Електричний струм у напівпровідниках. Власна провідність напівпровідників

Фізика 9 клас · § 7 · Бар'яхтяр та ін., 2026

Що ми вже знаємо?

Провідники

Мають вільні електрони, добре проводять струм

Мідь, срібло, алюміній

Діелектрики

Вільних носіїв заряду майже немає

Скло, гума, пластик

Питання уроку

Чи існує щось «між» провідником і діелектриком?

Напівпровідники — особливий клас речовин

  • Питомий опір — між провідниками та діелектриками: від 10⁻³ до 10⁷ Ом·м
  • Найпоширеніші: кремній (Si) і германій (Ge) — елементи IV групи таблиці Менделєєва
  • Також: бор, фосфор, миш'як, селен, телур та сотні сполук

Порівняння: провідники, напівпровідники, діелектрики

Питомий опір матеріалів різних класів

Кристалічна будова напівпровідників

Будова кристалічної ґратки Si і Ge

  • Кожен атом має 4 валентних електрони на зовнішній оболонці
  • У кристалі кожен атом утворює 4 ковалентних зв'язки з чотирма сусідніми атомами
  • Усі електрони «зайняті» у зв'язках → при низькій температурі вільних носіїв немає

Що відбувається при нагріванні?

1

Тепловий рух

Енергія теплових коливань розриває ковалентні зв'язки

2

Вільний електрон

Звільнений електрон рухається по кристалу → електронна провідність

3

Дірка

На місці розірваного зв'язку — вакантне місце з позитивним зарядом

Дірка — новий носій заряду

  • Дірка — вакантне місце в ковалентному зв'язку, поводиться як частинка з позитивним зарядом
  • Сусідній електрон може «перескочити» на місце дірки → дірка «переміщується» у протилежному напрямку
  • У зовнішньому полі: електрони — проти поля, дірки — за полем

Дірки поводяться як частки з позитивним зарядом, рівним заряду електрона.

Власна провідність напівпровідників

Що таке власна провідність?

Провідність чистого (без домішок) напівпровідника, зумовлена тепловим збудженням

Носії заряду

Кількість вільних електронів = кількість дірок — завжди рівні!

Повний струм

Електронна провідність + діркова провідність

Залежність провідності від температури

Закономірності

  • ↑ Температура → більше розривів зв'язків → більше пар «електрон + дірка» → провідність зростає
  • ↓ Температура → менше вільних носіїв → провідність падає
  • При температурі, близькій до абсолютного нуля (0 К), напівпровідник поводиться як діелектрик

Термістор — датчик температури

Що таке термістор?

Термістор — напівпровідниковий резистор, опір якого різко змінюється з температурою.

  • При нагріванні опір зменшується (на відміну від металевих резисторів)
  • Висока чутливість до змін температури

Застосування

  • Електронні термометри
  • Системи захисту від перегріву
  • «Розумний» будинок

Фоторезистор — датчик світла

Що таке фоторезистор?

Фоторезистор — напівпровідниковий резистор, опір якого залежить від освітленості.

  • Світло вибиває електрони з ковалентних зв'язків → кількість носіїв зростає → опір падає
  • Реагує навіть на незначні зміни освітленості

Застосування

  • Автоматичне вуличне освітлення
  • Фотокамери та експонометри
  • Охоронні сигналізації

Напівпровідники навколо нас

Смартфони та комп'ютери

Процесори на основі кремнію — мільярди транзисторів в одному чіпі

Сонячні панелі

Перетворення світла на електрику завдяки фотоефекту в Si

Світлодіоди (LED)

Освітлення, екрани, медична діагностика

Медицина

Датчики пульсу, глюкометри, томографи

Підсумок уроку

Напівпровідники

Речовини з питомим опором між провідниками та діелектриками (10⁻³ – 10⁷ Ом·м)

Носії заряду

Вільні електрони (–) і дірки (+) виникають парами при розриві ковалентних зв'язків

Власна провідність

Провідність чистого напівпровідника; зростає з температурою — на відміну від металів

Прилади

Термістор — реагує на температуру; Фоторезистор — реагує на світло

Запитання для самоперевірки

  1. Чим напівпровідники відрізняються від провідників і діелектриків?
  1. Що таке «дірка» і як вона виникає?
  1. Чому провідність напівпровідника зростає при нагріванні?
  1. Де в повсякденному житті використовуються термістори та фоторезистори?
  1. Чому при температурі, близькій до 0 К, напівпровідник не проводить струм?