 |
Лекция 50. Электрический ток в полупроводниках
|
|
|
|
Цель занятия: сформировать представление о свободные носители электрического заряда в полупроводниках и о природе электрического тока в полупроводниках.
Тип занятия: занятие изучения нового материала.
ПЛАН ЗАНЯТИЯ
| Контроль знаний | 1. Механизм проводимости газов. 2. Какой разряд в газах называют несамостоятельным? самостоятельным? 3. Типы самостоятельного разряда. |
| Демонстрации | Фрагменты видеофильма «Ток в полупроводниках». |
| Изучение нового материала | 1. Что такое полупроводники? 2. Механизм собственной проводимости полупроводников. 3. Влияние примесей на проводимость полупроводников. 4. Электронно-дырочный переход. |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Что такое полупроводники
Полупроводники, как это следует из их названия, по своей проводимостью занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Если значение удельного электрического сопротивления примерно равен 10-8 Ом · м, диэлектриков - 1012 - 1020 Oм · м, то полупроводников - 10-8 - 107 Oм · м.
Во время изучения зависимости проводимости полупроводников от внешних факторов выяснилось, что эта зависимость у полупроводников значительно отличается от той, что наблюдалась в металлах.
Во-первых, после повышения температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается, а удельное сопротивление металлов, наоборот, увеличивается.
Во-вторых, удельное сопротивление некоторых полупроводников уменьшается соответственно увеличению освещенности.
В-третьих, введение примесей может резко уменьшить удельное сопротивление полупроводников.
2. Механизм собственной проводимости полупроводников
Связь электронов со своими атомами в полупроводниках не такой крепкий, как в диэлектриках. И в случае повышения температуры, а так же во время яркого освещения некоторые электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными зарядами, то есть могут перемещаться во всем образце.
|
|
|
Благодаря этому в полупроводниках появляются отрицательные носители заряда - свободные электроны.
Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов, называют электронной проводимостью, а свободные электроны - электроны проводимости.
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.
Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называется дырочной проводимостью.
Таким образом, отличие дырочной проводимости от электронной заключается в том, что электронная проводимость обусловлена перемещением в полупроводниках свободных электронов, а дырочная - перемещением связанных электронов.
В чистом полупроводнике (без примесей) электрический ток создает одинаковое количество свободных электронов и дырок. Такую проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.
3. Влияние примесей на проводимость полупроводников
Если в чистый полупроводник добавить незначительного количества примеси, то механизм проводимости резко изменится. Это изменение легко
наблюдать на примере кремния (Si) с незначительным количеством примеси мышьяка (As). В новом кристалле часть атомов Кремния будет замещаться атомами Мышьяка. Арсен, как известно, пятивалентный элемент. Четыре валентные электроны атомы мышьяка образуют парные электронные связи с соседними атомами Кремния. Пятом же валентному электрону пары не хватает, и поскольку он слабо связан с атомами мышьяка, то легко становится свободным. В результате значительное количество атомов примеси дает свободные электроны. Необходимо отметить, что примеси типа мышьяка добавляют в кристалл только электроны, а вакантные места (дырки) при этом не образуются.
|
|
|
Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными.
Основными носителями зарядов в полупроводники с донорными примесями являются отрицательные частицы. Поэтому такие полупроводники называют полупроводниками n-типа.
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 чего каждый атом Индия образует одно вакантное место - дырку.
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 p -типа.
Практически все полупроводники содержат донорные и акцепторные примеси. Тип проводимости полупроводника определяет примесь с более высокой концентрацией носителей заряда - электронов и дырок.
4. Электронно-дырочный переход
Среди физических свойств, присущих полупроводникам, наибольшее применение получили свойства контактов (p-n-перехода) между полупроводниками с разными типами проводимости.
В полупроводнике n-типа электроны участвуют в тепловом движении и диффундируют через границу в полупроводника p-типа, где их концентрация значительно меньше. Точно так же дырки диффундируют из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа. Это происходит подобно тому, как атомы растворенного вещества диффундируют из крепкого раствора в слабый в случае их столкновения.
|
|
|
В результате диффузии в приконтактной области основных носителей заряда уменьшается: в полупроводнике n-типа уменьшается концентрация электронов, а в полупроводнике p-типа концентрация дырок. Поэтому сопротивление приконтактного участка оказывается очень значительным.
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 будет перемещать основные носители тока в каждой области полупроводника в p-n -перехода. Приконтактный 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 p-типа к отрицательному полюсу источника, то приконтактная зона расширяется. Сопротивление участка значительно увеличивается. Ток через переходный слой будет очень незначительный. Это направление тока называют замыкающим, или обратным.
Электронно-дырочный переход обладает практически одностороннюю проводимость: он пропускает заметный ток от p - к n-области и очень маленький ток в обратном направлении.
Следовательно, через границу раздела полупроводников n-типа и p-типа электрический ток идет только в одном направлении - от полупроводника p-типа к полупроводнику n -типа.
Решение задач
1. Как изменится сопротивление образца кремния с примесью фосфора, если ввести в него примесь галлия? Концентрация атомов Фосфора и Галлия одинакова.
2. Ничтожно малые количества примесей, добавленных к полупроводника, могут резко изменить его электропроводность. Почему даже во много раз больше количества примесей не оказывают заметного влияния на электропроводность металлов.
|
|
|
3. Что надо сделать, чтобы электропроводность германия и кремния стала такой же, как электропроводность металла (диэлектрика)? Сохранятся ли при этом их полупроводниковые свойства?
Контрольные вопросы:
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. Почему свободные носители зарядов не могут удержаться в области p-n-перехода?
5. Измеряя электрическое сопротивление при очень низкой температуре сложно отличить полупроводник от диэлектрика. Почему же свойства этих материалов отличаются при комнатной температуре?
6. Какую связь называют ковалентной?
7. Можно ли получить p-n-переход, вплавляя олово в германий или кремний?
8. Как можно изменять тип носителей в полупроводнике?
9. Почему требования к чистоте полупроводниковых материалов очень высоки (в ряде случаев не допускается наличие даже одного атома примеси на миллион атомов)?
10. После введения в германий примеси мышьяка концентрация электронов проводимости увеличилась. Как изменилась при этом концентрация дырок?
11. Какую проводимость (электронную или дырочную) имеет кремний с примесью галлия? индию? фосфора? сурьмы?
Домашнее задание
1. Учебник-1: § 16 (п. 1, 2, 3, 4); Учебник-2: § 8 (п. 1, 2, 3).
2. Сборник задач.:
Ур1 № 6.1; 6.2; 6.3; 6.7.
Ур2 № 6.24; 6.25; 6.26, 6.27.
Список использованной литературы
1. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 366 с.: ил.
2. Марон А.Е., Марон Е.А. «Сборник задачорник качественных задач по физике 11 кл, М.: Просвещение,2006
3. Л.А. Кирик, Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Методические материалы для преподавателя 10 класс,М.:Илекса, 2005.-304с:, 2005
4. Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Физика 11 класс.-М.: Мнемозина,2010
|
|
|
