Що являє собою електричний струм у напівпровідниках. Електронно-дірковий перехід у стані рівноваги

Мета уроку: сформувати уявлення про вільні
носії електричного заряду в напівпровідниках та о
природа електричного струму в напівпровідниках.
Тип уроку: вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань 5 хв. 1. Електричний струм у металах.
2. Електричний струм у електролітах.
3. Закон Фарадея для електролізу.
4. Електричний струм у газах
Демонстрації
5 хв. Фрагменти відеофільму «Електричний струм у
напівпровідниках»
Вивчення нового
матеріалу
28
хв.
1. Носії зарядів у напівпровідниках.
2. Домісна провідність напівпровідників.
3. Електронно-дірковий перехід.
4. Напівпровідникові діоди та транзистори.
5. Інтегральні мікросхеми
Закріплення
вивченого
матеріалу
7 хв. 1. Якісні питання.
2. Вчимося вирішувати завдання

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Носі зарядів у напівпровідниках

Питомі опори напівпровідників при кімнатній
температурі мають значення, які знаходяться у широкому
інтервалі, тобто. від 10-3 до 107 Ом · м, і займають
проміжне положення між металами та діелектриками.
Напівпровідники - речовини, питомий опір яких
дуже швидко зменшується з підвищенням температури.
До напівпровідників належать багато хімічних елементів
(Бір, кремній, германій, фосфор, миш'як, селен, телур та ін),
величезна кількість мінералів, сплавів та хімічних
з'єднань. Майже всі неорганічні речовини навколишнього
світу – напівпровідники.
За досить низьких температур та відсутності зовнішніх
впливів
освітлення або нагрівання)
напівпровідники не проводять електричний струм: за цих
умовах всі електрони в напівпровідниках є
пов'язаними.
Однак зв'язок електронів зі своїми атомами в
напівпровідниках не такий міцний, як у діелектриках. І в
у разі підвищення температури, а також за яскравого освітлення
деякі електрони відриваються від своїх атомів і стають
вільними зарядами, тобто можуть переміщатися всім
зразком.
Завдяки цьому у напівпровідниках з'являються
негативні носії заряду – вільні електрони.

Коли електрон відривається від атома, позитивний заряд
цього атома стає некомпенсованим, тобто. в цьому місці
з'являється зайвий позитивний
Цей
позитивний заряд називають «діркою». Атом, поблизу
якого утворилася дірка, може відібрати пов'язаний
електрон у сусіднього атома, при цьому дірка переміститься до
сусіднього атома, а той атом, у свою чергу, може передати
дірку далі.
Таке «естафетне» переміщення зв'язаних електронів можна
розглядати як переміщення дірок,
тобто
позитивних зарядів.
(наприклад,
заряд.

Провідність напівпровідника, обумовлена ​​рухом

дірок, називається дірочною.
відмінність дірочної провідності від
Таким чином,
електронної полягає в тому, що електронна провідність
обумовлена ​​переміщенням у напівпровідниках вільних
електронів, а дірочна – переміщенням пов'язаних електронів.
У чистому напівпровіднику (без домішок) електричний струм
створює однакову кількість вільних електронів та дірок.
Таку провідність називають власною провідністю
напівпровідників.
2. Домісна провідність напівпровідників
Якщо додати до чистого розплавленого кремнію
незначна кількість миш'яку (приблизно 10-5%), після
твердіння утворюється звичайна кристалічна решітка
кремнію, але в деяких вузлах решітки замість атомів кремнію
будуть знаходитися атоми миш'яку.
Миш'як, як відомо, п'ятивалентний елемент. Чотиривалентні
електрони утворюють парні електронні зв'язки із сусідніми
атомами кремнію. П'ятого ж валентного електрона зв'язку не
вистачить, при цьому він буде так слабко пов'язаний з атомом Миш'яку,
який легко стає вільним. В результаті кожен
атом домішки дасть один вільний електрон.

Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються
донорними.
Електрони з атомів кремнію можуть ставати вільними,
утворюючи дірку, тому в кристалі можуть одночасно

Домішки, які «захоплюють» електрони атомів
називаються
існують і вільні електрони та дірки. Однак
вільних електронів у багато разів буде більше, ніж дірок.
Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів

Якщо до кремнію додати незначну кількість
тривалентну індію,
то характер провідності
напівпровідника зміниться. Оскільки індій має три
валентного електрона, то він може встановити ковалентна
зв'язок лише з трьома сусідніми атомами. Для встановлення
зв'язку із четвертим атомом електрона не вистачить. Індій
«позичить» електрон у сусідніх атомів, у результаті кожен
атом Індія утворює одне вакантне місце - дірку.

акцепторними.
У разі акцепторної домішки основними носіями заряду
під час проходження електричного струму через
напівпровідник є дірки. Напівпровідники, в яких
основними носіями зарядів є дірки, які називають
напівпровідниками р-типу.
Майже всі напівпровідники містять і донорні, і
акцепторні домішки. Тип провідності напівпровідника
визначає домішка з вищою концентрацією носіїв
заряду - електронів та дірок.
3. Електронно-дірковий перехід
Серед фізичних властивостей, властивих напівпровідникам,
Найбільшого застосування отримали властивості контактів (р-n-
переходу) між напівпровідниками з різними типами
провідності.
У напівпровіднику n-типу електрони беруть участь у тепловому
рух і дифундують через кордон у напівпровідника р-
типу, де їхня концентрація значно менша. Так само
дірки будуть дифундувати з напівпровідника р-типу в
напівпровідник п-типу. Це відбувається подібно до того, як
атоми розчиненої речовини дифундують із міцного
розчину у слабкий у разі їх зіткнення.
В результаті дифузії приконтактна ділянка збідняється
основними носіями заряду: у напівпровіднику n-типу

зменшується концентрація електронів, а в напівпровіднику р-
типу – концентрація дірок.
Тому опір
приконтактної ділянки виявляється дуже значною.
Дифузія електронів та дірок через р-n-перехід призводить до
тому, що напівпровідник n-типу, з якого йдуть електрони,
заряджається позитивно, а р-типу негативно. Виникає
подвійний електричний шар, що створює електричне поле,
яке перешкоджає подальшій дифузії вільних
носіїв струму через контакт напівпровідників. За деякою
напруги між подвійним зарядженим шаром подальше
зубожіння приконтактної ділянки основними носіями
припиняється.
Якщо тепер напівпровідник приєднати до джерела струму
так, щоб його електронна область з'єднувалася з
негативним полюсом джерела, а дірочна - з
позитивним, то електричне поле, створене джерелом
струму, буде спрямовано так, що воно переміщатиме основні
носії струму в кожній ділянці напівпровідника з р-n-
переходу.
При контакті ділянка збагачуватиметься основними
носіями струму, та його опір зменшиться. Через
контакт буде проходити помітний струм. Напрямок струму в
цьому випадку називають пропускним або прямим.
Якщо ж приєднати напівпровідник n-типу до
позитивному, а р-типу до негативного полюса джерела,
то приконтактна ділянка розширюється. Опір області
значно збільшується. Струм через перехідний шар буде
дуже малий. Цей напрямок струму називають замикаючим, або
зворотним.
4. Напівпровідникові діоди та транзистори
Отже, через межу розділу напівпровідників n-типу
та р-типу електричний струм йде тільки в одному напрямку -
від напівпровідника p-типу до напівпровідника n-типу.
Це використовують у пристроях, які називають діодами.
Напівпровідникові діоди використовують для випрямлення струму
змінного напрямку (такий струм називають змінним), а
також виготовлення світлодіодів. Напівпровідникові
випрямлячі мають високу надійність та тривалий термін
використання.

пристроях:
Широко застосовують напівпровідникові діоди в
радіотехнічних
радіоприймачі,
відеомагнітофони, телевізори, комп'ютери.
Ще найважливішим застосуванням напівпровідників став
транзистор. Він складається з трьох шарів напівпровідників:
краям розташовані напівпровідники одного типу, а між
ними – тонкий шар напівпровідника іншого типу. Широке
застосування транзисторів обумовлено тим, що з їх допомогою
можна підсилювати електричні сигнали. Тому транзистор
став основним елементом багатьох напівпровідникових
приладів.
5. Інтегральні мікросхеми
Напівпровідникові діоди та транзистори є
«цеглинами» дуже складних пристроїв, які називають
інтегральними мікросхем.
Мікросхеми працюють сьогодні в комп'ютерах та телевізорах,
мобільних телефонах та штучних супутниках,
в
автомобілях, літаках і навіть у пральних машинах.
Інтегральну схему виготовляють на платівці кремнію.
Розмір платівки - від міліметра до сантиметра, причому на
одній такій платівці може розміщуватись до мільйона
компонентів - крихітних діодів, транзисторів, резисторів та
ін.
Важливими перевагами інтегральних схем є
висока швидкодія та надійність, а також низька
вартість. Саме завдяки цьому на основі інтегральних
схем і вдалося створити складні, але багатьом доступні прилади,
комп'ютери та предмети сучасної побутової техніки.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. Які речовини можна віднести до напівпровідникових?
2. Рухом яких заряджених частинок створюється струм
напівпровідниках?
3. Чому опір напівпровідників дуже сильно
залежить від наявності домішок?

4. Як утворюється p-n-перехід? Яка властивість має p-n-
перехід?
5. Чому вільні носії зарядів не можуть пройти
крізь p-n-перехід напівпровідника?
Другий рівень
1. Після введення в германій домішки миш'яку концентрація

Це концентрація дірок?
2. За допомогою якого досвіду можна переконатися в односторонній
провідності напівпровідникового діода?
3. Чи можна отримати р-n-перехід, виконавши вплавлення олова
у германій чи кремній?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1.
Чому вимоги до чистоти напівпровідникових
матеріалів дуже високі (у ряді випадків не допускається
наявність навіть одного атома домішки на мільйон атомів)?
2. Після введення в германій домішки миш'яку концентрація
електронів провідності збільшилася. Як змінилася при
Це концентрація дірок?
3. Що відбувається в контакті двох напівпровідників n-і р-
типу?
4. У закритому ящику знаходяться напівпровідниковий діод і
реостат. Кінці приладів виведені назовні та приєднані до
клем. Як визначити, які клеми належать діоду?
2). Вчимося вирішувати завдання
1. Яку провідність (електронну чи дірочну) має
кремній із домішкою галію? Індію? фосфору? сурми?
2. Яка провідність (електронна чи дірочна) буде у
кремнію, якщо до нього додати фосфор? бор? алюміній?
миш'як?

3. Як зміниться опір зразка кремнію з домішкою
фосфору, якщо ввести до нього домішка галію? Концентрація
атомів Фосфору та Галію однакова. (Відповідь: збільшиться)

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОКУ
· Напівпровідники - речовини, питомий опір яких
дуже швидко знижується із підвищенням температури.

електронів називають електронною.
· Провідність напівпровідника, обумовлена ​​рухом
дірок, називається дірочною.
· Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються
донорними.

є електрони, що називають напівпровідниками n-типу.
· Домішки, які «захоплюють» електрони атомів
кристалічних ґрат напівпровідників,
називаються
акцепторними.
· Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів
є дірки, що називають напівпровідниками р-типу.
· Контакт двох напівпровідників з різними видами
провідності має властивості добре проводити струм в одному
напрямі та значно гірше у протилежному
напрямі, тобто. має односторонню провідність.

Домашнє завдання
1. §§ 11, 12.

У напівпровідниках вільні електрони та дірки перебувають у стані хаотичного руху. Тому, якщо вибрати довільний перетин усередині об'єму напівпровідника і підрахувати кількість носіїв заряду, що проходять через цей переріз за одиницю часу зліва направо та праворуч наліво, значення цих чисел виявляться однаковими. Це означає, що електричний струм у цьому обсязі напівпровідника відсутній. При приміщенні напівпровідника в електричне поле напруженістю Е хаотичний рух носіїв зарядів накладається складова спрямованого руху. Спрямований рух носіїв зарядів в електричному полі зумовлює появу струму, що називається дрейфовим (рис. 1.5)

В області високих температур концентрація електронів та дірок значно зростає за рахунок розриву ковалентних зв'язків та, незважаючи на зменшення їх рухливості, електропровідність напівпровідника збільшується за експоненційним законом.

Малюнок 1.5 Дрейфовий струм у напівпровіднику

1.2.2 Дифузійний струм

Крім теплового збудження, що призводить до виникнення рівноважної концентрації зарядів, рівномірно розподілених за обсягом напівпровідника, збагачення напівпровідника електронами до концентрації n p і дірками до концентрації p n може здійснюватися його освітленням, опроміненням потоком заряджених частинок, введенням через контакт (інжекцією) і т.д. У цьому випадку енергія збудника передається безпосередньо носіям заряду і теплова енергія кристалічних ґрат залишається практично постійною. Отже, надлишкові носії заряду не знаходяться в тепловій рівновазі з ґратами і тому називаються нерівноважними. На відміну від рівноважних, вони можуть нерівномірно розподілятися за обсягом напівпровідника (рис. 1.6)

Після припинення дії збудника за рахунок рекомбінації електронів та дірок концентрація надлишкових носіїв швидко зменшується і досягає рівноважного значення.

Носії зарядів рекомбінують обсягом напівпровідника і його поверхні. Нерівномірний розподіл нерівноважних носіїв зарядів супроводжується їхньою дифузією у бік меншої концентрації. Цей рух носіїв зарядів зумовлює проходження електричного струму, що називається дифузійним (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 Дифузійний струм у напівпровіднику

1.3 Контактні явища

Електронно-дірковий перехід у стані рівноваги

Принцип дії більшості напівпровідникових приладів ґрунтується на фізичних явищах, що відбуваються в області контакту твердих тіл. При цьому переважно використовуються контакти: напівпровідник-напівпровідник; метал-напівпровідник; метал-діелектрик-напівпровідник.

Якщо перехід створюється між напівпровідниками n-типу та p-типу, то його називають електронно-дірковим або p-n переходом.

Електронно-дірковий перехід створюється в одному кристалі напівпровідника з використанням складних та різноманітних технологічних операцій.

Розглянемо p-n перехід, у якому концентрації донорів N д і акцепторів N a змінюються стрибком межі розділу (рис. 1.7, а). Такий p-n перехід називають різким. Рівноважна концентрація дірок у p-області () значно перевищує їхню концентрацію в n-області (). Аналогічно для електронів виконується умова>. Нерівномірний розподіл концентрацій однойменних носіїв зарядів у кристалі (рис. 1.7 б) призводить до виникнення дифузії електронів з n-області в p-область і дірок з p-області в n-область. Такий рух зарядів створює дифузійний струм електронів та дірок.

Електрони та дірки, переходячи через контакт назустріч один одному (завдяки дифузії), рекомбінують і в приконтактній області діркового напівпровідника утворюється нескомпенсований заряд негативних іонів акцепторних домішок, а в електронному напівпровіднику некомпенсований заряд позитивних донорних іонів (рис. 16). Таким чином, електронний напівпровідник заряджається позитивно, а дірковий – негативно. Між областями з різними типами електропровідності виникає власне електричне поле напруженістю E соб (рис. 1.7 а), створене двома шарами об'ємних зарядів.

Власне електричне поле є гальмуючим для основних носіїв заряду і прискорює для неосновних. p align="justify"> Електрони p-області і дірки n-області, здійснюючи тепловий рух, потрапляють у межі дифузійного електричного поля, захоплюються ним і перекидаються в протилежні області, утворюючи струм дрейфу, або струм провідності.

Рисунок 1.7 Рівноважний стан p-n переходу

Приконтактну область, де є власне електричне поле, називають p- nпереходом. У цій галузі напівпровідник характеризується власною електропровідністю і має порівняно з рештою обсягу підвищений опір. У зв'язку з цим його називають замикаючим шаром або областю об'ємного заряду.

На ширину замикаючого шару істотно впливає концентрація домішкових атомів. Збільшення концентрації домішкових атомів звужує замикаючий шар, а зменшення розширює його. Це часто використовується для надання напівпровідникових приладів необхідних властивостей.

Напівпровідниками назвали клас речовин, у яких з підвищенням температури збільшується провідність, зменшується електричний опір. Цим напівпровідники принципово відрізняються від металів.

Типовими напівпровідниками є кристали германію і кремнію, в яких атоми об'єднані ковалентною зв'язком. За будь-яких температур у напівпровідниках є вільні електрони. Вільні електрони під дією зовнішнього електричного поля можуть переміщатися кристалі, створюючи електронний струм провідності. Видалення електрона із зовнішньої оболонки одного з атомів кристалічної решітки призводить до перетворення цього атома на позитивний іон. Цей іон може нейтралізуватися, захопивши електрон в одного із сусідніх атомів. Далі, в результаті переходів електронів від атомів до позитивних іонів відбувається процес хаотичного переміщення в кристалі місця з недостатнім електроном. Зовні цей процес сприймається як переміщення позитивного електричного заряду діркою.

При приміщенні кристала в електричне поле виникає упорядкований рух дірок - дірковий струм провідності.

В ідеальному напівпровідниковому кристалі електричний струм створюється рухом рівної кількості негативно заряджених електронів та позитивно заряджених дірок. Провідність в ідеальних напівпровідниках називається власною провідністю.

Властивості напівпровідників сильно залежить від вмісту домішок. Домішки бувають двох типів - донорні та акцепторні.

Домішки, що віддають електрони та створюють електронну провідність, називаються донорними(Домішки, що мають валентність більше, ніж у основного напівпровідника). Напівпровідники, у яких концентрація електронів перевищує концентрацію дірок, називають напівпровідниками n-типу.

Домішки, що захоплюють електрони і створюють тим самим рухливі дірки, не збільшуючи при цьому кількість електронів провідності, називають акцепторними(Домішки мають валентність менше, ніж у основного напівпровідника).

За низьких температур основними носіями струму в напівпровідниковому кристалі з акцепторною домішкою є дірки, а не основними носіями - електрони. Напівпровідники, у яких концентрація дірок перевищує концентрацію електронів провідності, називають дірковими напівпровідниками або напівпровідниками р-типу. Розглянемо контакт двох напівпровідників із різними типами провідності.

Через кордон цих напівпровідників відбувається взаємна дифузія основних носіїв: електрони з n-напівпровідника дифундують в р-напівпровідник, а дірки з р-напівпровідника в n-напівпровідник. В результаті ділянка n-напівпровідника, що межує з контактом, буде збіднений електронами, і в ньому утворюється надлишковий позитивний заряд, зумовлений наявністю оголених іонів домішки. Рух дірок з р-напівпровідника до n-напівпровідника призводить до виникнення надмірного негативного заряду в прикордонній ділянці р-напівпровідника. В результаті утворюється подвійний електричний шар і виникає контактне електричне поле, яке перешкоджає подальшій дифузії основних носіїв заряду. Цей шар називають замикаючим.

Зовнішнє електричне поле впливає на електропровідність замикаючого шару. Якщо напівпровідники підключені до джерела, як показано на рис. 55, то під дією зовнішнього електричного поля основні носії заряду - вільні електрони в п-напівпровіднику та дірки в р-напівпровіднику - будуть рухатися назустріч один одному до межі розділу напівпровідників, при цьому товщина p-n-переходу зменшується, отже, зменшується опір. І тут сила струму обмежується зовнішнім опором. Такий напрямок зовнішнього електричного поля називається прямим. Прямому включенню p-n-переходу відповідає ділянка 1 на вольт-амперної характеристики (див. рис. 57).

Носії електричного струму в різних середовищах та вольт-амперні характеристики узагальнені у табл. 1.

Якщо напівпровідники підключені до джерела, як показано на рис. 56, то електрони в п-напівпровіднику та дірки в р-напівпровіднику переміщатимуться під дією зовнішнього електричного поля від кордону в протилежні сторони. Товщина замикаючого шару і, отже, його опір збільшується. При такому напрямку зовнішнього електричного поля - зворотному (замикаючому) через межу розділу проходять лише неосновні носії заряду, концентрація яких набагато менша, ніж основних, і струм практично дорівнює нулю. Зворотному включенню р-п-переходу відповідає ділянка 2 на вольт-амперної характеристики (рис. 57).

Таким чином, р-п-перехід має несиметричну провідність. Ця властивість використовується в напівпровідникових діодах, що містять один p-n-перехід і застосовуються, наприклад, для випрямлення змінного струму або детектування.

Напівпровідники знаходять широке застосування у сучасній електронній техніці.

Залежність електричного опору напівпровідникових металів від температури використовується у спеціальних напівпровідникових приладах. терморезисторах. Прилади, в яких використовується властивість напівпровідникових кристалів, змінювати свій електричний опір при освітленні світлом, називаються фоторезисторами.

Електричний Струм у Вакуумі

Якщо два електроди помістити в герметичний посуд і видалити з посуду повітря, то електричний струм у вакуумі немає - немає носіїв електричного струму. Американський вчений Т. А. Едісон (1847-1931) в 1879 р. виявив, що у вакуумній скляній колбі може виникнути електричний струм, якщо один з електродів, що знаходяться в ній, нагріти до високої температури. Явище випромінювання вільних електронів із поверхні нагрітих тіл називається термоелектронною емісією. Робота, яку потрібно здійснити для звільнення електрона з поверхні тіла, називається роботою виходу. Явище термоелектронної емісії пояснюється тим, що з підвищенні температури тіла збільшується кінетична енергія певної частини електронів у речовині. Якщо кінетична енергія електрона перевищить роботу виходу, він може подолати дію сил тяжіння з боку позитивних іонів і вийти з поверхні тіла у вакуумі. На явище термоелектронної емісії засновано роботу різних електронних ламп.

Перенесення носіїв струму у напівпровідниках

Introduction

Носіями струму в напівпровідниках є електрони та дірки. Носії струму рухаються в періодичному полі атомів кристала так, ніби вони є вільними частинками. Вплив періодичного потенціалу позначається лише з величині маси носія. Тобто, під впливом періодичного потенціалу змінюється маса носія. У зв'язку з цим у фізиці твердого тіла вводять поняття ефективної маси електрона та дірки. Середня енергія теплового руху електронів та дірок дорівнює kT/2 на кожну міру свободи. Теплова швидкість електрона та дірки за кімнатної температури дорівнює приблизно 10 7 см/c.

Якщо до напівпровідника додати електричне поле, це поле викличе дрейф носіїв струму. При цьому швидкість носіїв спочатку збільшуватиметься зі зростанням поля, досягне середнього значення швидкості і потім перестане змінюватися, оскільки відбувається розсіювання носіїв. Причиною розсіювання є дефекти, домішки та випромінювання або поглинання фононів. Основною причиною розсіювання носіїв є заряджені домішки та теплових коливаннях атомів решітки (поглинання/випускання фононів). Взаємодія з ними призводить до різкої зміни швидкості носіїв та напряму їхнього переміщення. Зміна напряму швидкості носіїв має випадковий характер. Додатковим механізмом розсіювання носіїв струму є розсіювання носіїв поверхні напівпровідника.

За наявності зовнішнього електричного поля на випадковий характер переміщення носіїв у напівпровіднику накладається спрямований рух носіїв під впливом поля у перервах між сударениями. І навіть, незважаючи на те, що швидкість випадкового переміщення носіїв може у багато разів перевищувати швидкість спрямованого переміщення носіїв під дією електричного поля, випадкової складової переміщення носіїв можна знехтувати, оскільки при випадковому русі потік результуючий потік носіїв дорівнює нулю. Прискорення носіїв під впливом зовнішнього поля підпорядковується законам динаміки Ньютона. Розсіювання призводить до різкої зміни напрямку переміщення та величини швидкості, але після розсіювання прискорений рух частинки під дією поля відновлюється.

Результуючий ефект зіткнень у тому, що прискорення частинок немає, але частинки швидко досягають постійної швидкості руху. Це еквівалентно введенню гальмівної компоненти в рівняння руху частки, що характеризується постійним часом t. За цей проміжок часу частка втрачає кількість руху mv, що визначається середньою швидкістю v. Для частки, яка має постійне прискорення між соударениями, ця стала часу дорівнює часу між двома послідовними соударениями. Розглянемо докладніше механізми перенесення носіїв струму напівпровідниках.

Дрейфовийструм(Drift Current)

Дрейфовий рух носіїв у напівпровіднику під впливом електричного поля можна проілюструвати малюнком ХХХ. Поле повідомляє носіям швидкість v.

Fig. Рух носіїв під дією поля .

Якщо прийняти, що всі носії у напівпровіднику рухаються з однаковою швидкістю vто струм можна виразити як відношення загального переміщеного між електродами заряду до часу t rпроходження цього заряду від одного електрода до іншого, або:

де L – відстань між електродами.

Щільність струму тепер можна виразити через концентрацію носіїв струму nу напівпровіднику:

де А -Площа перерізу напівпровідника.

Рухливість (Mobility)

Характер руху носіїв струму в напівпровіднику без поля і під впливом зовнішнього електричного поля наведено малюнку ХХХ. Як зазначалося, теплова швидкість електронів порядку 10 7 cm/sі вона значно вище дрейфової швидкості електронів.

Fig. Випадковий характер руху носіїв струму в напівпровіднику у відсутності та за наявності зовнішнього поля.

Розглянемо рух носіїв лише під впливом електричного поля. Відповідно до закону Ньютона:

де сила включає дві складові – електростатичну силу і мінус силу, що зумовлює втрати кількості руху при розсіянні, поділену на час між соударениями:

Прирівнюючи ці вирази та використовуючи вираз для середньої швидкості, отримаємо:

Розглянемо лише стаціонарний випадок, коли частка вже прискорилася і досягла своєї середньої постійної швидкості. У цьому наближенні швидкість пропорційна напруженості електричного поля. Коефіцієнт пропорційності між останніми величинами визначається як рухливість:

Рухливість обернено пропорційна масі носія і прямо пропорційна часу вільного пробігу.

Щільність дрейфового струму можна записати як функцію рухливості:

Як уже зазначалося, у напівпровідниках маса носіїв не дорівнює масі електрона у вакуумі, mі у формулі для рухливості слід використовувати ефективну масу, m * :

Дифузія носіїв струму у напівпровідниках.

Дифузійний струм

Якщо зовнішнє електричне поле у ​​напівпровіднику відсутнє, спостерігається випадкове переміщення носіїв струму – електронів і дірок під впливом теплової енергії. Це випадкове переміщення не призводить до спрямованого переміщення носіїв та утворення струму. Завжди замість носія, що пішов з якого-небудь місця, на його місце прийде інший. Отже, по всьому об'єму напівпровідника зберігається однорідна щільність носіїв.

Але змінюється, якщо носії розподілені за обсягом нерівномірно, тобто. має місце градієнт концентрації. У цьому випадку під дією градієнта концентрації виникає спрямоване переміщення носіїв -дифузія з області, де концентрація вище, область з низькою концентрацією. Спрямоване переміщення заряджених носіїв під впливом дифузії створює дифузійний струм. Розглянемо цей ефект докладніше.

Отримаємо співвідношення для дифузійного струму. Виходитимемо з того, що спрямоване переміщення носіїв під дією градієнта концентрації відбувається в результаті теплового руху (при температурі
за Кельвіном на кожний ступінь свободи частки припадає енергія
), тобто. дифузія відсутня за нульової температури (дрейф носіїв можливий і при 0К).

Незважаючи на те, що випадковий характер руху носіїв під дією тепла потребує статистичного підходу, висновок формули для дифузійного струму буде ґрунтуватися на використанні середніх величин, що характеризують процеси. Результат виходить той самий.

Введемо середні величини – середню теплову швидкість v th, середній час між соударениями,  , і середню довжину вільного пробігу, l. Середня теплова швидкість може бути спрямована як у позитивному, так і негативному напрямку. Ці величини пов'язані між собою співвідношенням

Розглянемо ситуацію з неоднорідним розподілом електронів n(x) (Див. Рис ХХХ).

Fig. 1 Carrier density profile використовується для derivation the diffusion current expression

Розглянемо потік електронів через площину з координатою x = 0. Носії до цієї площини приходять як зліва з боку координати x = - l, так і праворуч з боку координати x = l. Потік електронів зліва направо дорівнює

де коефіцієнт ½ означає, що половина електронів у площині з координатою x = - lрухається ліворуч, а друга половина – праворуч. Аналогічно, потік електронів через x = 0 хто приходить праворуч з боку x = + lдорівнюватиме:

Загальний потік електронів, що проходять через площину x = 0 зліва направо, дорівнюватиме:

Вважаючи, що середня довжина вільного пробігу електронів досить мала, ми можемо записати різницю в концентраціях електронів праворуч і ліворуч від координати x = 0 через відношення різниці концентрацій відстані між площинами, тобто. через похідну:

Щільність струму електронів дорівнюватиме:

Зазвичай добуток теплової швидкості на середню довжину вільного пробігу замінюють одним співмножником, званим коефіцієнтом дифузії електронів, D n .

Аналогічні співвідношення можна записати і для діркового дифузійного струму:

Слід пам'ятати, що заряд дірок позитивний.

Між коефіцієнтом дифузії та рухливістю існує зв'язок. Хоча на перший погляд може здатися, що ці коефіцієнти не повинні бути пов'язані між собою, оскільки дифузія носіїв зумовлена ​​тепловим рухом, а дрейф носіїв зумовлений зовнішнім електричним полем. Проте одна з основних параметрів – час між соударениями ні залежати від причини, що викликала рух носіїв.

Використовуємо визначення теплової швидкості як,

та висновки термодинаміки про те, що на кожний ступінь свободи руху електрона припадає теплова енергія kT/2, рівна кінетичній:

З цих співвідношень можна отримати добуток теплової швидкості та середньої довжини вільного пробігу, виражений через рухливість носія:

Але добуток теплової швидкості та середньої довжини вільного пробігу ми вже визначили як коефіцієнт дифузії. Тоді останнє співвідношення для електронів та дірок можна записати у такому вигляді:

Ці співвідношення називаються співвідношеннями Ейнштейна.

Загальний струм

Загальний струм через напівпровідник є сумою дрейфового та дифузійного струму. Для щільності струму електронів можна записати:

та аналогічно для дірок:

Загальна щільність струму через напівпровідник дорівнює сумі електронного та діркового струму:

Сумарний струм через напівпровідник дорівнює добутку щільності струму на площу напівпровідника:

Струм можна записати також у наступній формі:

Умова рівноваги неоднорідно легованого напівпровідника

(Умова відсутності струму через напівпровідник)

Урок № 41-169 Електричний струм у напівпровідниках. Напівпровідниковий діод. Напівпровідникові пристрої.

Напівпровідник - речовина, у якої питомий опір може змінюватися в широких межах і дуже швидко зменшується з підвищенням температури, а це означає, що електрична провідність збільшується. Спостерігається у кремнію, германію, селену та деяких сполук.

Механізм провідності напівпровідників

Кристали напівпровідників мають атомні кристалічні грати, де зовнішні електрони пов'язані з сусідніми атомами ковалентними зв'язками. При низьких температурах у чистих напівпровідників вільних електронів немає і він поводиться як діелектрик. Якщо напівпровідник чистий (без домішок), він має власної провідністю (невелика).

Власна провідність буває двох видів:

1) електронна (провідність « п«-типу) При низьких температурах у напівпровідниках всі електрони пов'язані з ядрами і великий опір; При збільшенні температури кінетична енергія частинок збільшується, руйнуються зв'язки та виникають вільні електрони – опір зменшується.

Вільні електрони переміщаються протилежно до вектора напруженості електричного поля. Електронна провідність напівпровідників обумовлена ​​наявністю вільних електронів.

2)діркова (провідність «р»-типу). При збільшенні температури руйнуються ковалентні зв'язки, що здійснюються валентними електронами, між атомами і утворюються місця з недостатнім електроном — «дірка». Вона може переміщатися у всьому кристалу, т.к. її місце може замінюватися валентними електронами. Переміщення "дірки" рівноцінно переміщенню позитивного заряду. Переміщення дірки відбувається у напрямку вектора напруги електричного поля.

Розрив ковалентних зв'язків та виникнення власної провідності напівпровідників можуть бути спричинені нагріванням, освітленням (фотопровідністю) та дією сильних електричних полів.

Залежність R(t): термістор

- Дистанційний вимір t;

- протипожежна сигналізація

Загальна провідність чистого напівпровідника складається з провідностей "р" і "n"-типів і називається електронно-дірковою провідністю.

Напівпровідники за наявності домішок

У них існує власна та домішкова провідність. Наявність домішок сильно підвищує провідність. При зміні концентрації домішок змінюється кількість носіїв електричного струму - електронів та дірок. Можливість управління струмом є основою широкого застосування напівпровідників. Існують такі домішки:

1) донорні домішки (що віддають) - є додатковими

постачальниками електронів у кристали напівпровідника, легко віддають електрони та збільшують кількість вільних електронів у напівпровіднику. Це провідники n - типу, тобто. напівпровідники з донорними домішками, де основний носій заряду – електрони, а неосновний – дірки. Такий напівпровідник має електронну домішкову провідність (приклад – миш'як).

2) акцепторні домішки (приймають) створюють «дірки», забираючи в себе електрони. Це напівпровідники "р" - типу, тобто. напівпровідники з акцепторними домішками, де основний носій заряду –

дірки, а неосновний - електрони. Такий напівпровідник має

дірковою домішковою провідністю (приклад – індій).

Електричні властивості «р-n »Переходів.

"р-п" перехід (або електронно-дірковий перехід) - область контакту двох напівпровідників, де відбувається зміна провідності з електронної на дірочну (або навпаки).

У кристалі напівпровідника запровадженням домішок можна створити такі області. У зоні контакту двох напівпровідників з різними провідностями проходитиме взаємна дифузія, електронів та дірок і утвориться замикаючий

електричний прошарок. Електричне поле замикаючого шару перешкоджає

подальшого переходу електронів та дірок через кордон. Замикаючий шар має підвищений опір у порівнянні з іншими областями напівпровідника.

У зовнішнє електричне поле впливає опір замикаючого шару. При прямому (пропускному) напрямку зовнішнього електричного поля струм проходить через межу двох напівпровідників. Т.к. електрони та дірки рухаються назустріч один одному до межі розділу, то електрони,

переходячи кордон, заповнюють дірки. Товщина замикаючого шару та його опір безперервно зменшуються.

При замикаючому (зворотному напрямку зовнішнього електричного поля) струм через область контакту двох напівпровідників проходити не буде. Т.к. електрони та дірки переміщаються від кордону в протилежні сторони, то замикаючий шар

товщає, його опір збільшується.

Таким чином, електронно-дірковий перехід має односторонню провідність.

Напівпровідниковий діод- Напівпровідник з одним «р-п» переходом.

Напівпровідникові діоди основні елементи випрямлячів змінного струму.

При накладенні електричного поля: в одному напрямку опір напівпровідника велике, у зворотному - опір мало.

Транзистори.(Від англійських слів transfer - переносити, resistor - опір)

Розглянемо один із видів транзисторів з германію або кремнію з введеними в них донорними та акцепторними домішками. Розподіл домішок такий, що створюється дуже тонкий (близько кількох мікрометрів) прошарок напівпровідника п-типу між двома шарами напівпровідника р-типу (див. рис.).

Цей тонкий прошарок називають основоюабо базою.У кристалі утворюються два р-n -переходу, прямі напрями яких протилежні. Три висновки від областей з різними типами провідності дозволяють включати транзистор у схему, зображену малюнку. При цьому включенні лівий р-n -перехід є прямимта відокремлює базу від області з провідністю р-типу, звану емітером.Якби не було правого р-n -переходу, в ланцюзі емітер - база існував би струм, що залежить від напруги джерел (батареї Б1та джерела змінної напруги) та опору ланцюга, включаючи мале опір прямого переходу емітер - база.

Батарея Б2включена так, що правий р-n -перехід у схемі (див. рис.) є зворотним.Він відокремлює базу від правої області з провідністю р-типу, що називається колектор.Якби не було лівого р-n -переходу, сила струму в колі колектора була б близька до нуля, так як

опір зворотного переходу дуже велике. При існуванні ж струму у лівому р-n -переході з'являється струм і в кола колектора, причому сила струму в колекторі лише трохи менше сили струму в емітері (якщо на емітер подано негативну напругу, то лівий р-n -перехід буде зворотним і струм в ланцюзі емітера і в кола колектора буде практично відсутній). При створенні напруги між емітером та базою основні носії напівпровідника р-типу - дірки проникають у базу, де є вже неосновними носіями. Оскільки товщина бази дуже мала і кількість основних носіїв (електронів) в ній невелика, дірки, що потрапили в неї, майже не поєднуються (не рекомбінують) з електронами бази і проникають в колектор за рахунок дифузії. Правий р-n -перехід закритий основних носіїв заряду бази - електронів, але з дірок. У колекторі дірки захоплюються електричним полем та замикають ланцюг. Сила струму, що відгалужується в ланцюг емітера з бази, дуже мала, так як площа перерізу бази в горизонтальній площині набагато менше перерізу у вертикальній площині.

Сила струму в колекторі, практично рівна силі струму в емітері, змінюється разом із струмом в емітері. Опір резистора R мало впливає струм у колекторі, і це опір можна зробити досить великим. Керуючи струмом емітера за допомогою джерела змінної напруги, включеного до його ланцюга, ми отримаємо синхронну зміну напруги на резисторі R .

При великому опорі резистора зміна напруги на ньому може в десятки тисяч разів перевищувати зміну напруги сигналу ланцюга емітера. Це означає посилення напруги. Тому на навантаженні R можна отримати електричні сигнали, потужність яких у багато разів перевищує потужність, що надходить у ланцюг емітера.

Застосування транзисторівВластивості р-п-переходи в напівпровідниках використовуються для посилення та генерації електричних коливань.