Полупроводники - основные понятия, формулы и определение с примерами

Полупроводники:

При изучении электрических свойств веществ» учеными было замечено, что не все вещества одинаково проводят электричество: одни - хорошо, за что получили название проводников, другие - почти не проводят, поэтому их назвали диэлектриками, или изоляторами.

Позднее оказалось, что существуют вещества, которые нельзя отнести ни к проводникам, пи к диэлектрикам. Эту группу веществ назвали полупроводниками. Этот класс веществ имеет чрезвычайно интересные и полезные для науки и техники свойства. Это послужило причиной начала широкого их исследования, а позднее и применения.

Главным признаком диэлектриков является зависимость их проводимости от температуры. Так, если взять металлический проводник и нагревать его, то сопротивление такого проводника будет увеличиваться (рис. 1.65-а).

Если же взять полупроводник и включить его в электрическую цепь, то приборы покажут уменьшение его сопротивления при нагревании (рис. 1.65-б).

При охлаждении же металлического проводника его сопротивление уменьшается, а в полупроводнике - увеличивается.

Графически рассмотренные зависимости показаны обобщенными графиками на рисунке 1.66.

Как пример рассмотрим кристаллическую структуру типичного полупроводника - кремния (Si) (рис. 1.67).

Pиc. 1.67. Структура кристаллической решетки кремния

На внешней оболочке каждого атома Силиция находится 1 валентных электрона. Для заполнения внешней оболочки необходимо еще 4 электрона. Поэтому при образовании кристалла каждый атом получает от каждого «соседа» по одному валентному’ электрону, которые становятся общими для каждой пары атомов. В свою очередь данный атом совершает обмен «своими» электронами с соседними атомами. Таким образом, внешняя электронная оболочка становится заполненной, а между атомами устанавливаются ковалентные связи. На рисунке изображена плоская схема таких связей.

При небольших температурах, близких к абсолютному нулю, в описанном выше идеальном кристалле, который состоит из одинаковых атомов, ист дефектов кристаллической решетки, свободные носители заряда отсутствуют. Все электроны связаны с атомами. Такой кристалл является идеальным диэлектриком и пс проводит электрический ток.

При нагревании кристалла его температура повышается, что свидетельствует о повышении кинетической энергии колебательного движения атомов в кристалле. При этом некоторые ковалентные связи нарушаются, а электроны, входившие в эти связи, становятся свободными. На месте ковалентной связи образуется вакансия - так называемая дырка. Сам атом, потерявший электрон, становится положительным ионом. Такое состояние длится некоторое время, по истечении которого вследствие теплового движения свободных электронов дырка заполняется свободным электроном. Но в это время разрываются другие связи, что приводит к динамическому равновесию между дырками и электронами, при котором концентрация электронов и дырок будет постоянной.

Если полупроводник расположить в электрическом поле, то электроны и дырки приобретут некоторую скорость вдоль линий поля и в полупроводнике возникнет электрический ток. Поскольку при нагревании увеличивается концентрация электронов и дырок, то при нагревании сопротивление полупроводника уменьшается.

Исследования показали, что на электрические свойства полупроводников существенно влияют примеси. Рассмотрим для примера кристалл кремния, в котором находится некоторое количество фосфора. Пятивалентный атом Фосфора занимает место атома Силиция, а его электроны входят в ковалентные связи с соседними атомами Силиция (рис. 1.68). При этом один электрон становится свободным. В таком случае в полупроводнике концентрация свободных электронов увеличивается. Так как в нем концентрация свободных электронов выше концентрации дырок, то его называют полупроводником n-типа. Примеси, создающие в полупроводнике проводимость n-типа, называют донорами. поскольку они отдают электроны.

Pbc 1.68. Aтом Фосфора в кристалле кремния

Рис. 1.69. Атом Индия в кристалле кремния

Если кристалл кремния содержит некоторое количество трехвалентного элемента, например Индия, то образуется полупроводник р-типа (рис. 1.69). Трехвалентный Индий имеет три валентных электрона, которые входят в полные ковалентные связи только с тремя соседними атомами Силиция. Одна связь остается незаполненной, что эквивалентно образованию положительного иона. В этом случае концентрация электронов будет меньше, чем положительных дырок. Примеси, которые образуют полупроводник р-типа, называют акцепторами.

Полупроводниковый диод

Исследование свойств полупроводников различных типов создало условия для создания полупроводниковых приборов -устройств, специфические свойства которых являются следствием применения в них полупроводниковых материалов. Наиболее распространенным полупроводниковым прибором является полупроводниковый диод. Принцип его действия основан на свойствах р-n-переходн, который образуется при сплавлении полупроводников р- и n-типа (рис 1.70).

Pиc. 1.70. Образование p-n-πepexoga

В p-зоне основными носителями заряда являются дырки, а в n-зоне - электроны. Обе части до образования контакта между ними были нейтральными. При сваривании обеих полупроводников часть электронов вследствие диффузии из n-зоны перейдет в р-зону, где есть дырки, и часть из них нейтрализуются вблизи контакта. Дырки в свою очередь дифундируют в n-зону, где будут ре комбинировать со свободными электронами. Таким образом, концентрация свободных электронов и дырок в месте контакта существенно уменьшится, что приведет к увеличению его сопротивления.

Если полупроводник с р-n-переходом включить в электрическую цепь так, как показано на рисунке 1.71-а, то под действием электрического поля носители заряда будут двигаться из обеих частей до р-n-перехода и концентрация их в месте контакта будет увеличиваться, что существенно уменьшит сопротивление перехода.

Если изменить полярность подключения источника тока (рис. 1.71-б), то при замыкании цепи ширина перехода увеличится, поскольку свободные носители заряда под действием электрического поля будут двигаться от перехода. Таким образом, р-n-переход будет проводить ток только в одном направлении (односторонняя проводимость).

В целом, р-n-переход нашел применение во многих полупроводниковых приборах.


Рис. 1.71. p-n-переход в электрическом поле

Все приборы, изготовленные из полупроводниковых материалов, можно поделить на две большие группы. К одной из таких групп принадлежат приборы, в которых используются изменения свойств однородных полупроводников под действием различных физических факторов. Такими являются термисторы, в которых используется изменение сопротивления при изменении температуры. Конструкция их довольно проста. Их основной частью является цилиндрик или шири к из полупроводникового материала, к которому подведены металлические проводники для соединения с другими электрическими приборами.

На термисторы похожи фоторезисторы, в которых изменение сопротивления происходит при освещении их видимым светом. Их чувствительность к свету довольно высока, что позволяет применять их в различных фотореле, фотоэкспонометрах, сигнальных устройствах, в автоматике.

Ко второй группе полупроводниковых приборов принадлежат приборы, в которых используются специфические свойства р-n-переходов. Кроме полупроводниковых диодов, устройство которых рассмотрено выше, подобную конструкцию имеют фотодиод и фотоэлемент, в которых один из электродов изготавливается полупрозрачным. Сквозь него свет проникает внутрь прибора и создает фото-ЭДС. Фотоэлементы нашли применение в космических аппаратах для питания систем жизнеобеспечения космонавтов и работы научных приборов. Они имеют небольшую массу и большую удельную мощность. В условиях энергетического кризиса фотоэлементы становятся экологически чистыми источниками энергии и все чаще применяются для удовлетворения бытовых потребностей человека.

В определенных условиях на р-n-переходе может излучаться свет. Эта особенность реализована в светодиодах, которые имеют большой КПД и с успехом конкурируют с лампами накаливания.
Свойства р-n-перехода используются и в транзисторе. Он имеет два связанных друг с другом р-n-перехода, технология изготовления которых похожа на технологию изготовления диода. Система р-n-р или n-р-n -переходов транзистора работает в различных электронных приборах, выполняя роль усилителя или электронного ключа.

Потребность в уменьшении размеров электронных приборов привела к созданию комбинированных твердотельных приборов, в которых главной функциональной частью является искусственно выращенный полупроводниковый кристалл. В процессе выращивания в нем формируются транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и другие элементы электронных схем. Благодаря разработке таких интегральных схем созданы современные компьютеры и современные многофункциональные электронные приборы.

Внедрение в производство современных нанотехнологий открыло новые возможности для создания полупроводниковых конструкций с особо интересными и полезными для практики свойствами, с которыми вы ознакомитесь позднее.

Итоги:

1. В природе кроме гравитационного взаимодействия существует электромагнитное взаимодействие, интенсивность которого и 1039 раз больше гравитационного.
2. Тела, между которыми наблюдается электромагнитное взаимодействие, имеют электрический заряд. Электрический заряд - это свойство физического теля, проявляющееся но взаимодействии с электромагнитным полем. Различают два вида электрических зарядов - положительный и отрицательный. Тела, которые имеют электрические заряды, взаимодействуют между собой таким образом, что одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименные - притягиваются.
3. Тело, имеющее электрический заряд, создает электрическое поле. В системе, где заряженное тело неподвижно, это поле называют электростатическим. Оно является отдельным проявлением единого электромагнитного поля.
4. Напряженность электрического поля - это его силовая характеристика, равная отношению силы, действующей на точечное положительно заряженное тело, к значению заряда этого тела:

В электростатическом поле действует принцип суперпозиции: напряженность электрического поля заряженных тел в любой точке равна векторной сумме напряженностей полей всех тел:

5.    Взаимодействие точковых неподвижных заряженных тел происходит согласно закону Кулона: сила взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

6.    Электрическое поле может выполнять работу по перемещению заряженных тел. «Значение этой работы не зависит от пути и формы траектории и определяется положением начальной и конечной точек, между которыми происходило движение:

7.    Каждая точка электрического поля характеризуется потенциалом — физической величиной, определяющей потенциальную энергию заряженного тела в этой точке. Она равна отношению потенциальной энергии заряженного тела к его заряду:

Потенциал электрического поля измеряется в вольтах (В).

8.    Потенциал заряженного тела пропорционален его заряду. Физическая величина, характеризующая зависимость потенциала заряженного тела от его заряда, называется электроемкостью:

Электроемкость измеряется в фарадах (Ф).

9.    Для накопления значительных зарядов при небольших потенциалах используют конденсаторы - системы изолированных друг от друга проводников. Конденсаторы соединяют параллельно и последовательно. Электроемкость, параллельно соединенных конденсаторов равна сумме электроемкостей всex конденсаторов в соединении:

Электроемкость цепи из последовательно соединенных конденсаторов меньше наименьшего значения электроемкости одного конденсатора в соединении:

10.    Электрическое поле конденсатора имеет энергию, которая определяется через взаимосвязанные параметры - электроемкость и электрический заряд или разность потенциалов:

11.    Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц или тел. Он возникает при наличии свободных носителей зарядов и электрического поля (или других факторов, которые приводят частицы в движение).

12.    Сила тока характеризует скорость перенесения заряда частицами, которые образуют ток, через поперечное сечение проводника:

Сила электрического тока измеряется в амперах (А).

13.    Закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в цепи пропорциональна напряжению на данном участке цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка:

14.    Закон Ома для полной цепи учитывает параметры внутреннего и внешнего участка цепи:

15.    Сопротивление проводников зависит от их геометрических размеров (длины l и площади поперечного сечения S) и материала, из которого они изготовлены:

16.    Чистые полупроводники имеют собственную проводимость, когда носителями заряда являются электроны и дырки, концентрация которых одинакова. В полупроводниках с примесями возникает примесная проводимость двух типов: n-типа, когда основными носителями заряда являются свободные электроны, и p-типа, когда носителями заряда являются положительные дырки.

17.    Электронно-дырочный переход (р-n-переход) имеет одностороннюю проводимость. Создание в кристаллах полупроводников нескольких р-n-переходов открывает возможности для изготовления транзисторов и интегральных схем.