Для связи в whatsapp +905441085890

Полупроводники в физике

Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников

К полупроводникам относят широкий класс веществ, которые отличаются от металлов тем, что:

а) концентрация подвижных носителей заряда в них существенно ниже, чем концентрация атомов;
б) эта концентрация (а с ней и электропроводность) может меняться под влиянием температуры, освещения, небольшого количества примесей;
в) электрическое сопротивление уменьшается с ростом температуры (рис. 102).

Полупроводники в физике
Рис. 102

Отличие полупроводников от диэлектриков условно. К диэлектрикам обычно относят вещества с удельным сопротивлением Полупроводники в физике (при комнатной температуре); к полупроводникам, соответственно, с Полупроводники в физике.

Полупроводники по своему строению делятся на кристаллические, амфорные и стеклообразные, жидкие. По химическому составу полупроводники делятся на элементарные, т. е. состоящие из атомов одного сорта Полупроводники в физике, двойные, тройные, четверные соединения. Полупроводниковые соединения принято классифицировать по номерам групп периодической таблицы элементов, к которым принадлежат входящие в соединение элементы. Например, Полупроводники в физике и Полупроводники в физике относятся к соединениям типа Полупроводники в физике (существуют также и органические полупроводники).
Строение полупроводников рассмотрим на примере кремния (рис. 103, а).

Полупроводники в физике
Рис. 103

В кристаллической решётке кремния Полупроводники в физике каждый атом имеет четыре ближайших соседа. Кремний является четырёхвалентным элементом, и взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью ковалентной, или парноэлектронной, связи, когда в каждой связи участвует по одному электрону от каждого атома. Это так называемые коллективизированные электроны; большую часть времени они проводят в пространстве между соседними ионами кремния, удерживая их друг возле друга.

При низких температурах парноэлектронные связи достаточно прочны, они не разрываются, поэтому кремний не проводит электрический ток.

Увеличение температуры приводит к увеличению кинетической энергии валентных электронов и разрыву валентных связей. Часть электронов становятся свободными (подобно электронам в металле), кристаллы под действием электрического поля начинают проводить ток (рис. 103, б). Проводимость полупроводников, обусловленная свободными электронами, называется электронной проводимостью. При увеличении температуры от 300 до Полупроводники в физике концентрация носителей заряда, например в Полупроводники в физике, увеличивается примерно в Полупроводники в физике, а в Полупроводники в физике раз, что и приводит к падению сопротивления (рис. 102).
Разрыв валентных связей при увеличении температуры приводит к образованию вакантного места с недостающим электроном, которое имеет эффективный положительный заряд и называется дыркой. Становится возможным переход валентных электронов из соседних связей на освободившееся место. Такое движение отрицательного заряда (электрона) в одном направлении эквивалентно движению положительного заряда (дырки) в противоположном .

Перемещение дырок по кристаллу происходит хаотически, но если к нему приложить разность потенциалов, начнётся их направленное движение вдоль электрического поля. Проводимость кристалла, обусловленная дырками, называется дырочной проводимостью.

Электронная и дырочная проводимость чистых (беспримесных) полупроводников называется собственной проводимостью полупроводников.

Собственная проводимость полупроводников невелика. Так, в Полупроводники в физике число носителей заряда (электронов) составляет всего одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.
Отличительной особенностью полупроводников, как упоминалось выше, является их способность существенно увеличивать проводимость при добавлении примесей в кристалл. Эта проводимость, в отличие от собственной, так и называется — примесная проводимость. Именно благодаря этому свойству полупроводники нашли столь широкое практическое применение.

Примесная проводимость полупроводника, в зависимости от вида примеси, может быть электронной (её создают донорные примеси) либо дырочной (её создают акцепторные примеси). Полупроводники с электронной проводимостью называются полупроводниками Полупроводники в физике — типа (negative — отрицательный). Полупроводники с дырочной примесной проводимостью называются полупроводниками Полупроводники в физике — типа (positive — положительный).

Донорными примесями являются такие, добавление которых приводит к существенному увеличению концентрации свободных электронов в кристалле. Для того чтобы примесь была донором электронов, необходимо, чтобы валентность элементов, её составляющих, была больше валентности атомов решётки. Для кремния такой донорной примесью являются атомы пятивалентного мышьяка (Полупроводники в физике). Четыре электрона Полупроводники в физике участвуют в образовании парноэлектронной связи, а пятый электрон оказывается очень слабо связанным с атомом Полупроводники в физике и легко становится свободным.

Акцепторные примеси приводят к увеличению концентрации дырок. В соответствии с вышесказанным валентность атомов акцепторной примеси ниже валентности атомов решётки кристалла. Для кремния такой примесью является трёхвалентный индий (Полупроводники в физике). Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями не хватает одного электрона. В результате образуется дырка. При наличии поля возникает дырочная проводимость.
В полупроводнике Полупроводники в физике — типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными. В полупроводнике Полупроводники в физике — типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными.

Полупроводники в физике — Переход

Полупроводники в физике — Переход — это простейшая полупроводниковая структура, которая используется в большинстве полупроводниковых приборов. Для получения Полупроводники в физике — перехода полупроводниковый образец легируют (вводят в него примеси) таким образом, чтобы в одной его части преобладали донорные примеси, а в другой — акцепторные, в результате получают контакт полупроводника Полупроводники в физике — типа с полупроводником Полупроводники в физике — типа (рис. 104). Основным свойством Полупроводники в физике — перехода является его способность пропускать ток только в одном направлении, если напряжение приложено к образцу так, что проводимость осуществляется основными носителями тока, как это показано на рис. 104: «-» со стороны полупроводника Полупроводники в физике — типа, «+» — со стороны Полупроводники в физике — типа (электроны из Полупроводники в физике — области переходят в Полупроводники в физике — область, и наоборот). Если теперь поменять полярность приложенного напряжения Полупроводники в физике, то ток через Полупроводники в физике — переход практически не идёт, т. к. переход через контакт осуществляется неосновными носителями, которых мало. Вольт-амперная характеристика Полупроводники в физике — перехода изображена на рис. 105. Здесь правая часть графика — это прямой переход (осуществляемый основными носителями), левая, пунктирная часть — обратный переход (осуществляемый неосновными носителями). Свойства Полупроводники в физике — перехода используются для выпрямления переменного тока в устройствах, которые называются полупроводниковыми диодами.

Полупроводники в физике
Рис. 104
Полупроводники в физике
Рис. 105

Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Предмет физика

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Электрический ток в газах в физике
Электрический ток в электролитах в физике
Взаимодействие магнитов в физике
Индукция магнитного поля в физике