Меню

Электрический ток в полупроводниках экспериментальное доказательство

ИНФОФИЗ — мой мир.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

  • Главная
  • Мир физики
    • Физика в формулах
    • Теоретические сведения
    • Физический юмор
    • Физика вокруг нас
    • Физика студентам
      • Для рефератов
      • Экзамены
      • Лекции по физике
      • Естествознание
  • Мир астрономии
    • Солнечная система
    • Космонавтика
    • Новости астрономии
    • Лекции по астрономии
    • Законы и формулы — кратко
  • Мир психологии
    • Физика и психология
    • Психологическая разгрузка
    • Воспитание и педагогика
    • Новости психологии и педагогики
    • Есть что почитать
  • Мир технологий
    • World Wide Web
    • Информатика для студентов
      • 1 курс
      • 2 курс
    • Программное обеспечение компьютерных сетей
      • Мои лекции
      • Для студентов ДО
      • Методические материалы
  • Физика школьникам
  • Физика студентам
  • Астрономия
  • Информатика
  • ПОКС
  • Арх ЭВМ и ВС
  • Методические материалы
  • Медиа-файлы
  • Тестирование

Как сказал.

Стремись не к тому, чтобы добиться успеха, а к тому, чтобы твоя жизнь имела смысл.

Альберт Эйнштейн

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

Урок 32. Лекция 32-1. Электрический ток в полупроводниках.

По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.


Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T.

Полупроводниками называются вещевтва, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры.

Такой ход зависимости ρ( T ) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Объяснение явлений, наблюдаемых в проводниках, возможно на основе законов квантовой механики. Рассмотрим качественно механизм электрического тока в полупроводниках на примере германия (Ge).

Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, то есть осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам.

Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит. При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами.

Вакансии, которые не заняты электронами получили название дырок.

Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар.

В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией.

Рекомбинация – восстановление электронной связи между атомами.

Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.

В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов: I = In + Ip

Электрическим током в полупроводниках называется направленное движение электронов к положительному полюсу, а дырок к отрицательному .

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Собственной электрической проводимостью полупроводников называется электронно-дырочный механизм проводимости, который проявляется только у чистых (то есть без примесей) полупроводников.

При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется.

Примесной проводимостью называется проводимость полупроводников при наличии примесей.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.

  1. Электронная проводимость возникает, когда в кристалл полупроводника вводится примесь с большей валентностью.

Например, вкристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы мышьяка, As.

На рисунке показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался лишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки.

Донорской примесью – называется примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла.

В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле nn >> np.

Проводимость, при которой основными носителями свободного заряда являются электроны называется электронной.

Полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.

  1. Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл полупроводника введена примесь с меньшей валентностью.

Например, в кристалл германия введены трехвалентные атомы In.

На рисунке показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия.

Акцепторной примесью – называется примесь из атомов с валентностью меньшей, чем валентность основных атомов полупроводникового кристалла , способных захватывать электроны.

В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np >> nn.

Проводимость, при которой основными носителями свободного заряда являются дырки, называется дырочной проводимостью.

Полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа.

Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.

Зависимость электропроводимости полупроводников от температуры и освещенности

  1. У полупроводников с ростом температуры подвижность электронов и дырок падает, но это не играет заметной роли, так как при нагревании полупроводника кинетическая энергия валентных электронов возрастает и наступает разрыв отдельных связей, что приводит к увеличению числа свободных электронов, т. е. росту электропроводимости .
  1. При освещенииполупроводника в нем появляются дополнительные носите­ли, что приводит к повышению его электропроводности. Это возникает в резуль­тате того, что свет вырывает электроны из атома и при этом одновременно возрастает число электронов и дырок.

О том, какие процессы происходят при соприкосновении полупроводников p- n-типов и где используются полупроводники читайте в продолжении лекции 32 » Полупроводниковый диод. Полупроводниковые приборы»

Источник

Электродинамика

Радиоэлектронные аппараты Электродинамика

Электродинамика

Глава 4. Ток в различных средах

Электрический ток в металлах.

Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны, концентрация которых велика — порядка . Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упоря­доченно.

Ø Экспериментальное доказательст­во существования свободных элект­ронов в металлах.

Эксперименталь­ное доказательство было дано в опытах ­штама и (1913 г.), Б. Стюартом и Р. Толменом (1916 г.). Схема этих опы­тов такова.

На катушку наматывают прово­локу, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изоли­рованным друг от друга (рис. 152). К концам дисков при помощи сколь­зящих контактов присоединяют галь­ванометр.

Направление тока говорит о том, что он создается движением отрица­тельно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорциона­лен отношению заряда частиц, со­здающих ток, к их массе, т. е. . Эта величина совпадает с отноше­нием заряда электрона к его массе , найденным ранее из других опы­тов.

Ø Зависимость сопротивления от температуры

С увеличением температуры сопротивление проводника может или увеличиваться (металлы), или уменьшаться (растворы электролитов, уголь), или оставаться практически неизмен­ным (специальные сплавы).

Ток в полупроводниках.

Ø Полупроводники: свойства, применение

Полупроводниками являются 12 химических элемен­тов, образующих в середине таблицы компактную группу (B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I), а также многие химичес­кие соединения.

К полупроводникам относят вещества, у которых удель­ное сопротивление с увеличением температуры резко уменьшается (рис. 155).

Читайте также:  Назовите правила включения в цепь прибора для измерения силы тока 3 правила

Ø Структура полупроводников

Для примера рассмотрим кристалл германия. Внешняя электронная оболочка атомов Германия состоит из четырех электронов, обращающихся вокруг ядра. При образо­вании кристалла атомы настолько сближаются, что их внешние электронные оболочки взаимно перекрывают друг друга.

Эти общие электроны и связывают между собой атомы Германия или кремния, образуя так называемые ковалентные или парноэлектронные связи. При абсолютном нуле температуры все валентные электроны в полупроводнике будут связаны и свобод­ных электронов не будет. Если поместить такой кристалл в электрическое поле, то электрический ток в нем не воз­никнет. При абсолютном нуле чистый полупроводник обладал бы свойствами идеального изолятора.

При нагревании атомы крис­таллической решетки приходят в колебательное движе­ние. При этом часть электронов за счет тепловых колебаний атомов может получить энер­гию, достаточную для того, чтобы покинуть атомы. Когда электрон покидает атом, происходит разрыв элек­тронной связи (рис. 196). Электроны, покинувшие атомы, называют свободными электронами или электронами проводимости.

Проводимость полупроводников, обусловленная наличием у них свободных электронов, называется электронной проводимостью. Образование свободного электрона влечет за собой появле­ние свободного (вакантного) места — электронной дырки — и нарушенной ковалентной связи. В дырке имеется избыточ­ный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями (см. рис. 157).

Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из элект­ронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на мес­то образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил электрон, обра­зуется новая дырка. Эту дырку может занять какой-либо другой электрон. Таким образом, благодаря перемещению электронов связи происходит перемещение дырок по всему кристаллу. Под действием внешнего электрического поля происходит упорядоченное перемещение дырок в направлении линий напряженности поля, т. е. в направлении, противоположном перемещению электронов связи. Рассмотренный процесс называется дырочной проводимостью.

Таким образом, общий ток в полупроводнике равен сумме дырочного и электронного токов:

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

Рассмотренную электропроводимость чистых полупроводников называют собственной проводимостью, так как она определяется свойствами самого кристалла.

Ø Примесная проводимость полупроводников

Существенная особенность полу­проводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с соб­ственной проводимостью возникает дополнительная — примесная прово­димость.

Донорные примеси. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов. Четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими, например с атома­ми германия. Пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным (рис. 158).

Примеси, легко отдающие элект­роны и, следовательно, увеличиваю­щие число свободных электронов, называют донорными (отдающими) примесями.

Поскольку полупроводники, име­ющие донорные примеси, обладают большим числом электронов (по сра­внению с числом дырок), их назы­вают полупроводниками n-типа (от слова negative отрицательный). В полупроводнике n — типа элект­роны являются основными носите­лями заряда, а дырки неоснов­ными.

Акцепторные примеси. Если в ка­честве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то ха­рактер проводимости полупроводни­ка меняется. Теперь для образова­ния нормальных парноэлектронные связей с соседями атому индия не­достает электрона. В результате об­разуется дырка. Число дырок в крис­талле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси на­зывают акцепторными (принимаю­щими).

Под вакуумом будем понимать пространство, не содержащее частиц.

Ø Термоэлектронная эмиссия.

Явление, основанное на свойстве тел, нагретых до высокой темпе­ратуры, испускать электроны называется термоэлектрон­ной эмиссией.

Ø Односторонняя проводимость.

Яв­ление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый метал­лический электрод в отличие от хо­лодного непрерывно испускает элект­роны.

Различие между горячим и холод­ным электродами, впаянными в сосуд, из которого откачан воздух, приводит к односторонней прово­димости электрического тока между ними.

При подключении электродов к ис­точнику тока между ними возникает электрическое поле. Если положи­тельный полюс источника тока сое­динен с холодным электродом (ано­дом), а отрицательный — с нагретым (катодом), то напряженность элект­рического поля направлена к нагре­тому электроду. Под действием этого поля электроны частично покидают электронное облако и движутся к холодному электроду. Электрическая цепь замыкается, и в ней устанавли­вается электрический ток. При про­тивоположном включении источника напряженность поля направлена от нагретого электрода к холодному. Электрическое поле отталкивает элект­роны облака назад к холодному электроду. Цепь оказывается ра­зомкнутой. Разноименные заряды притягиваются.

Односторонняя проводи­мость используется в электронных приборах с двумя электродами — вакуумных диодах.

Устройство современного вакуум­ного диода (электронной лампы) таково. Внутри баллона из стекла или металлокерамики, из которого откачан воздух, до давления мм рт. cт. размещены два элект­рода (рис. 173, а). Один из них — катод — имеет вид вертикального ме­таллического цилиндра.

Анод лампы представляет собой круглый или овальный цилиндр, имеющий общую ось с катодом. Схе­матическое изображение диода по­казано на рисунке 173, б.

Вакуумные диоды применяются для выпрямления переменного элект­рического тока наряду с полупровод­никовыми диодами.

Ø Свойства электронных пучков и их применение.

1) Электронный пучок, попадая на тела, вызывает их нагре­вание. В современной технике это свойство используют для электрон­ной плавки в вакууме сверхчистых металлов.

2) При торможении быстрых элект­ронов, попадающих на вещество, во­зникает рентгеновское излучение. Это свойство используют в рентге­новских трубках.

3) Некоторые вещества (стекло, сульфиды цинка и кадмия), бомбарди­руемые электронами, светятся.

5) Электронный пучок отклоняется также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, элект­роны отклоняются влево, а проле­тая над южным, отклоняются впра­во (рис. 178).

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

Возможность управления элект­ронным пучком с помощью электрического или магнитного полей и свечение покрытого люминофором экрана под действием пучка применя­ют в электронно-лучевой трубке.

Ø Электронно-лучевая трубка.

Трубка представляет собой вакуум­ный баллон, одна из стенок которого служит экраном. В узком конце труб­ки помещен источник быстрых элект­ронов — электронная пушка (рис. 181).

Она состоит из катода, управ­ляющего электрода и анода (чаще несколько анодов располагаются друг за другом). Электроны испус­каются нагретым оксидным слоем с торца цилиндрического катода С, окруженного теплозащитным экра­ном Н. Далее они проходят через отверстие в цилиндрическом управ­ляющем электроде B (он регулирует число электронов в пучке). Каждый анод , состоит из дисков с не­большими отверстиями. Эти диски вставлены в металлические цилинд­ры. Между первым анодом и катодом создается разность потенциалов в сотни и даже тысячи вольт. Сильное электрическое поле ускоряет элект­роны, и они приобретают большую скорость. Форма, расположение и по­тенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорением электронов осу­ществлялась и фокусировка элект­ронного пучка, т. е. уменьшение пло­щади поперечного сечения пучка на экране почти до точки.

На пути к экрану пучок поcледовательно проходит между двумя парами управляющих пластин, по­добных пластинам плоского конденсатора (см. рис. 180) . При сообщении разности по­тенциалов вертикально расположенным пластинам пучок смещается в горизонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов го­ризонтальным пластинам он смеща­ется в вертикальном направлении.

Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении. Так как масса элект­ронов очень мала, то они почти мгно­венно реагируют на изменение раз­ности потенциалов управляющих пластин.

Электрический ток в жидкостях. Закон Фарадея.

Ø Электролитическая диссоциация.

Процесс распада электролита на отдельные ионы при растворении его в воде или расплавлении называется электролитической диссоциацией.

Ионы разных знаков при встрече могут снова объединиться в ней­тральные молекулы — рекомбинировать.

Ø Ионная проводимость.

Носителя­ми заряда в водных растворах или расплавах электролитов являются положительно и отрицательно заря­женные ионы. Если сосуд с раствором электро­лита включить в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут дви­гаться к положительному электро­ду — аноду, а положительные — к отрицательному — катоду. В резуль­тате установится электрический ток. Поскольку перенос заряда в водных растворах или расплавах электроли­тов осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной.

Ø Электролиз.

При ионной проводи­мости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, вхо­дящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (окислительной реакцией), а на катоде положитель­ные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реак­ция)

Процесс выделения на элект­роде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакци­ями, называют электролизом.

Ø Применения электролиза.

1) Электролити­ческим путем покрывают поверх­ность одного металла тонким слоем другого

2) Копию с рельеф­ной поверхности. Процесс получения отслаиваемых покрытий — гальванопластика был разработан русским ученым

3) При помощи электролиза осуще­ствляют очистку металлов от приме­сей.

Ø Закон электролиза.

Очевидно, что масса выделивше­гося вещества равна произведению массы одного иона , на число ионов , достигших электрода за время :

Масса иона равна:

где М — молярная (или атомная) масса вещества, a постоянная Авогадро, т. е. число ионов в одном моле.

Число ионов, достигших электро­да, равно:

где — заряд, протекший че­рез электролит за время , — заряд иона, который определяется валентностью п атома: — элементарный заряд). При диссоциации молекул, со­стоящих из одновалентных атомов ( = 1), возникают однозарядные ионы. Например, при диссоциации молекул возникают ионы и . Подстав­ляя в формулу (80.1) выражения (80.2) и (80.3) и учитывая, что , a , получим:

Следовательно, масса вещества, выделившегося на электроде за вре­мя при прохождении электриче­ского тока, пропорциональна силе тока и времени.

Величину k называют электрохимическим эквивалентом дан­ного вещества и выражают в кило­граммах на кулон (кг/Кл).

Электрический ток в газах. Различные типы самостоятельного разряда. Плазма.

Читайте также:  Явление возникновения электрического тока в катушке при изменении магнитного поля пронизывающего

Ø Газовый разряд

Процесс протекания электриче­ского тока через газ называют га­зовым разрядом.

Ø Ионизация газа.

При комнатной температуре воз­дух является плохим проводником. Однако, при нагревании, действии из­лучений, проводимость воздуха возрастает. При обычных условиях газы поч­ти полностью состоят из нейтраль­ных атомов или молекул и, следо­вательно; являются диэлектриками. Вследствие нагревания или воздей­ствия излучением часть атомов иони­зуется — распадается на положи­тельно заряженные ионы и электро­ны (рис. 186). В газе могут обра­зовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря при­соединению электронов к нейтраль­ным атомам.

В газах сочета­ется электронная проводимость, по­добная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобней проводимости водных растворов или расплавов электролитов.

Ø Рекомбинация.

Ø Несамостоятельный разряд.

Для исследования разряда в газе при различных давлениях удобно исполь­зовать стеклянную трубку с двумя электродами (рис. 188). С помощью какого-либо ионизатора в газе образуется в се­кунду определенное число пар заря­женных частиц: положительных ионов и электронов.

При небольшой разности потен­циалов между электродами трубки, положительно заряженные ионы пе­ремещаются к отрицательному элект­роду, а электроны и отрицательно заряженные ионы — к положитель­ному электроду. В результате в труб­ке возникает электрический ток, т. е. происходит газовый разряд.

Не все образующиеся ионы дости­гают электродов; часть их воссоеди­няется с электронами, образуя нейт­ральные молекулы газа. По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля за­ряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. Возрас­тает и сила тока в цепи. Наконец, наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за секунду, достигают за это время электродов. При этом даль­нейшего роста тока не происходит (рис. 189). Ток, как говорят, дости­гает насыщения. Если действие иони­затора прекратить, то прекратится и разряд, так как других источников ионов нет. По этой причине разряд называют несамостоятельным раз­рядом.

Ø Самостоятельный разряд.

Ø Различные типы самостоятельного разряда.

В зависимости от свойств и со­стояния газа, а также от характера и расположения электродов и приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда в газах.

Тлеющий разряд. При низких давлениях (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) в труб­ке наблюдается тлеющий разряд.

Тлеющий разряд используют в трубках для реклам. Красное свече­ние возникает при наполнении труб­ки неоном.

Электрическая дуга. При сопри­косновении двух угольных стержней в месте их контакта из-за большого сопротивления выделяется большое количество теплоты. Температура повышается настолько, что начина­ется термоэлектронная эмиссия. Вследствие этого при раздвижении угольных электродов между ними возникает столб ярко светящегося газа — электрическая дуга. Дуговой разряд — мощный источ­ник света, его используют в прожек­торах, проекционных ап­паратах и киноаппаратах.

Другие типы самостоятельного разряда. При атмосферном давлении вблизи заостренных участков про­водника, несущего большой электрический заряд, наблюдается газовый разряд, светящаяся область кото­рого напоминает корону. Этот разряд, называемый коронным. С давних времен это свечение называли огня­ми святого Эльма.

При большом напряжении между электродами в воздухе возникает искровой разряд, имеющий вид пуч­ка ярких зигзагообразных полосок, разветвляющихся от тонкого канала. Пример гигантского искрового раз­ряда — молния. Мол­нии возникают либо между двумя облаками, либо между облаком и Землей. Сила тока в молнии дости­гает 500000 А, а разность потен­циалов между облаком и Землей — 1 млрд. В.

Источник

Электрический ток в полупроводниках экспериментальное доказательство

К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется в зависимости удельного сопротивления от температуры (рис.9.3)

Зонная модель электронно-дырочной проводимости полупроводников

При образовании твердых тел возможна ситуация, когда энергетическая зона, возникшая из энергетических уровней валентных электронов исходных атомов, оказывается полностью заполненной электронами, а ближайшие, доступные для заполнения электронами энергетические уровни отделены от валентной зоны ЕV промежутком неразрешенных энергетических состояний – так называемой запрещенной зоной Еg 5 раз.

Небольшое добавление примеси к полупроводнику называется легированием.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла. Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью.

Различают два типа примесной проводимостиэлектронную и дырочную проводимости. Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As) (рис. 9.5).

Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним. Он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки.

Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорской примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз.

Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника. Такая проводимость, обусловленная свободными электронами, называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы, например, атомы индия (рис. 9.5)

На рисунке 6 показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия.

Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np>> nn. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

Электронно-дырочный переход. Диоды и транзисторы

В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или np-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

На границе полупроводников (рис. 9.7) образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу.

Способность np-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

На рисунке 9.8 приведена типичная вольт — амперная характеристика кремниевого диода.

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n–p-переходами называются транзисторами. Транзисторы бывают двух типов: pnp-транзисторы и npn-транзисторы. В транзисторе npn-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа (рис.9.9).


В транзисторе p–n–p – типа всё наоборот. Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э).

Источник



Повышение оригинальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение оригинальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения оригинальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, РУКОНТЕКСТ, etxt.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии так, что на внешний вид, файл с повышенной оригинальностью не отличается от исходного.

Результат поиска


Наименование:

Информация:

Описание (план):

— вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры., а это значит, что электрическая проводимость (1/R ) увеличивается.
— наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Механизм проводимости у полупроводников

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.
При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый( без примесей), то он обладает собственной проводимостью? которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

1) электронная ( проводимость «n » — типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны — сопротивление уменьшается.
Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности эл.поля.
Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

2) дырочная ( проводимость » p» — типа )

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном — «дырка».
Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение » дырки» равноценно перемещению положительного заряда.
Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Читайте также:  Источник тока управляемый напряжением это

Кроме нагревания , разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением ( фотопроводимость ) и действием сильных электрических полей

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей «p» и «n» -типов
и называется электронно- дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

— у них существует собственная + примесная проводимость
Наличие примесей сильно увеличивает проводимость.
При изменении концентрации примесей изменяется число носителей эл.тока — электронов и дырок.
Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

1) донорные примеси ( отдающие )

— являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.
Это проводники » n » — типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда — электроны, а неосновной — дырки.
Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью.

2) акцепторные примеси ( принимающие )

— создают «дырки» , забирая в себя электроны.
Это полупроводники » p «- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда — дырки, а неосновной — электроны.
Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью.

Электрические свойства «p-n» перехода

«p-n» переход (или электронно- дырочный переход) — область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.
При прямом (пропускном) направлении внешнего эл.поля эл.ток проходит через границу двух полупроводников.
Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.
Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода:

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводник с одним «p-n» переходом называется полупроводниковым диодом.

При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико,
в обратном — сопротивление мало.

Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

— также используются свойства» р-n «переходов,

— транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.

2) По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры. Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает (см. рис. 4.12.4). У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (рис. 4.13.1). 1
Рисунок 4.13.1. Зависимость удельного сопротивления ? чистого полупроводника от абсолютной температуры T.

Такой ход зависимости ?(T) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен. Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке.

Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, то есть осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рис. 4.13.2). Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит. 2
Рисунок 4.13.2. Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно- дырочной пары.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок». Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар.

В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении. Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов: I = In + Ip.

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников. При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла. Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости. Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As). 3
Рисунок 4.13.3. Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа.

На рис. 4.13.3 показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия.

Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорской примесью.

В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника. В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла.

Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле nn >> np. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа. 4
Рисунок 4.13.4. Атом индия в решетке германия. Полупроводник p-типа.

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рис. 4.13.4 показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью.

В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу. Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np >> nn. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью.

Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки. Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь. Для полупроводников n- и p-типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.

Перейти к полному тексту работы

Скачать работу с онлайн повышением оригинальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru

Смотреть полный текст работы бесплатно

Смотреть похожие работы

* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.

Источник