Podmínky pro vznik proudu v polovodiči. Elektrický proud v polovodičích. polovodičová dioda. Polovodičová zařízení. Elektrický proud ve vakuu

V této lekci budeme uvažovat o takovém médiu pro průchod elektrického proudu jako o polovodičích. Budeme uvažovat o principu jejich vodivosti, závislosti této vodivosti na teplotě a přítomnosti nečistot, uvažujme takový koncept jako p-n přechod a základní polovodičová zařízení.

Pokud provedete přímé spojení, pak vnější pole zneutralizuje blokovací pole a proud bude tvořit hlavní nosiče náboje (obr. 9).

Rýže. 9. p-n přechod s přímým připojením ()

Proud menšinových nosičů je v tomto případě zanedbatelný, prakticky se nevyskytuje. Proto p-n přechod zajišťuje jednosměrné vedení elektrického proudu.

Rýže. 10. Struktura atomu křemíku s rostoucí teplotou

Vedení polovodičů je elektron-díra a takové vedení se nazývá vlastní vedení. A na rozdíl od vodivých kovů s rostoucí teplotou jen roste počet volných nábojů (v prvním případě se nemění), takže s rostoucí teplotou roste vodivost polovodičů a klesá odpor (obr. 10).

Velmi důležitou otázkou při studiu polovodičů je přítomnost nečistot v nich. A v případě přítomnosti nečistot je třeba hovořit o vodivosti nečistot.

Polovodiče

Díky malým rozměrům a velmi vysoké kvalitě přenášených signálů jsou polovodičová zařízení velmi běžná v moderní elektronické technologii. Složení takových zařízení může zahrnovat nejen zmíněný křemík s nečistotami, ale také například germanium.

Jedním z těchto zařízení je dioda - zařízení schopné propouštět proud v jednom směru a bránit jeho průchodu ve druhém. Získává se implantací jiného typu polovodiče do krystalu polovodiče typu p nebo n (obr. 11).

Rýže. 11. Označení diody na schématu a schématu jejího zařízení, resp

Další zařízení, nyní se dvěma p-n přechody, se nazývá tranzistor. Slouží nejen k volbě směru toku proudu, ale i k jeho přeměně (obr. 12).

Rýže. 12. Schéma struktury tranzistoru a jeho označení na elektrickém obvodu, resp.

Je třeba poznamenat, že moderní mikroobvody používají mnoho kombinací diod, tranzistorů a dalších elektrických zařízení.

V další lekci se podíváme na šíření elektrického proudu ve vakuu.

Bibliografie

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fyzika (základní úroveň) - M.: Mnemozina, 2012.
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. 10. třída z fyziky. - M.: Ileksa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fyzika. Elektrodynamika. - M.: 2010.

1. Principy činnosti zařízení ().
2. Encyklopedie fyziky a techniky ().

Domácí práce

1. Co způsobuje vodivost elektronů v polovodiči?
2. Co je to vlastní vodivost polovodiče?
3. Jak závisí vodivost polovodiče na teplotě?
4. Jaký je rozdíl mezi nečistotou dárce a nečistotou akceptoru?
5. * Jakou vodivost má křemík s příměsí a) galia, b) india, c) fosforu, d) antimonu?

Polovodiče jsou látky, které zaujímají střední polohu z hlediska elektrické vodivosti mezi dobrými vodiči a dobrými izolanty (dielektriky).

Polovodiče jsou také chemické prvky (germanium Ge, křemík Si, selen Se, telur Te) a sloučeniny chemických prvků (PbS, CdS aj.).

Povaha proudových nosičů v různých polovodičích je různá. V některých z nich jsou nosiči náboje ionty; v jiných jsou nosiči náboje elektrony.

Vlastní vodivost polovodičů

V polovodičích existují dva typy vlastního vedení: elektronické vedení a děrové vedení v polovodičích.

1. Elektronická vodivost polovodičů.

Elektronická vodivost se uskutečňuje řízeným pohybem v meziatomovém prostoru volných elektronů, které v důsledku vnějších vlivů opustily valenční obal atomu.

2. Dírová vodivost polovodičů.

Dírkové vedení se provádí s usměrněným pohybem valenčních elektronů na prázdná místa v pár-elektronových vazbách - dírách. Valenční elektron neutrálního atomu umístěného v těsné blízkosti kladného iontu (díry) je přitahován k díře a skočí do ní. V tomto případě se místo neutrálního atomu vytvoří kladný iont (díra) a místo kladného iontu (díra) se vytvoří neutrální atom.

V ideálně čistém polovodiči bez jakýchkoliv cizích příměsí odpovídá každému volnému elektronu vznik jedné díry, tzn. počet elektronů a děr zapojených do vytváření proudu je stejný.

Vodivost, při které se vyskytuje stejný počet nosičů náboje (elektronů a děr), se nazývá vlastní vodivost polovodičů.

Vlastní vodivost polovodičů je obvykle malá, protože počet volných elektronů je malý. Nejmenší stopy nečistot radikálně mění vlastnosti polovodičů.

Elektrická vodivost polovodičů v přítomnosti nečistot

Nečistoty v polovodiči jsou atomy cizích chemických prvků, které nejsou obsaženy v hlavním polovodiči.

Vodivost nečistot- jedná se o vodivost polovodičů, v důsledku vnášení nečistot do jejich krystalových mřížek.

V některých případech se vliv nečistot projevuje tak, že „dírový“ mechanismus vedení se stává prakticky nemožným a proud v polovodiči se uskutečňuje především pohybem volných elektronů. Takové polovodiče se nazývají elektronické polovodiče nebo polovodiče typu n(z latinského slova negativus - negativní). Hlavními nosiči náboje jsou elektrony a ne hlavními jsou díry. Polovodiče typu n jsou polovodiče s donorovými nečistotami.

1. Nečistoty dárců.

Donorové nečistoty jsou ty, které snadno darují elektrony a následně zvyšují počet volných elektronů. Donorové nečistoty dodávají vodivé elektrony bez vzhledu stejného počtu děr.

Typickým příkladem donorové nečistoty v čtyřmocném germaniu Ge jsou pětimocné atomy arsenu As.

V jiných případech se pohyb volných elektronů stává prakticky nemožným a proud se uskutečňuje pouze pohybem děr. Tyto polovodiče se nazývají děrové polovodiče nebo polovodiče typu p(z latinského slova positivus - pozitivní). Hlavními nosiči náboje jsou díry, nikoli hlavní - elektrony. . Polovodiče typu p jsou polovodiče s akceptorovými nečistotami.

Akceptorové nečistoty jsou nečistoty, ve kterých není dostatek elektronů k vytvoření normálních pár-elektronových vazeb.

Příkladem akceptorové nečistoty v germaniu Ge jsou trojmocné atomy galia Ga

Elektrický proud přes kontakt polovodičů typu p a n přechod p-n je kontaktní vrstvou dvou příměsových polovodičů typu p a n; P-n přechod je hraniční oddělující oblasti s děrovým (p) vedením a elektronickým (n) vedením ve stejném monokrystalu.

přímý p-n přechod

Pokud je n-polovodič připojen k zápornému pólu zdroje energie a kladný pól zdroje energie je připojen k p-polovodiči, pak působením elektrického pole elektrony v n-polovodiči a otvory v p-polovodiči se budou pohybovat směrem k sobě k polovodičovému rozhraní. Elektrony, které překračují hranici, "vyplňují" díry, proud přes pn přechod je prováděn hlavními nosiči náboje. V důsledku toho se zvyšuje vodivost celého vzorku. Při takovém přímém (propustném) směru vnějšího elektrického pole se tloušťka bariérové ​​vrstvy a její odpor zmenšují.

V tomto směru proud prochází hranicí dvou polovodičů.

Reverzní pn přechod

Pokud je n-polovodič připojen ke kladnému pólu zdroje energie a p-polovodič je připojen k zápornému pólu zdroje energie, pak elektrony v n-polovodiči a otvory v p-polovodiči pod působením elektrického pole se bude pohybovat z rozhraní v opačných směrech, proud přes p -n-přechod je prováděn vedlejšími nosiči náboje. To vede k zesílení bariérové ​​vrstvy a zvýšení její odolnosti. V důsledku toho se vodivost vzorku ukazuje jako nevýznamná a odpor je velký.

Vznikne tzv. bariérová vrstva. Při tomto směru vnějšího pole elektrický proud prakticky neprochází kontaktem p- a n-polovodičů.

Přechod elektron-díra má tedy jednostrannou vodivost.

Závislost proudu na napěťově - volt - proudové charakteristice p-n přechodu je znázorněna na obrázku (volt - proudová charakteristika přímého p-n přechodu je znázorněna plnou čarou, volt - ampérová charakteristika zpětného p-n přechodu tečkovanou čarou).

Polovodiče:

Polovodičová dioda - pro usměrnění střídavého proudu využívá jeden p - n - přechod s různými odpory: v propustném směru je odpor p - n - přechodu mnohem menší než ve směru zpětném.

Fotorezistory - pro registraci a měření slabých světelných toků. S jejich pomocí určete kvalitu povrchů, kontrolujte rozměry výrobků.

Termistory - pro dálkové měření teploty, požární signalizace.

Polovodiče jsou třídou látek, ve kterých s rostoucí teplotou roste vodivost a klesá elektrický odpor. Tyto polovodiče se zásadně liší od kovů.

Typické polovodiče jsou krystaly germania a křemíku, ve kterých jsou atomy spojeny kovalentní vazbou. Polovodiče mají volné elektrony při jakékoli teplotě. Volné elektrony pod působením vnějšího elektrického pole se mohou v krystalu pohybovat a vytvářet elektrický vodivý proud. Odstraněním elektronu z vnějšího obalu jednoho z atomů krystalové mřížky dochází k přeměně tohoto atomu na kladný iont. Tento iont lze neutralizovat zachycením elektronu z jednoho ze sousedních atomů. Dále v důsledku přechodů elektronů z atomů na kladné ionty dochází k chaotickému pohybu v krystalu v místě s chybějícím elektronem. Navenek je tento proces vnímán jako pohyb kladného elektrického náboje, tzv otvor.

Když je krystal umístěn do elektrického pole, dochází k uspořádanému pohybu děr - děrovému vodivému proudu.

V ideálním polovodičovém krystalu vzniká elektrický proud pohybem stejného počtu záporně nabitých elektronů a kladně nabitých děr. Vodivost v ideálních polovodičích se nazývá vlastní vodivost.

Vlastnosti polovodičů jsou velmi závislé na obsahu nečistot. Nečistoty jsou dvojího druhu – donor a akceptor.

Nečistoty, které darují elektrony a vytvářejí elektronickou vodivost, se nazývají dárce(nečistoty s valencí větší než má hlavní polovodič). Polovodiče, ve kterých koncentrace elektronů převyšuje koncentraci děr, se nazývají polovodiče typu n.

Nazývají se nečistoty, které zachycují elektrony a tím vytvářejí pohyblivé díry, aniž by se zvýšil počet vodivostních elektronů akceptor(nečistoty s valencí menší než má hlavní polovodič).

Při nízkých teplotách jsou díry hlavními nositeli proudu v polovodičovém krystalu s příměsí akceptoru a elektrony nejsou hlavními přenašeči. Polovodiče, ve kterých koncentrace děr převyšuje koncentraci vodivostních elektronů, se nazývají děrové polovodiče nebo polovodiče typu p. Zvažte kontakt dvou polovodičů s různými typy vodivosti.

Přes hranici těchto polovodičů dochází k vzájemné difúzi většinových nosičů: elektrony difundují z n-polovodiče do p-polovodiče a díry z p-polovodiče do n-polovodiče. V důsledku toho bude část n-polovodiče sousedící s kontaktem ochuzena o elektrony a vytvoří se v ní přebytečný kladný náboj v důsledku přítomnosti iontů holých nečistot. Pohyb děr z p-polovodiče do n-polovodiče vede ke vzniku přebytečného záporného náboje v hraniční oblasti p-polovodiče. V důsledku toho vzniká dvojitá elektrická vrstva a vzniká kontaktní elektrické pole, které brání další difúzi hlavních nosičů náboje. Tato vrstva se nazývá zamykání.

Vnější elektrické pole ovlivňuje elektrickou vodivost bariérové ​​vrstvy. Pokud jsou polovodiče připojeny ke zdroji, jak je znázorněno na obr. 55 se pak působením vnějšího elektrického pole budou hlavní nosiče náboje - volné elektrony v n-polovodiči a otvory v p-polovodiči - pohybovat k sobě na rozhraní polovodičů, přičemž tloušťka p-n přechodu klesá, proto klesá jeho odpor. V tomto případě je proudová síla omezena vnějším odporem. Tento směr vnějšího elektrického pole se nazývá přímý. Přímé zapojení p-n-přechodu odpovídá sekci 1 na charakteristice proud-napětí (viz obr. 57).

Nosiče elektrického proudu v různých médiích a charakteristikách proudového napětí jsou shrnuty v tabulce. jeden.

Pokud jsou polovodiče připojeny ke zdroji, jak je znázorněno na obr. 56, pak se elektrony v n-polovodiči a otvory v p-polovodiči budou pohybovat působením vnějšího elektrického pole od hranice v opačných směrech. Zvyšuje se tloušťka bariérové ​​vrstvy a tím i její odolnost. Při tomto směru vnějšího elektrického pole - reverzní (blokující) procházejí rozhraním pouze vedlejší nosiče náboje, jejichž koncentrace je mnohem menší než hlavních a proud je prakticky nulový. Opačné zařazení pn přechodu odpovídá části 2 na charakteristice proud-napětí (obr. 57).

P-n přechod má tedy asymetrickou vodivost. Této vlastnosti se využívá u polovodičových diod obsahujících jediný p-n přechod a používá se například pro usměrnění nebo detekci střídavého proudu.

Polovodiče jsou široce používány v moderní elektronické technologii.

Závislost elektrického odporu polovodičových kovů na teplotě se využívá ve speciálních polovodičových součástkách - termistory. Nazývají se zařízení, která využívají vlastnosti polovodičových krystalů ke změně jejich elektrického odporu při osvětlení světlem fotoodpory.

Elektrický proud ve vakuu

Pokud jsou v uzavřené nádobě umístěny dvě elektrody a z nádoby je odstraněn vzduch, pak ve vakuu elektrický proud nevzniká - nejsou zde žádné nosiče elektrického proudu. Americký vědec T. A. Edison (1847-1931) v roce 1879 objevil, že ve vakuové skleněné baňce může vzniknout elektrický proud, pokud se jedna z elektrod v ní zahřeje na vysokou teplotu. Jev emise volných elektronů z povrchu zahřátých těles se nazývá termionická emise. Práce, kterou je třeba vykonat k uvolnění elektronu z povrchu tělesa, se nazývá pracovní funkce. Fenomén termionické emise se vysvětluje tím, že s nárůstem tělesné teploty se zvyšuje kinetická energie určité části elektronů v látce. Pokud kinetická energie elektronu překročí pracovní funkci, pak může překonat působení přitažlivých sil od kladných iontů a opustit povrch tělesa ve vakuu. Provoz různých elektronek je založen na jevu termionické emise.

Polovodič- jedná se o látku, u které se měrný odpor může měnit v širokém rozsahu a s rostoucí teplotou velmi rychle klesá, což znamená, že se zvyšuje elektrická vodivost (1 / R).
- pozorováno u křemíku, germania, selenu a v některých sloučeninách.

Mechanismus vedení polovodiče

Polovodičové krystaly mají atomovou krystalovou mřížku, kde jsou vnější elektrony vázány k sousedním atomům kovalentními vazbami.

Při nízkých teplotách čisté polovodiče nemají žádné volné elektrony a chová se jako dielektrikum.

Polovodiče jsou čisté (bez nečistot)

Pokud je polovodič čistý (bez nečistot), pak má vlastní vodivost, která je malá.

Existují dva typy vnitřního vedení:

1 elektronický(vodivost "n" - typ)

Při nízkých teplotách v polovodičích jsou všechny elektrony spojeny s jádry a odpor je velký; se zvyšující se teplotou se zvyšuje kinetická energie částic, vazby se lámou a objevují se volné elektrony - klesá odpor.
Volné elektrony se pohybují opačně k vektoru síly elektrického pole.
Elektronová vodivost polovodičů je způsobena přítomností volných elektronů.

2. perforovaný(vodivost typu "p")

S nárůstem teploty dochází k destrukci kovalentních vazeb mezi atomy, prováděné valenčními elektrony, a vznikají místa s chybějícím elektronem – „díra“.
Může se pohybovat po krystalu, protože. jeho místo lze nahradit valenčními elektrony. Pohyb "díry" je ekvivalentní pohybu kladného náboje.
Otvor se pohybuje ve směru vektoru intenzity elektrického pole.

Kromě zahřívání může být porušení kovalentních vazeb a vznik vlastní vodivosti polovodičů způsobeno osvětlením (fotovodivostí) a působením silných elektrických polí.

Celková vodivost čistého polovodiče je součtem vodivosti typů "p" a "n"
a nazývá se vodivost elektronových děr.

Polovodiče v přítomnosti nečistot

Oni mají vlastní + nečistota vodivost
Přítomnost nečistot výrazně zvyšuje vodivost.
Při změně koncentrace nečistot se mění počet nositelů elektrického proudu – elektronů a děr.
Schopnost řídit proud je základem širokého použití polovodičů.

Existovat:

1)dárce nečistoty (uvolňující se)

Jsou dalšími dodavateli elektronů do polovodičových krystalů, snadno darují elektrony a zvyšují počet volných elektronů v polovodiči.
To jsou vodiče "n" - typ, tj. polovodiče s donorovými nečistotami, kde hlavním nosičem náboje jsou elektrony a menšinou jsou díry.
Takový polovodič má vodivost elektronických nečistot.

Například arsen.

2. akceptor nečistoty (hostitel)

Vytvářejí „díry“ tím, že do sebe berou elektrony.
Jedná se o polovodiče "p" - typ, těch. polovodiče s akceptorovými nečistotami, kde hlavním nosičem náboje jsou díry a menšinou jsou elektrony.
Takový polovodič má vodivost děrových nečistot.

Například indium.

Elektrické vlastnosti "p-n" přechodu

přechod "p-n".(neboli přechod elektron-díra) - kontaktní plocha dvou polovodičů, kde se vodivost mění z elektronické na díru (nebo naopak).

V polovodičovém krystalu mohou být takové oblasti vytvořeny vnesením nečistot. V kontaktní zóně dvou polovodičů s různou vodivostí bude probíhat vzájemná difúze. elektronů a děr a vzniká blokovací elektrická vrstva.Elektrické pole blokovací vrstvy brání dalšímu přechodu elektronů a děr přes hranici. Bariérová vrstva má ve srovnání s jinými oblastmi polovodiče zvýšený odpor.

Přístupový režim p-n přechod:

Při blokovacím (reverzním) směru vnějšího elektrického pole nebude elektrický proud procházet kontaktní plochou dvou polovodičů.
Protože elektrony a díry se pohybují od hranice v opačných směrech, pak blokující vrstva ztloustne, její odpor se zvýší.

Režim blokování p-n přechod.

Polovodiče jsou látky, jejichž měrný odpor je mnohonásobně menší než u dielektrik, ale mnohem větší než u kovů. Nejpoužívanější polovodiče jsou křemík a germanium.

Hlavním znakem polovodičů je závislost jejich měrného odporu na vnějších podmínkách (teplota, osvětlení, elektrické pole) a na přítomnosti nečistot. Ve 20. století začali vědci a inženýři využívat tuto vlastnost polovodičů k vytváření extrémně malých, složitých zařízení s automatizovaným řízením, jako jsou počítače, mobilní telefony, domácí spotřebiče.

Rychlost počítačů za zhruba půl století jejich existence vzrostla milionkrát. Kdyby se za stejnou dobu také milionkrát zvýšila rychlost aut, pak by se dnes řítila rychlostí blížící se rychlosti světla!

Pokud by v jednom (daleko ne dokonalém!) okamžiku polovodiče „odmítly fungovat“, pak by okamžitě zhasly obrazovky počítačů a televizí, utichly by mobilní telefony a umělé satelity by ztratily kontrolu. Zastavily by se tisíce průmyslových odvětví, letadla a lodě by havarovaly a také miliony aut.

Nosiče náboje v polovodičích

elektronická vodivost. U polovodičů valenční elektrony „patří“ dvěma sousedním atomům. Například v krystalu křemíku má každý pár sousedních atomů dva „společné“ elektrony. To je schematicky znázorněno na obrázku 60.1 (zde jsou zobrazeny pouze valenční elektrony).

Vazba mezi elektrony a atomy v polovodičích je slabší než v dielektrikách. Proto i při pokojové teplotě stačí tepelná energie některých valenčních elektronů k tomu, aby se odtrhly od svého páru atomů a staly se vodivými elektrony. Takže v polovodiči jsou záporné nosiče náboje.

Vodivost polovodiče v důsledku pohybu volných elektronů se nazývá elektronická.

děrové vedení. Když se valenční elektron stane vodivým elektronem, uvolní místo, ve kterém vzniká nekompenzovaný kladný náboj. Toto místo se nazývá díra. Díra odpovídá kladnému náboji, který se v absolutní hodnotě rovná náboji elektronu.