється відведення тепла з його нитки.

Це основна відмінність бареттера від освітлювальних ламп розжарювання, в яких для підтримки яскравості світіння прагнуть зменшити конвективні втрати тепла з нитки.

надпровідність

У звичайних умовах середовища при охолодженні металевого провідника відбувається зменшення його електричного опору.

При досягненні критичної температури, близької до нуля градусів за системою вимірювання Кельвіна, відбувається різке падіння опору до нульового значення. На правій зображенні показана така залежність для ртуті.

Це явище, назване надпровідність, вважається перспективною галуззю для досліджень з метою створення матеріалів, здатних значно знизити втрати електроенергії при її передачі на великі відстані.

Однак, що продовжуються вивчення надпровідності виявили ряд закономірностей, коли на електричний опір металу, що знаходиться в області критичних температур, впливають інші чинники. Зокрема, під час проходження змінного струму з підвищенням частоти його коливань виникає опір, величина якого доходить до діапазону нормальних значень у гармонік з періодом світлових хвиль.

Вплив температури на електричний опір / провідність газів

Гази і звичайне повітря є діелектриками і не проводять електричний струм. Для його освіти потрібні носії зарядів, якими виступають іони, які утворюються в результаті впливу зовнішніх факторів.

Нагрівання здатний викликати іонізацію і рух іонів від одного полюса середовища до іншого. Переконатися в цьому можна на прикладі простого досвіду. Візьмемо той же обладнання, яким користувалися для визначення впливу нагріву на опір металевого провідника, тільки замість дроту до проводів підключимо дві металеві пластини, розділені повітряним простором.

Приєднаний до схеми амперметр покаже відсутність струму. Якщо між пластинами помістити полум'я пальника, то стрілка приладу відхилиться від нульового значення і покаже величину проходить через газове середовище струму.

Таким чином встановили, що в газах при нагріванні відбувається іонізація, яка веде до руху електрично заряджених частинок і зниження опору середовища.

На значенні струму позначається потужність зовнішнього прикладеного джерела напруги і різниця потенціалів між його контактами. Вона здатна при великих значеннях пробити ізоляційний шар газів. Характерним проявом подібного випадку в природі є природний розряд блискавки під час грози.

Зразковий вид вольт-амперної характеристики протікання струму в газах показаний на графіку.

На початковому етапі під дію температури і різниці потенціалів спостерігається зростання іонізації і проходження струму приблизно за лінійним законом. Потім крива набуває горизонтальний напрямок, коли збільшення напруги бракує зростання струму.

Третій етап пробою настає тоді, коли висока енергія прикладеного поля так розганяє іони, що вони починають соударяющихся з нейтральними молекулами, масово утворюючи з них нові носії зарядів. В результаті струм різко зростає, утворюючи пробою діелектричного шару.

Практичне використання провідності газів

Явище протікання струму через гази використовується в радіоелектронних лампах і люмінесцентних світильниках.

Для цього всередині герметичного скляного балона з інертним газом у своєму розпорядженні два електроди:

1. анод;

2. катод.

У люмінесцентної лампи вони виконані у вигляді ниток напруження, які розігріваються при включенні для створення термоелектронної емісії. Внутрішня поверхня колби покрита шаром люмінофора. Він випромінює видиме нами спектр світла, що утворюється при інфрачервоному опроміненні, що виходить від парів ртуті, бомбардований потоком електронів.

Струм газового розряду виникає при додатку напруги певної величини між електродами, розташованими по різних кінцях колби.

Коли одна з ниток напруження перегорить, то на цьому електроді порушиться електронна емісія і лампа горіти не буде. Однак, якщо збільшити різницю потенціалів між катодом і анодом, то знову виникне газовий розряд усередині колби і свічення люмінофора відновиться.

Це дозволяє використовувати світлодіодні колби з порушеними нитками напруження і продовжувати їх ресурс роботи. Тільки слід враховувати, що при цьому в кілька разів треба підняти на неї напругу, А це значно підвищує споживану потужність і ризики безпечного використання.

Вплив температури на електричний опір рідин

Проходження струму в рідинах створюється в основному за рахунок руху катіонів та аніонів під дією прикладеного ззовні електричного поля. Лише незначну частину провідності забезпечують електрони.

Вплив температури на величину електричного опору рідкого електроліту описується формулою, наведеною на зображенні. Оскільки в ній значення температурного коефіцієнта α завжди негативно, то зі збільшенням нагріву провідність зростає, а опір падає так, як показано на графіку.

Це явище необхідно враховувати при зарядці рідинних автомобільних (і не тільки) акумуляторних батарей.

Вплив температури на електричний опір напівпровідників

Зміна властивостей напівпровідникових матеріалів під впливом температури дозволило використовувати їх в якості:

термічних опорів;

термоелементів;

холодильників;

нагрівачів.

Терморезистор

Таким назвою позначають напівпровідникові прилади, які змінюють своє електричний опір під впливом тепла. Їх значно вище, ніж у металів.

Величина ТКС у напівпровідників може мати позитивне або негативне значення. За цим параметром їх поділяють на позитивні «РТС» і негативні «NTC» термістори. Вони володіють різними характеристиками.

Для роботи терморезистора вибирають одну з точок на його вольт-амперної характеристики:

лінійна ділянка застосовують для контролю температури або компенсації змінюються струмів або напруг;

спадна гілка ВАХ у елементів з ТКС

Застосування релейного терморезистора зручно при контролі або вимірах процесів електромагнітних випромінювань, що відбуваються на надвисоких частотах. Це забезпечило їх використання в системах:

1. контролю тепла;

2. пожежної сигналізації;

3. регулювання витрати сипучих середовищ і рідин.

Кремнієві терморезистори з маленьким ТКС\u003e 0 використовують у системах охолодження і стабілізації температури транзисторів.

термоелементи

Ці напівпровідники працюють на основі явища Зеєбека: при нагріванні спаяного місця двох розрізнених металів на стику замкненого кола виникає ЕРС. Таким способом вони перетворюють теплову енергію в електрику.

Конструкцію з двох таких елементів називають термопарою. Її ККД лежить в межах 7 ÷ 10%.

Термоелементи використовують в измерителях температур цифрових обчислювальних пристроїв, що вимагають мініатюрні габарити і високу точність показань, а також в якості малопотужних джерел струму.

Напівпровідникові нагрівачі і холодильники

Вони працюють за рахунок зворотного використання термоелементів, через які пропускають електричний струм. При цьому на одному місці спаю відбувається його нагрівання, а на протилежному - охолодження.

Напівпровідникові спаи на основі селену, вісмуту, сурми, телуру дозволяють забезпечити різницю температур в термоелементі до 60 градусів. Це дозволило створити конструкцію холодильного шафи з напівпровідників з температурою в камері охолодження до -16 градусів.

Які у нього особливості? Яка фізика напівпровідників? Як вони побудовані? Що таке провідність напівпровідників? Якими фізичними показниками вони мають?

Що називають напівпровідниками?

Так позначають кристалічні матеріали, які не проводять електрику настільки добре, як це роблять метали. Але все ж цей показник краще, ніж мають ізолятори. Такі характеристики обумовлені кількістю рухомих носіїв. Якщо розглядати в загальному, то тут існує міцна прихильність до ядер. Але при введенні в провідник кількох атомів, припустимо, сурми, яка має надлишок електронів, це положення буде виправлятися. При використанні індію отримують елементи з позитивним зарядом. Всі ці властивості широко застосовуються в транзисторах - спеціальних пристроях, які можуть посилювати, блокувати або пропускати струм тільки в одному напрямку. Якщо розглядати елемент NPN-типу, то можна відзначити значну посилює роль, що особливо буває важливим при передачі слабких сигналів.

Конструктивні особливості, якими володіють електричні напівпровідники

Провідники мають багато вільних електронів. Ізолятори ними взагалі практично не мають. Напівпровідники ж містять і певну кількість вільних електронів, і пропуски з позитивним зарядом, які готові прийняти звільнилися частки. І що найголовніше - вони все проводять Розглянутий раніше тип NPN-транзистора - не єдина можливий напівпровідниковий елемент. Так, існують ще PNP-транзистори, а також діоди.

Якщо говорити про останній коротко, то це такий елемент, що може передавати сигнали тільки в одному напрямку. Також діод може перетворити змінний струм в постійний. Який механізм такого перетворення? І чому він рухається тільки в одному напрямку? Залежно від того, звідки йде струм, електрони і пропуски можуть або розходитися, або йти назустріч. У першому случає через збільшення відстані відбувається переривання подачі постачання, тому і здійснюється передача носіїв негативного напруги тільки в одну сторону, тобто провідність напівпровідників є односторонньою. Адже струм може передаватися виключно в разі, якщо складові частинки знаходяться поруч. А це можливо тільки при подачі струму з одного боку. Ось такі типи напівпровідників існують і використовуються на даний момент.

зонна структура

Електричні і оптичні властивості провідників пов'язані з тим, що при заповненні електронами рівнів енергії вони відокремлені від можливих станів забороненою зоною. Які у неї особливості? Справа в тому, що в забороненій зоні відсутні рівні енергії. За допомогою домішок і дефектів структури це можна змінити. Вища повністю заповнена зона називається валентною. Потім слід дозволена, але порожня. Вона називається зоною провідності. Фізика напівпровідників - досить цікава тема, і в рамках статті вона буде добре освітлена.

стан електронів

Для цього використовуються такі поняття, як номер дозволеної зони і квазіімпульс. Структура першої визначається законом дисперсії. Він говорить про те, що на неї впливає залежність енергії від квазіімпульса. Так, якщо валентна зона є цілком заповненою електронами (які переносять заряд в напівпровідниках), то говорять, що в ній відсутні елементарні збудження. Якщо з якоїсь причини частки немає, то це означає, що тут з'явилася позитивно заряджена квазічастинка - пропуск або діра. Вони є носіями заряду в напівпровідниках в валентної зоні.

вироджені зони

Валентна зона в типовому провіднику є шестикратно вироджених. Це без урахування спін-орбітальної взаємодії та тільки коли квазіімпульс дорівнює нулю. Вона може розщеплюватися при цьому ж умови на дворазово і в чотири рази вироджені зони. Енергетичне відстань між ними називається енергією спін-орбітальної розщеплення.

Домішки і дефекти в напівпровідниках

Вони можуть бути електрично неактивними або активними. Використання перших дозволяє отримувати в напівпровідниках плюсовій або мінусовій заряд, який може бути компенсований появою дірки у валентній зоні або електрона в проведеної зоні. Неактивні домішки є нейтральними, і вони відносно слабко впливають на електронні властивості. Причому часто може мати значення те, яку валентність мають атоми, які беруть участь в процесі передачі заряду, і будова

Залежно від виду і кількості домішок може змінюватися і співвідношення між кількістю дірок і електронів. Тому матеріали напівпровідників повинні завжди ретельно підбиратися, щоб отримати бажаний результат. Цьому передує значна кількість розрахунків, а в подальшому і експериментів. Частинки, які більшість називають основними носіями заряду, є неосновними.

Дозоване введення домішок в напівпровідники дозволяє отримувати пристрої з необхідними властивостями. Дефекти в напівпровідниках також можуть бути в неактивному або активному електричному стані. Важливими тут є дислокація, межузельний атом і вакансія. Рідкі і некристалічні провідники реагують на домішки по-іншому, ніж кристалічні. Відсутність жорсткої структури в кінцевому підсумку виливається в те, що переміщений атом отримує іншу валентність. Вона буде відрізнятися від тієї, з якою він спочатку насичує свої зв'язки. Атому стає невигідно віддавати або приєднувати електрон. В такому випадку він стає неактивним, і тому домішкові напівпровідники мають великі шанси на вихід з ладу. Це призводить до того, що не можна міняти тип провідності за допомогою легування і створити, наприклад, р-n-перехід.

Деякі аморфні напівпровідники можуть змінювати свої електронні властивості під впливом легування. Але це відноситься до них в значно меншій мірі, ніж до кристалічним. Чутливість аморфних елементів до легування можна підвищити за допомогою технологічної обробки. В кінцевому підсумку хочеться відзначити, що завдяки тривалій і наполегливій роботі домішкові напівпровідники все ж представлені цілим рядом результатів з хорошими характеристиками.

Статистика електронів в напівпровіднику

Коли існує то кількість дірок і електронів визначається виключно температурою, параметрами зонної структури та концентрацією електрично активних домішок. Коли розраховується співвідношення, то вважається, що частина частинок буде перебувати в зоні провідності (на акцепторном або донорних рівні). Також береться до уваги той факт, що частина може піти з валентної території, і там утворюються пропуски.

електропровідність

У напівпровідниках, крім електронів, в якості носіїв зарядів можуть виступити і іони. Але їх електропровідність в більшості випадків зневажливо мала. Як виняток можна привести тільки іонні суперпровідника. У напівпровідниках діє три головних механізму електронного переносу:

1. Основний зонний. В цьому випадку електрон починає рухатися завдяки зміні його енергії в межах однієї дозволеної території.
2. Стрибкові перенесення по локалізованим станам.
3. Полярон.

Ексітон

Діра і електрон можуть утворювати зв'язаний стан. Воно називається Ексітоном Ваньє-Мотта. При цьому яка відповідає краю поглинання, знижується на розмір величини зв'язку. При достатній в напівпровідниках може утворитися значна кількість екситонів. При збільшенні їх концентрації відбувається конденсація, і утворюється електронно-діркова рідина.

поверхня напівпровідника

Такими словами позначають кілька атомних шарів, що розташовані біля кордону пристрою. Поверхневі властивості відрізняються від об'ємних. Наявність даних шарів порушує трансляційну симетрію кристала. Це призводить до так званим поверхневим станам і поляритону. Розвиваючи тему останніх, слід ще повідомити і про спінові і коливальні хвилі. Через свою хімічної активності поверхню ховається мікроскопічна шаром сторонніх молекул або атомів, які були адсорбовані з навколишнього середовища. Вони-то і визначають властивості тих кількох атомних шарів. На щастя, створення технології надвисокого вакууму, при якому створюються напівпровідникові елементи, дозволяє отримати і зберегти протягом декількох годин чисту поверхню, що позитивно позначається на якості отримуваної продукції.

Напівпровідник. Температура впливає на опір

Коли температура металів зростає, то зростає і їх опір. З напівпровідниками все навпаки - при таких же умовах цей параметр у них зменшиться. Справа тут в тому, що електропровідність у будь-якого матеріалу (а дана характеристика обернено пропорційна опору) залежить від того, який заряд струму мають носії, від швидкості їх пересування в електричному полі і від їх чисельності в одній одиниці об'єму матеріалу.

У напівпровідникових елементах при зростанні температури зростає концентрація частинок, завдяки цьому збільшується теплопровідність, і зменшується опір. Перевірити це можна при наявності нехитрого набору юного фізика і необхідного матеріалу - кремнію або германію, також можна взяти і зроблений з них напівпровідник. Підвищення температури знизить їх опір. Щоб упевнитися в цьому, необхідно запастися вимірювальними приладами, які дозволять побачити всі зміни. Це в загальному випадку. Давайте розглянемо пару приватних варіантів.

Опір і електростатична іонізація

Це пов'язано з туннелированием електронів, що проходять через дуже вузький бар'єр, який поставляє приблизно одну соту мікрометра. Знаходиться він між краями енергетичних зон. Його поява можливо тільки при нахилі енергетичних зон, який відбувається тільки під впливом сильного електричного поля. Коли відбувається тунелювання (що являє собою квантовомеханічний ефект), то електрони проходять через вузький потенційний бар'єр, і при цьому не змінюється їх енергія. Це тягне за собою збільшення концентрації носіїв заряду, причому в обох зонах: і провідності, і валентної. Якщо розвивати процес електростатичного іонізації, то може виникнути тунельний пробій напівпровідника. Під час цього процесу зміниться опір напівпровідників. Воно є оборотним, і як тільки буде вимкнено електричної поле, то всі процеси відновляться.

Опір і ударна іонізація

В даному випадку дірки і електрони прискорюються, поки проходять довжину вільного пробігу під впливом сильного електричного поля до значень, які сприяють іонізації атомів і розриву однієї з ковалентних зв'язків (основного атома або домішки). Ударна іонізація відбувається лавиноподібно, і в ній лавиноподібно розмножуються носії заряду. При цьому тільки що створені діри і електрони прискорюються електричним струмом. Значення струму в кінцевому результаті множиться на коефіцієнт ударної іонізації, який дорівнює числу електронно-доручених пар, що утворюються носієм заряду на одному відрізку шляху. Розвиток даного процесу в кінцевому підсумку призводить до лавинному пробою напівпровідника. Опір напівпровідників також змінюється, але, як і в випадку з тунельним пробоєм, оборотно.

Застосування напівпровідників на практиці

Особливу важливість цих елементів слід відзначити в комп'ютерних технологіях. Майже не сумніваємося, що вас би не цікавив питання про те, що таке напівпровідники, якби не бажання самостійно зібрати предмет з їх використанням. Неможливо уявити роботу сучасних холодильників, телевізорів, комп'ютерних моніторів без напівпровідників. Чи не обходяться без них і передові автомобільні розробки. Також вони застосовуються в авіа- і космічної техніки. Розумієте, що таке напівпровідники, наскільки вони важливі? Звичайно, не можна сказати, що це єдині незамінні елементи для нашої цивілізації, але й недооцінювати їх теж не варто.

Застосування напівпровідників на практиці зумовлено ще й цілою низкою чинників, серед яких і широка поширеність матеріалів, з яких вони виготовляються, і легкість обробки і отримання бажаного результату, і інші технічні особливості, завдяки яким вибір вчених, які розробляли електронну техніку, зупинився на них.

висновок

Ми докладно розглянули, що таке напівпровідники, як вони працюють. В основі їх опору закладені складні фізико-хімічні процеси. І можемо вас повідомити, що описані в рамках статті факти не дадуть в повній мірі зрозуміти, що таке напівпровідники, по тій простій причині, що навіть наука не вивчила особливості їх роботи до кінця. Але нам відомі їх основні властивості і характеристики, які і дозволяють нам застосовувати їх на практиці. Тому можна пошукати матеріали напівпровідників і самому поекспериментувати з ними, дотримуючись обережності. Хто знає, можливо, в вас дрімає великий дослідник ?!

Теми кодификатора ЄДІ: Напівпровідники, власна і домішкових провідність напівпровідників.

До сих пір, кажучи про здатність речовин проводити електричний струм, ми ділили їх на провідники і діелектрики. Питомий опір звичайних провідників знаходиться в інтервалі Ом · м; питомий опір діелектриків перевищує ці величини в середньому на порядків: Ом · м.

Але існують також речовини, які за своєю електропровідності займають проміжне положення між провідниками і діелектриками. це напівпровідники: Їх питомий опір при кімнатній температурі може приймати значення в дуже широкому діапазоні Ом · м. До напівпровідників відносяться кремній, германій, селен, деякі інші хімічні елементи і з'єднання (Напівпровідники надзвичайно поширені в природі. Наприклад, близько 80% маси земної кори доводиться на речовини, які є напівпровідниками). Найбільш широко застосовують кремній і германій.

Головна особливість напівпровідників полягає в тому, що їх електропровідність різко збільшується з підвищенням температури. Питомий опір напівпровідника зменшується з ростом температури приблизно так, як показано на рис. 1.

Мал. 1. Залежність для напівпровідника

Іншими словами, при низькій температурі напівпровідники ведуть себе як діелектрики, а при високій - як досить хороші провідники. У цьому полягає відмінність напівпровідників від металів: питомий опір металу, як ви пам'ятаєте, лінійно зростає зі збільшенням температури.

Між напівпровідниками і металами є й інші відмінності. Так, освітлення напівпровідника викликає зменшення його опору (а на опір металу світло майже не впливає). Крім того, електропровідність напівпровідників може дуже сильно змінюватися при введенні навіть мізерної кількості домішок.

Досвід показує, що, як і в разі металів, при протіканні струму через напівпровідник не відбувається перенесення речовини. Стало бути, електричний струм в напівпровідниках обумовлений рухом електронів.

Зменшення опору напівпровідника при його нагріванні говорить про те, що підвищення температури призводить до збільшення кількості вільних зарядів в напівпровіднику. В металах нічого такого не відбувається; отже, напівпровідники мають іншим механізмом електропровідності, ніж метали. І причина цього - різна природа хімічного зв'язку між атомами металів і напівпровідників.

ковалентний зв'язок

Металева зв'язок, як ви пам'ятаєте, забезпечується газом вільних електронів, який, подібно до клею, утримує позитивні іони в вузлах кристалічної решітки. Напівпровідники влаштовані інакше - їх атоми скріплює ковалентний зв'язок. Давайте згадаємо, що це таке.

Електрони, що знаходяться на зовнішньому електронному рівні і звані валентними, Слабкіше пов'язані з атомом, ніж інші електрони, які розташовані ближче до ядра. В процесі утворення ковалентного зв'язку два атома вносять «в спільну справу» по одному своєму валентному електрону. Ці два електрона усуспільнюється, тобто тепер належать вже обом атомам, і тому називаються загальної електронної парою (Рис. 2).

Мал. 2. Ковалентний зв'язок

Обобществлённая пара електронів якраз і утримує атоми один біля одного (за допомогою сил електричного притягання). Ковалентний зв'язок - це зв'язок, який існує між атомами за рахунок загальних електронних пар. З цієї причини ковалентний зв'язок називається також парноелектронную.

Кристалічна структура кремнію

Тепер ми готові докладніше вивчити внутрішній устрій напівпровідників. Як приклад розглянемо найпоширеніший в природі напівпровідник - кремній. Аналогічну будову має і другий за важливістю напівпровідник - германій.

Просторова структура кремнію представлена \u200b\u200bна рис. 3 (автор картинки - Ben Mills). Кульками зображені атоми кремнію, а трубки, їх з'єднують, - це канали ковалентного зв'язку між атомами.

Мал. 3. Кристалічна структура кремнію

Зверніть увагу, що кожен атом кремнію скріплений з чотирма сусідніми атомами. Чому так виходить?

Справа в тому, що кремній четирехвалентен - на зовнішній електронній оболонці атома кремнію розташовані чотири валентних електрони. Кожен з цих чотирьох електронів готовий утворити спільну електронну пару з валентним електроном іншого атома. Так і відбувається! В результаті атом кремнію оточується чотирма пристикувався до нього атомами, кожен з яких вносить по одному валентному електрону. Відповідно, навколо кожного атома виявляється по вісім електронів (чотири своїх і чотири чужих).

Більш детально ми бачимо це на плоскій схемою кристалічної решітки кремнію (рис. 4).

Мал. 4. Кристалічні ґрати кремнію

Ковалентні зв'язки зображені парами ліній, що з'єднують атоми; на цих лініях знаходяться загальні електронні пари. Кожен валентний електрон, розташований на такій лінії, більшу частину часу проводить в просторі між двома сусідніми атомами.

Однак валентні електрони аж ніяк не «прив'язані намертво» до відповідних парам атомів. Відбувається перекриття електронних оболонок всіх сусідніх атомів, так що будь-який валентний електрон є спільним надбанням усіх атомів-сусідів. Від деякого атома 1 такий електрон може перейти до сусіднього з ним атому 2, потім - до сусіднього з ним атому 3 і так далі. Валентні електрони можуть переміщатися по всьому простору кристала - вони, як кажуть, належать всьому кристалу (А не який-небудь однієї атомної парі).

Проте, валентні електрони кремнію не є вільними (як це має місце в металі). У напівпровіднику зв'язок валентних електронів з атомами набагато міцніше, ніж в металі; ковалентні зв'язки кремнію розриваються при невисоких температурах. Енергії електронів виявляється недостатньо для того, щоб під дією зовнішнього електричного поля почати впорядкований рух від меншого потенціалу до більшого. Тому при досить низьких температурах напівпровідники близькі до діелектриків - вони не проводять електричний струм.

власна провідність

Якщо включити в електричний ланцюг напівпровідниковий елемент і почати його нагрівати, то сила струму в ланцюзі зростає. Отже, опір напівпровідника зменшується з ростом температури. Чому це відбувається?

При підвищенні температури теплові коливання атомів кремнію стають інтенсивнішими, і енергія валентних електронів зростає. У деяких електронів енергія досягає значень, достатніх для розриву ковалентних зв'язків. Такі електрони залишають свої атоми і стають вільними (або електронами провідності) - точно так само, як в металі. У зовнішньому електричному полі вільні електрони починають впорядкований рух, утворюючи електричний струм.

Чим вище температура кремнію, тим більше енергія електронів, і тим більшу кількість ковалентних зв'язків не витримує і рветься. Число вільних електронів в кристалі кремнію зростає, що і призводить до зменшення його опору.

Розрив ковалентних зв'язків і поява вільних електронів показаний на рис. 5. На місці розірваної ковалентного зв'язку утворюється дірка - вакантне місце для електрона. дірка має позитивний заряд, оскільки з відходом негативно зарядженого електрона залишається нескомпенсований позитивний заряд ядра атома кремнію.

Мал. 5. Освіта вільних електронів і дірок

Дірки не залишаються на місці - вони можуть блукати по кристалу. Справа в тому, що один з сусідніх валентних електронів, «подорожуючи» між атомами, може перескочити на утворилося вакантне місце, заповнивши дірку; тоді дірка в цьому місці зникне, але з'явиться в тому місці, звідки електрон прийшов.

При відсутності зовнішнього електричного поля переміщення дірок носить випадковий характер, бо валентні електрони блукають між атомами хаотично. Однак в електричному полі починається спрямоване рух дірок. Чому? Зрозуміти це нескладно.

На рис. 6 зображений напівпровідник, поміщений в електричне поле. У лівій частині малюнка - початкове положення дірки.

Мал. 6. Рух дірки в електричному полі

Куди зміститься дірка? Ясно, що найбільш вірогідні переходи «електрон\u003e дірка» в напрямку проти ліній поля (тобто до «плюсів», що створює поле). Один з таких перескоків показаний в середній частині малюнка: електрон стрибнув вліво, заповнивши вакансію, а дірка, відповідно, змістилася вправо. Наступний можливий стрибок електрона, викликаний електричним полем, зображений у правій частині малюнка; в результаті цього стрибка дірка зайняла нове місце, розташоване ще правіше.

Ми бачимо, що дірка в цілому переміщується у напрямку ліній поля - тобто туди, куди і годиться рухатися позитивним зарядів. Підкреслимо ще раз, що спрямований рух дірки вздовж поля викликано перескоками валентних електронів від атома до атома, що відбуваються переважно в напрямку проти поля.

Таким чином, в кристалі кремнію є два типи носіїв заряду: вільні електрони і дірки. При накладенні зовнішнього електричного поля з'являється електричний струм, викликаний їх упорядкованим зустрічним рухом: вільні електрони переміщаються протилежно вектору напруженості поля, а дірки - в напрямку вектора.

Виникнення струму за рахунок руху вільних електронів називається електронної провідністю, або провідністю n-типу. Процес упорядкованого переміщення дірок називається доречнийпровідністю, або провідністю p-типу (Від перших букв латинських слів negativus (негативний) і positivus (позитивний)). Обидві провідності - електронна і діркова - разом називаються власноюпровідність напівпровідника.

Кожен догляд електрона з розірваної ковалентного зв'язку породжує пару «вільний електрон-дірка». Тому концентрація вільних електронів в кристалі чистого кремнію дорівнює концентрації дірок. Відповідно, при нагріванні кристала збільшується концентрація не тільки вільних електронів, а й дірок, що призводить до зростання власної провідності напівпровідника за рахунок збільшення як електронної, так і доречний провідності.

Поряд з утворенням пар «вільний електрон-дірка» йде і зворотний процес: рекомбінація вільних електронів і дірок. А саме, вільний електрон, зустрічаючись з діркою, заповнює цю вакансію, відновлюючи розірвану ковалентний зв'язок і перетворюючись в валентний електрон. Таким чином, в напівпровіднику встановлюється динамічна рівновага: Середнє число розривів ковалентних зв'язків і утворюються електронно-доручених пар в одиницю часу дорівнює середньому числу рекомбінуючих електронів і дірок. Цей стан динамічної рівноваги визначає рівноважну концентрацію вільних електронів і дірок в напівпровіднику при даних умовах.

Зміна зовнішніх умов зміщує стан динамічної рівноваги в ту чи іншу сторону. Рівноважне значення концентрації носіїв заряду при цьому, природно, змінюється. Наприклад, число вільних електронів і дірок зростає при нагріванні напівпровідника або при його освітленні.

При кімнатній температурі концентрація вільних електронів і дірок в кремнії приблизно дорівнює см. Концентрація ж атомів кремнію - близько см. Іншими словами, на атомів кремнію припадає лише один вільний електрон! Це дуже мало. У металах, наприклад, концентрація вільних електронів приблизно дорівнює концентрації атомів. відповідно, власна провідність кремнію та інших напівпровідників при нормальних умовах мала в порівнянні з провідністю металів.

домішкових провідність

Найважливішою особливістю напівпровідників є те, що їх питомий опір може бути зменшено на кілька порядків в результаті введення навіть вельми незначної кількості домішок. Крім власної провідності у напівпровідника виникає домінуюча домішкових провідність. Саме завдяки цьому факту напівпровідникові прилади знайшли таке широке застосування в науці і техніці.
Припустимо, наприклад, що в розплав кремнію додано трохи пятивалентного миш'яку. Після кристалізації розплаву виявляється, що атоми миш'яку займають місця в деяких вузлах сформувалася кристалічної решітки кремнію.

На зовнішньому електронному рівні атома миш'яку є п'ять електронів. Чотири з них утворюють ковалентні зв'язки з найближчими сусідами - атомами кремнію (рис. 7). Яка доля п'ятого електрона, що не був зайнятий у виконанні зв'язках?

Мал. 7. Напівпровідник n-типу

А п'ятий електрон стає вільним! Справа в тому, що енергія зв'язку цього «зайвого» електрона з атомом миш'яку, розташованим в кристалі кремнію, набагато менше енергії зв'язку валентних електронів з атомами кремнію. Тому вже при кімнатній температурі майже всі атоми миш'яку в результаті теплового руху залишаються без п'ятого електрона, перетворюючись в позитивні іони. А кристал кремнію, відповідно, наповнюється вільними електронами, які відчепилися від атомів миш'яку.

Наповнення кристала вільними електронами для нас не новина: ми бачили це і вище, коли нагрівався чистий кремній (без будь-яких домішок). Але зараз ситуація принципово інша: поява вільного електрона, який пішов з атома миш'яку, не супроводжується появою рухомий дірки. Чому? Причина та ж - зв'язок валентних електронів з атомами кремнію набагато міцніше, ніж з атомом миш'яку на п'ятій вакансії, тому електрони сусідніх атомів кремнію і не прагнуть цю вакансію заповнити. Вакансія, таким чином, залишається на місці, вона як би «пріморожена» до атома миш'яку і не бере участі в створенні струму.

Таким чином, впровадження атомів пятивалентного миш'яку в кристалічну решітку кремнію створює електронну провідність, але не призводить до симетричного появи доречний провідності. Головна роль у створенні струму тепер належить вільним електронам, які в даному випадку називаються основними носіями заряду.

Механізм власної провідності, зрозуміло, продовжує працювати і при наявності домішки: ковалентні зв'язки як і раніше рвуться за рахунок теплового руху, породжуючи вільні електрони і дірки. Але тепер дірок виявляється набагато менше, ніж вільних електронів, які у великій кількості надані атомами миш'яку. Тому дірки в даному випадку будуть неосновними носіями заряду.

Домішки, атоми яких віддають вільні електрони без появи рівної кількості рухливих дірок, називаються донорними. Наприклад, пятивалентного миш'як - донорная домішка. При наявності в напівпровіднику донорної домішки основними носіями заряду є вільні електрони, а неосновними - дірки; іншими словами, концентрація вільних електронів набагато перевищує концентрацію дірок. Тому напівпровідники з донорними домішками називаються електронними напівпровідниками, або напівпровідниками n-типу (або просто n-напівпровідниками).

А наскільки, цікаво, концентрація вільних електронів може перевищувати концентрацію дірок в n-напівпровіднику? Давайте проведемо простий розрахунок.

Припустимо, що домішка становить, тобто на тисячу атомів кремнію припадає один атом миш'яку. Концентрація атомів кремнію, як ми пам'ятаємо, порядку см.

Концентрація атомів миш'яку, відповідно, буде в тисячу разів менше: см. Такий же виявиться і концентрація вільних електронів, відданих домішкою - адже кожен атом миш'яку віддає по електрону. А тепер згадаємо, що концентрація електронно-доручених пар, що з'являються при розривах ковалентних зв'язків кремнію, при кімнатній температурі приблизно дорівнює см. Відчуваєте різницю? Концентрація вільних електронів в даному випадку більше концентрації дірок на порядків, тобто в мільярд разів! Відповідно, в мільярд разів зменшується питомий опір кремнієвого напівпровідника при введенні такого невеликого кількості домішки.

Наведений розрахунок показує, що в напівпровідниках n-типу основну роль дійсно грає електронна провідність. На тлі настільки колосального переваги чисельності вільних електронів внесок руху дірок в загальну провідність дуже малий.

Можна, навпаки, створити напівпровідник з переважанням діркової провідності. Так вийде, якщо в кристал кремнію впровадити тривалентним домішка - наприклад, індій. Результат такого впровадження показаний на рис. 8.

Мал. 8. Напівпровідник p-типу

Що відбувається в цьому випадку? На зовнішньому електронному рівні атома індію розташовані три електрона, які формують ковалентні зв'язки з трьома оточуючими атомами кремнію. Для четвертого сусіднього атома кремнію у атома індію вже не вистачає електрона, і в цьому місці виникає дірка.

І дірка ця не проста, а особлива - з вельми великою енергією зв'язку. Коли в неї потрапить електрон із сусіднього атома кремнію, він в ній «застрягне навіки», бо тяжіння електрона до атома індію дуже велике - більше, ніж до атомам кремнію. Атом індію перетвориться в негативний іон, а в тому місці, звідки електрон прийшов, виникне дірка - але тепер вже звичайна рухлива дірка у вигляді розірваної ковалентного зв'язку в кристалічній решітці кремнію. Ця дірка звичайним чином почне блукати по кристалу за рахунок «естафетної» передачі валентних електронів від одного атома кремнію до іншого.

І так, кожен домішковий атом індію породжує дірку, але не призводить до симетричного появи вільного електрона. Такі домішки, атоми яких захоплюють «намертво» електрони і тим самим створюють в кристалі рухливу дірку, називаються акцепторними.

Тривалентний індій - приклад акцепторной домішки.

Якщо в кристал чистого кремнію ввести акцепторну домішка, то число дірок, породжених домішкою, буде набагато більше числа вільних електронів, що виникли за рахунок розриву ковалентних зв'язків між атомами кремнію. Напівпровідник з акцепторною домішкою - це дірковий напівпровідник, або напівпровідник p-типу (або просто p-напівпровідник).

Дірки грають головну роль при створенні струму в p-напівпровіднику; дірки - основні носії заряду. Вільні електрони - неосновні носії заряду в p-напівпровіднику. Рух вільних електронів в даному випадку не вносить істотного внеску: електричний струм забезпечується в першу чергу доречнийпровідністю.

p-n-перехід

Місце контакту двох напівпровідників з різними типами провідності (електронною і доречний) називається електронно-дірковий переходом, або p-n-переходом. В області p-n-переходу виникає цікаве і дуже важливе явище - одностороння провідність.

На рис. 9 зображений контакт областей p- і n-типу; кольорові кружечки - це дірки і вільні електрони, які є основними (або неосновними) носіями заряду в відповідних областях.

Мал. 9. Замикаючий шар p-n-переходу

Здійснюючи тепловий рух, носії заряду проникають через кордон розділу областей.

Вільні електрони переходять з n-області в p-область і рекомбінують там з дірками; дірки же дифундують з p-області в n-область і рекомбінують там з електронами.

В результаті цих процесів в електронному напівпровіднику біля кордону контакту залишається нескомпенсований заряд позитивних іонів донорної домішки, а в дірковому полупроводнике (також поблизу кордону) виникає нескомпенсований негативний заряд іонів акцепторної домішки. Ці нескомпенсовані об'ємні заряди утворюють так званий замикаючий шар , Внутрішнє електричне поле якого перешкоджає подальшій дифузії вільних електронів і дірок через кордон контакту.

Підключимо тепер до нашого полупроводниковому елементу джерело струму, подавши «плюс» джерела на n-напівпровідник, а «мінус» - на p-напівпровідник (рис. 10).

Мал. 10. Включення в зворотному напрямку: струму немає

Ми бачимо, що зовнішнє електричне поле веде основні носії заряду далі від кордону контакту. Ширина замикаючого шару збільшується, його електричне поле зростає. Опір замикаючого шару велике, і основні носії не в змозі подолати p-n-перехід. Електричне поле дозволяє переходити кордон лише неосновним носіям, однак з огляду на дуже малій концентрації неосновних носіїв створюваний ними ток дуже малий.

Розглянута схема називається включенням p-n-переходу в зворотному напрямку. Електричного струму основних носіїв немає; є лише мізерно малий струм неосновних носіїв. В даному випадку p-n-перехід виявляється закритим.

Тепер поміняємо полярність підключення і подамо «плюс» на p-напівпровідник, а «мінус» -на n-напівпровідник (рис. 11). Ця схема називається включенням в прямому напрямку.

Мал. 11. Включення в прямому напрямку: струм йде

У цьому випадку зовнішнє електричне поле направлено проти замикаючого поля і відкриває шлях основних носіїв через p-n-перехід. Замикаючий шар стає тоншим, його опір зменшується.

Відбувається масове переміщення вільних електронів з n-області в p-область, а дірки, в свою чергу, дружно спрямовуються з p-області в n-область.

У ланцюзі виникає струм, викликаний рухом основних носіїв заряду (Тепер, правда, електричне поле перешкоджає току неосновних носіїв, але цей незначний фактор не робить помітного впливу на загальну провідність).

Одностороння провідність p-n-переходу використовується в напівпровідникових діодах. Діодом називається пристрій, що проводять струм в лише одному напрямку; в протилежному напрямку струм через діод не проходить (діод, як кажуть, закритий). Схематичне зображення діода показано на рис. 12.

Мал. 12. Діод

В даному випадку діод відкритий в напрямку зліва направо: заряди як би течуть уздовж стрілки (бачите її на малюнку?). У напрямку справа наліво заряди немов впираються в стінку - діод закритий.

Ввипадку ідеальної кристалічної решітки електрони провідності не відчували б при своєму русі ніякого опору, і електропровідність металів була б нескінченно великою. Однак кристалічна решітка ніколи не буває досконалою. Порушення суворої періодичності решітки бувають обумовлені наявністю домішки або вакансій, а також тепловими коливаннями решітки. Розсіювання електронів на атомах домішки і на тих, хто вагається іони призводить до виникнення електричного опору металів.

Досвід показує, що в першому наближенні опір металевих провідників лінійно зростає з температурою по закону:

R \u003d Ro (1 + α t), або R \u003d Ro α Т;

Ρ \u003d ρ про (1 + α t), або ρ \u003d ρ про α Т

Тут t - температура за шкалою Цельсія, Т - абсолютна температура, R 0 (ρ о) - опір (питомий опір) при нульовій температурі за Цельсієм, α - температурний коефіцієнт опору.

Для чистих металів температурний коефіцієнт опору

α \u003d 0,004 К -1. На мал.1а наведено приблизний графік залежності опору металів від абсолютної температури.

Т

рис.1 рис.1б

На відміну від металів, в яких температурна залежність електропровідності визначається рухливістю електронів, внаслідок чого опір зростає при збільшенні температури, головну роль в провідності напівпровідників грає теплова генерація вільних електронів і дірок. Причому концентрації електронів Nе і дірок Ng однакові для власних (чистих) напівпровідників і швидко зростають з ростом температури (див. Розподіл Больцмана):

де Е - ширина забороненої зони, k- постійна Больцмана. Тому з ростом температури електропровідність напівпровідників бистроувелічівается, а опір відповідно швидко зменшується відповідно до формулами:

і r \u003d r про
(3)

Якщо на графіку 1б уявити залежність ln від , То для власних напівпровідників виходить пряма лінія. У разі домішкових напівпровідників концентрація носіїв струму швидко досягає насичення. З ростом температури в великій мірі починає позначатися власна провідність напівпровідників, при високих температурах провідність буде складатися з власної та домішкової. При низьких температурах переважає домішкових провідність, при високих - власна.

Домішкових провідність напівпровідників

Ідеальні кристали, що не містять жодних домішок, зустрічаються дуже рідко. Домішки в кристалах напівпровідників можуть збільшувати кількість електронів або дірок. Було встановлено, що введення одного атома сурми в кубічний сантиметр германію або кремнію призводить до появи одного електрона, а одного атома бору - до появи однієї дірки.

Поява електронної чи доречний провідності при введенні в ідеальний кристал різних домішок відбувається наступним чином. Припустимо, що в кристалі кремнію один з атомів заміщений атомом сурми. Сурма на зовнішній електронній оболонці має п'ять електронів (V група періодичної системи). Чотири електрона утворюють парні електронні зв'язку з чотирма найближчими сусідніми атомами кремнію. Що залишився п'ятий електрон рухатиметься близько атома сурми по орбіті, подібної орбіті електрона в атомі водню, але сила його електричного тяжіння до ядра зменшиться відповідно діелектричної проникності кремнію. Тому, щоб звільнити п'ятий електрон, потрібна незначна енергія, рівна приблизно 0,05 еВ. Слабо пов'язаний електрон легко може бути відірваний від атома сурми під дією теплових коливань решітки при низьких температурах. Така низька енергія іонізації домішкового атома означає, що при температурах близько -100 ° С, всі атоми домішок в германии і кремнії вже іонізовані, а звільнені електрони беруть участь в процесі електропровідності. У цьому випадку основними носіями заряду будуть електрони, тобто тут має місце електронна провідність або провідність n-типу (п - перша буква слова negative) .Після того як «зайвий», п'ятий, електрон знаходиться на відстані, атом сурми стає позитивно зарядженим іоном, що має чотири валентних електрони, як і всі атоми кремнію, т . Е. іон сурми стає заступником кремнію в кристалічній решітці.

Домішки, які зумовлюють виникнення електронної провідності в кристалах, називаються донорами. Для кремнію і германію ними є елементи V групи таблиці Менделєєва - сурма, фосфор, миш'як і вісмут.

Тривалентний атом домішки бору в решітці кремнію веде себе по-іншому. На зовнішній оболонці атома бору є лише три валентних електрони. Значить, не вистачає одного електрона, щоб заповнити чотири валентні зв'язки з чотирма найближчими сусідами. Вільна зв'язок може бути заповнена електроном, який перейшов з будь-якої іншої зв'язку, цей зв'язок заповниться електронами наступній зв'язку і т.д. Позитивна дірка (незаповнена зв'язок) може переміщатися по кристалу від одного атома до іншого (при русі електрона в протилежному напрямку). Коли електрон заповнить відсутню валентну зв'язок, домішковий атом бору стане негативно зарядженим іоном, який заміняє атом кремнію в кристалічній решітці. Дірка буде слабко пов'язана з атомом бору силами електростатичного притягання і буде рухатися біля нього по орбіті, подібної орбіті електрона в атомі водню. Енергія іонізації, тобто енергія, необхідна для відриву дірки від негативного іона бору, буде приблизно дорівнює 0,05 ев. Тому при кімнатній температурі всі тривалентні домішкові атоми іонізовані, а дірки беруть участь в процесі електропровідності. Якщо в кристалі кремнію є домішка тривалентних атомів (III група періодичної системи), то провідність здійснюється в основному дірками Така провідність носить назву доречний або провідності р-типу (р - перша буква слова positive). Домішки, що викликають дірковий провідність, називаються акцепторами. До акцепторам в германии і кремнії відносяться елементи третьої групи періодичної системи: галій, талій, бор, алюміній. Кількість носіїв струму, що виникають при введенні домішки кожного виду окремо, залежить від концентрації домішки і енергії її іонізації в даному напівпровіднику. Однак більшість практично використовуваних домішок при кімнатній температурі повністю ионизировано, тому концентрація носіїв, створювана за цих умов домішками, визначається тільки концентрацією домішки, і в багатьох випадках дорівнює числу введених в напівпровідник атомів домішки.

Кожен атом донорної домішки вносить один електрон провідності, отже, чим більше донорних атомів в кожному кубічному сантиметрі напівпровідника, тим більше концентрація їх перевищує концентрацію дірок, і провідність носить електронний характер. Зворотне положення має місце при введенні акцепторних домішок.

При рівній концентрації донорної і акцепторної домішок в кристалі провідність забезпечуватиметься, як і у власному напівпровіднику, електронами і дірками за рахунок розриву валентних зв'язків. Такий напівпровідник називається компенсованим.

Кількість електрики, що переноситься дірками або електронами, визначається не тільки концентрацією носіїв, а й рухливістю електронів і дірок.

Напівпровідникові сполуки

Поряд з елементарними напівпровідниками в напівпровідниковій техніці знаходять широке застосування напівпровідникові сполуки, одержувані шляхом сплаву або хімічної обробки чистих елементів. Такі закис міді, з якої виготовляють напівпровідникові випрямлячі різноманітних типів, сурм'янистий цинк (SbZn), який використовується для виготовлення напівпровідникових термобатарей, теллурістий свинець (РЬТе), що знайшов застосування для виготовлення фотоелектричних приладів і для негативної гілки термоелементів і багато інших.

Особливий інтерес представляють сполуки типу AIIIBV. Отримують їх шляхом синтезу елементів III і V груп періодичної системи елементів Менделєєва. З сполук цього типу найбільш цікавими напівпровідниковими властивостями володіють AIP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb. По ряду властивостей ці сполуки близькі до напівпровідникових елементів IV групи германію і кремнію. Рухливість носіїв струму в них досягає великих значень; ширина забороненої зони у деяких з цих сполук також велика; домішки, що вводяться в них, змінюють механізм електропровідності; так, деякі атоми II групи поводяться як акцептори, а ряд атомів VI групи - як донори.