Анощенков Александр Алексеевич
Научный руководитель
Учитель по физике
МОУ СОШ №43 г. Нижнего Новгорода
Смирнова Елена Николаевна
2012 год.
В чем главное отличие полупроводников от проводников? Какие особенности строения полупроводников открыли им доступ во все радиоустройства, телевизоры и ЭВМ?
Г
При
Чтобы понять механизм возникновения проводимости в полупроводниках, необходимо знать строение полупроводниковых кристаллов и приводу связей, удерживающих атомы кристалла друг около друга. Для примера рассмотрим кристалл германия.
Нам известно, что кристаллы германия и других полупроводников имеют атомную (ковалентную) кристаллическую решетку. Четыре валентных электрона каждого атома германия связаны с такими же электронами соседних атомов химическими парно электронными (ковалентными) связями. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы германия друг возле друга. Такого рода связь существует между ядрами (протонами) в молекуле водорода. Она условно может быть изображена двумя линиями, соединяющими ядра .
Не надо думать, что коллективизированная пара электронов принадлежит лишь двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с соседними, а данный валентный электрон может двигаться по любой из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Коллективизированные валентные электроны принадлежат всему кристаллу.
Парно электронные связи германия достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому германий при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет и кристалл кремния.
Проводники, полупроводники и диэлектрики
... тел на проводники, полупроводники и диэлектрики. 1. Проводниковые материалы 1.1. Общие сведения В качестве проводников электрического ... электроны, перемещаясь по проводнику, почти не испытывают соударений с атомами и ионами решетки. Полное ... проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Электрическое сопротивление проводников Электрическое сопротивление обусловлено тем, ...
При нагревании германия энергия валентных электронов увеличивается за счет энергии тепловых колебаний атомов решетки. При этом энергия некоторых электронов (даже при нагревании до сравнительно невысоких температур) может увеличиться настолько, что связи не выдерживают и рвутся. В результате отдельные электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металлах. Без внешнего поля эти электроны движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля они перемещаются упорядоченно между узлами кристаллической решетки, образуя электрический ток .
Проводимость полупроводников, обусловленная наличием у них свободных электронов, называется электронной проводимостью. При повышении температуры число разор-ванных ковалентных связей, а следовательно, и число свободных электронов в кристаллах увеличивается. Это и приводит к уменьшению удельного сопротивления .
Образование свободного электрона влечет за собой появление свободного (вакантного) места — электронной дырки — в нарушенной ковалентной связи. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями.
Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил электрон, образуется новая дырка. Эту дырку может занять какой-либо другой электрон. Таким образом, благодаря перемещению электронов связи происходит перемещение дырок по всему кристаллу.
Характер движения дырки в кристалле можно уяснить из следующей аналогии. Пусть один из солдат вышел из шеренги. При этом образовалась «вакансия». Если все стоящие справа солдаты будут последовательно перемещаться на освободившееся место, то все будет происходить так , как будто свободное место передвигается в сторону, противоположную перемещению солдат.
При отсутствии внешнего поля перемещение дырок, равноценное перемещению зарядов, происходит хаотически и поэтому не создает электрического тока. Под действием внешнего электрического поля происходит упорядоченное перемещение дырок в направлении линий напряженности поля, т. е. в направлении, противоположном перемещению электронов связи. Рассмотренный процесс называется дырочной проводимостью.
Таким образом, в чистых (без примесей) полупроводниках возможна электронная проводимость, обусловленная движением свободных электронов, и дырочная.
Электрический ток в проводниках и полупроводниках
... осуществимая возможность управления электрической проводимостью полупроводников. Полупроводники применяют в качестве элементов, преобразующих ток в радиоприемниках, вычислительных машинах и т.д. III. Электронная проводимость металлов Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация ...
Такого рода проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.
При нарушении ковалентных связей в кристалле одновременно в одинаковом количестве возникают свободные электроны и дырки. В результате теплового движения, с одной стороны, происходит образование пар электрон—дырка, а с другой — их частичное воссоединение (рекомбинация).
При данной температуре в единице объема кристалла число пар в среднем остается постоянным.
Проводимость чистых полупроводников (собственная проводимость) осуществляется перемещением свободных электронов (электронная проводимость) и перемещением связанных электронов на вакантные места парно- электронных связей (дырочная проводимость).
Проводимость полупроводников чрезвычайно сильно зависит от примесей. Именно эта зависимость сделала полупроводники тем, чем они стали в современной технике.
Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов. Например, в германии при комнатной температуре
Ge
Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная — примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменить число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей. Эта способность полупроводников и открывает широкие возможности для их практического применения.
Если при выращивании монокристалла германия в расплав добавить небольшое количество мышьяка или сурьмы, то при кристаллизации атомы примеси вытесняют отдельные атомы германия из их мест в кристаллической решетке. Мышьяк (и сурьма) имеют по пять валентных электронов. Поэтому атомы примеси, образовав ковалентные связи с четырьмя ближайшими атомами германия и использовав для этого четыре валентных электрона, будут иметь по одному лишнему электрону, слабо связанному с атомным ядром. Вследствие теплового движения практически все лишние электроны атомов примеси оказываются свободными. При добавлении одной десятимиллионной доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов становится равной 1016 см-3. Это в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике.
Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют д о норными (отдающими, дарящими) примесями. При наличии электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение в кристалле полупроводника, и в нем возникает электронная примесная проводимость.
Термоэлектрические явления в полупроводниках
... каждой ветви из–за выравнивания средней энергии, приходящейся на носитель определённого знака. Зависимость уровня Ферми энергии электронов в полупроводнике от температуры. Это приводит к тому, что в ... Тем не менее, Сам Пельтье не понимал в полной степени сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был позже объяснен в 1838г. Ленцем. Принцип действия полупроводникового термоэлектрического ...
Поскольку в полупроводнике число электронов значительно больше числа дырок, то электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.
Если при выращивании монокристалла германия в
Следовательно, в решетке образуется дырка
Такого рода примеси называются акцепторными (принимающими).
Под действием электрического поля дырки перемещаются в направлении вектора напряженности поля, и в полупроводнике возникает дырочная примесная проводимость. В полупроводнике такого типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными — электроны.
Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости полупроводника определяется примесью с более высокой концентрацией носителей заряда — электронов или дырок.
Донорные примеси отдают лишние валентные электроны: образуется полупроводник п-типа. Акцепторные примеси создают дырки: образуется полупроводник р-типа.
При контакте двух полупроводников с различными типами проводимости вследствие теплового движения происходит взаимная диффузия носителей заряда через границу соприкосновения (контакт) полупроводников. Электроны из, проводников, где они являются основными носителями заряда, переходят в, тот тип проводников где их концентрация значительно меньше. Точно так же дырки переходят . В условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полная сила тока через электронно — дырочный переход равна нулю. Объясняется это следующим образом. Э лектрическое поле способствует движению неосновных носителей заряда, которые «скатываются» с потенциального уступа. Поэтому все неосновные носители приконтактной области движутся через и образуют ток. С ила тока практически не зависит от разности потенциалов между проводниками определяется только количеством неосновных носителей заряда.
Основные же носители (дырки, движущиеся справа налево, и электроны, движущиеся слева направо) образуют ток . К онтактное поле препятствует движению основных носителей, которые должны преодолеть потенциальный барьер. В состоянии равновесия устанавливается такая высота потенциального барьера (контактная разность потенциалов), при которой полная сила тока
Эффектом холла называется появление в провод нике с током плотностью ...
... чувствительность датчика. Так как в полупроводниках концентрация носителей зарядов (а следовательно, и коэффициент Холла) может зависеть ... силу тока, так как вокруг проводника с током образуется магнитное поле, которое можно измерить. На основе Холла ЭДС датчика созданы амперметры на токи до 100 кА. Кроме того Холла ЭДС датчики ... s д и концентрации электронов nэ и дырок nд : (a) для слабых полей ( ...
Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Предположим, что мы приложили к контакту напряжение такого знака, что потенциал п-области оказывается отрицательным, а р-области — положительным. Тогда энергия электронов в увеличится, а в уменьшится, а следовательно, высота потенциального барьера станет меньше . При этом сила тока неосновных носителей, как говорилось выше, не изменится.
Сила же тока основных носителей увеличится, так как теперь большее количество электронов сможет преодолеть потенциальный барьер и перейти слева направо, а также большее количество дырок — перейти в противоположном направлении. В результате через контакт будет идти ток, направленный от р-полупроводника к л-полупроводнику; сила тока будет быстро нарастать с увеличением приложенного напряжения. Направление тока, которое возникает в данном случае, называют пропускным, а ток — прямым.
В
Таким образом, п—р-переход обладает односторонней проводимостью, аналогично выпрямляющему действию двух- электродной лампы — вакуумному диоду.
Электронно-дырочные переходы полупроводников широко применяются в современных полупроводниковых приборах. Электронно-дырочный переход по отношению к току оказывается несимметричным: в прямом направлении сопр о тивление перехода значительно меньше, чем в обратном.
Односторонняя проводимость нашла широкое применение в приборах, называемых полупроводниковыми диодами, для выпрямления переменного тока. Существует много различных типов диодов. Рассмотрим один из типов полупроводниковых диодов.
Полупроводниковый диод состоит из монокристаллической пластинки германия, обладающей электронной проводимостью за счет небольшой добавки донорной примеси. Для создания перехода не годится простое механическое соединение двух полупроводников с разными типами проводимости, так как при этом между полупроводниками получается большой зазор. Толщина же должна быть не больше межатомных расстояний. Поэтому в одну из поверхностей пластинки германия вплавляют индий. В рассматриваемом диод е капля индия 5 вплавлена в верхнюю часть пластинки германия, а нижняя часть пластинки припаяна оловом 7 к металлическому корпусу 4. В процессе плавления атомы индия диффундируют внутрь германия и образуют поверхностную область с дырочной проводимостью. Остальная часть пластинки, куда атомы индия не проникли, осталась с элетронной проводимостью. В результате в пластинке образовались две резко разграниченные области с различными видами проводимости: электронно-дырочный переход.
Монтаж транзисторов
... транзистора меняется в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Важно то, что это напряжение, а также сила тока, потребляемая входной цепью транзистора гораздо меньше напряжения и силы тока ... работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии в 1928 году ... транзистора позволяет сократить количество навесных компонентов и минимизирует необходимую площадь монтажа. RET транзисторы ...
Герметически закрытый сварной металлический корпус 4, в который помещена пластинка германия, изолирует ее от вредных воздействий атмосферного воздуха и света, обеспечивая устойчивую работу электронно-дырочного перехода. От пластинки сделаны два вывода 3, причем один из них (верхний) проходит в металлической трубке 1, изолированной от корпуса стеклом 2. Металлический корпус выгнут наподобие полей шляпы (радиатор 8) для лучшего охлаждения, так как с повышением температуры снижаются выпрямляющие свойства полупроводниковых диодов (с возрастанием температуры возрастает концентрация неосновных носителей тока, следовательно, возрастает и обратный ток).
Аналогичное строение имеют и другие диоды.
Важной индивидуальной характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика.
Схему включения приборов при измерении прямого и обратного токов в диоде приходится изменять потому, что при прямом токе силой тока в вольтметре можно пренебречь, так как сопротивление вольтметра значительно больше сопротивления диода. При обратном токе сопротивление диода соразмерно с сопротивлением вольтметра, поэтому миллиамперметр включается последовательно с диодом. С ила тока в проходном направлении с увеличением напряжения растет очень быстро. В запирающем же направлении сила тока очень мала и почти не изменяется с ростом напряжения.
Из вольт-амперной характеристики диода следует, что для него несправедлив закон Ома. Сила тока находится в более сложной зависимости от напряжения (зависимость нелинейная), чем должно быть, согласно закону Ома.
Полупроводниковые диоды изготавливают для выпрямления как слабых, так и очень сильных токов. Первые широко применяют в радиотехнических устройствах — радиоприемниках, магнитофонах, телевизорах и т. п. Здесь они почти полностью вытеснили вакуумные диоды. Диоды, рассчитанные на сильные токи, используют для выпрямления переменных токов на тяговых подстанциях, питающих электротранспорт, а также в электролитических цехах, где производится электролиз, и т. д.
Свойства р—п-перехода используют для выпрямления переменного тока. На протяжении половины периода, когда потенциал полупроводника р-типа положителен, ток свободно проходит через р—п-переход. В следующую половину периода ток практически равен нулю.
Измерение тока и напряжения. Понятие о технических регламентах. ...
... измерения напряжения и силы тока применяются три разновидности метода сравнения: нулевой, дифференциальный и замещения. В соответствии с этим приборы для измерения напряжения и силы тока можно разделить на ... от способа получения результата, методы измерений делятся на прямые, при которых значение напряжения (тока) измеряется непосредственно, и косвенные, результат которых находится по ...
Успешное развитие теории твердого тела привело к созданию многих полупроводниковых приборов, важное место среди которых занимает транзистор , который был изобретен в 1951 г. американскими учеными У.Б.Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардиным.
Наиболее распространенным типом транзистора является плоскостной триод. Основой для изготовления транзистора, как и полупроводникового диода, служит пластинка монокристалла германия (или кремния), слегка обогащенная до- норной примесью, площадью 2—4 мм2 и толщиной около 100 мкм. На пластинку кристалла германия с двух сторон наносится тончайший слой индия.
После прогревания пластинки в печи на ее противоположных сторонах возникают области, обогащенные атомами индия, проникшими в германий при расплавлении. Эти области монокристалла германия становятся полупроводникам и , а на границах соприкосновения их с основным кристаллом возникают два перехода. Средняя область кристалла называется базой транзистора, а две крайние области кристалла, обладающие проводимостью противоположного базе типа, называются коллектором и эмиттером. Эмиттер и коллектор транзистора отличаются лишь размерами: диаметр коллектора примерно в 2 раза больше диаметра эмиттера.
Транзисторы
При использовании транзистора в любой электронной схеме два его электрода должны служить для введения входного сигнала и два — для выведения выходного сигнала.
Поскольку транзистор имеет всего три электрода, один из них обязательно используется дважды и оказывается общим для входной и выходной цепи.
Возможны три способа включения транзистора в электрическую цепь: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.
Рассмотрим принцип действия транзистора
Между эмиттером и базой включается источник тока G1 с ЭДС порядка 1—1,5 В и к точкам 1, 2 подводится входное переменное напряжение U (сигнал), подлежащее усилению. К выводам от базы и коллектора присоединяется батарея элементов G2 и нагрузочный резистор R. На этом резисторе получается выходное напряжение С вых .
При создании напряжения между эмиттером и базой, поскольку эмиттерный переход включен в пропускном на-правлении, основные носители заряда полупроводника— дырки проникают в базу, где они являются уже неосновными носителями. При изготовлении транзистора добиваются того, чтобы концентрация свободных электронов в базе была на 2—3 порядка меньше концентрации дырок в эмиттере.
Датчики тока и напряжения
... никогда не насыщается, а ток вторичной цепи полностью повторяет измеряемый ток, который при необходимости легко преобразуется в напряжение измерительным сопротивлением. Такой датчик имеет значительно большую ... применяются три: резистивный, на основе эффекта Холла и трансформатора тока. Датчики тока, реализованные на базе указанных методов, имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области ...
Поэтому встречный поток электронов из базы в эмиттер можно не учитывать.
Поскольку толщина базы очень мала (не больше 10 мкм) и число основных носителей заряда (электронов) в ней невелико, попавшие в нее дырки почти не рекомбинируют с электронами базы и проникают в коллектор за счет диффузии. Правый (коллекторный) р—га-переход закрыт для основных носителей заряда базы — электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем, созданным батареей G2, и замыкают цепь. Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной плоскости много меньше сечения в вертикальной плоскости. Сила тока в цепи эмиттера практически равна силе тока в цепи коллектора , так как почти все дырки (до 99,9%), попадающие из эмиттера в базу, переходят далее в коллектор. Поэтому при изменении силы тока в цепи эмиттера почти так же (во столько же раз) изменяется сила тока в цепи коллектора. Сопротивление резистора R мало влияет на силу тока в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим.
Незначительные колебания входного напряжения UBX вызывают значительные колебания сил токов 7Э и , следовательно, выходного напряжения 17вых, так как сопротивление R велико. При большом сопротивлении резистора R изменение напряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение входного напряжения. Это и означает усиление напряжения. Одновременно и мощность, выделяющаяся на нагрузке R, будет значительно превышать мощность, расходуемую в цепи эмиттера. Происходит усиление мощности.
Работа транзистора га—р—га-типа отличается от работы транзистора р—га—р-типа лишь тем, что электрический ток в этом случае обусловлен движением электронов (а не дырок).
Эмиттер поставляет электроны в область базы, откуда они уходят в коллектор. Поскольку меняется знак носителей тока, меняются и полярности питающих источников тока
Транзисторы получили широкое распространение в современной технике. Их используют для усиления и генерации электрических колебаний. (Об этом будет рассказано в дальнейшем.) Они применяются во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры. Портативные радиоприемники, использующие такие приборы, в обиходе тоже получили название «транзисторы». Диоды и транзисторы, а также так называемые интегральные схемы, созданные на их основе, определяют уровень электроники, микроэлектроники, вычислительной техники. Полупроводниковые интегральные микросхемы — это монолитные функциональные узлы, все элементы которых изготавливаются в едином технологическом процессе. Именно благодаря применению интегральных микросхем удалось достигнуть значительных успехов в миниатюризации многих радиотехнических устройств. Эти схемы широко применяются в современных электронно-вычислительных машинах и микропроцессорах.
Полупроводниковые приборы (диоды и транзисторы) обладают рядом преимуществ по сравнению с радиолампами: у них нет накаливаемого катода и поэтому они потребляют меньшую мощность; имеют высокий КПД — до 50% (в то время как у вакуумных ламп он меньше 1%); низкие напряжения питания, малые размеры.
Измерительные трансформаторы тока и напряжения (2)
Вторичные токовые цепи трансформаторов тока заземляются в одной точке. Это предотвращает появление высокого напряжения во вторичных цепях при повреждении изоляции. Трансформатор тока состоит из первичной обмотки 1 и вторичной обмотки 2, которые ...
В этих приборах не требуется создания вакуума, как в электронных лампах, поэтому надежность и срок службы у них гораздо больше. Полупроводниковые приборы безынерционны, т. е. не требуют времени для разогрева, как электронные лампы, а начинают работать мгновенно после включения.
Серьезным недостатком полупроводниковых приборов является их большая чувствительность к повышению температуры, поэтому нельзя допускать их электрической перегрузки; они требуют также большой осторожности при монтаже.
Свойства
