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.
На этом уроке мы рассмотрим такую среду прохождения электрического тока, как полупроводники. Мы рассмотрим принцип их проводимости, зависимость этой проводимости от температуры и наличия примесей, рассмотрим такое понятие, как p-n переход и основные полупроводниковые приборы.
Если же совершить прямое подключение, то внешнее поле нейтрализует запирающее, и ток будет совершаться основными носителями заряда (рис. 9).
Рис. 9. p-n переход при прямом подключении ()
При этом ток неосновных носителей ничтожно мал, его практически нет. Поэтому p-n переход обеспечивает одностороннюю проводимость электрического тока.
Рис. 10. Атомная структура кремния при увеличении температуры
Проводимость полупроводников является электронно-дырочной, и такая проводимость называется собственной проводимостью. И в отличие от проводниковых металлов при увеличении температуры как раз увеличивается количество свободных зарядов (в первом случае оно не меняется), поэтому проводимость полупроводников растет с ростом температуры, а сопротивление уменьшается (рис. 10).
Очень важным вопросом в изучении полупроводников является наличие примесей в них. И в случае наличия примесей следует говорить уже о примесной проводимости.
Полупроводниковые приборы
Малые размеры и очень большое качество пропускаемых сигналов сделали полупроводниковые приборы очень распространенными в современной электронной технике. В состав таких приборов может входить не только вышеупомянутый кремний с примесями, но и, например, германий.
Одним из таких приборов является диод - прибор, способный пропускать ток в одном направлении и препятствовать его прохождению в другом. Он получается вживлением в полупроводниковый кристалл p- или n-типа полупроводника другого типа (рис. 11).
Рис. 11. Обозначение диода на схеме и схема его устройства соответственно
Другим прибором, теперь уже с двумя p-n переходами, называется транзистор. Он служит не только для выбора направления пропускания тока, но и для его преобразования (рис. 12).
Рис. 12. Схема строения транзистора и его обозначение на электрической схеме соответственно ()
Следует отметить, что в современных микросхемах используется множество комбинаций диодов, транзисторов и других электрических приборов.
На следующем уроке мы рассмотрим распространение электрического тока в вакууме.
Список литературы
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
- Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. - М.: 2010.
- Принципы действия устройств ().
- Энциклопедия Физики и Техники ().
Домашнее задание
- Вследствие чего в полупроводнике появляются электроны проводимости?
- Что такое собственная проводимость полупроводника?
- Как зависит проводимость полупроводника от температуры?
- Чем отличается донорная примесь от акцепторной?
- *Какую проводимость имеет кремний с примесью а) галлия, б) индия, в) фосфора, г) сурьмы?
Проводники, полупроводники и диэлектрики
В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.
Проводники – тела, в которых заряды могут перемещаться по всему объему (свободные заряды), поэтому они проводят электрический ток. В металлах (проводники первого рода) – это электроны. В растворах и расплавах солей, кислот и щелочей (проводники второго рода) – это положительные и отрицательные ионы –катионы, анионы.
Диэлектрики – тела, в которых заряды смещаются на расстояния, не превышающее размеров атома (связанные заряды), поэтому они не проводят электрический ток.
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Проводят электрический ток при определенных условиях.
Носителями зарядов являются электроны и дырки.
Классическая теория проводимости металлов
Металл представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы, с между ионами существует электронный газ.
Когда в проводнике создается разность потенциалов свободные электроны приходят в упорядоченное движение.
Сначала электроны движутся равноускоренно, но очень скоро электроны перестают ускоряться, сталкиваясь с атомами решетки.
Атомы решетки начинают колебаться всё с большей амплитудой относительно условной точки покоя, и наблюдается термоэлектрический эффект (проводник разогревания).
Зонная теория твердых тел
В изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения, так как электрон может находиться только на одной из орбиталей.
У атомов в молекуле, электронные орбитали расщепляются.
Количество орбиталей пропорционально числу атомов. Это приводит к образованию молекулярных орбиталей.
В макроскопическом кристалла (более 1020 атомов), количество орбиталей становится очень большим, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях становится очень маленькой.
Энергетические уровни расщепляются до практически непрерывных дискретных наборов - энергетических зон.
Наивысшая в полупроводниках и диэлектриках зона, в которой все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной зоной, следующая за ней – зоной проводимости.
В металлах зоной проводимости называется наивысшая разрешённая зона, в которой находятся электроны.
Энергетические диаграммы проводников (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в) при температуре, близкой к абсолютному нулю.
Энергетические диаграммы диэлектриков, полупроводников и проводников
Полупроводник – материал, который по своей удельной проводимости занимает
промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Отличие от проводников - сильная зависимость удельной проводимости от 1) концентрации примесей, 2). температуры и 3). воздействия различных видов излучения.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ).
Алмаз - широкозонный полупроводник. Арсенид индия - узкозонный полупроводник.
К полупроводникам относятся:
Многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие),
Огромное количество сплавов
Химические соединения (арсенид галлия и др.).
Почти все неорганические вещества.
Самым распространённым в природе полупроводником является кремний,
составляющий почти 30 % земной коры.
Собственная проводимость полупроводников
Собственная проводимость – свойство чистых полупроводников.
Под воздействием внешних факторов (температура, облучение, сильное электрическое поле и т.д.) электроны из валентной зоны могут быть переброшены в зону проводимости, что и обуславливает появление электрического тока.
Разрыв валентных связей приводит к образованию свободных мест (дырок), которые может занять любой электрон.
Дырка представляет собой положительный заряд, который движется противоположно электрону, по направлению внешнего поля.
Такая проводимость называется дырочной или p-типа (positive - положительный). Проводимость полупроводников появляется только под воздействием внешних факторов.
При определенной температуре между генерацией электронов и дырок и обратным процессом (рекомбинацией) наступает равновесие, при котором устанавливается определенная концентрация носителей заряда.
Примесная проводимость полупроводников
Примесная проводимость обусловлена внесенными в полупроводник примесями мышьяка (V), бора (III) и др.
Проводимость n-типа (negative - отрицательный)
Кремний (IV) + мышьяк (V) - между атомами мышьяка и кремния будет оставаться "лишний" свободный электрон проводимости. При этом образования дырки не произойдет, проводимость обеспечивается только электронами (донорная примесь).
Проводимость p-типа (positive - положительный)
Кремний (IV) + индий (III) - в кристаллической решетке не будет хватать электрона, образуется дырка. В этом случае имеет место дырочная проводимость (акцепторная примесь). Примесная проводимость обусловлена носителями одного знака (или электронами, или дырками).
Примесь бора в кремнии (1/ 105 атомов) уменьшает удельное электрическое
сопротивление кремния 1000 раз.
Примесь индия в германии 1/ (108 - 109 атомов) уменьшает удельное электрическое сопротивление германия в миллионы раз.
Контактные явления в металлах
Если два металла привести в соприкосновение, то между ними возникает
разность потенциалов. Если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd (ряд Вольта) привести в соприкосновение в этой последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих металлов зарядится
положительно. Контактная разность потенциалов составляет от десятых до целых вольт. Это объясняется тем, что все металлы отличаются друг от друга различной концентрацией электронов. При контакте двух металлов электроны начнут проходить через границу раздела металлов и возникает двойной электрический слой с разностью потенциалов.
Явление Зеебека (1821). Если спаи проводников находятся при разных температурах, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила, которая
зависит от разности температур контактов и природы применяемых материалов. Явление Зеебека используется для измерения температуры (термоэлементы, термопары).
Явление Пельтье (1834). При прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока, в зависимости от его направления, помимо
джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Явление Пельтье является обратным по отношению к явлению Зеебека.
Явление Пельтье используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках.
Контактные явления в полупроводниках
При контакте двух полупроводников n-типа и p-типа в месте их соприкосновения образуется p-n-переход.
В области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок.
Используются для изготовления:
Диодов (выпрямление и
преобразование переменных токов);
Транзисторов (усиления напряжения и
Ерюткин Евгений Сергеевич
учитель физики высшей квалификационной категории ГОУ СОШ №1360, г. Москва
Если же совершить прямое подключение, то внешнее поле нейтрализует запирающее, и ток будет совершаться основными носителями заряда.
Рис. 9. p-n переход при прямом подключении ()
При этом ток неосновных носителей ничтожно мал, его практически нет. Поэтому p-n переход обеспечивает одностороннюю проводимость электрического тока.
Рис. 10. Атомная структура кремния при увеличении температуры
Проводимость полупроводников является электронно-дырочной, и такая проводимость называется собственной проводимостью. И в отличии от проводниковых металлов при увеличении температуры как раз увеличивается количество свободных зарядов (в первом случае оно не меняется), поэтому проводимость полупроводников растет с ростом температуры, а сопротивление уменьшается
Очень важным вопросом в изучении полупроводников является наличие примесей в них. И в случае наличия примесей следует говорить уже о примесной проводимости.
Малые размеры и очень большое качество пропускаемых сигналов сделали полупроводниковые приборы очень распространенными в современной электронной технике. В состав таких приборов может входить не только вышеупомянутый кремний с примесями, но и, например германий.
Одним из таких приборов является диод – прибор, способный пропускать ток в одном направлении и препятствовать его прохождению в другом. Он получается вживлением в полупроводниковый кристалл p- или n-типа полупроводника другого типа.
Рис. 11. Обозначение диода на схеме и схема его устройства соответственно
Другим прибором, теперь уже с двумя p-n переходами называется транзистор. Он служит не только для выбора направления пропускания тока, но и для его преобразования.
Рис. 12. Схема строения транзистора и его обозначение на электрической схеме соответственно ()
Следует отметить, что в современных микросхемах используются множество комбинаций диодов, транзисторов и других электрических приборов.
На следующем уроке мы рассмотрим распространение электрического тока в вакууме.
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) М.: Мнемозина. 2012 г.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. М.: Илекса. 2005 г.
- Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика М.:2010 г.
- Принципы действия устройств ().
- Энциклопедия Физики и Техники ().
- В следствии чего в полупроводнике появляются электроны проводимости?
- Что такое собственная проводимость полупроводника?
- Как зависит проводимость полупроводника от температуры?
- Чем отличается донорная примесь от акцепторной?
- *Какую проводимость имеет кремний с примесью а) галлия, б) индия, в) фосфора, г) сурьмы?
