Читайте также: |
|
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Полупроводники
К полупроводникам принято относить вещества, имеющие при комнатной температуре удельное сопротивление от 10-6 до 108 Ом×м. Вещества с меньшим удельным сопротивлением — 10-8…10-6 Ом×м относят к проводникам, а со значительно большим — 1016…1022 Ом×м — к диэлектрикам. Иными словами, полупроводники проводят электрический ток хуже, чем проводники, но значительно лучше, чем диэлектрики.
Хорошими проводниками являются металлы, проводимость которых объясняется наличием большого количества свободных электронов. Полупроводники отличаются от металлов не только удельным сопротивлением, но и физическими процессами, определяющими проводимость полупроводников.
К полупроводникам относятся следующие химические элементы периодической системы или их соединения: B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Tb, J, оксиды и сульфиды металлов (оксид меди I, сульфид кадмия и др.), а также некоторые полимеры. Наиболее широкое применение в электроники нашли полупроводниковые приборы на основе германия (Ge) и кремния (Si). В дальнейшем, если не сказано иного, под полупроводниковым будет пониматься прибор на основе кремния.
Элемент Si имеет валентность, равную четырем. Каждый атом в кристаллической решетке кремния образует валентные связи с четырьмя своими соседями. Такое состояние атомов является стабильным. Упрощенно, без учета пространственного размещения атомов в кристаллической решетке, взаимодействие атомов показано на рис. 1,а.
а) | б) | |
Рис. 1 | п1 | |
Появление свободных электронов в чистом полупроводнике требует сообщения ему определенного количества энергии извне и определяется внешними условиями, главным образом температурой окружающей среды. Процесс образования свободных электронов под действием температуры окружающей среды называется термогенерацией. Однако количество свободных электронов мало — примерно два на 1010 атомов. Низкая концентрация свободных носителей заряда определяет относительно высокое удельное сопротивление чистого полупроводника.
Атом, в силу каких-либо причин потерявший электрон, становится электрически положительным. Условно свободное место в атоме, потерявшем электрон, называют дыркой и считают носителем положительного заряда (рис. 1,б). Заряд дырки по величине равен заряду электрона. В чистом полупроводнике количество дырок равно количеству свободных электронов — полупроводник электрически нейтрален. Наряду с процессом появления свободных электронов и образованием дырок, в полупроводнике идет процесс рекомбинации, т. е. заполнения свободными электронами «пустых» мест — дырок. В чистом полупроводнике наблюдается статистическое постоянство свободных электронов и дырок.
Под действием внешнего электрического поля в полупроводнике возникает упорядоченное движение заряженных частиц, т. е. начинает протекать электрический ток. В качестве упорядоченно движущихся частиц могут выступать как электроны, так и дырки. В связи с этим в полупроводниках различают проводимости двух типов: электронную (проводимость n-типа) и дырочную (проводимость p*‑типа). Следует отметить, что проводимость в полупроводнике всегда определяется движением отрицательно заряженных частиц — электронов. Однако характер их движения может быть различен. В случае электронной проводимости электроны двигаются между атомами кристаллической решетки, преодолевая значительные (в масштабах кристаллической решетки) расстояния до рекомбинации.
При дырочной проводимости возникающие дырки заполняются электронами, оторванными от соседних атомов. Электроны в этом случае движутся от атома к атому и наблюдается упорядоченное перемещение дырок. Очевидно, что скорость перемещения условных носителей заряда при дырочной проводимости (дырок) существенно меньше скорости перемещения носителей заряда при электронной проводимости. Например, в германии скорость перемещения дырок в два раза, а в кремнии — в шесть раз меньше скорости перемещения электронов.
В чистом полупроводнике концентрация свободных электронов и дырок одинакова, поэтому вводят понятие собственной концентрации . Электрический ток в чистом полупроводнике обусловлен как электронной, так и дырочной проводимостями. Проводимость чистого полупроводника называют собственной, не выделяя электронную и дырочную составляющие. С увеличением температуры собственная проводимость полупроводника возрастает за счет усиления процесса термогенерации. Этим полупроводники отличаются от проводников, проводимость которых с ростом температуры уменьшается.
На практике чистые полупроводники используются редко. Обычно используют примесные полупроводники, т. е. полупроводники, в состав которых введены те или иные примеси. Несмотря на то, что концентрация примесей мала (примерно один атом примеси на 1010 атомов основного полупроводника), примеси существенно изменяют свойства полупроводника.
Примеси подразделяют на донорные и акцепторные. Донорные примеси являются поставщиками (донорами) свободных электронов в полупроводник, т. к. как имеют большее количество валентных электронов, чем основной полупроводник. Если в роли основного полупроводника является четырехвалентный кремний, то донорной примесью для него может являться, например, пятивалентный мышьяк (As). Четыре его электрона образуют валентные связи с соседними атомами кремния, а один электрон останется не участвующим в образовании валентных связей, полусвободным (рис. 2,а). Для превращения этого электрона в свободный необходимо затратить существенно, на один…два порядка меньше энергии, чем в случае чистого полупроводника.
а) | б) | |
Рис. 2 | п5 | |
При подключении примесного полупроводника к внешнему источнику напряжения под действием внешнего электрического поля происходит превращение полусвободных электронов в свободные и начинается их упорядоченное движение в сторону положительного полюса внешнего источника питания. При этом в полупроводнике нейтральные атомы примеси превращаются в положительно заряженные неподвижные ионы.
В примесном полупроводнике с донорной примесью имеет место электронная проводимость. Такой полупроводник называют полупроводником n-типа. Акцепторная примесь имеет меньшее количество валентных электронов, чем основной полупроводник. В случае кремния в качестве акцепторной примеси может выступать, например, трехвалентный бор (рис. 2,б). Трехвалентный атом примеси установит валентные связи с тремя соседними атомами кремния и отнимет электрон у четвертого. На месте «отнятого» электрона образуется дырка, а атом примеси превратится в отрицательный ион. Дырку постарается занять электрон из другого атома кремния, образуя при этом новую дырку и т. д. Количество дырок в таком полупроводнике превышает количество свободных электронов.
В примесном полупроводнике с акцепторной примесью имеет место дырочная проводимость. Такой полупроводник называют полупроводником p-типа. В полупроводниках обоих типов также имеет место собственная проводимость.
Носитель заряда, чья концентрация в примесном полупроводнике выше, называют основным. Для донорного полупроводника основными носителями заряда будут являться электроны, для акцепторного — дырки.
Дата добавления: 2015-07-14; просмотров: 158 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ ОХОЛОДЖУВАЧА | | | Электронно-дырочный переход |