Чем отличаются полупроводники типа p и n кратко

Обновлено: 07.07.2024

- вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R ) увеличивается. Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.

При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый( без примесей), то он обладает собственной проводимостью? которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны - сопротивление уменьшается.

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном - "дырка".

Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда.

Кроме нагревания , разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением ( фотопроводимость ) и действием сильных электрических полей

Полупроводники при наличии примесей

- являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.

Это проводники " n " - типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда - электроны, а неосновной - дырки.

Это полупроводники " p "- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда - дырки, а неосновной - электроны.

"p-n" переход (или электронно-дырочный переход) - область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой.Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

При прямом (пропускном) направлении внешнего эл.поля эл.ток проходит через границу двух полупроводников.

Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.

Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Полупроводник — материал, без которого не мыслим современный мир техники и электроники. Полупроводники проявляют свойства металов и неметаллов в тех или иных условиях. По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками. Полупроводник отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от наличия в кристаллической решетки элементов-примесей (примесные элементы) и концентрации этих элементов, а также от температуры и воздействия различных видов излучения.
Основное свойство полупроводника - увеличение электрической проводимости с увеличением температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. Ширина запрещённой зоны — это ширина энергетического зазора между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны, в котором отсутствуют разрешённые состояния для электрона.
Величина ширины запрещённой зоны имеет важное значение при генерации света в светодиодах и полупроводниковых лазерах и определяет энергию испускаемых фотонов.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы: Si кремний, Ge германий, As мышьяк, Se селен, Te теллур и другие, а также всевозможные сплавы и химические соединения, например: йодид кремния, арсенид галлия, теллурит ртути и др.). В общем почти все неорганические вещества окружающего нас мира являются полупроводниками. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий по приблизительным подсчетам почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли атом примесного элемента электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Донорские и акцепторные свойства атома примесного элемента зависят также того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Как выше упоминалось, проводниковые свойства полупроводников сильно зависит от температуры, а при достижениитемпературы абсолютного нуля (-273°С) полупроводники имеют свойства диэлектриков.

По виду проводимости полупроводники подразделяют на n-тип и р-тип

Полупроводник n-типа

По виду проводимости полупроводники подразделяют на n-тип и р-тип.

Теория процесса переноса заряда описывается следующим образом:

В четырёхвалентный Si кремний добавляют примесный элемент, пятивалентный As мышьяка. В процессе взаимодействия каждый атом мышьяка вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Но остается пятый свободный атом мышьяка, которому нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную орбиту, где для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный, способный переносить заряд. Таким образом перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам.
Также сурьмой Sb улучшают свойства одного из самых важных полупроводников – германия Ge.

Полупроводник p-типа

Исследуя свойства полупроводниковых элементов и материалов, изучая свойства контакта проводника и полупроводника, экспериментируя в изготовлении полупроводниковых материалов, О.В. Лосев 1920-х годах создал прототип современного светодиода.

чем отличаются полупроводники п типа от н типа?в 2-3 предложениях ответьте если это возможно.

полупроводник п типа "positive"- положительный. Дырка в полупроводнике ведёт себя как положительный заряд. Полупроводник н типа "negative" - отрицательный. дырка ведёт себя как отрицательный заряд.

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

Внесение в полупроводник примесей существенно влияет на поведение электронов и энергоуровни спектра кристалла. Валентные электроны примесных атомов создают энергетические уровни в запрещенной зоне спектра. К примеру, если в решетке германия один атом замещен пятивалентным атомом фтора, то энергия дополнительного электрона станет меньше, чем энергия, которая соответствует нижней границе зоны проводимости. Энергетические уровни подобных примесных электронов находятся ниже дна зоны проводимости. Эти уровни заполненные электронами называют донорными. Для перевода электронов с донорных уровней в зону проводимости необходима энергия меньше, чем у чистого полупроводника. После того как электроны переброшены в зону проводимости с донорных уровней, говорят, что в полупроводнике появилась проводимость n-типа. Полупроводники с донорной примесью называют электронными (донорными) или полупроводниками n-типа (negative - отрицательный). Электроны в полупроводниках n -- типа служат как основные носители заряда, дырки -- неосновными. Энергетическая диаграмма такого полупроводника изображена на рис.1.

Полупроводники p типа

В полупроводнике, который содержит акцепторную примесь, электроны довольно легко переходят из валентной зоны на акцепторные уровни. В такой ситуации в валентной зоне появляются свободные дырки. Число дырок в данном случае существенно больше, чем свободных электронов, которые образовались при переходе из валентной зоны в зону проводимости. В данной ситуации дырки -- основные носители заряда, электроны -- неосновные. Проводимость полупроводника, который включает акцепторную примесь, носит дырочный характер, сам проводник при этом называется дырочным (акцепторным) или полупроводником p-типа (positive - положительный). Энергетическая диаграмма полупроводника p-типа приведена на рис.2.

Готовые работы на аналогичную тему

p-n переход

p-n переход создают в естественном полупроводнике легированием донорными и акцепторными примесями по разные стороны от границы раздела. При этом область, в которую вводились донорные примеси становится n-областью с электронной проводимостью, область в которую ввели акцепторные примеси - p-областью с преимущественной дырочной проводимостью.

Так как в n- области концентрация электронов больше (в сравнении с концентрацией дырок), а в p- области наоборот, то электроны диффундируют из n- области, в p- область, а дырки в обратном направлении. В результате в n- области возникает положительный заряд, а в p- области отрицательный Появляющаяся таким образом, разность потенциалов и электрическое поле пытаются замедлить диффузию положительных и отрицательных зарядов. При некотором напряжении возникает равновесие. Так как заряд электрона меньше нуля, то рост потенциала ведет к уменьшению потенциальной энергии электронов и росту потенциальной энергии дырок. Как следствие роста потенциала n- области потенциальная энергия электронов в этой области уменьшается, а в p- области увеличивается. С потенциальной энергией дырок дело обстоит наоборот. Характер изменения электрического потенциала совпадает с характером изменения потенциальной энергии дырок.

Итак, возникает потенциальный барьер, который противостоит потоку диффузии электронов и дырок со стороны перехода с их большей концентрацией, то есть напору электронов со стороны n- области и напору дырок из p- области. Этот потенциальный барьер растет до величины, при которой появляющееся на переходе электрическое поле порождает такие токи из носителей заряда, которые полностью компенсируют диффузионные потоки. Так достигается стационарное состояние.

Электроны и дырки в зоне проводимости полупроводников имеют конечное время жизни. Дырки, которые попали из p- области в n- область диффундируют в ней в течение некоторого времени, а затем аннигилируются с электронами. Так же ведут себя электроны, которые попали из n- области в p- область. Следовательно, концентрация избыточных дырок в n- области и концентрация электронов в p- области уменьшается (по экспоненте) при удалении от границы перехода.

[Примечание] Обычно энергия Ферми p и n- областей полупроводников отличается примерно на 1эВ. Значит, разность потенциалов, которая появляется на переходе и выравнивает энергии Ферми по разные стороны перехода, имеет величину порядка 1В.

Электрический ток, через p-n переход

Допустим, что напряжение приложено так, что у n- области потенциал имеет знак минус, со стороны p- области -- плюс. Потенциальный барьер в таком случае, для основных носителей тока уменьшатся. Следовательно, сила тока основных носителей растет. Сила тока неосновных носителей почти не изменяется, так как диффузионный ток определен концентрацией носителей заряда и не зависит от приложенной разности потенциалов.

Если внешнее напряжение приложено так, что у n- области потенциал больше нуля, а со стороны p- области меньше нуля, то для основных носителей тока потенциальные барьеры увеличиваются. Тогда ток основных носителей почти равен 0. Ток неосновных носителей не изменяется. Если ток в направлении от n- области к p-области не течет, то такое направление называют запорным. Обратное направление называют проходным.

Переход металл -- полупроводник имеет способность пропускать ток в одном направлении и не пропускать в другом. Причем, полупроводник может быть любого типа. Это явление связано с тем, что любой полупроводник по отношению к металлу очень беден свободными электронами. В случае перехода металл -- проводник, проходным направлением будет направление от полупроводника к металлу.

p-n переход действует как диод, так как имеет одностороннюю проводимость. Наиболее часто применяемыми материалами для создания p-n переходов служат германий и кремний. У германия концентрация основных носителей больше, чем у кремния, больше их подвижность. Из-за этого проводимость p-n переходов в германии в проходном направлении существенно больше, чем у кремния, но соответственно больше обратный ток. Кремний же можно использовать в широком спектре температур.

Задание: Вольт -- амперная характеристика для p-n перехода в кремний изображена на рис. 3. p-n перехода для германия на рис. 4. Сравните их, объясните различия.

Вольтамперная характеристика p-n перехода показывает, переход имеет одностороннюю проводимость, а именно проводит ток в направлении из области p в область n. (Положительные значения напряжение U соответствуют изменению потенциала на переходе от p области к n области).

Возможной причиной отличий вольтамперной характеристики кремния (рис.3) от вольт -- амперной характеристики германия служит низкая концентрация неосновных носителей в кремнии. Получается при небольших приложенных напряжениях плотность тока (j) неосновных носителей очень мала и только при U=0,6B сила тока начинает расти по экспоненте (у германия это происходит при U=0 B).

Задание: Что такое туннельный эффект?

При большой концентрации атомов примеси в полупроводниках происходит расширение примесных уровней. Уровни перекрывают границу между зонами. Как результат -- уровень Ферми попадает внутрь либо проводящей, либо валентной зоны. При отсутствии внешнего напряжения энергии Ферми по разные стороны перехода одинаковы. При сильном легировании переход становится узким, концентрация неосновных носителей мала.

Если приложить внешнее напряжение в проходном направлении, то появляется небольшой диодный ток. Но, так как по разные стороны перехода, который делится потенциальным барьером энергии носителей равны, возникает так называемый туннельный эффект Носители проходят через потенциальный барьер без изменения энергии. Из-за этого через потенциальный барьер течет значительный ток. При увеличении напряжения энергия электронов в n-области растет, в p --области уменьшатся, при этом область перекрытия примесных уровней становится меньше. Как следствие, уменьшается сила тока. (Максимум тока достигается, когда зоны перекрывают друг друга наибольшим образом). В тот момент, когда примесные зоны сдвигаются относительно друг друга настолько, что каждой из них на другой стороне перехода противостоит запрещенная зона, туннелированние прекращается. При этом сила тока через переход уменьшается. При высоких напряжениях зоны проводимости n и p областей оказываются на одном уровне, возникает обычный диодный ток. Сила тока снова растет. В интервале от первого максимума тока до следующего за ним минимума туннельный диод проявляет эффект отрицательного сопротивления, когда увеличение напряжения ведет к уменьшению силы тока. Рис.5 Вольт -- амперная характеристика туннельного диода.

Полупроводник — это материал, по показателям удельной проводимости занимающий промежуточный пункт между такими компонентами, как диэлектрик и проводник. На их проводящую способность влияют следующие параметры: объем примесей, температуры и влияние разнообразных типов излучения. Ключевое свойство полупроводниковых материалов заключается в том, что возрастает электропроводность в тех случаях, когда повышается температура.

Механизм электрической проводимости

Наибольшим интересом сегодня пользуются полупроводники, особенно электронные. Подобно металлам, в них ток перемещается благодаря электронам. Проводимость металлических элементов так же, как и электронных полупроводников зависит от концентрации токовых энергоносителей. В полупроводниковых элементах содержание электронных частиц, находящихся в независимом положении, в 1000 раз ниже, чем в железе.

В полупроводниках все время проистекают 2 совершенно противоположных процесса:

Освобождение электронных частиц с одновременным расходованием световой либо внутренней энергии.
Воссоединение с ионом, потерявшим свой электрон.

Равновесное состояние между связанными и свободными электронами чисто динамическое. Для перехода из первого положения во второе нужно обеспечить их вспомогательной энергией. Металлический материал даже при невысокой температуре имеет большую долю освобожденных электронов. Усилий между взаимодействием молекул в металлах хватает для высвобождения их определенного количества.

Относительно немного свободных полупроводниковых электронов отрывается от атомов. Последние становятся ионами. Каждый из них окружен огромным числом незаряженных атомов. Нейтральные атомные частицы отдают собственный электрон иону, становясь им, причем незаряженным.

Таким образом, обмен элементарными частицами приводит к смене места расположения положительных атомов в полупроводнике, поскольку плюсовой заряд смещается. Пока на полупроводниковом материале не возникнет внешнего поля, каждому электрону, перемещающемуся в одном направлении, будет противопоставляться движение частиц в противоположную сторону. Подобное действие происходит с положительным зарядом.

Если накладываются внешние поля, процессам обеспечивается приоритетное направление. Освобожденные электроны перемещаются в сторону, противоположному от поля, положительные двигаются внутри него. Образуется односторонний ток, электропроводность создается этими 2-мя процессами.

Виды полупроводников

Все полупроводники делятся на 3 категории:

Атомные. Атом имеет кристаллическую решетку: кремний, бор, сера, фосфор, селен, германий, серое олово, цирконий. Такие элементы относят к 4,5,6 группам периодической таблицы Д. И. Менделеева. Они создают компактную группировку, в которой с левой стороны располагаются полупроводники, имеющие характерное свойство металла, в правой части – металлоиды.
Элементы с ионной решеткой, состоящей из кристаллов. В таких компонентах атомы связываются между собой кулоновскими силами, как пример PbS, CdS.
Полупроводники с истинно нейтральными соединениями. В подобных элементах атомы объединяются в кристаллики одной огромной молекулы: антимонид индия, карбид кремния, арсенид галлия.

По характеру электропроводности

Полупроводниковые материалы выпускаются 2-х разновидностей: самостоятельной (собственной); добавленной за счет примеси электропроводности.

Собственная проводимость

Примесная проводимость

В кристаллики в ходе производства добавляется примесь, вещество с молекулами 3-х либо 5-ти валентного элемента из таблицы Менделеева.

По виду проводимости

Полупроводниковые материалы существуют 2-х разновидностей: электронные (n-вида), дырочные (р-вида).

Электронные полупроводники (n-типа)

Дырочные полупроводники (р-типа)

Использование в радиотехнике

В полупроводниковую категорию относятся материалы, которые способны пропускать через себя электрический ток. Такие вещества по физическим характеристикам располагаются посередке металлов и диэлектриков. Отличаться от железа позволяет способность создавать электрический ток благодаря свету, теплу, электронному потоку и иным источникам энергии. Без подобного воздействия при температуре, приближенной к нулю, они принимают свойства изоляторов. Полупроводники нашли применение в схемах радиотехники в качестве разнообразных деталей.

Термисторы

Электрическая проводимость таких материалов меняется под влиянием температур. Это качество позволяет применять их в приборах, связанных с температурными измерениями. Они намного чувствительнее, чем простые металлические термометры сопротивления. Их называют термисторами, они широко востребованы в технике.

Применение термометров помогает отслеживать температуру одновременно в нескольких местах. Все данные передаются на центральный прибор. Благодаря этому удается поддерживать требуемый температурный уровень за счет запуска и отключения отопительного оборудования. Термисторы регулируют величину сопротивления, меняя температуру в обе стороны.

Фотосопротивление

Даже небольшой свет может способствовать освобождению электронов. За счет повышения тока, усиленного многократно специальными устройствами, получается добиться необходимого сигнала. Подобное явление является фотопроводимостью. Приборы, произведенные на такой основе, называются фотосопротивлениями. Они применяются в электронике: в автоматике и системах сигнализации, там, где нужно контролировать и управлять процессами на удалении. Благодаря приборам предупреждается возникновение аварии и несчастных случаев за счет остановки машин и механизмов в автоматическом режиме.

Полупроводниковый диод

Транзистор

Транзистором называется полупроводниковый радиоэлемент, используемый для изменений характеристик электрического тока, управления им. У простого триода есть 3 вывода: база, куда приходят сигналы, коллектор, эмиттер. Некоторые крупные транзисторы востребованы в промышленности и энергетическом оборудовании, маленькие – в микросхемах.

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В таблице показаны сведения о соединениях полупроводников. Они делятся на следующие виды:

Одноэлементные 4 гр. Менделеевской таблицы.
Сложные: 2-х элементные A3BV и A2B6 из 3-й и 5-й гр., из 2-й и 6-й гр.

Все полупроводниковые элементы имеют интересную характеристику: при добавлении времени запрещённая зона по ширине сокращается.

Физические свойства и применение

Физические характеристики полупроводниковых материалов:

Отличительная уникальность. Отмечается повышение электропроводности при росте температуры, если она невысокая, то электропроводность низкая. Когда t приближается к нулю, полупроводниковые элементы приобретают параметры изоляторов.
Контакт 2-х полупроводников проводит ток исключительно в одну сторону. Такое качество применяется в процессе изготовления различных полупроводниковых элементов: транзисторов, диодов, тиристоров.
Места соприкосновения разнообразных полупроводников, если их освещать или нагревать, становятся истоком фото- или термоэлектродвижущей силы. Приборы, созданные на основе полупроводников, часто встречаются в приемниках радиосигналов, преобразователях, работающих на квантовой энергии, лазерных установках, микрокомпьютерах, атомной батарее. Из полупроводников изготавливают переключатели, усилители, выпрямители.

Методы получения

С помощью небольшого кольцевого нагревателя удается расплавить маленькую часть слитка, затем с медленной скоростью перемещается расплавленный кусок вдоль нагревательного элемента. Если повторить такой процесс много раз, остается чистый слиток, поскольку грязный конец отламывается.

При втором способе медленно вытягивается кусок кристалла из расплава, находящегося в инертном газе. В процессе вытяжки для получения однородной структуры полупроводника и равномерного смешивания введенных примесей создают круговое движение в разные направления с четким контролем температуры плавления. Затем кристалл остывает и идет в производство.

Оптика полупроводников

Полупроводники имеют блеск металла и очень похожи на них как по внешнему виду, так и по свойству отражения и поглощения световой энергии. В видимой зоне спектра они сильно поглощают свет. Характерной спецификой довольно чистых полупроводников является уменьшение поглощательной способности длины волны инфракрасной области.

Список полупроводников

Группа IV

Собственные: кремниевые, из серого олова и германия. Составные: кремниево-германиевые, карбидно-кремниевые.

Группа III-V

2-х компонентные: · арсенид-, антимонид-, фосфид-, нитрид-алюминиевые; · нитрид-, арсенид-, фосфид-борные; · антимонид-, нитрид-, арсенид-, фосфид-галлиевые; · арсенид-, антимонид-, фосфид-, нитрид-индиевые. 3-х, 4-х, 5-ти компонентные.

Группа II-VI

2-х компонентные: сульфидные, селениды, оксидные, теллурид-кадмиевые; сульфид-цинковые и 3-х компонентные.

Группа I-VII

2-х компонентные: хлорид-медные.

Группа IV-VI

2-х компонентные: сульфид-, селенид-, теллурид-свинцовые; селенид-,теллурид-, сульфид-оловянные и 3-х компонентные.

Группа V-VI

2-х компонентные – теллурид-висмута.

Группа II-V

2-х компонентные: арсенид-, фосфид-, антимонид-кадмиевые; арсенид-, фосфид-, антимонид-цинковые.

Другие

Иодид-висмутовые, медные, ртутные, силицид-платиновые, бромид-таллиевые, дисульфид-молибденовые, сульфид-висмутовые, оловянные, селенид-галлиевые, диоксид-титановые, урановые, оксид-медные.

Органические полупроводники

Пентаценные, тетраценные, перинонные, акридонные, флавантронные, индольные, индантронные.

Магнитные полупроводники

Антиферромагнетики: селенид и теллурид европия, оксид-никелевые. Ферромагнетики: сульфид и оксид европия, легированный марганец и углерод.

Заключение

Полупроводники, благодаря своим качествам, стали востребованным материалом во многих отраслях. Они выделяются маленьким весом и габаритами, высокой надежностью, низким энергопотреблением, не чувствительны к магнитным полям.

Читайте также: