Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Полупроводники

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 ………………..1010 …1015 Ом×см;

· полупроводники …………….10-4…1010 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 108 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.

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.

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.

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
История развития электроники | Вольтамперная характеристика (ВАХ)

Дата добавления: 2014-01-03; Просмотров: 553; Нарушение авторских прав?;


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:


Читайте также:
studopedia.su - Студопедия (2013 - 2022) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление
Генерация страницы за: 0.022 сек.