41 Полупроводники занимают по своим электрическим свойствам промежуточное положение между п
Работа добавлена на сайт samzan.net: 2015-07-10
Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
PAGE 2
Электрический ток в полупроводниках. ОК-41
- Полупроводники занимают по своим электрическим свойствам промежуточное положение между проводниками и изоляторами.
- Удельное сопротивление при комнатных температурах: металлы - 10-6- 10-8 Омм, диэлектрики(изоляторы) - 1010 Омм, полупроводники - 10-5-104 Омм.
- Наибольшее распространение получили германий(Ge) и кремний(Si).
- Сравнение электрических свойств металлов и полупроводников.
|
Металлы
|
Полупроводники
|
- Зависимость сопротивления от температуры
R
Rt
R0
0 t t0C
- температурный коэффициент сопротивления.
R0- сопротивление при 00С.
- При температурах близких к абсолютному нулю сопротивление исчезает. Это явление называется сверхпроводимостью. Открыто
в 1911 г гол. уч. Камерлинг – Оннес. Ртуть переходит в сверхпроводящее состояние при Т=4,12 оК.
- 1987 г открыта высокотемпературная сверхпроводимость(при температурах вблизи 100 оК – жидкий азот).
- Концентрация электронов постоянна, практически не зависит от температуры и освещенности: n1028 м-3
|
- Зависимость сопротивления от температуры
R
- Т0К
- При Т00К , R. Полупроводники – изоляторы.
- Зависимость сопротивления от освещенности
При увеличении освещенности сопротивление полупроводников уменьшается.
- Концентрация свободных электронов зависит от температуры и освещенности.
1. При температуре жидкого азота Т=77оК
Германий (Ge) ne= 1,2108 м-3
Кремний (Si) ne= 1,71011 м-3
2. При комнатных температурах Т=300оК
Германий (Ge) ne= 2,41019 м-3, =0,47 Омм
Кремний (Si) ne= 1,11016 м-3, =2,3103 Омм
|
2. Собственная проводимость полупроводников – проводимость чистых полупроводников( менее одного атома примеси на 109 атомов полупроводника).
Рассмотрим механизм проводимости полупроводников на примере кремния - элемента IV группы.
|
дырка свободный электрон
Ковалентная или парноэлектронная связь:
или
|
- Кристаллы кремния и других полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку. Четыре валентных электрона каждого атома образуют четыре ковалентные связи с такими же электронами соседних атомов. Электроны, участвующие в образовании ковалентных связей являются общими для всего кристалла! Ковалентные(парноэлектронные связи) достаточно прочны. Поэтому при низких температурах все ковалентные связи заполнены. Нет свободных электронов. Полупроводник не проводит электрический ток.
|
- При нагревании или увеличении освещенности энергия валентных электронов возрастает настолько, что связи не выдерживают и рвутся. Концентрация свободных электронов увеличивается, сопротивление уменьшается. Энергия необходимая для разрыва ковалентной связи называется энергией активации: для кремния – 1,1 эВ, для германия – 0,72 эВ.
- Проводимость полупроводников, обусловленная наличием свободных электронов называется электронной проводимостью или проводимостью n - типа.
- Вакантное место, образовавшееся при разрыве ковалентной связи, называется электронной дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд. Дырка может перемещаться по кристаллу и участвовать в образовании электрического тока.
- Внимание! Движение дырок кажущееся. На самом деле движутся связанные электроны.
- Проводимость полупроводников, обусловленная наличием дырок , называется дырочной проводимостью или проводимостью р – типа.
- Концентрация свободных электронов и дырок одинакова т.к. при разрыве ковалентных связей образуется одинаковое количество дырок и электронов.
- Полный ток в полупроводнике равен сумме токов дырок и электронов.
3. Примесная проводимость – проводимость обусловленная наличием примесей.
3.1 Полупроводники n-типа.
- При выращивании кристалла кремния или германия в расплав вводят примесь с валентность на единицу больше( мышьяк - As, сурьма- Sb).
- Введение примесей называется легированием.
|
Аs 5е
Свободный
электрон
|
При кристаллизации атомы примеси вытесняют отдельные атомы кремния из узлов кристаллической решетки, образуют четыре ковалентные связи. Пятый валентный электрон не участвует в образовании ковалентной связи и слабо удерживается атомным ядром. Вследствие теплового движения все лишние валентные электроны атомов примеси становятся свободными. Атом мышьяка превращается в положительный ион.
|
- При добавлении одного атома мышьяка на 106 атомов кремния концентрация свободных электронов возрастает в 5000 раз( в германии в 2000 раз).
- Примеси отдающие электроны называются донорными.
- Полупроводники с преобладанием электронной проводимости называются полупроводниками n – типа.
- При разрыве ковалентных связей образуются дырки, но концентрация дырок в тысячи раз меньше концентрации электронов. Электроны основные носители зарядов, дырки – неосновные носители зарядов.
3.2 Полупроводники р- типа.
- При выращивании кристалла кремния или германия в расплав вводят примесь с валентность на единицу меньше( индий -In, галлий - Ga).
|
In
дырка
|
Атом индия образует три ковалентные связи. Для образования четвертой ковалентной связи атом индия захватывает электрон у соседнего атома. При этом в кристаллической решетке образуется дырка, а атом индия превращается в отрицательный ион.
|
- Примеси, захватывающие электроны называются акцепторными( принимающими)
- Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости называются полупроводниками р- типа.
- При разрыве ковалентных связей образуются свободные электроны, но концентрация электронов в тысячи раз меньше концентрации дырок. Электроны неосновные носители зарядов, дырки – основные носители зарядов.
Выводы.
- Изменяя концентрацию примесей, можно значительно изменять число носителей зарядов. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей. Эта способность полупроводников открывает широкие возможности для их практического применения.
4. Фоторезисторы и терморезисторы.
- Фоторезисторы - полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется под действием света.
- Электрическая проводимость полупроводников возрастает под действием излучений: видимого света, инфракрасного излучения и т.д. За счет энергии излучений происходит разрыв ковалентных связей и образование свободных электронов и дырок. Это явление называется внутренним фотоэффектом.
- Миниатюрность и высокая чувствительность позволяет использовать их для регистрации слабых световых и инфракрасных излучений.
- Пирометры – приборы, в которых используются фоторезисторы, для измерения температуры тел по интенсивности их теплового излучения.
- Фоторезисторы нашли широкое применение в автоматике.
- Терморезисторы – полупроводниковые приборы, сопротивление которых зависит от температуры.
- Терморезисторы применяются для измерения температуры тел, пожарная сигнализация, в автоматике.
- Болометры – терморезисторы большой чувствительности. Позволяют обнаружить тепловое излучение мощностью до 10-7 Вт. Способны зафиксировать изменение температуры на десятимиллионные доли градуса.