g9f-1.3· Глава 1: Электрический ток в различных средах· ~13 мин

Полупроводники

Собственная и примесная проводимость, p-n переход, диод

Полупроводники — это вещества, которые по электропроводности занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками; наиболее распространены среди них кремний (Si) и германий (Ge). В чистом полупроводнике возникает собственная проводимость: под действием температуры или света ковалентная связь разрывается, образуется свободный электрон и на его месте — положительная «дырка»; ток переносят как электроны, так и дырки. При добавлении примеси к полупроводнику возникает примесная проводимость: донорная примесь даёт полупроводник n-типа (основные носители — электроны), а акцепторная примесь — полупроводник p-типа (основные носители — дырки). На границе полупроводников n- и p-типа образуется p-n переход; он пропускает ток только в одном направлении и составляет основу полупроводникового диода.

📌Пример

Например: если у металла при повышении температуры сопротивление растёт, то в полупроводнике из-за появления новых носителей заряда сопротивление УМЕНЬШАЕТСЯ — это важная особенность, отличающая полупроводники от металлов.

Ключевые термины

Полупроводник — Вещество, занимающее по электропроводности промежуточное положение между металлами и диэлектриками; наиболее распространены кремний (Si) и германий (Ge).
Собственная проводимость — Образование свободного электрона и дырки в чистом полупроводнике вследствие разрыва ковалентной связи под действием температуры или света.
Дырка — Свободное место в разорванной ковалентной связи, где недостаёт электрона; ведёт себя как носитель положительного заряда.
Донорная примесь — Примесь с избыточным валентным электроном (пятивалентная); отдаёт дополнительный свободный электрон и создаёт полупроводник n-типа.
Акцепторная примесь — Примесь с недостатком валентного электрона (трёхвалентная); создаёт дополнительную дырку и образует полупроводник p-типа.
p-n переход (диод) — Граница контакта полупроводников n- и p-типа; пропускает ток только в одном направлении и составляет основу диода.
Сравнение полупроводников n-типа и p-типа
ТипПримесьВалентность примесиОсновной носитель
n-типДонор5-валентная (напр., фосфор)Электрон
p-типАкцептор3-валентная (напр., бор)Дырка

Si и Ge четырёхвалентны; донор даёт лишний электрон, а акцептор — дырку.

Зависимость металла и полупроводника от температуры
СредаКоличество носителейСопротивление при повышении температуры
МеталлПостоянноеВозрастает (увеличивается число столкновений)
ПолупроводникПоявляются новые носителиУменьшается

Это различие — важная особенность, отличающая полупроводники от металлов.

✎Ток через нагреваемый полупроводник
  1. 1Дано: U=6U = 6 В (постоянно), I0=0,2I_0 = 0{,}2 А; при нагревании сопротивление уменьшается в 3 раза.
  2. 2Начальное сопротивление: Закон Ома: R0=U/I0=6/0,2=30R_0 = U / I_0 = 6 / 0{,}2 = 30 Ом.
  3. 3Новое сопротивление: R=R0/3=30/3=10R = R_0 / 3 = 30 / 3 = 10 Ом.
  4. 4Новая сила тока: I=U/R=6/10=0,6I = U / R = 6 / 10 = 0{,}6 А.
  5. 5Вывод: Так как сопротивление уменьшилось, сила тока увеличивается с 0,2 А до 0,6 А, то есть в 3 раза.
✎Во сколько раз освещённость изменяет сопротивление
  1. 1Дано: Напряжение постоянно; в темноте I1=0,02I_1 = 0{,}02 А, на свету I2=0,10I_2 = 0{,}10 А.
  2. 2Соотношение: Так как UU постоянно, R=U/IR = U / I, то есть сопротивление обратно пропорционально силе тока.
  3. 3Отношение: R1/R2=I2/I1=0,10/0,02=5R_1 / R_2 = I_2 / I_1 = 0{,}10 / 0{,}02 = 5.
  4. 4Вывод: Так как свет создаёт дополнительные носители заряда, сопротивление уменьшается в 5 раз.
🚫Частая ошибка

Многие говорят: «при повышении температуры сопротивление растёт» — это относится к металлу. В полупроводнике из-за появления новых носителей сопротивление УМЕНЬШАЕТСЯ.

⚠️Внимание

Не путайте донор (n-тип, электрон) и акцептор (p-тип, дырка): донор — пятивалентный, отдаёт лишний электрон, акцептор — трёхвалентный, создаёт дырку.

⚠️Внимание

Диод не симметричен: он пропускает ток только в прямом направлении, в обратном направлении его сопротивление очень велико, и он практически не пропускает ток.

💡Заметка

При собственной проводимости каждая разорванная связь одновременно создаёт один электрон и одну дырку, поэтому в чистом веществе их количество одинаково.

💡Заметка

Запомните: под действием света проводимость полупроводника увеличивается (сопротивление уменьшается) — на этом явлении основаны фоторезистор и солнечная батарея.

Правила

  1. 1В полупроводниках ток переносят электроны и дырки.
  2. 2n-тип: донорная примесь, основной носитель — электрон; p-тип: акцепторная примесь, основной носитель — дырка.
  3. 3p-n переход (диод) пропускает ток только в одном направлении.
  4. 4С повышением температуры сопротивление полупроводника уменьшается (в отличие от металла).

Тренировка

15 лёгких · 15 средних · 15 сложных

В каждом тесте — 10 случайных вопросов

ЛёгкийСреднийСложныйМикс