Носії струму у напівпровідниках називаються. Прямий p-n перехід

До напівпровідникам відносяться матеріали провідність, яких більше, ніж у діелектриків, менше, ніж у провідників. До напівпровідників відносять кремній (Si), фосфор (P), германій (Ge), індій (In), миш'як (As).

Напівпровідники мають низку особливостей:

Електричний струм у напівпровідниках обумовлений як рухом вільних електронів, і рухом пов'язаних електронів, про дірок. Тому розрізняють електронну та дірочну провідності. Місце, покинуте електронами умовно позитивно заряджене - дірка. Напівпровідники, що мають переважно електронну провідність, називаються напівпровідниками (-)n-типу. Напівпровідники, що мають переважно діркову провідність, називаються напівпровідниками (+) р-типу.

Провідність напівпровідників дуже залежить від температури, ця залежність у десятки разів більша, ніж у металів. Зі збільшенням температури провідність напівпровідників збільшується, а опір зменшується, т.к. збільшується кількість пар носіїв зарядів ē та дірок.

Провідність напівпровідників залежить від домішок і називається домішковою провідністю. Провідність чистих напівпровідників зовсім невелика, щоб збільшити провідність до чистого напівпровідника додають домішку.

Домішка може збільшити у багато разів чи кількість вільних електронів, чи дірок. У першому випадку (рис.44(а)) домішка виконує роль донора (віддає електрони) – провідність n – типу, тоді як у другому (рис.44(б)) – роль акцептора (відбирає електрони) – провідність р – типу.

Напівпровідниковий діод p-n перехід.

Напівпровідниковий прилад має односторонню провідність, заснований на роботі p-n переходу. Струм через діод може проходити лише в одному напрямку.

На межі розділу двох напівпровідників з різною провідністю, внаслідок різної концентрації електронів і дірок, виникає дифузія, в результаті якої утворюється різниця потенціалів (в області n типу виникає (+) заряд, а в області р типу (-) заряд). Має місце напруженість поля Є вн

Якщо докласти до р – n– переходу зовнішнє поле Е 0 , то залежно від його напрямку буде наступне:

1. Е 0 збігається у напрямку з Є вн; Е = Е 0 + Є ​​вн, розміри ℓ збільшаться і струму не буде

2. Якщо Е 0 протилежно Є вн, то Е = Є вн - Е 0; Е вн = Е 0; Е = 0 через перехід протікатиме електричний струм.

Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода.

Напівпровідниковий тріод

Напівпровідниковий тріод складається з двох напівпровідників одного типу провідності розділених тонким шаром напівпровідника іншого типу провідності (p-n-p) або (n-p-n).

Струм у цій системі регулюється за рахунок напруги між базою та емітером, зміна струму в ланцюгу емітера буде викликати зміну струму в колі колектора, причому зміна напруги буде значною (посилення напруги). П/nтріоди (транзистори) так само як і електронні лампи – тріоди застосовуються для посилення та генерування електричних коливань. Транзистори мають ряд переваг перед електронними лампами - не вимагають живлення для розжарення катода, вібростійкі, малогабаритні та ін, проте їх характеристики залежать від температури.

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, власному напівпровідникуколи температура досягає відбувається 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 не різний хімічний склад зразка, а неординарність температури викликає цю неоднорідність.

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 провідність напівпровідників.

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 електронів на 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. При цьому на 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 провідністюнапівпровідників.

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 та 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 носіями заряду. 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.

Напівпровідники займають проміжне положення електропровідності (або питомого опору) між провідниками і діелектриками. Однак це розподіл всіх речовин за їх властивістю електропровідності є умовним, оскільки під дією низки причин (домішки, опромінення, нагрівання) електропровідність та питомий опір у багатьох речовин дуже змінюються, особливо у напівпровідників.

У зв'язку з цим напівпровідники від металів відрізняють за низкою ознак:

1. питомий опір у напівпровідників при звичайних умовахнабагато більше, ніж у металів;

2. питомий опір чистих напівпровідників зменшується зі зростанням температури (у металів воно зростає);

3. при освітленні напівпровідників їх опір значно зменшується (на опір металів світло майже впливає):

4. мізерна кількість домішок надає сильний впливна опір напівпровідників.

До напівпровідників належать 12 хімічних елементів у середній частині таблиці Менделєєва (рис. 1) - В, С, Si, Ρ, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Ті, I, сполуки елементів третьої групи з елементами групи п'ятої, багато оксидів і сульфідів металів, ряд інших хімічних сполук, деякі органічні речовини. Найбільше застосуваннядля науки та техніки мають германій Ge та кремній Si.

Напівпровідники можуть бути чистими та з домішками. Відповідно розрізняють власну та домішкову провідність напівпровідників. Домішки у свою чергу ділять на донорні та акцепторні.

Власна електрична провідність

Для розуміння механізму електричної провідностіу напівпровідниках розглянемо будову напівпровідникових кристалів та природу зв'язків, що утримують атоми кристала один біля одного. Кристали германію та інших напівпровідників мають атомні кристалічні грати (рис. 2).

Плоска схема структури германію показано малюнку 3.

Німеччина - чотиривалентний елемент, в зовнішньої оболонкиатома є чотири електрони, слабше пов'язані з ядром, ніж інші. Число найближчих сусідів кожного атома германію також дорівнює 4. Чотири валентні електрони кожного атома германію пов'язані з такими ж електронами сусідніх атомів хімічними парноелектронними ( ковалентними) зв'язками. В утворенні цього зв'язку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону, які відщеплюються від атомів (колективізуються кристалом) і при своєму русі більшу частинучасу проводять у просторі між сусідніми атомами. Їх негативний зарядутримує позитивні іони германію один біля одного. Такий зв'язок умовно може бути зображена двома лініями, що з'єднують ядра (див. рис. 3).

Але колективізована пара електронів належить не лише двом атомам. Кожен атом утворює чотири зв'язки із сусідніми, а даний валентний електрон може рухатися будь-якою з них (рис. 4). Дійшовши до сусіднього атома, він може перейти до наступного, а потім далі по всьому кристалу. Колективізовані валентні електрони належать всьому кристалу.

Ковалентні зв'язки германію досить міцні і при низьких температурахне розриваються. Тому германій за низької температури не проводить електричний струм. Валентні електрони, що беруть участь у зв'язку з атомами, міцно прив'язані до кристалічних ґрат, і зовнішнє електричне поле не надає помітного впливу на їх рух. Аналогічна будова має кристал кремнію.

Електропровідність хімічно чистого напівпровідника можлива у тому випадку, коли ковалентні зв'язки в кристалах розриваються та з'являються вільні електрони.

Додаткова енергія, яка має бути витрачена, щоб розірвати ковалентний зв'язок та зробити електрон вільним, називається енергією активації.

Отримати енергію електрони можуть при нагріванні кристала, при опроміненні його високочастотними електромагнітними хвилямиі т.д.

Як тільки електрон, придбавши необхідну енергію, йде з локалізованого зв'язку, утворюється на ній вакансія. Цю вакансію може легко заповнити електрон із сусіднього зв'язку, на якому, таким чином, також утворюється вакансія. Таким чином, завдяки переміщенню електронів зв'язку відбувається переміщення вакансій по всьому кристалу. Ця вакансія поводиться так само, як і вільний електрон - вона вільно переміщається за обсягом напівпровідника. Більш того, враховуючи, що і напівпровідник в цілому, і кожен його атом при не порушених ковалентних зв'язках електрично нейтральні, можна сказати, що догляд електрона з зв'язку та утворення вакансії фактично еквівалентно появі на цьому зв'язку надлишкового позитивного заряду. Тому вакансію, що утворилася, можна формально розглядати як носій позитивного заряду, який називають діркою(Рис. 5).

Таким чином, відхід електрона з локалізованого зв'язку породжує пару вільних носіїв заряду - електрон та дірку. Їхня концентрація в чистому напівпровіднику однакова. При кімнатній температуріконцентрація вільних носіїв у чистих напівпровідниках невелика, приблизно в 10 9 ÷ 10 10 разів менше концентрації атомів, але при цьому вона швидко зростає зі збільшенням температури.

• Порівняйте з металами: там концентрація вільних електронів приблизно дорівнює концентрації атомів.

Без зовнішнього електричного поля ці вільні електрони і дірки рухаються в кристалі напівпровідника хаотично.

У зовнішньому електричному полі електрони переміщаються убік, протилежний напрямнапруги електричного поля. Позитивні дірки переміщуються у бік напруженості електричного поля (рис. 6). Процес переміщення електронів та дірок у зовнішньому полі відбувається по всьому об'єму напівпровідника.

Загальна питома електропровідність напівпровідника складається з діркової та електронної провідностей. При цьому у чистих напівпровідників число електронів провідності завжди дорівнює числу дірок. Тому кажуть, що чисті напівпровідники мають електронно-дірковою провідністю, або власною провідністю.

З підвищенням температури зростає кількість розривів ковалентних зв'язківі збільшується кількість вільних електронів та дірок у кристалах чистих напівпровідників, а, отже, зростає питома електропровідність та зменшується питомий опір чистих напівпровідників. Графік залежності питомого опоручистого напівпровідника від температури наведено на рис. 7.

Крім нагрівання, розрив ковалентних зв'язків і, як наслідок, виникнення власної провідності напівпровідників та зменшення питомого опору можуть бути спричинені освітленням (фотопровідність напівпровідника), а також дією сильних електричних полів.

Домішна провідність напівпровідників

Провідність напівпровідників збільшується із введенням домішок, коли поряд із власною провідністю виникає додаткова домішкова провідність.

Домішною провідністюнапівпровідників називається провідність, обумовлена ​​наявністю домішок у напівпровіднику.

Домішними центрами можуть бути:

1. атоми або іони хімічних елементів, впроваджені у ґрати напівпровідника;

2. надлишкові атоми або іони, впроваджені в міжвузля решітки;

3. різного родуінші дефекти та спотворення в кристалічних ґратах: порожні вузли, тріщини, зрушення, що виникають при деформаціях кристалів, та ін.

Змінюючи концентрацію домішок, можна значно збільшувати кількість носіїв зарядів того чи іншого знака та створювати напівпровідники з переважною концентрацією або негативно або позитивно заряджених носіїв.

Домішки можна розділити на донорні (що віддають) та акцепторні (що приймають).

Донорна домішка

• Від латинського «donare» – давати, жертвувати.

Розглянемо механізм електропровідності напівпровідника з донорною пятивалентной домішкою миш'яку As, яку вводять у кристал, наприклад, кремнію. П'ятивалентний атом миш'яку віддає чотири валентні електрони на утворення ковалентних зв'язків, а п'ятий електрон виявляється незайнятим у цих зв'язках (рис. 8).

Енергія відриву (енергія іонізації) п'ятого валентного електронамиш'яку в кремнії дорівнює 0,05 еВ = 0,08⋅10 -19 Дж, що у 20 разів менше енергії відриву електрона від атома кремнію. Тому вже за кімнатної температури майже всі атоми миш'яку втрачають один із своїх електронів і стають позитивними іонами. Позитивні іони миш'яку що неспроможні захопити електрони сусідніх атомів, оскільки всі чотири зв'язку вони вже укомплектовані електронами. І тут переміщення електронної вакансії - «дірки» немає і дірочна провідність дуже мала, тобто. практично відсутня.

Донорні домішки- це домішки легко віддають електрони і, отже, збільшують кількість вільних електронів. За наявності електричного поля вільні електрони приходять у впорядкований рух кристалі напівпровідника, і в ньому виникає електронна домішкова провідність. У результаті ми отримуємо напівпровідник з переважно електронною провідністю, званий напівпровідником n-типу. (Від латів. negativus - негативний).

Оскільки у напівпровіднику n-типу число електронів значно більше числадірок, то електрони є основними носіями заряду, а дірки – неосновними.

Акцепторна домішка

• Від латинського «acceptor» – приймальник.

У разі акцепторної домішки, наприклад, тривалентного індія In атом домішки може дати свої три електрони для здійснення ковалентного зв'язку тільки з трьома сусідніми атомами кремнію, а одного електрона «бракує» (рис. 9). Один із електронів сусідніх атомів кремнію може заповнити цей зв'язок, тоді атом In стане нерухомим. негативним іоном, а на місці пішов від одного з атомів кремнію електрона утворюється дірка. Акцепторні домішки, захоплюючи електрони і створюючи цим рухливі дірки, не збільшують у своїй кількості електронів провідності. Основні носії заряду у напівпровіднику з акцепторною домішкою – дірки, а неосновні – електрони.

Акцепторні домішки- Це домішки, що забезпечують діркову провідність.

Напівпровідники, у яких концентрація дірок перевищує концентрацію електронів провідності, називаються напівпровідниками р-типу (від лат. Positivus - позитивний.).

Необхідно відзначити, що введення домішок у напівпровідники, як і в будь-яких металах, порушує будову кристалічних ґратта ускладнює рух електронів. Однак опір не збільшується через те, що збільшення концентрації носіїв зарядів значно зменшує опір. Так, введення домішки бору в кількості 1 атом на сто тисяч атомів кремнію зменшує питому електричний опіркремнію приблизно в тисячу разів, а домішка одного атома індію на 10 8 - 10 9 атомів германію зменшує питомий електричний опір германію в мільйони разів.

Якщо напівпровідник одночасно вводяться і донорні, і акцепторні домішки, то характер провідності напівпровідника (n- або p-тип) визначається домішкою з більш високою концентрацією носіїв заряду.

Електронно-дірковий перехід

Електронно-дірковий перехід (скорочено р-n-перехід) виникає в напівпровідниковому кристалі, що має одночасно області з n-типу (містить донорні домішки) і р-типу (з акцепторними домішками) проводами на кордоні між цими областями.

Припустимо, у нас є кристал, у якому зліва знаходиться область напівпровідника з дірковою (p-типу), а праворуч – з електронною (n-типу) провідністю (рис. 10). Завдяки теплового рухупри утворенні контакту електрони з напівпровідника n-типу дифундувати в область р-типу. При цьому в області n-типу залишиться некомпенсований іон позитивний донора. Перейшовши в ділянку дірочної провідністю, електрон дуже швидко рекомбінує з діркою, при цьому в ділянці р-типу утворюється нескомпенсований іон акцептора.

Аналогічно електронам дірки з області р-типу дифундують в електронну область, залишаючи в дірочній ділянці некомпенсований негативно заряджений іон акцептора. Перейшовши до електронної області, дірка рекомбінує з електроном. В результаті цього в електронної областіутворюється некомпенсований позитивний іон донора.

В результаті дифузії на кордоні між цими областями утворюється подвійний електричний шар різноіменно заряджених іонів, товщина lякого не перевищує часток мікрометра.

Між шарами іонів виникає електричне поле з напруженістю. E i. Електричне поле електронно-діркового переходу (р-n-перехід) перешкоджає подальшому переходу електронів і дірок через межу поділу двох напівпровідників. Замикаючий шар має підвищений опір у порівнянні з іншими обсягами напівпровідників.

Зовнішнє електричне поле із напруженістю Eвпливає на опір замикаючого електричного поля. Якщо n-напівпровідник підключений до негативного полюса джерела, а плюс джерела з'єднаний з p-напівпровідником, то під дією електричного поля електрони в n-напівпровіднику та дірки в p-напівпровіднику рухатимуться назустріч один одному до межі розділу напівпровідників (рис. 11). Електрони, переходячи кордон, «заповнюють» дірки. При такому прямому напрямку зовнішнього електричного поля товщина замикаючого шару та його опір безперервно зменшуються. У цьому напрямі електричний струм проходить через р-n-перехід.

Розглянутий напрямок p-n-переходу називають прямим. Залежність сили струму від напруги, тобто. вольт-амперна характеристика прямого переходу, зображена на рис. 12 суцільною лінією.

Якщо n-напівпровідник з'єднаний з позитивним полюсом джерела, а p-напівпровідник - з негативним, то електрони в n-напівпровіднику та дірки в p-напівпровіднику під дією електричного поля переміщатимуться від межі розділу в протилежні сторони (рис. 13). Це призводить до потовщення замикаючого шару і збільшення його опору. Напрямок зовнішнього електричного поля, що розширює замикаючий шар, називається замикаючим (зворотним). При такому напрямку зовнішнього поля електричний струм основних носіїв заряду через контакт двох п- та p-напівпровідників не проходить.

Струм через p-n-перехід тепер обумовлений електронами, які є в напівпровіднику p-типу, та дірками з напівпровідника n-типу. Але неосновними носіямизаряду дуже мало, тому провідність переходу виявляється незначною, яке опір - великим. Розглянутий напрямок p-n-переходу називають зворотним, Його вольт-амперна характеристика зображена на рис. 12 штриховою лінією.

Зверніть увагу, що масштаб вимірювання сили струму при прямому та зворотному переходах відрізняються у тисячу разів.

Зауважимо, що при певній напрузі, прикладеній у зворотному напрямку, відбувається пробій(Тобто руйнування) p-n-переходу.

Напівпровідникові прилади

Термістори

Електричний опір напівпровідників значною мірою залежить від температури. Цю властивість використовують для вимірювання температури за силою струму в ланцюзі з напівпровідником. Такі прилади називають терморезисторамиабо термісторами. Напівпровідникова речовинаміститься в металевий захисний чохол, в якому є ізольовані висновки для включення терморезистора в електричний ланцюг.

Зміна опору терморезисторів при нагріванні або охолодженні дозволяє використовувати їх у приладах для вимірювання температури, підтримки постійної температурив автоматичних пристроях - у закритих камерах-термостатах, забезпечення протипожежної сигналізації тощо. Існують термістори для вимірювання як дуже високих ( Т≈ 1300 К), так і дуже низьких ( Т≈ 4 - 80 К) температур.

Схематичне зображення (рис. а) та фотографія (рис. б) термістора наведено на малюнку 14.

Фоторезистори

Електрична провідність напівпровідників підвищується при нагріванні, а й при освітленні. Електрична провідність зростає внаслідок розриву зв'язків та утворення вільних електронів та дірок за рахунок енергії світла, що падає на напівпровідник.

Прилади, в яких враховується залежність електричної провідності напівпровідників від освітлення, називають фоторезисторами.

Матеріалами виготовлення фоторезисторів служать з'єднання типу CdS, CdSe, PbS та інших.

Мініатюрність та висока чутливістьфоторезисторів дозволяють використовувати їх для реєстрації та вимірювання слабких світлових потоків. За допомогою фоторезисторів визначають якість поверхонь, контролюють розміри виробів тощо.

Схематичне зображення (рис. а) та фотографія (рис. б) фоторезистора наведено на малюнку 15.

Напівпровідниковий діод

Здатність p-n-переходу пропускати струм в одному напрямку використовується в напівпровідникових приладах, які називаються діодами.

Напівпровідникові діоди виготовляють із германію, кремнію, селену та інших речовин.

Для запобігання шкідливих впливівповітря та світла кристал германію поміщають у герметичний металевий корпус. Напівпровідникові діоди є основними елементами випрямлячів змінного струму (якщо точніше, служать для перетворення змінного струму на пульсуючий струм постійного напрямку.)

Схематичне зображення (рис. а) та фотографія (рис. б) напівпровідникового діода наведено на малюнку 16.

Світлодіоди

Світлодіодабо світловипромінюючий діод- Напівпровідниковий прилад з p-n-переходом, що створює оптичне випромінюванняпри пропущенні крізь нього електричного струму.

Випромінене світло лежить у вузькому діапазоні спектру, його спектральні характеристикизалежать у тому числі від хімічного складувикористаних у ньому напівпровідників.

Література

1. Аксенович Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракіна, К. С. Фаріно; За ред. К. С. Фаріно. – Мн.: Адукація i виховання, 2004. – C. 300-308.
2. Буров Л.І., Стрєльченя В.Μ. Фізика від А до Я: учням, абітурієнтам, репетиторам. – Мн.: Парадокс, 2000. – С. 219-228.
3. Мякішев Г. Я. Фізика: Електродинаміка. 10 – 11 кл.: підручник для поглибленого вивченняфізики/Г.Я. Мякішев, А.З. Синяков, Б.А. Слобідськ. – М.: Дрофа, 2005. – С. 309-320.
4. Яворський Б. М., Селезньов Ю. А. Довідкове керівництво з фізики для вступників до вузів та самоосвіти. - М: Наука, 1984. - С. 165-169.

СТРУМИ У НАПІВПРОВІДНИКАХ

Дрейфовий струм

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 обумовлює появу струму, званого дрейфовим (Рисунок 1.6, а) Через зіткнення носіїв зарядів з атомами кристалічних грат їх рух у напрямку дії електричного поля

уривчасто і характеризується рухливістю m. Рухливість дорівнює середній швидкості , що набуває носіїв заряду в напрямку дії електричного поля напруженістю Е = 1 В / м, тобто.

Рухливість носіїв зарядів залежить від механізму їхнього розсіювання в кристалічній решітці. Дослідження показують, що рухливості електронів m n та дірок m p мають різне значення(m n > m p) і визначаються температурою та концентрацією домішок. Підвищення температури призводить до зменшення рухливості, що залежить від кількості зіткнень носіїв зарядів в одиницю часу.

Щільність струму в напівпровіднику, обумовленого дрейфом вільних електронів під дією зовнішнього електричного поля із середньою швидкістю, визначається виразом.

Переміщення (дрейф) дірок у валентній зоні із середньою швидкістю створює у напівпровіднику дірковий струм, Щільність якого . Отже, повна щільність струму в напівпровіднику містить електронну j n і дірочну j р складові та дорівнює їх сумі (n і p - концентрації відповідно електронів та дірок).

Підставляючи вираз для щільності струму співвідношення для середньої швидкостіелектронів та дірок (1.11), отримуємо

(1.12)

Якщо порівняти вираз (1.12) із законом Ома j =sЕ, то питома електропровідність напівпровідника визначається співвідношенням

У напівпровідника з власною електропровідністю концентрація електронів дорівнює концентрації дірок (n i = pi), та її питома електропровідність визначається виразом

У напівпровіднику n-типу > , та його питома електропровідність з достатнім ступенем точності може бути визначена виразом

.

У напівпровіднику р-типу > , та питома електропровідність такого напівпровідника

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

Дифузійний струм

Крім теплового збудження, що призводить до виникнення рівноважної концентраціїзарядів, 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 і теплова енергіякристалічних 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, б).

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

Швидкість рекомбінації нерівноважних носіїв пропорційна надмірній концентрації дірок (p n - ) або електронів (n p - ):

де t p – час життя дірок; t n – час життя електронів. За час життя концентрація нерівноважних носіїв зменшується у 2,7 раза. Час життя надлишкових носіїв становить 0,01...0,001 с.

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 (рисунок 1.6 б).

Розглянемо одновимірний випадок. Нехай у напівпровіднику концентрації електронів n(x) та дірок p(x) є функціями координати. Це призведе до дифузного руху дірок і електронів з області з більшою їх концентрацією в область з меншою концентрацією.

Дифузійний рух носіїв зарядів обумовлює проходження дифузійного струму електронів та дірок, щільності яких визначаються із співвідношень:

; (1.13) ; (1.14)

де dn(x)/dx, dp(x)/dx - градієнти концентрацій електронів та дірок; D n , D p - Коефіцієнти дифузії електронів і дірок.

Градієнт концентрації характеризує ступінь нерівномірності розподілу зарядів (електронів та дірок) у напівпровіднику вздовж якогось обраного напрямку (у даному випадкувздовж осі x). Коефіцієнти дифузії показують кількість носіїв заряду, що перетинають в одиницю часу одиничний майданчик, перпендикулярний до обраного напрямку, при градієнті концентрації в цьому напрямку, що дорівнює одиниці. Коефіцієнти

дифузії пов'язані з рухливістю носіїв зарядів співвідношенням Ейнштейна:

; .

Знак "мінус" у виразі (1.14) означає протилежну спрямованість електричних струміву напівпровіднику при дифузійному русі електронів та дірок у бік зменшення їх концентрацій.

Якщо в напівпровіднику існує і електричне поле, і градієнт концентрації носіїв, струм, що проходить, матиме дрейфову і дифузійну складові. У такому разі щільності струмів розраховуються за такими рівняннями:

; .

КОНТАКТНІ ЯВИЩА