Природа электрического тока полупроводниках собственная

Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников

Полупроводники – это вещества, занимающие промежуточное положение между веществами, хорошо проводящими электрический ток (проводниками), и веществами, практически не проводящими тока (диэлектриками).

К полупроводникам относятся кремний Si, германий Ge, селен Se и соединения (Pb, CdS и др.).

1.С ростом температуры их сопротивление резко падает.

2.Наличие примесей приводит к значительному уменьшению их удельного сопротивления.

3.Электрический ток переносится в них не только отрицательными зарядами – электронами, но и равными им по величине положительными зарядами – дырками.

Атомы в кристалле кремния (IV группа табл. Менделеева) связаны между собой ковалентными связями. Эти связи достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. При нагревании кремния наступает разрыв отдельных связей, и некоторые электроны становятся свободными. В электрическом поле они перемещаются между узлами решётки, образуя электрический ток.

При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. Дырка несёт положительный заряд.

В чистых полупроводниках электрический ток создаётся движением отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводников.

При добавлении примесей к полупроводнику резко увеличивается его проводимость.

Примеси бывают донорные и акцепторные.

Донорная примесь – это примесь с большей, чем у кристалла, валентностью.

При добавлении такой примеси в полупроводнике образуются дополнительные свободные электроны. Полупроводник с донорной примесью называется полупроводником n-типа.

Например, для кремния с валентностью равной 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью равной 5.

Каждый атом примеси мышьяка приведёт к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь – это примесь с меньшей, чем у кристалла, валентностью.

При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником p-типа.

Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью равной 3.

Каждый атом примеси индия приведёт к образованию лишней дырки.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Источник

5. Электрический ток в полупроводниках

В кристаллах полупроводников атомы имеют общую электронную пару (ковалентная решётка). Эти коллективизированные электроны могут перемещаться по всему кристаллу. При низких температурах эти связи прочны и, соответственно, свободных электронов нет, поэтому кристалл не проводит ток. Однако при повышении температуры эти связи могут разрываться, появляются свободные электроны, а вместе с ними и вакантные места, которые называются дырками .

Во внешнем электрическом поле появляется направленное движение дырок по направлению вектора напряжённости этого поля ( дырочная проводимость ), а электронов — в обратном направлении ( электронная проводимость ). В совокупности такие электронную и дырочную проводимость в беспримесных полупроводниках называют собственной проводимостью полупроводника.
При наличии примесей помимо собственной проводимости в проводнике появляется ещё и примесная проводимость. Примеси бывают двух видов: донорные и акцепторные .
Донорными примесями называют примеси, которые имеют лишние (для образования связей в решётке) электроны, слабо связанные с ядром. Эти электроны легко становятся свободными и под действием внешнего поля создают ток. Полупроводник с донорными примесями называется полупроводником \(n\)- типа .
Акцепторные примеси — примеси, у которых недостаточно электронов для образования связей в решётке, из-за чего в ней образуются дырки, которые под действием внешнего поля создают ток. Полупроводник с акцепторными примесями называется полупроводником \(p\)- типа .

Чем выше температура, тем больше свободных электронов и дырок и тем меньше сопротивление полупроводникового кристалла, в отличие от металлов (рис. \(1\)).

При контакте двух полупроводников разных типов электроны из \(n\)-области переходят в \(p\)-область, а дырки — в обратную сторону. Поэтому полупроводник \(n\)-типа имеет положительный потенциал и энергия электрона в нём уменьшается, а \(p\)-типа — отрицательный потенциал и энергия электрона увеличивается. Это называется электронно-дырочным (\(n\)-\(p\)) переходом, а возникающее на границе электрическое поле — контактным .
Внешнее электрическое поле изменяет контактное поле, поэтому большее количество электронов и дырок может перейти в другую область, из-за чего через \(n\)-\(p\)-переход будет течь электрический ток.

На \(n\)-\(p\)-переходе основан принцип действия полупроводниковых диодов. Вольт-амперная характеристика диода (рис. \(2\)) показывает, что закон Ома не выполняется.

Принцип действия транзистора основан на двух \(n\)-\(p\)-переходах. Они бывают двух типов: \(p\)-\(n\)-\(p\)-транзисторы и \(n\)-\(p\)-\(n\)-транзисторы. Полупроводник, находящийся посредине, называется базой, а два других — коллектором и эмиттером.
Включим транзистор в цепь так, что переход эмиттер-база будет включён в пропускном направлении, а переход коллектор-база — в запирающем (рис. \(3\)). При приложении входного напряжения \(V_\) между эмиттером и базой дырки из эмиттера проникают в базу и далее — в коллектор из-за диффузии. Там они двигаются под действием электрического поля, и появляется электрический ток.

Источник

Физика. 10 класс

§ 37. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости полупроводников

Полупроводники — широкий класс как неорганических, так и органических веществ в твёрдом или жидком состоянии. Полупроводники обладают многими замечательными свойствами, благодаря которым они нашли широкое применение в различных областях науки и техники. Каковы особенности строения полупроводников?

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры и освещённости. Удельное сопротивление полупроводников находится в пределах от 10 –6 до 10 8 Ом · м (при Т = 300 К), т. е. во много раз меньше, чем у диэлектриков, но существенно больше, чем у металлов. В отличие от проводников удельное сопротивление полупроводников резко убывает при увеличении температуры, а также изменяется при изменении освещения и введении сравнительно небольшого количества примесей. К полупроводникам относят ряд химических элементов (бор, углерод, кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьма, сера, селен, теллур и др.), множество оксидов и сульфидов металлов, а также других химических соединений.

Изучить свойства полупроводников можно на опытах. Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, полупроводника и миллиамперметра ( рис. 215 ). Из опыта следует, что при нагревании полупроводника сила тока в цепи возрастает. Возрастание силы тока обусловлено тем, что при увеличении температуры сопротивление полупроводника уменьшается.

Проведём ещё один опыт. Изменяя освещённость поверхности полупроводника, наблюдаем изменение показаний миллиамперметра ( рис. 216 ). Результаты наблюдений означают, что при освещении поверхности полупроводника его сопротивление уменьшается.

Таким образом, уменьшить сопротивление полупроводника можно, либо нагревая его, либо воздействуя электромагнитным излучением, например освещая его поверхность.

Источник

Электрический ток в полупроводниках

Важнейшее значение в современной технике играют компоненты электронных схем, большая часть которых построена с применением особых веществ, названных полупроводниками. Рассмотрим особенности протекания электрического тока в полупроводниках.

Проводимость полупроводника

Главное свойство полупроводников, результатом которого является широчайшее их распространение в современной электронике, является возможность легкого управления проводимостью. Это дает возможность использовать полупроводники для усиления и преобразования самых разных электрических сигналов.

Изначально полупроводниковые приборы строились в основном на основе германия. В настоящее время самое широкое применение находит кремний.

Строение кристалла полупроводника

Для понимания природы проводимости полупроводника следует рассмотреть его атомное строение. Кремний – четырехвалентный элемент. В его кристалле каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя соседями. Ковалентная химическая связь – это связь, при которой электроны двух атомов «обобществляются», и становятся общими. То есть каждая связь в кремнии содержит два «обобществленных» электрона.

Электронная проводимость

Чем выше температура кристалла, тем больше энергии имеют валентные электроны, и тем легче им переходить между соседними атомами. Удалившись от одного атома, он может начать двигаться по связи с другим атомом (там, где в это время другой электрон «освободит место»).

Наконец, наступает момент, когда энергия некоторых валентных электронов позволяет им совсем покинуть область электронной связи, и стать свободными. Число таких электронов с температурой повышается, и кристалл все лучше проводит электрический ток. У него появляется электронная проводимость.

Дырочная проводимость

Заметим, что электрон, ставший свободным – покинул свой атом, в результате чего у атома образовался избыточный положительный заряд, «вакантное место» в одной из четырех связей. Такой атом называется «дыркой». Поскольку в ковалентных связях электроны могут переходить от связи к связи – образовавшееся «вакантное место» может быть заполнено электроном из соседнего атома, таким образом дырка образуется в этом соседнем атоме.

В отсутствие электрического поля дырки образуются и исчезают хаотично. Однако, если такое поле появляется, дырка будет заполняться электронами из соседних атомов в основном под действием этого поля. То есть, под действием поля дырка начинает движение – в полупроводнике возникает дырочная проводимость.

Таким образом, кратко электрический ток в полупроводниках можно представить в виде движения электронов и дырок.

Собственная и примесная проводимость

Собственная проводимость чистого полупроводника, как правило, невелика, существенно меньше, чем проводимость металлов. Для работы в электронных схемах это большой недостаток. Для увеличения проводимости в полупроводник вводят специальные примеси.

Атомы примеси подбираются так, чтобы они легко встраивались в кристаллическую структуру полупроводника, и при этом значительно влияли на его проводимость, несмотря на небольшое количество примеси. Такой результат можно получить, если валентность примеси будет немного отличаться (на единицу) от валентности вещества полупроводника.

Донорная и акцепторная проводимость

Валентность примеси может быть равна пяти (например, у мышьяка). В этом случае у каждого атома примеси кроме четырех электронов, участвующих в связи с соседними атомами кремния, будет один «лишний» электрон, который сможет легко покидать атом мышьяка, и двигаться в полупроводнике. Проводимость кристалла резко возрастает за счет появляющихся свободных электронов. Примесь, которая легко увеличивает число свободных электронов, называется донорной, а кристалл полупроводника с донорной примесью называется n-типом (от «negative»). Основными носителями в таком полупроводнике являются электроны.

Валентность примеси может быть равна трем (например, у индия). В этом случае у каждого атома примеси в четырех связях с соседними атомами кремния всегда будет одно «вакантное» место, которое будет легко заполняться электронами соседних атомов. Проводимость кристалла в этом случае также возрастает, за счет увеличенного числа дырок. Примесь, увеличивающая число дырок, называется акцепторной, а полупроводник с такой примесью называется полупроводником p-типа (от «positive»). Основными носителями в нем являются дырки.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно менять как электронную, так и дырочную проводимость. Эта возможность широко используется в электронике.

Что мы узнали?

В полупроводниках существуют носители двух типов – свободные электроны, покинувшие атомы и атомы, в которых есть «вакантное» место для электрона (дырки). В проводниках бывает собственная и примесная проводимость. Если примесь легко отдает электроны, то она называется донорной, такой полупроводник имеет n-тип. Если примесь имеет недостаток электронов, она называется акцепторной, такой полупроводник имеет p-тип.

Источник