Що являє собою електричний струм у напівпровідниках. Електричний струм у напівпровідниках

На цьому уроці ми розглянемо таке середовище проходження електричного струмуяк напівпровідники. Ми розглянемо принцип їхньої провідності, залежність цієї провідності від температури та наявності домішок, розглянемо таке поняття, як p-n перехідта 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 при збільшенні 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 питанняму 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 електричної схемивідповідно ()

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

на наступному уроціми розглянемо поширення електричного струму у вакуумі.

Список літератури

1. Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика ( базовий рівень) – К.: 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 провідністьнапівпровідника?
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 електропровідність. проміжне положенняміж хорошими провідниками та хорошими ізоляторами (діелектриками).

Напівпровідниками є і хімічні елементи (германій Ge, кремній Si, селен Se, телур Te), та 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 провідністьнапівпровідників.

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 електронівна 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, при якій виникає однакове числоносіїв заряду (електронів та дірок), називається власною провідністю напівпровідників.

Власна провідність напівпровідників зазвичай невелика, тому що невелика кількість вільних електронів. Найменші слідидомішок 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 прикладомДонорної домішки в чотиривалентному германії Ge є пятивалентні 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 поляелектрони 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 носіямизаряду. 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 поляелектричний 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-nпереходу зображено на малюнку (вольт - амперна характеристика прямого р-nпереходу зображена суцільною лінієювольт - амперна характеристика зворотного р-nпереходу зображено пунктирною лінією).

Напівпровідникові прилади:

Напівпровідниковий діод- для випрямлення змінного струму, у 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.

Природа електричного струму у напівпровідниках. Власна та домішкова провідність.

Напівпровідники - це речовини, питомий опіряких зменшується з підвищенням температури, наявністю домішок, зміною освітленості. За цими властивостями вони дуже відрізняються від металів. Зазвичай до напівпровідників ставляться кристали, у яких звільнення електрона потрібна енергія трохи більше 1,5-2 эВ. Типовими напівпровідниками є кристали германію та кремнію, в яких атоми об'єднані. ковалентним зв'язком. Природа зв'язку дозволяє пояснити зазначені вище характерні властивості. При нагріванні напівпровідників їх атоми іонізуються. Електрони, що звільнилися, не можуть бути захоплені сусідніми атомами, тому що всі їх валентні зв'язки насичені. Вільні електрони під впливом зовнішнього електричного поля можуть переміщатися в кристалі, створюючи електронний струмпровідності. Видалення електрона з зовнішньої оболонкиодного з атомів у кристалічні гратипризводить до утворення позитивного іона. Цей іон може нейтралізуватись, захопивши електрон. Далі, в результаті переходів електронів від атомів до позитивним іонамвідбувається процес хаотичного переміщення в кристалі місця з недостатнім електроном - «дірки». Зовні цей процес хаотичного переміщення сприймається як переміщення позитивного заряду. При приміщенні кристала в електричне поле виникає впорядкований рух «дірок» - дірковий струм провідності. В ідеальному кристалі струм створюється рівною кількістю електронів і дірок. Такий тип провідності називають власною провідністю напівпровідників. У разі підвищення температури (або освітленості) власна провідність провідників збільшується.
На провідність напівпровідників великий впливнадають домішки. Домішки бувають донорні та акцепторні. Допірна домішка – це домішка з більшою валентністю. При додаванні донорної домішки у напівпровіднику утворюються липлі електрони. Провідність стане електронною, а напівпровідник називають напівпровідником n-типу. Наприклад, для кремнію з валентністю n - 4 донорною домішкою є миш'як з валентністю n = 5. Кожен атом домішки миш'яку призведе до утворення одного електрона провідності.
Акцепторна домішка – це домішка з меншою валентністю. При додаванні такої домішки у напівпровіднику утворюється надмірна кількість «дірок». Провідність буде «дірковою», а напівпровідник називають напівпровідником р-типу. Наприклад, для кремнію акцепторною домішкою є індій із валентністю п = 3. Кожен атом індія призведе до утворення зайвої «дірки».
Принцип дії більшості напівпровідникових приладів ґрунтується на властивостях р-n-переходу.

У напівпровідниках - це спрямований рух дірок та електронів, на який впливає електричне поле.

В результаті експериментів було зазначено, що електричному струму в напівпровідниках не супроводжується перенесення речовини - в них не відбуваються будь-які хімічні зміни. Таким чином, носіями струму у напівпровідниках можна вважати електрони.

Здатність матеріалу до формування в ньому електричного струму може бути визначена За цим показником провідники займають проміжну позицію між провідниками та діелектриками. Напівпровідники – це різні видимінералів, деякі метали, сульфіди металів і т.д. Електричний струм у напівпровідниках виникає через концентрацію вільних електронів, які можуть спрямовано пересуватися в речовині. Порівнюючи метали та провідники, можна відзначити, що існує різниця між температурним впливом на їх провідність. Підвищення температури веде до зменшення напівпровідників показник провідності збільшується. Якщо в напівпровіднику збільшиться температура, рух вільних електронів буде більш хаотичним. Це з підвищенням числа зіткнень. Однак у напівпровідниках порівняно з металами істотно підвищується показник концентрації вільних електронів. Дані чинники надають протилежний вплив на провідність: що більше зіткнень, то менше провідність, що більше концентрація, то вона вище. У металах немає залежності між температурою та концентрацією вільних електронів, так що зі зміною провідності при підвищенні температури лише знижується можливість упорядкованого переміщення вільних електронів. Що ж до напівпровідників, то показник впливу підвищення концентрації вищий. Таким чином, чим більше зростатиме температура, тим більшою буде провідність.

Існує взаємозв'язок між рухом носіїв заряду та таким поняттям, як електричний струм у напівпровідниках. У напівпровідниках поява носіїв зарядів характеризується різними факторами, Серед яких особливо важливими є температура та чистота матеріалу. По чистоті напівпровідники діляться на домішкові та власні.

Що стосується власного провідника, то вплив домішок за певної температури не може вважатися для них суттєвим. Оскільки в напівпровідниках ширина забороненої зони невелика, у власному напівпровіднику, коли температура досягає повне заповнення валентної зони електронами. Але зона провідності є повністю вільною: у ній немає електропровідності, і вона функціонує як ідеальний діелектрик. За інших температур існує ймовірність того, що при теплових флуктуаціях певні електрониможуть подолати потенційний бар'єрі опинитися у зоні провідності.

Ефект Томсона

Принцип термоелектричного ефекту Томсона: коли пропускають електричний струм у напівпровідниках, вздовж яких існує температурний градієнт, в них, крім джоулева тепла, відбуватиметься виділення або поглинання додаткових кількостей тепла залежно від того, в якому напрямку тектиме струм.

Недостатньо рівномірне нагрівання зразка, що має однорідну структуру, впливає з його властивості, у результаті речовина стає неоднорідним. Отже, явище Томсона є специфічним явищем Пельте. Єдина різниця полягає в тому, що різний хімічний складзразка, а неординарність температури викликає цю неоднорідність.

Провідники, напівпровідники та діелектрики

Залежно від концентрації вільних зарядів тіла поділяються на провідники, діелектрики та напівпровідники.

Провідники– тіла, в яких заряди можуть переміщатися по всьому об'єму (вільні заряди), тому вони проводять електричний струм. У металах (провідники першого роду) – це електрони. У розчинах і розплавах солей, кислот та лугів (провідники другого роду) – це позитивні та негативні іони – катіони, аніони.

Діелектрики- Тіла, в яких заряди зміщуються на відстані, що не перевищує розмірів атома (пов'язані заряди), тому вони не проводять електричний струм.

Напівпровідникизаймають проміжне положення між провідниками та діелектриками. Проводять електричний струм за певних умов.

Носіями зарядів є електрони та дірки.

Класична теорія провідності металів

Метал являє собою кристалічну решітку, у вузлах яких знаходяться позитивно заряджені іони, між іонами існує електронний газ.

Коли у провіднику створюється різниця потенціалів, вільні електрони приходять у впорядкований рух.

Спочатку електрони рухаються рівноприскорено, але незабаром електрони перестають прискорюватися, зіштовхуючись з атомами решітки.

Атоми грат починають коливатися все з більшою амплітудою щодо умовної точки спокою, і спостерігається термоелектричний ефект (провідник розігрівання).

Зонна теорія твердих тіл

В ізольованому атомі енергія електрона може набувати строго дискретних значень, так як електрон може перебувати тільки на одній з орбіталей.

У атомів у молекулі електронні орбіталі розщеплюються.

Кількість орбіталей пропорційно числу атомів. Це призводить до утворення молекулярних орбіталей.

У макроскопічному кристалі (більше 1020 атомів) кількість орбіталей стає дуже великою, а різниця енергій електронів, що знаходяться на сусідніх орбіталях, стає дуже маленькою.

Енергетичні рівні розщеплюються до практично безперервних дискретних наборів – енергетичних зон.

Найвища в напівпровідниках і діелектриках зона, де всі енергетичні стани зайняті електронами, називається валентної зоною, наступна за нею – зоною провідності.

У металах зоною провідності називається найвища дозволена зона, в якій знаходяться електрони.

Енергетичні діаграми провідників (а), напівпровідників (б) та діелектриків (в) при температурі, близькій до абсолютного нуля.

Енергетичні діаграми діелектриків, напівпровідників та провідників

Напівпровідник – матеріал, який за своєю питомою провідністю займає

проміжне місце між провідниками та діелектриками.

Відмінність від провідників – сильна залежність питомої провідності від 1) концентрації домішок, 2). температури та 3). дії різних видів випромінювання.

Напівпровідниками є речовини, ширина забороненої зони яких становить близько кількох електрон-вольт (еВ).

Алмаз – широкозонний напівпровідник. Арсенід Індія - вузькозонний напівпровідник.

До напівпровідників належать:

Багато хімічних елементів (германій, кремній, селен, телур, миш'як та інші),

Величезна кількість сплавів

Хімічні сполуки (арсенід галію та ін.).

Майже всі неорганічні речовини.

Найпоширенішим у природі напівпровідником є ​​кремній,

що становить майже 30% земної кори.

Власна провідність напівпровідників

Власна провідність- Властивість чистих напівпровідників.

Під впливом зовнішніх факторів (температура, опромінення, сильне електричне поле тощо) електрони з валентної зони можуть бути перекинуті в зону провідності, що зумовлює появу електричного струму.

Розрив валентних зв'язків призводить до утворення вільних місць (дірок), які може зайняти будь-який електрон.

Дірка є позитивним зарядом, який рухається протилежно електрону, у напрямку зовнішнього поля.

Така провідність називається дірочною або p-типу (positive – позитивний). Провідність напівпровідників утворюється лише під впливом зовнішніх факторів.

При певній температурі між генерацією електронів та дірок та зворотним процесом (рекомбінацією) настає рівновага, при якому встановлюється певна концентрація носіїв заряду.

Домішна провідність напівпровідників

Домішна провідність обумовлена ​​внесеними до напівпровідника домішками миш'яку (V), бору (III) та ін.

Провідність n-типу (negative – негативний)

Кремній (IV) + миш'як (V) - між атомами миш'яку та кремнію залишатиметься "зайвий" вільний електрон провідності. При цьому утворення дірки не відбудеться, провідність забезпечується лише електронами (донорна домішка).

Провідність p-типу (positive – позитивний)

Кремній (IV) + індій (III) - у кристалічній решітці не вистачатиме електрона, утворюється дірка. У цьому випадку має місце дірочна провідність (акцепторна домішка). Домішна провідність обумовлена ​​носіями одного знака (або електронами, або дірками).

Домішка бору в кремнії (1/105 атомів) зменшує питому електричне

опір кремнію 1000 разів.

Домішка індія у Німеччині 1/ (108 - 109 атомів) зменшує питомий електричний опір Німеччини в мільйони разів.

Контактні явища у металах

Якщо два метали привести в дотик, між ними виникає

різницю потенціалів. Якщо метали Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd (ряд Вольта) привести у дотик у цій послідовності, кожен попередній при зіткненні з однією з наступних металів зарядиться

позитивно. Контактна різниця потенціалів становить від десятих до вольт. Це тим, що це метали відрізняються друг від друга різної концентрацією електронів. При контакті двох металів електрони почнуть проходити через межу розділу металів та виникає подвійний електричний шар із різницею потенціалів.

Явище Зеєбека(1821). Якщо спаї провідників знаходяться за різних температур, то в ланцюзі виникає термоелектрорушійна сила, яка

залежить від різниці температур контактів та природи застосовуваних матеріалів. Явище Зеєбека використовується для вимірювання температури (термоелементи, термопари).

Явище Пельтьє(1834). При проходженні через контакт двох різних провідників електричного струму, залежно від його напрямку, крім

Джоулева теплоти виділяється або поглинається додаткова теплота. Явище Пельтьє є зворотним по відношенню до явища Зеєбека.

Явище Пельтьє використовують у термоелектричних напівпровідникових холодильниках.

Контактні явища у напівпровідниках

При контакті двох напівпровідників n-типу та p-типу в місці їхнього дотику утворюється p-n-перехід.

В області p-n-переходу енергетичні зони викривляються, у результаті виникають потенційні бар'єри як електронів, так дірок.

Використовуються для виготовлення:

Діодів (випрямлення та

перетворення змінних струмів);

Транзисторів (посилення напруги та