Полупроводники. Собственная и примесная проводимость проводников.
Характеристика полупроводников
По своей способности проводить электрический ток, полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. Проводимость этих материалов существенно меняется под влиянием внешних факторов. Такими факторами могут быть, например, температура или количество примесей. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектрика.
Мы будем рассматривать влияние примесей на проводимость кремния (Si), самого популярного полупроводника в производстве электронных компонентов.
Кристаллическая решетка кремния
В обычном состоянии, атомы кремния образуют кристаллическую решетку. На внешней электронной оболочке атома находятся четыре электрона. С их помощью, устанавливается ковалентная связь с четырьмя соседними атомами. Каждый электрон в такой связи принадлежит двум атомам одновременно. Таким образом, у каждого атома на внешней электронной оболочке находиться восемь электронов. Поскольку последний уровень электронной оболочки оказывается завершенным, у атома очень трудно забрать его электроны и материал ведет себя как диэлектрик (не проводит электрический ток).
Собственная проводимость полупроводников
1. Электронная проводимость
При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, создавая электрический ток.
Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеличивается. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей заряда возрастает в 107 раз. Это приводит к уменьшению сопротивления.
2. Дырочная проводимость
При разрыве связи между атомами полупроводника образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, не разорванными связями.
Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.
Если напряженность электрического поля в образце равна нулю, то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит беспорядочно и поэтому не создает электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток, связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов
Проводимость чистых полупроводников (собственная проводимость) осуществляется перемещением свободных электронов (электронная проводимость) и перемещением связанных электронов на вакантные места парноэлектронных связей (дырочная проводимость).
Легирование полупроводников
Для того чтобы повысить проводимость полупроводников, их специально загрязняют примесями – атомами химических элементов с другим значением валентности. Примеси с меньшим количеством валентных электронов, чем у полупроводника, называются акцепторами. Примеси с большей валентностью – донорами. Сам этот процесс называется легированием полупроводников. Примерное соотношение - один атом примеси на миллион атомов полупроводника.
Примесная проводимость полупроводников
1. Донорные примеси
Добавим в полупроводник кремния пятивалентный атом мышьяка (As). Посредством четырех валентных электронов, мышьяк установит ковалентные связи c четырьмя соседними атомами кремния. Для пятого валентного электрона не останется пары, и он станет слабо связанным с атомом.
Под действием электромагнитного поля, такой электрон легко отрывается, и вовлекается в упорядоченное движение заряженных частиц (электрический ток). Атом, потерявший электрон, превращается в положительно заряженный ион с наличием свободной вакансии - дырки.
Несмотря на присутствие дырок в полупроводнике кремния с примесью мышьяка, основными носителями свободного заряда являются электроны. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник с электронной проводимостью - полупроводником N-типа.
В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.
2. Акцепторные примеси
Введем в кристалл кремния трехвалентный атом индия (In). Индий установит ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами кремния. Для четвертого «соседа», у индия не хватает одного электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов кремния.
Атом индия превратиться в негативно заряженный ион, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия (дырка). В свою очередь, на это место может перескочить электрон из соседней ковалентной связи. В результате получается хаотическое блуждание дырок по кристаллу.
Если поместить полупроводник в электромагнитное поле, движение дырок станет упорядоченным, т.е. возникнет электрический ток. Таким образом, обеспечивается дырочная проводимость. Полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником P-типа. Основными носителями заряда в полупроводнике p-типа являются дырки, а неосновными — электроны.
Контактные явления в полупроводниках
PN–переход
Соединив вместе материалы P-типа и N-типа, на их стыке мы получим область электронно-дырочного перехода (PN - перехода). Происходящие внутри PN-перехода физические процессы между электронами дырками, легли в основу принципа работы полупроводниковых приборов.
На рисунке изображена схема полупроводника, правая часть которого содержит донорные примеси и поэтому является полупроводником n-типа, а левая — акцепторные примеси и представляет собой полупроводник р-типа; между ними — зона перехода — зона, обедненная зарядами
При образовании контакта электроны частично переходят из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, а дырки — в обратном направлении. В результате полупроводник n-типа заряжается положительно, а р-типа — отрицательно.
Диффузия прекращается после того, как электрическое поле, возникающее в зоне перехода, начинает препятствовать дальнейшему перемещению электронов и дырок.
Включим полупроводник с р—n- переходом в электрическую цепь. Подключим сначала батарею так, чтобы потенциал полупроводника p-типа был положительным, а n-типа — отрицательным.
При этом ток через р-n-переход создается основными носителями: из области n в область р — электронами, а из области р в область n — дырками.
Вследствие этого проводимость всего образца велика, а сопротивление мало.
Рассмотренный здесь переход называют прямым.
Изменим теперь полярность подключения батареи.
Тогда при той же разности потенциалов сила тока в цепи окажется значительно меньше, чем при прямом переходе. Это обусловлено следующим. Электроны через контакт идут теперь из области р в область n, а дырки — из области n в область р. Но ведь в полупроводнике p-типа мало свободных электронов, а в полупроводнике n-типа мало дырок. Теперь переход через контакт осуществляется неосновными носителями, число которых мало. Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление — большим. Образуется так называемый запирающий слой. Такой переход называют обратным.
Вольт-амперная характеристика обратного перехода изображена на рисунке штриховой линией.
Таким образом, р—n-переход можно использовать для выпрямления электрического тока. Такое устройство называется полупроводниковым диодом.
Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ
Таким образом, мы нашли долю электронов проводимости от общего числа атомов.
Ответ: 6,7*10-10.
Решение
Проводимость в проводниках n-типа – электронная. То есть, ток обусловлен дрейфом электронов. Вычислим плотность тока, или силу тока, который протекает через единичное сечение образца:
Задачи:
1. Резисторы сопротивлениями R1= 1 Ом, R2 = 2 Ом, R3 = 3 Ом, R4 = 4 Ом подключены к источнику тока в точках: а) AD; б) BD. Найти общее сопротивление участка при каждом способе включения.
2. Четыре проводника соединены по схеме, приведенной на рисунке. Напряжение между точками А и В равно 18В. Определить общее сопротивления и токи в отдельных проводниках, если R1= 1,6 Ом, R2 = 4 Ом, R3 = 6 Ом, R4 = 12 Ом
3. Щелочный аккумулятор дает ток 0,8 А, если его замкнуть на сопротивление 1,5 Ом. При замыкании аккумулятора на сопротивление 3, 25 Ом получается ток 0,4 А. Определить ЭДС и внутренне сопротивление.
4. Концентрация электронов проводимости в германии при комнатной температуре n = 5·1019 м-3. Плотность германия 5400 кг/м3, молярная масса германия 0,073 кг/моль. Каково отношение числа электронов проводимости к общему числу атомов?
5. Найдите сопротивление полупроводникового диода в прямом и обратном направлениях тока, если при напряжении на диоде 0,5 B сила тока равна 5 мА, а при напряжении 10 B сила тока равна 0,1 мА.
Вопросы
1. Какие вещества называют полупроводниками?
Приведите
примеры полупроводниковых веществ.
2. По какому характерному признаку можно отличить
полупроводник от металла?
3. Что такое дырка? Что «движется» в случае дырочной проводимо-сти?
4. Объясните механизм возникновения собственной проводимости полупроводников.
5. Что называется электрическим током в чистых полупроводниках?
6. Какие виды примесных полупроводников существуют?
7. Какого рода примеси называют донорными, а какого — акцептор-ными?
8. Какие носители называются основными, а какие — не
основными?
9. Объясните механизм возникновения примесной проводимости.
10. Почему примесная проводимость намного больше собственной проводимости
полупроводника?
Домашнее задание:
Задача:
Резисторы сопротивлениями R1= 1 Ом, R2 = 2 Ом, R3 = 3 Ом, R4 = 4 Ом подключены к источнику тока в точках: а) АВ; б) АС в) ВС; д) CD. Найти общее сопротивление участка при каждом способе включения.
Контрольные вопросы:
1. Какую связь называют ковалентной?
2. В чем состоит различие зависимости сопротивления полупроводников и металлов от температуры?
3. Какие подвижные носители зарядов имеются в чистом полупроводнике?
4. Что происходит при встрече электрона с дыркой?
5. Почему сопротивление полупроводников сильно зависит от наличия примесей?
6. Какие носители заряда являются основными в полупроводнике с акцепторной примесью?
7. Какую примесь надо ввести в полупроводник, чтобы получить полупроводник л-типа?
8. Что происходит в контакте двух проводников n- и р-типов?
9. Что такое запирающий слой?
10. Какой переход называют прямым?
11. Для чего служит полупроводниковый диод?