↑ Электронный и дырочный токи в полупроводниках
При заданной температуре в полупроводнике всегда имеются разорванные ковалентные связи, т. е. некоторое количество свободных электронов и соответствующее им число дырок. Если к такому полупроводнику подключить источник напряжения, свободные электроны под действием образовавшегося электрического поля будут двигаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Кроме того, электроны могут покидать одни ковалентные связи и восстанавливать другие — разрушенные. При этом в одном месте дырка исчезает, а в другом, откуда ушел электрон, появляется. Следовательно, в полупроводнике могут перемещаться не только электроны, но и дырки, и электрический ток включает две составляющие: электронную, образуемую путем перемещения свободных электронов, и дырочную, создаваемую при перемещении дырок. Дырке условно соответствует положительный единичный заряд, равный заряду электрона. Полупроводники, которые состоят только из атомов германия или кремния, называют чистыми, или собственными, а электропроводность (способность проводить электрический ток), обусловленную наличием свободных электронов и дырок,— собственной электропроводностью.
Зависимость сопротивления от температуры
Полупроводники отличаются от металлов тем, что при понижении температуры у вторых падает удельное сопротивление, как показано на рисунке 1.12.4. Полупроводники ведут себя иначе. У них сопротивление заметно возрастает, что приводит к становлению изоляторами.
Рисунок 1.12.4. Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a– нормальный металл; b – сверхпроводник.
Рисунок 1.13.1. Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T.
Выше приведенная зависимость ρ(T) говорит о наличии концентрации носителей свободного заряда у проводников, увеличивающегося с ростом температуры. Механизм электрического тока нельзя объяснить с помощью только модели газа свободных электронов.
Пример 1
Рассмотрим на примере германия (Ge). Действие механизма в кристалле кремния (Si) такой же. Внешние оболочки атомов германия имеют 4 слабо выраженных электрона. Они получили название валентных. Каждый атом кристаллической решетки окружен 4 соседями. Атомы соединены посредствам ковалентной связи, то есть парами валентных электронов. Валентный электрон соответствует двум атомам, как изображено на рисунке 1.13.2.
Связь валентных электронов в атоме германия больше, чем в обычных металлах. Отсюда и наличие сниженной концентрации электронов проводимости при комнатной температуре. Образование связей электронов германия происходит при температуре, приближенной к абсолютному нулю. Данный кристалл не обладает проводимостью.
Рисунок 1.13.2. Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары.
Электрический ток в электролитах
Электролиты — жидкости, проводящие электрический ток. К ним относят растворы солей, щелочей и кислот.
Положительные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательные (анионы) — к аноду.
Пример №1. Электрическая цепь, изображенная на рисунке, включает в себя сосуд со слабым раствором поваренной соли (NaCl) и опущенными в него двумя электродами. В каком направлении (вправо, влево, вверх, вниз) будут двигаться ионы натрия при замыкании ключа:
При замыкании ключа в растворе соли начнут образовываться ионы: положительные в виде Na+ и отрицательные в виде Cl–. Положительные ионы будут двигаться к отрицательному электроду (катоду), т.е. вправо.
Основные характеристики
Ко всем изоляторам, независимо от их назначения, предъявляются общие требования. Они должны обеспечивать достаточный уровень электрической прочности. Этот показатель зависит от значения напряженности электрического поля, при котором изоляционный материал начинает терять свои диэлектрические свойства.
Каждый изолятор должен иметь достаточную механическую прочность, обеспечивающую устойчивость к динамическим воздействиям, возникающим при коротких замыканиях между токоведущими частями. Свойства изоляторов сохраняются неизменными, несмотря на дождь, снегопад и прочие агрессивные воздействия окружающей среды. Теплостойкость изолирующих устройств обеспечивает сохранение их свойств при перепадах температур в определенных пределах. Поверхность изоляторов должна быть устойчивой к действию электрических разрядов.
Основными электрическими характеристиками являются следующие:
- Номинальное и пробивное напряжения. Пробивным считается минимальное значение напряжения, вызывающее пробой изолятора.
- Значения разрядных и выдерживаемых напряжений, при которых изолятор сохраняет работоспособность в сухом и мокром состоянии.
- Импульсные разрядные напряжения с различными полярностями.
Механическими характеристиками изоляторов считаются их вес и размеры, а также минимальное значение номинальной разрушающей нагрузки, измеряемой в ньютонах. Данная нагрузка воздействует на головку изолятора перпендикулярно оси.
Вопросы на тему «Электрический ток в полупроводниках»
Вопрос 1. Что такое полупроводник?
Ответ.
В таблице Менделеева есть 12 химических элементов, относящихся к проводникам: кремний, германий, селен, теллур и др. Самый распространенный полупроводник на Земле – кремний.
Свойства полупроводников находят широкое применение в электронике.
Вопрос 2. В чем отличие полупроводников от металлов?
Ответ.
- Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается (сверхпроводимость). У полупроводников же с понижением температуры сопротивление возрастает, и вблизи абсолютного нуля они практически становятся диэлектриками.
- Сопротивление полупроводников значительно уменьшается при их освещении.
- Небольшое количество примесей оказывает сильное влияние на сопротивление полупроводников.
Вопрос 3. Какой тип проводимости свойственен для полупроводников?
Ответ. Носителями зарядов в проводнике являются электроны и дырки. Электронно-дырочный механизм обуславливает собственную электрическую проводимость полупроводников. Помимо этого, существует примесная проводимость полупроводников. Она, в свою очередь, бывает донорной и акцепторной.
Вопрос 4. Что такое транзистор?
Ответ. Транзистор – полупроводниковый прибор, который служит для усиления мощности. В основе работы транзистора лежит электронно-дырочный переход.
Вопрос 5. Что такое электронно-дырочный переход?
Ответ. Электронно-дырочный переход, или p-n переход – это граница между двумя областями проводника с разными типами проводимости.
Нужна помощь в решении задач и других заданий? Обращайтесь в профессиональный сервис для учащихся в любое время суток.
Природа электрического тока в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость.
24>
Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5—2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном — «дырки». Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» — дырочный ток проводимости. В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается. На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Допорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n — 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости. Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки». Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р—n-перехода.
Билет№21
24>
Дата добавления: 2016-07-18; просмотров: 5543; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Что такое проводники?
Проводники — это вещества, которые позволяют свободным электронам беспрепятственно течь через них, тем самым передавая энергию в виде электричества, когда электроны свободно перемещаются от атома к атому. Простыми словами, проводники позволяют электронам свободно перемещаться от частицы к частице в одном или нескольких направлениях. Если вы посылаете электрически заряженный электрон в проводник, он попадает на свободный электрон, в конечном счете сбивая его, пока он не ударит с других свободных электронов. Это вызывает некоторую цепную реакцию, создающую электрический заряд через материал. Эти вещества могут легко пропускать через них электричество, поскольку их атомная структура позволяет свободным электронам свободно перемещаться из одной частицы в другую с легкостью.
Большинство металлов, таких как медь, алюминий, железо, золото и серебро, являются хорошими проводниками электричества, поскольку электроны могут свободно перемещаться из одного атома в другой. Например, медь является хорошим проводником, потому что он предвидит свободный поток электронов довольно легко. Алюминий, с другой стороны, также является хорошим проводником, но он не так хорош, как медь. Он очень легкий, поэтому в основном используется в силовых распределительных кабелях. Давайте возьмем пример колбы. Когда вы включаете свет, электрический заряд проходит через провод, который заставляет лампу излучать свет. Это ничего, кроме потока электронов между атомами.
Металлы являются наиболее распространенными проводниками электричества. Другие проводники включают полупроводники, электролиты, плазму и неметаллические проводники, такие как проводящие полимеры и графит. Серебро — лучший проводник, чем медь, но в большинстве случаев нецелесообразно использовать из-за его более высокой стоимости. Однако он используется для специализированного и чувствительного оборудования, такого как спутники. Даже воду, смешанную с примесями, такими как соль, можно рассматривать как проводник.
Примесная проводимость
Добавление к полупроводниковым кристаллам различных примесей может значительно повысить проводимость этих полупроводников. Существует два типа таких примесей: донорная и акцепторная. Разберем их подробнее.
Если в кристаллическую структуру кремния добавить некоторое количество атомов пятивалентного мышьяка, то связанными окажутся только четыре из его пяти валентных электронов, пятый остается свободным. Таким образом, к собственной проводимости кремния добавляется фактор наличия избыточного количества свободных электронов (примесная проводимость). Такой полупроводник называется полупроводником n-типа (от английского «negative») (рис. 3).
Рис. 3. Схема донорной примеси; проводимость n-типа
Если же к кристаллу кремния добавить примесь трехвалентного индия, то будет отсутствие одной связи, на месте которой образуется дырка. Таким образом, к собственной проводимости добавить фактор наличия избыточного количества дырок. Такой полупроводник называется полупроводником p-типа (от английского «positive») (рис. 4).
Рис. 4. Схема акцепторной примеси; проводимость p-типа
В полупроводниковых приборах тем не менее зачастую используют не сами полупроводники того или иного типа, а приведенные в контакт кристаллы полупроводников n- и p-типа.
Кремний занимает место в таблице Менделеева в четвертой группе, и это значит, что атом кремния имеет четыре валентных электрона. Теперь если схематически изобразить эту структуру, то можно представить отдельно взятый атом кремния и структуру вещества, соответственно, следующим образом (рис. 5):
Рис. 5. Атом кремния и атомная структура кремния соответственно
То есть вблизи каждого ядра кремния находится по 8 валентных электронов: 4 собственных и 4 от соседних в решетке атомов. И при достаточно низких температурах подобное строение не содержит свободных зарядов, способных направленно перемещаться, инициируя электрический ток.
При нагревании же некоторые электроны вследствие получения дополнительной кинетической энергии будут покидать свои позиции и переходить в межатомное пространство. Таким образом, они превращаются в электроны проводимости. И теперь, перемещаясь упорядоченно под действием электрического поля, они могут создавать электрический ток. Однако не только одни электроны являются свободными зарядами. В тех местах, которые покинули электроны, образуются области избыточного положительного заряда. И эти условные положительно заряженные частицы были названы «дырками». Таким образом, носителями свободных зарядов в полупроводниках являются электроны проводимости и дырки.
Температурный эффект, термокомпенсация
Удельная проводимость в водных растворах из-за движения ионов и постоянно возрастающей температуры противоположна удельной проводимости металлов, но приближается к показателям графита. Это обусловлено природой самих ионов и вязкостью воды. При низкой концентрации ионов (сверхчистая вода) ионизация воды позволяет определить часть проводящих ионов. Все эти процессы, а следовательно, и удельная проводимость существенно зависят от температуры.
Эта зависимость обычно выражается, как относительное изменение удельной проводимости на градус C при конкретной температуре, а в особых случаях, как процент на градус C°., называемый наклонением конкретного раствора. Сверхчистая вода имеет наибольшее наклонение в 5.2% на градус C°., в то время, как наклонение большей части водопроводной воды и воды в охлаждающих системах находится в диапазоне 1.8 – 2.0% на градус C°.
Концентрированные соленые растворы, кислоты и щелочные растворы имеют наклонение около 1.5% на градус C. Теперь очевидно, что небольшая разница в температуре незначительно изменяет удельную проводимость. По этой причине, чаще всего удельную проводимость относят к 25 C°.
К счастью, доступны температурные датчики с характеристиками, близкими к раствору, в исследовании которого мы заинтересованы, и с использованием дополнительных резисторов и электронных схем можно получить температурные кривые почти для любого раствора.
Температурный датчик используется как элемент регулировки электрической цепи, и значение проводимости автоматически приводится к эквивалентному значению при 25 C°.
Самые современные технологии используют микропроцессор и соответствующую таблицу, содержащую информацию о реакции раствора на температуру. Температура раствора измеряется, переводится в цифровой формат, затем сопоставляется с данными таблицы для получения точных значений.
Области применения электропроводимости растворов
Измерения удельной проводимости широко используются при исследовании воды, используемой в промышленности, муниципальных и коммерческих учреждениях, больницах c помощью кондуктометров (портативных, лабораторных, карманных или промышленных). Пока индивидуальные ионы не могут быть определены это обычно не требуется, и удельная проводимость дает величину общих примесей.
Ниже мы приводим самые распространенные правила измерения:
Проводимость в мкС/см х 0.5 = T.D.S. (общее солесодержание) мг. в л. как у NaCl или
Проводимость в мкС/см х 0.75 = T.D.S. (общее солесодержание) мг. в л. как таковая
Главный недостаток измерений удельной проводимости это то, что они не специфичны, не дают возможности распознавания различных типов ионов. Вместо этого определяется пропорция общего эффекта присутствия всех имеющихся ионов и некоторых ионов, как NaOH, HCI, представленных в значительно большей степени.
См. “Удельная проводимость 1000 мг. в л. растворов” см. выше.
Второй недостаток соотнесения удельной проводимости к концентрации заключается в том, что концентрированные растворы показывают слегка заниженное число мкС/см на каждый мг. в л. в отличие от разреженных, как показано на графике ниже. Этот эффект основан на снижении скорости движения ионов при увеличении концентрации, что лежит в основе теории межионного притяжения.
Некоторые соединения могут снижать точность измерений, осаждаясь на датчике или щупе, например, карбонат кальция. В большинстве случаев эти трудности не превращаются в серьезные помехи и могут быть достигнуты достаточно точные результаты. В целом, измерение удельной проводимости – это быстрый, надежный и недорогой способ измерения количества ионных соединений в протоке. Как правило, при повторных измерениях разброс значений не превышает 1%.
Скорость движения ионов прямо пропорциональна температуре. Поэтому оптимальная температура во время измерения – 25 °C. См. ниже о влиянии температуры и автоматической температурной компенсации. Тест-измерители удельной проводимости и контроллеры широко используются в самых различных областях.
Интегральные схемы
На основе полупроводниковых кристаллов создаются интегральные схемы, в которых сотни тысяч элементов соединяются в единую электрическую цепь.
Полупроводники используются при создании:
фоторезисторов, которые находят применение в автоматических выключателях света, индикаторах на ИСЗ;
термисторах, используемых для измерения температуры, в пожарной сигнализации, реле времени;
фотоэлементах, используемых в солнечных батареях;
фотодиодах, используемых для измерения интенсивности света;
фототранзисторах, используемых в различных датчиках;
светодиодах, используемых в качестве источника инфракрасного излучения, знаковых индикаторах, полупроводниковых лазерах.
Подведем итог
Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. К полупроводникам относится большая группа веществ (Si, Ge и др.). В отличие от металлов с ростом температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается.
Проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов и дырок. В чистом кристалле электроны и дырки присутствуют в равном количестве. Такой полупроводник обладает собственной проводимостью.
При наличии примесей в полупроводниках возникает примесная проводимость. При добавлении донорной примеси с валентностью на единицу больше, чем у полупроводника, один электрон остается свободным. Получается полупроводник n-типа.
Если же добавить акцепторную примесь с валентностью на единицу меньше, чем у полупроводника, то в таком полупроводнике концентрация дырок превышает концентрацию электронов. Получается полупроводник p-типа.
Область контакта полупроводников двух типов называется p-n-переходом. Важным свойством p-n-перехода является его односторонняя проводимость. Данное свойство используется в работе полупроводникового диода.
Полупроводники используются при создании транзисторов, термисторов, светодиодов, фотоэлементов, интегральных схем.
В настоящее время полупроводниковые приборы находят широкое применение в радиотехнике, автоматике, вычислительной технике, телемеханике.
Разница между Проводником, Полупроводником и Изолятором
Принципиальное различие между Проводником, Полупроводником и Изолятором зависит от их уровня проводимости. Проводники – это материалы, которые обеспечивают легкое протекание электрического тока, следовательно, имеют высокую проводимость, Полупроводники – это материалы, которые обладают умеренной проводимостью, тогда как изоляторы являются материалами, которые препятствуют прохождению заряда через них, и тем самым имеют низкую проводимость. Проводимость твердых веществ является основным фактором, который отличает эти три материала и различия в их проводимости объясняет Теория электронных зон. Кроме того, проводники – имеют очень низкое сопротивление, полупроводники – чистые полупроводники имеют очень высокое сопротивление, а изоляторы – имеют чрезвычайно высокое сопротивление. Однако, существуют некоторые другие различия между Проводником, Полупроводником и Изолятором.
Зонная теория проводимости
Электроны вращаются вокруг положительного ядра отдельного атома на допустимых уровнях энергии, как показано серыми линиями слева на диаграмме ниже. В большом наборе атомов, например металлической проволоке или полупроводниковом кристалле, энергетические уровни реорганизуются в две зоны. Зона проводимости – это зона высших энергетических уровней электронов, а валентная зона – это зона нижних энергетических уровней электронов. В энергетической «щели» между зонами электроны не могут существовать.
С левой стороны расположены горизонтальные линии, которые располагаются ближе друг к другу при увеличении уровней энергии
Проводимость – это движение электронов в твердом теле. Для существования проводимости электроны должны свободно перемещаться в зоне проводимости и должны быть пространства в энергетических зонах для перемещения электронов.
Проводники
В проводнике отсутствуют запрещенные зоны между валентной и проводящей зонами. В некоторых металлах зоны проводимости и валентности частично перекрываются. Это означает, что электроны могут свободно перемещаться между валентной зоной и зоной проводимости.
Зона проводимости заполнена только частично. Это означает, что есть места для перемещения электронов. Когда электроны для валентной зоны движутся в зону проводимости, они могут свободно двигаться. Это позволяет проводнику проводить электрический ток.
Зоны в проводниках
Изоляторы
Изолятор имеет большой зазор между валентной зоной и зоной проводимости. Валентная зона заполнена, так как никакие электроны не могут подняться до зоны проводимости. В результате зона проводимости становится пустой. Поскольку в зоне проводимости изолятора нет электронов, а в этой зоне проводимости могут легко перемещаться только электроны, материал не может проводить электрический ток.
Зоны в изоляторах
Полупроводники
В полупроводнике зазор между валентной зоной и зоной проводимости меньше. При комнатной температуре достаточно энергии для перемещения некоторых электронов из валентной зоны в зону проводимости. Это позволяет иметь некоторую проводимость. Повышение температуры увеличивает проводимость полупроводника, потому что больше электронов будет иметь достаточно энергии для перемещения в зону проводимости.
Зоны в полупроводниках
Разница между изоляторами и полупроводниками обусловлена небольшим количеством примесей, добавляемых в полупроводник, что влияет на энергетические зоны. Этот процесс называется легированием.
Полупроводниковые материалы.
Источник
Описание проводников
Проводники обладают наивысшей электропроводностью из всех типов веществ. Все проводники подразделяются на две большие подгруппы:
- Металлы (медь, алюминий, серебро) и их сплавы.
- Электролиты (водный раствор соли, кислоты).
В веществах первой подгруппы перемещаться способны только электроны, поскольку их связь с ядрами атомов слабая, в связи с чем, они достаточно просто от них отсоединяются. Так как в металлах возникновение тока связано с передвижением свободных электронов, то тип электропроводности в них называется электронным.
Параллельное соединение проводников
Из проводников первой подгруппы используют в обмотках электромашин, линиях электропередач, проводах
Важно отметить, что на электропроводность металлов оказывает влияние его чистота и отсутствие примесей
Движиение электрического тока
В веществах второй подгруппы при воздействии раствора происходит распадение молекулы на положительный и отрицательный ион. Ионы перемещаются вследствие воздействия электрического поля. Затем, когда ток проходит через электролит, происходит осаждение ионов на электроде, который опускается в данный электролит. Процесс, когда из электролита под воздействием электрического тока выделяется вещество, получил название электролиз. Процесс электролиза принято применять, к примеру, когда добывается цветной металл из раствора его соединения, либо при покрытии металла защитным слоем иных металлов.
Собственная проводимость полупроводников
В идеальном кристалле германия при низкой температуре атомы объединены ковалентной связью: свободных носителей заряда нет. При увеличении температуры энергия электронов увеличивается и происходит разрыв ковалентной связи, а на их месте образуется свободное вакантное место – положительная дырка.
В идеальном кристалле четырехвалентного германия при низкой температуре атомы объединены ковалентной связью: свободных носителей заряда нет. Четыре валентных электрона связаны с четырьмя соседними атомами. При увеличении температуры энергия электронов увеличивается и происходит разрыв ковалентной связи, а на их месте образуется положительная дырка.
В чистом полупроводнике электрический ток создается равным количеством электронов и дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью полупроводников.
Общая проводимость параллельной цепи
Общая проводимость параллельной цепи больше, чем проводимость любой из отдельных ветвей, потому что параллельные резисторы «проводят» вместе лучше, чем по отдельности:
Рисунок 2 – Полная проводимость параллельной цепи
Чтобы быть более точным, полная проводимость в параллельной цепи равна сумме отдельных проводимостей:
Если мы знаем, что проводимость – это не что иное, как математическая величина, обратная (1/x) сопротивлению, мы можем перевести каждый член приведенной выше формулы в сопротивление, подставив величину, обратную каждой соответствующей проводимости:
Решая приведенное выше уравнение для полного сопротивления (вместо значения, обратного общему сопротивлению), мы получим следующую формулу:
Итак, мы, наконец, пришли к нашей загадочной формуле сопротивления! Проводимость (G) редко используется в качестве практического параметра, поэтому при анализе параллельных цепей часто используется приведенная выше формула.
Источник: