Фіз-мат клас

16. Напівпровідники. Власна і домішкових провідність напівпровідників. напівпровідникові прилади

1. визначення . 2. власна провідність . 3. донорная домішка . 4. акцепторна домішка . 5. р-n-перехід . 6. напівпровідникові прилади . 7. застосування напівпровідників . 8. поширені помилки .

Напівпровідники - це речовини, питомий опір яких зменшується з підвищенням температури, наявністю домішок, зміною освітленості. За цим властивостям вони разюче відрізняються від металів. Зазвичай до напівпровідників відносяться кристали, в яких для звільнення електрона потрібно енергія не більше 1,5-2 еВ. Типовими напівпровідниками є кристали германію та кремнію, в яких атоми об'єднані ковалентним зв'язком. Природа зв'язку з цим дозволяє пояснити зазначені вище характерні властивості. При нагріванні напівпровідників їх атоми іонізуються. Вивільнені електрони не можуть бути захоплені сусідніми атомами, так як всі їх валентні зв'язки насичені. Вільні електрони під дією зовнішнього електричного поля можуть переміщатися в кристалі, створюючи електричний струм провідності. Видалення електрона з зовнішньої оболонки одного з атомів в кристалічній решітці призводить до утворення положітельнго іона. Цей іон може нейтралізуватися, захопивши електрон. Далі, в результаті переходів пов'язаних електронів від атомів до позитивних іонів відбувається процес хаотичного переміщення в кристалі місця з відсутньою електроном - «дірки». Зовні цей процес хаотичного переміщення пов'язаних електронів сприймається як переміщення поло-тивних заряду. При розміщенні кристалу в елек¬тріческое поле виникає впорядкований рух «дірок» - дірковий струм провідності.

В ідеальному кристалі струм створюється рівною кількістю електронів і «дірок». Такий тип провідності називають власною провідністю напівпровідників. При підвищенні температури (або освітленості) власна провідність провідників збільшується.

На провідність напівпровідників великий вплив мають домішки. Домішки бувають донорні і акцепторні. Донорная домішка - це домішка з більшою, ніж у кристала, валентностью. При додаванні такої домішки в напівпровіднику утворюються додаткові вільні електрони. Саме тому домішка називається донорной. Переважає електронна провідність, а напівпровідник називають напівпровідником n-типу. Наприклад, для кремнію з валентністю n = 4 донорной домішкою є миш'як з валентністю n = 5. Кожен атом домішки миш'яку призведе до утворення одного електрона провідності.

Акцепторна домішка - це домішка з меншою ніж у кристала валентністю. При додаванні такої домішки в напівпровіднику утворюється надлишок «дірок». Переважає «діркова» провідність, а напівпровідник називають напівпровідником p-типу. Наприклад, для кремнію акцепторними домішками є індій з валентністю n = 3. Кожен атом індію призведе до утворення зайвої «дірки».

Принцип дії більшості напівпровідникових приладів заснований на властивостях р-n-переходу. При приведенні в контакт двох напівпровідникових приладів р-типу і n-типу в місці контакту починається дифузія електронів з n-області в p-область, а «дірок» - навпаки, з р- в n-область. Цей процес буде не нескінченним у часі, так як утворюється замикаючий шар, який буде перешкоджати подальшої дифузії електронів і «дірок».

р-n-Контакт напівпровідників, подібно вакуумному діоду, має однобічну провідність: якщо до р-області підключити «+» джерела струму, а до n-області «-» джерела струму, то замикаючий шар зруйнується і р-n-контакт буде проводити ток, електрони з n-області підуть в p-область, а «дірки» з p-області в n-область (рис. 22). У першому випадку струм не дорівнює нулю, у другому - струм дорівнює нулю. Це означає, що якщо до р-області підключити «-» джерела, а до n-області - «+» джерела струму, то замикаючий шар розшириться і струму не буде.

Напівпровідниковий діод складається з контакту двох напівпровідників р- і n-типу. Напівпровідникові діоди мають невеликі розміри і масу, тривалий термін служби, високу механічну міцність, високий коефіцієнт корисної дії; їх недоліком є ​​залежність опору від температури.

У радіоелектроніки застосовується також ще один напівпровідниковий прилад: транзистор, який був винайдений в 1948 р В основі тріода лежить не один, а два р-n-переходу. Основне застосування транзистора - це використання його в якості підсилювача слабких сигналів по струму і напрузі, а напівпровідниковий діод застосовується в якості випрямляча струму.

Після відкриття транзистора настав якісно новий етап розвитку електроніки - мікроелектроніки, що підняв на якісно інший щабель розвиток електронної техніки, систем зв'язку, автоматики. Мікроелектроніка займається розробкою інтегральних мікросхем і принципів їх застосування. Інтегральною мікросхемою називають сукупність великого числа взаємопов'язаних компонентів - транзисторів, діодів, резисторів, сполучних проводів, виготовлених в єдиному технологічному процесі. В результаті цього процесу на одному кристалі одночасно створюється кілька тисяч транзисторів, конденсаторів, резисторів і діодів, до 3500 елементів. Розміри окремих елементів мікросхеми можуть бути 2-5 мкм, похибка при їх нанесенні не повинна перевищувати 0,2 мкм. Мікропроцесор сучасної ЕОМ, розміщений на. кристалі кремнію розміром 6x6 мм, містить кілька десятків або навіть сотень тисяч транзисторів.

Однак в техніці застосовуються також напівпровідникові прилади без р-n-переходу. Наприклад, терморезистори (для вимірювання температури), фоторезистори (в фотореле, аварійних вимикачах, в дистанційних управліннях телевізорами і відео-магнітофонами).

Залишити коментар
повідомити про помилку