mozok.click » Фізика » Електропровідність напівпровідників
Інформація про новину
  • Переглядів: 1327
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 19:17
12-02-2018, 19:17

Електропровідність напівпровідників

Категорія: Фізика

Власна і домішкова провідності напівпровідників. Як відомо з курсу фізики 9 класу до напівпровідників належать речовини, що за питомим опором займають проміжне місце між провідниками й ізоляторами (діелектриками). До напівпровідників належить значно більше речовин, ніж до провідників і діелектриків разом. Напівпровідниками є ряд хімічних елементів (Силіцій, Германій, Селен тощо) та деякі оксиди, сульфіди, телуриди.

Питомий опір напівпровідників з підвищенням температури не зростає, як у металів, а навпаки, різко зменшується. На мал. 73 наведено залежності питомого опору від температури для напівпровідника (І) та для металу (2).

Як видно з малюнка, з наближенням до абсолютного нуля питомий опір напівпровідника різко зростає, тобто при низьких температурах Т напівпровідник веде себе як діелектрик. Зі збільшенням температури питомий опір напівпровідників швидко зменшується за експоненціальним законом. Відомі й інші властивості напівпровідників:

Електропровідність напівпровідників залежить від освітленості, тобто напівпровідникам властива так звана фотопровідність. Напівпровідники можуть перетворювати енергію світла в електричний струм.

Електропровідність напівпровідників можна значно збільшити введенням в них атомів деяких інших елементів (домішок).

Ці і деякі інші властивості напівпровідників були відомі досить давно, проте широко використовувати їх стали порівняно недавно.

Пояснимо властивості напівпровідників, розглянувши їхню будову на прикладі чотиривалентного елемента Германію (мал. 74, а).

На зовнішній оболонці атом Германію має 4 валентні електрони. Прагнучи заповнити зовнішню оболонку до 8 електронів, атоми вишиковуються в кристалі германію так, що кожен атом має чотирьох найближчих сусідів, які віддають йому по одному електрону (точніше, один електрон сусіднього атома стає колективним - належить обом атомам одночасно). Отже, взаємодія пари сусідніх атомів у кристалі германію здійснюється за допомогою ковалентного (парноелектронного) зв’язку (мал. 74, б).



У темноті і за низьких температур усі електрони зайняті у ковалентних зв’язках. Вільних носіїв у кристалі напівпровідника немає, тому кристал не проводить струму і його опір великий. За цих умов кристал є ізолятором.

З підвищенням температури кристала (або під дією опромінення світлом, рентгенівськими променями або під впливом сильних електричних чи магнітних полів) деякі ковалентні зв’язки руйнуються. На місці кожного розірваного зв’язку утворюється вакантне місце з нестачею електрона. Така конфігурація називається діркою. Електрони і дірки рухаються хаотично. Електрони займають місця дірок (рекомбінують) або вивільняються, розриваючи парноелектронні зв’язки (генеруються вільні електрони і дірки). Процеси генерації та рекомбінації відбуваються безперервно.

Якщо до такого кристала прикласти напругу, то вільні електрони будуть рухатись до позитивного полюса поля. Поки діє електричне поле, розриваються одні міжатомні зв’язки - з них йдуть валентні електрони, залишаючи дірки, а розірвані міжатомні зв’язки заповнюються електронами, що звільнилися від інших міжатомних зв’язків. Створюється враження, що в напівпровіднику, крім електронів, ніби рухаються позитивно заряджені частинки - дірки, хоч насправді рух дірок зумовлюється стрибкоподібним переміщенням електронів від одного вільного місця до іншого.

Якщо діє зовнішнє електричне поле, в кристалі напівпровідника виникає впорядковане переміщення дірок, і до електричного струму вільних електронів (п-провідності) додається електричний струм, пов’язаний з переміщенням дірок (р-провідність).

Провідність чистих напівпровідників, що не мають ніяких домішок, називають власною провідністю напівпровідників. Власна провідність напів-

провідників невелика, оскільки малою є кількість вільних носіїв струму -електронів і дірок.

Дуже важлива особливість напівпровідників полягає в тому, що за наявності домішок в них поряд із власною провідністю виникає додаткова -домішкова провідність. Як домішки використовують атоми елементів сусідніх груп періодичної системи. Наприклад, внесемо у чотиривалентний Германій невелику кількість п’ятивалентного Арсену (мал. 75, а). Заміщуючи атом Германію у кристалі, атом Арсену віддає на утворення ковалентних зв’язків із сусідніми атомами Германію чотири електрони, а п’ятий стає вільним.

Домішки, що легко віддають електрони, а отже, збільшують кількість вільних електронів, називають донорними домішками. Напівпровідники з донорною провідністю мають більшу кількість електронів провідності порівняно з кількістю дірок. їх називають напівпровідниками п-типу. У них електрони є основними носіями заряду, а дірки - неосновними.

Коли ж як домішку використовують Індій, атоми якого тривалентні, то характер провідності Германію теж зміниться. Але тепер для встановлення нормальних парно-електронних зв’язків із сусідами атому Індію не вистачає одного електрона. Внаслідок цього утворюється дірка. Кількість дірок у кристалі дорівнюватиме кількості атомів домішки (мал. 75, б). Домішки цього типу називають акцепторними (приймальними). Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками p-типу. Основними носіями заряду таких напівпровідників є дірки, а неосновними - електрони. Змінюючи концентрацію домішки, можна істотно змінити кількість носіїв заряду того або іншого знака, а отже, створити напівпровідники з переважаючою концентрацією чи позитивно, чи негативно заряджених носіїв.


Електронно-дірковий перехід, його властивості і застосування. Цікаві явища спостерігаються в місці контакту напівпровідників п- і р-типів. Контакт таких двох напівпровідників називають р-п-пере ходом.

З’єднаємо два напівпровідники: один з донорною, а другий з акцептор-ною домішкою (мал. 76).

Відразу ж почнеться рух через контакт: електрони переходитимуть із напівпровідника п-типу (де їх багато) у напівпровідник p-типу, а дірки - навпаки (на мал. 76 це відображено суцільними стрілочками). Ця дифузія електронів і дірок відбувалася б до повного вирівнювання їхніх концентрацій в обох контактуючих напівпровідниках, якби ці частинки не переносили зарядів.

Дійсно, внаслідок такого переміщення л-область заряджається позитивно, а р-область - негативно. Виникає контактна різниця потенціалів. Електричне поле перешкоджає дальшій дифузії основних носіїв через межу, відкида-ючи основні носії назад у свої області (пунктирні стрілочки на мал. 76). Крім того, оскільки частина електронів, що перейшли в p-область, рекомбінувала з дірками і відповідна рекомбінація відбулась у л-області, то утворився шар, збіднений носіями заряду, опір якого досить великий, - запірний шар.

Тонкий шар речовини на межі двох приведених у контакт напівпровідників п- і p-типів провідності з властивостями, відмінними від властивостей основної маси напівпровідників, називають р-п-переходом. Однобічна провідність - основна властивість р-л-переходу.

Якщо подати напругу на напівпровідник з р-л-переходом так, щоб до напівпровідника p-типу поєднувався позитивний полюс батареї, а до напівпровідника л-типу - негативний, то поле в переході буде ослаблене, запірний шар звузиться або й зникне, і дифузійні потоки основних носіїв (дірок з р-області і електронів з л-області) прямуватимуть через перехід.

Такий перехід називають прямим (мал. 77, а). Сила струму зі збільшенням напруги зростає дуже швидко, і закон Ома не виконується.

Під’єднаємо полюси батареї навпаки (мал. 77, б). У цьому разі зовнішня напруга збігається за знаком з контактною різницею потенціалів. Зовнішнє поле підсилює поле р-п-переходу, і дифузійні потоки основних носіїв струму через перехід значно зменшуються. Струм І в колі стане незначним за тієї ж напруги U, оскільки струм через р-л-перехід забезпечується неосновними носіями заряду, провідність зразка стає незначною, а опір великим. Цей перехід називають зворотним.


На вольт-амперній характеристиці залежність сили прямого струму від напруги зображено лінією, зростаючою в додатному напрямі осі напруг U (мал. 78). Після перемикання полюсів батареї, коли потенціал напівпровідника p-типу стає від’ємним, а потенціал напівпровідника л-типу - додатним, опір переходу зростає, а струм стає незначним. Сила зворотного струму майже не змінюється зі зміною напруги. Різке збільшення зворотного струму на краю кривої пов’язане з пробоєм напівпровідника.

Напівпровідниковий діод. Створюючи в одному кристалі напівпровідника р-л-перехід вплавленням в одну з його поверхонь домішки, можна виготовити напівпровідниковий діод. На мал. 79 зображено будову індій-германієвого діода.

Основна його частина - монокристалі чна пластинка германію 5, до одної з поверхонь якої приварено краплю індію 4. Пластинка германію припаяна оловом 6 до основи металевого корпусу 7, який захищає кристал від зовнішнього впливу. Один контактний вихід 8 з’єднаний з пластинкою германію, а інший контактний вихід 1 - з краплею індію. Він проходить у металевій трубці 2, вплавленій у скляний ізолятор 3.

У такому діоді утворюється дещо інший р-л-перехід, ніж розглянутий у попередньому пункті. Тут реалізується контакт між напівпровідником з власного провідністю (германієм) і шаром напівпровідника, що утворився після сплавляння індію з германієм, тобто напівпровідника з домішковою провідністю p-типу. Але всі діоди мають однобічну провідність, завдяки чому широко використовуються в електроприладах, зокрема для випрямлення струму в радіосхемах. Різні типи напівпровідникових діодів зображено на мал. 80.

Дайте відповіді на запитання

1. Як виникає електронна та діркова провідність напівпровідників?

2. Що називають власною провідністю напівпровідників?

3. Чому зменшується питомий опір напівпровідників з підвищенням температури?

4. Чому незначна кількість домішок п'ятивалентної або тривалентної речовини до Силіцію різко збільшує його провідність?

5. Чому в напівпровіднику з домішковою провідністю існують як основні, так і неосновні носії електричного струму?

6. Є напівпровідникова пластинка з домішковою провідністю. Як дослідним шляхом визначити, якого типу п- чи р- є цей напівпровідник?






^