Электрический ток в полупроводниках применение

Электрический ток в полупроводниках

Проводимость полупроводника

Главное свойство полупроводников, результатом которого является широчайшее их распространение в современной электронике, является возможность легкого управления проводимостью. Это дает возможность использовать полупроводники для усиления и преобразования самых разных электрических сигналов.

Изначально полупроводниковые приборы строились в основном на основе германия. В настоящее время самое широкое применение находит кремний.

Строение кристалла полупроводника

Для понимания природы проводимости полупроводника следует рассмотреть его атомное строение. Кремний – четырехвалентный элемент. В его кристалле каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя соседями. Ковалентная химическая связь – это связь, при которой электроны двух атомов «обобществляются», и становятся общими. То есть каждая связь в кремнии содержит два «обобществленных» электрона.

Рис. 1. Структура связей в кристалле кремния.

Электронная проводимость

Чем выше температура кристалла, тем больше энергии имеют валентные электроны, и тем легче им переходить между соседними атомами. Удалившись от одного атома, он может начать двигаться по связи с другим атомом (там, где в это время другой электрон «освободит место»).

Дырочная проводимость

Заметим, что электрон, ставший свободным – покинул свой атом, в результате чего у атома образовался избыточный положительный заряд, «вакантное место» в одной из четырех связей. Такой атом называется «дыркой». Поскольку в ковалентных связях электроны могут переходить от связи к связи – образовавшееся «вакантное место» может быть заполнено электроном из соседнего атома, таким образом дырка образуется в этом соседнем атоме.

В отсутствие электрического поля дырки образуются и исчезают хаотично. Однако, если такое поле появляется, дырка будет заполняться электронами из соседних атомов в основном под действием этого поля. То есть, под действием поля дырка начинает движение – в полупроводнике возникает дырочная проводимость.

Таким образом, кратко электрический ток в полупроводниках можно представить в виде движения электронов и дырок.

Собственная и примесная проводимость

Собственная проводимость чистого полупроводника, как правило, невелика, существенно меньше, чем проводимость металлов. Для работы в электронных схемах это большой недостаток. Для увеличения проводимости в полупроводник вводят специальные примеси.

Атомы примеси подбираются так, чтобы они легко встраивались в кристаллическую структуру полупроводника, и при этом значительно влияли на его проводимость, несмотря на небольшое количество примеси. Такой результат можно получить, если валентность примеси будет немного отличаться (на единицу) от валентности вещества полупроводника.

Донорная и акцепторная проводимость

Валентность примеси может быть равна пяти (например, у мышьяка). В этом случае у каждого атома примеси кроме четырех электронов, участвующих в связи с соседними атомами кремния, будет один «лишний» электрон, который сможет легко покидать атом мышьяка, и двигаться в полупроводнике. Проводимость кристалла резко возрастает за счет появляющихся свободных электронов. Примесь, которая легко увеличивает число свободных электронов, называется донорной, а кристалл полупроводника с донорной примесью называется n-типом (от «negative»). Основными носителями в таком полупроводнике являются электроны.

Рис. 2. Электронная проводимость полупроводника.

Валентность примеси может быть равна трем (например, у индия). В этом случае у каждого атома примеси в четырех связях с соседними атомами кремния всегда будет одно «вакантное» место, которое будет легко заполняться электронами соседних атомов. Проводимость кристалла в этом случае также возрастает, за счет увеличенного числа дырок. Примесь, увеличивающая число дырок, называется акцепторной, а полупроводник с такой примесью называется полупроводником p-типа (от «positive»). Основными носителями в нем являются дырки.

Рис. 3. Дырочная проводимость полупроводника.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно менять как электронную, так и дырочную проводимость. Эта возможность широко используется в электронике.

Что мы узнали?

В полупроводниках существуют носители двух типов – свободные электроны, покинувшие атомы и атомы, в которых есть «вакантное» место для электрона (дырки). В проводниках бывает собственная и примесная проводимость. Если примесь легко отдает электроны, то она называется донорной, такой полупроводник имеет n-тип. Если примесь имеет недостаток электронов, она называется акцепторной, такой полупроводник имеет p-тип.

Электрический ток в полупроводниках

Зависимость проводимости полупроводников от температуры и освещенности

Полупроводники – это вещества, сопротивление которых убывает с повышением температуры, изменения освещенности, наличия примесей.

При нагревании полупроводникового термистора сила тока в цепи растет, что указывает на уменьшение его сопротивления.

При освещении полупроводникового фоторезистора сила тока в цепи растет, что указывает на уменьшение его сопротивления.

Типичными полупроводниками являются кристаллы германия (Ge) и кремния (Si).

Собственная проводимость полупроводников

В идеальном кристалле германия при низкой температуре атомы объединены ковалентной связью: свободных носителей заряда нет. При увеличении температуры энергия электронов увеличивается и происходит разрыв ковалентной связи, а на их месте образуется свободное вакантное место – положительная дырка.

В идеальном кристалле четырехвалентного германия при низкой температуре атомы объединены ковалентной связью: свободных носителей заряда нет. Четыре валентных электрона связаны с четырьмя соседними атомами. При увеличении температуры энергия электронов увеличивается и происходит разрыв ковалентной связи, а на их месте образуется положительная дырка.

В чистом полупроводнике электрический ток создается равным количеством электронов и дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью полупроводников.

Примесная проводимость полупроводников

При внесении примеси электрическая проводимость полупроводников увеличивается. Такой полупроводник обладает примесной проводимостью.

При добавлении донорной примеси (с большей валентностью) в полупроводнике образуются лишние электроны. Например, если в четырехвалентный кристалл германия добавить пятивалентный мышьяк, то четыре электрона мышьяка образуют ковалентные связи, а пятый остается свободным. Проводимость становится электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа.

При добавлении акцепторной примеси (с меньшей валентностью) в полупроводнике образуются лишние дырки. Например, если в четырехвалентный кристалл германия ввести трехвалентный индий, то одна ковалентная связь останется незавершенной. Проводимость становится дырочной, а полупроводник называют полупроводником p-типа.

Электронно-дырочный переход

В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой, называемый p-n-переходом. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Полупроводниковые приборы и их применение

Полупроводниковый диод

Прибор, в котором используется p-n-переход, называется полупроводниковым диодом.

Электрический ток через контакт полупроводников p-n-типа:

Идет значительный ток.

Ток практически отсутствует.

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода.

Правая часть графика соответствует прямому направлению тока, а левая – обратному.

Полупроводниковый диод используется как выпрямитель переменного тока.

Транзистор

Транзистор имеет два p-n-перехода и используется как усилитель мощности в радиоэлектронных устройствах. Транзистор состоит из двух полупроводников p-типа и одного n-типа или двух полупроводников n-типа и одного p-типа. Эти переходы делят полупроводник на три области, называемые эмиттер, база, коллектор.

Интегральные схемы

На основе полупроводниковых кристаллов создаются интегральные схемы, в которых сотни тысяч элементов соединяются в единую электрическую цепь.

Полупроводники используются при создании:

фоторезисторов , которые находят применение в автоматических выключателях света, индикаторах на ИСЗ;

термисторах , используемых для измерения температуры, в пожарной сигнализации, реле времени;

фотоэлементах , используемых в солнечных батареях;

фотодиодах , используемых для измерения интенсивности света;

фототранзисторах , используемых в различных датчиках;

светодиодах , используемых в качестве источника инфракрасного излучения, знаковых индикаторах, полупроводниковых лазерах.

Подведем итог

Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. К полупроводникам относится большая группа веществ (Si, Ge и др.). В отличие от металлов с ростом температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается.

Проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов и дырок. В чистом кристалле электроны и дырки присутствуют в равном количестве. Такой полупроводник обладает собственной проводимостью.

При наличии примесей в полупроводниках возникает примесная проводимость. При добавлении донорной примеси с валентностью на единицу больше, чем у полупроводника, один электрон остается свободным. Получается полупроводник n-типа.

Если же добавить акцепторную примесь с валентностью на единицу меньше, чем у полупроводника, то в таком полупроводнике концентрация дырок превышает концентрацию электронов. Получается полупроводник p-типа.

Область контакта полупроводников двух типов называется p-n-переходом. Важным свойством p-n-перехода является его односторонняя проводимость. Данное свойство используется в работе полупроводникового диода.

Полупроводники используются при создании транзисторов, термисторов, светодиодов, фотоэлементов, интегральных схем.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят широкое применение в радиотехнике, автоматике, вычислительной технике, телемеханике.

Применение полупроводников

Увеличение проводимости полупроводников происходит с повышением температуры, так как этому способствует рост количества носителей заряда. Зависимость проводимости полупроводников представляется как:

Где E является энергией активации, k – постоянной Больцмана. Около абсолютного нуля все полупроводники становятся изоляторами. Зависимость их сопротивления от температуры позволяет применять в различных областях техники.

Термисторы

Приборы, которые основываются на зависимости величины сопротивления от температуры, называются термисторами.

Для их производства применяют полупроводники, обладающие существенной величиной отрицательного сопротивления. Их изготавливают в форме цилиндрических стержней, бусин, нитей, располагаемых в баллончиках из стекла, керамики или металла с изоляцией.

Параметры, характеризующие термисторы:

• наличие сопротивления с t = 20 ° C ;
• температурный коэффициент сопротивления при t = 20 ° C ;
• время тепловой инерции – временной промежуток, за который сопротивление термистора изменяется до определенной величины;
• максимальная температура эксплуатации;
• теплоемкость.

По предназначению термисторы классифицируют на:

• Измерительные. Применяют для получения данных о температуре и влажности воздуха. Ток, пропускаемый через него, имеет малую величину, поэтому не способен вызвать заметный разогрев термистора. Температура меняется вместе с температурой окружающей среды.
• Прямого подогрева. Изменение сопротивления происходит за счет джоулева тепла. Его использование способствует стабилизировать напряжение при существенных колебаниях и небольших токах, как в телефонных линиях. Применение позволяет поддерживать постоянство сопротивления электросетей. (Термисторы обладают отрицательным температурным коэффициентом, а остальные металлические элементы – положительным). Они способны заменить движковые реостаты. Данный тип термисторов способен производить нарастание тока в цепи.
• Косвенного подогрева. Нагревание производится за счет внешнего источника. Применяются в качестве сигнализации о перегреве отдельных частей машины.

Фотосопротивления

Электроны в полупроводниках способны переходить в зону проводимости не только при повышении температуры, но и при поглощении фотона (внутренний фотоэффект). Существуют полупроводники, энергия перехода электронов у которых составляет десятые доли электрон-вольта, то есть на сопротивление подобных проводников оказывает влияние не только видимый свет, но и инфракрасное излучение.

Прибор, который основывается на изменении сопротивления полупроводников под действием освещенности, называют фотосопротивлением. Для видимой части спектра применяют полупроводники из селена, германия, сернистого кадмия, таллия. Для инфракрасной – сернистый, селенистый и теллуристый свинец.

Подобные фотосопротивления характеризуются зависимостью фототока I от величины светового потока Φ . В большинстве случаев ее изображают как:

Вольт-амперные характеристики фотосопротивлений обладают линейным характером. Фотосопротивления являются инерционными, то есть достижение максимума фототока происходит не мгновенно, спад – при прекращении подачи света.

Фотосопротивления применимы для автоматики, сортировке изделий по покраске или размерам.

Варисторы

Опытным путем было доказано, в небольших полях закон Ома для полупроводников считается применимым. У разных веществ величина критического поля имеет отличия. Она зависит от природы полупроводника, температуры, концентрации примесей.

Электропроводность полупроводника от напряженности поля определяется законом Пуля:

Где α является коэффициентом, зависящим от температуры, E k – напряженность критического поля.

Полупроводники, проводимость которых растет с увеличением напряженности электрического поля, называют варисторами (ограничители перенапряжений).

Примерами полупроводников варисторов считаются такие, в состав которых входит карбид кремния, используемый в виде дисков в разрядниках, защищающих высоковольтные линии электропередач.

Полупроводниковые выпрямители

Некоторые проводники после контакта характеризуются явлением, при котором ток хорошо проходит в одном направлении и практически не идет в обратном. Существование такого эффекта обусловлено наличием разного типа проводимости полупроводников. Односторонняя проводимость разнородных полупроводников используется в диодах, триодах. Чаще всего применяют германий и кремний. Такие триоды и диоды имеют большой срок работы с малыми габаритами, высоким коэффициентом выпрямления, экономят энергию.

Униполярная проводимость между проводником применяется в вентильных элементах.

Термоэлементы

Термоэлементы изготавливают из полупроводников. Из чего состоят полупроводники? Они включают в себя два полупроводника, соединенные металлической пластиной. Нагрев полупроводника происходит на месте соединения, на противоположных концах происходит охлаждение. К свободным концам присоединяют внешнюю цепь, так как они считаются полюсами термоэлемента. Термоэлектрические батареи создают из термоэлементов. Определение термоэлектрической ЭДС Ε возможно по формуле:

Где α 1 и α 2 – это термоэлектродвижущие силы каждого полупроводника с разностью температур на концах, равняющейся 1 ° С . КПД термобатарей составляет 6 — 7 % .

При пропускании электротока через термоэлемент, имеет место появление эффекта Пельтье, то есть один спай нагревается, другой охлаждается. Данное явление применимо в холодильной камере.

Происходит отступление от закона Ома в полупроводниках с сильными электрическими полями. С чем это связано?

Решение

Необходимо записать закон Ома в дифференциальной форме:

Значение I является силой тока, σ – коэффициентом проводимости, E – напряженностью электрического поля.

Определение силы тока происходит по формуле:

I = q e n υ ( 1 . 2 ) с q e , являющимся зарядом электрона, n – концентрацией заряженных частиц, υ — скоростью движения электронов. Применим выражения ( 1 . 1 ) , ( 1 . 2 ) для получения σ :

σ = q e n υ E = q e n υ ( 1 . 3 ) .

Из формулы υ обозначают в качестве неподвижности электронов. Если следовать из выражения ( 1 . 3 ) , то происходит соблюдение закона Ома при неизменной подвижности и концентрации во время изменения самой напряженности поля. При увеличении Е идет рост подвижности электронов и их концентрация, так как поле влияет на энергосостояние электронов в атомах. В больших полях может быть получена энергия для свободного электрона, которой достаточно для прохождения процессов ионизации атома решетки или атома примеси, что влияет на увеличение концентрации электронов проводимости.

Ответ: отступление закона Ома связано с влиянием сильных полей на подвижность электронов и их концентрацию.

Произвести описание процесса появления термоэлектродвижущей силы в полупроводниках.

Решение

Рост кинетической энергии теплового движения электронов в полупроводниках возможен при увеличении абсолютной температуры. Если создается разность температур в полупроводнике, то можно получить рост концентрации электронов на конце при имеющейся там высокой температуре.

Отсюда следует, что будет наблюдаться диффузия свободных электронов по направлению от горячего конца к холодному. Холодный конец получит отрицательный зарядой, а горячий – положительный. Продолжение диффузии идет до тех пор, пока разность потенциалов не компенсирует диффузионный поток при помощи возникшего электрического тока обратного направления. Данное равновесие способно определить термо ЭДС.

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 33. Электрический ток в полупроводниках

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) собственная и примесная проводимость;

3) электрический ток в полупроводниках;

4) зависимость тока от напряжения;

5) зависимость силы тока от внешних условий.

Глоссарий по теме:

Полупроводник — вещество, занимающее промежуточное положение в электропроводности между проводниками и диэлектриками.

Собственная проводимость — проводимость чистых полупроводников

Примесная проводимость — проводимость, вызванная введением примесей.

Полупроводниковый диод представляет собой устройство, содержащее p-n-соединение и способное передавать ток только в одном направлении.

Транзистор представляет собой устройство, содержащее два p-n переходов, прямые направления которых противоположны.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Соцкий Н. Н. Физика. 10 класс. Учебник для образовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 362-371.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач физики. 10-11 класс М.: Дрофа, 2009.

3. Зегря Г.Г. Перел В.И. Основы физики полупроводников. М.: Физматлит, 2009.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В полупроводниках атомы связаны ковалентными (попарно электронными) связями, которые сильны при низких температурах и освещенности. С ростом температуры и освещенности эти связи могут разрушаться, образуя свободный электрон и «дырку».

Реальные частицы — это только электроны. Электронная проводимость обусловлена движением свободных электронов. Дырочная проводимость вызвана движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, поочередно заменяя друг друга, что эквивалентно движению «дырок» в противоположном направлении. «Дырке» условно приписывают «+» заряд.

В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и «дырок» одинакова.

Примеси, которые легко отдают электроны, называются донорными. Если мы их добавим, мы получим полупроводник n-типа с электронной проводимостью.

Примеси, которые легко принимают электроны, называются акцепторными. Если мы их добавим, мы получим полупроводник р-типа с дырочной проводимостью.

Когда два полупроводника с разными типами проводимости входят в контакт, образуется так называемый p-n-переход. Он имеет одностороннюю проводимость. При контакте полупроводников p- и n-типа в результате диффузии электронов в полупроводник р-типа и дырок в полупроводник n-типа образуется контактное электрическое поле. Для основных носителей заряда создан барьерный слой.

При включении в цепь p-n-перехода, когда область с электронной проводимостью связана с отрицательным полюсом источника тока, а область с дырочной проводимостью с положительным полюсом, внешнее электрическое поле ослабляет контактное поле и обеспечивает ток значительной силы, называемый прямым и обусловленным движением основных носителей заряда.

Когда переход включён обратном направлении, внешнее поле усиливает контактное поле, а пограничный слой обеднен основными носителями заряда. Очень малый ток течёт из-за движения через р-п-переход неосновных носителей заряда, которых очень мало.

Полупроводниковый диод представляет собой устройство, содержащее p-n-переход и способное пропускать ток в одном направлении и не передавать его в противоположном направлении.

Транзистор или триод полупроводника — это устройство, содержащее два p-n-перехода, прямые направления которых противоположны.

Современная электроника основана на микросхемах и микропроцессорах, которые включают в себя огромное количество транзисторов. Транзисторы стали широко распространены в современных технологиях. Они заменили электронные лампы в электрических цепях научной, промышленной и бытовой техники

Примеры и разбор решения заданий

1. Выберите правильный ответ на вопрос: «Почему сопротивление полупроводников уменьшается с ростом температуры?»

1) концентрация свободных носителей заряда уменьшается;

2) концентрация свободных носителей заряда увеличивается;

3) скорость электронов увеличивается.

Правильный вариант: 2) концентрация свободных носителей заряда увеличивается.

Подсказка: обратите внимание, что при нагревании полупроводников в них образуется больше свободных носителей заряда.

2. Решите задачу: Концентрация электронов проводимости в германии при комнатной температуре n = 3·10 19 м -3 . Плотность германия ρ = 5400 кг/м 3 , молярная масса германия μ = 0,073 кг/моль. Каково отношение числа электронов проводимости к общему числу атомов?

Электрический Ток в Полупроводниках

Электрический Ток в Полупроводниках

Полупроводниками назвали класс веществ, у которых с повышением температуры увеличивается проводимость, уменьшается электрическое сопротивление. Этим полупроводники принципиально отличаются от металлов.

Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены кова-лентной связью. При любых температурах в полупроводниках имеются свободные электроны. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов кристаллической решетки приводит к превращению этого атома в положительный ион. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон у одного из соседних атомов. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс воспринимается как перемещение положительного электрического заряда, называемого дыркой .

При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение дырок — дырочный ток проводимости.

В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Проводимость в идеальных полупроводниках называется собственной проводимостью.

Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов — донорные и акцепторные.

Примеси, отдающие электроны и создающие электронную проводимость, называются донорными (примеси, имеющие валентность больше, чем у основного полупроводника). Полупроводники, в которых концентрация электронов превышает концентрацию дырок, называют полупроводниками n-типа.

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).

При низких температурах основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а не основными носителями — электроны. Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа. Рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости.

Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия основных носителей: электроны из n-полупроводника диффундируют в р-полупроводник, а дырки из р-полупроводника в n-полупроводник. В результате участок n-полупроводника, граничащий с контактом, будет обеднен электронами, и в нем образуется избыточный положительный заряд, обусловленный наличием оголенных ионов примеси. Движение дырок из р-полупроводника в n-полупроводник приводит к возникновению избыточного отрицательного заряда в пограничном участке р-полупроводника. В результате образуется двойной электрический слой, и возникает контактное электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Этот слой называют запирающим .

Внешнее электрическое поле влияет на электропроводность запирающего слоя. Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 55, то под действием внешнего электрического поля основные носители заряда — свободные электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике — будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников, при этом толщина p-n-перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление. В этом случае сила тока ограничивается внешним сопротивлением. Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. Прямому включению p-n-перехода соответствует участок 1 на вольт-амперной характеристике (см. рис. 57).

Носители электрического тока в различных средах и вольт-амперные характеристики обобщены в табл. 1.

Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 56, то электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут перемещаться под действием внешнего электрического поля от границы в противоположные стороны. Толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются. При таком направлении внешнего электрического поля — обратном (запирающем) через границу раздела проходят только неосновные носители заряда, концентрация которых много меньше, чем основных, и ток практически равен нулю. Обратному включению р-п-перехода соответствует участок 2 на вольт-амперной характеристике (рис. 57).

Таким образом, р-п-переход обладает несимметричной проводимостью. Это свойство используется в полупроводниковых диодах, содержащих один p-n-переход и применяемых, например, для выпрямления переменного тока или детектирования.

Полупроводники находят широкое применение в современной электронной технике.

Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых металлов от температуры используется в специальных полупроводниковых приборах — терморезисторах . Приборы, в которых используется свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами .