§ 7. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У НАПІВПРОВІДНИКАХ. ВЛАСНА ПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ

• До змісту відповідей

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Згадайте, чому провідники добре проводять електричний струм, а діелектрики — погано.

Провідники добре проводять електричний струм завдяки високій концентрації вільних заряджених частинок, тоді як у діелектриках вільні заряджені частинки майже відсутні.

Чому, на вашу думку, напівпровідники отримали таку назву?

Напівпровідники отримали таку назву тому, що за своєю провідністю вони посідають проміжне місце між провідниками та діелектриками.

1. Якими є особливості провідності напівпровідників?

Основними особливостями провідності напівпровідників є зменшення питомого опору зі збільшенням освітленості, підвищенням температури або введенням певних домішок.

Чому, на вашу думку, напівпровідники називають матеріалами з від’ємним температурним коефіцієнтом опору, на відміну від металів, температурний коефіцієнт опору яких завжди є додатним?

Напівпровідники називають матеріалами з від’ємним температурним коефіцієнтом опору, оскільки їхній опір зменшується при нагріванні, що є процесом, протилежним до збільшення опору в металах.

2. Які особливості внутрішньої будови напівпровідників?

Внутрішня будова напівпровідників характеризується наявністю кристалічної ґратки, де атоми утримуються за допомогою ковалентних зв’язків, утворених спільними парами валентних електронів.

3. Який механізм власної провідності напівпровідників?

Власна провідність напівпровідників зумовлена виникненням вільних електронів та дірок (вакантних місць із позитивним зарядом) унаслідок розриву ковалентних зв’язків між атомами. Під дією електричного поля вільні електрони рухаються до позитивного полюса джерела, а дірки — у протилежному напрямку, створюючи електричний струм, що складається з електронної та діркової складових.

А як насправді?

Насправді в напівпровідниках фізично переміщуються лише електрони: вільні електрони рухаються хаотично або впорядковано в міжатомному просторі, а зв’язані електрони переходять із одного ковалентного зв’язку на вакантне місце (дірку) сусіднього зв’язку. Переміщення дірки є результатом послідовних стрибків зв’язаних електронів, що створює ефект руху позитивного заряду в напрямку, протилежному руху електронів.

4. На чому базується робота термісторів і фоторезисторів?

Робота термісторів базується на властивості напівпровідників суттєво зменшувати свій питомий опір у разі підвищення температури. Робота фоторезисторів ґрунтується на явищі фотопровідності — різкому зменшенні опору напівпровідника під дією світла внаслідок збільшення концентрації вільних носіїв заряду.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Зробіть висновок щодо залежності опору фоторезистора від освітленості.

Питомий опір фоторезистора обернено залежить від рівня освітленості: зі збільшенням інтенсивності світла опір напівпровідникового пристрою зменшується.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Чим напівпровідники відрізняються від металів?

Напівпровідники відрізняються від металів характером залежності опору від зовнішніх чинників: їхній питомий опір зменшується з підвищенням температури та збільшенням освітленості, тоді як у металів опір із нагріванням зростає, а від світла майже не залежить. Також у напівпровідниках існують два типи носіїв заряду (електрони та дірки), а провідність суттєво залежить від наявності домішок, які можуть різко зменшувати опір матеріалу.

2. Як у чистих напівпровідниках з’являються вільні електрони?

Вільні електрони в чистих напівпровідниках з’являються внаслідок розриву ковалентних зв’язків між атомами кристалічної ґратки під впливом зовнішніх чинників, наприклад нагрівання або освітлення. При отриманні достатньої енергії деякі валентні електрони залишають зв’язки та стають вільними носіями заряду.

3. Поясніть механізм діркової провідності.

Після того як електрон залишає валентний зв’язок, на його місці утворюється вакантне місце з надлишковим позитивним зарядом, яке називають діркою. На це місце може перескочити електрон із сусіднього зв’язку, через що дірка з’являється вже в іншому місці. Така послідовність переходів електронів створює ефект руху позитивного заряду в кристалі.

4. Чим зумовлена власна провідність напівпровідників?

Власна провідність напівпровідників зумовлена наявністю в чистому кристалі однакової кількості вільних носіїв заряду двох типів: вільних електронів та дірок.

5. На якій властивості напівпровідників ґрунтується дія термісторів? Де їх застосовують?

Дія термісторів ґрунтується на властивості напівпровідників суттєво змінювати свій питомий опір залежно від температури (зі збільшенням температури опір зменшується). Їх застосовують для контролю та вимірювання температури, а також у схемах захисту електричних пристроїв від перегріву.

6. На якій властивості напівпровідників ґрунтується дія фоторезисторів? Де їх застосовують?

Дія фоторезисторів ґрунтується на властивості напівпровідників змінювати свій питомий опір залежно від рівня освітленості (зі збільшенням освітленості опір зменшується). Фоторезистори застосовують для вимірювання освітленості, у системах сигналізації та автоматики, для сортування виробів на виробництві та в пристроях для запобігання аваріям.

ВПРАВА № 7

1. Виберіть речовини, які мають електронно-діркову провідність: а) алюміній; б) германій; в) залізо; г) мідь; д) кремній.

Електронно-діркову провідність мають речовини: б) германій та д) кремній.

2. Установіть відповідність між середовищем (1–3) і графіком залежності опору середовища від температури (А–Г).

3. Чому внаслідок зменшення освітленості опір фоторезистора збільшується, адже до цього він був освітлений і в ньому з’явилося багато вільних електронів і дірок?

Зі зменшенням освітленості припиняється інтенсивне утворення нових пар електрон-дірка, а вільні носії заряду, що виникли раніше, рекомбінують (електрони повертаються на вакантні місця). Це призводить до зменшення концентрації вільних зарядів у напівпровіднику, внаслідок чого його опір збільшується.

4. Дізнайтеся, як застосовують фоторезистори в космічній галузі.

У космічній галузі фоторезистори застосовують у датчиках сонячної орієнтації для правильного позиціонування космічних апаратів відносно Сонця. Також їх використовують у системах автоматичного розгортання та керування сонячними батареями, у приладах для вимірювання рівня космічної радіації та в оптичних системах зв’язку.