Слово "ток" означает движение или течение чего-то. Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Обычно электрический ток возникает при действии на свободные заряды внешней направленной электромагнитной силы. Однако в полупроводниках направленное движение зарядов возможно за счет хаотического теплового движения, если имеется неоднородность плотности их размещения. В этом случае заряды преимущественно перемещаются из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией. Данное явление называется диффузией, а ток, обусловленный диффузией, называется диффузионным.

Для отличия обычного тока, обусловленного действием электрической силы, от диффузионного обычный ток называют дрейфовым.

Электронно-дырочный переход

При изучении контактных явлений в полупроводниках следует остановиться на способах получения перехода: вплавление примеси, диффузия, ионная имплантация. Все они обеспечивают создание областей с электронной и дырочной электропроводностью в одном полупроводниковом образце.

Еще на стадии создания перехода в нем происходят процессы диффузии дырок из р-области в n-область и свободных электронов из n-области в р-область. В результате на границе двух областей образуется двойной слой электрических зарядов, состоящий из отрицательных и положительных ионов примесных атомов, и порожденное перешедшими зарядами электрическое поле. Это поле противодействует дальнейшей диффузии основных носителей заряда, благодаря чему устанавливается состояние равновесия.

Областью электронно-дырочного перехода считается слой объемных зарядов по обе стороны от границы областей (рис. 2.5). Этот слой называется запорным, потому что он обеднен свободными носителями заряда и во многих случаях может считаться диэлектриком. Здесь необходимо подчеркнуть, что плотности объемных зарядов в запорном слое различны по обе стороны от границы областей, поскольку определяются концентрациями донорной примеси в n-области и акцепторной примеси - в р-области. В целом же двойной слой объемного заряда электрически нейтрален: суммарный положительный заряд в n-области равен суммарному отрицательному заряду в р-области. Основное действие электрического поля объемного заряда состоит в ослаблении им диффузионного тока до очень малой величины тока проводимости (дрейфового тока) запорного слоя. В результате суммарный ток через переход оказывается равным нулю.

Если к переходу прикладывается внешнее напряжение, оно складывается с контактным и, в зависимости от полярности, либо увеличивает, либо уменьшает напряжение на переходе, что приводит к изменению диффузионного тока через него. Что касается дрейфового тока, то его величина, практически не зависит от внешнего напряжения и определяется только скоростью генерации свободных носителей в обедненном слое. Односторонняя проводимость перехода обусловлена тем обстоятельством, что при прямой полярности внешнего напряжения возможно очень сильное увеличение диффузионного тока, а при обратной - лишь очень незначительное уменьшение, поскольку он был близок к нулю.

Кроме того, внешнее напряжение оказывает сильное влияние на толщину запорного слоя, объемные заряды которого непосредственно связаны с напряжением на переходе. Увеличение этого напряжения должно привести к увеличению объемных зарядов. Однако плотность этих зарядов определяется только концентрациями примесей. Следовательно, увеличение зарядов будет происходить за счет увеличения их объемов, что означает увеличение толщины запорного слоя.

По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает (см. рис. 1.12.4). У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (рис. 1.13.1).

Такой ход зависимости ρ (T ) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре слабо связанных электрона. Их называют валентными электронами . В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной , т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рис. 1.13.2). Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок . Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией . Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.



Если полупроводник поместить в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного I n и дырочного I p токов:

I = I n + I p .

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: n n = n p . Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электрическая проводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.



Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью . Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную .

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).

На рис. 1.13.3 показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью . В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле n n >> n p . Такая проводимость называется электронной , а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа .

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рис. 1.13.4 показан атом индия, который с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называетсяакцепторной примесью . В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: n p >> n n . Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью . Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа . Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p -типа являются дырки.

Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.

2. Задача по теме "Движение тела по ок­ружности с сохраняющимся модулем скорости".

Шарик на нити длиной 80 см вращается вокруг вертикальной оси с постоянной скоростью. Если угол отклонения нити от вертикали 60 о, то с какой скоростью вращается шарик.

3. Экспериментальное задание. Опреде­ление внутреннего сопротивления гальваниче­ского элемента.

Билет № 25-Б

1. Ядерные реакции. Цепные ядерные ре­акции. Ядерный реактор.

Я́дерная реа́кция - это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением большого количества энергии. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газебольше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:

· реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергиисталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).

· прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время , необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при больших энергиях бомбардирующих частиц.

Цепна́я я́дерная реа́кция - последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядертяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.

Я́дерный реа́ктор - это устройство, предназначенное для организации управляемой самоподдерживающейся цепной реакции деления, которая всегда сопровождается выделением энергии (1 МВт на 3·10 16 актов деления в секунду). Иначе: ядерный реактор-это устройство, которое предназначено для осуществления управляемой ядерной реакции.

Любой ядерный реактор состоит из следующих частей:

· Активная зона с ядерным топливом и замедлителем;

· Отражатель нейтронов, окружающий активную зону;

· Теплоноситель;

· Система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита;

Текущее состояние ядерного реактора можно охарактеризовать эффективным коэффициентом размножения нейтронов k или реактивностью ρ , которые связаны следующим соотношением:

Для этих величин характерны следующие значения:

· k > 1 - цепная реакция нарастает во времени, реактор находится в надкритичном состоянии, его реактивность ρ > 0;

· k < 1 - реакция затухает, реактор - подкритичен , ρ < 0;

· k = 1, ρ = 0 - число делений ядер постоянно, реактор находится в стабильном критическом состоянии.

Условие критичности ядерного реактора:

· есть доля полного числа образующихся в реакторе нейтронов, поглощённых в активной зоне реактора, или вероятность избежать нейтрону утечки из конечного объёма.

· k 0 - коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров.

Обращение коэффициента размножения в единицу достигается сбалансированием размножения нейтронов с их потерями. Причин потерь фактически две: захват без деления и утечка нейтронов за пределы размножающей среды.

2. Задача по теме "Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа".

В закрытом сосуде находится идеальный газ. Если средняя квадратичная скорость его молекул увеличится на 20%, то как при этом изменится давление газа в сосуде.

3. Экспериментальное задание. Проверка выполнимости "золотого правила механики" для рычага.

________________________________________________________________

Билет № 26-Б

1. Электромагнитные волны. Свойства электро­магнитных волн. Скорость распространения электромагнитной волны.

Колебательные перемещения электрического заряда тоже вызывают волны изменений электрического и магнитного полей. Действительно, эти колебания заряда сначала приведут к периодическим изменениям электрического поля вокруг, которые в свою очередь, согласно гипотезе Максвелла (см. §7), вызовут появление переменного магнитного поля той же частоты. При этом возникшее магнитное поле будет выходить за пределы породивших его колебаний электрического заряда. Потом, изменяющееся магнитное поле по закону электромагнитной индукции вызовет электрическое ещё на большем расстоянии от колеблющегося заряда и т.д. Таким образом, колебательные перемещения электрического заряда приводят к возникновению распространяющихся в пространстве волн колебаний электрического и магнитного полей. Такие волны называют электромагнитными .

Важнейшим результатом, который вытекает из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Электромагнитная волна - распространение электромагнитных полей в пространстве и во времени.

Источник электромагнитного поля - электрические заряды, движущиеся с ускорением.

Электромагнитные волны, в отличие от упругих (звуковых) волн, могут распространяться в вакууме или любом другом веществе.

Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью c=299 792 км/с , то есть со скоростью света.

2. Задача по теме "Закон взаимосвязи массы и энергии".

Общая мощность излучения Солнца составляет 3,84*10 26 Вт. Определите на сколько уменьшается масса Солнца за счёт излучения за сутки.

3.Экспериментальное задание:

"Опреде­ление равнодействующей двух сил, направ­ленных вдоль одной прямой".

К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется в зависимости удельного сопротивления от температуры (рис.9.3)

Зонная модель электронно-дырочной проводимости полупроводников

При образовании твердых тел возможна ситуация, когда энергетическая зона, возникшая из энергетических уровней валентных электронов исходных атомов, оказывается полностью заполненной электронами, а ближайшие, доступные для заполнения электронами энергетические уровни отделены от валентной зоны Е V промежутком неразрешенных энергетических состояний – так называемой запрещенной зоной Е g .Выше запрещенной зоны расположена зона разрешенных для электронов энергетических состояний – зона проводимости Е c .


Зона проводимости при 0 К полностью свободна, а валентная зона полностью занята. Подобные зонные структуры характерны для кремния, германия, арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и многих других твердых тел, являющихся полупроводниками.

При повышении температуры полупроводников и диэлектриков электроны способны получать дополнительную энергию, связанную с тепловым движением kT . У части электронов энергии теплового движения оказывается достаточно для перехода из валентной зоны в зону проводимости, где электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться практически свободно.

В этом случае, в цепи с полупроводниковым материалом по мере повышения температуры полупроводника будет нарастать электрический ток. Этот ток связан не только с движением электронов в зоне проводимости, но и с появлением вакантных мест от ушедших в зону проводимости электронов в валентной зоне, так называемых дырок . Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле.

Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного I n и дырочного I p токов: I = I n + I p .

Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т.е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников. Электроны забрасываются в зону проводимости с уровня Ферми , который оказывается в собственном полупроводнике расположенным посередине запрещенной зоны (рис. 9.4).

Существенно изменить проводимость полупроводников можно, введя в них очень небольшие количества примесей. В металлах примесь всегда уменьшает проводимость. Так, добавление в чистый кремний 3 % атомов фосфора увеличивает электропроводность кристалла в 10 5 раз.

Небольшое добавление примеси к полупроводнику называется легированием.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла. Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью .

Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости. Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As) (рис. 9.5).

Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним. Он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки.

Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорской примесью . В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз.

Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника. Такая проводимость, обусловленная свободными электронами, называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа .

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы, например, атомы индия (рис. 9.5)

На рисунке 6 показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия.

Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью . В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: n p >> n n . Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью . Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа . Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p -типа являются дырки.

Электронно-дырочный переход. Диоды и транзисторы

В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

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

На границе полупроводников (рис. 9.7) образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу.

Способность n –p -перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами . Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

На рисунке 9.8 приведена типичная вольт - амперная характеристика кремниевого диода.

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n–p-переходами называются транзисторами . Транзисторы бывают двух типов: p –n –p -транзисторы и n –p –n -транзисторы. В транзисторе n –p –n -типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p -типа, а созданные на ней две области – проводимостью n -типа (рис.9.9).


В транзисторе p–n–p – типа всё наоборот. Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э).

Рассмотрим подробнее вопрос о свободных носителях зарядов в полупроводниках. Возьмем два различных полупроводника (первый состоит из сплава висмута, теллура и селена, второй - из висмута, теллура и сурьмы) и соединим их с гальванометрами (рис. 100). Нагреем один конец первого полупроводника, а затем второго, оставляя другие концы ненагретыми. Чтобы был больше перепад температуры (t 0 r - t x) между верхним, нагреваемым, концом полупроводника и нижним, ненагреваемым, к последнему припаян радиатор - медная пластинка А.

Замечаем, что в цепи гальванометра идет ток, его источником стал полупроводник (термоэлемент). По направлению отклонения стрелок видим, что у одного полупроводника (рис. 100, а) нагретый конец имеет положительный потенциал, а у другого - отрицательный (рис. 100, б). Это происходит потому, что в нагреваемом конце увеличивается число свободных электронов и их скорость, а в холодном конце концентрация электронов мало изменяется. Из нагретого конца в холодный переходит большее число электронов, чем из холодного в нагретый. В результате нагретый конец заряжается положительно, а холодный - отрицательно. Это еще раз подтверждает, что свободными носителями заряда в полупроводниках являются электроны.

Но как объяснить случай, когда горячий конец полупроводника заряжается отрицательно и все происходит так, как если бы носителями заряда в полупроводнике вместо электронов стали положительно заряженные частицы, переходящие с горячего конца в холодный? Расчеты показали, что заряд таких частиц по абсолютному значению равен заряду электрона. Выясним, что это за частицы

При нагревании полупроводника кинетическая энергия валентных электронов увеличивается, они отрываются от атомов и становятся свободными электронами проводимости. Места в атоме полупроводника, в которых отсутствуют валентные электроны, называются дырками. Название подчеркивает, что в атоме не хватает одного электрона. Перескочив от какого-либо соседнего атома, электрон может занять дырку и восстановить ковалентную связь. Если это произойдет, то дырка возникнет в другом месте и снова может быть занята электроном соседнего атома. Так дырки образуются в нагретой области полупроводника. Понятие "дырка" введено для упрощения описания скачкообразного перемещения электронов из заполненной парноэлектронной связи атомов в незаполненную. Дырки и электроны проводимости находятся в тепловом движении. Процесс образования электронов проводимости и дырок протекает параллельно с процессом их рекомбинаций.

Итак, в полупроводниках есть и положительные носители заряда - ими являются дырки.

При нагревании (см рис. 97,а) или освещении (см. рис.99, а) полупроводника в нем образуются свободные электроны проводимости и дырки. Если подключить такой полупроводник к источнику тока, то этот источник образует в полупроводнике стационарное электрическое поле, под действием которого электроны проводимости приходят в направленное движение от отрицательного полюса источника к положительному. Проводимость полупроводника с помощью электронов называется электронной проводимостью, а ток, образованный этими электронами,- током электронной проводимости.

Образование тока проводимости по зонной теории происходит так (см. рис. 96). Вследствие малого значения энергии запрещенной зоны (например, для германия 0,75 эв ) сообщение извне электронам валентной зоны незначительной энергии направляет их поток в свободную зону и образует тем самым электрический ток. Направленный переход электронов проводимости из валентной зоны в зону проводимости (в бывшую свободную зону) дает ток электронной проводимости в полупроводнике.

В полупроводнике, подключенном к источнику тока, под действием электрического поля движение дырок становится упорядоченным вдоль его напряженности. Дырка с как бы присущим ей положительным зарядом перемещается от одного атома к другому, причем в направлении, противоположном перемещению электронов, занимающих дырки (рис. 101). Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называется дырочной проводимостью. (Ее наличие было доказано эффектом Холла на полупроводниках.)

Переход электронов из валентной зоны в зону проводимости создает дырки в валентной зоне. Под действием сообщенной энергии электроны соседних энергетических уровней занимают дырки. Получается как бы направленное движение дырок в сторону, противоположную движению валентных электронов. Ток, образованный направленным движением валентных электронов,- это ток дырочной проводимости.

Рассмотрев электронную и дырочную проводимость, мы увидели, что различие между ними является условным. В действительности и та и другая проводимость образуются вследствие движения электронов, однако различного характера: при электронной проводимости - это непрерывное движение свободных электронов, при дырочной проводимости - это цепочка перескоков электронов между соседними атомами. Итак, электрический ток в полупроводниках создается движением электронов под действием внешнего электрического поля. Дырки, подойдя к отрицательному полюсу источника тока, заполняются электронами, поступающими в полупроводник из этого отрицательного полюса. Электроны, подошедшие к положительному полюсу, нейтрализуют на нем часть положительного заряда.

Полупроводники занимают промежуточное место по электропроводности между проводниками и непроводниками электрического тока. К группе полупроводников относится гораздо больше веществ, чем к группам проводников и непроводников, взятых вместе. Наиболее характерными представителями полупроводников, нашедших практическое применение в технике, являются германий, кремний, селен, теллур, мышьяк, закись меди и огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.

У полупроводников концентрация носителей свободного заряда увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов.

Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок».



При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.

Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного I n и дырочного I p токов: I = I n + I p .

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: n n = n p . Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков.

Полупроводник, в который введена примесь (т.е. часть атомов одного сорта заменена на атомы другого сорта), называют примесным или легированным.

Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.

Так при легировании четырех валентного германия (Ge) или кремния (Si) пятивалентным – фосфор (P), сурьма (Sb), мышьяк (As) в месте нахождения атома примеси появляется лишний свободный электрон. При этом примесь называют донорной .

При легировании четырех валентного германия (Ge) или кремния (Si) трехвалентным - алюминием (Al), индием (Jn), бором (В), галлием (Ga) – возникает линяя дырка. Такие примеси называют акцепторными .

В одном и том же образце полупроводникового материала один участок может обладать р - проводимостью, а другой n – проводимостью. Такой прибор называют полупроводниковым диодом.

Приставка «ди» в слове «диод» означает «два», она указывает, что в приборе имеются две основные «детали», два тесно примыкающих один к другому полупроводниковых кристалла: один с р-проводимостью (это зона р), другой - с n - проводимостью (это зона п). Фактически же полупроводниковый диод - это один кристалл, в одну часть которого введена донорная примесь (зона п), в другую-акцепторная(зона р).

Если от батареи подвести к диоду постоянное напряжение «плюсом» к зоне р и «минусом» к зоне п , то свободные заряды - электроны и дырки - хлынут к границе, устремятся к рn -переходу. Здесь они будут нейтрализовать друг друга, к границе будут подходить новые заряды, и в цепи диода установится постоянный ток. Это так называемое прямое включение диода - заряды интенсивно движутся через него, в цепи протекает сравнительно большой прямой ток.

Теперь сменим полярность напряжения на диоде, осуществим, как принято говорить, его обратное включение - «плюс» батареи подключим к зоне п, «минус» - к зоне р. Свободные заряды оттянутся от границы, электроны отойдут к «плюсу», дырки - к «минусу» и в итоге pn - переход превратится в зону без свободных зарядов, в чистый изолятор. А значит, произойдет разрыв цепи, ток в ней прекратится.

Hе большой обратный ток через диод все же будет идти. Потому что, кроме основных свободных зарядов (носителей заряда) - электронов, в зоне п ,и дырок в зоне р - в каждой из зон есть еще и ничтожное количество зарядов обратного знака. Это собственные неосновные носители заряда, они существуют в любом полупроводнике, появляются в нем из-за тепловых движений атомов, именно они и создают обратный ток через диод. Зарядов этих сравнительно мало, и обратный ток во много раз меньше прямого. Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n перехода. С увеличением площади перехода возрастает его обьем, а следовательно возрастает число неосновных носителей появляющихся в результате термогенерации и тепловой ток. Часто ВАХ, для наглядности представляют в виде графиков.