Полупроводники и полупроводниковые приборы

Полупроводники и полупроводниковые приборы

Что такое полупроводники?

По способности проводить электрические заряды вещества условно делятся на проводники и непроводники электричества.

Тела и вещества, в которых можно создавать

электрический ток, называют проводниками .

Тела и вещества, в которых нельзя создавать

электрический ток , называют

непроводниками тока.

Металлы , уголь, кислоты,

растворы солей, щелочи,

живые организмы

и многие другие тела и вещества.

Воздух, стекло, парафин, слюда,

лаки, фарфор, резина, пластмассы,

различные смолы,

маслянистые жидкости,

сухое дерево, сухая ткань,

бумага и другие вещества.

Полупроводники

Непроводники

(диэлектрики)

Проводники

Проводники

Непроводники

(диэлектрики)

Полупроводники по электропроводности занимают

промежуточное место между

проводниками и непроводниками.

Полупроводники

Бор B, углерод C, кремний Si фосфор Р, сера S, германий Ge, мышьяк As , селен Se, олово Sn , сурьма Sb, теллур Te и йод I.

Собственная проводимость полупроводников

При обычных условиях (невысоких температурах) в полупроводниках отсутствуют свободные заряженные частицы, поэтому полупроводник не проводит электрический ток. Рассмотрим это на примере кремния.

Кремний – 4 валентный химический элемент. Каждый атом имеет во внешнем электронном слое по 4 электрона, которые используются для образования парноэлектронных (ковалентных) связей с 4 соседними атомами. При этом свободных электрических зарядов нет.

При нагревании кинетическая энергия электронов увеличивается и самые быстрые из них покидают свою орбиту. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. В этом месте образуется условный положительный заряд, называемый «дыркой».

Свободный электрон

Валентный электрон соседнего атома, притягиваясь к дырке, может перескочить в нее (рекомбинировать). При этом на его прежнем месте образуется новая «дырка», которая затем может аналогично перемещаться по кристаллу.

Если напряженность электрического поля в образце равна нулю, то движение освободившихся электронов и «дырок» происходит беспорядочно и поэтому не создаёт электрического тока.

Под воздействием электрического поля электроны и дырки начинают упорядоченное (встречное) движение, образуя электрический ток. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. При этом движение электронов создаёт электронную проводимость, а движение дырок – дырочную проводимость.

Примесная проводимость полупроводников

Дозированное введение в чистый проводник примесей позволяет целенаправленно изменять его проводимость.

Поэтому для увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют примеси, которые бывают донорные и акцепторные

Электронные полупроводники ( n- типа)

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырехвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). При легировании 4 – валентного кремния Si 5 – валентным мышьяком As, один из 5 электронов мышьяка становится свободным. В данном случае перенос заряда осуществляется в основном электронами, т.к. их концентрация больше чем дырок.

Такая проводимость называется электронной.

Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Таким образом изменяя концентрацию мышьяка, можно в широких пределах изменять проводимость кремния.

Дырочные полупроводники (р-типа)

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. В четырехвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными. Если кремний легировать трехвалентным индием, то для образования связей с кремнием у индия не хватает одного электрона, т.е. образуется дополнительная дырка. В таком полупроводнике основными носителями заряда являются дырки, а проводимость называется дырочной.

Изменяя концентрацию индия, можно в широких пределах изменять проводимость кремния, создавая полупроводник с заданными электрическими свойствами.

Электронно-дырочный переход

Полупроводник с избыточными электронами проводимости называют полупроводником n-типа , с избыточными дырками полупроводником р-типа .

Электрическая проводимость р-типа определяется дырками , поэтому их называют здесь основными носителями заряда , а электроны проводимости - не основными . В полупроводнике n-типа - наоборот.

Дальнейшее содержание слайда

в полной версии презентации.

Дальнейшее содержание слайда

в полной версии презентации.

23

Запирающий слой –

двойной слой разноименных электрических зарядов, создающих электрическое поле на р- n -переходе, препятствующее свободному разделению зарядов.

Рассмотрим электрический контакт двух полупроводников p и n - типа, называемый p – n переходом

Ток через p – n переход осуществляется основными носителями заряда (дырки двигаются вправо, электроны – влево). Сопротивление перехода мало, ток велик. Такое включение называется прямым, в прямом направлении p – n переход хорошо проводит электрический ток.

Основные носители заряда не проходят через p – n переход.

Сопротивление перехода велико, ток практически отсутствует.

Такое включение называется обратным, в обратном направлении p – n переход практически не проводит электрический ток.

Полупроводниковый диод

   Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод - самый простой полупроводниковый прибор, содержащий p – n -переход и два вывода для включения в электрическую цепь

Основная его функция - это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном.

Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Изображают полупроводниковые диоды на электрических схемах в виде треугольника и отрезка, проведенного через одну из его вершин параллельно противолежащей стороне. В зависимости от назначения диода его обозначение может содержать дополнительные символы. В любом случае острая вершина треугольника указывает на направление протекания прямого тока через диод. Треугольник соответствует р-области и называется иногда анодом, или эмиттером, а прямолинейный отрезок — n-области и называется катодом, или базой.

Эмиттер Э

База Б

-

+

~

R н

-

+

Дальнейшее содержание слайда

в полной версии презентации.

23

Вольт - амперная характеристика полупроводникового диода

Обратный ток очень мал и почти не зависит от величины обратного напряжения, т. к. он образован дрейфовым током (не основными носителями зарядов). Но при определенном напряжении обратный ток резко возрастает. Это явление называется электрическим пробоем.

Объясняется это тем, что электроны приобретают большую скорость и, ударяясь об атомы, выбивают их них электроны. Если напряжение не увеличивать, диод останется исправным. Если же продолжать увеличивать напряжение, то электрический пробой переходит в тепловой пробой. Это значит, что диод нагревается, и ток резко увеличивается за счет выхода электронов из своих атомов при повышении температуры. Тепловой пробой разрушает полупроводник, диод неисправен.

I , м A

Прямой ток

U , В

Обратный ток

Пробой

ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ (ТЕРМИСТОРЫ)

- это

приборы с помощью которых можно измерять и регулировать температуру

ФОТОРЕЗИСТОРЫ

- это полупроводниковые приборы принцип действия которых основан на световом эффекте

ТРАНЗИСТОРЫ

полупроводниковый прибор с двумя p-n – переходами и тремя выводами для включения в электрическую цепь.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Интегральная микросхема - (ИС) - это совокупность электрически связанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на единой полупроводниковой основе (подложке).

Проводимость полупроводников зависит от температуры. В отличие от проводников, сопротивление которых возрастает с ростом температуры, сопротивление полупроводников при нагревании уменьшается. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Это происходит потому, что при увеличении температуры растет число свободных носителей заряда, проводимость полупроводников растет, сопротивление уменьшается