Что представляет собой электрический ток в полупроводниках

Что представляет собой электрический ток в полупроводниках

Полупроводниками называют вещества, занимающие в отношении электропроводности промежуточное положение между хорошими проводниками и хорошими изоляторами (диэлектриками).

Полупроводниками являются и химические элементы (германий Ge, кремний Si, селен Se, теллур Te), и соединения химических элементов ( PbS, CdS, и др.).

Природа носителей тока в различных полупроводниках различна. В некоторых из них носителями зарядов являются ионы; в других носителями зарядов являются электроны.

Собственная проводимость полупроводников

Существует два вида собственной проводимости полупроводников: электронная проводимость и дырочная проводимость полупроводников.

1. Электронная проводимость полупроводников.

Электронная проводимость осуществляется направленным перемещением в межатомном пространстве свободных электронов, покинувших валентную оболочку атома в результате внешних воздействий.

2. Дырочная проводимость полупроводников.

Дырочная проводимость осуществляется при направленном перемещении валентных электронов на вакантные места в парно-электронных связях – дырки. Валентный электрон нейтрального атома, находящегося в непосредственной близости к положительному иону (дырке) притягиваясь к дырке, перескакивает в неё. При этом на месте нейтрального атома образуется положительный ион (дырка), а на месте положительного иона (дырки) образуется нейтральный атом.

В идеально чистом полупроводнике без каких – либо чужеродных примесей каждому свободному электрону соответствует образование одной дырки, т.е. число участвующих в создании тока электронов и дырок одинаково.

Проводимость, при которой возникает одинаковое число носителей заряда (электронов и дырок), называется собственной проводимостью полупроводников.

Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов. Малейшие следы примесей коренным образом меняют свойства полупроводников.

Электрическая проводимость полупроводников при наличии примесей

Примесями в полупроводнике считают атомы посторонних химических элементов, не содержащиеся в основном полупроводнике.

Примесная проводимость – это проводимость полупроводников, обусловленная внесением в их кристаллические решётки примесей.

В одних случаях влияние примесей проявляется в том, что «дырочный» механизм проводимости становится практически невозможным, и ток в полупроводнике осуществляется в основном движением свободных электронов. Такие полупроводники называются электронными полупроводниками или полупроводниками n – типа (от латинского слова negativus – отрицательный). Основными носителями заряда являются электроны, а не основными – дырки. Полупроводники n – типа – это полупроводники с донорными примесями.

1. Донорные примеси.

Донорными называют примеси, легко отдающие электроны, и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов. Донорные примеси поставляют электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок.

Типичным примером донорной примеси в четырёхвалентном германии Ge являются пятивалентные атомы мышьяка As.

В других случаях практически невозможным становится движение свободных электронов, и ток осуществляется только движением дырок. Эти полупроводники называются дырочными полупроводниками или полупроводниками p – типа (от латинского слова positivus – положительный). Основными носителями заряда являются дырки, а не основными – электроны. . Полупроводники р – типа – это полу-проводники с акцепторными примесями.

Акцепторными называют примеси в которых для образования нормальных парноэлектронных связей недостаёт электронов.

Примером акцепторной примеси в германии Ge являются трёхвалентные атомы галлия Ga

Электрический ток через контакт полупроводников р- типа и n- типа p-n переход – это контактный слой двух примесных полупроводников p-типа и n-типа; p-n переход является границей, разделяющей области с дырочной (p) проводимостью и электронной (n) проводимостью в одном и том же монокристалле.

Прямой p-n переход

Если n-полупроводник подключён к отрицательному полюсу источника питания, а положительный полюс источника питания соединён с р-полупроводником, то под действием электрического поля электроны в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников. Электроны, переходя границу, «заполняют» дырки, ток через р-n-переход осуществляется основными носителями заряда. Вследствие этого проводимость всего образца возрастает. При таком прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля толщина запирающего слоя и его сопротивление уменьшаются.

В этом направлении ток проходит через границу двух полупроводников.

Обратный р-n-переход

Если n-полупроводник соединён с положительным полюсом источника питания, а р-полупроводник соединён с отрицательным полюсом источника питания, то электроны в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике под действием электрического поля будут перемещаться от границы раздела в противоположные стороны, ток через р-n-переход осуществляется неосновными носителями заряда. Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление – большим.

Читайте также:  Чем обшить бетонную стену

Образуется так называемый запирающий слой. При таком направлении внешнего поля электрический ток через контакт р- и n-полупроводников практически не проходит.

Таким образом электронно-дырочный переход обладает одно-сторонней проводимостью.

Зависимость силы тока от напряжения – вольт – амперная характеристика р-n перехода изображена на рисунке (вольт – амперная характеристика прямого р-n перехода изображена сплошной линией, вольт – амперная характеристика обратного р-n перехода изображена пунктирной линией).

Полупроводниковые приборы:

Полупроводниковый диод – для выпрямления переменного тока, в нем используют один р – n – переход с разными сопротивлениями: в прямом направлении сопротивление р – n – перехода значительно меньше, чем в обратном.

Фоторезисторы – для регистрации и измерения слабых световых потоков. С их помощью определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий.

Термисторы – для дистанционного измерения температуры, противопожарной сигнализации.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 9992 – | 7786 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Электрический Ток в Полупроводниках

Полупроводниками назвали класс веществ, у которых с повышением температуры увеличивается проводимость, уменьшается электрическое сопротивление. Этим полупроводники принципиально отличаются от металлов.

Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены кова-лентной связью. При любых температурах в полупроводниках имеются свободные электроны. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов кристаллической решетки приводит к превращению этого атома в положительный ион. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон у одного из соседних атомов. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс воспринимается как перемещение положительного электрического заряда, называемого дыркой .

При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение дырок – дырочный ток проводимости.

В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Проводимость в идеальных полупроводниках называется собственной проводимостью.

Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов – донорные и акцепторные.

Примеси, отдающие электроны и создающие электронную проводимость, называются донорными (примеси, имеющие валентность больше, чем у основного полупроводника). Полупроводники, в которых концентрация электронов превышает концентрацию дырок, называют полупроводниками n-типа.

Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными (примеси имеющие валентность меньше, чем у основного полупроводника).

При низких температурах основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а не основными носителями – электроны. Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа. Рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости.

Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия основных носителей: электроны из n-полупроводника диффундируют в р-полупроводник, а дырки из р-полупроводника в n-полупроводник. В результате участок n-полупроводника, граничащий с контактом, будет обеднен электронами, и в нем образуется избыточный положительный заряд, обусловленный наличием оголенных ионов примеси. Движение дырок из р-полупроводника в n-полупроводник приводит к возникновению избыточного отрицательного заряда в пограничном участке р-полупроводника. В результате образуется двойной электрический слой, и возникает контактное электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Этот слой называют запирающим .

Читайте также:  Потолочный подвес для профиля

Внешнее электрическое поле влияет на электропроводность запирающего слоя. Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 55, то под действием внешнего электрического поля основные носители заряда – свободные электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике – будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников, при этом толщина p-n-перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление. В этом случае сила тока ограничивается внешним сопротивлением. Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. Прямому включению p-n-перехода соответствует участок 1 на вольт-амперной характеристике (см. рис. 57).

Носители электрического тока в различных средах и вольт-амперные характеристики обобщены в табл. 1.

Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 56, то электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут перемещаться под действием внешнего электрического поля от границы в противоположные стороны. Толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются. При таком направлении внешнего электрического поля – обратном (запирающем) через границу раздела проходят только неосновные носители заряда, концентрация которых много меньше, чем основных, и ток практически равен нулю. Обратному включению р-п-перехода соответствует участок 2 на вольт-амперной характеристике (рис. 57).

Таким образом, р-п-переход обладает несимметричной проводимостью. Это свойство используется в полупроводниковых диодах, содержащих один p-n-переход и применяемых, например, для выпрямления переменного тока или детектирования.

Полупроводники находят широкое применение в современной электронной технике.

Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых металлов от температуры используется в специальных полупроводниковых приборах – терморезисторах . Приборы, в которых используется свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами .

Значение удельного электрического сопротивления полупроводников говорит о промежуточном положении между проводниками и диэлектриками. Диэлектриками считают германий, кремний, селен, мышьяк и так далее, а также некоторое количество химических соединений. Большая часть неорганических веществ относится к полупроводникам. Самым распространенным из них считают кремний.

Зависимость сопротивления от температуры

Полупроводники отличаются от металлов тем, что при понижении температуры у вторых падает удельное сопротивление, как показано на рисунке 1 . 12 . 4 . Полупроводники ведут себя иначе. У них сопротивление заметно возрастает, что приводит к становлению изоляторами.

Рисунок 1 . 12 . 4 . Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.

Рисунок 1 . 13 . 1 . Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T .

Выше приведенная зависимость ρ ( T ) говорит о наличии концентрации носителей свободного заряда у проводников, увеличивающегося с ростом температуры. Механизм электрического тока нельзя объяснить с помощью только модели газа свободных электронов.

Рассмотрим на примере германия ( Ge ) . Действие механизма в кристалле кремния ( Si ) такой же. Внешние оболочки атомов германия имеют 4 слабо выраженных электрона. Они получили название валентных. Каждый атом кристаллической решетки окружен 4 соседями. Атомы соединены посредствам ковалентной связи, то есть парами валентных электронов. Валентный электрон соответствует двум атомам, как изображено на рисунке 1 . 13 . 2 .

Связь валентных электронов в атоме германия больше, чем в обычных металлах. Отсюда и наличие сниженной концентрации электронов проводимости при комнатной температуре. Образование связей электронов германия происходит при температуре, приближенной к абсолютному нулю. Данный кристалл не обладает проводимостью.

Рисунок 1 . 13 . 2 . Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары.

Какие вещества относят к полупроводникам

Если температура повышается, тогда некоторые валентные электроны получают энергию, которой хватит для разрыва ковалентной связи. После чего в кристалле появляются свободные электроны (электроны проводимости).

Места разрыва связей характеризуются образованием вакансий, на которых электроны отсутствуют. Данные вакансии называют дырками.

Вакантное место может быть передано валентному электрону соседней пары, тогда дырка будет циклично перемещаться по всему кристаллу. Заданная температура полупроводника за 1 времени образует определенное количество электронно-дырочных пар.

Читайте также:  Дюралайт светодиодный уличный 50 метров

Также имеется обратный процесс, который заключается в восстановлении электронной связи между атомами германия при встрече со свободным дырочным электроном. Его называют рекомбинацией.

Появление электронно-дырочных пар обусловлено освещением полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. При его отсутствии электроны и дырки принимают участие в хаотическом тепловом движении.

Перемещение полупроводника в электрическое поле подвергает электроны, дырки упорядоченному движению, причем ведут себя как положительно заряженные частицы. Отсюда вывод: ток I в полупроводнике записывается как сумма электронного I n и дырочного I p :

Концентрация электронов проводимости полупроводников равняется концентрации дырок n n = n p .

Полупроводник n -типа

Проявление электронно-дырочной проводимости присущ чистым полупроводникам. Их называют собственной электрической проводимостью полупроводников.

Если имеются примеси, тогда происходит ее изменение.

При добавлении в кристалл кремния примесь в виде фосфора количеством 0 , 001 % уменьшается удельное сопротивление более, чем на 5 порядков. Такое влияние примесей объясняется выше изложенным представлением о строении полупроводников.

Необходимое условие резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей – отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Если проводники имеют примеси, то такая проводимость называется примесной. Различают два вида: электронная и дырочная. Первая появляется при введении в четырехвалентные атомы германия пятивалентных атомов мышьяка.

Рисунок 1 . 13 . 3 . Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n -типа.

На рисунке 1 . 13 . 3 подробно показан пятивалентный атом мышьяка, который находится в узле кристаллической решетки германия. Валентные электроны в количестве 4 штук включены в образование ковалентных связей с 4 соседними атомами германия. Пятый из них получается лишним, так как не имеет пары. Он отрывается от атома мышьяка и становится свободным.

Атом, который теряет электрон, становится положительным ионом, располагаемым в узле кристаллической решетки.

Полупроводник p -типа

Если у примеси имеется валентность, превышающая валентность основных атомов полупроводникового кристалла, тогда ее называют донорной.

Когда примесь вводится в кристалл, то это провоцирует появление большого количества свободных электронов. Тогда происходит резкое уменьшение удельного сопротивления полупроводника в разы. После чего оно стремится по значению к удельному сопротивлению металлического проводника.

Кристалл германия с примесью мышьяка имеет электроны и дырки, которые отвечают за собственную проводимость кристалла. Основным типом носителей свободного заряда считаются электроны, которые оторвались от атомов мышьяка. Тогда такой кристалл имеет n n ≫ n p . Данная проводимость получила название электронной, а такой полупроводник, обладающий электронной проводимостью – полупроводник n -типа.

Рисунок 1 . 13 . 4 . Атом индия в решетке германия. Полупроводник p -типа.

Влияние примесей

Возникновение дырочной проводимости связано с введением трехвалентных атомов индия в кристалл германия. На рисунке 1 . 13 . 4 изображен атом индия, который создает ковалентные связи валентными электронами с помощью трех соседних атомов германия. Чтобы образовать связь с четвертым атомом германия у индия отсутствует электрон. Именно он захватывается атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Тогда получаем, что атом индия становится отрицательным ионом, располагаемым в узле кристаллической решетки. Отсюда ковалентная связь соседних атомов образует вакансию.

Примесь атомов, захватывающих электроны, называют акцепторной.

С ее наличием в кристалле происходит разрыв множества ковалентных связей, а на их местах образуются вакантные места, то есть дырки. Электроны движутся к ней из соседних ковалентных связей, что обуславливает хаотичное блуждание дырок по кристаллу.

Акцепторная примесь способна заметно снижать удельное сопротивление за счет появления дырок. Их концентрация в такой примеси значительно больше количества электронов, появившихся по причине собственной электропроводности полупроводника n p ≫ n n . Она получила название дырочной. Проводник с примесью и наличием дырочной проводимости – это полупроводник p -типа.

Основными носителями свободного заряда в таких полупроводниках являются дырки. Дырочная проводимость обуславливается эстафетным перемещением по вакансиям, начиная от атома германия к другому электрону, осуществляющему ковалентную связь.

Полупроводники n – и p – типов подвергаются действию закона Ома на интервалах силы тока и напряжений с условием концентрации свободных носителей.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector