Що є носієм струму у напівпровідниках. Власна електрична провідність

Напівпровідники – це матеріали, які за звичайних умов є діелектриками, але зі збільшенням температури стають провідниками. Тобто у напівпровідниках зі збільшенням температури, опір зменшується.

Будова напівпровідника на прикладі кристала кремнію

Розглянемо будову напівпровідників та основні типи провідності у них. Як приклад розглянемо кристал кремнію.

Кремній є чотиривалентним елементом. Отже, в його зовнішній оболонці є чотири електрони, які слабко пов'язані з ядром атома. З кожним по сусідству є ще чотири атоми.

Атоми між собою взаємодіють та утворюють ковалентні зв'язки. Від кожного атома у цьому зв'язку бере участь один електрон. Схема устрою кремнію зображена на наступному малюнку.

малюнок

Ковалентні зв'язки є досить міцними і за низьких температур не розриваються. Тому в кремнії немає вільних носіїв заряду, і він за низьких температур є діелектриком. У напівпровідниках існує два види провідності: електронна та діркова.

Електронна провідність

При нагріванні кремнію йому повідомлятиметься додаткова енергія. Кінетична енергія частинок збільшується і деякі ковалентні зв'язки розриваються. Тим самим утворюються вільні електрони.

В електричному полі ці електрони переміщуються між вузлами кристалічних ґрат. При цьому в кремнії створюватиметься електричний струм.

Оскільки основними носіями заряду є вільні електрони, такий тип провідності називають електронною провідністю. Кількість вільних електронів залежить від температури. Чим сильніше ми нагріватимемо кремній, тим більше ковалентних зв'язків буде розриватися, а отже, з'являтиметься більше вільних електронів. Це призводить до зменшення опору. І кремній стає провідником.

Діркова провідність

Коли відбувається розрив ковалентного зв'язку, на місці електрона, що вирвався, утворюється вакантне місце, яке може зайняти інший електрон. Це місце називається діркою. У дірці є надлишковий позитивний заряд.

Положення дірки в кристалі постійно змінюється, будь-який електрон може зайняти це положення, а дірка при цьому переміститься туди, звідки перескочив електрон. Якщо електричного поля немає, то рух дірок безладний, і тому струму немає.

За його наявності виникає упорядкованість переміщення дірок, і крім струму, який створюється вільними електронами, з'являється ще струм, який створюється дірками. Дірки рухатимуться у протилежному русі електронів напрямі.

Таким чином, у напівпровідниках провідність є електронно-дірковою. Струм створюється як за допомогою електронів, так і за допомогою дірок. Такий тип провідності ще називається власною провідністю, оскільки беруть участь елементи лише одного атома.

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) пПри низьких температурах в напівпровідниках всі електрони пов'язані з ядрами і опір великий; При збільшенні температури кінетична енергія частинок збільшується, руйнуються зв'язки і виникають вільні електрони - опір зменшується. вільних електронів 2) дірочна (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 по всьому кристалу, т.к. Переміщення "дірки" рівноцінно переміщенню позитивного заряду. Переміщення дірки відбувається в напрямку вектора напруженості електричного поля. Розрив ковалентних зв'язків і виникнення власної провідності напівпровідників можуть бути викликані нагріванням, м (фотопровідність) та дією сильних електричних полів. Залежність R(t): термістор
- дистанційний вимір t; - протипожежна сигналізація

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

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

У зовнішнє електричне поле впливає на 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,

П ри 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.П
олупровідникові 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-переходи, прямі напрямки 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 кола 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.

3

Єрюткін Євген Сергійович
вчитель фізики вищої кваліфікаційної категорії ГОУ ЗОШ №1360, м. Москва

Якщо ж здійснити пряме підключення, то зовнішнє поле нейтралізує замикаюче, і струм здійснюватиметься основними носіями заряду.

Рис. 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.

Рис. 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

Дуже важливим питанням у вивченні напівпровідників є наявність домішок у них. І в разі наявності домішок слід говорити вже про домішкову провідність.

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. Позначення діода на схемі та схема його пристрою відповідно

Іншим приладом тепер з двома p-n переходами називається транзистор. Він служить як вибору напрями пропускання струму, але й його перетворення.

Рис. 12. Схема будови транзистора та його позначення на електричній схемі відповідно ()

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

На наступному уроці ми розглянемо поширення електричного струму у вакуумі.

1. Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика (базовий рівень) М: Мнемозина. 2012 р.
2. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. М: Ілекса. 2005 р.
3. Мякішев Г.Я., Синяков А.З., Слобідськ Б.А. фізика. Електродинаміка М.: 2010 р.

1. Принципи дії пристроїв ().
2. Енциклопедія Фізики та Техніки ().

1. Тому в напівпровіднику виникають електрони провідності?
2. Що таке власна провідність напівпровідника?
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?

На цьому уроці ми розглянемо таке середовище проходження електричного струму як напівпровідники. Ми розглянемо принцип їхньої провідності, залежність цієї провідності від температури та наявності домішок, розглянемо таке поняття, як p-n перехід та основні напівпровідникові прилади.

Якщо ж здійснити пряме підключення, то зовнішнє поле нейтралізує замикаюче, і струм здійснюватиметься основними носіями заряду (рис. 9).

Рис. 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.

Рис. 10. Атомна структура кремнію зі збільшенням температури

Провідність напівпровідників є електронно-дірковою, і така провідність називається власною провідністю. І на відміну від провідникових металів зі збільшенням 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 питанням у 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).

Рис. 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).

Рис. 12. Схема будови транзистора та його позначення на електричній схемі відповідно ()

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

На наступному уроці ми розглянемо поширення електричного струму у вакуумі.

Список літератури

1. Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика (базовий рівень) – М.: 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 провідність напівпровідника?
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?

До напівпровідників належать багато хімічні елементи (германій, кремній, селен, телур, миш'як та інших.), дуже багато сплавів і хімічних сполук. Майже всі неорганічні речовини навколишнього світу – напівпровідники. Найпоширенішим у природі напівпровідником є ​​кремній, що становить близько 30% земної кори.

Якісна відмінність напівпровідників від металів проявляється в залежності питомого опору від температури(Рис.9.3)

Зонна модель електронно-діркової провідності напівпровідників

При утворенні твердих тіл можлива ситуація, коли енергетична зона, що виникла з енергетичних рівнів валентних електронів вихідних атомів, виявляється повністю заповненою електронами, а найближчі доступні для заповнення електронами енергетичні рівні відокремлені від валентної зони Е V проміжком невирішених енергетичних станів – так званої забороненою зоною Е g.Вище забороненої зони розташована зона дозволених для електронів енергетичних станів – зона провідності Е c.

Зона провідності при 0 К повністю вільна, а валентна зона повністю зайнята. Подібні зонні структури характерні для кремнію, германію, арсеніду галію (GaAs), фосфіду індію (InP) та багатьох інших твердих тіл, які є напівпровідниками.

При підвищенні температури напівпровідників та діелектриків електрони здатні отримувати додаткову енергію, пов'язану з тепловим рухом. kT. У частини електронів енергії теплового руху виявляється достатньо для переходу з валентної зони до зони провідності,де електрони під впливом зовнішнього електричного поля можуть переміщатися практично вільно.

В цьому випадку, у ланцюгу з напівпровідниковим матеріалом у міру підвищення температури напівпровідника наростатиме електричний струм.Цей струм пов'язаний не лише з рухом електронів у зоні провідності, а й з появою вакантних місць від електронів, що пішли в зону провідностіу валентній зоні, так званих дірок . Вакантне місце може бути зайняте валентним електроном із сусідньої пари, тоді дірка переміститься на нове місце у кристалі.

Якщо напівпровідник поміщається в електричне поле, то до впорядкованого руху залучаються не тільки вільні електрони, а й дірки, які поводяться як позитивно заряджені частинки. Тому струм Iу напівпровіднику складається з електронного I nта діркового I pструмів: I= I n+ I p.

Електронно-дірковий механізм провідності проявляється лише у чистих (тобто без домішок) напівпровідників. Він називається власною електричною провідністю напівпровідників. Електрони закидаються в зону провідності з рівня Фермі, який виявляється у власному напівпровіднику розташованим посередині забороненої зони(Рис. 9.4).

Істотно змінити провідність напівпровідників можна, ввівши в них дуже невелику кількість домішок. У металах домішка завжди зменшує провідність. Так, додавання до чистого кремнію 3 % атомів фосфору збільшує електропровідність кристала в 10 5 разів.

Невелике додавання домішки до напівпровідника називається легуванням.

Необхідною умовою різкого зменшення питомого опору напівпровідника під час введення домішок є відмінність валентності атомів домішки від валентності основних атомів кристала. Провідність напівпровідників за наявності домішок називається домішковою провідністю .

Розрізняють два типи домішкової провідності – електронну і дірочну провідності. Електронна провідністьвиникає, коли кристал германію з чотиривалентними атомами введені пятивалентные атоми (наприклад, атоми миш'яку, As) (рис. 9.5).

Чотири валентні електрони атома миш'яку включені в утворення ковалентних зв'язків з чотирма сусідніми атомами германію. П'ятий валентний електрон виявився зайвим. Він легко відривається від атома миш'яку і стає вільним. Атом, що втратив електрон, перетворюється на позитивний іон, розташований у вузлі кристалічних ґрат.

Домішка з атомів з валентністю, що перевищує валентність основних атомів напівпровідникового кристала, називається донорською домішкою . Внаслідок її введення в кристалі з'являється значна кількість вільних електронів. Це призводить до різкого зменшення питомого опору напівпровідника – у тисячі та навіть мільйони разів.

Питомий опір провідника з великим вмістом домішок може наближатися до питомого опору металевого провідника. Така провідність, обумовлена ​​вільними електронами, називається електронною, а напівпровідник, що має електронну провідність, називається напівпровідником n-типу.

Діркова провідність виникає, коли кристал германію введені тривалентні атоми, наприклад, атоми индия (рис. 9.5)

На малюнку 6 показаний атом індію, який створив за допомогою своїх валентних електронів ковалентні зв'язки лише з трьома сусідніми атомами Німеччини. На утворення зв'язку з четвертим атомом германію атом індію не має електрона. Цей недостатній електрон може бути захоплений атомом індію з ковалентного зв'язку сусідніх атомів германію. У цьому випадку атом індія перетворюється на негативний іон, розташований у вузлі кристалічних ґрат, а в ковалентному зв'язку сусідніх атомів утворюється вакансія.

Домішка атомів, здатних захоплювати електрони, називається акцепторною домішкою . В результаті введення акцепторної домішки в кристалі розривається безліч ковалентних зв'язків та утворюються вакантні місця (дірки). На ці місця можуть перескакувати електрони із сусідніх ковалентних зв'язків, що призводить до хаотичного блукання дірок кристалом.

Концентрація дірок у напівпровіднику з акцепторною домішкою значно перевищує концентрацію електронів, що виникли через механізм власної електропровідності напівпровідника: n p>> n n. Провідність такого типу називається дірковою провідністю . Домішний напівпровідник з дірковою провідністю називається напівпровідником p-типу . Основними носіями вільного заряду у напівпровідниках p-типу є дірки.

Електронно-дірковий перехід. Діоди та транзистори

У сучасної електронної техніки напівпровідникові прилади грають виняткову роль. Останні три десятиліття вони майже повністю витіснили електровакуумні прилади.

У будь-якому напівпровідниковому приладі є один або кілька електронно-діркових переходів . Електронно-дірковий перехід (або n–p-перехід) - це область контакту двох напівпровідників із різними типами провідності.

На межі напівпровідників (рис. 9.7) утворюється подвійний електричний шар, електричне поле якого перешкоджає процесу дифузії електронів та дірок назустріч один одному.

Здатність n–p-перехід пропускати струм практично тільки в одному напрямку використовується в приладах, які називаються напівпровідниковими діодами. Напівпровідникові діоди виготовляються із кристалів кремнію або германію. При їх виготовленні кристал з яким-небудь типом провідності вплавляють домішка, що забезпечує інший тип провідності.

На малюнку 9.8 наведено типову вольт - амперну характеристику кремнієвого діода.

Напівпровідникові прилади не з одним, а з двома n-p-переходами називаються транзисторами . Транзистори бувають двох типів: p–n–p-транзистори та n–p–n-транзистори. У транзисторі n–p–n-типу основна германієва пластинка має провідність p-Типу, а створені на ній дві області - провідністю n-Типу (рис.9.9).

У транзисторі p–n–p– типу все навпаки. Платівку транзистора називають базою(Б), одну з областей із протилежним типом провідності – колектором(К), а другу – емітером(Е).