На рис. 9 показан контакт между областями p-типа и n-типа; цветные кружки – дырки и свободные электроны, которые являются основными (или нет) носителями заряда в соответствующих областях.
Полупроводники
До сих пор, говоря о способности веществ проводить электричество, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в диапазоне Ом-м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти значения в среднем на порядки: Ом-м.
Однако существуют также вещества, которые по электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводникиИх удельное сопротивление при комнатной температуре может находиться в очень широком диапазоне Ом-м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен и некоторые другие элементы и химические соединения (Полупроводники очень распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры состоит из веществ, которые являются полупроводниками). Наиболее распространенными являются кремний и германий.
Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность быстро увеличивается с ростом температуры. Удельное сопротивление полупроводника уменьшается с повышением температуры примерно так, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1: Взаимосвязь для полупроводника
Другими словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой температуре – как неплохие проводники. В этом заключается разница между полупроводниками и металлами: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно увеличивается с ростом температуры.
Существуют и другие различия между полупроводниками и металлами. Например, освещение полупроводника уменьшает его сопротивление (в то время как на сопротивление металла свет почти не влияет). Кроме того, электропроводность полупроводников может сильно измениться при введении даже небольшого количества примесей.
Опыт показывает, что, как и в случае с металлами, при прохождении тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Таким образом, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.
Уменьшение сопротивления полупроводника при нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего подобного не происходит, поэтому полупроводники имеют иной механизм электропроводности, чем металлы. Причина этого заключается в различной природе химических связей между атомами металла и полупроводника.
Отношение этого изменения напряжения на выходе транзистора к результирующему изменению напряжения на входе называется коэффициентом усиления каскада по напряжению
Почему сопротивление полупроводников уменьшается при нагревании?
Эксперименты показывают, что электрическое сопротивление полупроводниковых кристаллов уменьшается при нагревании (рис. 157). Уменьшение электрического сопротивления полупроводников при нагревании объясняется тем, что с повышением температуры кристалла увеличивается число депонированных электронов, повышается концентрация свободных электронов в кристалле.
Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых материалов от температуры используется в специальных полупроводниковых приборах – терморезисторах.
Конструкция терморезисторов.
В производстве терморезисторов, полупроводниковых
материалы, представляющие собой смесь оксидов некоторых металлов – титана, магния, никеля, лития, марганца, кобальта. Полупроводниковый материал заключен в металлическую оболочку, которая имеет изолированные провода для подключения термистора к электрической цепи. Некоторые термисторы не имеют специальной защитной оболочки, полупроводниковый материал в них покрыт только слоем лака.
Изменение сопротивления терморезисторов при нагревании или охлаждении позволяет использовать их в приборах для измерения температуры, для поддержания постоянной температуры в автоматических устройствах – в закрытых термостатических камерах.
Фоторезисторы.
Эксперименты показывают, что электрическое сопротивление полупроводниковых кристаллов изменяется не только под воздействием тепла, но и под воздействием света. При увеличении освещенности электрическое сопротивление полупроводниковых материалов уменьшается. Это означает, что энергия, необходимая для высвобождения электронов и дырок, может быть передана им светом, падающим на кристалл. Устройства, использующие свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами. Фоторезисторы изготавливаются в виде тонких слоев полупроводникового материала, нанесенных на подложку из изолятора. В качестве материалов для изготовления фоторезисторов используются соединения с p-n-переходом и ряд других.
Свойства p-n-перехода.
Полупроводники являются основой современной электронной техники. Они используются в радио- и телевизионных приемниках, микрокалькуляторах и электронных компьютерах. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на использовании свойств спая.
Для формирования спая в электронно-проводящем кристалле должна быть сформирована дырочная область, или в дырочном кристалле должна быть сформирована электронно-проводящая область.
Такая область образуется в результате внедрения примесей во время роста кристалла или в результате внедрения примесных атомов в конечный кристалл. Диффузия электронов и дырок происходит через границу, разделяющую области кристалла с различными типами проводимости (рис. 158, a).
Диффузия электронов из
электронов в – полупроводник приводит к образованию нескомпенсированных положительных зарядов донорных примесных ионов в электронном проводнике, в дырочном полупроводнике рекомбинация электронов с дырками приводит к образованию нескомпенсированных отрицательных зарядов акцепторных примесных ионов (рис. 158, б). Между двумя слоями объемного заряда возникает электрическое поле. По мере накопления объемного заряда напряженность поля увеличивается и все больше противодействует прохождению электронов от полупроводника к полупроводнику или дырок от полупроводника к полупроводнику. Электронно-дырочный переход, сокращенно p-n-переход,
Это граница, разделяющая области дырочной и электронной проводимости в одном монокристалле.
Область границы раздела между полупроводниками разного типа проводимости практически становится диэлектриком из-за выхода свободных электронов и дырок.
Между областями с разным типом проводимости заряды ионной массы создают напряжение около 0,35 В для ионных германиевых переходов и около 0,6 В для ионных кремниевых переходов.
Если к переходу в области электронной проводимости приложено напряжение со знаком плюс, электроны в полупроводнике и дырки в полупроводнике отталкиваются внешним полем от ограничивающего слоя в разных направлениях, увеличивая его толщину. Сопротивление спая велико, ток мал и практически не зависит от напряжения. Такой способ включения диода называется переключающим или инвертирующим диодом. Обратный ток полупроводникового диода обусловлен свойственной полупроводниковым материалам, из которых изготовлен диод, проводимостью, то есть наличием небольшой концентрации свободных электронов в полупроводнике и дырок в полупроводнике.
Если к переходу приложено напряжение со знаком плюс для области проводимости дырок и со знаком минус для области проводимости электронов, то прохождение основных носителей через переход облегчается. Двигаясь навстречу друг другу, основные носители входят в упорядоченный слой, уменьшая его удельное сопротивление. Ток, протекающий через диод в этом случае при указанных напряжениях, ограничен только сопротивлением внешней цепи. Этот метод переключения диодов называется сквозным или прямым переключением.
Способность перехода пропускать ток в одном направлении и не пропускать в противоположном направлении используется в устройствах, называемых полупроводниковыми диодами, для преобразования переменного тока в постоянный или, более конкретно, в пульсирующий ток.
Преимуществом полупроводникового диода является его малый размер и вес, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокая эффективность, а недостатком – зависимость от температуры.
Транзистор.
Транзистор, или полупроводниковый триод, был изобретен в 1948 году. По способу изготовления транзистор мало чем отличается от полупроводникового диода.
Чтобы изготовить транзистор из одноэлектронного проводящего кристалла германия, на двух противоположных сторонах транзистора вводится примесь в виде атомов индия. Две области монокристаллов германия, легированных индием, становятся дырочными полупроводниками, и два перехода происходят на их границе с базовым кристаллом.
происходят два перехода. Средняя область кристалла называется базой транзистора, а две крайние области кристалла, обладающие проводимостью, противоположной проводимости базы, называются коллектором и эмиттером (рис. 159). Транзисторы, в которых эмиттер и коллектор имеют дырочную проводимость, а база имеет электронную проводимость, называются транзисторами с переходом.
Транзисторы-транзисторы имеют аналогичное устройство – только материал базы имеет дырочную проводимость, а коллектор и эмиттер – электронную. Символ транзистора в схемах показан на рисунке 160.
Подключение транзистора к электрической цепи.
Коллектор типового транзистора находится под напряжением при подаче напряжения отрицательной полярности на эмиттер. Напряжение базы может быть положительным или отрицательным по отношению к эмиттеру.
Основным рабочим состоянием транзистора в большинстве электрических схем является активное состояние, когда напряжение приложено к эмиттерному переходу в направлении перехода и к коллекторному переходу в направлении короткого замыкания. Это открывает эмиттерный переход, и отверстия перемещаются из эмиттера в базу.
Благодаря диффузии дырки распространяются из области высокой концентрации вблизи эмиттера в область низкой концентрации в направлении коллектора. Дырки, достигающие коллекторного перехода, притягиваются его полем и перемещаются в коллектор.
Небольшая часть дырок, проходящих от эмиттера к коллектору, сталкивается с электронами на своем пути через базу и рекомбинирует с ними. Потеря электронов в базе из-за рекомбинации восполняется притоком электронов через вывод базы. Поэтому ток, протекающий через эмиттерный вывод транзистора в активном состоянии, равен сумме токов, протекающих через его коллекторный и базовый выводы:
Соотношение между токами коллектора и базы в транзисторе в активном состоянии определяется условиями диффузии и
рекомбинация отверстий в основании. Эти условия в значительной степени зависят от типа материалов, используемых в конструкции транзистора, и конструкции его электродов, но в очень малой степени – от напряжений коллектора и базы. Поэтому транзистор можно рассматривать как устройство, которое распределяет ток, протекающий через один из его электродов, эмиттер, в определенном соотношении между двумя другими электродами, базой и коллектором (рис. 161).
Усилительные свойства транзистора.
Способность транзистора распределять ток эмиттера в определенном соотношении между коллектором и базой может быть использована для усиления электрических сигналов. Отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы при постоянном напряжении коллектора для каждого транзистора является постоянной величиной, называемой общим коэффициентом передачи тока базы
Этот коэффициент варьируется от 15-20 до 200-500 для различных типов транзисторов. Поэтому, каким-то образом вызывая изменения тока базы транзистора, мы можем получить в десятки или даже сотни раз большие изменения тока коллектора.
Используя этот параметр, зависимость между током коллектора и током базы можно приблизительно записать как
Когда транзистор включен в схему, показанную на рисунке 162, схему с общим эмиттером, отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы равно отношению изменения выходного тока к изменению входного тока,
Поскольку параметр транзистора может иметь значения от до 100-кратного усиления тока электрических сигналов, можно получить усиление тока с помощью одного транзистора.
Чтобы усилить сигнал напряжения, необходимо подключить резистор к коллекторной цепи
Значение сопротивления должно быть рассчитано для каждого конкретного случая.
Изменение тока коллектора на определенную величину вызывает изменение напряжения между выходными клеммами на
Отношение этого изменения выходного напряжения к изменению входного напряжения называется коэффициентом усиления по напряжению каскада
Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером обычно составляет несколько сотен Ом. Коэффициент усиления по напряжению транзисторного каскада может при условии, что коэффициент усиления по току больше коэффициента усиления по напряжению.
Транзисторы широко используются в качестве усилительных элементов в радиоприемниках, телевизорах и магнитофонах.
Изменяя знак напряжения, приложенного между базой и эмиттером, можно включать и выключать ток, протекающий через коллекторный вывод транзистора. В качестве бесконтактных переключающих элементов транзисторы используются в различных устройствах автоматического управления, электронных вычислительных машинах.
Микроэлектроника.
Качественно новый этап в развитии электронной вычислительной техники, связи и автоматизации был создан развитием новой области электроники – микроэлектроники.
Микроэлектроника занимается разработкой интегральных схем и принципов их применения. Интегральная схема – это совокупность большого количества взаимосвязанных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе.
При производстве ИС на пластину полупроводникового материала последовательно наносятся слои примесей, диэлектрика и металла. Для каждого нового слоя используется другая технология осаждения и другая компоновка деталей. В результате на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, резисторов и диодов, которые соединяются в определенную схему. Например, микрочип часов Electronica размещен на кремниевом чипе толщиной 0,5 мм и размером мм. Этот чип содержит около 3000 транзисторов. Размер отдельных компонентов микросхемы может составлять 2-5 мкм, а погрешность не может превышать 0,2 мкм.
Самые революционные изменения благодаря развитию микропроцессоров произошли в области электронных вычислительных машин. Вместо ламповых компьютеров, содержащих десятки тысяч трубок
В начале 1990-х годов транзисторные компьютеры, которые занимали несколько этажей здания, занимая большую комнату, были основаны на интегральных схемах – микропроцессорах, которые можно было разместить на столе. Современный микропроцессор на кремниевом чипе толщиной в миллиметр содержит десятки или даже сотни тысяч транзисторов.
За последние 25 лет компьютеры стали примерно в 200 раз быстрее, а их энергопотребление снизилось примерно в 1 раз.
С температура повышается. Атомы начинают совершать тепловые колебания.
Факторы, влияющие на сопротивление полупроводников
Экспериментально установлено, что электрическое сопротивление в полупроводниковых кристаллах уменьшается с повышением температуры. Это связано с тем, что при нагревании кристалла количество свободных электронов увеличивается, а вместе с ним и их концентрация. Сопротивление полупроводников, которое изменяется с температурой, используется для создания специальных устройств, называемых термисторами.
Полупроводники, которые представляют собой оксиды отдельных металлов в смешанном состоянии, используются для изготовления термистора. Готовое вещество помещается в защитный металлический корпус с изолированными проводами. Они служат для подключения устройства к электрической цепи.
Термисторы используются для измерения или поддержания температуры устройства. Основной принцип заключается в том, что их сопротивление изменяется при изменении температуры. Тот же принцип применяется к фоторезисторам. Здесь значение сопротивления изменяется в зависимости от интенсивности света.
Рисунок 81: Эксперимент, показывающий сопротивление провода в зависимости от температуры. При нагревании сопротивление проволоки увеличивается: 1 – проволока, 2 – батарея гальванических элементов, 3 – амперметр
Преобразования, происходящие в стали при быстром охлаждении
Как указывалось выше, при быстром охлаждении превращение аустенита в перлит с выделением избыточного феррита или цементита не происходит и, в зависимости от скорости охлаждения, аустенит превращается в новые структуры – мартенсит, троостит или сорбит. Сталь с такой структурой отличается от стали с перлитной и ферритной структурой повышенной твердостью, прочностью и пониженной пластичностью. Если углеродистую сталь, нагретую выше критической температуры, охладить очень быстро, аустенит перейдет в мартенсит, причем это изменение начнется не раньше, чем через 200°. Немного меньшая скорость охлаждения приведет к образованию структуры троостита, а еще меньшая скорость – к образованию структуры сорбита. В производственных условиях охлаждение углеродистой стали в воде приводит к образованию мартенсита, охлаждение в масле – к образованию троостита, а охлаждение в воздушном потоке – к образованию сорбита. На рис. 6 показаны микроструктуры закаленной стали. Рис. 6 Микроструктура закаленной стали: a – игольчатый мартенсит; b – сорбит. В легированных сталях, благодаря наличию специальных элементов, для образования мартенсита не требуется такая высокая скорость охлаждения, как в случае углеродистых сталей, и мартенсит образуется при охлаждении в масле, а для быстрорежущих сталей также при охлаждении на воздухе. Троостит и сорбит могут быть получены не только при ускоренном охлаждении, но и при нагреве закаленной стали со структурой мартенсита до температуры ниже Ac1, т.е. при отпуске. В этом случае троостит получают при нагревании до 400°, а сорбит – при нагревании до 650°. Нагрев до промежуточных температур дает смешанные структуры: при нагреве от 250-400° – мартенсит и троостит, а при нагреве от 400-650° – троостит и сорбит. В производственных условиях троостит и сорбит получают путем закалки закаленной стали.
Путем добавления донорская примесь (более высокой валентности) в полупроводнике, создаются дополнительные электроны. Например, если к кристаллу четырехвалентного германия добавить пятивалентный мышьяк, четыре электрона мышьяка образуют ковалентные связи, а пятый остается свободным. Проводимость становится электронной, и полупроводник называется полупроводником n-тип полупроводника.
Проводимость примесей
Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков путем введения даже очень небольшого количества примесей. Помимо собственной проводимости, полупроводник обладает доминирующим свойством проводимость примесей
. Именно по этой причине полупроводники нашли такое широкое применение в науке и технике. Предположим, например, что пятивалентный мышьяк добавляется в расплавленный кремний. После кристаллизации сплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах образовавшейся кристаллической решетки кремния.
На внешнем электронном уровне атома мышьяка находится пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи со своими ближайшими соседями – атомами кремния (рис. 7). Какова судьба пятого электрона, который не входит в эти связи?
Рис. 7. Полупроводник N-типа
И пятый электрон становится свободным! Дело в том, что энергия связи этого “лишнего” электрона с атомом мышьяка в кристалле кремния намного меньше, чем энергия связи валентных электронов с атомами кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка в результате теплового движения остаются без пятого электрона, превращаясь в положительные ионы. А кристалл кремния, соответственно, наполняется свободными электронами, которые отрываются от атомов мышьяка.
Наполнение кристалла свободными электронами для нас не новость: мы уже видели это выше при нагревании чистый
кремний (без примесей). Однако сейчас ситуация кардинально изменилась:
появление свободного электрона, покидающего атом мышьяка, не сопровождается появлением подвижной дырки
. Почему? Причина та же – связь валентных электронов с атомами кремния намного сильнее, чем с атомом мышьяка в пятой вакансии, поэтому электроны соседних атомов кремния не стремятся заполнить эту вакансию. Таким образом, вакансия остается на месте, она как бы “примерзла” к атому мышьяка и не принимает участия в создании тока.
Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решетку кремния приводит к появлению электронной проводимости, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости
. Основную роль в образовании тока теперь играют свободные электроны, которые в данном случае называются
основные носители
носители заряда.
Механизм внутренней проводимости, конечно, все еще работает в присутствии примесей: ковалентные связи по-прежнему разрываются тепловым движением, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве поставляются атомами мышьяка. Таким образом, отверстия в этом случае будут несущественных перевозчиков.
Примеси, атомы которых жертвуют свободные электроны, не жертвуя такое же количество подвижных дырок, называются донор
. Например, пятивалентный мышьяк является донорной примесью. Когда в полупроводнике есть донорная примесь, основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными – дырки; другими словами, концентрация свободных электронов значительно превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются
электронные полупроводники
или
полупроводники n-типа
(или просто
полупроводники n-типа
).
И насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в полупроводнике n-типа? Давайте проведем простой расчет.
Предположим, что примесь составляет , то есть на каждую тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, составляет порядка см.
Концентрация атомов мышьяка соответственно в тысячу раз меньше: смотрите, та же концентрация свободных электронов, отданных примесью – на каждый атом мышьяка отдается электрон. Помните, что концентрация электронно-дырочных пар, образующихся при разрыве ковалентных связей кремния, при комнатной температуре составляет примерно см. Чувствуете ли вы разницу? Концентрация свободных электронов в этом случае превышает концентрацию дырок на порядки, то есть в миллиард раз! Удельное сопротивление кремниевого полупроводника с таким небольшим добавлением примесей уменьшается в миллиард раз.
Приведенные выше расчеты показывают, что в полупроводниках n-типа электронная проводимость действительно играет важную роль. На фоне такого колоссального избытка свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.
Напротив, можно создать полупроводник с преимущественно дырочной проводимостью. Это достигается путем введения трехвалентной примеси, например, индия, в кристалл кремния. Результат такого осаждения показан на рисунке 8.
Рис. 8 Полупроводник P-типа
Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия находятся три электрона, которые образуют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвертого соседнего атома кремния атом индия уже лишен электрона, и в этой точке образуется дырка.
И эта дыра – не обычная дыра, это очень особенная дыра с очень высокой энергией связи. Когда электрон от соседнего атома кремния попадает в это отверстие, он “застревает навсегда”, потому что притяжение электрона к атому индия очень сильное, больше, чем к атомам кремния. Атом индия превратится в отрицательный ион, а на том месте, откуда пришел электрон, появится дыра, но на этот раз это будет обычная движущаяся дыра в виде разорванной ковалентной связи в кристаллической решетке кремния. Эта дырка обычно начинает блуждать по кристаллу в результате “палочного” переноса валентных электронов от одного атома кремния к другому.
Таким образом, каждый атом нечистого индия генерирует дырку, но не приводит к образованию симметричного свободного электрона. Эти примеси, атомы которых захватывают электроны и таким образом создают движущуюся дыру в кристалле, называются акцептор
Примером акцепторной примеси является трехвалентный индий.
Если в чистый кристалл кремния ввести акцепторную примесь, то количество дырок, созданных примесью, будет намного больше, чем количество свободных электронов, образовавшихся в результате разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью – это полупроводник с дырками
или
полупроводник р-типа
(или просто
полупроводник p-типа .
).
Дырки играют важную роль в генерации тока в полупроводниках p-типа; дырки являются являются основными носителями заряда
. Свободные электроны являются
незначительные носители заряда
Движение свободных электронов в этом случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в основном за счет дырочной проводимости.
Когда температура полупроводника постоянна, существует подвижное равновесие между генерацией и рекомбинацией пар <>. В полупроводнике имеется определенное количество подвижных носителей заряда.
Исследование “Температурная зависимость сопротивления проводника”.
2.1.Электрические проводники, полупроводники и диэлектрики…. 4 стр.
2.2.Примеси и чистые проводники…. 6 стр.
2.3.Примесные проводники…. 7 стр.
2.4.Чистые проводники. Термисторы…. 8 стр.
3.Практическая часть…. 11 стр.
4.Эксперимент 1…. 12 стр.
6.Эксперимент #2…. 14 стр.
7.Создание устройства для дистанционного измерения температуры. 15 стр.
10.Заключение…. 16 стр.
11 стр. Источники…. 16 стр.
Введение.
Я многое узнал о проводниках, полупроводниках и диэлектриках из средств массовой информации и учебника физики за 8 класс. Если вы начнете изучать эту тему более глубоко, то сможете узнать много удивительных вещей. Из этого материала я смог сделать экспериментальный термометр с терморезистором. В своей работе я описываю не только проводники и полупроводники, но и изобретенный мной термисторный термометр.
Я решил использовать обычные устройства, которые нашел в лаборатории физики, потому что не смог найти лучшего и более универсального материала, чем эти примитивные устройства.
Цель работы: Изучить принцип работы полупроводников и зависимость их сопротивления от температуры.
Узнайте, что такое проводники, полупроводники и диэлектрики;
Разберите, как электрический ток проходит через полупроводники;
Понять, что такое полупроводники с примесями и чистые полупроводники;
Изготовить устройство для дистанционного измерения температуры.
Теоретическая часть.
Проводники, полупроводники и диэлектрики.
До относительно недавнего времени все вещества делились на проводники и диэлектрики в соответствии с их электрическими свойствами. Это разделение верно, поскольку они резко отличаются по своей электропроводности
Для проводников электрического тока значение удельного сопротивления колеблется от 10-5 до 10-8 Ом*м, а для диэлектриков – от 10-10 до 10-16 Ом*м. Эти цифры показывают, насколько велик диапазон значений удельного сопротивления проводников и диэлектриков.
Дальнейшие исследования электропроводности веществ привели к открытию таких металлов, электропроводность которых была промежуточной между проводниками и диэлектриками. Эти вещества были названы полупроводники. В основном это элементы четвертой группы, германий и кремний, а также карбид кремния, селен, соединения элементов третьей группы с элементами пятой группы и многие другие вещества. Удельное сопротивление полупроводников варьируется от 10 4 до 10 -5 Ом*м.
Примеси и чистые проводники.
Обратите внимание, что сопротивление различных веществ, включая полупроводники, зависит от их чистоты. Присутствие посторонних примесей в металлических проводниках мало влияет на концентрацию подвижных носителей заряда, но сильно изменяет их подвижность. Это происходит потому, что примеси создают дефекты в кристаллической решетке, которые увеличивают сопротивление металлов электрическому току. Инородные примеси в металлах, как правило, увеличивают их сопротивление.
В диэлектриках примесные атомы, как правило, имеют слабо связанные с атомами электроны. Эти электроны легко отскакивают от атомов и переходят в свободное состояние. Таким образом, электропроводность диэлектриков зависит в основном от количества содержащихся в них примесей. Следовательно, примеси в диэлектрике стремятся уменьшить его сопротивление.
В полупроводниках, как и в диэлектриках, примеси значительно снижают их сопротивление. Путем специального подбора примесей сопротивление полупроводников может быть изменено в желаемом направлении. Поэтому полупроводники с примесями широко используются в современной технике.
Примесные проводники .
Добавляя в чистый полупроводник специально подобранные примеси, можно искусственно приготовить полупроводники, обладающие преимуществом в электронной или дырочной проводимости. К чистому расплавленному германию добавляют около 10-5% примесей, состоящих из атомов любого элемента из группы 5 периодической таблицы, например, мышьяка. Затем, во время затвердевания, формируется нормальная решетка германия, но в некоторых узлах вместо атомов германия будут атомы мышьяка. Четыре валентных электрона атома мышьяка в этом случае образуют ковалентные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон в этих условиях настолько слабо связан с атомом мышьяка, что для его отрыва требуется очень мало энергии, порядка той, которая необходима для ионизации атомов металла.
Поэтому при нормальной температуре все атомы мышьяка в полупроводнике ионизированы. Положительно заряженные атомы мышьяка связаны с решеткой ( расположенный ) и не могут быть смещены внешним электрическим полем, а свободные электроны (по одному от каждого примесного атома) являются подвижными носителями заряда.
Проводимость такого кристалла будет преимущественно электронной и называется проводимость n -тип проводимости . (от <> – отрицательный), а сам кристалл называется полупроводник n -тип. Примесь, которая создает свободные электроны в полупроводнике, называется донор (дарение) или примеси n -тип .
загрязнение n -тип
Если к чистому германию добавить атомы элементов из третьей группы таблицы Менделеева, например, индия, которые имеют по три валентных электрона, то этих электронов будет достаточно для образования ковалентной связи с тремя соседними атомами германия. Чтобы связаться с четвертым атомом германия, атом индия заимствует электрон у одного из своих соседей и превращается в отрицательный ион, а другой атом германия создает дырку, которая хаотично перемещается в кристалле.
В кристалле германия, легированном атомами группы 3, проводимость преимущественно дырочная. Это так называемая проводимость p-типа (от “положительный”). Примесь, вызывающая такую проводимость, называется акцептор (акцептор) или загрязняющее вещество p -тип .
Обратите внимание, что в полупроводниках с примесями генерация электронно-дырочных пар происходит уже при обычных температурах. Поэтому в дополнение к основной носители встречаются там в небольшом количестве, а носители противоположного знака (не первичный присутствуют носители). При низких температурах неосновные носители не играют существенной роли. Однако при высоких температурах, когда происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар, полупроводник достигает смешанной проводимости. Таким образом, доминирующая проводимость дырок или электронов в полупроводниках с примесями сохраняется только при температурах ниже тех, при которых естественная проводимость полупроводника начинает играть существенную роль.
Загрязнение p -тип.
Чистые проводники. Термисторы .
Возьмем германий и кремний как примеры подвижных носителей заряда в чистых полупроводниках. Атомы этих элементов имеют по четыре валентных электрона на внешней оболочке. В твердом состоянии эти вещества имеют алмазоподобную кристаллическую решетку, в которой каждый атом имеет четыре ближайших соседа.
Связь между соседними атомами в такой сети является ковалентной, т.е. два соседних атома связывают два своих валентных электрона (по одному от каждого атома), образуя электронную пару.
При низкой температуре все электроны полупроводника связаны с атомами. Такой кристалл не имеет свободных носителей заряда и является изолятором. Если температура кристалла постепенно повышается, отдельные электроны могут получить избыточную энергию (возникающую из энергии хаотического движения), которой достаточно, чтобы отскочить от атома. Появление таких электронов создает проводимость полупроводникового кристалла. При комнатной температуре в кристаллах германия и кремния уже есть свободные электроны. Энергия, необходимая для отрыва электронов от атомов, в германии ниже, чем в кремнии. Так, при одной и той же температуре сопротивление германия значительно ниже, чем кремния (при 20 0 С Pge = 0,6 Ом*м, а Psi = 2*10 3 Ом*м).
Когда электрон переходит в свободное состояние в оболочке атома полупроводника, остается свободное пространство, которое принято называть отверстие. Поскольку до отрыва электрона атом был нейтральным, после отрыва он приобретает положительный заряд, который присваивается дыре. Поскольку соседние атомы полупроводника постоянно обмениваются электронами, дырка в атоме может быть заполнена электроном из другого атома, который, в свою очередь, появляется как дырка.
Таким образом, дырки, имеющие положительный заряд, совершают в полупроводнике такое же хаотическое движение, как и свободные электроны. Поэтому дырки в полупроводниках условно считаются подвижными носителями заряда. Действительно, если в полупроводнике отсутствует электрическое поле, дырки в основном движутся в направлении этого поля, т.е. создают электрический ток.
Таким образом, нагрев полупроводника приводит к образованию или поколение пары подвижных носителей заряда <>. Когда свободные электроны и дырки хаотично движутся в полупроводнике, они могут встретиться. Затем свободный электрон заполняет свободное пространство в атомной оболочке, т.е. в полупроводнике одновременно исчезают два свободных носителя заряда – происходит рекомбинация пара <>. Диапазон от появления до исчезновения свободного электрона или дырки очень короткий (около 0,1 мм).
Когда температура полупроводника постоянна, существует подвижное равновесие между генерацией и рекомбинацией <>. В полупроводнике существует конечное число подвижных носителей заряда.
Обратите внимание, что чистый полупроводник всегда имеет равное количество свободных электронов и дырок. Поэтому проводимость чистых полупроводников наполовину состоит из дырок и наполовину из электронов. Эту проводимость принято называть проводимость проводника.
Поэтому если чистый полупроводник подключить к цепи, в нем потечет ток. Свободные электроны будут двигаться от отрицательного полюса к положительному, а дырки – в противоположном направлении. Мы не должны забывать, что перемещаются не дырки, а связанные ковалентные электроны, которые переходят от одного атома к другому под действием сил поля.
Поскольку температурный коэффициент сопротивления полупроводников во много раз больше, чем у металлов, и имеет отрицательный знак, внутренняя проводимость полупроводников может быть использована в устройствах, замыкающих цепи при недопустимом повышении температуры в автоматических устройствах. Полупроводник, сопротивление которого велико в нормальных условиях, включается в сигнальную цепь со звонком или в цепь, управляющую подачей тока. При недопустимом повышении температуры сопротивление полупроводника падает, и в сигнальной цепи возникает ток, активирующий звонок, или прекращается ток, вызвавший перегрев. Поскольку термисторы имеют небольшие размеры, их можно использовать для обнаружения или измерения изменений температуры в небольшом пространстве.
Практическая часть.
Сравнение температурной зависимости сопротивления различных веществ .
Интересно сравнить температурную зависимость сопротивления для различных веществ. Напомним, что металлы имеют сопротивление, которое увеличивается при нагревании и уменьшается при охлаждении, а в случае сверхпроводимости становится равным 0. Сопротивление диэлектриков медленно уменьшается при нагревании. В диэлектрике требуется больше энергии для отскока электронов от атомов, поэтому твердые диэлектрики успевают расплавиться, прежде чем становятся достаточно проводящими.
В проводниках энергия, необходимая для отскока электронов от атомов, намного ниже, чем в диэлектриках. Поэтому при нагревании полупроводников число подвижных носителей заряда в них быстро увеличивается, а их сопротивление значительно уменьшается. С понижением температуры сопротивление полупроводников увеличивается, и при низких температурах их сопротивление такое же высокое, как у диэлектриков. Явление сверхпроводимости в полупроводниках не существует.
Опыт показывает, что сопротивление полупроводников не только сильно зависит от температуры. Освещение полупроводника значительно снижает его сопротивление, поскольку излучение вносит достаточно энергии для образования подвижных носителей заряда в полупроводнике.
Таким образом, проводимость полупроводников сильно зависит от температуры и света. Эти свойства полупроводников имеют большое практическое значение
Эксперимент 1.
Исследование температурной зависимости изменения сопротивления в полупроводниках.
Цель: исследовать зависимость изменения сопротивления полупроводников от температуры.
Оборудование: 1 – мерный стакан
4 – металлический контейнер емкостью не менее 250 мл
5 – лабораторная плита
Как выполнить работу:
Высыпьте снег в металлическую емкость, поставив ее на тарелку. Вставьте термистор в этот контейнер так, чтобы он не касался дна. Подсоедините пластину и начинайте снимать показания термометра каждые 5 0
Читайте далее: