Электрический ток в полупроводниках

Размещено на http://allbest.ru

Реферат

Электрический ток в полупроводниках

Ученицы 10 «А» класса

ГБОУ лицея №1586

Понагайбо Анастасии

2013 год



Содержание

1. Проводники

2. Изоляторы

3. Полупроводники

4. Электрический ток в полупроводниках

5. Строение полупроводников

6. Собственная проводимость полупроводников

7. Электронная проводимость

8. Дырочная проводимость

9. Примесная проводимость

10. Донорные примеси

11. Акцепторные примеси

12. Электронно-дырочный переход

13. Полупроводниковый диод

14. Транзистор

15. Термистор

16. Болометр

17. Фоторезистор

18. Светодиод

Список литературы

полупроводник электропроводность изолятор транзистор



1. Проводники

Электрический ток проводят твердые, жидкие и газообразные тела. По способности веществ, проводить электрический ток их можно разделить на несколько групп - проводники, изоляторы и полупроводники.

Вещества, содержащие много свободных заряженных частиц, называют проводниками, потому что в них легко создать электрический ток. К проводникам относятся металлы, самыми электропроводящими являются серебро, медь, алюминий. Свободными носителями заряда в них являются электроны. Металлические проводники используют в генераторах, электродвигателях, трансформаторах, электроизмерительных приборах и т.д.

К проводникам также относятся водные растворы или расплавы электролитов и плазма (частично или полностью ионизованный газ). К электролитам относятся соли, кислоты и щелочи. В них заряженными частицами, обеспечивающими электрический ток, являются положительные и отрицательные ионы, образованные в результате электролитической диссоциации. При этом положительно заряженными ионами являются ионы металлов и водорода, а отрицательно заряженными - кислотные остатки и гидроксильная группа. Движение ионов в электрическом поле означает перенос вещества, и на электродах происходит выделение вещества. Это используется в гальванопластике (изготовление копий рельефных предметов), гальваностегии (покрытие металлических изделий тонким слоем другого металла), получении металлов.

Вакуум при определенных условиях тоже может быть проводником.

2. Изоляторы

Вещества, в которых мало свободных заряженных частиц, называют изоляторами или диэлектриками. Сила тока в них даже при большой разности потенциалов очень мала. К числу хороших изоляторов относятся янтарь, стекло, парафин, фарфор, резина, неионизованные газы. Жидкими диэлектриками являются керосин, лаки, дистиллированная вода и др. Лучшим изолятором является вакуум, т.к. в нем нет или почти нет свободных заряженных частиц, являющихся носителями электрического тока. Для существования электрического тока в вакуум необходимо ввести свободные носители заряда, которые получают в результате термоэлектронной эмиссии. С помощью опытов было доказано, что при этом носителями заряда являются электроны.

Однако при некоторых условиях, например в сильном электрическом поле, происходит расщепление молекул диэлектрика на ионы, и вещество, которое при отсутствии электрического поля было диэлектриком, становится проводником.

3. Полупроводники

Существует еще одна группа веществ, проводимость которых занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Они проводят электрический ток не настолько хорошо, чтобы быть проводниками, но и не настолько плохо, чтобы быть изоляторами. Поэтому их называют полупроводниками. В основном это твердые вещества. Существуют и жидкие полупроводники.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира - полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Основной особенностью полупроводников является то, что с изменением температуры меняется их электропроводность. При низких температурах число свободных зарядов в них мало и по своим свойствам они близки к изоляторам. При высоких температурах количество свободных зарядов в полупроводниках увеличивается и их уже можно отнести к хорошим проводникам. Электропроводность полупроводников также зависит от концентрации примесей, температуры, воздействия различных видов излучения, освещения, электрического и магнитного полей.

Полупроводники нашли широкое применение в электротехнике, радиотехнике, автоматике и др.

4. Электрический ток в полупроводниках

Многие вещества в кристаллическом состоянии не являются такими хорошими проводниками электрического тока, как металлы, но не могут быть отнесены и к диэлектрикам, так как не являются хорошими изоляторами. Такие вещества долгое время не привлекали особого внимания ученых и инженеров.

Одним из первых начал систематические исследования физических свойств таких веществ, называемых сегодня полупроводниками, выдающийся советский физик Абрам Федорович Иоффе.

Полупроводники оказались не просто «плохими проводниками», а особым классом кристаллов со многими физическими свойствами, отличающими их как от металлов, так и от диэлектриков.

Если у металлов с повышением температуры удельное сопротивление увеличивается, то у полупроводников уменьшается. Уменьшается удельное сопротивление полупроводниковых кристаллов и при освещении.

Но самым удивительным свойством полупроводников оказалось свойство односторонней проводимости контакта двух полупроводниковых кристаллов различного типа. Это свойство используется при создании разнообразных полупроводниковых приборов, служащих материальной базой современной радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники.

Полупроводниковые соединения делят на простые и сложные.

Простые полупроводниковые материалы - собственно химические элементы: бор B, углерод C, германий Ge, кремний Si, селен Se, сера S, сурьма Sb, теллур Te и йод I. Самостоятельное применение широко нашли германий, кремний и селен. Остальные чаще всего применяются в качестве легирующих добавок или в качестве компонентов сложных полупроводниковых материалов.

В группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три и более химических элементов.

5. Строение полупроводников

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями. Рассмотрим строение германия (см. рисунок 1).

Четыре валентных электрона атома германия связаны с такими же электронами соседних атомов парноэлектронными (ковалентными) связями. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону. Каждый атом образует четыре связи с соседними, а валентный электрон может двигаться по любой из них. После этого он может перейти к следующему атому, и так дальше по всему кристаллу.

Ковалентные связи германия достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому германий при низкой температуре не проводит электрический ток и близок к диэлектрику по своим свойствам. Валентные электроны прочно связаны с кристаллической решеткой, и внешнее электрическое поле не оказывает на их движение заметного влияния.



Рисунок 1.

6. Собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводники (без примесей), в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.

Собственная проводимость бывает двух видов: электронная и дырочная.

7. Электронная проводимость

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и удельное сопротивление полупроводника большое. При увеличении температуры энергия валентных электронов увеличивается за счет энергии тепловых колебаний атомов решетки. При этом энергия некоторых электронов может увеличиться настолько, что связи рвутся. 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 электрический ток. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов кристаллической решетки приводит к превращению этого атома в положительный ион. При повышении температуры число разорванных ковалентных связей и количество свободных электронов увеличиваются, и это приводит к уменьшению удельного сопротивления (см. рисунок 2).

Рисунок 2.

Без внешнего поля эти электроны движутся хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны перемещаются противоположно его вектору (см. рисунок 3).

8. Дырочная проводимость

При образовании свободного электрона в ковалентной связи возникает свободное (вакантное) место - электронная дырка. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными (неразрушенными) связями.

Дырка может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение дырки равноценно перемещению положительного заряда. Под действием внешнего электрического поля происходит упорядоченное движение дырок, которое происходит в направлении вектора напряженности электрического поля (см. рисунок 3).



Рисунок 3.

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

9. Примесная электропроводность полупроводников

Проводимость полупроводников сильно зависит от содержания примесей. Собственная проводимость у полупроводников обычно мала. У них наряду с собственной проводимостью при наличии примесей возникает дополнительная - примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей. Небольшое добавление примеси к полупроводнику называется легированием.

Примеси бывают двух типов - донорные и акцепторные.

10. Донорные примеси

Когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы, например, атомы мышьяка As, возникает электронная проводимость. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. У атома мышьяка остался лишний пятый валентный электрон, слабо связанный с ядром (см. рисунок 4). Энергия, необходимая для разрыва связи этого электрона с атомом мышьяка мала. Поэтому при комнатной температуре почти все атомы мышьяка лишаются одного из своих электронов и становятся положительными ионами. Положительный ион мышьяка не может захватить электрон у одного из соседних атомов германия, так как энергия связи электронов с атомами германия значительно превышает энергию связи пятого валентного электрона с атомом мышьяка. Поэтому эстафетного перемещения электронной вакансии не происходит, дырочной проводимости нет. В результате введения примеси возникает значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника - в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

Рисунок 4.

Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью. Валентные электроны атомов данной примеси становятся носителями заряда.

В полупроводниковом кристалле, содержащем донорные примеси, электроны являются основными, но не единственными носителями тока, так как небольшая часть собственных атомов полупроводникового кристалла ионизована и часть тока осуществляется дырками. В данных полупроводниках будет возникать электронная проводимость, характерная электронным полупроводникам (полупроводникам n-типа).

11. Акцепторные примеси

Когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы, например, атомы индия In, возникает дырочная проводимость. Атом индия с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия (см. рисунок 5).

Рисунок 5.

В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. В результате введения примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу. Наличие примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок.

Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными (примеси имеющие валентность меньше, чем у основного полупроводника).

Основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а не основными носителями - электроны. В данных полупроводниках будет возникать дырочная проводимость, характерная дырочными полупроводниками (полупроводниками р-типа).

12. Электронно-дырочный переход

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n-p-переход) - это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия основных носителей.

Рисунок 6.



Благодаря тепловому движению при образовании контакта электроны из полупроводника n-типа будут диффундировать в область р-типа (см. рисунок 6). При этом в области n-типа останется нескомпенсированный положительный ион донора. Перейдя в область с дырочной проводимостью, электрон очень быстро рекомбинирует с дыркой, при этом в области р-типа образуется нескомпенсированный ион акцептора.

Аналогично электронам дырки из области р-типа диффундируют в электронную область, оставляя в дырочной области нескомпенсированный отрицательно заряженный ион акцептора. Перейдя в электронную область, дырка рекомбинирует с электроном. В результате этого в электронной области образуется нескомпенсированный положительный ион донора.

В результате диффузии на границе между этими областями образуется двойной электрический слой разноименно заряженных ионов, и возникает контактное электрическое поле E_i, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Этот слой называют запирающим. Толщина слоя l не превышает долей микрометра.

Рисунок 7.

Внешнее электрическое поле с напряженностью E влияет на сопротивление запирающего электрического поля. Если n-полупроводник подключен к отрицательному полюсу источника, а плюс источника соединен с p-полупроводником, то под действием электрического поля электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников (см. рисунок 7). Электроны, переходя границу, «заполняют» дырки. При таком направлении внешнего электрического поля толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются. В этом направлении электрический ток проходит через n-p-переход.

Рассмотренное направление n-p-перехода называют прямым.

Если n-полупроводник соединен с положительным полюсом источника, а p-полупроводник - с отрицательным, то электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике под действием электрического поля будут перемещаться от границы раздела в противоположные стороны (см. рисунок 8). Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Направление внешнего электрического поля, расширяющее запирающий слой, называется запирающим. При таком направлении внешнего поля электрический ток основных носителей заряда через контакт двух n- и p-полупроводников не проходит. Ток через n-p-переход теперь обусловлен электронами, которые есть в полупроводнике p-типа, и дырками из полупроводника n-типа.

Рисунок 8.

Рассмотренное направление n-p-перехода называют обратным.

Электронно-дырочный переход не получают простым соприкосновением двух разнотипных полупроводниковых брусков, так как в месте их соприкосновения не исключено наличие жировых пятен, пыли, чрезвычайно трудноудаляемой воздушной прослойки и прочего. Вместо этого электронно-дырочные переходы создают по специальным технологиям: диффузии, сплавления, эпитаксии, ионного легирования и ионной имплантации и многим другим.

Эпитаксия - это выращивание плёнки одного полупроводника на кристалле другого полупроводника. Кристалл полупроводника, на который осуществляют наращивание, называют подложкой. Подложку выполняют из полупроводника с кристаллической решёткой, похожей на кристаллическую решётку наращиваемого полупроводника. Если выращиваемый полупроводник и полупроводник подложки - это химически одно и то же вещество, то процесс называют гомоэпитаксией, а если они различны - то гетероэпитаксией.

Процесс ионного легирования заключён во внедрении в кристалл полупроводника ионов примеси, которые были в вакууме разогнаны до определённой скорости и направлены на поверхность полупроводника.

В наше время полупроводники применяются в радиотехнике, электротехнике, в электронно-вычислительных машинах, автоматике и др.

13. Полупроводниковый диод

Односторонняя проводимость n-p-перехода нашла широкое применение в приборах, называемых полупроводниковыми диодами. В них содержится один n-p-переход. Полупроводниковые диоды изготавливают из германия, кремния, селена и других веществ. При их изготовлении в кристалл с каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости. Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический металлический корпус. Полупроводниковые диоды являются основными элементами выпрямителей переменного тока (точнее, служат для преобразования переменного тока в пульсирующий ток постоянного направления).

На рисунке 9 показано схематическое изображение полупроводникового диода. Для снятия вольт-амперной характеристики при прямом токе используют схему, указанную на рисунке 10. При обратном токе диод подключают наоборот. На рисунке 11 изображена типичная вольт-амперная характеристика диода.

Рисунки 9, 10, 11

14. Транзистор

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n-p-переходами называются транзисторами. Основой для изготовления транзистора служит пластинка монокристалла германия (или кремния), слегка обогащенная донорной примесью. На пластинку кристалла германия с двух сторон наносят тонкий слой индия. После прогревания пластинки на ее противоположных сторонах образуются области, обогащенные атомами индия, проникшими в германий в результате расплавления. Эти области монокристалла германия становятся полупроводниками p-типа, а на границах соприкосновения их с основным кристаллом возникают два n-p-перехода. Средняя область кристалла называется базой транзистора, а две крайние области кристалла, обладающие проводимостью противоположного базе типа, называются коллектором и эмиттером. Эмиттер отличается от коллектора лишь размером: диаметр коллектора примерно в 2 раза больше диаметра эмиттера.

Транзисторы бывают двух типов: p-n-p-транзисторы и n-p-n-транзисторы. В транзисторе p-n-p-типа основная германиевая пластинка - база (Б) - обладает проводимостью n-типа, а коллектор (К) и эмиттер (Э) - проводимостью p-типа (см. рисунок 12).

Рисунки 12, 13

Транзисторы n-p-n-типа имеют аналогичное устройство, только основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, коллектор и эмиттер - проводимостью n-типа (см. рисунок 13).

При использовании транзистора в любой электронной схеме два его электрода должны служить для введения входного сигнала и два - для выведения выходного сигнала. Поскольку транзистор имеет только три электрода (база, эмиттер, коллектор), то один из них будет использоваться дважды и будет общим для входной и выходной цепи.

Возможны три способа включения транзистора в электрическую цепь: с общей базой, с общим коллектором и с общим эмиттером. Самой употребляемой схемой включения транзистора является схема включения с общим эмиттером, при которой, через базу и эмиттер ток распространяется на коллектор.

Транзисторы получили широкое применение в современной технике. Их используют для усиления и генерации электрических колебаний. Они применяются во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры. Интегральные схемы, созданные на основе диодов и транзисторов, определяют уровень электроники, микроэлектроники, вычислительной техники. Благодаря применению интегральных микросхем удалось достигнуть значительных успехов в миниатюризации многих радиотехнических устройств. Эти схемы широко применяются в современных электронно-вычислительных машинах и микропроцессорах.

Полупроводниковые приборы имеют ряд преимуществ по сравнению с радиолампами. Они потребляют меньшую мощность, имеют малые размеры и высокий КПД - 50% против 1%. В них не требуется создание вакуума, как в электронных лампах, поэтому надежность и срок службы у них гораздо больше. Полупроводниковые приборы безынерционны, т.е. не требуют времени для разогрева и начинают работать мгновенно после включения.

15. Термистор

Электрическое сопротивление полупроводников в значительной степени зависит от температуры. Это свойство используют для измерения температуры по силе тока в цепи с полупроводником. Такие приборы называют терморезисторами или термисторами. Полупроводниковое вещество помещается в металлический защитный чехол, в котором имеются изолированные выводы для включения терморезистора в электрическую цепь. Схематическое изображение термистора приведено на рисунке 14.

Изменение сопротивления терморезисторов при нагревании или охлаждении позволяет использовать их в приборах для измерения температуры, для поддержания постоянной температуры в автоматических устройствах - в закрытых камерах-термостатах, для обеспечения противопожарной сигнализации и т.д. Существуют термисторы для измерения как очень высоких (Т ? 1300 К), так и очень низких (Т ? 4 - 80 К) температур.

Рисунок 14.

16. Болометр

Данная разновидность термисторов предназначена для измерения энергии очень слабого теплового излучения. Источником такого излучения может быть свет звезд или Солнца.

С помощью современных электронных схем оказывается возможным зарегистрировать изменение температуры болометра на десятимиллионные доли кельвина. Благодаря этому полупроводниковые болометры позволяют обнаружить излучение, мощность которого составляет 10^-7 Вт.

17. Фоторезистор

Электрическая проводимость полупроводников повышается не только при нагревании, но и при освещении. Электрическая проводимость возрастает вследствие разрыва связей и образования свободных электронов и дырок за счет энергии света, падающего на полупроводник. Это явление называется внутренним фотоэлектрическим эффектом.

Приборы, в которых учитывается зависимость электрической проводимости полупроводников от освещения, называют фоторезисторами.

Материалами для изготовления фоторезисторов служат соединения типа CdS, CdSe, PbS и ряд других.

Миниатюрность и высокая чувствительность фоторезисторов позволяют использовать их для регистрации и измерения слабых световых потоков. С помощью фоторезисторов определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий и т.д.

Схематическое изображение фоторезистора приведено на рисунке 15.

Рисунок 15.

18. Светодиод

Светодиод или светоизлучающий диод - полупроводниковый прибор с n-p-переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока.

Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят, в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников.

Применяются светодиоды в освещении, в качестве индикаторов (индикатор включения на панели прибора, буквенно-цифровое табло), как источник света в фонарях и светофорах, в качестве источников оптического излучения (пульты ДУ, светотелефоны), в подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры) и т. д. Схематическое изображение светодиода приведено на рисунке 16.

Рисунок 16.



Список литературы

1. Физика. Электродинамика. 10-11 классы. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. - 12-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2012. - 476.

Размещено на Allbest.ru