Электрический ток в полупроводниках. Термо- и фоторезисторы. Фотогальванические элементы.

Существует целый класс веществ, которые по электропроводности невозможно отнести ник проводникам, ни к диэлектрикам. Такие вещества называются полупроводниками. Они находятся в середине таблицы Менделеева. К ним относятся: кремний, германий, селен, теллур, индий, сурьма, мышьяк и некоторые химические соединения.

Известно, что в проводниках между узлами кристаллической решётки имеются свободные электроны, а у диэлектриков свободных электронов нет: все электроны связаны с атомами. А в полупроводниках картина иная. В атомах полупроводников электроны на внешней электронной оболочке держатся слабо и при каком-либо физическом воздействии (тепло, освещение, радиация) они отрываются от атомов и становятся свободными. На их месте возникают вакансии «дырки». Чем сильнее действие физического фактора, тем больше электронно-дырочных пар, следовательно, полупроводник лучше пропускает ток. В чистом полупроводнике, в любой момент времени, количество электронов равно количеству дырок. Под действием электрического поля электроны движутся к положительному полюсу источника, а дырки – к отрицательному полюсу:

Отсюда видно, что электроны и дырки в электрическом поле движутся в противоположных направлениях. При этом дырки ведут себя точно так же, как положительно заряженные частицы и на схеме они обозначаются кружочками с плюсом. На самом деле дырка – это вовсе не частица. А её отсутствие там, где она должна быть (речь идёт об электроне).

При понижении интенсивности действия физического фактора, число электронно-дырочных пар снижается и полупроводник начинает хуже проводить ток. Куда же при этом деваются электронно-дырочные пары? Здесь всё просто: электроны прыгают в дырки и при этом исчезает дырка и перестаёт электрон существовать как свободная частица. Проще говоря, электрон и дырка друг друга уничтожают. Такой процесс называется рекомбинацией. Значит, если мы будем держать полупроводник при температуре 0 К и в полной темноте, то при этом все электроны рекомбинируют с дырками и полупроводник тока пропускать вообще не будет, то есть будет вести себя как диэлектрик.

Можно ли на практике использовать зависимость сопротивления полупроводников от физических факторов? Да, можно. Можно из полупроводника изготовить элемент, очень чувствительный к температуре. Такой элемент называется терморезистором.

При повышении температуры, сопротивление терморезистора падает и он начинает лучше проводить ток. Это на практике используется в электронных термометрах, где в качестве датчика температуры используется терморезистор.

Можно также изготовить элемент, обладающий высокой чувствительностью к световому потоку, падающему на него. Такой элемент называется фоторезистором. Когда на него падает свет, то его сопротивление уменьшается. Его используют в качестве фотодатчика в различных устройствах автоматики. В частности, прибор для определения мутности растворов имеет такие фоторезисторы. В фотоаппараты тоже ставятся фоторезисторы. Ниже приводятся их условные графические изображения:

Терморезистор Фоторезистор

Существуют полупроводниковые приборы, которые превращают световую энергию непосредственно в электрический ток. Такие приборы называются фотогальваническими элементами. Ниже приводится устройство одного из них и его условное графическое изображение

С В Е Т

Они используются в качестве фотодатчиков в измерителях освещённости – в люксметрах. Они также ставятся в некоторых микрокалькуляторах в качестве дополнительных источников питания. Из множества таких элементов собираются солнечные батареи. Такие батареи очень удобны, так как они дают совершенно бесплатную электрическую энергию. Их удобно применять в тех местах, где нет электросети и применение химических источников тока затруднено.