Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковые приборы. Автор : Ирина Владимировна Бахтина, учитель физики МОУ « СОШ 3» г. Новый Оскол Белгородской области

СОДЕРЖАНИЕ Особенности и строение полупроводников … Собственная проводимость полупроводников ………………….. Проводимость полупроводников при наличии примесей … р – п – переход ……………………………………………………………………… Полупроводниковый диод ………………………………………………….. Транзистор …………………………………………………………………………….

Полупроводники материалы, которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. ρ Т 0 Основное свойство полупроводников – увеличение электрической проводимости с ростом температуры. Из графика зависимости ρ(Т) видно, что при Т 0, ρ, а при Т, ρ 0 Вывод : При низких температурах полупроводник ведет себя как диэлектрик, а при высоких обладает хорошей проводимостью

Строение полупроводников ( на примере кремния ) Кремний – четырехвалентный элемент, во внешней оболочке – четыре электрона. Каждый атом связан с четырьмя соседними Каждая пара соседних атомов взаимодействует с помощью парноэлектронной связи. От каждого атома в ее образовании участвует один электрон. Любой валентный электрон может двигаться по любой из четырех связей атома, а, дойдя до соседнего, двигаться по его связям, т. е по всему кристаллу. Парноэлектронные связи достаточно прочны и при низких температурах не разрываются, поэтому при низких температурах кремний не проводит ток.

Собственная проводимость полупроводников При повышении температуры отдельные связи разрываются, электроны становятся « свободными », в электрическом поле они перемещаются упорядоченно, образуя ток. При увеличении температуры от 300 К до 700 К их число возрастает в 10 7 раз. При разрыве связи образуется вакантное место, которое называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд Е

Положение дырки в кристалле постоянно меняется. Этот процесс протекает так : Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место дырки, восстанавливает парноэлектронную связь, а там, где он находился, образуется дырка. Если Е = 0, то перемещение дырок беспорядочно, поэтому не создает тока. Если Е 0, то движение дырок становится упорядоченным, и к электрическому току, образованному движением электронов, добавляется ток, связанный с перемещением дырок. Вывод : в полупроводниках имеются носители зарядов двух типов : электроны и дырки. Проводимость чистых полупроводников называется собственной проводимостью полупроводников Собственная проводимость полупроводников обычно невелика.

Электрическая проводимость полупроводников при наличии примесей ПРИМЕСИ ДОНОРНЫЕАКЦЕПТОРНЫЕ Примеси, легко отдающие электроны, увеличивающие количество свободных электронов. Атом мышьяка имеет 5 валентных электронов, 4 из которых участвуют в образовании парноэлектронных связей, а пятый становится свободным. Полупроводники, содержащие донорные примеси, называются полупроводниками п – типа от слова negative – отрицательный Примеси, легко принимающие электроны, увеличивающие количество дырок. Атом индия имеет 3 валентных электрона, которые участвуют в образовании парноэлектронных связей, а для образования четвертой электрона недостает, в результате образуется дырка. Полупроводники, содержащие акцепторные примеси, называются полупроводниками р – типа от слова positive – положительный

Наибольший интерес представляет контакт полупроводников р – и п – типа, называемый р – п - переходом р – типа п – типа р – п - переход При образовании контакта электроны частично переходят из полупроводника п - типа в полупроводник р – типа, а дырки – в обратном направлении В результате полупроводник п - типа заряжается положительно, а р – типа - отрицательно. В зоне перехода возникает электрическое поле, которое через некоторое время начинает препятствовать дальнейшему перемещению дырок и электронов. Е + _

р – типа п – типа р – п - переход + _ U I 0 Рассмотренный переход называют прямым Вольт - амперная характеристика прямого перехода изображена на графике При данном подключении ток через р – п - переход осуществляется основными носителями зарядов, поэтому проводимость перехода велика, а сопротивление мало Особенности действия р – п - перехода при его подключении в цепь

р – типа п – типа р – п - переход + _ При данном подключении ток через р – п - переход осуществляется неосновными носителями, поэтому проводимость перехода мала, а сопротивление велико. U I 0 Этот переход называют обратным Вольт - амперная характеристика обратного перехода изображена на графике пунктиром. р – п - переход по отношению к току оказывается несимметричным : в прямом направлении сопротивление перехода значительно меньше, чем в обратном.

Полупроводниковый диод благодаря своему основному свойству – односторонней проводимости, широко используется для выпрямления переменного тока Ge In _ + Изготавливают диоды из германия, кремния, селена, помещая их в герметичный металлический корпус. Чтобы избежать зазора между полупроводниками с различными типами проводимости, в одну из поверхностей германия вплавляют каплю индия. р – п Между двумя областями с проводимостями разных типов образуется р – п - переход В полупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий – анодом. преимущества Преимущества полупроводниковых диодов не требуют специального источника энергии для образования носителей заряда ; очень компактны, миниатюрны ; - обозначение диода на схеме пропускает ток не пропускает ток

Транзистор – прибор, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления и преобразования электрических сигналов. Ge In п – р р – п эмиттерколлектор база эмиттерный переход коллекторный переход Три области : эмиттер, база, коллектор. Два р – п – перехода: эмиттер – база – эмиттерный переход ; коллектор – база – коллекторный переход В зависимости от проводимости базы, транзисторы делятся на два типа : п – р - п и р – п - р Толщина базы должна быть значительно меньше длины свободного пробега носителей тока, а концентрация основных носителей в базе значительно меньше концентрации основных носителей тока в эмиттере – для минимальной рекомбинации в базе. Площадь коллекторного перехода должна быть больше площади эмиттерного перехода, чтобы перехватить весь поток носителей тока от эмиттера.

Ge In п – р р – п эмиттерколлектор база + _ R ~ Рассмотрим принцип действия прибора при включении в цепь, схема которой показана на рисунке При создании напряжения между эмиттером и базой, основные носители - дырки, проникают в базу, где небольшая часть их рекомбинирует с электронами базы, а основная часть попадает в коллекторный переход, который закрыт для электронов, но не для дырок. Т. к. основное число дырок, пройдя через базу, замкнули цепь, сила тока в эмиттере и коллекторе практически равны. Сила тока в коллекторе от величины сопротивления R практически не зависит, Но от его величины будет зависеть напряжение на нем. Именно поэтому, изменяя сопротивление, можно получать многократное усиление напряжения, а, значит, и мощности.

Применение транзисторов Транзисторы получили чрезвычайно широкое распространение : заменяют электронные лампы во многих цепях ; портативная радиоаппаратура ; цифровая техника ; процессоры ; И все это благодаря своим преимуществам : не потребляют большой мощности, компактны по размерам и массе, работают при более низких напряжениях. Недостатками транзисторов являются : большая чувствительность к повышению температуры ; чувствительность к электрическим перегрузкам ; чувствительность к проникающим излучениям. Б Э К обозначение транзистора на схеме

Литература и интернет – ресурсы 1.Мякишев Г. Я. Физика : учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. – М. : Просвещение, 2009 г Транзистор - фото транзисторов Транзистор 3. Диод - фото диодов Диод