Электрический ток в полупроводниках применение полупроводниковых приборов. Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковый диод. Полупроводниковые приборы

Цель урока: сформировать представление о свободные
носители электрического заряда в полупроводниках и о
природе электрического тока в полупроводниках.
Тип урока: урок изучения нового материала.
ПЛАН УРОКА
Контроль знаний 5 мин. 1. Электрический ток в металлах.
2. Электрический ток в электролитах.
3. Закон Фарадея для электролиза.
4. Электрический ток в газах
Демонстрации
5 мин. Фрагменты видеофильма «Электрический ток в
полупроводниках»
Изучение нового
материала
28
мин.
1. Носители зарядов в полупроводниках.
2. Примесная проводимость полупроводников.
3. Электронно-дырочный переход.
4. Полупроводниковые диоды и транзисторы.
5. Интегральные микросхемы
Закрепление
изученного
материала
7 мин. 1. Качественные вопросы.
2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Носи зарядов в полупроводниках

Удельные сопротивления полупроводников при комнатной
температуре имеют значения, которые находятся в широком
интервале, т.е. от 10-3 до 107 Ом·м, и занимают
промежуточное положение между металлами и диэлектриками.
Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых
очень быстро убывает с повышением температуры.
К полупроводникам относятся многие химические элементы
(бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, селен, теллур и др.),
огромное количество минералов, сплавов и химических
соединений. Почти все неорганические вещества окружающего
мира - полупроводники.
За достаточно низких температур и отсутствия внешних
воздействий
освещения или нагревания)
полупроводники не проводят электрический ток: при этих
условиях все электроны в полупроводниках являются
связанными.
Однако связь электронов со своими атомами в
полупроводниках не такой крепкий, как в диэлектриках. И в
случае повышения температуры, а так же за яркого освещения
некоторые электроны отрываются от своих атомов и становятся
свободными зарядами, то есть могут перемещаться по всем
образцом.
Благодаря этому в полупроводниках появляются
отрицательные носители заряда - свободные электроны.

Когда электрон отрывается от атома, положительный заряд
этого атома становится некомпенсированным, т.е. в этом месте
появляется лишний положительный
Этот
положительный заряд называют «дыркой». Атом, вблизи
которого образовалась дырка, может отобрать связанный
электрон у соседнего атома, при этом дырка переместится до
соседнего атома, а тот атом, в свою очередь, может «передать»
дырку дальше.
Такое «естафетне» перемещение связанных электронов можно
рассматривать как перемещение дырок,
то есть
положительных зарядов.
(например,
заряд.

Проводимость полупроводника, обусловленная движением

дырок, называется дырочной.
отличие дырочной проводимости от
Таким образом,
электронной заключается в том, что электронная проводимость
обусловлена перемещением в полупроводниках свободных
электронов, а дырочная - перемещением связанных электронов.
В чистом полупроводнике (без примесей) электрический ток
создает одинаковое количество свободных электронов и дырок.
Такую проводимость называют собственной проводимостью
полупроводников.
2. Примесная проводимость полупроводников
Если добавить в чистый расплавленный кремний
незначительное количество мышьяка (примерно 10-5 %), после
твердения образуется обычная кристаллическая решетка
кремния, но в некоторых узлах решетки вместо атомов кремния
будут находиться атомы мышьяка.
Мышьяк, как известно, пятивалентный элемент. Чотиривалентні
электроны образуют парные электронные связи с соседними
атомами кремния. Пятом же валентному электрону связи не
хватит, при этом он будет так слабо связан с атомом Мышьяка,
который легко становится свободным. В результате каждый
атом примеси даст один свободный электрон.

Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются
донорными.
Электроны из атомов кремния могут становиться свободными,
образуя дыру, поэтому в кристалле могут одновременно

Примеси, которые «захватывают» электроны атомов
называются
существовать и свободные электроны и дырки. Однако
свободных электронов во много раз будет больше, чем дырок.
Полупроводники, в которых основными носителями зарядов

Если в кремний добавить незначительное количество
трехвалентного индию,
то характер проводимости
полупроводника изменится. Поскольку индий имеет три
валентных электрона, то он может установить ковалентная
связь только с тремя соседними атомами. Для установления
связи с четвертым атомом электрона не хватит. Индий
«одолжит» электрон в соседних атомов, в результате каждый
атом Индия образует одно вакантное место - дырку.

акцепторными.
В случае акцепторной примеси основными носителями заряда
во время прохождения электрического тока через
полупроводник есть дыры. Полупроводники, в которых
основными носителями зарядов являются дырки, называют
полупроводниками р-типа.
Практически все полупроводники содержат и донорные, и
акцепторные примеси. Тип проводимости полупроводника
определяет примесь с более высокой концентрацией носителей
заряда - электронов и дырок.
3. Электронно-дырочный переход
Среди физических свойств, присущих полупроводникам,
наибольшее применение получили свойства контактов (р-n-
перехода) между полупроводниками с разными типами
проводимости.
В полупроводнике n-типа электроны участвуют в тепловом
движении и диффундируют через границу в полупроводника р-
типа, где их концентрация значительно меньше. Точно так же
дырки будут диффундировать из полупроводника р-типа в
полупроводник п-типа. Это происходит подобно тому, как
атомы растворенного вещества диффундируют из крепкого
раствора в слабый в случае их столкновения.
В результате диффузии приконтактна участок обедняется
основными носителями заряда: в полупроводнике n-типа

уменьшается концентрация электронов, а в полупроводнике р-
типа - концентрация дырок.
Поэтому сопротивление
приконтактної участка оказывается очень значительным.
Диффузия электронов и дырок через р-n-переходе приводит к
тому, что полупроводник n-типа, из которого идут электроны,
заряжается положительно, а р-типа - отрицательно. Возникает
двойной электрический слой, что создает электрическое поле,
которое препятствует дальнейшей диффузии свободных
носителей тока через контакт полупроводников. По некоторой
напряжения между двойным заряженным слоем дальнейшее
обнищание приконтактної участка основными носителями
прекращается.
Если теперь полупроводник присоединить к источнику тока
так, чтобы его электронная область соединялась с
отрицательным полюсом источника, а дырочная - с
положительным, то электрическое поле, созданное источником
тока, будет направлено так, что оно перемещать основные
носители тока в каждом участке полупроводника с р-n-
перехода.
При контакте участок будет обогащаться основными
носителями тока, и его сопротивление уменьшится. Через
контакт будет проходить заметный ток. Направление тока в
этом случае называют пропускным, или прямым.
Если же присоединить полупроводник n-типа к
положительному, а р-типа к отрицательному полюсу источника,
то приконтактна участок расширяется. Сопротивление области
значительно увеличивается. Ток через переходный слой будет
очень мал. Это направление тока называют замыкающим, или
обратным.
4. Полупроводниковые диоды и транзисторы
Следовательно, через границу раздела полупроводников n-типа
и р-типа электрический ток идет только в одном направлении -
от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа.
Это используют в устройствах, которые называют диодами.
Полупроводниковые диоды используют для выпрямления тока
переменного направления (такой ток называют переменным), а
также для изготовления светодиодов. Полупроводниковые
выпрямители имеют высокую надежность и длительный срок
использования.

устройствах:
Широко применяют полупроводниковые диоды в
радиотехнических
радиоприемниках,
видеомагнитофонах, телевизорах, компьютерах.
Еще более важным применением полупроводников стал
транзистор. Он состоит из трех слоев полупроводников: по
краям расположены полупроводники одного типа, а между
ними - тонкий слой полупроводника другого типа. Широкое
применение транзисторов обусловлено тем, что с их помощью
можно усиливать электрические сигналы. Поэтому транзистор
стал основным элементом многих полупроводниковых
приборов.
5. Интегральные микросхемы
Полупроводниковые диоды и транзисторы являются
«кирпичиками» очень сложных устройств, которые называют
интегральными микросхемами.
Микросхемы работают сегодня в компьютерах и телевизорах,
мобильных телефонах и искусственных спутниках,
в
автомобилях, самолетах и даже в стиральных машинах.
Интегральную схему изготавливают на пластинке кремния.
Размер пластинки - от миллиметра до сантиметра, причем на
одной такой пластинке может размещаться до миллиона
компонентов - крошечных диодов, транзисторов, резисторов и
др.
Важными преимуществами интегральных схем является
высокое быстродействие и надежность, а также низкая
стоимость. Именно благодаря этому на основе интегральных
схем и удалось создать сложные, но многим доступны приборы,
компьютеры и предметы современной бытовой техники.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА
Первый уровень
1. Какие вещества можно отнести к полупроводниковых?
2. Движением которых заряженных частиц создается ток в
полупроводниках?
3. Почему сопротивление полупроводников очень сильно
зависит от наличия примесей?

4. Как образуется p-n-переход? Какое свойство имеет p-n-
переход?
5. Почему свободные носители зарядов не могут пройти
сквозь p-n-переход полупроводника?
Второй уровень
1. После введения в германий примеси мышьяка концентрация

этом концентрация дырок?
2. С помощью какого опыта можно убедиться в односторонней
проводимости полупроводникового диода?
3. Можно ли получить р-n-переход, выполнив вплавления олова
в германий или кремний?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА
1). Качественные вопросы
1.
Почему требования к чистоте полупроводниковых
материалов очень высоки (в ряде случаев не допускается
наличие даже одного атома примеси на миллион атомов)?
2. После введения в германий примеси мышьяка концентрация
электронов проводимости увеличилась. Как изменилась при
этом концентрация дырок?
3. Что происходит в контакте двух полупроводников n- и р-
типа?
4. В закрытом ящике находятся полупроводниковый диод и
реостат. Конце приборов выведены наружу и присоединены к
клеммам. Как определить, какие клеммы принадлежат диода?
2). Учимся решать задачи
1. Какую проводимость (электронную или дырочную) имеет
кремний с примесью галлия? индию? фосфора? сурьмы?
2. Какая проводимость (электронная или дырочная) будет в
кремния, если к нему добавить фосфор? бор? алюминий?
мышьяк?

3. Как изменится сопротивление образца кремния с примесью
фосфора, если ввести в него примесь галлия? Концентрация
атомов Фосфора и Галлия одинакова. (Ответ: увеличится)

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ
· Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых
очень быстро снижается с повышением температуры.

электронов, называют электронной.
· Проводимость полупроводника, обусловленная движением
дырок, называется дырочной.
· Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются
донорными.

являются электроны, называют полупроводниками n-типа.
· Примеси, которые «захватывают» электроны атомов
кристаллической решетки полупроводников,
называются
акцепторными.
· Полупроводники, в которых основными носителями зарядов
являются дырки, называют полупроводниками р-типа.
· Контакт двух полупроводников с различными видами
проводимости имеет свойства хорошо проводить ток в одном
направлении и значительно хуже в противоположном
направлении, т.е. имеет одностороннюю проводимость.

Домашнее задание
1. §§ 11, 12.

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.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется в зависимости удельного сопротивления от температуры (рис.9.3)

Зонная модель электронно-дырочной проводимости полупроводников

При образовании твердых тел возможна ситуация, когда энергетическая зона, возникшая из энергетических уровней валентных электронов исходных атомов, оказывается полностью заполненной электронами, а ближайшие, доступные для заполнения электронами энергетические уровни отделены от валентной зоны Е V промежутком неразрешенных энергетических состояний – так называемой запрещенной зоной Е g .Выше запрещенной зоны расположена зона разрешенных для электронов энергетических состояний – зона проводимости Е c .

Зона проводимости при 0 К полностью свободна, а валентная зона полностью занята. Подобные зонные структуры характерны для кремния, германия, арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и многих других твердых тел, являющихся полупроводниками.

При повышении температуры полупроводников и диэлектриков электроны способны получать дополнительную энергию, связанную с тепловым движением kT . У части электронов энергии теплового движения оказывается достаточно для перехода из валентной зоны в зону проводимости, где электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться практически свободно.

В этом случае, в цепи с полупроводниковым материалом по мере повышения температуры полупроводника будет нарастать электрический ток. Этот ток связан не только с движением электронов в зоне проводимости, но и с появлением вакантных мест от ушедших в зону проводимости электронов в валентной зоне, так называемых дырок . Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле.

Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного I n и дырочного I p токов: I = I n + I p .

Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т.е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников. Электроны забрасываются в зону проводимости с уровня Ферми , который оказывается в собственном полупроводнике расположенным посередине запрещенной зоны (рис. 9.4).

Существенно изменить проводимость полупроводников можно, введя в них очень небольшие количества примесей. В металлах примесь всегда уменьшает проводимость. Так, добавление в чистый кремний 3 % атомов фосфора увеличивает электропроводность кристалла в 10 5 раз.

Небольшое добавление примеси к полупроводнику называется легированием.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла. Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью .

Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости. Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As) (рис. 9.5).

Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним. Он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки.

Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорской примесью . В результате ее введения в кристалле появляется 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. Такая проводимость, обусловленная свободными электронами, называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа .

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы, например, атомы индия (рис. 9.5)

На рисунке 6 показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов 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. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия.

Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью . В результате введения акцепторной 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.

Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: n p >> n n . Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью . Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа . Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p -типа являются дырки.

Электронно-дырочный переход. Диоды и транзисторы

В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

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.

На границе полупроводников (рис. 9.7) образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу.

Способность n –p -перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами . Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

На рисунке 9.8 приведена типичная вольт - амперная характеристика кремниевого диода.

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n–p-переходами называются транзисторами . Транзисторы бывают двух типов: p –n –p -транзисторы и n –p –n -транзисторы. В транзисторе n –p –n -типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p -типа, а созданные на ней две области – проводимостью n -типа (рис.9.9).

В транзисторе p–n–p – типа всё наоборот. Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э).

Проводники, полупроводники и диэлектрики

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники – тела, в которых заряды могут перемещаться по всему объему (свободные заряды), поэтому они проводят электрический ток. В металлах (проводники первого рода) – это электроны. В растворах и расплавах солей, кислот и щелочей (проводники второго рода) – это положительные и отрицательные ионы –катионы, анионы.

Диэлектрики – тела, в которых заряды смещаются на расстояния, не превышающее размеров атома (связанные заряды), поэтому они не проводят электрический ток.

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Проводят электрический ток при определенных условиях.

Носителями зарядов являются электроны и дырки.

Классическая теория проводимости металлов

Металл представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы, с между ионами существует электронный газ.

Когда в проводнике создается разность потенциалов свободные электроны приходят в упорядоченное движение.

Сначала электроны движутся равноускоренно, но очень скоро электроны перестают ускоряться, сталкиваясь с атомами решетки.

Атомы решетки начинают колебаться всё с большей амплитудой относительно условной точки покоя, и наблюдается термоэлектрический эффект (проводник разогревания).

Зонная теория твердых тел

В изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения, так как электрон может находиться только на одной из орбиталей.

У атомов в молекуле, электронные орбитали расщепляются.

Количество орбиталей пропорционально числу атомов. Это приводит к образованию молекулярных орбиталей.

В макроскопическом кристалла (более 1020 атомов), количество орбиталей становится очень большим, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях становится очень маленькой.

Энергетические уровни расщепляются до практически непрерывных дискретных наборов - энергетических зон.

Наивысшая в полупроводниках и диэлектриках зона, в которой все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной зоной, следующая за ней – зоной проводимости.

В металлах зоной проводимости называется наивысшая разрешённая зона, в которой находятся электроны.

Энергетические диаграммы проводников (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в) при температуре, близкой к абсолютному нулю.

Энергетические диаграммы диэлектриков, полупроводников и проводников

Полупроводник – материал, который по своей удельной проводимости занимает

промежуточное место между проводниками и диэлектриками.

Отличие от проводников - сильная зависимость удельной проводимости от 1) концентрации примесей, 2). температуры и 3). воздействия различных видов излучения.

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ).

Алмаз - широкозонный полупроводник. Арсенид индия - узкозонный полупроводник.

К полупроводникам относятся:

Многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие),

Огромное количество сплавов

Химические соединения (арсенид галлия и др.).

Почти все неорганические вещества.

Самым распространённым в природе полупроводником является кремний,

составляющий почти 30 % земной коры.

Собственная проводимость полупроводников

Собственная проводимость – свойство чистых полупроводников.

Под воздействием внешних факторов (температура, облучение, сильное электрическое поле и т.д.) электроны из валентной зоны могут быть переброшены в зону проводимости, что и обуславливает появление электрического тока.

Разрыв валентных связей приводит к образованию свободных мест (дырок), которые может занять любой электрон.

Дырка представляет собой положительный заряд, который движется противоположно электрону, по направлению внешнего поля.

Такая проводимость называется дырочной или p-типа (positive - положительный). Проводимость полупроводников появляется только под воздействием внешних факторов.

При определенной температуре между генерацией электронов и дырок и обратным процессом (рекомбинацией) наступает равновесие, при котором устанавливается определенная концентрация носителей заряда.

Примесная проводимость полупроводников

Примесная проводимость обусловлена внесенными в полупроводник примесями мышьяка (V), бора (III) и др.

Проводимость n-типа (negative - отрицательный)

Кремний (IV) + мышьяк (V) - между атомами мышьяка и кремния будет оставаться "лишний" свободный электрон проводимости. При этом образования дырки не произойдет, проводимость обеспечивается только электронами (донорная примесь).

Проводимость p-типа (positive - положительный)

Кремний (IV) + индий (III) - в кристаллической решетке не будет хватать электрона, образуется дырка. В этом случае имеет место дырочная проводимость (акцепторная примесь). Примесная проводимость обусловлена носителями одного знака (или электронами, или дырками).

Примесь бора в кремнии (1/ 105 атомов) уменьшает удельное электрическое

сопротивление кремния 1000 раз.

Примесь индия в германии 1/ (108 - 109 атомов) уменьшает удельное электрическое сопротивление германия в миллионы раз.

Контактные явления в металлах

Если два металла привести в соприкосновение, то между ними возникает

разность потенциалов. Если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd (ряд Вольта) привести в соприкосновение в этой последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих металлов зарядится

положительно. Контактная разность потенциалов составляет от десятых до целых вольт. Это объясняется тем, что все металлы отличаются друг от друга различной концентрацией электронов. При контакте двух металлов электроны начнут проходить через границу раздела металлов и возникает двойной электрический слой с разностью потенциалов.

Явление Зеебека (1821). Если спаи проводников находятся при разных температурах, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила, которая

зависит от разности температур контактов и природы применяемых материалов. Явление Зеебека используется для измерения температуры (термоэлементы, термопары).

Явление Пельтье (1834). При прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока, в зависимости от его направления, помимо

джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Явление Пельтье является обратным по отношению к явлению Зеебека.

Явление Пельтье используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках.

Контактные явления в полупроводниках

При контакте двух полупроводников n-типа и p-типа в месте их соприкосновения образуется p-n-переход.

В области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок.

Используются для изготовления:

Диодов (выпрямление и

преобразование переменных токов);

Транзисторов (усиления напряжения и

Полупроводники занимают промежуточное положение по электропроводности (или по удельному сопротивлению) между проводниками и диэлектриками. Однако это деление всех веществ по их свойству электропроводности является условным, так как под действием ряда причин (примеси, облучение, нагревание) электропроводность и удельное сопротивление у многих веществ весьма значительно изменяются, особенно у полупроводников.

В связи с этим полупроводники от металлов отличают по целому ряду признаков:

1. удельное сопротивление у полупроводников при обычных условиях гораздо больше, чем у металлов;

2. удельное сопротивление чистых полупроводников уменьшается с ростом температуры (у металлов оно растет);

3. при освещении полупроводников их сопротивление значительно уменьшается (на сопротивление металлов свет почти не влияет):

4. ничтожное количество примесей оказывает сильное влияние на сопротивление полупроводников.

К полупроводникам принадлежат 12 химических элементов в средней части таблицы Менделеева (рис. 1) - В, С, Si, Ρ, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Те, I, соединения элементов третьей группы с элементами пятой группы, многие оксиды и сульфиды металлов, ряд других химических соединений, некоторые органические вещества. Наибольшее применение для науки и техники имеют германий Ge и кремний Si.

Полупроводники могут быть чистыми и с примесями. Соответственно различают собственную и примесную проводимость полупроводников. Примеси в свою очередь делят на донорные и акцепторные.

Собственная электрическая проводимость

Для понимания механизма электрической проводимости в полупроводниках рассмотрим строение полупроводниковых кристаллов и природу связей, удерживающих атомы кристалла друг возле друга. Кристаллы германия и других полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку (рис. 2).

Плоская схема структуры германия показана на рисунке 3.

Германий - четырехвалентный элемент, во внешней оболочке атома есть четыре электрона, слабее связанных с ядром, чем остальные. Число ближайших соседей каждого атома германия также равно 4. Четыре валентных электрона каждого атома германия связаны с такими же электронами соседних атомов химическими парноэлектронными (ковалентными ) связями. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы германия друг возле друга. Такого рода связь условно может быть изображена двумя линиями, соединяющими ядра (см. рис. 3).

Но коллективизированная пара электронов принадлежит не только двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с соседними, а данный валентный электрон может двигаться по любой из них (рис. 4). Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Коллективизированные валентные электроны принадлежат всему кристаллу.

Ковалентные связи германия достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому германий при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет и кристалл кремния.

Электропроводимость химически чистого полупроводника возможна в том случае, когда ковалентные связи в кристаллах разрываются и появляются свободные электроны.

Дополнительная энергия, которая должна быть затрачена, чтобы разорвать ковалентную связь и сделать электрон свободным, называется энергией активации .

Получить эту энергию электроны могут при нагревании кристалла, при облучении его высокочастотными электромагнитными волнами и т.д.

Как только электрон, приобретя необходимую энергию, уходит с локализованной связи, на ней образуется вакансия. Эту вакансию может легко заполнить электрон с соседней связи, на которой, таким образом, также образуется вакансия. Таким образом, благодаря перемещению электронов связи происходит перемещение вакансий по всему кристаллу. Эта вакансия ведет себя точно так же, как и свободный электрон - она свободно перемещается по объему полупроводника. Более того, учитывая, что и полупроводник в целом, и каждый его атом при не нарушенных ковалентных связях электрически нейтральны, можно сказать, что уход электрона со связи и образование вакансии фактически эквивалентно появлению на этой связи избыточного положительного заряда. Поэтому образовавшуюся вакансию можно формально рассматривать как носитель положительного заряда, который называют дыркой (рис. 5).

Таким образом, уход электрона с локализованной связи порождает пару свободных носителей заряда - электрон и дырку. Их концентрация в чистом полупроводнике одинакова. При комнатной температуре концентрация свободных носителей в чистых полупроводниках невелика, примерно в 10 9 ÷ 10 10 раз меньше концентрации атомов, но при этом она быстро возрастает с увеличением температуры.

• Сравните с металлами: там концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов.

В отсутствие внешнего электрического поля эти свободные электроны и дырки движутся в кристалле полупроводника хаотически.

Во внешнем электрическом поле электроны перемещаются в сторону, противоположную направлению напряженности электрического поля. Положительные дырки перемещаются в направлении напряженности электрического поля (рис. 6). Процесс перемещения электронов и дырок во внешнем поле происходит по всему объему полупроводника.

Общая удельная электропроводность полупроводника складывается из дырочной и электронной проводимостей. При этом у чистых полупроводников число электронов проводимости всегда равно числу дырок. Поэтому говорят, что чистые полупроводники обладают электронно-дырочной проводимостью , или собственной проводимостью .

С повышением температуры возрастает число разрывов ковалентных связей и увеличивается количество свободных электронов и дырок в кристаллах чистых полупроводников, а, следовательно, возрастает удельная электропроводность и уменьшается удельное сопротивление чистых полупроводников. График зависимости удельного сопротивления чистого полупроводника от температуры приведен на рис. 7.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и, как следствие, возникновение собственной проводимости полупроводников и уменьшение удельного сопротивления могут быть вызваны освещением (фотопроводимость полупроводника), а также действием сильных электрических полей.

Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников увеличивается с введением примесей, когда наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость.

Примесной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике.

Примесными центрами могут быть:

1. атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;

2. избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;

3. различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).

Донорная примесь

• От латинского «donare» - давать, жертвовать.

Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной примесью мышьяка As, которую вводят в кристалл, например, кремния. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, а пятый электрон оказывается незанятым в этих связях (рис. 8).

Энергия отрыва (энергия ионизации) пятого валентного электрона мышьяка в кремнии равна 0,05 эВ = 0,08⋅10 -19 Дж, что в 20 раз меньше энергии отрыва электрона от атома кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка теряют один из своих электронов и становятся положительными ионами. Положительные ионы мышьяка не могут захватить электроны соседних атомов, так как все четыре связи у них уже укомплектованы электронами. В этом случае перемещения электронной вакансии - «дырки» не происходит и дырочная проводимость очень мала, т.е. практически отсутствует.

Донорные примеси - это примеси легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов. При наличии электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение в кристалле полупроводника, и в нем возникает электронная примесная проводимость. В итоге мы получаем полупроводник с преимущественно электронной проводимостью, называемый полупроводником n-типа. (От лат. negativus - отрицательный).

Поскольку в полупроводнике n-типа число электронов значительно больше числа дырок, то электроны являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными.

Акцепторная примесь

• От латинского «acceptor» - приемщик.

В случае акцепторной примеси, например, трехвалентного индия In атом примеси может дать свои три электрона для осуществления ковалентной связи только с тремя соседними атомами кремния, а одного электрона «недостает» (рис. 9). Один из электронов соседних атомов кремния может заполнить эту связь, тогда атом In станет неподвижным отрицательным ионом, а на месте ушедшего от одного из атомов кремния электрона образуется дырка. Акцепторные примеси, захватывая электроны и создавая тем самым подвижные дырки, не увеличивают при этом числа электронов проводимости. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью - дырки, а неосновные - электроны.

Акцепторные примеси - это примеси, обеспечивающие дырочную проводимость.

Полупроводники, у которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются полупроводниками р-типа (От лат. positivus - положительный.).

Необходимо отметить, что введение примесей в полупроводники, как и в любых металлах, нарушает строение кристаллической решетки и затрудняет движение электронов. Однако сопротивление не увеличивается из-за того, что увеличение концентрации носителей зарядов значительно уменьшает сопротивление. Так, введение примеси бора в количестве 1 атом на сто тысяч атомов кремния уменьшает удельное электрическое сопротивление кремния приблизительно в тысячу раз, а примесь одного атома индия на 10 8 - 10 9 атомов германия уменьшает удельное электрическое сопротивление германия в миллионы раз.

Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные, и акцепторные примеси, то характер проводимости полупроводника (n- или p-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей заряда.

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход (сокращенно р-n-переход) возникает в полупроводниковом кристалле, имеющем одновременно области с n-типа (содержит донорные примеси) и р-типа (с акцепторными примесями) прово-димостями на границе между этими областями.

Допустим, у нас есть кристалл, в котором слева находится область полупроводника с дырочной (p-типа), а справа - с электронной (n-типа) проводимостью (рис. 10). Благодаря тепловому движению при образовании контакта электроны из полупроводника n-типа будут диффундировать в область р-типа. 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, толщина l которого не превышает долей микрометра.

Между слоями ионов возникает электрическое поле с напряженностью E i . Электрическое поле электронно-дырочного перехода (р-n-переход) препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу раздела двух полупроводников. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с остальными объемами полупроводников.

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 (рис. 11). Электроны, переходя границу, «заполняют» дырки. При таком прямом направлении внешнего электрического поля толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются. В этом направлении электрический ток проходит через р-n-переход.

Рассмотренное направление p-n-перехода называют прямым . Зависимость силы тока от напряжения, т.е. вольт-амперная характеристика прямого перехода, изображена на рис. 12 сплошной линией.

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 (рис. 13). Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Направление внешнего электрического поля, расширяющее запирающий слой, называется запирающим (обратным ). При таком направлении внешнего поля электрический ток основных носителей заряда через контакт двух п- и p-полупроводников не проходит.

Ток через p-n-переход теперь обусловлен электронами, которые есть в полупроводнике p-типа, и дырками из полупроводника n-типа. Но неосновными носителей заряда очень мало, поэтому проводимость перехода оказывается незначительной, а его сопротивление - большим. Рассмотренное направление p-n-перехода называют обратным , его вольт-амперная характеристика изображена на рис. 12 штриховой линией.

Обратите внимание, что масштаб измерения силы тока при прямом и обратном переходах отличаются в тысячу раз.

Заметим, что при определенном напряжении, приложенном в обратном направлении, происходит пробой (т.е. разрушение) p-n-перехода.

Полупроводниковые приборы

Термисторы

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.

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.

Схематическое изображение (рис. а) и фотография (рис. б) термистора приведено на рисунке 14.

Рис. 14

Фоторезисторы

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.

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 (рис. а) и фотография (рис. б) фоторезистора приведено на рисунке 15.

Рис. 15

Полупроводниковый диод

Способность p-n-перехода пропускать ток в одном направлении используется в полупроводниковых приборах, называемых диодами .

Полупроводниковые диоды изготавливают из германия, кремния, селена и других веществ.

Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический металлический корпус. Полупроводниковые диоды являются основными элементами выпрямителей переменного тока (если точнее, служат для преобразования переменного тока в пульсирующий ток постоянного направления.)

Схематическое изображение (рис. а) и фотография (рис. б) полупроводникового диода приведено на рисунке 16.

Рис. 16

Светодиоды

Светодиод или светоизлучающий диод - полупроводниковый прибор с p-n-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.

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 300-308.
2. Буров Л.И., Стрельченя В.Μ. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. - Мн.: Парадокс, 2000. - С. 219-228.
3. Мякишев Г. Я. Физика: Электродинамика. 10 – 11 кл.: учебник для углубленного изучения физики/ Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. - М.: Дрофа, 2005. - С. 309-320.
4. Яворский Б. М., Селезнев Ю. А. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и самообразования. - М.: Наука, 1984. - С. 165-169.