Электрический ток в полупроводниках Исследования проводимости различных материалов

Электрический ток в полупроводниках Исследования проводимости различных материалов начались непосредственно в XIX веке сразу после открытия гальванического тока. Первоначально материалы делили на две группы: проводники и диэлектрики. Позже были открыты материалы, чьи свойства не подходили полностью ни под одну группу. Эти вещества получили название полупроводников, хотя они вполне заслуживали и названия «полуизоляторов» . Они проводят ток несколько лучше, чем изоляторы, и значительно хуже

Электрические свойства веществ проводник и Удельное сопротивление от 10 -8 до 10 -6 Ом∙м полупроводн ики Удельное сопротивление от 10 -3 до 107 Ом∙м диэлектри ки Удельное сопротивление от 1010 до 1016 Ом∙м Полупроводники – вещества, удельное сопротивление которых больше удельного сопротивления металлов, но меньше удельного сопротивления диэлектриков

Строение полупроводника на примере кремния - Si - - Кремний – 4 валентный химический элемент. Каждый атом имеет во внешнем электронном слое по 4 электрона, которые используются для образования парноэлектронных (ковалентных) связей с 4 Si Si соседними атомами Si Si При низких температурах (включая и комнатную) химически чистые полупроводники не проводят электрический ток

Строение полупроводника на примере кремния - Si + - Si свободный электрон С увеличением температуры у + дырка Si Si полупроводников возрастает число свободных электронов и дырок, Si их проводимость увеличивается, + Si а сопротивление падает Si Si + Si С увеличением температуры (для кремния – 1000 К) валентные электроны приобретают большую кинетическую энергию. Они смогут прервать ковалентную связь и стать свободными, и при этом покинуть свои атомы. Освободившиеся места называют дырками (вакансиями)

График зависимости сопротивления от температуры При неизменной температуре между электронами и дырками поддерживае динамическое равновесие R н не о сп эк та металл полупроводн ик t При отсутствии электрического поля электроны и дырки участвуют в тепловом хаотическом движении R 0

Ток в химически чистом полупроводнике – это упорядоченное движение электронов и дырок по полупроводнику вдоль силовых линий электрического поля, в которое он помещен Проводимость химически чистых полупроводников, обусловленная движением электронов и дырок, называется электронно-дырочной (собственной) проводимостью Полупроводники с собственной проводимостью называются собственными полупроводниками

Примесная проводимость полупроводников Si - - - Si - As - Si Si - - Si Si As Si Si Донорная проводимость – проводимость полупроводников, обусловленная наличием в них избыточных электронов Донор (лат. donare - дающий) примеси – вещество, поставляющее в полупроводник дополнительные электроны Полупроводник n-типа (лат. negativus - отрицательный) – полупроводник с донорной примесью Примесь является донором в том случае, когда ее валентность больше валентности основного

Акцепторная проводимость полупроводников - - Si - - In - Si + Si - - Si Si In Si + Si Si Акцепторная проводимость – проводимость полупроводников, обусловленная наличием в них дырок Акцептор (лат. acceptor приемник) – вещество, поставляющее в полупроводник дырки Полупроводник р-типа (лат. positiv - положительный) – полупроводник с акцепторной примесью Примесь является акцептором в том случае, когда ее валентность меньше валентности основного полупроводника

Электронно - дырочный переход р – типа In п – типа + _ р–п Si Вследствие диффузии ближайшие к месту сплава электроны и дырки движутся в полупроводники После прекращения р-типа и n-типа соответственно диффузии вблизи границы возникнет особый пограничный слой, называемый р-n-переходом (изза рекомбинации этот слой обеднен носителями зарядов и его сопротивление значительно больше сопротивления

Электронно - дырочный переход р – типа п – типа Толщина р- n-перехода мала (10 -6 м), но сопротивление во много раз больше сопротивления остальных частей полупроводника р-полупроводник n-полупроводник Основные носители: дырки Неосновные носители: электроны Основные носители: электроны Неосновные носители: дырки

Особенности действия р – п-перехода при его подключении в цепь р – п-переход р – типа п – типа + _ I При данном подключении ток через р – ппереход осуществляется основными носителями зарядов, поэтому проводимость перехода велика, а сопротивление мало Рассмотренный переход называют прямым Прямой переход U 0

Особенности действия р – п-перехода при его подключении в цепь р – типа р – п-переход п – типа + _ I При данном подключении ток через р – п-переход осуществляется неосновными носителями, поэтому проводимость перехода мала, а сопротивление велико Этот переход называют обратным U 0 Обратный переход

Особенности действия р – п-перехода при его подключении в цепь

Полупроводниковый диод Преимущества современных р – п-переход обладает свойством пропускать ток в полупроводниковых диодов одном направлении и почти не пропускать в обратном. Это свойство ØКомпактны используется в полупроводниковых диодах для ØОтсутствуют потери энергии на накал катода выпрямления переменного тока ØВысокий КПД анод ØДешевизна катод _ анод катод _ + Недостатки: ØРаботают в В цепи идет ток интервале тока нет ограниченном В цепи температур В Условное обозначение 1919 году Вильям 0 С и не выше 125 0 С ) (не ниже – 70 Иклс ввел слово на схеме ØВыходят из строя в условиях повышенной «диод» , анод катод образованное от радиации (появляется огромное количество новых электронов и дырок) греческих корней +

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый триод транзистор эмиттерный переход коллекторный переход Ge п–р р–п In In эмиттер коллектор база К Б К Э Транзистор p-n-p типа Б Э Транзистор n-p –n типа Транзистор – прибор, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления и преобразования электрических сигналов

Полупроводниковый триод транзистор Толщина базы должна быть значительно меньше длины свободного пробега эмиттер база коллектор носителей тока, а n р р концентрация основных носителей в базе значительно меньше _ + концентрации основных носителей тока в эмиттере – для минимальной прямой обратный рекомбинации в базе переход Два р – перехода: эмиттер – база – эмиттерный переход коллектор – база – коллекторный Площадь коллекторного перехода должна быть больше площади эмиттерного перехода, чтобы перехватить весь поток

Полупроводниковый триод транзистор При создании напряжения между эмиттером и базой, основные носители - дырки, проникают в базу, где небольшая часть их рекомбинирует с электронами базы, а основная часть попадает в коллекторный переход, который закрыт для электронов, но не для дырок, Основное число дырок. пройдя через базу, замкнули цепь, сила тока в эмиттере и коллекторе практически равны Сила тока в коллекторе от величины сопротивления R практически не зависит, но от его величины будет зависеть напряжение на нем. Именно поэтому, изменяя сопротивление, можно получать многократное усиление напряжения, а , значит,

Применение транзисторов Использование транзисторов Ø заменяют электронные лампы во многих цепях Ø портативная радиоаппаратура Ø цифровая техника Ø процессоры Преимущества: Недостатки транзисторов : Øне потребляют большой Ø большая мощности чувствительность к Ø компактны по размерам и массеповышению Ø работают при более низких температуры напряжениях Ø чувствительность к электрическим