Каковы основные свойства полупроводников?

Общие свойства полупроводников

Кроме проводников и диэлектриков в природе существует также большое количество веществ, называемых полупроводниками.

Проводимость полупроводников зависит от внешних условий, прежде всего от температуры. При низких температурах они проявляют свойства диэлектрика, при высоких температурах становятся проводниками.

Это свойство позволят полупроводники использовать для изготовления термометров, способных к использованию в широком диапазоне температур, от самых низких до самых высоких, а также в качестве очень чувствительных датчиков в терморелейных устройствах. Такие полупроводники называются термисторами.

Есть такие полупроводники, проводимость которых зависит от освещённости. В темноте они диэлектрики, а на свету становятся проводниками. Такие полупроводники называют фотосопротивлениями. Они широко используются для измерения освещённости, в конструкции фотометров и фотоэкспонометров для фотографирования.

Большое применение в электротехнике, электронике и радиотехнике получили полупроводниковые диоды и триоды – транзисторы.

На их основе созданы самые различные виды полупроводниковых выпрямителей, усилителей, генераторов, микросхемы компьютеров. Используют полупроводниковые источники тока, преобразующие тепловую энергию в электрическую, а также фотоэлементы, фотодиоды и светодиоды, полупроводниковые лазеры, где происходят преобразования световой энергии в электрическую и наоборот.

По сравнению с приборами на электронных лампах у полупроводниковых приборов имеются следующие достоинства:

1)малый вес и малые размеры (вплоть до микроскопических)

2)отсутствие затраты энергии на питание нитей накала

3)большой срок службы

4)большая механическая прочность

5)возможность работать от источников тока с низкими ЭДС

6)выпрямители, генераторы, усилители на полупроводниках обладают высоким КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны.

Собственная проводимость полупроводников.

Полупроводники, используемые в технике – кристаллы. Элементы, находящиеся в центре таблицы Менделеева чаще всего являются полупроводниками. Например, германий, кремний, селен, индий, сурьма и др. Могут быть полупроводниками и молекулярные соединения, например, закись мели – Cu O.

Рассмотрим полупроводники атомарной структуры. Как правило, они представляют собой кристаллическую решётку, построенную на основе ковалентной (парноэлектронной) связи.

На рис. 37 изображена плоская схема кристаллической решётки германия. Германий принадлежит к 4-ой группе таблицы Менделеева, следовательно, у его атома на внешнем электронном уровне расположены 4 слабо связанных с атомами электрона, которые осуществляют связь между данным и соседним атомами, за счёт того, что каждая пара соседних атомов имеет по паре общих электронов. Связи между атомами изображены на рис. пунктирными стрелками.

Если состав полупроводника однороден, т.е. представляет собой чистое вещество без примесей, то полупроводник обладает так называемой собственной проводимостью.

Однако, только при температуре. предельно близкой к абсолютному нулю. кристаллическая решётка полупроводника устроена так, как показано на рис. 33. При комнатных температурах часть валентных электронов покидают свои места в атомах и становятся свободными как у металлов.

При отсутствии электрического поля они движутся хаотично, подобно молекулам идеального газа в пределах всего кристалла.

Те места, которые были покинуты электронами, обладают объёмным положительным зарядом и тоже способностью перемещаться по решётке, захватывая электроны соседних атомов. Их уподобляют виртуальным заряженным частицам, заряд которых равен +е (е – элементарный электрический заряд). Эти частицы называют «дырками». Они также как и свободные электроны в отсутствии электрического поля движутся хаотически в пределах всей кристаллической решётки.

При этом возникают акты рекомбинации электронно-дырочных пар. При постоянной температуре процессы образования и рекомбинации электронно-дырочных пар происходят в условиях термодинамического равновесия. При увеличении температуры, концентрация электронов и дырок возрастает, что ведёт к увеличению проводимости полупроводника.

Под действием электрического поля электроны и дырки приходят в направленное движение, образуя электрический ток; причём «дырки» движутся в направлении силовых линий, а электроны в противоположную сторону.

здесь j – плотность тока, е – элементарный заряд, n – концентрация свободных электронов, равная концентрации «дырок», u₊ — средняя скорость направленного движения дырок, u_— — средняя скорость направленного движения свободных электронов.

Согласно квантовой зонной теории проводимости, у полупроводников между валентной зоной и зонной проводимости находится запрещённая зона, однако в отличие от диэлектриков энергетическая ширина запрещенной зоны соизмерима со средним значением кинетической энергии электронов, и поэтому наиболее энергичные из них могут оказаться в зоне проводимости.

Зонная схема полупроводника с собственной проводимостью изображена на рис. 38

При увеличении температуры всё большее количество электронов может оказаться в зоне проводимости и переходит в ней с одного энергетического подуровня на другой. В то же время в валентной зоне образуются незаполненные подуровни («дырки»), на которые могут переходить электроны с других подуровней валентной зоны. Но если в отсутствии электрического поля эти переходы носят хаотический характер, то под действием поля свободные электроны преимущественно переходят на более высокие подуровни зоны проводимости, а «дырки» на более низкие подуровни валентной зоны.

Полупроводники, у которых ширина запрещённой зоны соизмерима с энергией кванта видимого или ультрафиолетового света (W_запр=hν) являются фотосопротивлениями.

Поглощая квант света, электроны приобретают энергию, достаточную, чтобы очутиться в зоне проводимости. Чем больше интенсивность света (чем светлее). тем больше электронов появляется в зоне проводимости и соответственно столько же «дырок» образуется в валентной зоне.

Дата добавления: 2015-05-06 ; Просмотров: 2046 ; Нарушение авторских прав?

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

Основные свойства полупроводников

ЭЛЕКТРОНИКА

Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия

Рецензент: д-р техн. наук, проф. В.А. Хрусталев

Разинкин, В.П.

Р 173 Электроника : учеб. пособие / В.П. Разинкин, И.С. Тырышкин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – Ч. 1. – 48 с.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям Радиотехника и Телекоммуникации, и включает в себя четыре раздела.

В разделе «Электрофизические свойства полупроводников» дано описание физических процессов, проходящих в полупроводниковых материалах. Раздел «Оптические свойства полупроводников» посвящен явлениям, которые имеют место при взаимодействии полупроводников с электромагнитными излучениями. В разделе «Контактные явления» основное внимание уделяется свойствам p—n-переходов. Вместе с тем дается описание других полупроводниковых структур: металл-полупроводник, гетеропереходы, МДП. В разделе «Типовые технологические процессы» перечислены основные технологические операции, проводимые при обработке полупроводниковых материалов. Даны их краткие характеристики.

УДК 621.38(075.8)

ISBN 5-7782-0657-7© Разинкин В.П., Тырышкин И.С., 2006

технический университет, 2006

1. электрофизические свойства полупроводников. 5

1.1. Основные свойства полупроводников. 5

1.2. Дефекты кристаллической решетки. 6

1.3. Носители электрического заряда. 7

1.4. Энергетические уровни и зоны. 10

1.5. Переходы носителей заряда между зонами и уровнями. 12

1.6. Концентрация носителей заряда. 13

1.7. Время жизни носителей заряда. 16

1.8. Электропроводность полупроводников. 17

1.9. Зависимость концентрации носителей заряда и положения
уровня Ферми от температуры. 18

1.10. Зависимость подвижности носителей заряда
и удельной проводимости от температуры. 20

1.11. Эффект поля. 21

2. Оптические свойства полупроводников. 23

2.1. Поглощение света. 23

2.2. Люминесценция полупроводников. 24

2.3. Фоторезистивный эффект. 25

2.4. ЭДС в полупроводнике. 26

3. Контактные явления. 27

3.1. Электронно-дырочный переход. 27

3.2. Ток через p–n-переход. 28

3.3. Прямое включение p–n-перехода. 29

3.4. Обратное включение p–n-перехода. 29

3.5. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного
p–n-перехода. 30

3.6. Зонная (энергетическая) диаграмма p–n-перехода. 30

3.7. Отличия ВАХ реального и идеализированного
p–n-переходов. 32

3.8. Пробой p–n-перехода. 33

3.9. Зависимость ВАХ p–n-перехода от температуры. 34

3.10. Зависимость ВАХ p–n-перехода от материала
полупроводника. 35

3.11. Емкость p–n-перехода. 36

3.12. Контакт металл–полупроводник. 37

3.13. Гетеропереходы. 39

3.14. Структура металл–диэлектрик–полупроводник. 40

4. Типовые технологические процессы. 42

4.1. Подготовительные операции. 42

4.2. Эпитаксия. 42

4.3. Термическое окисление. 43

4.5. Ионная имплантация. 44

4.6. Травление. 45

4.7. Техника масок. 46

4.8. Металлизация. 46

Список литературы. 47

1. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Основные свойства полупроводников

Полупроводник – вещество, основным свойством которого является сильная зависимость удельного сопротивления от воздействия внешних факторов: температуры, электрического и магнитного полей, светового и ионизирующего излучения.

При комнатной температуре удельное сопротивление полупроводников лежит в пределах от 10 –4 до 10 10 Ом·см. Полупроводники, как правило, твердые тела с регулярной кристаллической структурой – монокристаллы. Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек той или иной формы и размера. Например, у германия (Ge) и кремния (Si) решетка состоит из тетраэдров с расстоянием между смежными атомами около 0,25 нм.

Связь атомов в кристаллической решетке обусловлена специфическими силами, возникающими в результате попарного объединения валентных электронов смежных атомов. Такая связь (при которой каждый из атомов остается нейтральным) называется ковалентной.

Регулярность структуры кристалла приводит к зависимости его свойств от направления в кристаллической решетки, т. е. анизотропии. Направление в решетке принято задавать с помощью кристаллографических осей и кристаллографических плоскостей. Эти оси и плоскости обозначают трехзначными индексами Миллера.

Применительно к простейшей кубической решетке соотношения между кристаллическими плоскостями и индексами Миллера приведены на рис. 1.1.

Кроме кристаллических существуют аморфные вещества, т.е. бесструктурные. Их характерная особенность – отсутствие однозначной температуры плавления: переход от жидкого состояния к твердому осуществляется плавно и сопровождается постепенным увеличением вязкости. Так же плавно происходит переход от твердого состояния к жидкому.

Рис. 1.1. Кристаллографические плоскости

Типичными представителями являются разного рода стекла, в том числе обычное стекло на основе двуокиси кремния (SiO₂).

Из числа полупроводников к аморфным телам относятся халькогенидные стекла – соединения кремния с халькогенидными элементами: вольфрамом, теллуром и др. Производство аморфных полупроводников значительно дешевле и проще, чем монокристаллических. Кроме того, они меньше подвержены радиационным эффектам. Однако из-за плохой воспроизводимости и стабильности свойств они находят ограниченное применение.

Каковы основные свойства полупроводников?

По электрическому сопротивлению полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Полупроводниковые диоды и триоды имеют ряд преимуществ: малый вес и размеры, значительно больший срок службы, большую механическую прочность.

Схема видов полупроводников.

Рассмотрим основные свойства и характеристики полупроводников. В отношении их электрической проводимости полупроводники разделяются на 2 типа: с электронной и дырочной проводимостью.

Полупроводники с электронной проводимостью имеют так называемые свободные электроны, которые слабо связаны с ядрами атомов. Если к этому полупроводнику приложить разность потенциалов, то свободные электроны будут двигаться поступательно – в определенном направлении, создавая таким образом электрический ток. Поскольку в этих типах полупроводников электрический ток представляет собой перемещение отрицательно заряженных частиц, они получили название проводников типа п (от слова negative — отрицательный).

Полупроводники и проводники.

Полупроводники с дырочной проводимостью называются полупроводниками типа р (от слова positive — положительный). Прохождение электрического тока в этих типах полупроводников можно рассматривать как перемещение положительных зарядов. В полупроводниках с р-проводимостью нет свободных электронов; если атом полупроводника под влиянием каких-либо причин потеряет 1 электрон, то он будет заряжен положительно.

Отсутствие одного электрона в атоме, вызывающее положительный заряд атома полупроводника, назвали дыркой (это значит, что образовалось свободное место в атоме). Теория и опыт показывают, что дырки ведут себя как элементарные положительные заряды.

Дырочная проводимость состоит в том, что под влиянием приложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что равносильно перемещению положительных зарядов.

В действительности, при дырочной проводимости происходит следующее. Предположим, что имеются 2 атома, один из которых снабжен дыркой (отсутствует 1 электрон на внешней орбите), а другой, находящийся справа, имеет все электроны на своих местах (назовем его нейтральным атомом). Если к полупроводнику приложена разность потенциалов, то под влиянием электрического поля электрон из нейтрального атома, у которого все электроны на своих местах, переместится влево на атом, снабженный дыркой.

Схема строения атома.

Благодаря этому атом, имевший дырку, становится нейтральным, а дырка переместилась вправо на атом, с которого ушел электрон. В полупроводниковых приборах процесс «заполнения» дырки свободным электроном называется рекомбинацией. В результате рекомбинации исчезает и свободный электрон, и дырка, а создается нейтральный атом. И так перемещение дырок происходит в направлении, противоположном движению электронов.

В абсолютно чистом (собственном) полупроводнике под действием тепла или света электроны и дырки рождаются парами, поэтому число электронов и дырок в собственном полупроводнике одинаково.

Для создания полупроводников с резко выраженными концентрациями электронов или дырок чистые полупроводники снабжают примесями, образуя примесные полупроводники. Примеси бывают донорные, дающие электроны, и акцепторные, образующие дырки (т. е. отрывающие электроны от атомов). Следовательно, в полупроводнике с донорной примесью проводимость будет преимущественно электронной, или n – проводимостью. В этих полупроводниках основными носителями зарядов являются электроны, а неосновными – дырки. В полупроводнике с акцепторной примесью, наоборот, основными носителями зарядов являются дырки, а неосновными – электроны; это – полупроводники с р-проводимостью.

Основными материалами для изготовления полупроводниковых диодов и триодов служат германий и кремний; по отношению к ним донорами являются сурьма, фосфор, мышьяк; акцепторами – индий, галлий, алюминий, бор.

Рисунок 1. Расположение электрических зарядов в полупроводнике.

Примеси, которые обычно добавляются в кристаллический полупроводник, резко изменяют физическую картину прохождения электрического тока.

При образовании полупроводника с n-проводимостью в полупроводник добавляется донорная примесь: например, в полупроводник германий добавляется примесь сурьмы. Атомы сурьмы, являющиеся донорными, сообщают германию много свободных электронов, заряжаясь при этом положительно.

Таким образом, в полупроводнике n-проводимости, образованного примесью, имеются следующие виды электрических зарядов:

подвижные отрицательные заряды (электроны), являющиеся основными носителями (как от донорной примеси, так и от собственной проводимости);
подвижные положительные заряды (дырки) – неосновные носители, возникшие от собственной проводимости;
неподвижные положительные заряды – ионы донорной примеси.

При образовании полупроводника с р-проводимостью в полупроводник добавляется акцепторная примесь: например, в полупроводник германий добавляется примесь индия. Атомы индия являющиеся акцепторными, отрывают от атомов германия электроны, образуя дырки. Сами атомы индия при этом заряжаются отрицательно.

Следовательно, в полупроводнике р-проводимости имеются следующие виды электрических зарядов:

подвижные положительные заряды (дырки) – основные носители, возникшие от акцепторной примеси и от собственной проводимости;
подвижные отрицательные заряды (электроны) – неосновные носители, возникшие от собственной проводимости;
неподвижные отрицательные заряды – ионы акцепторной примеси.

На рис. 1 показаны пластинки р-германия (а) и n-германия (б) с расположением электрических зарядов.

Перечислите основные свойства полупроводников и виды проводимости.

Перечислите основные свойства полупроводников и виды проводимости.

Полупроводники имеют удельное эл. сопротивление ρ= от 10 -3 до 10 10 Ом*см. ρ полупроводников уменьшается при повышении температуры, при облучении , при добавлении примесей и под действием внешнего эл. поля к полупроводникам относятся : кремний, германий , арсенит галия, селен теллур и др. Полупроводники имеют кристаллическую структуру при сообщении выключенному электрону дополнительной энергии он переходит из валентной зоны в зону проводимости и становится свободным. Атом потерявший электрон ведет себя как частица с положительным зарядом он называется «Дыркой». Проводимость созданная перемещением и электронов и дырок называется собственной проводимостью полупроводника. Она не большая. Для увеличения проводимости полупроводника и придания ему определенного типа электропроводность в чистые полупроводники вносят примеси. Если 4-ех валентный полупроводник внести 5-и валентную примесь то в нем образуется много свободных электронов. Он будет обладать электронной проводимостью и называться полупроводником n- типа.

Читать еще: Как выровнять пол в квартире

Если в полупроводник внести 3-ех валентную примесь то в полупроводнике будет преобладать дырки т.е. он будет обладать дырочной проводимостью и называться полупроводником P-типа.

Дайте понятие р-n-перехода, перечислите его свойства и нарисуйте ВАХ.

Граница между двумя соседними областями полупроводника с разным типом электропроводимости называется и переходом. При соединении двух полупроводников с разым типом электропроводности дырки из P-области перемещаются в n-область. В результате на границе образуется двойной электрический слой объединенный основным носителем заряда. Этот слой действует как потенциальный барьер препятствующий дальнейшей диффузии носителей зарядов. Потенциальный барьер обладает постоянной разностью потенциалов φ_к=0,2-0,8В; 0,2-0,5В для германия, 0,4-0,8В для кремния.

Если от областей кристалла сделать выводы (анод и катод и подключить к ним внешнее напряжение указанной полярности + к А – к К, то величина потенциального барьера уменьшится и через Pn переход протечет большой ток. Такое включение Pn перехода называется прямым (Pn переход открывается)

Если поменять полярность приложенного напряжения, то величина потенциального барьера увеличится, ток через Pn переход уменьшится. Такое включение Pn перехода называется обратным (закрыт)

Таким образом мы убедились, что Pn переход обладает вентильными свойствами, т.е. пропускает ток только в одном направлении, это свойство используется в полупроводниковых диодах.

Опишите устройство, назначение и ВАХ выпрямительных диодов.

Их применяют для выпрямления переменного тока низкой частоты до 100 К Гц, а также в схемах управления и коммутации, для ограничения паразитных выбросов напряжений в цепях с индуктивными элементами.

В зависимости от полупроводникового материала диоды подразделяют на германиевые и кремниевые. Кремниевые применяют чаще, т.к. они имеют во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения . Германиевые диоды применяют при низких напряжениях, т.к при одинаковых токах падение напряжения на германиевом диоде, смещенном в прямом направлении, меньше, чем на кремниевом

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода— на рис. 2.1.

Рис. 2.1

Основные параметры выпрямительных диодов:

— среднее за период значение выпрямленного тока I_пр.ср_, который может длительно проходить через диод при допустимом его нагреве;

—среднее за период значение прямого напряжения U_пр.ср которое определяется по его ВАХ при заданном значении I_пр.ср;

-среднее за период значение обратного тока I_обр.ср при заданном значении обратного напряжения U_обр,

-максимально допустимое постоянное обратное напряжение U_обр._max,которое длительно выдерживает диод без нарушения нормальной работы;

-максимально допустимый постоянный прямой ток I_пр _max диода.

Опишите устройство, принцип действия и параметры полевых транзисторов.

Фоторезисторы(ФР).

Это п/п-вые приборы, сопротивление которых изменяется под воздействием светового потока. При облучении светом в п/п-ке возникает избыточная концентрация носителей заряда за счет перехода электронов в зону проводимости, что вызывает увеличение проводимости п/п-ка.

ФР изготавливают из сернистого свинца, сульфида кадмия и селенида кадмия.

На рис. 2.26, а показана общая конструкция фоторезистора СФ2-2. Схема включения фоторезистора показана на рис. 2.26, б. При отсутствии освещения (Ф = 0) фоторезистор обладает большим темновым сопротивлением R_темн, поэтому темновой ток I_темн, проходящий в цепи маленький и равен

При наличии светового потока (Ф > 0) сопротивление фоторезистора уменьшается до значения R_св, а световой ток: I_св=E/( R_св+R_н) (2.22)

Разность токов определяет фототок I_ф= I_св — I_темн

ВАХ ФР при освещении (прямая 1) и затемнении (прямая 2), , показаны на рис. 2.26, в.

Интегральная чувствительность фоторезистора K_ф.р=I_ф/Ф;

ФР имеют малые габариты, высокую чувствительность, применяются в цепях постоянного и переменного токов. К ФР источник питания Е может быть включен с любой полярностью.

Фотодиод (ФД).

Это п/п-вый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект. Он преобразует световую энергию в электрическую. ФД изготавливают из германия, кремния, арсенида галлия, сернистого серебра. ФД, как и обычные п/п-вые диоды, состоит из двух слоев п/п-ка с электропроводностями разных типов и одного p-n-перехода. В ФД предусматривается возможность попадания светового потока в область p-n-перехода.

ФД могут работать в двух режимах: 1) фотогенераторном (без внешнего источника питания); 2) фотопреобразовательном (с внешним источником питания).

В фотогенераторном режиме при разомкнутом ключе К и отсутствии освещения (Ф = 0) ток через p-n-переход равен нулю. При освещении п/п-ка в области p-n-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда p-n-перехода с разностью потенциалов φ_к «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в p-область, а электроны — в n-область, Поскольку в области п/п-ка p-типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области п/п-ка n-типа — с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов с полярностью, указанной на рис. 2.7, б, представляющая собой фото-ЭДС. Значение фото-ЭДС равно φ_к ( 0,5—0,6 В). Под воздействием фото-ЭДС в цепи нагрузки проходит ток (ключ К при этом замкнут).

19. Фототранзисторы (ФТ).

Это фотоэлектрические п/п-вые приборы с двумя р—n-переходами. Они преобразуют световую энергию в электрическую, образуя фототок и усиливая его.

Рассмотрим работу ФТ в режиме с отключенной базой (I_б=0). Схема включения фототранзистора показана на рис. 49, а, а его условное обозначение — на рис. 49, б. Если внешний световой поток Ф равен нулю, то через ФТ проходит небольшой темновой ток коллектора I_кТ, который определяется формулой I_кТ=I_кэ0=I_кб0(h_21э+1)

При освещении области базы (Ф > 0) в ней генерируются электроны и дырки, которые диффундируют к эмиттерному и коллекторному переходам. При этом электрическое поле коллекторного перехода втягивает в коллектор дырки, но задерживает в базе электроны. Ушедшие в коллекторную цепь дырки, образующие фототок I_ф, увеличивают обратный ток коллектора на величину I_k’=I_ф, а оставшиеся электроны при отключенной базе создают в ней отрицательный пространственный заряд, смещающий эмиттерный переход в прямом направлении при этом из эмиттера в базу перемещается дополнительное количество дырок, которые, как и в обычном биполярном транзисторе, диффундируют через базу к коллекторному переходу и захватываются его полем, вызывая приращение коллекторного тока Iк». Это приращение коллекторного тока равно h_21эI_ф Общий коллекторный ток фототранзистора, проходящийво внешней цепи: I_к = I_к‘ + I_к» = I_ф + h_21эI_ф = I_ф (1+h_21э)

Семейство ВАХ ФТ показано на рис. 49, в. Увеличение освещенности фототранзистора, вызывающее пропорциональное увеличение фототока, приводит к росту тока коллектора.

Интегральная чувствительность фототранзистора К_Т в 1+h_21э раз больше, чем у фотодиода, т.к. у фототранзистора наряду с образованием фототока I_ф происходит его усиление в1+h_21э раз.

Перечислите основные свойства полупроводников и виды проводимости.

Особенности полупроводников

Время на чтение:

Проводником принято считать материал, который имеет способность пропускать сквозь себя электрический ток. На основе этого материала изготавливается множество деталей в радиотехнике. В этой статье подробно описано какие бывают полупроводники, и где их чаще всего можно встретить в повседневной жизни, а также представлено несколько наиболее популярных схем.

Определение названия

Полупроводниками называют материалы, внутри которых, в следствие движения электронов, появляется электрический ток, а показатель удельного сопротивления заключается в интервале между проводниками и диэлектриками.

Определение вещества

К таким проводникам можно отнести ряд химических элементов IV, V и VI категорий из таблицы Д. И. Менделеева — графит, кремний, германий, селен и прочие, а также большинство окисей и иных соединений различных металлов. Число подвижных электронов внутри вещества, в основном, небольшое, но оно увеличивается в тысячи раз при под механическим воздействием внешней среды:

Повышение температуры,
Действие ультрафиолета
Наличие в составе определенных добавок.

Характеристики вещества

Полупроводники можно разделить на следующие подгруппы:

Электронные (вида n),
Дырочные (вида p).

Важно! В веществах вида n в роли носителей можно рассматривать электроны, которые, при возникновении тока, передвигаются по всему полупроводнику в хаотичном порядке.

В дырочном виде p в роли носителей зарядов рассматриваются так называемые отверстия (под ними понимается свободное пространство между атомами, на место которого может стать другой электрон). Дырки считаются равносильными положительному заряду. При возникновении тока внутри проводника вида p, электроны выполняют только направленные скачки между ближайшими атомами.

Важно! При перескоке заряда из одного отверстия в другое, дырка передвигается в противоположном направлении, что влечёт за собой образование тока.

Электропроводимость элементов

Собственной проводимостью полупроводника называется свойство, обусловленное носителями, образовавшимися в следствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. При температуре, близкой к абсолютному нулю, все уровни в валентной зоне полностью заполнены, а в зоне проводимости – свободны, и полупроводник по свойствам близок к диэлектрику.

Указание в таблице Менделеева

Повышение температуры приводит к тому, что часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Каждый подобный электрон оставляет после себя в валентной зоне свободное место – дырку, рассматриваемую как эквивалентный частице положительный заряд. Следовательно, электрон и дырка рождаются одновременно – парой.

Свойства особого типа проводимости обусловлены наличием примесей. Введение примеси (порядка 0,01%) изменяет энергетическую структуру полупроводника, в запрещенной зоне появляются локальные энергетические состояния. Этот процесс получил научное название – легирование. То есть, процесс, подразумевающий внедрение в состав основного вещества определенных добавок и примесей. Легирование используется во время производства полупроводниковых приборов и деталей. Главная задача этого процесса – изменить концентрацию носителей внутри зарядов. Для этого можно воспользоваться имплантацией ионов или трансмутационным легированием.

Какие типы существуют

Существует два вида проводимости. Электронная и дырочная. Ниже подробно рассказано о каждом из них.

Виды полупроводников

По характеру проводимости

Электронная проводимость.

Если добавить в полупроводник кремния пятивалентный атом мышьяка (As), то, посредством четырехвалентных электронов, мышьяк установит ковалентные связи c четырьмя соседними атомами кремния. Для пятого валентного электрона не останется пары, и он станет слабо связанным с атомом.

Дырочная проводимость.

Введем в кристалл кремния трехвалентный атом индия (In). Индий установит ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами кремния. Для четвертого «соседа», у индия не хватает одного электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов кремния.

По типу проводимости

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

Проводимость «n » — типа

Полупроводник n-типа имеет примесную природу и проводит электрический ток подобно металлам. Примесные элементы, которые добавляют в полупроводники для получения n-типа, называются донорными.

Важно! Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд, переносимый свободным электроном.

Вещество p-типа, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.
Важно! «p-тип» происходит от слова «positive», означающий положительный заряд основных носителей. Ниже указаны полупроводники примеры и их использование в радиотехнике.

Сфера применения полупроводника

Полупроводниковыми приборами называются устройства, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов.

Различие между видами

На основе беспереходных полупроводников изготавливаются такие резисторы:

Линейный резистор – удельное сопротивление практически не зависит от напряжения и тока. Является «элементом» интегральных микросхемах;
Варистор – сопротивление зависит от приложенного напряжения;
Терморезистор – сопротивление зависит от температуры. Различают два типа: термистор (с увеличением температуры сопротивление падает) и позисторы (с увеличением температуры сопротивление возрастает);
Фоторезистор – сопротивление зависит от освещенности (излучения);
Тензорезистор – сопротивление зависит от механических деформаций.

Принцип работы большинства таких приборов основывается на свойствах электронно-дырочного перехода p-n – перехода.

В заключении необходимо отметить, что проводники и полупроводники каждый день встречаются в жизни человека. Их достаточно часто применяют в радиотехнике и физике. Например, их можно встретить в классических транзисторах или варисторах для сопротивления. Ни один электроприбор не сможет функционировать без этих деталей.

Свойства полупроводников. Устройство и работа. Применение

Свойства полупроводников — свойство янтаря после натирания шерстью притягивать к себе мелкие предметы, было подмечено очень давно. Но электрические явления, непостоянные и преходящие, долго находились в тени магнитных явлений, более стабильных во времени.

В 17-18 веках электрические опыты оказались широко доступными, и был сделан ряд новых открытий. В 1729 году англичанин Стефан Грей обнаружил, что все вещества делятся на 2 класса: неспособные переносить электрический заряд изоляторы (называемые «электрическими телами», поскольку их можно было электризовать трением), и способные переносить заряд проводники (называемые «неэлектрическими телами»).

Современные представления об электрических свойствах веществ

С развитием дальнейших представлений свойства веществ проводить электрический ток стали характеризовать количественно – значением удельной электрической проводимости, измеряемой в сименсах на метр (См/м). При комнатной температуре проводимость проводников лежит в диапазоне от 10 6 до 10 8 См/м, а у диэлектриков (изоляторов) меньше 10 -8 См/м.

Читать еще: Полиэтиленовые трубы: ГОСТ и области применения

Вещества, по проводимости занимающие промежуточное положение, логично назвать полупроводниками или полуизоляторами. Исторически закрепилось первое название. Проводимость полупроводников лежит в пределах от 10 -8 до 10 6 См/м. Между этими 3 видами веществ не существует резких границ, качественные отличия определяются разницей количественных свойств.

Из физики известно, что электрон в твердом теле не может обладать произвольной энергией, эта энергия может принимать лишь определенные значения, называемые энергетическими уровнями. Чем ближе электрон в атоме к ядру, тем ниже его энергия. Наибольшей энергией обладает удаленный электрон. В электрических и химических процессах участвуют лишь электроны внешней оболочки атома (электроны т.н. валентной зоны).

Электроны с более высокой энергией, чем электроны валентной зоны, относятся к электронам зоны проводимости. Эти электроны не связаны с отдельными атомами, и они беспорядочно движутся внутри тела, обеспечивая проводимость.

Атомы вещества, отдавшего электрон в зону проводимости, рассматриваются как заряженные положительно ионы, они неподвижны и образуют кристаллическую решетку вещества, внутри которой движутся электроны проводимости. У проводников (металлов) зона проводимости примыкает к валентной зоне, и каждый атом металла без помех отдает в зону проводимости один или большее число электронов, что и обеспечивает металлам свойство электропроводности.

Свойства полупроводников определяются шириной запрещенной зоны

У полупроводников и диэлектриков между валентной зоной и зоной проводимости существует т.н. запрещенная зона. Электроны не могут обладать энергией, соответствующей энергии уровней этой зоны. Деление веществ на диэлектрики и полупроводники производится в зависимости от ширины запрещенной зоны. При ширине запрещенной зоны в несколько электрон-вольт (эВ), у электронов валентной зоны мало шансов попасть в зону проводимости, что и делает эти вещества непроводящими. Так, у алмаза ширина запрещенной зоны 5,6 эВ. Однако, с повышением температуры, электроны валентной зоны увеличивают свою энергию, и некоторая часть попадает в зону проводимости, что ухудшает изолирующие свойства диэлектриков.

Если же ширина запрещенной зоны порядка одного электрон-вольта, вещество приобретает заметную проводимость уже при комнатной температуре, становясь еще более проводящим с повышением температуры. Подобные вещества мы и относим к полупроводникам, и свойства полупроводников определяются шириной запрещенной зоны.

При комнатной температуре ширина запрещенной зоны у полупроводников менее 2,5-3 эВ. В качестве примера, ширина запрещенной зоны германия 0,72 эВ, а кремния 1,12 эВ. К широкозонным полупроводникам относятся полупроводники с шириной запрещенной зоны более 2 эВ. Обычно, чем выше у полупроводника ширина запрещенной зоны, тем выше его температура плавления. Так, у германия температура плавления 936 °С, а у кремния 1414 °С.

Два вида проводимости полупроводников – электронная и дырочная

При температуре абсолютного нуля (-273 °С), в чистом полупроводнике (собственном полупроводнике, или полупроводнике i-типа) все электроны находятся в составе атомов, и полупроводник является диэлектриком. При повышении температуры часть электронов валентной зоны попадает в зону проводимости, и возникает электронная проводимость. Но когда атом теряет электрон, он становится заряженным положительно.

Перемещаться под действием электрического поля атом, занимающий место в кристаллической решетке, не может, но он способен притянуть электрон из соседнего атома, заполнив «дырку» в своей валентной зоне. Потерявший электрон атом, в свою очередь, также будет искать возможность заполнить образовавшуюся во внешней оболочке «дырку». Дырка обладает всем и свойствами положительного заряда, и можно считать, что в полупроводнике существуют 2 вида носителей – отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дырки.

Электроны проводимости могут занимать свободные места в валентной зоне, т.е. объединяться с дырками. Такой процесс называется рекомбинацией, и, поскольку генерация и рекомбинация носителей происходит одновременно, при данной температуре количество пар носителей находится в состоянии динамического равновесия – количество возникающих пар сравнивается с количеством рекомбинирующих.

Собственная проводимость полупроводника i-типа складывается из электронной и дырочной проводимости, при этом преобладает электронная проводимость, поскольку электроны подвижнее дырок. Удельная электрическая проводимость металлов или полупроводников зависит от числа носителей заряда в 1 куб. см, или от концентрации электронов и дырок.

Если число атомов в 1 куб. см вещества порядка 10 22 , то при комнатной температуре в металлах число электронов проводимости не меньше числа атомов, т.е. также порядка 10 22 , при этом в чистом германии концентрация носителей заряда порядка 10 13 см -3 , а в кремнии 10 10 см -3 , что значительно меньше, чем у металла, оттого проводимость полупроводников в миллионы и миллиарды раз хуже, чем у металлов.

Все дело в примесях

При приложении к полупроводнику напряжения возникающее в нем электрическое поле ускоряет электроны и дырки, их движение становится упорядоченным, и возникает электрический ток – ток проводимости. Помимо собственной проводимости, в полупроводниках существует еще и примесная проводимость, обязанная, как можно догадаться по названию, наличию в полупроводнике примесей.

Если к 4-валентному германию добавить ничтожное количество 5-валентной сурьмы, мышьяка или фосфора, на связь с атомами германия атомы примеси задействуют 4 электрона, а пятый окажется в зоне проводимости, что резко улучшает проводимость полупроводника. Такие примеси, атомы которых отдают электроны, называются донорами. Поскольку в таких полупроводниках преобладает электронная проводимость, они называются полупроводниками n-типа (от английского слова negative — отрицательный). Чтобы все атомы донора отдавали по электрону в зону проводимости, энергетическая зона атомов донора должна располагаться как можно ближе к зоне проводимости полупроводника, несколько ниже ее.

При добавлении к 4-валентному германию примеси 3-валентного бора, индия или алюминия, атомы примеси отнимают электроны от атомов германия, и германий приобретает дырочную проводимость, становится полупроводником p-типа (от английского слова positive – положительный). Примеси, создающие дырочную проводимость, называются акцепторами.

Чтобы акцепторы могли легко захватывать электроны, энергетические уровни атомов акцептора должны примыкать к уровням валентной зоны полупроводника, располагаясь чуть выше ее.

Примесная проводимость обычно значительно превышает собственную, поскольку концентрация атомов донора или акцептора значительно превышает концентрацию собственных носителей. Получить полупроводник со строго дозированным количеством примеси очень сложно, при этом и исходный полупроводник должен быть очень чистым. Так, для германия допускается не более одного атома посторонней примеси (т.е. не донора и не акцептора) на 10 миллиардов атомов германия, а для кремния требования по чистоте еще в 1000 раз выше.

Переход металл-полупроводник

В полупроводниковых приборах возникает необходимость применения контактов полупроводника с металлом. Вещество (металл или полупроводник) характеризуется энергией, требуемой электрону для выхода из вещества – работой выхода. Обозначим работу выхода из металла A_м, а из полупроводника A_п.

Омические контакты

При необходимости создания омического контакта (т.е. невыпрямляющего, когда сопротивление контакта мало при любой полярности приложенного напряжения) достаточно обеспечить контакт металла с полупроводником при создании следующих условий:

При контакте с n-полупроводником: A_м A_п.

Подобные свойства полупроводников объясняется тем, что в приграничном слое полупроводника накапливаются основные носители, что и обеспечивает его малое сопротивление. Накопление основных носителей обеспечивается тем, что электроны всегда переходят из вещества с меньшей работой выхода в вещество с большей работой выхода.

Выпрямляющие контакты

А вот если с полупроводником n-типа в контакте находится металл с A_м > A_п, то электроны перейдут из полупроводника в металл, и в приграничном слое образуется обедненная основными носителями область, обладающая малой проводимостью. Для того, чтобы преодолеть создавшийся барьер, к контакту необходимо приложить напряжение определенной полярности и достаточной величины. При приложении обратной полярности проводимость контакта еще более ухудшится – такой контакт обладает выпрямляющими свойствами. Нетрудно видеть, что аналогичные свойства полупроводников односторонней проводимости обладает контакт металла с полупроводником p-типа при A_м Рубрика ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках.

23 Май 2013г | Раздел: Радио для дома

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).

Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.

Общие понятия.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Свойства полупроводников.

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Читать еще: Гидроизоляция пола своими руками

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

Каковы основные свойства полупроводников?

Ты, юный друг, современник технической революции во всех областях радиоэлектроники. Суть ее заключается в том, что на смену электронным лампам пришли полупроводниковые приборы, а их теперь все больше теснят микросхемы.

Предком одного из наиболее характерных представителей «армии» полупроводниковых приборов — транзистора — был так называемый генерирующий детектор, изобретенный еще в 1922 г. советским радиофизиком О. В. Лосевым. Этот прибор, представляющий собой кристалл полупроводника с двумя примыкающими к нему проволочками — проводниками, при определенных условиях мог генерировать и усиливать электрические колебания. Но он тогда из-за несовершенства не мог конкурировать с электронной лампой. Достойного полупроводникового соперника электронной лампе, названного транзистором, создали в 1948 г. американские ученые Браттейн, Бардин и Шокли. В нашей стране большой вклад в разработку полупроводниковых приборов внесли А. Ф. Иоффе, Л. Д. Ландау, Б. И. Давыдова, В.Е. Лошкарев и ряд других ученых и инженеров, многие научные коллективы.

Чтобы понять сущность явлений, происходящих в современных полупроводниковых приборах, нам придется «заглянуть» в структуру полупроводника, разобраться в причинах образования в нем электрического тока. Но перед этим хорошо бы тебе вспомнить ту часть первой беседы, где я рассказывал о строении атомов.

ПОЛУПРОВОДНИКИ И ИХ СВОЙСТВА

Напомню: по электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками тока. К сказанному добавлю, что к группе полупроводников относится гораздо больше веществ, чем к группам проводников и непроводников, взятых вместе. К полупроводникам, нашедшим практическое применение в технике, относятся германий, кремний, селен, закись меди и некоторые другие вещества. Но для полупроводниковых приборов используют в основном только германий и кремний.

Каковы наиболее характерные свойства полупроводников, отличающие их от проводников и непроводников тока? Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю ( — 273°С), они ведут себя по отношению к электрическому току как изоляторы. Большинство же проводников, наоборот, при такой температуре становятся сверхпроводимыми, т.е. почти не оказывают току никакого сопротивления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. Электропроводность проводников не изменяется при действии на них света. Электропроводность же полупроводников под действием света, так называемая фотопроводность, повышается. Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический ток. Проводникам же это совершенно не свойственно. Электропроводность полупроводников резко увеличивается при введении в них атомов некоторых других элементов. Электропроводность же проводников при введении в них примесей понижается. Эти и некоторые другие свойства полупроводников были известны сравнительно давно, однако широко использовать их стали сравнительно недавно.

Германий и кремний, являющиеся исходными материалами многих современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона. Всего же в атоме германия 32 электрона, а в атоме кремния 14. Но 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях их оболочек, прочно удерживаются ядрами и ни при каких обстоятельствах не отрываются от них. Только четыре валентных электрона атомов этих полупроводников могут, да и то не всегда, стать свободными. Запомни: четыре! Атом же полупроводника, потерявший хотя бы один электрон, становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое вещество. Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно представить себе в виде плоской схемы, как показано на рис. 72, а. Здесь большие шарики со знаком « + » условно изображают ядра атомов с внутренними слоями электронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики — валентные электроны. Каждый атом, как видишь, окружен четырьмя точно такими же атомами. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован у «соседа». Это двухэлектронная, или валентная, связь. Самая прочная связь!

Рис. 72. Схема взаимосвязи атомов в кристалле полупроводника (а) и упрощенная схема его структуры (б)

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих и по одному от четырех соседних атомов. Здесь уже невозможно различить, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», поскольку они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу.

Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упростить, изобразив ее так, как это сделано на рис. 72, б. Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочками показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи — двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

Полупроводники. Часть первая: Электрические свойства полупроводников.

Эта статья в основном предназначена для тех, кто только-только начал первые шаги в области радиотехники, но может быть полезна и опытным радиолюбителям или студентам.

В первой части статьи разъясняются процессы, происходящие в полупроводниках на атомном уровне, расписываются такие понятия, как валентная зона, зона проводимости, собственная электропроводность и другие.
Остальные пять частей будут постепенно выкладываться в раздел «Начинающим».

Содержание / Contents

1 Структура и энергетические диаграммы чистого полупроводника
2 Образование свободных электронов и дырок в полупроводнике
3 Электронный и дырочный токи в полупроводниках
4 Примесные полупроводники n-типа
5 Примесные полупроводники р-типа

↑ Структура и энергетические диаграммы чистого полупроводника

К полупроводниковым относят вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Характерной чертой полупроводников, отличающей их от других веществ, является сильная зависимость их сопротивления от температуры и концентрации примесей.

В производстве полупроводниковых приборов наибольшее распространение получили такие материалы, как германий и кремний. Они имеют кристаллическую структуру и расположены в IV группе таблицы Менделеева.

Все вещества состоят из атомов. Атом включает положительно заряженное ядро и электроны, вращающиеся вокруг него по орбитам с определенным радиусом.

Энергию электронов атома можно представить в виде диаграммы (рис. 3.1, а). Как видно из рисунка, электроны в атоме могут обладать лишь значениями энергий, равными W1, W2, W3, W4, и не могут иметь промежуточных уровней.

Электроны, вращающиеся на внешних оболочках, называются валентными. Установлено, что в атоме любого вещества одинаковая энергия может быть не более чем у двух электронов. Иными словами, на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Поскольку в веществе содержится большое количество атомов, вследствие их взаимодействия энергетические уровни электронов, вращающихся по одинаковым орбитам, смещаются относительно энергетических уровней этих же электронов в отдельном «изолированном» атоме. В результате образуются целые энергетические зоны, состоящие из близко расположенных энергетических уровней. Энергетические уровни, образованные валентными электронами, называют валентной зоной (рис. 3.1,б).

↑ Образование свободных электронов и дырок в полупроводнике

Между атомами в кристалле полупроводника существуют ковалентные связи. Ковалентная связь образуется за счет вращения двух электронов, принадлежащих двум рядом расположенным атомам, по одной общей орбите (рис. 3.2, а). Германий и кремний являются четырехвалентными элементами, и их атомы имеют по 4 валентных электрона. В результате образования парных ковалентных связей все атомы германия и кремния оказываются взаимосвязанными. Плоские модели кристаллических решеток чистого германия Ge и кремния Si изображены на рис. 3.2, б. На этом рисунке парные ковалентпые связи показаны двумя параллельными линиями, соединяющими два соседних атома, а электроны, образующие эти связи,— в виде черных точек.

При сообщении электрону дополнительной энергии ковалентная связь может нарушиться и он станет свободным.
Место на внешней орбите атома, где ранее находился электрон, называют дыркой. На энергетической диаграмме дырке соответствует свободный энергетический уровень в валентной зоне, с которого электрон перешел в зону проводимости (рис. 3.2, г).

Образование свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне называют генерацией подвижных носителей заряда, или генерацией пар электрон — дырка, поскольку появление свободного электрона в зоне проводимости обязательно сопровождается появлением дырки в валентной зоне.

Свободный электрон может, теряя часть своей энергии, из зоны проводимости перейти в валентную зону, заполнив собой одну из имеющихся в ней дырок. При этом восстанавливается ковалентная связь. Этот процесс называют рекомбинацией. Таким образом, рекомбинация всегда сопровождается потерей пары электрон—дырка.

↑ Электронный и дырочный токи в полупроводниках

При заданной температуре в полупроводнике всегда имеются разорванные ковалентные связи, т. е. некоторое количество свободных электронов и соответствующее им число дырок. Если к такому полупроводнику подключить источник напряжения, свободные электроны под действием образовавшегося электрического поля будут двигаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Кроме того, электроны могут покидать одни ковалентные связи и восстанавливать другие — разрушенные. При этом в одном месте дырка исчезает, а в другом, откуда ушел электрон, появляется. Следовательно, в полупроводнике могут перемещаться не только электроны, но и дырки, и электрический ток включает две составляющие: электронную, образуемую путем перемещения свободных электронов, и дырочную, создаваемую при перемещении дырок. Дырке условно соответствует положительный единичный заряд, равный заряду электрона.

Полупроводники, которые состоят только из атомов германия или кремния, называют чистыми, или собственными, а электропроводность (способность проводить электрический ток), обусловленную наличием свободных электронов и дырок,— собственной электропроводностью.

↑ Примесные полупроводники n-типа

Для придания полупроводниковым приборам необходимых свойств в полупроводники добавляют примеси других элементов. В качестве таковых используются пяти- и трехвалентные элементы, расположенные в V и III группах таблицы Менделеева.

При внесении в германий или кремний пятивалентных элементов (фосфора Р, мышьяка As, сурьмы Sb и др.) четыре валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с атомами основного вещества. Пятые валентные электроны примесных атомов оказываются как бы лишними, они слабо связаны с атомами, и достаточно тепловой энергии, сообщаемой им при комнатной температуре, чтобы они смогли оторваться от атомов и стать свободными. При этом примесный атом превращается в положительный ион.

Появление свободных электронов не сопровождается дополнительными разрушениями ковалентных связей, а наоборот, некоторые дырки «исчезают», рекомбинируя (восстанавливая связь) со свободными электронами. Следовательно, в таких полупроводниках свободных электронов значительно больше, чем дырок, и протекание тока через полупроводник будет в основном определиться движением электронов и в очень малой степени — движением дырок. Это полупроводники n-типа (от латинского слова negative—отрицательный), примеси же называют донорами. Энергетическая диаграмма полупроводника n-типа приведена на рис. 3.3, а.

↑ Примесные полупроводники р-типа

Если в германий или кремний ввести трехвалентные атомы бора В, индия In, алюминия Аl, галлия Ga и др., то три валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с тремя рядом расположенными атомами основного вещества. Для образования четвертой ковалентной связи примесным атомам не хватает по одному электрону. Эти электроны они получают вследствие разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества. Причем на месте ушедшего электрона образуется дырка, а примесные атомы, принявшие по электрону, превращаются в отрицательные ионы. Таким образом, в полупроводнике образуется дополнительное количество дырок, а число свободных электронов не увеличивается. Электрический ток в таком полупроводнике создается главным образом за счет перемещения дырок в валентной зоне и в незначительной степени — при движении свободных электронов в зоне проводимости. Это полупроводники р-типа (от латинского positive- положительный). Примеси называют акцепторами.

Энергетическая диаграмма примесного полупроводника р-типа приведена на рис. 3.3, б.
Подвижные носители электрического заряда, которые преобладают в полупроводнике данного типа, называются основными, остальные — неосновными. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки, в полупроводнике р-типа, наоборот, дырки — основные носители, а электроны — неосновные.

Источник: В. И. Галкин, Начинающему радиолюбителю. М., 1983.

голоса

Рейтинг статьи