Электрический ток в полупроводниках

Если температура повышается, некоторые валентные электроны приобретают достаточно энергии, чтобы разорвать ковалентную связь. Затем в кристалле появляются свободные электроны (электроны проводимости).

Полупроводники отличаются от металлов тем, что у последних удельное сопротивление уменьшается с понижением температуры, как показано на рисунке 1. 12 . 4 . Полупроводники ведут себя по-другому. У них заметно увеличивается сопротивление, в результате чего они становятся изоляторами.

Рисунок 1 . 12 . 4 . Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – обычный металл; b – сверхпроводник.

Рисунок 1 . 13 . 1 . Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T .

Приведенная выше зависимость ρ ( T ) указывает на существование концентрации свободных носителей заряда в проводниках, которая увеличивается с ростом температуры. Механизм образования электрического тока не может быть объяснен только моделью свободного электронного газа.

В качестве примера рассмотрим германий (Ge). Работа механизма в кристалле кремния (Si) аналогична. Во внешних оболочках атомов германия имеется 4 слабо выраженных электрона. Они называются валентными электронами. Каждый атом в кристаллической решетке окружен 4 соседями. Атомы соединены друг с другом ковалентной связью, парой валентных электронов. Один валентный электрон соответствует двум атомам, как показано на рисунке 1. 13 . 2 .

Связь валентных электронов в атоме германия больше, чем в обычных металлах. Отсюда наличие пониженной концентрации электронов проводимости при комнатной температуре. Связывание электронов германия происходит при температуре, близкой к абсолютному нулю. Этот кристалл не обладает проводимостью.

Рисунок 1 . 13 . 2 . Параэлектронные связи в кристаллах германия и образование электронно-дырочных пар.

Полупроводники используются для создания:

Содержание

Внутренняя проводимость полупроводников

В идеальном кристалле германия при низкой температуре атомы соединены ковалентными связями: свободные носители заряда отсутствуют. При повышении температуры энергия электронов увеличивается, ковалентная связь разрывается, и на их месте образуется свободная вакансия – положительная дырка.

В идеальном кристалле четырехвалентного германия при низкой температуре атомы связаны ковалентной связью: свободные носители заряда отсутствуют. Четыре валентных электрона связаны с четырьмя соседними атомами. При повышении температуры энергия электронов увеличивается, ковалентная связь разрывается, и на их месте образуется положительная дырка.

В чистом полупроводнике равное количество электронов и дырок образуют электрический ток. Этот тип проводимости называется внутренняя проводимость полупроводников.

Если в полупроводнике присутствует примесь, его электропроводность значительно отличается от электропроводности чистого полупроводника. Добавление в кристалл кремния примеси фосфора в размере 0,001 атомного процента увеличивает проводимость более чем в 100000 раз! Такое значительное влияние примесей на проводимость объяснимо.

Между проводниками и диэлектриками, по величине удельного сопротивления, находятся полупроводники. Кремний, германий, теллур и т.д. – Многие элементы периодической таблицы и их соединения являются полупроводниками. Очень многие неорганические вещества являются полупроводниками. Кремний – самый распространенный элемент в природе, земная кора состоит из него на 30%.

Основное разительное отличие полупроводников от металлов – отрицательный температурный коэффициент сопротивления: чем выше температура полупроводника, тем ниже его электрическое сопротивление. Для металлов справедливо обратное: чем выше температура, тем выше сопротивление. Если полупроводник охладить до абсолютного нуля, он становится диэлектриком.

Выше температура – ниже сопротивление

Такая температурная зависимость проводимости полупроводников указывает на то, что концентрация свободных носителей заряда в полупроводниках не является постоянной и увеличивается с температурой. Механизм протекания электрического тока через полупроводник нельзя свести к газовой модели свободных электронов, как в металлах. Чтобы понять этот механизм, мы можем рассмотреть в качестве примера кристалл германия.

В нормальном состоянии атомы германия содержат четыре валентных электрона на своей внешней оболочке, четыре электрона, которые слабо связаны с ядром. В этом случае каждый атом в кристаллической решетке германия окружен четырьмя соседними атомами. Связь здесь ковалентная, что означает, что она образована парами валентных электронов.

Оказывается, что каждый из валентных электронов принадлежит одновременно двум атомам, и связь валентных электронов внутри германия с его атомами сильнее, чем в металлах. Именно поэтому при комнатной температуре полупроводники на несколько порядков хуже проводят электричество по сравнению с металлами. А при абсолютном нуле все валентные электроны германия будут заняты в связях, и не будет свободных электронов для обеспечения тока.

При повышении температуры некоторые валентные электроны приобретают энергию, которая становится достаточной для разрыва ковалентных связей. Таким образом, образуются свободные электроны проводимости. В местах разрыва связей образуются специфические вакансии -. дырки без электронов..

Эта дырка может быть легко занята валентным электроном из соседней пары, и тогда дырка перемещается так, как будто она находится на месте соседнего атома. При определенной температуре в кристалле образуется множество так называемых электронно-дырочных пар.

Одновременно происходит процесс рекомбинации электронов с дырками – дырка, встретив свободный электрон, восстанавливает ковалентную связь между атомами в кристалле германия. Такие электронно-дырочные пары могут образовываться в полупроводнике не только под действием температуры, но и при освещении полупроводника, т.е. под действием энергии падающего электромагнитного излучения.

Если к полупроводнику не приложено внешнее электрическое поле, свободные электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении. Но когда полупроводник помещают во внешнее электрическое поле, электроны и дырки начинают двигаться упорядоченно. Так рождается электричество Ток рождается в полупроводнике..

Он состоит из электронного тока и дырочного тока. В полупроводнике концентрация дырок и электронов проводимости одинакова. И это только в чистых полупроводниках. механизм проводимости электронов и дырок. Это внутренняя электропроводность полупроводника.

Примесная проводимость (электронная и дырочная проводимость)

Если в полупроводнике присутствует примесь, его электропроводность значительно отличается от электропроводности чистого полупроводника. Примесь в виде фосфора, добавленная в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента, увеличит проводимость более чем в 100000 раз! Такое значительное влияние примесей на проводимость объяснимо.

Основным условием увеличения проводимости от примесей является разница в валентности примесей по отношению к валентности основного элемента. Такая проводимость с примесями называется примесная проводимость, а также может быть электронная и дырочная проводимость.

Кристалл германия начинает обладать электронной проводимостью, если в него ввести пятивалентные атомы, например, мышьяк, в то время как валентность атомов самого германия равна четырем. Когда пятивалентный атом мышьяка помещается в узел кристаллической решетки германия, четыре внешних электрона атома мышьяка включаются в ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия. Пятый электрон атома мышьяка становится свободным, легко покидая свой атом.

А брошенный атом электрона становится положительным ионом в узле кристаллической решетки полупроводника. Это называется донорной примесью, когда валентность примеси больше валентности основных атомов. Здесь появляется много свободных электронов, поэтому при введении примеси электрическое сопротивление полупроводника падает в тысячи и миллионы раз. Полупроводник с большим количеством добавленных примесей приближается к металлам по внутренней проводимости.

Хотя электроны и дырки отвечают за внутреннюю проводимость в кристалле германия, легированного мышьяком, основными свободными носителями заряда являются электроны, покинувшие атомы мышьяка. В такой ситуации концентрация свободных электронов значительно превышает концентрацию дырок, и такой тип проводимости называется электронной проводимостью полупроводника, а сам полупроводник – полупроводником n-типа.

Однако если в кристалл германия вместо пятивалентного мышьяка добавить трехвалентный индий, он образует ковалентную связь только с тремя атомами германия. Четвертый атом германия останется несвязанным с атомом индия. Но ковалентный электрон может быть захвачен от соседних атомов германия. Тогда индий станет отрицательным ионом, а соседний атом германия займет вакансию, где существовала ковалентная связь.

Этот тип примеси, в котором атом примеси захватывает электроны, называется акцепторной примесью. Когда в кристалл вводится акцепторная примесь, многочисленные ковалентные связи разрываются и образуется множество дырок, в которые могут переходить электроны из ковалентных связей. В отсутствие электрического тока дырки хаотично перемещаются по кристаллу.

Загрязнение акцептора вызывает быстрое увеличение проводимости полупроводника из-за образования большого количества дырок, причем концентрация этих дырок намного превышает концентрацию электронов во внутренней проводимости полупроводника. Это дырочная проводимость, и полупроводник называется полупроводником p-типа. Основными носителями груза являются отверстия в нем.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это поможет нашему сайту развиваться!

Примеси, которые захватывают электроны, создавая подвижные дырки, не увеличивая при этом количество электронов проводимости, называются акцепторными примесями (примеси с валентностью ниже, чем у основного полупроводника).

Электричество в полупроводниках

Полупроводники – это класс веществ, в которых проводимость увеличивается с повышением температуры, а электрическое сопротивление уменьшается. В этом заключается фундаментальное различие между полупроводниками и металлами.

Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы связаны между собой ковалентными связями. При любой температуре полупроводники содержат свободные электроны. Свободные электроны могут перемещаться в кристалле под воздействием внешнего электрического поля, создавая ток электронной проводимости. Удаление электрона из внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к превращению атома в положительный ион. Этот ион может быть нейтрализован путем захвата электрона от одного из соседних атомов. Переход электронов от атомов к положительным ионам затем приводит к процессу хаотического движения в кристалле участка с недостающим электроном. Внешне этот процесс выглядит как перемещение положительного электрического заряда, называемого дыркой.

Когда кристалл помещается в электрическое поле, происходит упорядоченное движение дырок – ток дырочной проводимости.

В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток возникает в результате движения равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Проводимость в идеальных полупроводниках называется внутренней проводимостью.

Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов – донорные и акцепторные.

Примеси, которые отдают электроны и создают проводимость, называются донорными примесями (примеси с валентностью выше, чем у основного полупроводника). Полупроводники, в которых концентрация электронов превышает концентрацию дырок, называются полупроводниками n-типа.

Примеси, которые захватывают электроны и таким образом создают подвижные дырки без увеличения числа электронов проводимости, называются акцепторными примесями (примеси с валентностью ниже, чем у основного полупроводника).

При низких температурах основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторными примесями являются дырки, а неосновными носителями – электроны. Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа. Рассмотрим контакт двух полупроводников с разными типами проводимости.

Основные носители диффундируют через границу этих полупроводников: электроны из полупроводника n диффундируют в полупроводник p, а дырки из полупроводника p – в полупроводник n. В результате область n-полупроводника, граничащая с контактом, будет лишена электронов, и там будет избыток положительного заряда из-за присутствия голых примесных ионов. Перемещение дырок из p-полупроводника в n-полупроводник приводит к избытку отрицательного заряда в приграничной области p-полупроводника. Это приводит к образованию двойного электрического слоя и контактного электрического поля, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Этот слой называется барьерным слоем.

Внешнее электрическое поле влияет на электропроводность барьерного слоя. Если полупроводники подключены к источнику, как на рисунке 55, то под воздействием внешнего электрического поля основные носители заряда – свободные электроны в p-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике – будут перемещаться относительно друг друга к границе раздела полупроводников, при этом толщина p-n-перехода уменьшается, а значит, уменьшается его сопротивление. В этом случае ток ограничивается внешним сопротивлением. Это направление внешнего электрического поля называется прямым направлением. Прямой путь p-n-перехода представлен участком 1 на вольт-амперной характеристике (см. Рисунок 57).

Носители электрического тока в различных средах и вольт-амперные характеристики приведены в таблице 1.

Если полупроводники соединены с источником, как на рис. 56, электроны в p-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике будут двигаться под действием внешнего электрического поля от границы в противоположных направлениях. Увеличивается толщина пограничного слоя, а значит, и его сила. При таком направлении внешнего электрического поля – обратном (блокирующем), через интерфейс проходят только неосновные носители, концентрация которых значительно ниже, чем базовых, и ток практически равен нулю. Обратный p-переход соответствует участку 2 на вольт-амперной характеристике (рис. 57).

Таким образом, p-p-переход имеет асимметричную проводимость. Это свойство используется в полупроводниковых диодах с одним p-n-переходом в таких приложениях, как выпрямление переменного тока или зондирование.

Полупроводники широко используются в современной электронике.

Температурная зависимость электрического сопротивления полупроводниковых металлов используется в специальных полупроводниковых приборах: терморезисторах. Устройства, использующие свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами.

Удельное сопротивление проводника с высоким содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника. Эта проводимость, обусловленная свободными электронами, называется электронной проводимостью, а полупроводник с электронной проводимостью называется полупроводник n-типа.

Какие молекулы создают ток в полупроводниках?

В состав полупроводников входит множество химических элементов (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и т.д.), огромное количество сплавов и соединений. Почти все неорганические вещества в окружающем нас мире являются полупроводниками. Самым распространенным полупроводником в природе является кремний, который составляет около 30% земной коры.

Качественное различие между полупроводниками и металлами можно увидеть в Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется в температурной зависимости их удельного сопротивления (рис. 9.3)

Зонная модель проводимости электронов и дырок в полупроводниках

При образовании твердых тел возможно, что энергетическая полоса, происходящая от энергетических уровней валентных электронов родительского атома, полностью заполнена электронами, а ближайшие заполненные электронами энергетические уровни отделены от валентная зона Е_V разрывом неразрешенных энергетических состояний, так называемым запретная зона Е_g 5 раз.

Небольшое добавление примеси в полупроводник называется легированием.

Предпосылкой для резкого снижения удельного сопротивления полупроводника при добавлении примесей является то, что валентность примесных атомов отличается от валентности основных атомов в кристалле. Проводимость полупроводников в присутствии примесей называется проводимость примесей.

Различают два типа проводимости примесей – электронный и отверстие проводимость. Электронная проводимость возникает, когда пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As) внедряются в кристалл германия с четырехвалентными атомами (рис. 9.5).

Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказывается лишним. Он легко отделяется от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки.

Примесь, состоящая из атомов, имеющих валентность больше, чем у элементарных атомов полупроводникового кристалла, называется донорная примесь. Его введение создает большое количество свободных электронов в кристалле. Это приводит к резкому снижению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз.

Удельное сопротивление проводника с высоким содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника. Такая проводимость, обусловленная свободными электронами, называется электронной проводимостью, а полупроводник с электронной проводимостью называется полупроводник n-типа.

Проводимость отверстия возникает при внедрении трехвалентных атомов, например, атомов индия, в кристалл германия (рис. 9.5)

На рисунке 6 показан атом индия, который образовал ковалентные связи только с тремя соседними атомами германия, используя свои валентные электроны. Атому индия не хватает электрона для образования связи с четвертым атомом германия. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, находящийся в узле кристаллической решетки, и в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия.

Загрязнение атомов, которые могут захватывать электроны, называется акцепторная примесь. В результате введения акцепторной примеси многие ковалентные связи в кристалле разрываются и образуются пустоты (дырки). Электроны из соседних ковалентных связей могут переходить в эти пространства, что приводит к хаотичной миграции дырок по кристаллу.

Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторным загрязнением намного выше, чем концентрация электронов, возникающих в результате собственного механизма проводимости полупроводника: n_p>> n_n. Проводимость такого типа называется проводимость отверстия. Полупроводник с примесями и дырочной проводимостью называется полупроводник р-типа. Основными свободными носителями заряда в полупроводниках p-типа являются pполупроводников -типа являются дырки.

Электронно-дырочный переход. Диоды и транзисторы

Полупроводники играют уникальную роль в современной электронике. За последние три десятилетия они почти полностью заменили электровакуумные приборы.

Каждый полупроводниковый прибор содержит один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) площадь контакта между двумя полупроводниками с разными типами проводимости.

На границе полупроводника (рис. 9.7) образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует диффузии электронов и дырок навстречу друг другу.

Способность n–p-Переход для проведения тока практически только в одном направлении используется в устройствах, называемых полупроводниковые диоды. Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл с одним типом проводимости вплавляется примесь, обеспечивающая другой тип проводимости.

На рисунке 9.8 показана типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода.

Полупроводники, имеющие не один, а два n-p-перехода, называются транзисторы. Транзисторы бывают двух типов: p–n–p-транзисторы и n–p–n-транзисторы. В транзисторе n–p–n-транзистора германиевая базовая пластина имеет проводимость p-типа, и две области, сформированные на нем, имеют проводимость n-типа (рис.9.9).

В p-n-p – транзистор обратного типа. Пластина транзистора называется база (B), одна из областей с противоположным типом проводимости – коллектор (K), а другой эмиттер (Э).

Давайте проведем еще один эксперимент. Изменяя освещенность поверхности полупроводника, мы наблюдаем изменение показаний миллиамперметра (рис. 216). Результаты наблюдений показывают, что при освещении поверхности полупроводника его сопротивление уменьшается.

Физика. 10 класс.

Полупроводники – это широкий класс неорганических и органических веществ в твердом или жидком состоянии. Полупроводники обладают многими необычными свойствами, благодаря которым они широко используются в различных областях науки и техники. Каковы структурные особенности полупроводников?

Температурная и световая зависимость сопротивления полупроводников. Удельное сопротивление полупроводников находится в диапазоне от 10 -6 до 10 8 Ом-м (при Т = 300 K), что во много раз ниже, чем у диэлектрика, но значительно выше, чем у металла. В отличие от проводников, удельное сопротивление полупроводников быстро уменьшается с повышением температуры, а также изменяется при изменении освещения и введении относительно небольшого количества примесей. Полупроводники содержат ряд химических элементов (бор, углерод, кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьма, сера, селен, теллур и другие) и множество оксидов и сульфидов металлов, а также другие химические соединения.

Свойства полупроводников можно исследовать с помощью экспериментов. Соберите электрическую цепь, состоящую из источника тока, полупроводника и миллиамперметра (рис. 215). Эксперимент показывает, что при нагревании полупроводника ток в цепи увеличивается. Увеличение тока связано с тем, что сопротивление полупроводника уменьшается при повышении температуры.

Давайте проведем еще один эксперимент. Изменяя освещенность поверхности полупроводника, мы наблюдаем изменение показаний миллиамперметра (рис. 216). Наблюдения показывают, что при освещении поверхности полупроводника его сопротивление уменьшается.

Таким образом, можно уменьшить сопротивление полупроводника, нагревая его или воздействуя на него электромагнитным излучением, например, освещая его поверхность.

Читайте далее: