Умови виникнення струму у напівпровіднику. Електричний струм у напівпровідниках. Напівпровідниковий діод. Напівпровідникові пристрої. Електричний Струм у Вакуумі

На цьому уроці ми розглянемо таке середовище проходження електричного струму як напівпровідники. Ми розглянемо принцип їхньої провідності, залежність цієї провідності від температури та наявності домішок, розглянемо таке поняття, як p-n перехід та основні напівпровідникові прилади.

Якщо ж здійснити пряме підключення, то зовнішнє поле нейтралізує замикаюче, і струм здійснюватиметься основними носіями заряду (рис. 9).

Мал. 9. p-n перехід при прямому підключенні ()

При цьому струм неосновних носіїв дуже малий, його практично немає. Тому p-n перехід забезпечує односторонню провідність електричного струму.

Мал. 10. Атомна структура кремнію зі збільшенням температури

Провідність напівпровідників є електронно-дірковою, і така провідність називається власною провідністю. І на відміну від провідникових металів зі збільшенням температури якраз збільшується кількість вільних зарядів (у першому випадку воно не змінюється), тому провідність напівпровідників зростає зі зростанням температури, а опір зменшується (рис. 10).

Дуже важливим питанням у вивченні напівпровідників є наявність домішок у них. І в разі наявності домішок слід говорити вже про домішкову провідність.

Напівпровідникові прилади

Малі розміри і дуже велика якість сигналів, що пропускаються, зробили напівпровідникові прилади дуже поширеними в сучасній електронній техніці. До складу таких приладів може входити як вищезгаданий кремній з домішками, а й, наприклад, германій.

Одним із таких приладів є діод - прилад, здатний пропускати струм в одному напрямку та перешкоджати його проходженню в іншому. Він виходить вживлення в напівпровідниковий кристал p-або n-типу напівпровідника іншого типу (рис. 11).

Мал. 11. Позначення діода на схемі та схема його пристрою відповідно

Іншим приладом, тепер із двома p-n переходами, називається транзистор. Він служить як вибору напрями пропускання струму, але й його перетворення (рис. 12).

Мал. 12. Схема будови транзистора та його позначення на електричній схемі відповідно ()

Слід зазначити, що у сучасних мікросхемах використовується безліч комбінацій діодів, транзисторів та інших електричних приладів.

На наступному уроці ми розглянемо поширення електричного струму у вакуумі.

Список літератури

1. Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика (базовий рівень) – М.: Мнемозіна, 2012.
2. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. - М: Ілекса, 2005.
3. Мякішев Г.Я., Синяков А.З., Слобідськ Б.А. фізика. Електродинаміка. – К.: 2010.

1. Принципи дії пристроїв ().
2. Енциклопедія Фізики та Техніки ().

Домашнє завдання

1. Внаслідок чого у напівпровіднику з'являються електрони провідності?
2. Що таке власна провідність напівпровідника?
3. Як залежить провідність напівпровідника від температури?
4. Чим відрізняється донорна домішка від акцепторної?
5. *Яку провідність має кремній з домішкою а) галію, б) індія, в) фосфору, г) сурми?

Напівпровідниками називають речовини, що займають щодо електропровідності проміжне положення між провідними хорошими провідниками і хорошими ізоляторами (діелектриками).

Напівпровідниками є і хімічні елементи (германій Ge, кремній Si, селен Se, телур Te), і сполуки хімічних елементів (PbS, CdS та ін.).

Природа носіїв струму різних напівпровідниках різна. У деяких із них носіями зарядів є іони; в інших носіями зарядів є електрони.

Власна провідність напівпровідників

Існує два види власної провідності напівпровідників: електронна провідність та діркова провідність напівпровідників.

1. Електронна провідність напівпровідників.

Електронна провідність здійснюється спрямованим переміщенням у міжатомному просторі вільних електронів, що залишили валентну оболонку атома внаслідок зовнішніх впливів.

2. Діркова провідність напівпровідників.

Діркова провідність здійснюється при спрямованому переміщенні валентних електронів на вакантні місця у парно-електронних зв'язках – дірки. Валентний електрон нейтрального атома, що знаходиться в безпосередній близькості до позитивного іону (дірці), притягаючись до дірки, перескакує в неї. У цьому місці нейтрального атома утворюється позитивний іон (дірка), але в місці позитивного іона (дірки) утворюється нейтральний атом.

У ідеально чистому напівпровіднику без будь-яких чужорідних домішок кожному вільному електрону відповідає утворення однієї дірки, тобто. число електронів і дірок, що беруть участь у створенні струму, однаково.

Провідність, за якої виникає однакова кількість носіїв заряду (електронів і дірок), називається власною провідністю напівпровідників.

Власна провідність напівпровідників зазвичай невелика, тому що невелика кількість вільних електронів. Найменші сліди домішок докорінно змінюють властивості напівпровідників.

Електрична провідність напівпровідників за наявності домішок

Домішками в напівпровіднику вважають атоми сторонніх хімічних елементів, які у основному напівпровіднику.

Домішна провідність- це провідність напівпровідників, обумовлена ​​внесенням до їх кристалічних ґрат домішок.

В одних випадках вплив домішок проявляється в тому, що «дірковий» механізм провідності стає практично неможливим, і струм у напівпровіднику здійснюється переважно рухом вільних електронів. Такі напівпровідники називаються електронними напівпровідникамиабо напівпровідниками n - типу(Від латинського слова negativus - негативний). Основними носіями заряду є електрони, а чи не основними - дірки. Напівпровідники n – типу – це напівпровідники з донорними домішками.

1. Донорні домішки.

Донорними називають домішки, які легко віддають електрони, і, отже, збільшують кількість вільних електронів. Донорні домішки постачають електрони провідності без виникнення такої кількості дірок.

Типовим прикладом донорної домішки у чотиривалентному германії Ge є пятивалентные атоми миш'яку As.

В інших випадках практично неможливим стає рух вільних електронів, і струм здійснюється лише рухом дірок. Ці напівпровідники називаються дірочними напівпровідникамиабо напівпровідниками p - типу(Від латинського слова positivus - позитивний). Основними носіями заряду є дірки, а чи не основними - електрони. . Напівпровідники р-типу - це напів-провідники з акцепторними домішками.

Акцепторними називають домішки у яких освіти нормальних парноелектронних зв'язків бракує електронів.

Прикладом акцепторної домішки в німецькій Ge є тривалентні атоми галію Ga

Електричний струм через контакт напівпровідників р-типу і n-типу p-n перехід - це контактний шар двох домішкових напівпровідників p-типу і n-типу; p-n перехід є межею, що розділяє області з дірковою (p) провідністю та електронною (n) провідністю в тому самому монокристалі.

Прямий p-n перехід

Якщо n-напівпровідник підключений до негативного полюса джерела живлення, а позитивний полюс джерела живлення з'єднаний з р-напівпровідником, то під дією електричного поля електрони в n-напівпровіднику та дірки в р-напівпровіднику рухатимуться назустріч один одному до межі розділу напівпровідників. Електрони, переходячи кордон, «заповнюють» дірки, струм через р-n-перехід здійснюється основними носіями заряду. Внаслідок цього провідність всього зразка зростає. При такому прямому (пропускному) напрямку зовнішнього електричного поля товщина замикаючого шару та його опір зменшуються.

У цьому напрямі струм проходить через кордон двох напівпровідників.

Зворотний р-n-перехід

Якщо n-напівпровідник з'єднаний з позитивним полюсом джерела живлення, а р-напівпровідник з'єднаний з негативним полюсом джерела живлення, то електрони в n-напівпровіднику та дірки в р-напівпровіднику під дією електричного поля переміщатимуться від межі розділу в протилежні сторони, струм через р -n-перехід здійснюється неосновними носіями заряду. Це призводить до потовщення замикаючого шару і збільшення його опору. Внаслідок цього провідність зразка виявляється незначною, а опір – великим.

Утворюється так званий замикаючий шар. При такому напрямку зовнішнього поля електричний струм через контакт р- та n-напівпровідників практично не проходить.

Таким чином електронно-дірковий перехід має односторонню провідність.

Залежність сили струму від напруги – вольт – амперна характеристика р-n переходу зображена на малюнку (вольт – амперна характеристика прямого р-n переходу зображена суцільною лінією, вольт – амперна характеристика зворотного р-n переходу зображена пунктирною лінією).

Напівпровідникові прилади:

Напівпровідниковий діод – для випрямлення змінного струму, в ньому використовують один р – n – перехід з різними опорами: у прямому напрямку опір р – n – переходу значно менше, ніж у зворотному.

Фоторезистори - для реєстрації та вимірювання слабких світлових потоків. З їхньою допомогою визначають якість поверхонь, контролюють розміри виробів.

Термістори – для дистанційного вимірювання температури, протипожежної сигналізації.

Напівпровідниками назвали клас речовин, у яких з підвищенням температури збільшується провідність, зменшується електричний опір. Цим напівпровідники принципово відрізняються від металів.

Типовими напівпровідниками є кристали германію і кремнію, в яких атоми об'єднані ковалентною зв'язком. За будь-яких температур у напівпровідниках є вільні електрони. Вільні електрони під дією зовнішнього електричного поля можуть переміщатися кристалі, створюючи електронний струм провідності. Видалення електрона із зовнішньої оболонки одного з атомів кристалічної решітки призводить до перетворення цього атома на позитивний іон. Цей іон може нейтралізуватися, захопивши електрон в одного із сусідніх атомів. Далі, в результаті переходів електронів від атомів до позитивних іонів відбувається процес хаотичного переміщення в кристалі місця з недостатнім електроном. Зовні цей процес сприймається як переміщення позитивного електричного заряду діркою.

При приміщенні кристала в електричне поле виникає упорядкований рух дірок - дірковий струм провідності.

В ідеальному напівпровідниковому кристалі електричний струм створюється рухом рівної кількості негативно заряджених електронів та позитивно заряджених дірок. Провідність в ідеальних напівпровідниках називається власною провідністю.

Властивості напівпровідників сильно залежить від вмісту домішок. Домішки бувають двох типів - донорні та акцепторні.

Домішки, що віддають електрони та створюють електронну провідність, називаються донорними(Домішки, що мають валентність більше, ніж у основного напівпровідника). Напівпровідники, у яких концентрація електронів перевищує концентрацію дірок, називають напівпровідниками n-типу.

Домішки, що захоплюють електрони і створюють тим самим рухливі дірки, не збільшуючи при цьому кількість електронів провідності, називають акцепторними(Домішки мають валентність менше, ніж у основного напівпровідника).

За низьких температур основними носіями струму в напівпровідниковому кристалі з акцепторною домішкою є дірки, а не основними носіями - електрони. Напівпровідники, у яких концентрація дірок перевищує концентрацію електронів провідності, називають дірковими напівпровідниками або напівпровідниками р-типу. Розглянемо контакт двох напівпровідників із різними типами провідності.

Через кордон цих напівпровідників відбувається взаємна дифузія основних носіїв: електрони з n-напівпровідника дифундують в р-напівпровідник, а дірки з р-напівпровідника в n-напівпровідник. В результаті ділянка n-напівпровідника, що межує з контактом, буде збіднений електронами, і в ньому утворюється надлишковий позитивний заряд, зумовлений наявністю оголених іонів домішки. Рух дірок з р-напівпровідника до n-напівпровідника призводить до виникнення надмірного негативного заряду в прикордонній ділянці р-напівпровідника. В результаті утворюється подвійний електричний шар і виникає контактне електричне поле, яке перешкоджає подальшій дифузії основних носіїв заряду. Цей шар називають замикаючим.

Зовнішнє електричне поле впливає на електропровідність замикаючого шару. Якщо напівпровідники підключені до джерела, як показано на рис. 55, то під дією зовнішнього електричного поля основні носії заряду - вільні електрони в п-напівпровіднику та дірки в р-напівпровіднику - будуть рухатися назустріч один одному до межі розділу напівпровідників, при цьому товщина p-n-переходу зменшується, отже, зменшується опір. І тут сила струму обмежується зовнішнім опором. Такий напрямок зовнішнього електричного поля називається прямим. Прямому включенню p-n-переходу відповідає ділянка 1 на вольт-амперної характеристики (див. рис. 57).

Носії електричного струму в різних середовищах та вольт-амперні характеристики узагальнені у табл. 1.

Якщо напівпровідники підключені до джерела, як показано на рис. 56, то електрони в п-напівпровіднику та дірки в р-напівпровіднику переміщатимуться під дією зовнішнього електричного поля від кордону в протилежні сторони. Товщина замикаючого шару і, отже, його опір збільшується. При такому напрямку зовнішнього електричного поля - зворотному (замикаючому) через межу розділу проходять лише неосновні носії заряду, концентрація яких набагато менша, ніж основних, і струм практично дорівнює нулю. Зворотному включенню р-п-переходу відповідає ділянка 2 на вольт-амперної характеристики (рис. 57).

Таким чином, р-п-перехід має несиметричну провідність. Ця властивість використовується в напівпровідникових діодах, що містять один p-n-перехід і застосовуються, наприклад, для випрямлення змінного струму або детектування.

Напівпровідники знаходять широке застосування у сучасній електронній техніці.

Залежність електричного опору напівпровідникових металів від температури використовується у спеціальних напівпровідникових приладах. терморезисторах. Прилади, в яких використовується властивість напівпровідникових кристалів, змінювати свій електричний опір при освітленні світлом, називаються фоторезисторами.

Електричний Струм у Вакуумі

Якщо два електроди помістити в герметичний посуд і видалити з посуду повітря, то електричний струм у вакуумі немає - немає носіїв електричного струму. Американський вчений Т. А. Едісон (1847-1931) в 1879 р. виявив, що у вакуумній скляній колбі може виникнути електричний струм, якщо один з електродів, що знаходяться в ній, нагріти до високої температури. Явище випромінювання вільних електронів із поверхні нагрітих тіл називається термоелектронною емісією. Робота, яку потрібно здійснити для звільнення електрона з поверхні тіла, називається роботою виходу. Явище термоелектронної емісії пояснюється тим, що з підвищенні температури тіла збільшується кінетична енергія певної частини електронів у речовині. Якщо кінетична енергія електрона перевищить роботу виходу, він може подолати дію сил тяжіння з боку позитивних іонів і вийти з поверхні тіла у вакуумі. На явище термоелектронної емісії засновано роботу різних електронних ламп.

Напівпровідник- це речовина, у якої питомий опір може змінюватися в широких межах і дуже швидко зменшується з підвищенням температури, а це означає, що електрична провідність (1/R) збільшується.
- спостерігається у кремнію, германію, селену та в деяких сполук.

Механізм провідностіу напівпровідників

Кристали напівпровідників мають атомні кристалічні грати, де зовнішні електрони пов'язані з сусідніми атомами ковалентними зв'язками.

При низьких температурах у чистих напівпровідників вільних електронів немає і він поводиться як діелектрик.

Напівпровідники чисті (без домішок)

Якщо напівпровідник чистий (без домішок), він володіє власноюпровідністю, яка невелика.

Власна провідність буває двох видів:

1 електронна(провідність "n" - типу)

При низьких температурах у напівпровідниках всі електрони пов'язані з ядрами і великий опір; при збільшенні температури кінетична енергія частинок збільшується, руйнуються зв'язки та виникають вільні електрони – опір зменшується.
Вільні електрони переміщаються протилежно до вектора напруженості ел.поля.
Електронна провідність напівпровідників обумовлена ​​наявністю вільних електронів.

2. дірочна(провідність "p"-типу)

При збільшенні температури руйнуються ковалентні зв'язки, що здійснюються валентними електронами, між атомами і утворюються місця з недостатнім електроном - "дірка".
Вона може переміщатися у всьому кристалу, т.к. її місце може замінюватися валентними електронами. Переміщення "дірки" рівноцінне переміщенню позитивного заряду.
Переміщення дірки відбувається у напрямку вектора напруги електричного поля.

Крім нагрівання, розрив ковалентних зв'язків та виникнення власної провідності напівпровідників можуть бути викликані освітленням (фотопровідністю) та дією сильних електричних полів

Загальна провідність чистого напівпровідника складається з провідностей "p" та "n"-типів.
і називається електронно-дірковою провідністю.

Напівпровідники за наявності домішок

У них існує власна + домішковапровідність
Наявність домішок сильно підвищує провідність.
При зміні концентрації домішок змінюється кількість носіїв ел.струму - електронів та дірок.
Можливість управління струмом є основою широкого застосування напівпровідників.

Існують:

1)донорнідомішки (що віддають)

Є додатковими постачальниками електронів у кристали напівпровідника, легко віддають електрони та збільшують кількість вільних електронів у напівпровіднику.
Це провідники "n" - типу, тобто. напівпровідники з донорними домішками, де основний носій заряду – електрони, а неосновний – дірки.
Такий напівпровідник має електронну домішкову провідність.

Наприклад – миш'як.

2. акцепторнідомішки (що приймають)

Створюють "дірки", забираючи в себе електрони.
Це напівпровідники "p" - типу,тобто. напівпровідники з акцепторними домішками, де основний носій заряду – дірки, а неосновний – електрони.
Такий напівпровідник має діркову домішкову провідність.

Наприклад – індій.

Електричні властивості "p-n" переходу

"p-n" перехід(або електронно-дірковий перехід) – область контакту двох напівпровідників, де відбувається зміна провідності з електронної на дірочну (або навпаки).

У кристалі напівпровідника запровадженням домішок можна створити такі області. У зоні контакту двох напівпровідників з різними провідностями відбуватиметься взаємна дифузія. електронів і дірок і утворюється замикаючий електричний шар. Електричне поле замикаючого шару перешкоджає подальшому переходу електронів і дірок через кордон. Замикаючий шар має підвищений опір у порівнянні з іншими областями напівпровідника.

Пропускний режим р-n переходу:

При замикаючому (зворотному) напрямку зовнішнього електричного поля електричний струм через область контакту двох напівпровідників не проходитиме.
Т.к. електрони та дірки переміщаються від кордону в протилежні сторони, то замикаючий шар потовщується, його опір збільшується.

Замикаючий режим р-n переходу.

Напівпровідниками називають речовини, питомий опір яких набагато менше, ніж у діелектриків, про набагато більше, ніж у металів. Найбільш широко як напівпровідники використовують кремній і германій.

Головна особливість напівпровідників – залежність їхнього ділового опору від зовнішніх умов (температури, освітленості, електричного поля) та від наявності домішок. У 20 столітті вчені та інженери почали використовувати цю особливість напівпровідників для створення надзвичайно мініатюрних складних приладів з автоматизованим управлінням – наприклад, комп'ютерів, мобільних телефонів, побутової техніки.

Швидкодія комп'ютерів приблизно за півстоліття їхнього існування збільшилася в мільйони разів. Якби за цей же проміжок часу швидкість автомобілів збільшилася теж мільйони разів, то вони мчали б сьогодні зі швидкістю, що наближається до швидкості світла!

Якби в одну (далеко не прекрасну!) мить напівпровідники «відмовилися від роботи», то одразу згасли б екрани комп'ютерів та телевізорів, замовкли б мобільні телефони, а штучні супутники втратили б керування. Зупинилися б тисячі виробництв, зазнали б аварії літаки та кораблі, а також мільйони автомобілів.

Носії заряду в напівпровідниках

Електронна провідність.У напівпровідниках валентні електрони «належать» двом сусіднім атомам. Наприклад, у кристалі кремнію у кожної пари атомів-сусідів є два «загальні» електрони. Схематично це зображено малюнку 60.1 (тут зображені лише валентні електрони).

Зв'язок електронів з атомами у напівпровідниках слабший, ніж у діелектриках. Тому навіть при кімнатній температурі теплової енергії деяких валентних електронів достатньо для того, щоб вони відірвалися від пари атомів, ставши електронами провідності. Так, у напівпровіднику виникають негативні носії заряду.

Провідність напівпровідника, обумовлену переміщенням вільних електронів, називають електронною.

Діркова провідність.Коли валентний електрон стає електроном провідності, він звільняє місце, де виникає некомпенсований позитивний заряд. Це місце називають діркою. Дірці відповідає позитивний заряд, що дорівнює модулю заряду електрона.