Каковы основные свойства полупроводников?

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).

Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.

Общие понятия.

Почему именно полупроводниковыйдиод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники– вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний(Si) и Германий(Ge).

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Свойства полупроводников.

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.При очень низкойтемпературе, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводятэлектрический ток, а с повышениемтемпературы, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться.

Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрическиеприборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесейопределенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германиясостоит из 32 электронов, а атом кремнияиз 14.

Но только 28электронов атома германия и 10электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыревалентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмятакими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов(положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыреточно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т. д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумявалентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома.

Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемьэлектронов: четыресвоих, и по одному, заимствованных от четырех соседнихатомов.Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводитток, так как в нем нет свободных электронов.

Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабеваети некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.Чем вышетемпература полупроводника, тем большев нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительнымэлектрическим зарядом равным отрицательномузаряду электрона.А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождатьсянекоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительнымполюсом источника напряжения, будут перемещатьсяв его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами.

То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягиваетсяэтим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляетпосле себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удаленииот положительного полюса, также притягиваетсяполюсом и движетсяв его сторону, но встретивна своем пути дырку, притягивается в нее ядроматома, восстанавливая межатомную связь.Образовавшуюся новуюдырку после второго электрона, заполняеттретий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1).

В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательномуполюсу, заполняются другими освободившимися электронами(рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихсяв данный момент электронов равно числу образующихсяпри этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большоесопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примесинекоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структурыатомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электроннойили дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пятьвалентных электронов. Этот атом своими четырьмяэлектронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятыйвалентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем большебудет таких атомов в кристалле, тем большеокажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основныминосителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только трисвободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремясоседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одногоэлектрона.

В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хвататьэлектронов для заполнения дырок. И чем большебудет таких атомов в кристалле, тем большебудет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет большечисла электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочнойпроводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновениеми исчезновениемположительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основныминосителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей частирассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г. — Юный радиолюбитель. 1985г.2. Сайт academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

По электрическому сопротивлению полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Полупроводниковые диоды и триоды имеют ряд преимуществ: малый вес и размеры, значительно больший срок службы, большую механическую прочность.

Схема видов полупроводников.

Рассмотрим основные свойства и характеристики полупровод­ников. В отношении их электрической проводимости полупровод­ники разделяются на 2 типа: с электронной и дырочной проводимостью.

Полупроводники с электронной проводимостью имеют так на­зываемые свободные электроны, которые слабо связаны с ядрами атомов.Если к этому полупроводнику приложить разность потенциалов, то свободные электроны будут двигаться поступательно — в определенном направлении, создавая таким образом электри­ческий ток. Поскольку в этих типах полупроводников электрический ток представляет собой перемещение отрицательно заря­женных частиц, они получили название проводников типа п (от слова negative — отрицательный).

Полупроводники и проводники.

Полупроводники с дырочной проводимостью называются полу­проводниками типа р (от слова positive — положительный). Прохождение электрического тока в этих типах полупроводников можно рассматривать как перемещение положительных зарядов. В полупроводниках с р-проводимостью нет свободных электронов, если атом полупроводника под влиянием каких-либо причин по­теряет 1 электрон, то он будет заряжен положительно.

Отсутствие одного электрона в атоме, вызывающее положи­тельный заряд атома полупроводника, назвали дыркой (это зна­чит, что образовалось свободное место в атоме). Теория и опыт показывают, что дырки ведут себя как элементарные положитель­ные заряды.

Дырочная проводимость состоит в том, что под влиянием при­ложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что равно­сильно перемещению положительных зарядов.

В действительности, при дырочной проводимости происходит следующее. Предположим, что имеются 2 атома, один из которых снабжен дыркой (отсут­ствует 1 электрон на внешней орбите), а другой, находящий­ся справа, имеет все электроны на своих местах (назовем его ней­тральным атомом). Если к полупроводнику приложена разность потенциалов, то под влиянием электрического поля электрон из нейтрального атома, у которого все электроны на своих местах, переместится влево на атом, снабженный дыркой.

Схема строения атома.

Благодаря этому атом, имевший дырку, становится нейтральным, а дырка пере­местилась вправо на атом, с которого ушел электрон.

В полупровод­никовых приборах процесс «заполнения» дырки свободным электро­ном называется рекомбинацией. В результате рекомбинации исчезает и свободный электрон, и дырка, а создается нейтральный атом. И так перемещение дырок происходит в направлении, противоположном движению электронов.

В абсолютно чистом (собственном) полупроводнике под действием тепла или света электроны и дырки рождаются парами, поэтому число электронов и дырок в собственном полупроводнике одинаково.

Для создания полупроводников с резко выраженными концентрациями электронов или дырок чистые полупроводники снабжают примесями, образуя примесные полупроводники.

Примеси бывают донорные, дающие электроны, и акцепторные, образующие дырки (т. е. отрывающие электроны от атомов).

Следовательно, в полупроводнике с донорной примесью проводимость будет преимущественно электронной, или n — проводимостью. В этих полупроводниках основными носителями зарядов являются электроны, а неосновными — дырки. В полупроводнике с акцепторной примесью, наоборот, основными носителями зарядов являются дырки, а неосновными — электроны, это — полупроводники с р-проводимостью.

Основными материалами для изготовления полупроводниковых диодов и триодов служат германий и кремний, по отношению к ним донорами являются сурьма, фосфор, мышьяк, акцепторами — индий, галлий, алюминий, бор.

Рисунок 1. Расположение электрических зарядов в полупроводнике.

Примеси, которые обычно добавляются в кристаллический полупроводник, резко изменяют физическую картину прохождения электрического тока.

При образовании полупроводника с n-проводимостью в полу­проводник добавляется донорная примесь: например, в полупро­водник германий добавляется примесь сурьмы. Атомы сурьмы, являющиеся донорными, сообщают германию много свободных электронов, заряжаясь при этом положительно.

Таким образом, в полупроводнике n-проводимости, образован­ного примесью, имеются следующие виды электрических заря­дов:

подвижные отрицательные заряды (электроны), являющиеся основными носителями (как от донорной примеси, так и от соб­ственной проводимости),подвижные положительные заряды (дырки) — неосновные носители, возникшие от собственной проводимости,неподвижные положительные заряды — ионы донорной при­меси.

При образовании полупроводника с р-проводимостью в полупроводник добавля

По электрическому сопротивлению полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Полупроводниковые диоды и триоды имеют ряд преимуществ: малый вес и размеры, значительно больший срок службы, большую механическую прочность.

Схема видов полупроводников.

Рассмотрим основные свойства и характеристики полупровод­ников. В отношении их электрической проводимости полупровод­ники разделяются на 2 типа: с электронной и дырочной проводимостью.

Полупроводники с электронной проводимостью имеют так на­зываемые свободные электроны, которые слабо связаны с ядрами атомов.Если к этому полупроводнику приложить разность потенциалов, то свободные электроны будут двигаться поступательно — в определенном направлении, создавая таким образом электри­ческий ток. Поскольку в этих типах полупроводников электрический ток представляет собой перемещение отрицательно заря­женных частиц, они получили название проводников типа п (от слова negative — отрицательный).

Полупроводники и проводники.

Полупроводники с дырочной проводимостью называются полу­проводниками типа р (от слова positive — положительный). Прохождение электрического тока в этих типах полупроводников можно рассматривать как перемещение положительных зарядов. В полупроводниках с р-проводимостью нет свободных электронов, если атом полупроводника под влиянием каких-либо причин по­теряет 1 электрон, то он будет заряжен положительно.

Отсутствие одного электрона в атоме, вызывающее положи­тельный заряд атома полупроводника, назвали дыркой (это зна­чит, что образовалось свободное место в атоме). Теория и опыт показывают, что дырки ведут себя как элементарные положитель­ные заряды.

Дырочная проводимость состоит в том, что под влиянием при­ложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что равно­сильно перемещению положительных зарядов.

В действительности, при дырочной проводимости происходит следующее. Предположим, что имеются 2 атома, один из которых снабжен дыркой (отсут­ствует 1 электрон на внешней орбите), а другой, находящий­ся справа, имеет все электроны на своих местах (назовем его ней­тральным атомом). Если к полупроводнику приложена разность потенциалов, то под влиянием электрического поля электрон из нейтрального атома, у которого все электроны на своих местах, переместится влево на атом, снабженный дыркой.

Схема строения атома.

Благодаря этому атом, имевший дырку, становится нейтральным, а дырка пере­местилась вправо на атом, с которого ушел электрон.

В полупровод­никовых приборах процесс «заполнения» дырки свободным электро­ном называется рекомбинацией. В результате рекомбинации исчезает и свободный электрон, и дырка, а создается нейтральный атом. И так перемещение дырок происходит в направлении, противоположном движению электронов.

В абсолютно чистом (собственном) полупроводнике под действием тепла или света электроны и дырки рождаются парами, поэтому число электронов и дырок в собственном полупроводнике одинаково.

Для создания полупроводников с резко выраженными концентрациями электронов или дырок чистые полупроводники снабжают примесями, образуя примесные полупроводники.

Примеси бывают донорные, дающие электроны, и акцепторные, образующие дырки (т. е. отрывающие электроны от атомов).

Следовательно, в полупроводнике с донорной примесью проводимость будет преимущественно электронной, или n — проводимостью. В этих полупроводниках основными носителями зарядов являются электроны, а неосновными — дырки. В полупроводнике с акцепторной примесью, наоборот, основными носителями зарядов являются дырки, а неосновными — электроны, это — полупроводники с р-проводимостью.

Основными материалами для изготовления полупроводниковых диодов и триодов служат германий и кремний, по отношению к ним донорами являются сурьма, фосфор, мышьяк, акцепторами — индий, галлий, алюминий, бор.

Рисунок 1. Расположение электрических зарядов в полупроводнике.

Примеси, которые обычно добавляются в кристаллический полупроводник, резко изменяют физическую картину прохождения электрического тока.

При образовании полупроводника с n-проводимостью в полу­проводник добавляется донорная примесь: например, в полупро­водник германий добавляется примесь сурьмы. Атомы сурьмы, являющиеся донорными, сообщают германию много свободных электронов, заряжаясь при этом положительно.

Таким образом, в полупроводнике n-проводимости, образован­ного примесью, имеются следующие виды электрических заря­дов:

подвижные отрицательные заряды (электроны), являющиеся основными носителями (как от донорной примеси, так и от соб­ственной проводимости),подвижные положительные заряды (дырки) — неосновные носители, возникшие от собственной проводимости,неподвижные положительные заряды — ионы донорной при­меси.

При образовании полупроводника с р-проводимостью в полупроводник добавля

По электрическому сопротивлению полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Полупроводниковые диоды и триоды имеют ряд преимуществ: малый вес и размеры, значительно больший срок службы, большую механическую прочность.Схема видов полупроводников.Рассмотрим основные свойства и характеристики полупровод­ников.

В отношении их электрической проводимости полупровод­ники разделяются на 2 типа: с электронной и дырочной проводимостью.Полупроводники с электронной проводимостью имеют так на­зываемые свободные электроны, которые слабо связаны с ядрами атомов.Если к этому полупроводнику приложить разность потенциалов, то свободные электроны будут двигаться поступательно – в определенном направлении, создавая таким образом электри­ческий ток. Поскольку в этих типах полупроводников электрический ток представляет собой перемещение отрицательно заря­женных частиц, они получили название проводников типа п (от слова negative — отрицательный).Полупроводники и проводники.Полупроводники с дырочной проводимостью называются полу­проводниками типа р (от слова positive — положительный). Прохождение электрического тока в этих типах полупроводников можно рассматривать как перемещение положительных зарядов.

В полупроводниках с р-проводимостью нет свободных электронов; если атом полупроводника под влиянием каких-либо причин по­теряет 1 электрон, то он будет заряжен положительно.Отсутствие одного электрона в атоме, вызывающее положи­тельный заряд атома полупроводника, назвали дыркой (это зна­чит, что образовалось свободное место в атоме). Теория и опыт показывают, что дырки ведут себя как элементарные положитель­ные заряды.Дырочная проводимость состоит в том, что под влиянием при­ложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что равно­сильно перемещению положительных зарядов.В действительности, при дырочной проводимости происходит следующее. Предположим, что имеются 2 атома, один из которых снабжен дыркой (отсут­ствует 1 электрон на внешней орбите), а другой, находящий­ся справа, имеет все электроны на своих местах (назовем его ней­тральным атомом).

Если к полупроводнику приложена разность потенциалов, то под влиянием электрического поля электрон из нейтрального атома, у которого все электроны на своих местах, переместится влево на атом, снабженный дыркой.Схема строения атома.Благодаря этому атом, имевший дырку, становится нейтральным, а дырка пере­местилась вправо на атом, с которого ушел электрон. В полупровод­никовых приборах процесс «заполнения» дырки свободным электро­ном называется рекомбинацией. В результате рекомбинации исчезает и свободный электрон, и дырка, а создается нейтральный атом.

И так перемещение дырок происходит в направлении, противоположном движению электронов.В абсолютно чистом (собственном) полупроводнике под действием тепла или света электроны и дырки рождаются парами,  поэтому число электронов и дырок в собственном полупроводнике одинаково.Для создания полупроводников с резко выраженными концентрациями электронов или дырок чистые полупроводники снабжают примесями, образуя примесные полупроводники. Примеси  бывают донорные, дающие электроны, и акцепторные, образующие дырки (т. е.

отрывающие электроны от атомов). Следовательно, в полупроводнике с донорной примесью проводимость будет преимущественно электронной, или n – проводимостью. В этих полупроводниках основными носителями зарядов являются электроны, а неосновными – дырки.

В полупроводнике с акцепторной примесью, наоборот, основными носителями зарядов являются дырки, а неосновными – электроны; это – полупроводники с р-проводимостью.Основными материалами для изготовления полупроводниковых  диодов и триодов служат германий и кремний; по отношению к ним донорами являются сурьма, фосфор, мышьяк; акцепторами – индий, галлий, алюминий, бор.Рисунок 1. Расположение электрических зарядов в полупроводнике.Примеси, которые обычно добавляются в кристаллический полупроводник, резко изменяют физическую картину прохождения электрического тока.При образовании полупроводника с n-проводимостью в полу­проводник добавляется донорная примесь: например, в полупро­водник германий добавляется примесь сурьмы. Атомы сурьмы, являющиеся донорными, сообщают германию много свободных электронов, заряжаясь при этом положительно.Таким образом, в полупроводнике n-проводимости, образован­ного примесью, имеются следующие виды электрических заря­дов:подвижные отрицательные заряды (электроны), являющиеся основными носителями (как от донорной примеси, так и от соб­ственной проводимости);подвижные положительные заряды (дырки) – неосновные носители, возникшие от собственной проводимости;неподвижные положительные заряды – ионы донорной при­меси.При образовании полупроводника с р-проводимостью в полупроводник добавляется акцепторная примесь: например, в полупроводник германий добавляется примесь индия.

Атомы индия являющиеся акцепторными, отрывают от атомов германия элек­троны, образуя дырки. Сами атомы индия при этом заряжаются отрицательно.Следовательно, в полупроводнике р-проводимости имеются сле­дующие виды электрических зарядов:подвижные положительные заряды (дырки) – основные но­сители, возникшие от акцепторной примеси и от собственной про­водимости;подвижные отрицательные заряды (электроны) – неоснов­ные носители, возникшие от собственной проводимости;неподвижные отрицательные заряды – ионы акцепторной примеси.На рис. 1 показаны пластинки р-германия (а) и n-германия (б) с расположением электрических зарядов.Поделитесь полезной статьей:

Источники:

• sesaga.ru
• tradesmarter.ru
• tradesmarter.ru
• fazaa.ru