Урок № 41-169 Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковый диод. Полупроводниковые приборы.

Полупроводник — вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры., а это значит, что электрическая проводимость увеличивается. Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Механизм проводимости у полупроводников

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями. При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик. Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью (невелика).

Собственная проводимость бывает двух видов:

1)электронная (проводимость «п «-типа) При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; При увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны — сопротивление уменьшается.

Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля. Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

2)дырочная (проводимость «р»-типа). При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном — «дырка». Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение «дырки» равноценно перемещению положительного заряда. Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны нагреванием, освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей.

Зависимость R (t ): термистор

— дистанционное измерение t;

— противопожарная сигнализация

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей «р» и «n » -типов и называется электронно-дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

У них существует собственная и примесная проводимость. Наличие примесей сильно увеличивает проводимость. При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока — электронов и дырок. Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников. Существуют следующие примеси:

1) донорные примеси (отдающие) — являются дополнительными

поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике. Это проводники » n » — типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда — электроны, а неосновной — дырки. Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью (пример – мышьяк).

2) акцепторные примеси (принимающие) создают «дырки», забирая в себя электроны. Это полупроводники » р «- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда –

дырки, а неосновной — электроны. Такой полупроводник обладает

дырочной примесной проводимостью (пример – индий).

Электрические свойства «р- n » переходов.

«р-п» переход (или электронно-дырочный переход) — область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия, электронов и дырок и образуется запирающий

электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует

дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

В нешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя. При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля ток проходит через границу двух полупроводников. Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны,

переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

П ри запирающем (обратном направлении внешнего электрического поля) ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет. Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой

утолщается, его сопротивление увеличивается.

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковый диод — полупроводник с одним «р-п» переходом.

П олупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

При наложении электрического поля: в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном — сопротивление мало.

Транзисторы. (от английских слов transfer — переносить, resistor – сопротивление)

Рассмотрим один из видов транзисторов из германия или кремния с введенными в них донорными и акцепторными примесями. Распределе­ние примесей таково, что создает­ся очень тонкая (порядка несколь­ких микрометров) прослойка полупроводника п-типа между дву­мя слоями полупроводника р-типа (см. рис.).

Эту тонкую прослойку называют основанием или базой. В кристалле образуются два р -n -перехода, прямые направле­ния которых противоположны. Три вывода от областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в схему, изо­браженную на рисунке. При данном включении левый р -n -пе­реход является прямым и отделяет базу от области с проводимостью р-типа, называемую эмиттером. Если бы не было правого р -n -перехода, в цепи эмиттер - база су­ществовал бы ток, зависящий от напряжения источников (батареи Б1 и источника переменного напряжения) и со­противления цепи, включая малое сопротивление прямо­го перехода эмиттер - база.

Батарея Б2 включена так, что правый р -n -переход в схеме (см. рис.) является обратным. Он отделяет базу от правой области с проводимостью р-типа, называ­емой коллектором. Если бы не было левого р -n -перехо­да, сила тока в цепи коллектора была бы близка к ну­лю, так как

сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в левом р -n -пере­ходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила тока в коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере (если на эмиттер подано отрицательное напряжение, то левый р -n -переход будет обратным и ток в цепи эмиттера и в цепи коллек­тора будет практически отсутствовать). При создании напряжения между эмиттером и базой основные носители полупровод­ника р-типа - дырки проникают в базу, где они явля­ются уже неосновными носителями. Поскольку толщина базы очень мала и число основных носителей (электро­нов) в ней невелико, попавшие в нее дырки почти не объ­единяются (не рекомбинируют) с электронами базы и про­никают в коллектор за счет диффузии. Правый р -n -переход закрыт для основных носителей заряда ба­зы - электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной (см. рис. выше) плоскости много меньше сечения в верти­кальной плоскости.

Сила тока в коллекторе, практически равная силе то­ка в эмиттере, изменяется вместе с током в эмиттере. Со­противление резистора R мало влияет на ток в коллекто­ре, и это сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника перемен­ного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменение напряжения на резисторе R .

При большом сопротивлении резистора изменение напря­жения на нем может в десятки тысяч раз превышать изме­нение напряжения сигнала в цепи эмиттера. Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно полу­чить электрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность, поступающую в цепь эмиттера.

Применение транзисторов Свойства р -п-перехода в полупроводниках использу­ются для усиления и генерации электрических колебаний.

Физические свойства полупроводников Полупроводники - материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры. Электрические свойства веществ Проводники Хорошо проводят электрический ток К ним относятся металлы, электролиты, плазма … Наиболее используемые проводники – Au, Ag, Cu, Al, Fe … Полупроводники Занимают по проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками Si, Ge, Se, In, As Диэлектрики Практически не проводят электрический ток К ним относятся пластмассы, резина, стекло, фарфор, сухое дерево, бумага …

Физические свойства полупроводников Проводимость полупроводников зависит от температуры. В отличие от проводников, сопротивление которых возрастает с ростом температуры, сопротивление полупроводников при нагревании уменьшается. Вблизи абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков. R (Ом) металл R 0 полупроводник t (0 C)

Собственная проводимость полупроводников При обычных условиях (невысоких температурах) в полупроводниках отсутствуют свободные заряженные частицы, поэтому полупроводник не проводит электрический ток. - Si Si - - Si

«Дырка» При нагревании кинетическая энергия электронов увеличивается и самые быстрые из них покидают свою орбиту. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. В этом месте образуется условный положительный заряд, называемый «дыркой» . Si + Si - свободный электрон Si - + - Si дырка - + Si

Собственная проводимость полупроводников Валентный электрон соседнего атома, притягиваясь к дырке, может перескочить в нее (рекомбинировать). При этом на его прежнем месте образуется новая «дырка» , которая затем может аналогично перемещаться по кристаллу.

Собственная проводимость полупроводников Если напряженность электрического поля в образце равна нулю, то движение освободившихся электронов и «дырок» происходит беспорядочно и поэтому не создаёт электрического тока. Под воздействием электрического поля электроны и дырки начинают упорядоченное (встречное) движение, образуя электрический ток. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. При этом движение электронов создаёт электронную проводимость, а движение дырок – дырочную проводимость.

Примесная проводимость полупроводников Дозированное введение в чистый проводник примесей позволяет целенаправленно изменять его проводимость. Поэтому для увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют примеси (легируют) , которые бывают донорные и акцепторные примеси Акцепторные Донорные Полупроводники p-типа Полупроводники n-типа

Электронные полупроводники (nтипа) происходит от В четырехвалентный полупроводник Термин «n-тип» (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). При легировании 4 – валентного кремния (Si) 5 – валентным мышьяком (As), один из 5 электронов мышьяка становится свободным. В данном случае перенос заряда осуществляется в основном электронами, т. к. их концентрация больше чем дырок. Такая проводимость называется электронной. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна: - Si Si - As - Si -

Дырочные полупроводники (р-типа) Термин «p-тип» происходит от слова «positive» , обозначающего положительный заряд основных носителей. В четырехвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют атомы трехвалентного элемента (например, индия). Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными. Если кремний легировать трехвалентным индием, то для образования связей с кремнием у индия не хватает одного электрона, т. е. образуется дополнительная дырка. В т аком полупроводнике основными носителями заряда являются дырки, а проводимость называется дырочной. Проводимость P-полупроводников приблизительно равна: - Si Si - In + - Si

Прямое включение р + + + n + + - - _ - Ток через p – n переход осуществляется основными носителями заряда (дырки Сопротивление перехода мало, ток велик. двигаются вправо, электроны – влево)

Обратное включение р _ + + n + + - - + - Запирающий слой Основные носители заряда не проходят через p – n переход. Сопротивление перехода велико, ток практически отсутствует.

Диод Полупроводниковый диод - полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода. Впервые диод изобрел Джон Флемминг в 1904 году.

Типы и применение диодов Диоды применяются в: преобразовании переменного тока в постоянный детектировании электрических сигналов защите разных устройств от неправильной полярности включения коммутации высокочастотных сигналов стабилизации тока и напряжения передачи и приеме сигналов

Транзистор электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор.

Биполярный транзистор трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) - электронный тип примесной проводимости, p (positive) - дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки. Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем.

Полевой транзистор - полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Протекание в Полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака. Полевой транзистор условно делят на 2 группы: с управляющим р-n-переходом или переходом металл - полупроводник с управлением посредством изолированного электрода (затвора)

Природа электрического тока в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость.

Полупроводники - это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5-2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном - «дырки». Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» - дырочный ток проводимости. В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.
На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Допорная примесь - это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n - 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.
Акцепторная примесь - это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».
Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р-n-перехода.

На этом уроке мы рассмотрим такую среду прохождения электрического тока, как полупроводники. Мы рассмотрим принцип их проводимости, зависимость этой проводимости от температуры и наличия примесей, рассмотрим такое понятие, как p-n переход и основные полупроводниковые приборы.

Если же совершить прямое подключение, то внешнее поле нейтрализует запирающее, и ток будет совершаться основными носителями заряда (рис. 9).

Рис. 9. p-n переход при прямом подключении ()

При этом ток неосновных носителей ничтожно мал, его практически нет. Поэтому p-n переход обеспечивает одностороннюю проводимость электрического тока.

Рис. 10. Атомная структура кремния при увеличении температуры

Проводимость полупроводников является электронно-дырочной, и такая проводимость называется собственной проводимостью. И в отличие от проводниковых металлов при увеличении температуры как раз увеличивается количество свободных зарядов (в первом случае оно не меняется), поэтому проводимость полупроводников растет с ростом температуры, а сопротивление уменьшается (рис. 10).

Очень важным вопросом в изучении полупроводников является наличие примесей в них. И в случае наличия примесей следует говорить уже о примесной проводимости.

Полупроводниковые приборы

Малые размеры и очень большое качество пропускаемых сигналов сделали полупроводниковые приборы очень распространенными в современной электронной технике. В состав таких приборов может входить не только вышеупомянутый кремний с примесями, но и, например, германий.

Одним из таких приборов является диод - прибор, способный пропускать ток в одном направлении и препятствовать его прохождению в другом. Он получается вживлением в полупроводниковый кристалл p- или n-типа полупроводника другого типа (рис. 11).

Рис. 11. Обозначение диода на схеме и схема его устройства соответственно

Другим прибором, теперь уже с двумя p-n переходами, называется транзистор. Он служит не только для выбора направления пропускания тока, но и для его преобразования (рис. 12).

Рис. 12. Схема строения транзистора и его обозначение на электрической схеме соответственно ()

Следует отметить, что в современных микросхемах используется множество комбинаций диодов, транзисторов и других электрических приборов.

На следующем уроке мы рассмотрим распространение электрического тока в вакууме.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. - М.: 2010.

1. Принципы действия устройств ().
2. Энциклопедия Физики и Техники ().

Домашнее задание

1. Вследствие чего в полупроводнике появляются электроны проводимости?
2. Что такое собственная проводимость полупроводника?
3. Как зависит проводимость полупроводника от температуры?
4. Чем отличается донорная примесь от акцепторной?
5. *Какую проводимость имеет кремний с примесью а) галлия, б) индия, в) фосфора, г) сурьмы?

Полупроводники – это материалы, которые при обычных условиях являются диэлектриками, но с увеличение температуры становятся проводниками. То есть в полупроводниках при увеличении температуры, сопротивление уменьшается.

Строение полупроводника на примере кристалла кремния

Рассмотрим строение полупроводников и основные типы проводимости в них. В качестве примера рассмотрим кристалла кремния.

Кремний является четырехвалентным элементом. Следовательно, в его внешней оболочке имеются четыре электрона, которые слабо связаны с ядром атома. С каждым по соседству находится еще четыре атома.

Атомы между собой взаимодействуют и образуют ковалентные связи. От каждого атома в такой связи участвует один электрон. Схема устройства кремния изображена на следующем рисунке.

картинка

Ковалентные связи являются достаточно прочными и при низких температурах не разрываются. Поэтому в кремнии нет свободных носителей заряда, и он при низких температурах является диэлектриком. В полупроводниках существует два вида проводимости: электронная и дырочная.

Электронная проводимость

При нагревании кремния ему будет сообщаться дополнительная энергия. Кинетическая энергия частиц увеличивается и некоторые ковалентные связи разрываются. Тем самым образуются свободные электроны.

В электрическом поле эти электроны перемещаются между узлами кристаллической решетки. При этом в кремнии будет создаваться электрический ток.

Так как основными носителями заряда являются свободные электроны, такой тип проводимости называют – электронной проводимостью. Количество свободных электронов зависит от температуры. Чем сильнее мы будем нагревать кремний, тем больше ковалентных связей будет разрываться, а следовательно, будет появляться больше свободных электронов. Это приводит к уменьшению сопротивления. И кремний становится проводником.

Дырочная проводимость

Когда происходит разрыв ковалентной связи, на месте вырвавшегося электрона, образуется вакантное место, которое может занять другой электрон. Это место называется дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд.

Положение дырки в кристалле постоянно меняется, любой электрон может занять это положение, а дырка при этом переместится туда, откуда перескочил электрон. Если электрического поля нет, то движение дырок беспорядочное, и поэтому тока не возникает.

При его наличии, возникает упорядоченность перемещения дырок, и помимо тока, который создается свободными электронами, появляется еще ток, который создается дырками. Дырки будут двигаться в противоположном движению электронов направлении.

Таким образом, в полупроводниках проводимость является электронно-дырочной. Ток создается как с помощью электронов, так и с помощью дырок. Такой тип проводимости еще называется собственной проводимостью, так как участвуют элементы только одного атома.