Задача 3

В таблице 3 для каждого варианта приведены полупроводниковый материал и полупроводниковый прибор.

Таблица 3

Номер варианта	Наименование полупроводниковых
	материалов (вариант по предпоследней цифре шифра)	приборов (вариант по последней цифре шифра)
0	Германий	Тиристор
1	Кремний	Фоторезистор
2	Селен	Терморезистор
3	Карбид кремния	Датчик Холла
4	Арсенид галлия	Варистор
5	Закись меди	Вентильный разрядник
6	Антимонид индия	Силитовые стержни
7	Селен	Диод
8	Германий	Транзистор
9	Кремний	Фотоэлемент

Дайте определение полупроводника. Приведите классификацию полупроводниковых материалов. Укажите, от каких факторов зависит электропроводность полупроводников. Кратко опишите заданный материал (состав, свойства), укажите область его использования. Укажите назначение полупроводникового прибора, опишите принцип его действия. Укажите полупроводниковые материалы, используемые в данном приборе.

Теоретическая часть методических указаний к решению задачи.

Разнообразие свойств полупроводников обусловили широкое применение полупроводниковых приборов в электротехнике.

Полупроводниковые приборы отличаются простотой и надёжностью конструкций, малыми габаритами и весом, большим сроком службы.

По указанной литературе следует ознакомиться с классификацией и основными свойствами полупроводников и зависимостью этих свойств от различных внешних факторов. При этом необходимо уяснить, в чём заключается главное отличие полупроводников от остальных классов электротехнических материалов.

Точного определения понятия «полупроводник» не существует. В общем случае так называют вещества, которые с точки зрения электрической проводимости занимают промежуточное место между проводниковыми и электроизоляционными материалами.

По признаку удельной электрической проводимости полупроводники определяются как вещества, удельная проводимость которых лежит в диапазоне от 10⁶ до 10^-8 См/м, что соответствует удельному электрическому сопротивлению от 10^-6 до 10⁸ Омм. Эти границы имеют условный характер и приведённые значения можно считать ориентировочными, особенно если учесть, что удельное сопротивление всех материалов зависит от температуры. При повышенных температурах удельная проводимость многих электроизоляционных материалов повышается настолько, что по признаку удельного сопротивления их можно считать полупроводниками. Наоборот, удельная проводимость полупроводников при очень низких температурах может сравниться с удельной проводимостью электроизоляционных материалов.

По признаку ширины запрещённой зоны полупроводниками считаются вещества, ширина запрещённой зоны которых лежит в диапазоне от 0,08 до 3 эВ.

От проводниковых материалов полупроводники отличаются, прежде всего, заметно более низкой удельной проводимостью, что объясняется существенно меньшей концентрацией свободных электронов, а также подвижностью свободных электронов, которая в кристаллических полупроводниках выше, чем в металлах, а в аморфных полупроводниках меньше, чем в металлах.

Другое существенное отличие заключается в том, что удельная проводимость полупроводников, как правило, увеличивается при возрастании температуры и, наоборот, уменьшается при понижении температуры. Увеличение удельной электрической проводимости полупроводников при возрастании температуры объясняется, прежде всего, изменением концентрации свободных носителей заряда. В металлах эта концентрация практически не зависит от температуры.

От электроизоляционных материалов полупроводники отличаются, прежде всего, существенно большей удельной электрической проводимостью, что вызвано существенно большей концентрацией и подвижностью свободных носителей заряда в полупроводниках.

От большинства электроизоляционных материалов полупроводники отличаются и механизмом электропроводности в слабых электрических полях. Если в большинстве электроизоляционных материалов имеет место ионная электропроводность, в электротехнике используют исключительно полупроводники с электронной проводимостью. Если в электроизоляционных материалах протекание электрического тока сопровождается электролизом и, в результате этого, химическими изменениями материала, прохождение тока через полупроводник не вызывает в нем никаких изменений.

Основным признаком классификации полупроводников можно считать механизм электропроводности. В соответствии с этим полупроводники делятся на полупроводники типа n, которые имеют электронную электропроводность, и полупроводники типа р, которые имеют дырочную электропроводность. При такой классификации решающее значение имеет преобладающий тип свободных носителей заряда. Указанная классификация относится к примесным (несобственным) полупроводникам, которые чаще всего применяются в технической практике. Характер их электропроводности, а следовательно, и их принадлежность к какой-либо из указанных групп зависит от характера примеси. Беспримесный (собственный) полупроводник, или полупроводник типа i, т.е. совершенно чистый полупроводник без дефектов кристаллической решётки, имеет одинаковую концентрацию электронов и дырок, а потому не относится ни к типу n, ни к типу р.

Другим важным признаком для классификации является химический состав. Различаются органические и неорганические полупроводники, причём в настоящее время в технике используются преимущественно неорганические полупроводники, которые делятся по количеству входящих в их состав элементов на простые и сложные. Сложные полупроводники, в свою очередь, делятся на бинарные, тройные и т.д.

Из комплекса физических, тепловых, механических и других свойств можно считать важнейшими в полупроводниках электрофизические показатели свойств, к которым относятся удельная электрическая проводимость, концентрация электронов и дырок, температурный коэффициент удельной проводимости и удельного сопротивления, ширина запрещённой зоны, энергия активации донорных и акцепторных примесей, работа выхода, коэффициент диффузии электронов и дырок, диффузионная длина и др.

В ряде случаев специального применения к этим показателям свойств добавляются другие, которые характеризуют полупроводник с точки зрения конкретного применения. Таковы, например, коэффициент термоэлектродвижущей силы и коэффициент термоэлектрического эффекта, коэффициент Холла и т.п.