Материал по полупроводникам 10 класс презентация

МИНОБРНАУКИ РОССИИ  Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова» (ФГБОУ ВО «ХГУ им. Н.Ф. Катанова») Институт естественных наук и математики Кафедра математики, физики и информационных технологий   Направление подготовки 44.03.05 Педагогическое образование профили Математика, Физика     Лабораторная работа

Выполнил: Курчатов Александр Иванович

Группа МФ-41

Форма обучения: очная

Оглавление:

•  
• 1. Электрический ток в полупроводниках
• § 3.15. Электрический ток в полупроводниках
• Строение полупроводников
• Собственная проводимость полупроводников
• § 3.16. Примесная электропроводность полупроводников
• Донорные примеси
• Акцепторные примеси
• § 3.17. Электронно-дырочный переход (n—р-переход)
• Контрольные вопросы

Введение

§ 3.15. Электрический ток в полупроводниках

• Основные вопросы:

• В чем главное отличие полупроводников от проводников?
• Какие особенности строения полупроводников открыли им доступ во все радиоустройства, телевизоры и ЭВМ?

§ 3.15. Электрический ток в полупроводниках

• В § 3.1 мы отмечали, что главное отличие полупроводников от проводников состоит в характере зависимости электропроводности от температуры. Исследования показывают, что у ряда элементов (кремний, германий, селен и др.) и соединений (PbS, CdS и др.) удельное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у металлов (см. рис. 2.14), а, наоборот, уменьшается (рис. 3.43).

Строение полупроводников

Чтобы понять механизм возникновения проводимости в полупроводниках, необходимо знать строение полупроводниковых кристаллов и природу связей, удерживающих атомы кристалла друг около друга. Для примера рассмотрим кристалл германия.

Собственная проводимость полупроводников

При нагревании германия энергия валентных электронов увеличивается за счет энергии тепловых колебаний атомов решетки. При этом энергия некоторых электронов (даже при нагревании до сравнительно невысоких температур) может увеличиться настолько, что связи не выдерживают и рвутся. В результате отдельные электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металлах. Без внешнего поля эти электроны движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля они перемещаются упорядоченно между узлами кристаллической решетки, образуя электрический ток (рис. 3.46).

• Проводимость полупроводников, обусловленная наличием у них свободных электронов, называется электронной проводимостью . При повышении температуры число разорванных ковалентных связей, а следовательно, и число свободных электронов в кристаллах увеличивается. Это и приводит к уменьшению удельного сопротивления (см. рис. 3.43).
• Образование свободного электрона влечет за собой появление свободного (вакантного) места — электронной дырки — в нарушенной ковалентной связи. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями (см. рис. 3.46).

§ 3.16. Примесная электропроводность полупроводников

• Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная — примесная проводимость . Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменить число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей. Эта способность полупроводников и открывает широкие возможности для их практического применения.

Донорные примеси

Если при выращивании монокристалла германия в расплав добавить небольшое количество мышьяка или сурьмы, то при кристаллизации атомы примеси вытесняют отдельные атомы германия из их мест в кристаллической решетке (рис. 3.47). Мышьяк (и сурьма) имеют по пять валентных электронов. Поэтому атомы примеси, образовав ковалентные связи с четырьмя ближайшими атомами германия и использовав для этого четыре валентных электрона, будут иметь по одному лишнему электрону, слабо связанному с атомным ядром. Вследствие теплового движения практически все лишние электроны атомов примеси оказываются свободными (см. рис. 3.47). При добавлении одной десятимиллионной доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов становится равной 10 16 см -3 . Это в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике.

Акцепторные примеси

• Если при выращивании монокристалла германия в расплав добавить некоторое количество трехвалентных атомов, например, индия или галлия, то при образовании кристалла атомы примеси вытеснят из своих мест отдельные атомы германия. При замещении в кристаллической решетке атома германия атомом примеси, имеющим три валентных электрона, три связи атома примеси с атомами германия окажутся заполненными, а одна связь четвертого атома германия (соседа атома примеси) — незаполненной. Следовательно, в решетке образуется дырка (рис. 3.48). Каждый атом трехвалентной примеси образует в кристалле полупроводника одну дырку.
• Такого рода примеси называются акцепторными (принимающими).
• Под действием электрического поля дырки перемещаются в направлении вектора напряженности поля, и в полупроводнике возникает дырочная примесная проводимость . Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называются полупроводниками р-типа . В полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными — электроны.

§ 3.17. Электронно-дырочный переход (n—р-переход)

Особый практический интерес представляют явления на границе раздела полупроводников с n- и р-проводимостями. При этом образуется так называемый электронно-дырочный (n—р) переход.

Объяснения к рисунку:

• При контакте двух полупроводников с различными типами проводимости вследствие теплового движения происходит взаимная диффузия носителей заряда через границу соприкосновения (контакт) полупроводников. Электроны из п-области, где они являются основными носителями заряда, переходят в p-область, где их концентрация значительно меньше. Точно так же дырки переходят из p-области в n-область. Поэтому n-область вблизи границы раздела оказывается заряженной положительно, а р-область — отрицательно (рис. 3.49, a); n-область приобретает положительный потенциал, и энергия электрона в ней оказывается меньше (так как заряд электрона отрицателен), а потенциал p-области сделается отрицательным, и энергия электрона в ней увеличится. Кривая распределения потенциальной энергии электронов W имеет вид, показанный на рисунке 3.49, б сплошной линией. Напротив, энергия положительных дырок W Д больше в n-области и меньше в p-области (штриховая кривая на том же рисунке).
• В условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полная сила тока через электронно-дырочный переход равна нулю. Объясняется это следующим образом. Из рисунка 3.49 видно, что контактное электрическое поле способствует движению неосновных носителей заряда, которые «скатываются» с потенциального уступа. Поэтому все неосновные носители приконтактной области движутся через n—р-переход и образуют ток i H , направленный от « полупроводника к р-полупроводнику. Его сила тока практически не зависит от разности потенциалов между n- и р-полупроводниками и определяется только количеством неосновных носителей заряда.

• Что будет происходить, если к n-области присоединить положительный полюс источника тока, а к р-области — отрицательный (рис. 3.51, а)? В этом случае высота потенциального барьера увеличится и сила тока основных носителей i O уменьшится. Уже при напряжениях порядка 1 В этот ток практически обратится в нуль, и поэтому через контакт будет течь только ток неосновных носителей, при этом сила тока i H будет очень мала (рис. 3.51, б). Это направление тока называют запирающим , а ток — обратным .

Вывод к теме:

• Таким образом, электрический ток в полупроводниках играет ключевую роль в современной электронике и информационных технологиях. Полупроводники, такие как кремний и германий, обладают уникальными свойствами, которые делают их важными материалами для создания различных электронных устройств. Изучение принципов передвижения электрического тока в полупроводниках позволяет разрабатывать более эффективные и мощные устройства, такие как транзисторы, диоды, микросхемы и другие.
• Понимание структуры и свойств полупроводников также является важным аспектом для развития новых технологий. Управление электрическим током в полупроводниках открывает возможности для создания более совершенных электронных устройств, что способствует постоянному развитию современных технологий.
• Изучение электрического тока в полупроводниках представляет интерес для специалистов в области физики, электроники, материаловедения и других научных дисциплин. Это направление науки имеет огромное значение для развития современной техники и технологий, и будет продолжать привлекать внимание исследователей и инженеров в будущем.