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

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

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

3 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

4 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.

5 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

6 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.

7 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

8 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 + _

9 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

10 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.

11 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

12 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.

13 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.

14 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

15 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