Меню

Электрический ток полупроводники применение



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.

Читайте также:  Чему равна эдс источника тока если заряд конденсатора емкостью 200 мкф равен 15 мкл

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.

Источник

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.

Структура связей в кристалле кремния

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.

Читайте также:  Конденсатор является источником тока

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.

Источник

Электрический ток полупроводники применение

Перечислим важнейшие применения полупроводников:

1) полупроводниковые диоды и триоды с большим успехом заменяют электронные лампы, так как они более экономичны, компактны, отличаются простотой устройства, надежностью, механической прочностью и большим сроком работы. Применяемые в электро- и радиотехнике селеновые выпрямители имеют к. п. д. до 70%, германиевые — до 98%. Имеются выпрямители, работающие при высоких температурах. Полупроводниковые триоды имеют к. п. д. до 50% (тогда как у вакуумных электронных ламп — около 1%). Полупроводниковые приборы употребляют мало энергии и требуют для питания низкое (по сравнению с электронными лампами) напряжение, поэтому необходимые для них источники питания могут иметь очень малые габариты. Это позволило решить ряд важных задач радиотехники (создание миниатюрных радиоприемников и передатчиков и др.);

2) фотосопротивления — полупроводники (селен, сернистые кадмий и свинец и др.), у которых электрическое сопротивление резко уменьшается при облучении их светом, ультрафиолетовыми, рентгеновскими и другими лучами; они используются для измерения световых потоков, освещенности, воспроизводства звука, записанного на кинопленку в различных устройствах контроля, сигнализации, автоматического регулирования и т. д. Имеются фотосопротивления, чувствительные к инфракрасному излучению;

3) термисторы — полупроводники (смеси окислов различных металлов: магния, никеля, титана и др.), у которых электрическое сопротивление сильно зависит от температуры; они применяются для измерения температур (в таких условиях, при которых другие способы не применимы: химически активная среда, наличие вибраций, необходимость очень малых размеров датчика и др.), для автоматического регулирования температуры, в качестве ограничителей начального значения силы тока в пусковых устройствах и т. д.;

4) варисторы — полупроводники (карбид кремния и др.), у которых электрическое сопротивление сильно зависит от напряженности приложенного электрического поля; применяются для защиты электрических цепей от нерегулярных высоких перенапряжений, например от грозовых разрядов.

В электрических печах вместо дорогих и недолговечных металлических спиралей используются стержни из тугоплавких полупроводников, допускающих нагрев до 1300° С. Термоэлементы, составленные из двух полупроводников с и -проводимостями, имеют

более высокое значение коэффициента термоэлектродвижущей силы. Они могут быть использованы как преобразователи теплоты непосредственно в электрическую энергию (с к. п. д., доходящим до 10%), а также при использовании эффекта Пельтье, для целей охлаждения (полупроводниковые термоэлектрогенераторы и холодильники).

Источник

Электрический ток в полупроводниках

Зависимость проводимости полупроводников от температуры и освещенности

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

Читайте также:  Приборы для измерения активной мощности в цепях переменного тока

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

зависимость сопротивления полупроводников от температуры

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:

прямой ток через диод

Идет значительный ток.

обратный ток через диод

Ток практически отсутствует.

вольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода.

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

Полупроводниковый диод используется как выпрямитель переменного тока.

полупроводниковый диод

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.

транзистор

Интегральные схемы

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

интегральная схема

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.

Источник