Что относится к полупроводникам

Что относится к полупроводникам

  • В книжной версии

    Том 27. Москва, 2015, стр. 5

    Скопировать библиографическую ссылку:

    ПОЛУПРОВОДНИКИ́, ве­ще­ст­ва, ха­рак­те­ри­зую­щие­ся элек­трич. про­во­ди­мо­стью $σ$ , про­ме­жу­точ­ной ме­ж­ду про­во­ди­мо­стью хо­ро­ших про­вод­ни­ков, напр. ме­тал­лов ( $σ≈10^4-10^6$ Ом –1 ·см –1 ), и хо­ро­ших ди­элек­три­ков ( $σ≈10^<–12>-10^<–10>$ Ом –1 ·см –1 ) (про­во­ди­мость ука­за­на при ком­нат­ной темп-ре). Ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью П. яв­ля­ет­ся силь­ная за­ви­си­мость их про­во­ди­мо­сти от темп-ры, при­чём в дос­та­точ­но ши­ро­ком ин­тер­ва­ле темпе­ра­тур про­во­ди­мость П., в от­ли­чие от ме­тал­лов, экс­по­нен­ци­аль­но уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том темп-ры $T$ : $$σ=σ_0exp(–ℰ_a/kT). ag<*>$$ Здесь $k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на, $ℰ_a$ – энер­гия ак­ти­ва­ции элек­тро­нов в П., ко­то­рая мо­жет ме­нять­ся от не­сколь­ких мэВ до не­сколь­ких эВ, $σ_0$ – ко­эф. про­пор­цио­наль­но­сти, ко­то­рый так­же за­ви­сит от темп-ры, но эта за­ви­си­мость бо­лее сла­бая, чем экс­по­нен­ци­аль­ная. С по­вы­ше­ни­ем темп-ры те­п­ло­вое дви­же­ние раз­ры­ва­ет часть хи­мич. свя­зей в ато­мах П. и элек­тро­ны, чис­ло ко­то­рых про­пор­цио­наль­но $exp(–ℰ_a/kT)$ , ста­но­вят­ся сво­бод­ны­ми и уча­ст­ву­ют в элек­трич. про­во­ди­мо­сти. Энер­гия, не­об­хо­ди­мая для то­го, что­бы ра­зо­рвать хи­мич. связь и сде­лать ва­лент­ный элек­трон сво­бод­ным, на­зы­ва­ет­ся энер­ги­ей ак­ти­ва­ции.

    История развития электроники.

    Фундамент для дальнейшего развития электроники был заложен работами физиков XVIII-XIX веков. Первые исследования электрических разрядов в воздухе были проведены в XVIII веке в России академиками М.В.Ломоносовым и Г.В.Рихманом, а так же американским ученым Б.Франклином. Важным событием было открытие электрической дуги академиком В.В.Петровым в 1802 году. Исследование процессов прохождения электрического тока в разряженных газах проводили в прошлом столетии в Англии – Крукс, Д.Томпсон, Тоунсенд, Астон, а тк же в Германии Гейслер, Гитгорф, Плюккер и др.

    Одним из первых электронных приборов можно считать фоторезистор из селена, изобретенный в США У.Смитом в 1873 г. Так же А.Н.Лодыгин изобрел первый электровакуумный прибор – лампу накаливания. Примерно в то же самое время независимо от него такую же лампу разработал и усовершенствовал известный американский изобретатель Эдисон.

    В 1874 году немецкий ученый К.Ф.Браун открыл эффект односторонней проводимости контакта металл – полупроводник (селен).

    В 1887 году немецкий физик Герц открыл фотоэлектрический эффект. А.Г.Столетов в 1888г. Изучил его и описал основные законы.

    Термоэлектронная эмиссия была открыта в 1884г. Эдисоном. Детальные исследования термоэлектронной эмиссии провел в 1901 году Ричардсон.

    В 1895 году впервые осуществлена дальняя беспроводная связь А.С.Поповым, а годом позже – итальянцем Дж.Маркони.

    Твердые тела условно можно разделить на три основные группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Их основной особенностью является различие в проводимости электрического тока, или удельном сопротивлении одного см3 материала [Ом×см], которое может находиться в следующих пределах:

    · проводники ……………….. 10 -6 …10 -4 Ом×см;

    · диэлектрики ………………..10 10 …10 15 Ом×см;

    · полупроводники …………….10 -4 …10 10 Ом×см.

    Исходя из положений теории электропроводимости, атом состоит из ядра, окруженного облаком электронов, которые находятся в движении на некотором расстоянии от ядра. При этом электроны, расположенные на внешней орбите атома вещества имеют название валентных. Они наименее связаны с ядром и определяют физические и химические свойства вещества.

    В проводниках валентные электроны имеют слабую связь с ядром и поэтому достаточно легко покидают свои атомы, после чего хаотично перемещаются в материале – становятся свободными. Если проводник будет помещен во внешнее электрическое поле, возникает упорядоченное движение электронов – электрический ток.

    Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Плотность свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10 8 шт/см³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле.

    Полупроводники — вещества, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения.

    Читайте также:  Букеты из конфет в корзине фото

    Полупроводники как правило обладают следующими свойствами:

    · отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления – с увеличением температуры сопротивление уменьшается (у проводников – увеличивается);

    · добавление примесей приводит к увеличению проводимости (у проводников – к снижению);

    · на электрическую проводимость полупроводников оказывают влияние радиация, электромагнитное излучение.

    В качестве полупроводников наиболее часто используются кремний, арсенид галлия, селен, германий, теллур, разные оксиды, сульфиды, нитриды и карбиды.

    Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника на примере кристаллической решетки германия (рис. 1.1).

    Рисунок 1.1 – Кристаллическая решетка германия.

    Германий относится к VI группе периодической системы Менделеева. Атомы германия располагаются в узлах кристаллической решетки, их связь с окружающими атомами осуществляется с помощью четырех валентных электронов. Сдвоенные линии между узлами указывают на ковалентный характер связей, т.е. каждая пара валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам. При температуре абсолютного нуля и при отсутствии излучения в полупроводнике отсутствуют подвижные носители и его электрическое сопротивление стремится к бесконечности.

    При наличии внешних воздействий (теплового, светового, электрического или магнитного поля и др.) валентные электроны приобретают дополнительную энергию и могут освобождаться от атома и становятся свободными, не связанными с атомом (ионизация атома). Упорядоченное и направленное движение этих электронов к положительному полюсу обеспечивает n-проводимость (n – первая буква слова negativus – отрицательный; этим словом подчеркивается, что ток создают свободные отрицательные заряды – электроны). Покинув атом, электрон превратил до этого нейтральный атом в положительный ион. Положительный заряд атома, который появляется из-за того, что на внешней орбите нехватает электронов называют «дыркой». Это явление получило название генерация пары электрон-дырка. Процесс исчезновения пар электрон-дырка называют рекомбинацией, при этом выделяется тепло.

    В полупроводниках дырки ведут себя подобно свободным электронам – они хаотически перемещаются по кристаллу, а их упорядоченное смещение называют «р-проводимостью». (р – первая буква от слова «positivus» — положительный. Этим подчеркивается, что ток создают положительные свободные заряды.

    Для получения полупроводников с электронной проводимостью n-типа в чистый по составу исходный материал вводят примесь, создающую избыточные свободные электроны (рис. 1.2). В качестве такой добавки используют элементы V группы таблицы Менделеева – сурьма, фосфор, мышьяк. При застывании в некоторых узлах кристаллической решетки германия его атомы замещаются атомами примеси. При этом четыре валентных электрона примеси создают систему ковалентных связей с четырьмя валентными электронами германия, а пятый электрон примеси оказывается лишним – свободным. Свободные электроны оставляют в узлах кристаллической решетки неподвижные положительно заряженные ионы, которые создают в кристалле объемный заряд. Примесь, отдающая свободные электроны, называется донорной.

    Рисунок 1.2. – Кристаллическая решетка германия с донорной примесью.

    Проводимость р-типа обеспечивается повышением в основном материале полупроводника концентрации дырок, для чего используются элементы III группы таблицы Менделеева – индий, галлий (рис. 1.3). При этом для создания ковалентной связи между атомами германия и индия одного электрона не хватает. Под воздействием тепла окружающей среды электроны верхнего уровня валентной зоны иных атомов перемещаются к атому примеси, дополняя недостающие связи. Благодаря этому в кристаллической решетке создаются подвижные дырки, а атомы примеси превращаются в негативные ионы, создавая отрицательный объемный заряд в кристалле. Примесь, забирающая электроны и создающая свободные носители заряда — дырки, называется акцепторной.

    Рисунок 1.3. – Кристаллическая решетка германия с акцепторной примесью.

    Преобладающие в полупроводнике носители заряда называются основными, а иные – неосновными.

    Лекция 2. Полупроводниковый диод.

    Узкая зона на границе между слоями полупроводника называется p-n переходом (рис.2.1). Физические процессы, происходящие в p-n переходе, определяют параметры и характеристики полупроводниковых приборов.

    Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним р-n переходом и двумя электрическими выводами.

    Читайте также:  Внутренняя отделка кухни в частном доме фото

    Рисунок 2.1. – Образование p-n перехода на границе слоев с p и n проводимостью.

    При обратном включении (рис. 2.2) к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение Uвн , причем положительный потенциал к слою с n проводимостью, а отрицательный потенциал к слою с p проводимостью.

    Ток, протекающий по цепи, определяется концентрацией неосновных носителей заряда и является незначительным.

    Рисунок 2.2. – Обратное включение p-n перехода.

    При прямом включении (рис 2.3) к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение Uвн , причем отрицательный потенциал к слою с n проводимостью, а положительный потенциал к слою с p проводимостью.

    Рисунок 2.3. – Прямое включение p-n перехода.

    Протекающий по цепи ток определяется диффузионной составляющей и зависит от концентрации основных подвижных носителей заряда и является значительным.

    Обозначение полупроводникового диода на принципиальной схеме представлено на рис. 2.4.

    Рисунок 2.4. Обозначение полупроводникового диода на принципиальных схемах.

    Электрод, к которому прикладывается положительный потенциал и при этом по цепи протекает электрический ток, называется анодом, а электрод, к которому прикладывается положительный потенциал и при этом по цепи протекает электрический ток, называется катодом.

    Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

    Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10839 — | 7389 — 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

    Наряду с проводниками электричества в природе существует много веществ, обладающих значительно меньшей электропроводимостью, чем металлические проводники. Вещества подобного рода называются полупроводниками.

    К полупроводникам относятся: некоторые химические элементы, например селен, кремний и германий, сернистые соединения, например сернистый таллий, сернистый кадмий, сернистое серебро, карбиды, например карборунд, углерод (алмаз), бор, серое олово, фосфор, сурьму, мышьяк, теллур, йод и ряд соединений, в состав которых входит хотя бы один из элементов 4 — 7-й групп системы Менделеева. Существуют также органические полупроводники.

    Природа электрической проводимости полупроводника зависит от рода примесей, имеющихся в основном материале полупроводника, и от технологии изготовления его составных частей.

    Полупроводник — вещество с электропроводностью 10 -10 — 10 4 (ом х см) -1 , находящееся по этим свойствам между проводником и изолятором. Различие между проводниками, полупроводниками и изоляторами по зонной теории заключается в следующем: в чистых полупроводниках и электронных изоляторах между заполненной зоной (валентной) и зоной проводимости находится запрещенная зона энергий.

    Почему полупроводники проводят ток

    Полупроводник обладает электронной проводимостью, если в атомах его примеси внешние электроны относительно слабо связаны с ядрами этих атомов. Если в подобного рода полупроводнике создать электрическое поле, то под влиянием сил этого поля внешние электроны атомов примеси полупроводника покинут пределы своих атомов и превратятся в свободные электроны.

    Свободные электроны создадут в полупроводнике электрический ток проводимости под влиянием сил электрического поля. Следовательно, природа электрического тока в полупрооводниках с электронной проводимостью та что и в металлических проводниках. Но так как свободных электронов в единице объема полупроводника во много раз меньше, чем в единице объема металлического проводника, то естественно, что при всех прочих одинаковых условиях ток в полупроводнике будет во много раз меньше, чем в металлическом проводнике.

    Полупроводник обладает «дырочной» проводимостью, если атомы его примеси не только не отдают своих внешних электронов, но, наоборот, стремятся захватить электроны атомов основного вещества полупроводника. Если атом примеси отберет электрон у атома основного вещества, то в последнем образуется нечто вроде свободного места для электрона — «дырка».

    Атом полупроводника, потерявший электрон, называют «электронной дыркой», или просто «дыркой». Если «дырка» заполняется электроном, перешедшим с соседнего атома, то она ликвидируется и атом становится нейтральным в электрическом отношении, а «дырка» смещается на соседний атом, потерявший электрон. Следовательно, если на полупроводник, обладающий «дырочной» проводимостью, воздействовать электрическим полем, то «электронные дырки» будут смещаться в направлении этого поля.

    Читайте также:  Обогреватель из кирпича своими руками

    Смещение «электронных дырок» в направлении действия электрического поля аналогично перемещению положительных электрических зарядов в поле и, следовательно, представляет собой явление электрического тока в полупроводнике.

    Полупроводники нельзя строго разграничивать по механизму их электрической проводимости, так как наряду с «дырочной» проводимостью данный полупроводник может в той или иной степени обладать и электронной проводимостью.

    типом проводимости (электронный — n -тип, дырочный — р-тип);

    временем жизни носителей заряда (неосновных) или диффузионной длиной, скоростью поверхностной рекомбинации;

    Температура оказывает существ, влияние на характеристики полупроводников. Повышение ее преимущественно приводит к уменьшению удельного сопротивления и наоборот, т. е. для полупроводников характерно наличие отрицательного температурного коэффициента сопротивления . Вблизи абсолютного нуля полупроводник становится изолятором.

    Основой многих приборов служат полупроводники. В большинстве случаев они должны быть получены в виде монокристаллов. Для придания заданных свойств полупроводники легируют различными примесями. К чистоте исходных полупроводниковых материалов предъявляются повышенные требования.

    В современной технике полупроводники нашли самое широкое применение, они оказали очень сильное влияние на технический прогресс. Благодаря им удается значительно уменьшить вес и габариты электронных устройств. Развитие всех направлений электроники приводит к созданию и совершенствованию большого количества разнообразной аппаратуры на полупроводниковых приборах. Полупроводниковые приборы служат основой микроэлементов, микромодулей, твердых схем и т. д.

    Электронные устройства на полупроводниковых приборах практически безинерционны. Тщательно выполненный и хорошо герметизированный полупроводниковый прибор может служить десятки тыс. часов. Однако некоторые полупроводниковые материалы имеют малый температурный предел (например, германий), но не очень сложная температурная компенсация или замена основного материала прибора другим (напр., кремнием, карбидом кремния) в значительной, степени устраняет и этот недостаток. Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых приборов приводит к уменьшению имеющихся еще разброса и нестабильности параметров.

    Контакт полупроводник — металл и электронно-дырочный переход ( n -р-переход), созданный в полупроводниках, используются при изготовлении полупроводниковых диодов. Двойные переходы (р- n -р или n -р- n ) — транзисторов и тиристоров. Эти приборы в основном применяются для выпрямления, генерации и усиления электрических сигналов.

    На основе фотоэлектрических свойств полупроводников создают фотосопротивления, фотодиоды и фототранзисторы. Полупроводник служит активной частью генераторов (усилителей) колебаний полупроводниковых лазеров. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов, что используется при создании светодиодов.

    Термоэлектрические свойства полупроводников позволили создать термосопротивления полупроводниковые, термоэлементы полупроводниковые, термобатареи и термоэлектрические генераторы, а термоэлектрическое охлаждение полупроводников, на основе эффекта Пельтье, — термоэлектрические холодильники и термостабилизаторы.

    Полупроводники используются в безмашинных преобразователях тепловой и солнечной энергии в электрическую — термоэлектрических генераторах, и фотоэлектрических преобразователях (солнечных батареях).

    Механическое напряжение, приложенное к полупроводнику, изменяет его электрическое сопротивление (эффект сильнее, чем в металлах), что явилось основой тензометра полупроводникового.

    Полупроводниковые приборы получили широкое распространение в мировой практике, революционно преобразуя электронику, они служат основой при разработке и производстве:

    измерительной техники, компьютеров,

    аппаратуры для всех видов связи и транспорта,

    для автоматизации процессов в промышленности,

    устройств для научных исследований,

    других электронных устройств и приборов.

    Применение полупроводниковых приборов позволяет создавать новую аппаратуру и совершенствовать старую, приводит к значит, уменьшению ее габаритов, веса, потребляемых мощностей, а значит, уменьшению выделения тепла в схеме, к увеличению прочности, к немедленной готовности к действию, позволяет увеличить срок службы и надежность электронных устройств.

    Ссылка на основную публикацию
    Adblock detector