Документ описывает электропроводность жидкостей, газов и полупроводников, выделяя их основные характеристики, такие как электронная и дырочная проводимость. Объясняется, что полупроводники, такие как кремний и германий, имеют уникальные свойства, зависящие от температуры и наличия примесей, что позволяет им использоваться в радиотехнике и вычислительных машинах. Также рассматриваются методы увеличения проводимости полупроводников с помощью добавления донорных и акцепторных примесей.

1. Урок 1. 5. Электропроводность жидкостей, газов и полупроводников
Аннотация
Описывается собственная и примесная проводимость полупроводника,
в том числе электронная и дырочная проводимость.
Чтобы во время выполнения лекции у Вас под рукой был текст
лекции, надо нажать слева на «Щелкните здесь для просмотра этой
лекции (файла)». Необходимо чтобы у Вас на компьютере в
настройках браузера было разрешение на всплывающие окна, иначе
файл не откроется. Файл откроется в выпадающем окне, размеры
которого можно настроить.
Предполагается, что Вы должны ответить на вопросы после
прохождения каждой Страницы лекции. Баллы, полученные Вами за
выполнение каждого задания, суммируются. Попытайтесь
самостоятельно найти ответ на поставленный вопрос, перечитывая и
обдумывая ещё раз соответствующий теоретический материал. Если
Вам это сделать не удаётся, задайте свой вопрос учителю по e-
mail: salima.ader@gmail.com или по Skype: salima.ader.
Или обсудите возникшую проблему с другими учащимися на общем
форуме или чате. За всю Лекцию баллы складываются и заносятся
автоматически в журнал оценок.
Страница 1.5.1. Электропроводность жидкостей, газов и
полупроводников
http://www.youtube.com/watch?v=3RIpbQngkD0
Опыты по изменению электропроводности жидкости 2.45
http://www.youtube.com/watch?v=CAXqwv1yXI0
Молния: причины возникновения. Молниезащита.6.563
Электрический ток проводят твёрдые, жидкие и газообразные тела. Чем эти проводники
отличаются друг от друга?
Мы познакомились с электрическим током в металлических проводниках и с
установленным экспериментально законом Ома. Металлические проводники находят
самое широкое применение в передаче электроэнергии от источников тока к
потребителям. Кроме того, эти проводники используются в электродвигателях и
генераторах, электронагревательных приборах и т. д.
Наряду с металлами хорошими проводниками, то есть веществами с большим
количеством свободных заряженных частиц, являются водные растворы или расплавы
электролитов и ионизованный газ - плазма. Эти проводники также широко используются в
технике.
Кроме проводников и диэлектриков (веществ со сравнительно небольшим количеством
свободных заряженных частиц), имеется группа веществ, проводимость которых занимает
промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества не
настолько хорошо проводят электричество, чтобы их назвать проводниками, но и не
настолько плохо, чтобы их отнести к диэлектрикам. Поэтому они получили название
полупроводников.
Долгое время полупроводники не играли заметной практической роли. В электротехнике
и радиотехнике применяли исключительно различные проводники и диэлектрики.
1

2. Положение существенно изменилось, когда сначала была предсказана теоретически, а
затем обнаружена и изучена легко осуществимая возможность управления электрической
проводимостью полупроводников.
Для передачи электрической энергии по проводам применяют проводники.
Полупроводники применяют в качестве элементов, преобразующих ток в
радиоприемниках, вычислительных машинах и т. д.
Страница 1.5.2. Электропроводность полупроводников
В чём главное отличие полупроводников от проводников? Какие особенности строения
полупроводников открыли им доступ во все радиоустройства, телевизоры и компьютеры?
Отличие проводников от полупроводников особенно проявляется при анализе
зависимости их электропроводимости от температуры. Исследования показывают, что у
ряда элементов (кремний, германий, селен и др.) и соединений (PbS, CdS, GaAs и др.)
сопротивление с увеличением температуры не растёт. А, наоборот, резко уменьшается
(рис.1).
Рис. 1
Такие вещества и называют полупроводниками.
Зависимость сопротивления полупроводников от температуры, а также от освещённости
объясняется особенностями внутреннего строения веществ-полупроводников. Типичными
полупроводниками являются германий и кремний. Их атомы во внешней оболочке имеют
четыре валентных электрона.
Рассмотрим кристалл кремния. Каждый атом кремния в кристалле связан ковалентными
связями с четырьмя соседними атомами. Так как кремний четырехвалентен, образование
четырёх ковалентных пар электронов приводит к заполнению внешнего электронного
слоя каждого атома.
В результате все электроны в кристалле кремния оказываются связанными, и на внешних
оболочках атома нет мест, не занятых электронами (рис. 2).
2

3. Рис. 2
При невысоких температурах ковалентная связь между атомами полупроводников
достаточно прочная. С повышением температуры энергия валентных электронов
повышается. Некоторые из них отрываются от атомов и становятся свободными
электронами или, как их ещё называют, электронами проводимости.
Освободившийся электрон не может быть захвачен соседним атомом, так как все его
валентные связи заняты своими электронами. Поэтому под действием внешнего
электрического поля свободные электроны могут перемещаться, создавая электрический
ток. Чем выше температура, тем больше число свободных электронов, тем выше
электронная проводимость полупроводников. И, наоборот: при понижении температуры
электронная проводимость уменьшается.
Рис. 3
Рассмотрим, как возникает дырочная проводимость.
Когда валентный электрон покидает свою пару и становится свободным, на его месте в
электронной паре образуется вакансия, называемая дыркой. Поскольку в этом месте не
хватает электрона, то дырка имеет положительный заряд.
Это вакантное место может быть заполнено валентным электроном, который расположен
по соседству с ней. Но тогда уже на месте этого электрона возникнет дырка, которая
также может заполниться валентным электроном.
Фактически, дырка ведёт себя также как электрон — она хаотично перемещается по
всему объёму проводника, перескакивая из одной пары в другую.
Так возникает дырочная проводимость.
Мы рассмотрели механизм проводимости чистых полупроводников. Проводимость при
этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников (рис. 3).
3

4. Рис. 3
Проводимость чистых полупроводников (собственная проводимость) осуществляется
перемещением свободных электронов (электронная проводимость) и перемещением
дырок (дырочная проводимость). Собственная проводимость чистых полупроводников
является электронно-дырочной.
Страница 1.5.2. Примесная проводимость полупроводников
Возникновение донорной проводимости.
Проводимость полупроводника существенно увеличивается при добавлении в него
примеси другого вещества: в этом случае проводимость называют примесной. Атомы
примеси должны иметь валентность, отличающуюся от валентности данного
полупроводника. Например, если к четырёхвалентному полупроводнику добавить
пятивалентные атомы (фосфор, сурьма, мышьяк), то у каждого из этих атомов один из
валентных электронов оказывается лишним при образовании электронных пар с
соседними атомами (рис. 4).
4

5. Рис. 4
Такой электрон очень легко отрывается от атома и становится электроном проводимости.
Примеси, легко отдающие электроны, называют донорными. В полупроводниках с
донорными примесями электроны являются основными носителями заряда.
Поскольку электроны заряжены отрицательно, такие полупроводники условились
называть полупроводниками n -типа (от англ. negative - отрицательный). Дырки в
полупроводниках n -типа - неосновные носители заряда.
Возникновение акцепторной проводимости.
Если к четырёхвалентному полупроводнику добавить трёхвалентные атомы (бор, индий,
алюминий), то у каждого из этих атомов не будет хватать одного валентного электрона
для образования электронных пар с соседними атомами (рис. 5).
Рис. 5
В том месте, где не хватает электрона, образуется дырка. Примеси, которые образуют
дырки, называются акцепторными. Поскольку дырки заряжены положительно, такие
полупроводники принято называть полупроводниками p -типа (от англ. positive -
положительный). Если доля атомов примеси составляет всего одну миллионную или даже
десятимиллионную часть от общего числа атомов, то концентрация свободных носителей
заряда в таком полупроводнике больше, чем в химически чистом полупроводнике, в сотни
и даже в тысячи раз. При соединении полупроводников n - и p -типов на их границе
проявляются весьма интересные свойства. Эти свойства будут рассмотрены в следующем
уроке.
Вопросы и задания для самопроверки
1. Какие вещества являются хорошими проводниками?
2. Чем отличаются проводники от полупроводников? 1. Какую связь называют
ковалентной?
3. В чём состоит различие зависимости сопротивления полупроводников и
металлов от температуры?
4. Какие подвижные носители зарядов имеются в чистом полупроводнике?
5. Что происходит при встрече электрона с дыркой?
6. Почему сопротивление полупроводников сильно зависит от наличия примесей?
5

6. 7. Какие носители заряда являются основными в полупроводнике с акцепторной
примесью?
8. Какую примесь надо ввести в полупроводник, чтобы получить полупроводник
n -типа?
9. Доказать рассуждением, что соединение InAs (арсенид индия), в котором
количества (в молях) индия и мышьяка одинаковы, обладает проводимостью
типа собственной проводимости элементов четвёртой группы ( Ge , Si ). Какого
типа будет проводимость при увеличении концентрации индия? мышьяка?
10. Для получения примесной проводимости нужного типа в полупроводниковой
технике часто применяют фосфор, галлий, мышьяк, индий, сурьму. Какие из
этих элементов можно ввести в качестве примеси в германий, чтобы получить
электронную проводимость? Ответ объясните.
6