Полупроводники

Полупроводники – большой класс веществ, удельное сопротивление которых изменяется в широких пределах от 10^-5 до 10¹⁰ Ом∙ м.

Полупроводники обладают промежуточными свойствами между металлами и диэлектриками. Характерным для полупроводников является не величина удельного сопротивления, а то, что она под воздействием внешних условий изменяется в широких пределах.

К полупроводникам относятся:

а) элементы III, IV, V и VI групп периодической системы элементов, например Si, Ge, As, Se, Te;

б) сплавы некоторых металлов;

в) оксиды (окислы металлов);

г) сульфиды (сернистые соединения);

д) селениды (соединения с селеном).

Сопротивление полупроводников зависит от:

а) температуры;

б) освещённости;

в) наличия примесей.

ρ полупроводники металлы 0 t, ⁰C

Терморезисторы – специальные полупроводниковые приборы, в которых используется зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры. t

Электрическое сопротивление полупроводников уменьшается и при освещении их светом.

Фоторезисторы – приборы, в которых используется свойство полупроводников изменять своё электрическое сопротивление при освещении светом.

1. Собственная проводимость полупроводников.

Собственная проводимость – электрическая проводимость химически чистого полупроводника.

В типичном полупроводнике (кристалле кремния Si) атомы объединены ковалентной (атомной) связью. При комнатной температуре средняя энергия теплового движения атомов в кристалле полупроводника составляет 0, 04 эВ. Это значительно меньше энергии, необходимой для отрыва валентного электрона, например, от атома кремния (1, 1 эВ). Однако вследствие неравномерности распределения энергии теплового движения или при внешних воздействиях некоторые атомы кремния ионизируются. Образуются свободныеэлектроны и вакантные места в ковалентной связи – так называемые дырки. Под воздействием внешнего электрического поля возникает упорядоченное движение свободных электронов и упорядоченное движение в противоположном направлении такого же количества дырок.

Электронная проводимость или проводимость n-типа (от лат. negative – отрицательный) – проводимость полупроводников, обусловленная электронами.

Дырочная проводимость или проводимость p-типа (от лат. positive – положительный) – проводимость полупроводников, обусловленная дырками.

Таким образом, собственная проводимость полупроводника обусловлена одновременно двумя типами проводимости – электронной и дырочной.

2. Примесная проводимость полупроводников.

Примесная проводимость – электрическая проводимость полупроводников, обусловленная наличием примесей (примеси – атомы посторонних элементов).

Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0, 001 ат. % бора его проводимость увеличивается примерно в 10⁶ раз.

В основном, атомы примеси имеют валентность, отличающуюся на единицу от валентности основных атомов.

Донорные примеси – примеси с большей валентностью, сообщающие полупроводнику электронную проводимость.

Полупроводник (кремний) + донор (мышьяк) = полупроводник n-типа.

Акцепторные примеси – примеси с меньшей валентностью, сообщающие полупроводнику дырочную проводимость.

Полупроводник (кремний) + акцептор (индий) = полупроводник р-типа.

3. Полупроводниковые диоды и триоды. Их применение.

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на использовании свойств p-n-перехода.

Электронно-дырочный переход (или p-n–переход ) – граница соприкосновения двух полупроводников с различными типами проводимости.

Через границу раздела происходит диффузия электронов и дырок, которые встречаясь рекомбинируют.

На границе раздела в электронном полупроводнике остаются положительные ионы донорной примеси, а в дырочном образуются отрицательные ионы акцепторов. Образуется так называемый запирающий слой (двойной электрический слой), напряжённость которого Е_зап направлена от электронного полупроводника к дырочному. Через этот двойной слой могут прорваться из n-полупроводника в p-полупроводник только такие электроны, которые обладают для этого достаточно большими энергиями. Внешнее электрическое поле, приложенное к двум разнородным полупроводникам, в зависимости от своего направления может и ослаблять поле запирающего слоя.

Запирающий слой обладает односторонней проводимостью: запирающий слой пропускает ток в направлении, противоположном полю запирающего слоя, и не пропускает ток в направлении, совпадающем с полем запирающего слоя.

Полупроводниковый диод – прибор с одним p-n-переходом.

Вольт-амперная характеристика – зависимость силы тока I от напряжения U, приложенного к диоду.

Полупроводниковый триод ( или транзистор) – прибор с двумя p-n-переходами.

Транзисторы (как и ламповые триоды) служат для усиления слабых электрических сигналов.

Контрольные вопросы

1. Какие вещества называются полупроводниками?

2. Чем отличаются полупроводники от проводников и диэлектриков?

3. От чего зависит электропроводность полупроводников?

4. Какие свойства полупроводников используются в термо- и фоторезисторах?

5. Каков механизм собственной проводимости полупроводников?

6. Как образуются свободные электроны и дырки?

7. Каков механизм примесной проводимости полупроводников?

8. Какие примеси называются донорными, а какие – акцепторными?

9. Как объяснить одностороннюю проводимость p-n-перехода?

10. Какова вольт-амперная характеристика p-n-перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.

11. Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?

12. Что такое полупроводниковый триод (или транзистор)?