Полупроводниковые материалы конспект кратко
Обновлено: 05.07.2024
Однако оказалось, что подавляющее большинство веществ нельзя отнести ни к проводникам, ни к диэлектрикам. Эту группу веществ назвали полупроводниками и считали, что они практического значения в электричестве не имеют. В самом деле, более поздние исследования показали, что большинство полупроводников практического применения в электричестве не нашли. Тем не менее среди них были выявлены и такие, которые имеют чрезвычайно интересные и важные свойства, что и побуждало к дальнейшему их изучению, а со временем и к широкому использованию.
Чтобы удостовериться в том, что по удельному сопротивлению или электропроводимости полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками (например, металлами) и диэлектриками, можно провести опыт, схема которого изображена на рис. 8.1. Берут три одинаковых по размеру тела: из металла (м), полупроводникового вещества (п/п) и диэлектрика (д). Поддерживая в цепи постоянное напряжение, включают поочередно тело из металла, полупроводникового вещества и диэлектрика.
Если к цепи подключено металлическое тело, то сила тока довольно значительна — стрелка амперметра отклоняется до конца шкалы. В случае включения диэлектрика ток в цепи практически отсутствует, а при включении полупроводника сила тока имеет промежуточное значение (рис. 8.2).
Таким образом, можно сделать вывод, что полупроводники по удельному сопротивлению или электропроводимости занимают промежуточное место между металлами (наилучшими проводниками) и диэлектриками: ρМ
| Рис. 8.3. Сравнение значений удельных сопротивлений и электропроводимостей различных веществ |
| Рис. 8.4. Полупроводниковые вещества односторонней проводимости не имеют |
Существуют полупроводниковые приборы, например, диоды, которые в самом деле проводят ток практически в одном направлении.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
2. Виды полупроводниковых материалов и приборов.
Наиболее интересные явления происходят при контакте полупроводников n- и р-типов. Эти явления используются в большинстве полупроводниковых приборов.
На рисунке 16.10 (161 учебник) изображена схема полупроводника, правая часть которого содержит донорные примеси и поэтому является полупроводником n-типа, а левая - акцепторные примеси и представляет собой полупроводник р-типа; между ними - зона перехода - зона, обедненная зарядами. В ней происходит рекомбинация электронов и дырок. Электроны изображены голубыми (розовыми) кружочками, дырки – серыми (черными).
Контакт двух полупроводников называют р-n- или n-р-переходом.
При образовании контакта электроны частично переходят из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа, а дырки - в обратном направлении. В результате полупроводник n-типа заряжается положительно, а р-типа - отрицательно. Диффузия прекращается после того, как электрическое поле , возникающее в зоне перехода, начинает препятствовать дальнейшему перемещению электронов и дырок.
Включим полупроводник с р-n-переходом в электрическую цепь (рис.16.11) (162 учебник). Подключим сначала батарею так, чтобы потенциал полупроводника р-типа был положительным, а n-типа - отрицательным. При этом ток через р-n-переход создается основными носителями: из области n в область р - электронами, а из области р в область n - дырками (рис.16.12) (163 учебник).
Вследствие этого проводимость всего образца велика, а сопротивление мало.
Такой переход и называют прямым. Зависимость силы тока от разности потенциалов - вольт-амперная характеристика прямого перехода - изображена на рисунке 16.13 (164 учебник) сплошной линией.
Изменим теперь полярность подключения батареи. Тогда при той же разности потенциалов сила тока в цепи окажется значительно меньше, чем при прямом переходе. Это обусловлено следующим. Электроны через контакт идут теперь из области р в область n, а дырки - из области n в область р. Но ведь в полупроводнике р-типа мало свободных электронов, а в полупроводнике n-типа мало дырок. Теперь переход через контакт осуществляется неосновными носителями, число которых мало (рис.16.14) (165 учебник). Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление - большим. Образуется так называемый запирающий слой. Такой переход называют обратным. Вольт-амперная характеристика обратного перехода изображена на рисунке 16.13 (164) штриховой линией.
Таким образом, р-n-переход можно использовать для выпрямления электрического тока. Такое устройство называется полупроводниковым диодом.
Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.
1. Виды полупроводниковых материалов
В различных отраслях техники и производства применяемые
полупроводниковые материалы условно можно разбить на ряд групп:
•кристаллы - германий, кремний, селен и др.;
•оксиды металлов - оксиды титана, цинка, вольфрама, никеля, молибдена, кадмия, меди и др.;
•сульфиды - химические соединения, для их получения используют серу;
•селениды - химические соединения, в их состав входит селен;
•соединения галлия, индия с фосфором, алюминия, сурьмой, мышьяком и др.;
•кое-какие органические материалы (полимеры).
Из полупроводниковых материалов отметим германий (он исторически был первым полупроводником наряду с окисью меди) и кремний.
Кремний в настоящее время является полупроводником No 1.
Из других видов полупроводников можно отметить арсенид галлия, селен
Несколько десятилетий назад в электротехнике начали применять селеновые и меднозакисные полупроводниковые материалы для изготовления выпрямителей переменного тока. Широкое применение в дальнейшем нашли германиевые и кремниевые вентили. Применение полупроводниковых материалов на кремниевой основе особенно перспективно: неуправляемые и управляемые вентили в преобразовательной технике, интегральные схемы, нередко используются в радиоэлектронной промышленности для изготовления миниатюрных диодов, резисторов, транзисторов, конденсаторов, высоковольтные выпрямители для линий электропередач постоянного тока.
Также используют кремний и германий для изготовления фоторезисторов.
Для создания солнечных батарей применяют кремний - объединенных между собой фотоэлементов, преобразующих энергию солнечного света в электрическую.
Большое применение солнечных батарей находят в космонавтике.
Большой интерес к полупроводникам вызван возможностью управления их свойствами путем добавления небольших количеств других веществ, т.н. легирования. Если добавлять легко ионизирующиеся вещества, т.е. вещества легко отдающие электроны, их еще называют веществами-донорами электронов, (например к германию добавить мышьяк) то можно создать полупроводник с электронной проводимостью.
2. Общие сведения о полупроводниковых приборах
Для преобразования электромагнитной энергии какого-то вида в электромагнитную энергию иного вида посредством осуществляемого взаимодействия электронов движущихся в газе, вакууме или же в полупроводнике с электромагнитными полями, предназначены электронные приборы.
За счет комбинации полупроводников р-и п-типа созданы различные электронные приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и т.п. В энергетике полупроводники напрямую мало используются, но электронные компоненты на основе полупроводников используются достаточно широко. Это любая электроника на станциях, подстанциях, диспетчерских управлениях, службах и т. п.
В радиоэлектронике и электротехнике применяют нелинейные резисторы,
Их электрическое сопротивление не остается постоянным, а изменяется от приложенного к ним напряжения. От этого ток, проходящий по ним, растет нелинейно с увеличением напряжения. Например, по ряду причин в линиях электропередачи может значительно повыситься напряжение по сравнению с номинальным напряжением, что в свою очередь вызовет выход из строя аппаратуры управления и перерыв в электроснабжении потребителей - это явление называют перенапряжением. Разрядники позволяют избежать отрицательных последствий перенапряжений, изготовленные из нелинейных резисторов, которые устанавливают в линиях электропередачи. Также для изготовления стабилизаторов различного напряжения используют нелинейные резисторы, в ряде областей техники и регулирования частоты вращения электродвигателей, связанных с применением тока высокой частоты.
Термисторы - терморезисторы изготавливают из полупроводниковых
материалов -железа, оксидов меди, кобальта, цинка, марганца. Их главная особенность заключается в том, что они располагают большим по модулю отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
Терморезисторы также широко применяют в различных устройствах
автоматики и радиоэлектроники. Теллуриды, сульфиды, селениды, применяют для изготовления фотоэлементов и фоторезисторов, так как от освещенности в значительной мере зависит их сопротивление.
Действие и устройство электронных ламп, применяемых в радиоэлектронике и радиотехнике, газоразрядных источников света, а также во многих других аналогичных приборах, относящихся к электронике, основано на явлении движения в полупроводнике электронов.
Электровакуумные приборы так же относятся к электронным приборам, такие как электронно - лучевые трубки, электронные лампы, и т.д. Полупроводниковые приборы тоже считаются электронными приборами, о них как раз пойдет речь в данном случае, но мы пока не будем рассматривать их все, а поговорим о некоторых полупроводниковых приборах.
На электронных процессах в полупроводниках основано действие
полупроводниковых приборов. Такие приборы служат в энергетике для
реорганизации одних видов энергии в другие, а в электронике - для реорганизации различных сигналов. По принципу действия, по назначению, виду материалов, из которых они изготовлены, классифицируют полупроводниковые приборы, а также по области применения по конструкции и технологии.
Полупроводниковые приборы, относящиеся к основному классу :
•оптоэлектронные приборы - фототранзисторы, фототиристоры, фоторезисторы, фотодиоды, полупроводниковые лазеры и др. Они
реорганизуют сигналы света в электрические и наоборот;
•термоэлектрические приборы - термисторы, термоэлементы, солнечные батареи, термоэлектрические генераторы и т. п. Они реорганизуют внутреннюю энергию в электрическую и наоборот;
•электропреобразовательные приборы - тиристоры, транзисторы,
полупроводниковые диоды. Они преобразуют одни электрические величины в другие.
Далее рассмотрены некоторые устройства, область и действие применения которых широко применяется в электротехнике полупроводниковых приборов - тиристоров, полупроводниковых диодов и транзисторов.
3 Виды полупроводниковых приборов. Читаем самостоятельно.
3.1. Полупроводниковые диоды.
Полупроводниковый диод - это прибор, который состоит из двух
полупроводниковых кристалловс разной проводимостью, и образующегося между ними электронно-дырочного перехода (толщина ~10(-7) м).
Полупроводниковые диоды в промышленности выпускают различного
исполнения, но можно говорить о двух видах диодов: точечных и плоскостных.
Рассмотрим, как создают р-n-переход, используя германий, обладающий проводимостью n-типа, с небольшой добавкой донорной примеси. Этот переход не удается получить путем механического соединения двух полупроводников с различными типами проводимости, так как при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Толщина же р-n-перехода должна быть не больше межатомных расстояний, поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Для создания полупроводникового диода полупроводник с примесью р-типа, содержащий атомы индия, нагревается до высокой температуры. Пары примеси n-типа (например, мышьяка) осаждают на поверхность кристалла. Вследствие диффузии они внедряются в кристалл, и на поверхности кристалла с проводимостью р-типа образуется область с электронным типом проводимости (рис.16.15). (166)
Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметичный металлический корпус.
Схематическое изображение диода приведено на рисунке 16.16 (167 б учебник). Полупроводниковые выпрямители обладают высокой надежностью и имеют большой срок службы. Однако они могут работать лишь в ограниченном интервале температур (от -70 до 125°С).
p-n-Переход по отношению к току оказывается несимметричным: в прямом направлении сопротивление перехода значительно меньше, чем в обратном.
Свойства р-n-перехода используют для выпрямления переменного тока. На протяжении половины периода изменения тока через переход, когда потенциал полупроводника р-типа положителен, ток свободно проходит через р-n-переход. В следующую половину периода ток практически равен нулю.
Типы разных полупроводниковых диодов имеют следующие обозначения:
О подробных данных по обозначению полупроводниковых диодов, а также их типах и параметрах, можно узнать в специальном справочнике о полупроводниковых приборах.
3.2. Транзисторы.
Из трех полупроводниковых кристаллов состоит транзистор,
из которых два обладают одинаковой проводимостью, а присутствующий между ними третий кристалл - с противоположной проводимостью. Таким образом, в транзисторе находятся два электронно-дырочных перехода.
Три части различают в транзисторах: эмиттер, коллектор и базу (основание).
Транзистор усиливает электрические сигналы - в этом можно убедиться
Пока не включен источник переменной ЭДС. Так как эмиттер соединен с
положительным полюсом источника тока, а коллектор - с отрицательным, то эмиттер на границах - база и база коллектор дырки не наталкиваются на заметное сопротивление, от этого сила тока коллектора приблизительно равна силе тока эмиттера (сила тока коллектора немного меньше вследствие рекомбинации электронов и дырок).
Поэтому транзисторы широко применяют для усиления электрических сигналов.
Более подробную информацию о транзисторных данных можно отыскать в справочниках по полупроводниковым приборам.
3.3. Тиристоры.
Полупроводниковый электропреобразовательный прибор с имеющимися тремя электронно-дырочными переходами называют тиристором, который обладает вентильным свойством.
Он работает по следующим принципам:
Если соединить с источником напряжения четырехслойный кристалл р1 -п1 -р2 -п2 всего в несколько вольт, то от этого в электронно-дырочных переходах 1 и 3 определится прямой ток, переход 2 будет заперт. В зависимости от увеличения напряжения, которое приложено к тиристору, проводимость его сначала незначительно возрастает. Тем не менее, при напряжении установленного порядка десятков или сотен вольт тиристор переходит скачкообразно в состояние с большой проводимостью, так сказать, включается и в нѐм образуется ток, определяемый напряжением источника тока и сопротивлением внешней цепи.
Эти явления, совершающиеся при этом в тиристоре, связаны с движением
электронов и их процессах, а также дырок через переходы П1, П2 и П3. (Мы не будем здесь это рассматривать из-за относительной сложности объяснения этого явления.)
Напряжение, при котором осуществляется скачкообразное переключение тиристора из состояния с небольшой проводимостью в большое, называют напряжением переключения.
Похожий эффект возможно получить, присоединив управляющий электрод к слою р2 тиристора, по которому пропущен ток, схожий по направлению с током через П3 переход.
Совершив изменение значения силы тока в управляющем электроде, возможно при стабильном напряжении источника тока включать или запирать тиристор. Самое малое значение силы тока в управляющем электроде, от которого осуществляется переключение тиристора, называют током управления.
Немного о представлении тиристора: к крайним областям монокристалла приставлены силовые электроды - катод и анод, а к одному из промежуточных слоев - управляющий электрод. В изготовлении тиристора четырехслойный монокристалл припаивают на кристаллодержатель и вмещают в герметичный корпус.
Действующее оформление в металлическом корпусе штыревого тиристора в основном не отличается от обычного плоскостного полупроводникового диода.
Также тиристор имеет внешний вид таблеточного типа. Тиристор во включѐнном состоянии пропускает большие токи, от чего впоследствии нагревается. Поэтому во время работы тиристоры нужно охлаждать, то есть к его металлокерамическому корпусу крепят радиатор (охладитель).
Тиристоры имеют широкое применение в управлении электроприводом, в вычислительной технике, в автоматике.
Важнейшее значение в современной технике играют компоненты электронных схем, большая часть которых построена с применением особых веществ, названных полупроводниками. Рассмотрим особенности протекания электрического тока в полупроводниках.
Проводимость полупроводника
Главное свойство полупроводников, результатом которого является широчайшее их распространение в современной электронике, является возможность легкого управления проводимостью. Это дает возможность использовать полупроводники для усиления и преобразования самых разных электрических сигналов.
Изначально полупроводниковые приборы строились в основном на основе германия. В настоящее время самое широкое применение находит кремний.
Строение кристалла полупроводника
Рис. 1. Структура связей в кристалле кремния.
Электронная проводимость
Наконец, наступает момент, когда энергия некоторых валентных электронов позволяет им совсем покинуть область электронной связи, и стать свободными. Число таких электронов с температурой повышается, и кристалл все лучше проводит электрический ток. У него появляется электронная проводимость.
Дырочная проводимость
В отсутствие электрического поля дырки образуются и исчезают хаотично. Однако, если такое поле появляется, дырка будет заполняться электронами из соседних атомов в основном под действием этого поля. То есть, под действием поля дырка начинает движение – в полупроводнике возникает дырочная проводимость.
Таким образом, кратко электрический ток в полупроводниках можно представить в виде движения электронов и дырок.
Собственная и примесная проводимость
Собственная проводимость чистого полупроводника, как правило, невелика, существенно меньше, чем проводимость металлов. Для работы в электронных схемах это большой недостаток. Для увеличения проводимости в полупроводник вводят специальные примеси.
Атомы примеси подбираются так, чтобы они легко встраивались в кристаллическую структуру полупроводника, и при этом значительно влияли на его проводимость, несмотря на небольшое количество примеси. Такой результат можно получить, если валентность примеси будет немного отличаться (на единицу) от валентности вещества полупроводника.
Донорная и акцепторная проводимость
Рис. 2. Электронная проводимость полупроводника.
Рис. 3. Дырочная проводимость полупроводника.
Изменяя концентрацию примесей, можно значительно менять как электронную, так и дырочную проводимость. Эта возможность широко используется в электронике.
Что мы узнали?
Что такое полупроводники. Кратко
Полупроводник — это материал, который обладает лучшей проводимостью, чем изоляционный материал (в том числе керамика), но меньшей в сравнении с проводниками, такими как медь. Полупроводники могут быть чистыми элементами, как, например, кремний или германий, или химическими соединениями, как арсенид галлия или селенид кадмия.
Читайте также: