|
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА 1. Носи зарядов в полупроводниках Удельные сопротивления полупроводников при комнатной температуре имеют значения, которые находятся в широком интервале, т.е. от 10-3 до 107 Ом·м , и занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Ø Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых очень быстро убывает с повышением температуры. До полупроводников относятся многие химические элементы (бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, селен, теллур и др.), огромное количество минералов, сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего мира - полупроводники. За достаточно низких температур и отсутствия внешних воздействий (например, освещения или нагревания) полупроводники не проводят электрический ток: при этих условиях все электроны в полупроводниках являются связанными. Однако связь электронов со своими атомами в полупроводниках не такой крепкий, как в диэлектриках. И в случае повышения температуры, а так же за яркого освещения некоторые электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными зарядами, то есть могут перемещаться по всем образцом. Благодаря этому в полупроводниках появляются отрицательные носители заряда - свободные электроны. Ø Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов, называют электронной. Когда электрон отрывается от атома, положительный заряд этого атома становится некомпенсированным, т.е. в этом месте появляется лишний положительный заряд. Этот положительный заряд называют «дыркой». Атом, вблизи которого образовалась дырка, может отобрать связанный электрон у соседнего атома, при этом дырка переместится до соседнего атома, а тот атом, в свою очередь, может «передать» дырку дальше. Такое «естафетне» перемещение связанных электронов можно рассматривать как перемещение дырок, то есть положительных зарядов. Ø Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называется дырочной. Таким образом, отличие дырочной проводимости от электронной заключается в том, что электронная проводимость обусловлена перемещением в полупроводниках свободных электронов, а дырочная - перемещением связанных электронов. Ø В чистом полупроводнике (без примесей) электрический ток создает одинаковое количество свободных электронов и дырок. Такую проводимость называют собственной проводимостью полупроводников. 2. Примесная проводимость полупроводников Если добавить в чистый расплавленный кремний незначительное количество мышьяка (примерно 10-5 %), после твердения образуется обычная кристаллическая решетка кремния, но в некоторых узлах решетки вместо атомов кремния будут находиться атомы мышьяка. Мышьяк, как известно, пятивалентный элемент. Чотиривалентні электроны образуют парные электронные связи с соседними атомами кремния. Пятом же валентному электрону связи не хватит, при этом он будет так слабо связан с атомом Мышьяка, который легко становится свободным. В результате каждый атом примеси даст один свободный электрон.
Ø Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными. Электроны из атомов кремния могут становиться свободными, образуя дыру, поэтому в кристалле могут одновременно существовать и свободные электроны и дырки. Однако свободных электронов во много раз будет больше, чем дырок. Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n-типа. Если в кремний добавить незначительное количество трехвалентного индию, то характер проводимости полупроводника изменится. Поскольку индий имеет три валентных электрона, то он может установить ковалентная связь только с тремя соседними атомами. Для установления связи с четвертым атомом электрона не хватит. Индий «одолжит» электрон в соседних атомов, в результате каждый атом Индия образует одно вакантное место - дырку. Ø Примеси, которые «захватывают» электроны атомов кристаллической решетки полупроводников, называются акцепторными. В случае акцепторной примеси основными носителями заряда во время прохождения электрического тока через полупроводник есть дыры. Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называют полупроводниками р-типа. Практически все полупроводники содержат и донорные, и акцепторные примеси. Тип проводимости полупроводника определяет примесь с более высокой концентрацией носителей заряда - электронов и дырок. 3. Электронно-дырочный переход Среди физических свойств, присущих полупроводникам, наибольшее применение получили свойства контактов (р-n-перехода) между полупроводниками с разными типами проводимости. В полупроводнике n-типа электроны участвуют в тепловом движении и диффундируют через границу в полупроводника р-типа, где их концентрация значительно меньше. Точно так же дырки будут диффундировать из полупроводника р-типа в полупроводник п-типа. Это происходит подобно тому, как атомы растворенного вещества диффундируют из крепкого раствора в слабый в случае их столкновения. В результате диффузии приконтактна участок обедняется основными носителями заряда: в полупроводнике n-типа уменьшается концентрация электронов, а в полупроводнике р-типа - концентрация дырок. Поэтому сопротивление приконтактної участка оказывается очень значительным. Диффузия электронов и дырок через р-n-переходе приводит к тому, что полупроводник n-типа, из которого идут электроны, заряжается положительно, а р-типа - отрицательно. Возникает двойной электрический слой, что создает электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии свободных носителей тока через контакт полупроводников. По некоторой напряжения между двойным заряженным слоем дальнейшее обнищание приконтактної участка основными носителями прекращается. Если теперь полупроводник присоединить к источнику тока так, чтобы его электронная область соединялась с отрицательным полюсом источника, а дырочная - с положительным, то электрическое поле, созданное источником тока, будет направлено так, что оно перемещать основные носители тока в каждом участке полупроводника с р-n-перехода. Приконтактна участок будет обогащаться основными носителями тока, и его сопротивление уменьшится. Через контакт будет проходить заметный ток. Направление тока в этом случае называют пропускным, или прямым. Если же присоединить полупроводник n-типа к положительному, а р-типа к отрицательному полюсу источника, то приконтактна участок расширяется. Сопротивление области значительно увеличивается. Ток через переходный слой будет очень мал. Это направление тока называют замыкающим, или обратным. 4. Полупроводниковые диоды и транзисторы Следовательно, через границу раздела полупроводников n-типа и р-типа электрический ток идет только в одном направлении - от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа. Это используют в устройствах, которые называют диодами. Полупроводниковые диоды используют для выпрямления тока переменного направления (такой ток называют переменным), а также для изготовления светодиодов. Полупроводниковые выпрямители имеют высокую надежность и длительный срок использования. Широко применяют полупроводниковые диоды в радиотехнических устройствах: радиоприемниках, видеомагнитофонах, телевизорах, компьютерах. Еще более важным применением полупроводников стал транзистор. Он состоит из трех слоев полупроводников: по краям расположены полупроводники одного типа, а между ними - тонкий слой полупроводника другого типа. Широкое применение транзисторов обусловлено тем, что с их помощью можно усиливать электрические сигналы. Поэтому транзистор стал основным элементом многих полупроводниковых приборов. Полупроводниковые диоды и транзисторы являются «кирпичиками» очень сложных устройств, которые называют интегральными микросхемами. Микросхемы работают сегодня в компьютерах и телевизорах, мобильных телефонах и искусственных спутниках, в автомобилях, самолетах и даже в стиральных машинах. Интегральную схему изготавливают на пластинке кремния. Размер пластинки - от миллиметра до сантиметра, причем на одной такой пластинке может размещаться до миллиона компонентов - крошечных диодов, транзисторов, резисторов и др. Важными преимуществами интегральных схем является высокое быстродействие и надежность, а также низкая стоимость. Именно благодаря этому на основе интегральных схем и удалось создать сложные, но многим доступны приборы, компьютеры и предметы современной бытовой техники. ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА Первый уровень 1. Какие вещества можно отнести к полупроводниковых? 2. Движением которых заряженных частиц создается ток в полупроводниках? 3. Почему сопротивление полупроводников очень сильно зависит от наличия примесей? 4. Как образуется p-n-переход? Какое свойство имеет p-n-переход? 5. Почему свободные носители зарядов не могут пройти сквозь p-n-переход полупроводника? Второй уровень 1. После введения в германий примеси мышьяка концентрация электронов проводимости увеличилась. Как изменилась при этом концентрация дырок? 2. С помощью какого опыта можно убедиться в односторонней проводимости полупроводникового диода? 3. Можно ли получить р-n-переход, выполнив вплавления олова в германий или кремний? ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА 1). Качественные вопросы 1. Почему требования к чистоте полупроводниковых материалов очень высоки (в ряде случаев не допускается наличие даже одного атома примеси на миллион атомов)? 2. После введения в германий примеси мышьяка концентрация электронов проводимости увеличилась. Как изменилась при этом концентрация дырок? 3. Что происходит в контакте двух полупроводников n- и р-типа? 4. В закрытом ящике находятся полупроводниковый диод и реостат. Конце приборов выведены наружу и присоединены к клеммам. Как определить, какие клеммы принадлежат диода? 1. Какую проводимость (электронную или дырочную) имеет кремний с примесью галлия? индию? фосфора? сурьмы? 2. Какая проводимость (электронная или дырочная) будет в кремния, если к нему добавить фосфор? бор? алюминий? мышьяк? 3. Как изменится сопротивление образца кремния с примесью фосфора, если ввести в него примесь галлия? Концентрация атомов Фосфора и Галлия одинакова. (Ответ: увеличится) ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ · Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых очень быстро снижается с повышением температуры. · Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов, называют электронной. · Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называется дырочной. · Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными. · Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n-типа. · Примеси, которые «захватывают» электроны атомов кристаллической решетки полупроводников, называются акцепторными. · Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называют полупроводниками р-типа. · Контакт двух полупроводников с различными видами проводимости имеет свойства хорошо проводить ток в одном направлении и значительно хуже в противоположном направлении, т.е. имеет одностороннюю проводимость. Домашнее задание Рів1 № 6.5; 6.7; 6.15; 6.17. Рів2 № 6.16; 6.18; 6.24, 6.25. Рів3 № 6.26, 6.28; 6.29; 6.30. 3. Д: подготовиться к самостоятельной работе № 4.
|
|
