|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Электрический ток в полупроводниках
1. Сравнительная характеристика проводников, диэлектриков и полупроводников. 2. Чистые полупроводники. 3. Электронно-дырочный переход. 4. Полупроводниковый диод. 5. Полупроводниковый триод. Л.С. Жданов § 21.1-21.6 № 16.1-16.21; Г.Я. Мякишев § 67-76; В.В. Жилко §55-58
Сравнительная характеристика проводников, диэлектриков и полупроводников. Удельное сопротивление проводников находится в пределах: 10-5 – 10-8 Ом× м, диэлектриков: 1010 – 1016 Ом× м, кроме того имеется целый класс веществ, удельное сопротивление которых находятся в пределах: 10-5 – 104 Ом× м – это полупроводники. По разному ведут себя эти классы при изменении внешних условий. Так при нагревании сопротивление проводников увеличивается, диэлектриков уменьшается, а у полупроводников значительно уменьшается. Если диэлектрик скорее разрушится, чем получит значительную проводимость, то полупроводник при низких температурах тока не проводит, а при нагревании начинает проводить ток. Это используется при устройстве приборов термисторов, широко используемых в автоматике для регулирования температуры, они или включают сигнальную лампочку или выключают основную цепь. Аналогично ведут себя эти классы веществ при внесении примесей; на сопротивление полупроводников влияют также освещение и радиация. Чистые полупроводники. К полупроводникам относятся элементы четвертой группы таблицы Менделеева: германий, кремний, а также карбид кремния, селен и другие соединения. Это вещества с атомной кристаллической структурой имеющие ковалентные связи. Эти связи, при которых соседние атомы обобществляют по одному своему электрону.
Электронно-дырочный переход. а) Внесем кристалл германия 10-5 % пятивалентного мышьяка.
Четыре валентных электрона мышьяка образуют связи с соседними атомами германия, а пятый не образует и легко открывается. В полупроводнике образуется избыточное количество электронов, проводимость становится преимущественно электронной и называется проводимость n-типа. Примесь, дающая такую проводимость называют донорной. Атом мышьяка превращается в положительный локализованный ион, который не может свободно перемещаться по веществу. б) Внесем в кристалл германия 10-5 % трехвалентного индия. Для образования связи с соседними атомами ему не хватает электрона, он его заимствует у соседнего атома германия и превращается в локализованный отрицательный ион. В месте, откуда он взят, образуется дырка, в полупроводнике образуется избыточное количество дырок, проводимость становится преимущественно дырочной и называется проводимостью р-типа. Примесь, дающая такую проводимость, называют акцепторной. Полупроводниковый диод.
Полупроводниковый триод. Включим кристалл с р-n переходом в электрическую цепь. При таком включении внешнее поле ослабит поле перехода, потечет большой прямой ток из основных носителей заряда:
Поменяем полярность включения:
Внешнее поле усилит поле перехода, прямого тока не будет, а лишь слабый обратный ток, состоящий из не освоенных носителей заряда. Фактически кристалл с р-n переходом пропускает ток только в одном направлении и служит для выпрямления переменного тока и называется полупроводниковым выпрямителем или диодом.
Рассмотрим кристалл с двумя р-n-переходами. Примеси подобраны так, что р-типа в левой р-области в сотни раз больше, чем n-типа в n-области. Поэтому прямой ток через левый проход состоит на 99 % из дырок, так как n-область очень узкая, порядка 1 микрон, то эти дырки, не успев рекомбинировать, попадают в правый переход, где они являются не основными носителями зарядов и вместо слабого обратного тока через р-n-переход потечет большой обратный ток состоящий из дырок и на нагрузке получается значительное напряжение, т.к. прямой ток через левый переход сильно зависит от напряжения, то на нагрузке это напряжение будет усилено. Поэтому кристалл с двумя р-n-переходами применяют для усиления электрических сигналов и называют полупроводниковым триодом или транзистором. Аналогично работает триод типа n-p-n. Среднюю часть транзистора называют базой. Левую часть, снабжающую базу подвижными носителями зарядов, называют эмиттером. А правую часть, собирающую заряды, называют коллектором.
БЛОК 13 Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-07-12; Просмотров: 1068; Нарушение авторского права страницы
При низких температурах свободных носителей заряда нет и полупроводник тока не проводит. При нагревании, освещении, радиации отдельные связи разрываются. Образуется свободный электрон и вакантное место – дырки, которым приписывают положительный заряд. Вакантное место может занять связанный электрон соседнего атома, тогда в одном месте дырка исчезает, но появляется в другом. Таким образом, как элементы так и дырки могут перемещаться по веществу. При встрече свободного электрона дырки связь восстанавливается и оба носителя заряда исчезают, этот процесс называется рекомбинацией. Именно поэтому число носителей заряда в полупроводнике поддерживается на определенном уровне, не бесконечно увеличивается. При включении полупроводника в электрическую цепь электроны перемещаются против направления поля, а дырки по направлению поля. Проводимость полупроводника наполовину электронная, наполовину дырочная и называется собственной проводимостью.
Приведем в соприкосновение полупроводники р и n-типов. (Фактически это части одного и того же кристалла). Дырки из р-области переходят в n-область. На границе обнажаются нескомпенсированные отрицательные ионы индия. Электроны из n-области переходят в р-область. На границе обнажаются нескомпенсированные положительные ионы примеси мышьяка. Образуется область обедненная основными носителями заряда р-n переход. Заряды здесь не задерживаются, либо отталкиваются полем перехода, либо быстро проскакивают сквозь него. Поле перехода препятствует перемещению основных носителей заряда и способствует перемещению не основных. В результате потоки носителей зарядов в обе стороны уравниваются: поле достигает одного вольта, р-n переход обладает большим сопротивлением, так как нет подвижных носителей заряда и напряжение приложенное к кристаллу концентрируется на р-n переходе.
Полупроводниковые диоды имеют высокий КПД, большой срок службы, малые размеры. Недостатком является ухудшение работы при повышении температуры, так как увеличивается собственная проводимость, обратный ток возрастает, выпрямляющие устройства ухудшаются. Диод включают в электрическую цепь последовательно с нагрузочным сопротивлением, чтобы при прямом включении напряжение на р-n-переходе не превышало 1 В, иначе через диод течет большой ток и он выйдет из строя.