Список литературы

1. Башарулы Р., Токбергенова. Койшыбаев Н.-Физика 10 кл.2015г.

2. Туякбаев. Тынтаева Ж. Бакынов Физика 10 кл. Сборник задач 10 класс., 2015г.

3. edu gov.kz/ цифровые образовательные ресурсы по физике 10-11кл

4. http://www.fizika.ru

5 Кронгарт Б. Кем В.Физика /учебник для 10 классов общеобразовательных школ/. –Алматы: Мектеп, 2009г.

МЕЖДУНАРОДНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ КОРПОРАЦИЯ
АКТИВНЫЙ РАЗДАТОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ
Физика и астрономия	АКС
2 кредита	1 курс РЭиС, ВТиПО
Лекционное занятие № 15	1 семестр 2016-2017 уч.г.
Электропроводность полупроводников и ее зависимость от температуры. Собственная и примесная проводимости полупроводников.
Преподаватель Бактыбекова А.Н.

Электрический ток в полупроводниках

Проводники, диэлектрики, полупроводники. Все вещества по электропроводности можно разделить на три класса: проводники-вещества, хорошо проводящие ток Ом м, диэлектрики-вещества, плохо проводящие ток Ом м и полупроводники – вещества, проводимость которых оказалась промежуточной между проводниками и диэлектриками Ом м.

Хорошая проводимость проводников объясняется наличием в них большого числа свободных носителей заряда. Но присутствие в проводниках примесей увеличивает их сопротивление. Происходит это потому, что примеси сильно влияют на подвижность свободных носителей заряда, несмотря на то, что их концентрация практически не изменяется.

Диэлектрики плохо проводят электрический ток, потому что в них практически отсутствуют свободные заряды. Если в диэлектрике имеются примеси, то обычно их электроны слабо связаны со своими атомами. Поэтому они легко открываются от атомов, переходя в свободное состояние, что проводит к уменьшению сопротивления диэлектрика.

К классу полупроводников относятся вещества с ковалентной связью. Ковалентная связь между четырьмя соседними атомами образуется за счет объединения ими своих валентных электронов. То есть в образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые образуют электронную пару. Эти «обобществленные» электроны большую часть времени находятся в пространстве между соседними атомами. Структура этой связи приведена на рисунке. Необходимо отметить, что «коллективная» пара электронов принадлежит лишь двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с соседними атомами, а данный валентный электрон может двигаться по любой из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к нему, затем-к следующему и так по всему кристаллу. Поэтому можно сказать, что «коллективные» валентные электроны принадлежат всему кристаллу.

При низкой температуре ковалентная связь достаточно прочная (валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке), и поэтому в данных условиях полупроводник ведет себя как диэлектрик. Внешнее электрическое поле не в состоянии обеспечить направленное движение электронов.

Нам известно, что при сверхпроводимости у металлов сопротивление при нагревании возрастает, а при охлаждении уменьшается и становится равным нулю. Сопротивление диэлектриков при нагревании уменьшается, но остается большим. В диэлектрике для отрыва электронов от атомов нужна большая энергия, поэтому твердые диэлектрики успевают расплавиться прежде, чем приобретут достаточно большую проводимость.

У полупроводников энергия, необходимая для отрыва электрона от атома, значительно меньше, чем у диэлектриков. Поэтому при нагревании полупроводников количество свободных носителей зарядов в них быстро увеличивается, а их сопротивление сильно уменьшается. График зависимости сопротивления полупроводников от температуры представлен на рисунке. При низких температурах сопротивление полупроводников соизмеримо с сопротивлением диэлектриков, так как в них практически отсутствуют свободные носители заряда. Понятно, что явление сверхпроводимости у полупроводников отсутствует. Необходимо отметить и то, что их сопротивление сильно уменьшается при освещении, так как излучение приносит энергию, достаточную для образования подвижных носителей заряда.

Итак, проводимость полупроводников сильно зависит от температуры и освещенности. Эти особенности обеспечивают их широкое применение.

Собственная и примесная проводимость полупроводников. Мы уже показали, что с повышением температуры электроны в полупроводниках покидают свои связи, и в полупроводниках появляются свободные носители заряда. Ими являются свободные электроны и дырки-свободные места в нарушенной ковалентной связи. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными связями. Положение дырки в кристалле не остается неизменным. Постоянно происходит перескок электронов, обеспечивающих связь на месте образовавшейся дырки. Таким оюразом, благодаря перемещению электронов связи происходит перемещение дырок по кристаллу. Проводимость, образованная перемещением свободных электронов в кристалле, получила название электронная проводимость, а проводимость образованная перемещением дырок, стала называться дырочной. В чистом полупроводнике всегда имеется равное количество свободных электронов и дырок. Поэтому проводимость чистых проводников наполовину дырочная, а на половину электронная. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводников.

С помощью добавления в чистый полупроводник специально подобранных примесей можно искусственно принотовить такие полупроводники, которые обладают преимущественно электронной или дырочной проводимостью.

Добавим в чистый расплавленный германий около примеси, состоящей из атомов какого-либо элемента V группы таблицы Менделеева, например мышьяка. Тогда при затвердевании образуется обычная решетка германия, но в некоторых узлах вместо атомов этого элемента будут находиться атомы мышьяка. Четыре валентных электрона атома мышьяка при этом образуют ковалентные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон в этих условиях оказывается настолько слабо связанным с атомом мышьяка, что для его отрыва нужна очень маленькая энергия, значительно меньше той, которая необходимо для ионизации атомов полупроводника.

Поэтому при обычной температуре все атомы мышьяка в полупроводнике оказываются ионизированными. Положительно заряженные атомы мышьяка связаны с решеткой (локализованы) и не могут перемещаться под действием внешнего электрического поля, а свободные электроны (по одному от каждого атома примеси) являются подвижными носителями зарядов. Проводимость такого кристалла будет преимущественно электронной. Ее называют проводимостью n-типа (от негатив-«отрицательный»), а сам кристалл- полупроводником n-типа. Примесь, создающую в полупроводнике свободные электроны, называют донорной (дающей), или примесью n-типа.

Если в чистый германий добавить атомы элементов III группы таблицы Менделеева, например, индия, у которого имеется по три валентных электрона, то этих электронов хватит для установления ковалентной связи с тремя соседними атомами германия. Для установления связи с четвертым атомом германия атом индия заимствует электрон у одного из своих соседей и превращается в отрицательный ион, а у одного из атомов германия возникает дырка, которая хаотически движется по кристаллу. У кристаллов германия с примесью атомов элементов III группы проводимость преимущественно дырочная. Ее называют проводимостью p-типа (от позитив- «положительный»). Примесь, создающую проводимость p-типа, называют акцепторной (принимающей), или примесью p-типа.

В примесных полупроводниках уже при обычных температурах происходит образование пар «электрон-дырка». Поэтому помимо основных носителей тока там имеются в небольшом количестве и носители тока противоположного знака (неосновные носители тока). При невысоких температурах неосновные носители тока существенной роли в электропроводимости не играют. Однако при высоких температурах, когда происходит интенсивное образование пар «электрон-дырка», полупроводник приобретает смешанную проводимость. Таким образом, преимущественно дырочная, или электронная, проводимость у полупроводников сохраняется лишь при температурах ниже той, при которой начинает играть существенную роль собственная проводимость полупроводника.

Электронно-дырочный переход. В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или p-n-переход)- это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок ( ). В полупроводнике p-типа основными носителями являются дырки ( ). При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области-в n-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок. Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (ее называют запирающим слоем) обычно достигает толщины порядка десятков или сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение , приблизительно равное 0,35 В для германиевых n-p- переходов и 0,6 В- для кремниевых полупроводников. А n-p- переход обладает свойством односторонней проводимости.

Если полупроводник с n-p- переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный- с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от n-p-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n-p-переход практически не идет. Напряжение, на n-p-переход в этом случае называют обратным. Незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводника, т.е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области дырок в n-области.

Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать n-p-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n-p-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Полупроводниковый диод. Способность n-p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в полупроводниковых диодах.

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными диодами: малые размеры, длительный срок службы, механическая прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапазоне температур от -70 до +80 . У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Полупроводниковый транзистор. Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n-p-переходами называется транзисторами (от сочетания английских слов: transfer-«переносить» и resistor-«сопротивлление»). Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: -p-n-p- транзисторы и -n-p-n- транзисторы. Например, германиевый транзистор -p-n-p- типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т.е. из полупроводника n-типа. В этой пластине создаются две области с акцепторной примесью, т.е. области с дырочной проводимостью. В транзисторе n-p-n- типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области- проводимостью n-типа.

В начале 50-х годов ХХ века в науке стали применять транзисторы. Они содержат в себе два р-n- перехода. Транзисторы предназначены, главным образом, для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний различных частот.

Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости- коллектором (К), а вторую эмиттером (Э). В условных обозначениях разных структур стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.

Применение полупроводниковых приборов.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят исключительно широкое применение в радиоэлектронике. Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы- диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники- размером в несколько микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения.

Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов- сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Благодаря этому произошли огромные изменения во многих областях современной электронно-вычислительной техники, космической связи и др.

Русский	Казахский	Английский
Проводник	Өткізгіш	Conductor
Половина	Жартылай	Half
Добавленный	Қоспалы	Half
Исправляющий	Түзеткіш	Transport
Меняться	Ауысу	Correct
Ровнять , ровняющий	Тегістегіш	Change

Тест

$$$1.Чему равна сила тока для постоянного тока?

$$

$

$

$

$$$2.Каким становится удельное сопротивление веществ при сверхпроводимости?

$$очень маленькое

$стремится к бесконечности

$не изменяется

$с повышением температуры уменьшается

$$$3.Основные носители заряда в полупроводниках n – типа?

$$электроны

$дырки

$диполи

$электроны и дырки

$$$4.Сколько p-n переходов имеет транзистор?

$$два

$один

$три

$два или три

$$$5.Укажите единицу измерения сопротивления:

$$Ом

$Моль

$Ампер

$Вольт

$$$6.Укажите формулу импульса тела:

$$

$

$

$

$$$7.Единица измерения силы:

$$Ньютон

$м/c

$Паскаль

$Джоуль

$$$8.Единица измерения емкости:

$$Фарад

$Джоуль

$Кулон

$Паскаль

$$$9.В чем измеряется удельное сопротивление?

$$

$

$

$

$$$10.Переведите в систему СИ 7пФ (пико):

$$ Ф

$700Ф

$ Ф

$ Ф

СРС: Л.1.Термисторы и фоторезисторы. Электрический ток в вакууме. Диод. Краткий конспект .

СРСП: Л.2.Различные типы самостоятельного разряда и их техническое применение. Плазма. Краткий конспект.