Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про проводимость полупроводников, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое проводимость полупроводников , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.
Полупроводящий материал (полупроводник) обладает замечательными свойствами, позволяющими создать разнообразные приборы для решения важных задач в области выпрямительной, усилительной, фотоэлектрической, термоэлектрической техники и во многих других технических областях.
Полупроводники занимают промежуточное место между металлами (проводящими материалами) и диэлектриками (изолирующими материалами). От металлов полупроводники отличаются значительно меньшим числом носителей тока (электронов) в единице объема, а следовательно, и меньшей проводимостью. В отличие от металла полупроводник имеет, как правило, отрицательный температурный коэффициент, т.е. с повышением температуры его проводимость увеличивается (сопротивление уменьшается). Полупроводниковый материал имеет, как правило, кристаллическое строение. Если каждый кристалл состоит из одинаковых атомов, то связь между атомами осуществляется при помощи электронов, движущихся вокруг каждой пары соседних атомов и объединяющих их в одну систему. Именно такая картина свойственна элементарным полупроводникам (например, германий, кремний, а также мышьяк, фосфор и другие полупроводящие материалы, являющиеся химическими элементами).
Физика и техника полупроводников достигла больших успехов благодаря тому, что ряд веществ удалось получить в чрезвычайно чистом виде. Впервые был получен сверхчистый германий. При образовании кристалла из расплава примеси вытесняются, и при многократном повторении этой операции кристалл становится все чище и чище. После германия было достигнуто получение сверхчистого кремния и некоторых других полупроводников. Содержание примесей в сверхчистом материале должно составлять меньше стомиллионной доли процента.
Как следует представлять себе механизм электрического тока в сверхчистом полупроводнике (в котором можно пренебречь ролью примесей)? Внутри кристалла атомы совершают колебания около положений равновесия и, следовательно, обладают некоторой энергией. Энергия таких колебаний зависит от температуры, и при данной температуре эта энергия достаточна, чтобы перевести из связанного состояния в свободное (внутри кристаллической решетки полупроводника) некоторое количество электронов. Свободные электроны могут быть носителями тока.
При уходе электрона из какого-либо атома в этом атоме появляется свободное место, не занятое электроном, а следовательно, возникает положительный заряд. При переходе электрона от соседнего атома к данному это свободное место появится уже у соседа и т.д. Это значит, что положительный заряд в полупроводнике может перемещаться. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Иначе говоря, перемещение электрона как бы заменяется обратным перемещением положительно заряженной частицы с определенной массой. Эта воображаемая "частица" получила название "дырка". Число свободных электронов равно числу дырок в чистом кристалле. Под действием электрического поля, приложенного к полупроводнику от внешнего источника, дырки будут двигаться по направлению силовых линий, участвуя в электрическом токе. Фактически, конечно, и в этом случае ток есть движение электронов, но движение скачкообразное - от данного атома к соседнему, т.е. с меньшей "подвижностью".
Итак, в чистом полупроводнике ток создается движением двух видов носителей: электронов и дырок. Направления их движения противоположны, а количества одинаковы.
Допустим далее, что в чистый полупроводник мы умышленно ввели некоторые посторонние атомы, т.е. примесь. Пусть атомы примеси легче отдают электроны, чем атомы основного вещества. В этом случае при данной температуре в кристалле может быть свободных электронов значительно больше, чем дырок. В отличие от собственной проводимости полупроводник будет обладать примесной электронной проводимостью. Электрический ток в нем будет в основном создаваться движением отрицательных зарядов (электронов), а потому такая проводимость является "негативной", а сам полупроводник с такой примесью именуется полупроводником типа n.
Но можно выбрать примесь с такими атомами, которые способны к захвату электрона из основного вещества. Когда электрон от соседнего атома кристалла "прилипнет" к атому примеси, то у соседнего атома появится дырка, которая может путешествовать внутри кристалла. При такой примеси число дырок получит преобладание над числом свободных электронов и дырки сделаются основными носителями тока. Полупроводник с такой примесью имеет "позитивную" проводимость и называется полупроводником типа p.
Итак, вводя примеси того или иного сорта, можно изменять механизм электрического тока в полупроводнике, т.е. создавать такие условия, при которых активную роль в этом механизме будут играть электроны или дырки. Наука позволяет измерять число свободных электронов и дырок в единице объема и изучать поведение этих носителей тока в кристаллах.
Практический интерес представляют системы, состоящие из двух полупроводников типов n иp, которые находятся в контакте друг с другом. В полупроводнике типа n находится много свободных электронов - основных носителей тока, и мало дырок - неосновных носителей тока. В полупроводнике типа p наблюдается обратная картина.
Через границу соприкосновения полупроводников двух разных типов начнут диффундировать ("пробираться") их основные носители тока: в материал типа p - электроны, в материал типа n - дырки. У контактирующей поверхности в полупроводнике типа n возникает положительный, а в полупроводнике типа p - отрицательный потенциал. Иначе говоря, в месте контакта образуется электрическое поле, препятствующее дальнейшему нарастанию диффузии; переход зарядов за счет диффузии компенсируется обратным переходом за счет поля контакта. После установления равновесия зарядов скачок потенциала сохранится (рис. 8-27, а).
Рис. 8-27. Объяснение механизма тока в электронно-дырочном переходе:
а - потенциальный барьер;
б - ток в пропускном направлении;
в - ток в обратном направлении.
Теперь положим, что на полупроводники типов n и p наложены с внешних сторон металлические электроды, контакт которых с полупроводником обладает очень малым сопротивлением. Присоединим к электроду полупроводника типа p положительный, а к электроду полупроводника типа n отрицательный полюс внешней батареи (рис. 8-27, б). При этом через p-n-переход потечет ток; этот ток будет и во внешней цепи. Из рис. 8-27, б видно, что в этом случае внешнее электрическое поле противоположно тому полю, которое имеется в переходном слое. Иначе говоря, скачок потенциала p-n-перехода окажется в той или иной мере скомпенсированным за счет действия внешнего поля.
Основные носители тока каждого из полупроводников (большие кружки), двигаясь навстречу друг другу под действием внешнего поля, смогут преодолеть оставшийся скачок потенциала (потенциальный барьер) и проскочить через него. С увеличением напряжения будет возрастать число основных носителей, переходящих границу, а значит, и величина тока в цепи.
Изменим полярность электродов на обратную, переключив источник тока (рис. 8-27, в). Тогда к переходу устремятся с каждой стороны неосновные носители тока (малые кружки). Эти носители могут переходить границу даже без внешнего поля, так как разность потенциалов для них "попутна". Однако неосновных носителей мало, а потому величина тока, создаваемого ими, незначительна. Для основных же носителей внешнее поле является как бы дополнением к потенциальному барьеру.
Итак, сопротивление p-n-перехода зависит от направления тока: при полярности, обеспечивающей движение основных носителей через границу, сопротивление мало и убывает с ростом напряжения; при обратной же полярности сопротивление велико и незначительно зависит от приложенного напряжения. Такое свойство p-n-перехода обеспечивает возможности создания различных технических устройств и в первую очередь выпрямителей. Выпрямители, создаваемые на основе кристаллов германия или кремния, будем называть полупроводниковыми (кристаллическими) диодами. Следует отметить, что в действительности процессы в p-n-переходе более сложны; мы изложили их лишь в упрощенном представлении.
Статью про проводимость полупроводников я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое проводимость полупроводников и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Из статьи мы узнали кратко, но содержательно про проводимость полупроводников
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база