Свойства полупроводниковых материалов

           Межшкольный  учебный

комбинат

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

Свойства полупроводниковых материалов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      

 

 

Выполнил: Седякин Евгений Андреевич 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Екатеринбург

2007г.

Многие из окружающих нас веществ являются полупроводниками. В периодической таблице элементов Д.И.Менделеева представлена целая группа элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами. К таким элементам относятся германий, кремний, селен, теллур и др. Полупроводниками являются и различные минералы, а также оксиды, теллуриды, и сульфиды многих металлов.

Электрический ток в  полупроводниках обусловлен упорядоченным  движением в них электронов проводимости (свободные электроны). Однако если в металлах всегда есть электроны  проводимости и концентрация их велика, то в химически чистых полупроводниках таких электронов в миллионы раз меньше, а при абсолютном нуле температуры они вообще отсутствуют. Например, в атоме германия на внешней оболочке находится четыре валентных электрона, а остальные 28 электронов размещаются на внутренних оболочках атома и прочно удерживаются его ядром. В кристалле германия электронные оболочки соседних атомов значительно перекрываются, поэтому довольно часто атомы обмениваются валентными электронами, оставаясь электрически нейтральными, так как связаны друг с другом ковалентной связью. Таким образом, в кристалле химически чистого германия при низкой температуре нет электронов проводимости.

Однако ковалентные  связи у полупроводников могут  легко разрываться, если сообщить валентным  электронам энергию извне, например, если нагреть полупроводник. Тогда даже при сравнительно низкой температуре в полупроводниках образуются электроны проводимости. Ими становятся валентные электроны, разорвавшие при нагревании связи со своими атомами. Такие электроны могут свободно перемещаться в кристаллической решетке полупроводника. Если теперь к полупроводнику приложить электрическое напряжение,  то в нем установится электрический ток. Проводимость химически чистых полупроводников, обусловлена упорядоченным движением в них электронов проводимости, называют собственной электронной проводимостью или n-проводимостью.

Валентный электрон, ставший электроном проводимости в кристаллической  решетке полупроводника, освободил  свое место в атоме. Следовательно, теперь данный атом имеет избыточный положительный заряд. Освободившееся в атоме место называют дыркой. Дырку может занять электрон соседнего атома, создавая одновременно новую дырку. Ее, в свою очередь, занимает электрон другого атома. Таким образом, процесс выхода валентных электронов из атомов сопровождается процессами образования дырок в атомах и замещения их валентными электронами соседних атомов. Под воздействием электрического поля, приложенного к полупроводнику, валентными электроны, заполняющие дырки, движутся упорядоченно, т.е. создают электрический ток. В этом случае можно говорить о том, что носителями заряда как будто служат дырки; они движутся относительно электронов в противоположном направлении. Проводимость химически чистого полупроводника, обусловленную направленным замещением дырок электронами проводимости, принято называть собственной дырочной проводимостью или p-проводимостью.

Влияние примесей на проводимость полупроводников

Атомы или ионы других химических элементов, внедренные в кристаллическую  решетку чистого полупроводника, называются примесями. Примеси значительно увеличивают проводимость полупроводника, причем в одних случаях в большей мере увеличивается n-проводимость, а в других случаях p-проводимость.

Пусть, например, в кристаллическую  решетку германия (четырехвалентный) в качестве примеси внедрен фосфор (пятивалентный). Тогда четыре из пяти валентных электронов атома фосфора и четыре валентных электрона соседних атомов германия участвуют в образовании ковалентной связи, а пятый валентный электрон атома фосфора становится электроном проводимости. Благодаря этому концентрация электронов проводимости в кристаллической решетке германия увеличивается. Если теперь к кристаллу германия с примесью фосфора приложить электрическое напряжение, то в нем создастся электрический ток. Этот ток обусловлен упорядоченным движением не только электронов проводимости германия, но и электронов проводимости фосфора. Полупроводники, в которых преобладает электронная проводимость, называют электронными полупроводниками или n-полупроводниками. Электронные полупроводники образуются в том случае, если валентность чистого полупроводникового элемента меньше валентности химического элемента, внедряемого в качестве примеси. Например, n-полупроводник можно получить, вводя в кристалл германия фосфор, мышьяк или сурьму.

Проводимость германия увеличится и вследствие того, что  в его кристаллическую решетку  будет введен химический элемент  с меньшей валентностью, например индий (трехвалентный). Однако в этом случае преобладающей станет дырочная проводимость. Дело в том, что три валентных электрона атома индия и три из четырех валентных электронов атома германия обусловят образование ковалентной связи; четвертый валентный электрон атома германия станет электроном проводимости, вследствие  чего образуется дырка. Из-за наличия примеси в кристалле германия электронов проводимости не станет больше, но количество дырок увеличится. Полупроводники, в которых вследствие введения примесей преобладает дырочная проводимость, называют дырочным полупроводниками или p-проводниками.

Таким образом, в зависимости  от сочетания чистого полупроводникового элемента и внедренных в него примесей различают полупроводники, имеющие  преимущественно электронную или дырочную проводимость.

Электронно-Дырочный Переход

Если n-полупроводник соединить непосредственно с p-полупроводником (рис.16 а), то в месте контакта (границы) этих полупроводников образуется электронно-дырочный переход или n-p-переход. Это объясняется тем, что электроны из n-полупроводника переходят в p-полупроводник, вследствие чего в n-полупроводнике в близи его границы с p-полупроводником уменьшается количество электронов и образуется область с положительным зарядом. Дырки в свою очередь тоже перемещаются, что еще больше усиливает избыточность положительного заряда в пограничной области n-полупроводника. Таким образом, на границе полупроводников, обладающих разной проводимостью, создается разность потенциалов, которая препятствует дальнейшему переходу электронов и перемещению дырок. Поэтому пограничный слой называют запирающим слоем (см. рис. 16 а).

Под воздействием внешнего электрического поля сопротивление  запирающего слоя существенно изменяется. Например: пусть положительный полюс  источника тока соединен с p-полупроводником, а отрицательный полюс – с n-полупроводником (рис. 16 б); тогда под действием электрического поля, создаваемого этим источником тока, носители зарядов – электроны и дырки – будут переходить через запирающий слой, не встречая заметного сопротивления; образующийся в результате этого электрический ток называют прямым током; сила тока при этом может быть значительной. Если же, наоборот, положительной полюс источника тока соединить с n-полупроводником, а отрицательный полюс – с полупроводником (рис. 16 в), то сопротивление запирающего слоя прохождению через него тока будет очень большим; в этом случае говорят, что электронно-дырочный переход заперт; однако в реальных полупроводниках всегда имеется небольшое количество электронов проводимости, которые и в рассматриваемом случае создадут электрический ток; этот ток называют обратным током, сила этого тока не значительна. Из изложенного выше не трудно уяснить, что полупроводник с электронно-дырочным переходом обладает вентильным свойством: ток через n-переход может проходить только в одном направлении. На данном явлении основано применение полупроводников для выпрямления переменного тока.

Полупроводник с одним  электронно-дырочным переходом называют полупроводниковым диодом. Учитывая широкое применение в электротехнике полупроводниковых диодов, о них подробно в Полупроводниковых диодах.

При наличии двух связанных  между собой n- p-переходов образуется полупроводниковый прибор, называемый транзистором (рис. 17). Транзисторы широко применяют для изготовления усилителей электрических сигналов и многих других устройств, относящихся к радиоэлектронике, автоматике, связи.

Полупроводниковые диоды

Выполняя практические работы в учебно-прозводственном  комбинате и на базовом предприятии, овладевая основами электротехнических профессий, нередко приходится обращаться с полупроводниковыми диодами. Поэтому более подробно рассмотрим их устройство и действие Полупроводниковый диод – прибор, состоящий из двух полупроводниковых кристаллов, имеющих разную проводимость, и образующегося между ними электронно-дырочного перехода (толщина ≈ 10^-7 м). Механизм действия полупроводникового диода рассмотрен выше (см. рис. 16). Промышленность выпускает полупроводниковые диоды различного исполнения, но можно говорить о двух видах диодов: плоскостных и точечных.

В плоскостных диодах (18) в германиевый или кремниевый кристалл вплавлен индий. Эти диоды при больших приложенных к ним напряжениях могут пропускать в одном направлении сравнительно большие токи, а потому они находят широкое применение в выпрямителях переменного тока.

В точечных диодах (рис. 19) полупроводников кристалл (германий, кремний) соприкасается с металлической контактной иглой. Эти диоды применяют в радиовещательной и телевизионной приемной аппаратуре и в некоторых измерительных приборах.

Тип полупроводникового диода обозначают следующим образом: первая буква или цифра указывает  материал, из которого сделан диод (Г  или 1-германий, К или 2-кремний, А  или 3-арсенид галлия); вторая буква  обозначает тип диода (Д-выпрямительный, универсальный, импульсный, А-сверхвысокочастотный, Н-неуправляемый, У-управляемый); число, стоящее за второй буквой, характеризует электрические свойства диода.

 

 

 

 

 

 

Содержание

Электро-Техника  В.А.Поляков