Электроны, дырки и нейтральность
Меняй тип примеси и число собственных пар. Раздели подвижные носители и неподвижные ионы.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Условный счёт носителей при полной ионизации выбранной примеси, без количественного расчёта равновесных концентраций и подвижности. В собственном режиме примесь не используется. Общий заряд учитывает закреплённые ионы.
Собственная проводимость: пара электрон — дырка
В чистом полупроводнике часть электронов может получить энергию и перейти в состояния, позволяющие переносить заряд. В прежней связи остаётся вакантное состояние — дырка. Её перемещение удобно описывать как движение положительного носителя.
При собственном возбуждении электрон и дырка образуются парами, поэтому их концентрации равны. Дырка не является протоном, путешествующим по кристаллу; это способ описания последовательного перемещения электронов в почти заполненной системе состояний.
Электрон получил энергию
Стал свободным носителем
В связи осталось вакантное место
Появилась дырка
Соседние электроны перестраиваются
Дырка эффективно перемещается
Дырка — положительный эффективный носитель, а не отдельное положительное ядро.
Почему электроны и дырки дают ток одного условного направления?
Их знаки и направления дрейфа противоположны, поэтому вклады в условный ток складываются.
Температура и свет: меняется число носителей
Нагрев и подходящее освещение могут создавать дополнительные электронно-дырочные пары. В типичном школьном опыте проводимость растёт, а сопротивление уменьшается. Это противоположно обычной температурной тенденции металла.
Реальная зависимость определяется также подвижностью, примесями и температурным диапазоном. Нельзя считать сопротивление любого полупроводника при любых условиях одинаковой линейной функцией температуры. В интерактиве число пар задаётся условно, без обещания универсальной формулы R(T).
| Материал и режим | Основная школьная тенденция |
|---|---|
| Обычный металл при нагреве | Растёт рассеяние, R растёт |
| Собственный полупроводник при нагреве | Растёт число носителей, R обычно падает |
| Освещённый фотопроводник | Генерация пар может увеличить проводимость |
Рост проводимости полупроводника связан с изменением числа и подвижности носителей.
Почему свет не обязан одинаково действовать на любой образец?
Поглощение и создание носителей зависят от энергии излучения, материала и его состояния.
Кремниевая пластина
Кремниевая пластина служит основой полупроводниковых устройств. Малые количества специально введённой примеси существенно меняют проводимость.
FxJ · Public domain · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Солнечные панели в Уайандотте, США
В фотоэлектрическом устройстве свет создаёт носители, а структура материала помогает разделять заряды. Один лишь факт появления пары ещё не гарантирует полезного тока во внешней цепи.
Rmhermen · CC BY-SA 4.0 · Источник фотографии.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Примеси: доноры и акцепторы
В кремнии или германии четырёхвалентные атомы образуют ковалентные связи. Донорная примесь, например пятивалентный фосфор в кремнии, может дать дополнительный электрон проводимости: получается n-тип. Акцепторная, например трёхвалентный бор в кремнии, создаёт условия для дырочной проводимости: p-тип.
После отдачи электрона донор становится неподвижным положительным ионом; акцептор, приняв электрон, — отрицательным. Эти заряды компенсируют свободные носители, поэтому n-тип не означает отрицательный заряд всего образца, а p-тип — положительный.
| Тип | Примесь | Основные носители |
|---|---|---|
| n | Донорная | Электроны |
| p | Акцепторная | Дырки |
| Собственный | Без преобладающей примесной проводимости | Электроны и дырки в равных концентрациях |
Буквы n и p обозначают основные подвижные носители, а не общий заряд кристалла.
Почему образец n-типа может оставаться нейтральным?
Дополнительные электроны компенсируются положительными ионами доноров, закреплёнными в решётке.
Баланс и применение: носители не существуют бесконечно
Генерация увеличивает число электронно-дырочных пар, рекомбинация уменьшает. В равновесии средние скорости процессов совпадают. Даже в примесном полупроводнике присутствуют неосновные носители, хотя их может быть значительно меньше.
Полупроводниковые свойства используют в датчиках температуры и света, диодах и других приборах. Модель сопоставляет собственные пары и примесь, показывает подвижные носители и компенсирующие ионы разными обозначениями. Числа условные и не задают концентрации реального кристалла.
Определить тип
Собственный, n или p
Найти носители
Основные и неосновные
Проверить нейтральность
Учесть закреплённые ионы примеси
Проводимость и электрическая нейтральность описывают разные свойства материала.
Исчезают ли все дырки в n-полупроводнике?
Нет. Электроны являются основными носителями, но дырки могут существовать как неосновные.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 37. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 37. Электрический ток в полупроводниках.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.
Дополнительная проверка: Полупроводники и примеси · OpenStax.