Меню

Электрический ток в полупроводниках явление



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.

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 в полупроводниках

Значение удельного электрического сопротивления полупроводников говорит о промежуточном положении между проводниками и диэлектриками. Диэлектриками считают германий, кремний, селен, мышьяк и так далее, а также некоторое количество химических соединений. Большая часть неорганических веществ относится к полупроводникам. Самым распространенным из них считают кремний.

Зависимость сопротивления от температуры

Полупроводники отличаются от металлов тем, что при понижении температуры у вторых падает удельное сопротивление, как показано на рисунке 1 . 12 . 4 . Полупроводники ведут себя иначе. У них сопротивление заметно возрастает, что приводит к становлению изоляторами.

Зависимость сопротивления от температуры

Рисунок 1 . 12 . 4 . Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.

Рисунок 1 . 13 . 1 . Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T .

Выше приведенная зависимость ρ ( T ) говорит о наличии концентрации носителей свободного заряда у проводников, увеличивающегося с ростом температуры. Механизм электрического тока нельзя объяснить с помощью только модели газа свободных электронов.

Рассмотрим на примере германия ( Ge ) . Действие механизма в кристалле кремния ( Si ) такой же. Внешние оболочки атомов германия имеют 4 слабо выраженных электрона. Они получили название валентных. Каждый атом кристаллической решетки окружен 4 соседями. Атомы соединены посредствам ковалентной связи, то есть парами валентных электронов. Валентный электрон соответствует двум атомам, как изображено на рисунке 1 . 13 . 2 .

Связь валентных электронов в атоме германия больше, чем в обычных металлах. Отсюда и наличие сниженной концентрации электронов проводимости при комнатной температуре. Образование связей электронов германия происходит при температуре, приближенной к абсолютному нулю. Данный кристалл не обладает проводимостью.

Читайте также:  Зарядные токи автомобильных генераторов

Рисунок 1 . 13 . 2 . Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары.

Какие вещества относят к полупроводникам

Если температура повышается, тогда некоторые валентные электроны получают энергию, которой хватит для разрыва ковалентной связи. После чего в кристалле появляются свободные электроны (электроны проводимости).

Места разрыва связей характеризуются образованием вакансий, на которых электроны отсутствуют. Данные вакансии называют дырками.

Вакантное место может быть передано валентному электрону соседней пары, тогда дырка будет циклично перемещаться по всему кристаллу. Заданная температура полупроводника за 1 времени образует определенное количество электронно-дырочных пар.

Также имеется обратный процесс, который заключается в восстановлении электронной связи между атомами германия при встрече со свободным дырочным электроном. Его называют рекомбинацией.

Появление электронно-дырочных пар обусловлено освещением полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. При его отсутствии электроны и дырки принимают участие в хаотическом тепловом движении.

Перемещение полупроводника в электрическое поле подвергает электроны, дырки упорядоченному движению, причем ведут себя как положительно заряженные частицы. Отсюда вывод: ток I в полупроводнике записывается как сумма электронного I n и дырочного I p :

Концентрация электронов проводимости полупроводников равняется концентрации дырок n n = n p .

Полупроводник n -типа

Проявление электронно-дырочной проводимости присущ чистым полупроводникам. Их называют собственной электрической проводимостью полупроводников.

Если имеются примеси, тогда происходит ее изменение.

При добавлении в кристалл кремния примесь в виде фосфора количеством 0 , 001 % уменьшается удельное сопротивление более, чем на 5 порядков. Такое влияние примесей объясняется выше изложенным представлением о строении полупроводников.

Необходимое условие резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей – отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Если проводники имеют примеси, то такая проводимость называется примесной. Различают два вида: электронная и дырочная. Первая появляется при введении в четырехвалентные атомы германия пятивалентных атомов мышьяка.

Рисунок 1 . 13 . 3 . Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n -типа.

На рисунке 1 . 13 . 3 подробно показан пятивалентный атом мышьяка, который находится в узле кристаллической решетки германия. Валентные электроны в количестве 4 штук включены в образование ковалентных связей с 4 соседними атомами германия. Пятый из них получается лишним, так как не имеет пары. Он отрывается от атома мышьяка и становится свободным.

Атом, который теряет электрон, становится положительным ионом, располагаемым в узле кристаллической решетки.

Полупроводник p -типа

Если у примеси имеется валентность, превышающая валентность основных атомов полупроводникового кристалла, тогда ее называют донорной.

Когда примесь вводится в кристалл, то это провоцирует появление большого количества свободных электронов. Тогда происходит резкое уменьшение удельного сопротивления полупроводника в разы. После чего оно стремится по значению к удельному сопротивлению металлического проводника.

Кристалл германия с примесью мышьяка имеет электроны и дырки, которые отвечают за собственную проводимость кристалла. Основным типом носителей свободного заряда считаются электроны, которые оторвались от атомов мышьяка. Тогда такой кристалл имеет n n ≫ n p . Данная проводимость получила название электронной, а такой полупроводник, обладающий электронной проводимостью – полупроводник n -типа.

Рисунок 1 . 13 . 4 . Атом индия в решетке германия. Полупроводник p -типа.

Влияние примесей

Возникновение дырочной проводимости связано с введением трехвалентных атомов индия в кристалл германия. На рисунке 1 . 13 . 4 изображен атом индия, который создает ковалентные связи валентными электронами с помощью трех соседних атомов германия. Чтобы образовать связь с четвертым атомом германия у индия отсутствует электрон. Именно он захватывается атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Тогда получаем, что атом индия становится отрицательным ионом, располагаемым в узле кристаллической решетки. Отсюда ковалентная связь соседних атомов образует вакансию.

Примесь атомов, захватывающих электроны, называют акцепторной.

С ее наличием в кристалле происходит разрыв множества ковалентных связей, а на их местах образуются вакантные места, то есть дырки. Электроны движутся к ней из соседних ковалентных связей, что обуславливает хаотичное блуждание дырок по кристаллу.

Акцепторная примесь способна заметно снижать удельное сопротивление за счет появления дырок. Их концентрация в такой примеси значительно больше количества электронов, появившихся по причине собственной электропроводности полупроводника n p ≫ n n . Она получила название дырочной. Проводник с примесью и наличием дырочной проводимости – это полупроводник p -типа.

Основными носителями свободного заряда в таких полупроводниках являются дырки. Дырочная проводимость обуславливается эстафетным перемещением по вакансиям, начиная от атома германия к другому электрону, осуществляющему ковалентную связь.

Полупроводники n — и p — типов подвергаются действию закона Ома на интервалах силы тока и напряжений с условием концентрации свободных носителей.

Источник

ИНФОФИЗ — мой мир.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

  • Главная
  • Мир физики
    • Физика в формулах
    • Теоретические сведения
    • Физический юмор
    • Физика вокруг нас
    • Физика студентам
      • Для рефератов
      • Экзамены
      • Лекции по физике
      • Естествознание
  • Мир астрономии
    • Солнечная система
    • Космонавтика
    • Новости астрономии
    • Лекции по астрономии
    • Законы и формулы — кратко
  • Мир психологии
    • Физика и психология
    • Психологическая разгрузка
    • Воспитание и педагогика
    • Новости психологии и педагогики
    • Есть что почитать
  • Мир технологий
    • World Wide Web
    • Информатика для студентов
      • 1 курс
      • 2 курс
    • Программное обеспечение компьютерных сетей
      • Мои лекции
      • Для студентов ДО
      • Методические материалы
  • Физика школьникам
  • Физика студентам
  • Астрономия
  • Информатика
  • ПОКС
  • Арх ЭВМ и ВС
  • Методические материалы
  • Медиа-файлы
  • Тестирование

Как сказал.

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

Урок 32. Лекция 32-1. Электрический ток в полупроводниках.

По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений.

Читайте также:  Разветвленные цепи переменного тока схема

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.


Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T.

Полупроводниками называются вещевтва, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры.

Такой ход зависимости ρ( T ) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Объяснение явлений, наблюдаемых в проводниках, возможно на основе законов квантовой механики. Рассмотрим качественно механизм электрического тока в полупроводниках на примере германия (Ge).

Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, то есть осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам.

Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит. При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами.

Вакансии, которые не заняты электронами получили название дырок.

Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар.

В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией.

Рекомбинация – восстановление электронной связи между атомами.

Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.

В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

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 In и дырочного Ip токов: I = In + Ip

Электрическим током в полупроводниках называется направленное движение электронов к положительному полюсу, а дырок к отрицательному .

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Собственной электрической проводимостью полупроводников называется электронно-дырочный механизм проводимости, который проявляется только у чистых (то есть без примесей) полупроводников.

При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется.

Примесной проводимостью называется проводимость полупроводников при наличии примесей.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.

  1. Электронная проводимость возникает, когда в кристалл полупроводника вводится примесь с большей валентностью.

Например, вкристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы мышьяка, As.

На рисунке показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался лишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки.

Донорской примесью – называется примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла.

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.

В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле nn >> np.

Проводимость, при которой основными носителями свободного заряда являются электроны называется электронной.

Полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.

  1. Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл полупроводника введена примесь с меньшей валентностью.

Например, в кристалл германия введены трехвалентные атомы In.

На рисунке 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.

Акцепторной примесью – называется примесь из атомов с валентностью меньшей, чем валентность основных атомов полупроводникового кристалла , способных захватывать электроны.

Читайте также:  Вычислить силу тока во всех ветвях

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.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np >> nn.

Проводимость, при которой основными носителями свободного заряда являются дырки, называется дырочной проводимостью.

Полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа.

Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.

Зависимость электропроводимости полупроводников от температуры и освещенности

  1. У полупроводников с ростом температуры подвижность электронов и дырок падает, но это не играет заметной роли, так как при нагревании полупроводника кинетическая энергия валентных электронов возрастает и наступает разрыв отдельных связей, что приводит к увеличению числа свободных электронов, т. е. росту электропроводимости .
  1. При освещенииполупроводника в нем появляются дополнительные носите­ли, что приводит к повышению его электропроводности. Это возникает в резуль­тате того, что свет вырывает электроны из атома и при этом одновременно возрастает число электронов и дырок.

О том, какие процессы происходят при соприкосновении полупроводников p- n-типов и где используются полупроводники читайте в продолжении лекции 32 » Полупроводниковый диод. Полупроводниковые приборы»

Источник

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?

Источник