§ 8. ДОМІШКОВА ПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ. ЕЛЕКТРОННО-ДІРКОВИЙ ПЕРЕХІД

• До змісту відповідей

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Який розмір мав би ваш смартфон?

Якби замість мільйонів мікротранзисторів у сучасному процесорі використали вакуумні тріоди, смартфон мав би розмір великої будівлі або декількох кімнат.

1. Як на провідність напівпровідників впливають домішки?

Додавання навіть невеликої кількості домішок суттєво підвищує провідність напівпровідника, оскільки кожний атом домішки створює в кристалі вільний носій заряду — електрон або дірку.

2. Які домішки називають донорними?

Донорними називають домішки, атоми яких відносно легко віддають електрони, що призводить до значного підвищення концентрації вільних електронів у напівпровіднику.

Які вільні носії заряду та чому будуть переважати в індії (індій — тривалентний елемент), якщо в нього додати невелику кількість кремнію?

В індії будуть переважати вільні електрони, оскільки кремній є чотиривалентним елементом, а індій — тривалентним; у такому разі атоми кремнію віддаватимуть “зайві” валентні електрони, виконуючи роль донорної домішки.

3. Які домішки називають акцепторними?

Акцепторними називають домішки, атоми яких «запозичують» електрони у атомів основного напівпровідника, внаслідок чого в кристалі утворюються вільні носії заряду — дірки.

4. Як утворюється електронно-дірковий перехід?

Електронно-дірковий перехід утворюється під час контакту двох напівпровідників із різними типами провідності: $p$-типу та $n$-типу. Внаслідок дифузії вільні електрони з $n$-ділянки переходять у $p$-ділянку, а дірки — у протилежному напрямку, де вони частково рекомбінують. Це призводить до того, що $n$-ділянка біля межі контакту набуває позитивного заряду, а $p$-ділянка — негативного, утворюючи подвійний запірний шар.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Поясніть спостережувані явища.

У разі прямого ввімкнення світлодіода, коли позитивний полюс джерела з’єднаний із $p$-ділянкою, а негативний — із $n$-ділянкою, через електронно-дірковий перехід проходить електричний струм, що викликає світлове випромінювання. При зміні полярності на зворотну $p$-$n$ перехід чинить дуже великий опір, тому електричний струм у колі практично відсутній і світлодіод не світиться.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Як і чому зміниться опір чистого напівпровідника, якщо додати домішку?

Опір чистого напівпровідника значно зменшиться після додавання домішки. Це відбувається тому, що кожен атом домішки створює в кристалічній ґратці додатковий вільний носій заряду (електрон або дірку), що суттєво збільшує провідність матеріалу порівняно з чистим напівпровідником.

2. Яку домішку називають донорною?

Донорною називають домішку, атоми якої відносно легко віддають свої валентні електрони. У напівпровідниках із такою домішкою концентрація вільних електронів значно перевищує концентрацію дірок, завдяки чому вони стають напівпровідниками $n$-типу.

3. Яку домішку потрібно ввести, щоб отримати напівпровідник p-типу?

Для отримання напівпровідника p-типу до чистого напівпровідника необхідно ввести акцепторну домішку, тобто атоми елемента з меншою валентністю.

4. Які властивості має ділянка контакту двох напівпровідників із різними типами провідності? Як називають цю ділянку?

Ділянку контакту двох напівпровідників із різними типами провідності називають електронно-дірковим переходом або p-n-переходом. Ця ділянка має властивість однобічної провідності: вона добре пропускає електричний струм в одному напрямку (прямому) і практично не пропускає його в протилежному (зворотному).

5. Що таке напівпровідниковий діод? Наведіть його позначення на електричній схемі.

Напівпровідниковий діод — це напівпровідниковий пристрій, у внутрішній будові якого сформований один p-n-перехід. На електричній схемі він позначається трикутником, вершина якого впирається в коротку вертикальну риску, з лініями виводів по боках.

ВПРАВА № 8

1. Які з наведених тверджень є істинними?

Істинними є твердження А (Напівпровідник з акцепторною домішкою є напівпровідником p-типу) та В (Опір p-n-переходу залежить від напрямку струму).

2. На рис. 1 наведено схему прямого ввімкнення напівпровідника з p-n-переходом у коло. Якою є полярність під’єднання джерела струму до клем А і В?

Для прямого ввімкнення необхідно під’єднати позитивний полюс джерела до p-ділянки, а негативний — до n-ділянки. Клема $A$ приєднана до негативного полюса джерела струму, клема $B$ — до позитивного.

3. Визначте загальну силу струму в ділянці кола (рис. 2), якщо напруга між точками А і В дорівнює 16 В. Діод вважайте ідеальним. Якою буде сила струму, якщо змінити полярність підключення джерела струму?

Дано:
$U = 16\text{ В}$
$R_1 = 4\text{ Ом}$
$R_2 = 3\text{ Ом}$
$R_3 = 1\text{ Ом}$

Знайти:
$I_1$ — ?
$I_2$ — ?

Розв’язання:

Випадок 1 (пряме підключення: А «+», В «–»):

Діод увімкнений у прямому напрямку, його опір дорівнює нулю.
Опір верхньої гілки:
$R_{\text{в}} = R_1 = 4\text{ Ом}$.
Опір нижньої гілки (послідовне з’єднання):
$R_{\text{н}} = R_2 + R_3 = 3\text{ Ом} + 1\text{ Ом} = 4\text{ Ом}$.
Оскільки гілки з’єднані паралельно, загальний опір ділянки:
$R_{\text{заг1}} = \dfrac{R_{\text{в}} \cdot R_{\text{н}}}{R_{\text{в}} + R_{\text{н}}} = \dfrac{4 \cdot 4}{4 + 4} = 2\text{ Ом}$.
За законом Ома для ділянки кола загальна сила струму:
$I_1 = \dfrac{U}{R_{\text{заг1}}} = \dfrac{16\text{ В}}{2\text{ Ом}} = 8\text{ А}$.

Випадок 2 (зміна полярності: А «–», В «+»):

Діоди будуть закриті й не пропускатимуть струм, тому:

I = 0.

Відповідь: $8\text{ А}$; після зміни полярності струм становитиме 0.

4. Електричне коло (рис. 3) складається з п’яти однакових резисторів опором 2 Ом, двох ідеальних діодів і джерела струму. Визначте загальний опір кола до і після зміни полярності підключення джерела струму.

Дано:
$R = 2\text{ Ом}$

Знайти:
$R_{\text{заг1}}$ — ?
$R_{\text{заг2}}$ — ?

Розв’язання:

За початкового підключення струм протікає зліва направо. Діод $Д_1$ має зворотне зміщення (закритий), тому струм через резистор 4 не йде. Діод $Д_2$ має пряме зміщення (відкритий). Резистори 1 і 2 з’єднані послідовно, а резистори 3 і 5 утворюють паралельну ділянку.

$R_{\text{заг1}} = (R_1 + R_2) + \dfrac{R_3 \cdot R_5}{R_3 + R_5}$
$R_{\text{заг1}} = (2 + 2) + \dfrac{2 \cdot 2}{2 + 2} = 4 + 1 = 5\text{ Ом}$

Після зміни полярності підключення струм протікає справа наліво. Діод $Д_2$ має зворотне зміщення (закритий), тому струм через гілку з резистором 3 не йде. Діод $Д_1$ відкритий. Струм проходить через резистор 5, після чого паралельно розгалужується на гілку з резистором 4 та гілку з послідовними резисторами 1 і 2.

$R_{\text{заг2}} = R_5 + \dfrac{(R_1 + R_2) \cdot R_4}{(R_1 + R_2) + R_4}$
$R_{\text{заг2}} = 2 + \dfrac{4 \cdot 2}{4 + 2} = 2 + \dfrac{8}{6} = 3\dfrac{1}{3}\text{ Ом}$

Відповідь: $R_{\text{заг1}} = 5\text{ Ом}$; $R_{\text{заг2}} = 3\dfrac{1}{3}\text{ Ом}$.

5. У червні 2015 р. сонячна енергія вперше випередила інші джерела енергії в Євросоюзі. Вона забезпечила 22,1 % споживання, випередивши атомну енергетику. Дізнайтеся, яке відношення має сонячна енергетика до напівпровідників.

Сонячна енергетика безпосередньо базується на напівпровідникових технологіях:

1. Основа сонячних батарей: Головним елементом сонячних електростанцій є фотоелементи (сонячні комірки), які виготовляють із напівпровідників — переважно монокристалічного або полікристалічного кремнію ($Si$).
2. Вентильний фотоефект: У сонячній комірці створено напівпровідниковий $p$-$n$-перехід. Коли сонячне світло потрапляє на поверхню панелі, енергія фотонів вибиває електрони із ковалентних зв’язків, утворюючи пари вільних електронів і дірок.
3. Генерація струму: Внутрішнє електричне поле $p$-$n$-переходу розділяє ці заряди: вільні електрони спрямовуються в $n$-ділянку, а дірки — у $p$-ділянку. Між електродами виникає фотоелектрорушійна сила (фото-ЕРС), що забезпечує постійний електричний струм у підключеному навантаженні.