Перечислите принципиальные отличия полупроводников от металлов кратко

Обновлено: 04.07.2024

До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале Ом·м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на порядков: Ом·м.

Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники: их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне Ом·м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения (Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками). Наиболее широко примененяются кремний и германий .

Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис. 1 .

Рис. 1. Зависимость для полупроводника

Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой — как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.

Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.

Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.

Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого — различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.

Ковалентная связь

Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе — их атомы скрепляет ковалентная связь. Давайте вспомним, что это такое.

Рис. 2. Ковалентная связь

Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь — это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар. По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной.

Кристаллическая структура кремния

Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник — кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник — германий.

Пространственная структура кремния представлена на рис. 3 (автор картинки — Ben Mills). Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, — это каналы ковалентной связи между атомами.

Рис. 3. Кристаллическая структура кремния

Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами. Почему так получается?

Дело в том, что кремний четырёхвалентен — на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).

Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (рис. 4 ).

Рис. 4. Кристаллическая решётка кремния

Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.

Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам — они не проводят электрический ток.

Собственная проводимость

Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?

При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости) — точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.

Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.

Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5 . На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка — вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся нескомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.

Рис. 5. Образование свободных электронов и дырок

При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно.

На рис. 6 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле . В левой части рисунка — начальное положение дырки.

Рис. 6. Движение дырки в электрическом поле

Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля — то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.

Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля , а дырки — в направлении вектора .

Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью, или проводимостью n-типа. Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью,или проводимостью p-типа (от первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный)). Обе проводимости — электронная и дырочная — вместе называются собственной проводимостью полупроводника.

Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.

При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно см . Концентрация же атомов кремния — порядка см . Иными словами, на атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов.

Примесная проводимость

Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.
Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка . После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.

На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями — атомами кремния (рис. 7 ). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?

Рис. 7. Полупроводник n-типа

Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости. Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.

Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.

Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными. Например, пятивалентный мышьяк — донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными — дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа (или просто n-полупроводниками).

А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.

Предположим, что примесь составляет , то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка см .

Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: см . Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью — ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна см . Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.

Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.

Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь — например, индий . Результат такого внедрения показан на рис. 8 .

Рис. 8. Полупроводник p-типа

Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка.

Трёхвалентный индий — пример акцепторной примеси.

Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью — это дырочный полупроводник, или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник).

Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки — основные носители заряда. Свободные электроны — неосновные носители заряда в p-полупроводнике. Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.

p–n-переход

Место контакта двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом, или p–n-переходом. В области p–n-перехода возникает интересное и очень важное явление — односторонняя проводимость.

На рис. 9 изображён контакт областей p- и n-типа; цветные кружочки — это дырки и свободные электроны, которые являются основными (или неосновными) носителями заряда в соответствующих областях.

Рис. 9. Запирающий слой p–n-перехода

Совершая тепловое движение, носители заряда проникают через границу раздела областей.

Свободные электроны переходят из n-области в p-область и рекомбинируют там с дырками; дырки же диффундируют из p-области в n-область и рекомбинируют там с электронами.

В результате этих процессов в электронном полупроводнике около границы контакта остаётся нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в дырочном полупроводнике (также вблизи границы) возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой , внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу контакта.

Рис. 10. Включение в обратном направлении: тока нет

Мы видим, что внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое поле возрастает. Сопротивление запирающего слоя велико, и основные носители не в состоянии преодолеть p–n-переход. Электрическое поле позволяет переходить границу лишь неосновным носителям, однако ввиду очень малой концентрации неосновных носителей создаваемый ими ток пренебрежимо мал.

Рассмотренная схема называется включением p–n-перехода в обратном направлении. Электрического тока основных носителей нет; имеется лишь ничтожно малый ток неосновных носителей. В данном случае p–n-переход оказывается закрытым.

Рис. 11. Включение в прямом направлении: ток идёт

В этом случае внешнее электрическое поле направлено против запирающего поля и открывает путь основным носителям через p–n-переход. Запирающий слой становится тоньше, его сопротивление уменьшается.

Происходит массовое перемещение свободных электронов из n-области в p-область, а дырки, в свою очередь, дружно устремляются из p-области в n-область.

В цепи возникает ток , вызванный движением основных носителей заряда (Теперь, правда, электрическое поле препятствует току неосновных носителей, но этот ничтожный фактор не оказывает заметного влияния на общую проводимость).

Односторонняя проводимость p–n-перехода используется в полупроводниковых диодах. Диодом называется устройство, проводящие ток в лишь одном направлении; в противоположном направлении ток через диод не проходит (диод, как говорят, закрыт). Схематическое изображение диода показано на рис. 12 .

В данном случае диод открыт в направлении слева направо: заряды как бы текут вдоль стрелки (видите её на рисунке?). В направлении справа налево заряды словно упираются в стенку — диод закрыт.

Перечислите свойства полупроводников с примесями донорного и акцепторного типа и опишите их, используя уравнения зонной модели полупроводника и энергетические диаграммы.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными.
Электронные полупроводники (n-типа)
Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,мышьяка). Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Примесная проводимость полупроводников — электрическая проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике донорных или акцепторных примесей. Электрические свойства определяются типом и количеством примесей.
В четырёхвалентный полупроводник добавляют примесь трехвалентного полупроводника. Каждый атом акцепторной примеси забирает электрон, образуя дырку. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны. Полупроводники, у которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются полупроводниками р-типа.

В случае легирования полупроводников донорными примесями

уровень Ферми на их энергетической диаграмме приближается ко дну зоны

проводимости. Легирование акцепторными примесями смещает уровень

Ферми к потолку валентной зоны. При очень высоких концентрациях этих

примесей уровень Ферми оказывается в пределах зоны проводимости

(донорная примесь) или валентной зоны (акцепторная примесь).

Нарисуйте график ВАХ выпрямительного диода, выпишите уравнение такой ВАХ, и перечислите основные параметры линеаризированной модели выпрямительного диода.

Нарисуйте принципиальные схемы выпрямителей тока (однополупериодного и двухполупериодного) и опишите принципы их действия в условиях работы на нагрузку, указав на особенности фильтрации пульсаций тока и ограничения на мощность используемых диодов.

Рассмотрим коротко наиболее распространенные схемы выпрямителей напряжения, построенные на полупроводниковых диодах.

В зависимости от мощности нагрузки и требований к амплитуде пульсаций выходного напряжения в схемах источников питания современной радиоэлектронной аппаратуры встречаются однофазные однополупериодные и двухполупериодные выпрямители напряжения (для нагрузок малой и средней мощности) и трехфазные выпрямители (для нагрузок большой мощности).

Рис. 3.7. Схема однополупериодного выпрямителя с согласующим трансформатором и фильтрующим конденсатором

Представленный на рис. 3.7 выпрямитель питается от промышленной сети. Поскольку напряжение в сети чаще всего не соответствует требуемой величине напряжения на нагрузке R_Н, используется согласующий трансформатор с необходимым коэффициентом трансформации. Электрическая емкость С_Ф нужна для уменьшения пульсаций напряжения на нагрузке. Вместе с сопротивлением вторичной обмотки трансформатора Тр, динамическим сопротивлением полупроводникового диода Д и сопротивлением нагрузки R_Н, эта емкость образует фильтр низких частот. Сам выпрямитель (на рис. 1 он очерчен пунктирным прямоугольником) содержит лишь две детали – диод Д и емкость фильтра С_Ф.

На рис. 3.8 изображены временные диаграммы напряжений на входе и выходе выпрямителя. Видно, что входное напряжение выпрямителя (напряжение U_I _I, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора Тр) имеет синусоидальную форму. Временная зависимость его выходного напряжения (напряжения на нагрузке, U_Н) зависит от того, используется ли в выпрямителе конденсатор фильтра С_Ф. На нижнем графике рис. 3.8 сплошными линиями показана форма выходного напряжения выпрямителя при отсутствии конденсатора С_Ф. Видно, что в пределах каждого отрицательного полупериода напряжения U_I _I выходное напряжение U_Н равно нулю. Ясно, что такое напряжение совершенно не годится для питания радиоэлектронной аппаратуры. Однако ситуация значительно улучшается при использовании фильтрующего конденсатора. В этом случае форма напряжения U_Н будет иметь вид, представленный ломанной пунктирной линией.

Рис. 3.8. Диаграммы входного и выходного напряжений однополупериодного выпрямителя

Восходящие отрезки на пунктирной линии, А_iБ_i (i = 1, 2, …), соответствуют интервалам времени, в течение которых происходит заряд конденсатора С_Ф частью тока, протекающим через выпрямительный диод Д (другая часть – это ток, протекающий в течение этого же отрезка времени через сопротивление нагрузки R_Н). Нисходящие отрезки Б_iА_i ₊₁ (i = 1, 2, …) соответствуют разряду этого конденсатора через сопротивление нагрузки R_Н. Очевидно, что разряд будет протекать медленнее, если емкость конденсатора С_Ф увеличить. Таким образом можно снизить пульсации выходного напряжения выпрямителя.

В случае повышенной мощности, потребляемой нагрузкой, для сглаживания выходного напряжения однополупериодного выпрямителя требуются конденсаторы с очень большой величиной емкости. Поскольку такие конденсаторы имеют слишком большие габариты и высокую стоимость, применение однополупериодных выпрямителей в таких случаях становится нецелесообразным.

Двухполупериодный выпрямитель, схема которого представлена на рис. 3.9 (в пределах площади пунктирного прямоугольника), позволяет достичь лучшего сглаживания выходного напряжения. В таком выпрямителе эффективно используются как полупериоды положительного входного напряжения, так и отрицательные полупериоды. Действительно, в положительном полупериоде напряжения U_II ток течет по следующему пути: от верхнего вывода вторичной обмотки трансформатора Тр через диод Д₂, сопротивление нагрузки R_Н и диод Д₄ к нижнему выводу этой же обмотки. В отрицательном полупериоде – от нижнего вывода вторичной обмотки Тр через диод Д₃, нагрузку R_Н и диод Д₁ к верхнему выводу указанной обмотки.

Рис. 3.9. Схема двухполупериодного выпрямителя с согласующим трансформатором и фильтрующим конденсатором

Таким образом, через нагрузку R_Н ток I_Н течет в течении обоих полупериодов в одном и том же направлении (сверху – вниз), создавая падение напряжения одной полярности.

Нарисуйте принципиальную схему параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне и опишите принципы действия этого электронного узла в условиях работы без нагрузки и с нагрузкой, указав на связь минимального и максимального входного напряжения с параметрами стабилитрона.

Полупроводниковые стабилитроны. Полупроводниковые стабилитроны предназначены для стабилизации напряжений. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя р- п-перехода при включении диода в обратном направлении и его малом дифференциальном сопротивлении в области пробоя.

Основные параметры стабилитронов и их типовые значения:

1. Напряжение стабилизации U_ст- падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (от нескольких вольт до сотен вольт).

2. Максимальный ток стабилизации I_{ст.макс} (от нескольких мА до
нескольких А).

3. Минимальный ток стабилизации I_ст.мин (от долей мА до десятков мА).

4. Дифференциальное сопротивление r_диф, которое определяется при заданном значении тока на участке (от долей Ом до тысяч Ом).

5. Минимальный ток стабилизации I_ст.мин (от долей до десятков мА).

6. Температурный коэффициент напряжения стабилизации a_ст - относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на DT (a_ст равно тысячным долям процента).

Принципиальная схема маломощного стабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне приведена на рис. 3.12. Рассмотрим принципы работы рассматриваемого стабилизатора, используя метод линеаризированной ВАХ.

Рис. 3.12. Схема параметрического стабилизатора со стабилитроном в качестве нелинейного элемента

Линеаризированная схема замещения, соответствующая заданной нелинейной схеме, представлена на рис. 3.13. При построении данной схемы мы учли то, что рабочая точка стабилитрона должна находиться в области пробоя его р-п-перехода. При этом ток стабилитрона не должен быть меньше справочного значения его минимального тока (только в таком случае стабилитрон будет обеспечивать достаточно высокий коэффициент стабилизации напряжения на нагрузке).

Рис. 3.13. Линеаризированная схема замещения стабилизатора, представленного на рис. 3.12.

Изменение тока через нагрузку (DI_II= I_IIмакс - I_IIмин) будет определяться изменением второго слагаемого в последнем равенстве:

откуда видно, что при r_стаб = 0 нестабильность тока (DI_II) в нагрузочном сопротивлении равна нулю при любой нестабильности (DЕ) входного напряжения. Это значит, что в таком идеальном случае и напряжение на нагрузке совершенно стабильно:

Учитывая, что r_стаб 10 6 Ом -1 см -1 и число атомов в металле 10 23 , а значит велико и количество электронов, способных переносить заряды. Диэлектрики, на практике, имеют проводимость σ -10 Ом -1 см -1 , концентрация электронов в полупроводнике варьируется от нуля (тогда они являются изоляторами) до концентрации, близкой к концентрации электронов в металле (тогда они являются проводниками).
2 отличие - зависимость электропроводности от температуры:

При повышении температуры проводимость металлов падает, а проводимость полупроводников растет. Это объясняется тем что в металлах с повышением температуры за счет теплового движения возрастает частота и амплитуда колебаний положительных ионов. Это препятствует движению электронов.
3 отличие - чувствительность к примесям:

Примеси в металле нарушают кристаллическое строение, и проводимость такого металла оказывается меньше, чем чистого. Электропроводимость проводников при этом резко возрастает. Объясняется это тем, что у полупроводников, в которые специально внесены примеси, электрические свойства увеличиваются в миллионы раз, т.к. примеси легко ионизируются под влиянием внешних воздействий и выделяют свободные электроны.

В бездефектном кристалле полупроводника свободные носители образуются вследствие возрастания амплитуды колебаний атомов кристаллической решетки при повышении температуры кристалла. Тепловые колебания атомов носят случайный характер. Это приводит к тому, что растяжение различных межатомных связей оказывается различным – в целом по кристаллу найдется достаточно большое число связей, которые оказываются растянутыми выше критического предела. В результате этого такие связи разрываются, что означает отрыв одного из электронов связи и его удаление от этой межатомной связи на значительное расстояние. Таким образом, образуется один свободный электрон (способный переносить заряд) и дырка (с зарядом +).

2. Опишите основные понятия зонной модели полупроводников, нарисуйте энергетическую диаграмму, укажите ее параметры и представьте зависимость концентраций свободных носителей от ширины запрещенной зоны и температуры.

Зонная структура полупроводников образуется тремя зонами. Первая - это зона проводимости, та, которую мы назвали четвертым уровнем, электроны которого участвуют в проводимости электрического тока. Вторая - это валентная зона, в нашем случае это энергии ниже четвертого уровня. Эта зона объединяет в себе все валентные оболочки атомов. Разделяет их запрещенная зона, та, на которой не может находиться ни один электрон. При помощи зонной диаграммы для любого вещества можно легко охарактеризовать его проводящие свойства. Всё определяется шириной запрещенной зоны. У металлов она заполнена электронами, так что можно сказать, что ее как таковой нет, у диэлектриков она слишком широкая (требуется слишком много энергии, чтобы перевести электрон в зону проводимости). Полупроводники способны преодолеть запретную зону при нагреве. При температурах отличных от 0К в полупроводниках постоянно происходит генерация (переход электрона из валентной зоны в зону проводимости), это связанно с приобретением электроном дополнительной тепловой энергии. Но долго находиться в зоне проводимости электрон не может, поэтому рано или поздно он вернется обратно. Этот процесс называется рекомбинацией. Ef - это уровень Ферми. Это тот энергетический уровень, вероятность занять который равна 1/2, при этом находиться на нем электрон не может, так как располагается этот уровень в запрещенной зоне. Все электроны находятся ниже этого уровня и только в следствие тепловой генерации способны перепрыгивать его.

Практические расчеты концентрации свободных носителей в

бездефектном беспримесном полупроводнике для заданной температуры следует вести по формуле: E_G – ширина запрещенной зоны. E_G – ширина запрещенной зоны.

Это — вещества, в которых количество подвижных носителей зарядов при обычном состоянии полупроводника ничтожно, но значительно (в тысячи раз) увеличивается при внешних воздействиях, например при нагревании, поглощении света и т. п.

Полупроводниками в широком смысле слова называют вещества, по своему удельному сопротивлению (примерно от 10 6 до 10 -3 ом • см) находящиеся между проводниками и диэлектриками, например шифер, сланец, влажное дерево и др.

Какие элементы считаются полупроводниками

К полупроводникам относится часть элементов IV, V и VI групп таблицы Менделеева, а также значительная часть окислов, Сернистых и других соединений металлов. Характерными полупроводниками являются кремний, германий, селен, закись меди и др.

Как указывалось, сила тока в проводнике прямо пропорциональна концентрации (количество в единице объема) носителей зарядов и средней скорости перемещения их в направлении поля. При постоянном приложенном напряжении (U = const) эта скорость также постоянна, следовательно, сила тока I прямо пропорциональна концентрации N зарядов:

I~N.

Если это сопоставить с формулой закона Ома:

I = U/R = UG,

то получим, что электропроводность G прямо пропорциональна концентрации N зарядов:

G ~ N.

Поскольку при внешних воздействиях в полупроводниках изменяется концентрация носителей зарядов, то соответственно будет изменяться и их электропроводность.

Различие между полупроводником и металлами

Физическими носителями зарядов в полупроводниках являются электроны. Однако в связи с некоторым различием процесса образования тока в них полупроводники разделяются на две основные группы: электронные и дырочные.

В электронных полупроводниках (типа n, от латинского слова negati υe — отрицательный) имеются свободные электроны, которые в процессе теплового движения могут перемещаться по всей массе полупроводника подобно электронам в металлах (рис. 2, а, на котором, как и на последующих, обозначено: полным кружком — атомы электрически нейтральные, кружком с выемкой — атомы, потерявшие электрон, маленьким кружком — электроны).

Основное различие между полупроводниками и металлами заключается в том, что концентрация свободных электронов в металлах достаточно высокая и практически не зависит от температуры. В полупроводниках она при обычных температурах в миллионы раз меньше, однако внешние воздействия, особенно нагревание, повышают концентрацию сво бодных электронов в тысячи и даже сотни тысяч раз.

Если на электронный полупроводник действует электрическое поле, то движение электронов принимает направленный характер (рис. 2, б; линии напряженности поля показаны пунктиром), т. е. в полупроводнике образуется электрический ток, хотя и незначительный по величине. На рис. 208, а показана схематически цепь, содержащая электронный полупроводник. На его границах происходит переход электронов из внешней цепи в полупроводник или обратно.

В дырочных полупроводниках (типа р, от латинского слова positive — положительный) движение электронов ограничено, они могут перескакивать от одного атома к другому, вблизи лежащему. В связи с этим некоторые электрические процессы в этих полупроводниках протекают иначе, чем в полупроводниках электронных, вследствие чего они и выделены в особую группу. При этом оказалось, что образование тока в них удобнее связать не с перемещением электронов, а с условным движением особых носителей положительных зарядов, называемых дырками.

Понятие дырки связано с кристаллическим строением вещества. Дыркой называется незаполненная связь атома, находящегося в узле пространственной решетки вещества, с соседними атомами или, другими словами, свободное место в атоме, находящемся в пространственной решетке., которое может быть занято посторонним ему электроном. Дырки при этом рассматриваются как эквивалент положительного заряда, по величине равного электрону. Простейшим примером дырки является свободное вместо электрона у положительного иона, находящегося в пространственной решетке из атомов того же вещества.

Как работает полупроводник

Рассмотрим полупроводник, в пространственной решетке которого тем или иным путем образовались дырки. В процессе теплового движения наиболее слабо связанные с ядром электроны соседних атомов могут перескакивать в эти дырки.

При этом будут заполняться (ре комбинироваться) одни дырки и образовываться вновь другие, в результате чего дырки будут беспорядочно перемещаться по всей массе полупроводника (рис. 4, а). Если на полупроводник действует электрическое поле, то перескок электронов между дырками, а соответственно и перемещение самих дырок примет направленный характер (рис. 4, б). На рис. 4, в показан конечный результат: все дырки переместились к отрицательному электроду.

Это явление представляет собой электрический ток (направленное движение зарядов) в полупроводнике, образование которого можно связать или с цепочечным перескоком электронов как физических носителей отрицательных зарядов, или с перемещением в обратном направлении дырок как условных носителей положительных зарядов.

Последнее является более удобным, так как позволяет лучше отличить явления, которые происходят в дырочном полупроводнике, от аналогичных явлений в электронном полупроводнике. Таким образом, ток в этом случае рассматривается как направленное движение положительных зарядов — дырок, а полупроводник соответственно называется дырочным.

На рис. 3, б показана цепь, содержащая дырочный полупроводник. На электроде, к которому подходят электроны из внешней цепи, происходит их рекомбинация с дырками, около противоположного электрода образуются дырки путем отделения электронов, которые переходят во внешнюю цепь.

В общем случае в любом полупроводнике имеется как электронная, так и дырочная проводимость. Пусть, например, в результате нагревания у части атомов полупроводника освободились электроны, они создают электронную проводимость. В то же время на месте оторвавшихся электронов остались дырки, в которые могут переходить электроны от другой части атомов.

Эти дырки создают дырочную проводимость. При действии на подобный полупроводник электрического поля движение как электронов, так и дырок, суммируясь, образует полный ток в полупроводнике, обусловленный его смешанной электронно-дырочной проводимостью. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводника. Она сравнительно невелика.

В силу ряда причин (естественные нарушения в пространственной решетке, наличие ничтожного количества инородных примесей и т. п.) в реальных условиях у полупроводников обычно преобладает одна из проводи мостей: или электронная или дырочная. Чаще тот или другой характер проводимости придается полупроводнику искусственно с помощью примесей.

Для этого к атомам полупроводника примешиваются, например, путем сплавления атомы веществ, отличающихся от него по валентности. Атомы примесей, попадая в полупроводник, занимают места в его пространственной решетке и образуют связи с соседними атомами. Если примесные атомы имеют больше валентных электронов, чем атомы основного вещества, например пятивалентные элементы в четырехвалентном полупроводнике, то лишние (не образующие связь с соседними атомами) электроны освобождаются и увеличивают электронную проводимость полупроводника.

Элект роны в данном случае будут основными носителями зарядов и концентрация их в полупроводнике будет высокая. Если в таком полупроводнике имеются (или образуются) дырки, то они являются неосновными носителями зарядов и концентрация их будет значительно более низкой.

Если примесные атомы имеют меньше валентных электронов (трехвалентные элементы в четырехвалентном полупроводнике), то при образовании связи с атомами основного вещества к ним переходят электроны соседних атомов, у которых соответственно образуются дырки. Таким образом увеличивается дырочная проводимость полупроводника. Дырки будут основными носителями зарядов и концентрация их в полупроводнике будет высокая. Если у таком полупроводнике имеются (или образуются) свободные электроны, то они являются неосновными носителями зарядов и концентрация их будет значительно более низкой.

Пример на основе германия

Если некоторые атомы в кристаллической решетке германия будут заменены примесными атомами с пятью валентными электродами например мышьяком, то при образовании общих электронных оболочек один из электронов в примесном атоме оказывается лишним он открывается и делается свободным.

Полупроводник приобретает электронную проводимость. Наоборот, если некоторые из атомов германия будут замешены примесными атомами с тремя валентными элементами, например индия, то при образовании общих оболочек одна из них будет неполной, в нее могут переходить электроны из соседних атомов, у которых, таким образом, образуются дырки и полупроводник приобретает дырочную про водимость.

Образованная таким образом проводимость называется примесной проводимостью полупроводника и обычно превышает собственную его проводимость в сотни и даже тысячи раз.

Статья на тему Полупроводники

Описание проводников

Проводники обладают наивысшей электропроводностью из всех типов веществ. Все проводники подразделяются на две большие подгруппы:

Металлы (медь, алюминий, серебро) и их сплавы.
Электролиты (водный раствор соли, кислоты).

В веществах первой подгруппы перемещаться способны только электроны, поскольку их связь с ядрами атомов слабая, в связи с чем, они достаточно просто от них отсоединяются. Так как в металлах возникновение тока связано с передвижением свободных электронов, то тип электропроводности в них называется электронным.

Параллельное соединение проводников

Из проводников первой подгруппы используют в обмотках электромашин, линиях электропередач, проводах. Важно отметить, что на электропроводность металлов оказывает влияние его чистота и отсутствие примесей.

Движиение электрического тока

В веществах второй подгруппы при воздействии раствора происходит распадение молекулы на положительный и отрицательный ион. Ионы перемещаются вследствие воздействия электрического поля. Затем, когда ток проходит через электролит, происходит осаждение ионов на электроде, который опускается в данный электролит. Процесс, когда из электролита под воздействием электрического тока выделяется вещество, получил название электролиз. Процесс электролиза принято применять, к примеру, когда добывается цветной металл из раствора его соединения, либо при покрытии металла защитным слоем иных металлов.

Чем отличается проводник от полупроводника?

Основным отличием проводника от полупроводника является способность к проводимости электрического тока. У проводника она на порядок выше.

Когда поднимается значение температуры, проводимость полупроводников также возрастает; проводимость проводников при повышении становится меньше.

В чистых проводниках в нормальных условиях при прохождении тока высвобождается гораздо большее количество электронов, нежели в полупроводниках. При этом, добавление примесей снижает проводимость проводников, но увеличивает проводимость полупроводников.

Наука Электроника и техникаКомментировать

Свойства проводников и полупроводников

Очень многие вещества способны проводить электрический ток. Они могут находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Основными проводниками, применяемыми в электротехнике, являются различные виды металлов или их сплавов. Они отличаются высокими качествами проводимости и электрическим сопротивлением, характерным для каждого материала.

В электротехнике металлы применяются в качестве проводников, конструкционных и контактных материалов, а также для спаивания между собой любых видов проводников. Основным свойством проводников является наличие в них свободных электронов, обеспечивающих прохождение электрического тока.

К категории полупроводников относятся вещества, занимающие промежуточное место между . Эти границы достаточно условны, поскольку под влиянием различных факторов, полупроводники могут иметь свойства и проводников и изоляторов. Например, под влиянием низких температур, они становятся диэлектриками, а при повышении температуры, в них начинают появляться свободные носители зарядов. Это связано с тем, что при росте температуры, возрастают и колебания кристаллической решетки, разрывая определенные валентные связи и образуя свободные электроны, проводящие электрический ток.

Сравнение

Определив, в чем разница между полупроводниками и проводниками, зафиксируем выводы в таблице.

Что представляют собой полупроводники?

Под полупроводниками понимаются химические элементы, обладающие ограниченной способностью передавать электрический ток. Это обусловлено небольшим количеством свободных электронов, формирующихся в их структуре при подключении электродов.

Типичными полупроводниками считаются такие химические элементы, как кремний — относящийся, в частности, к 4-й группе веществ по периодической системе Д. И. Менделеева. На внешней оболочке кремния располагается 4 электрона, классифицируемых как валентные. К иным чистым полупроводникам можно отнести, к примеру, германий.

Одна из главных характеристик полупроводников — удельное сопротивление. Оно может находиться в интервале от 10 в 4 до 10 в минус 5 степени Ом на метр. Для того чтобы понизить удельное сопротивление рассматриваемых элементов, в их состав могут быть включены легирующие примеси. Такие как, например, бор и мышьяк.

Если легирование полупроводников осуществляется посредством элементов 5-й группы (например, при использовании мышьяка), то проводник будет относиться к n-типу. У элементов 5-й группы на внешней оболочке располагается 5 электронов. Поэтому при легировании полупроводника часть из них освобождается, вследствие чего элемент приобретает проводимость.

Можно отметить, что пограничная область, располагающаяся между полупроводниками p-типа и n-типа, обладает свойством проводить ток только при подключении электродов в определенном положении. Благодаря данной особенности функционируют различные электронные компоненты, в составе которых используются полупроводниковые вещества, — диоды, транзисторы.

Еще одно примечательное свойство рассматриваемых элементов — усиление проводимости по мере увеличения температуры.

О полупроводниках

Полупроводник выступает в роли промежуточного вещества между проводником и диэлектриком. Самыми яркими представителями данного типа веществ являются кремний, германий, селен. Помимо этого, к данным веществам принято относить элементы четвертой группы периодической таблицы Дмитрия Ивановича Менделеева.

Полупроводники: кремний, германий, селен

Увеличить проводимость полупроводниковых веществ можно путем внесения в них различных примесей. Данный прием широко распространен в промышленной электронике: в диодах, транзисторах, тиристорах. Рассмотрим более подробно главные отличия проводников от полупроводников.

Что такое полупроводник

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Что представляют собой проводники?

Под проводниками понимаются химические элементы, в которых есть электроны, способные отделяться от одного ядра и перемещаться к другому при подключении тока. Как правило, это металлы. Хорошими проводниками считаются медь, алюминий.

Чем чище металл — тем большей проводимостью он обладает. Примеси снижают данное свойство. При нагревании металлов их проводимость снижается — в то время как у полупроводников, как мы отметили выше, увеличивается.

Читайте также: