На этом уроке мы рассмотрим такую среду прохождения электрического тока, как полупроводники. Мы рассмотрим принцип их проводимости, зависимость этой проводимости от температуры и наличия примесей, рассмотрим такое понятие, как p-n переход и основные полупроводниковые приборы.

Если же совершить прямое подключение, то внешнее поле нейтрализует запирающее, и ток будет совершаться основными носителями заряда (рис. 9).

Рис. 9. p-n переход при прямом подключении ()

При этом ток неосновных носителей ничтожно мал, его практически нет. Поэтому p-n переход обеспечивает одностороннюю проводимость электрического тока.

Рис. 10. Атомная структура кремния при увеличении температуры

Проводимость полупроводников является электронно-дырочной, и такая проводимость называется собственной проводимостью. И в отличие от проводниковых металлов при увеличении температуры как раз увеличивается количество свободных зарядов (в первом случае оно не меняется), поэтому проводимость полупроводников растет с ростом температуры, а сопротивление уменьшается (рис. 10).

Очень важным вопросом в изучении полупроводников является наличие примесей в них. И в случае наличия примесей следует говорить уже о примесной проводимости.

Полупроводниковые приборы

Малые размеры и очень большое качество пропускаемых сигналов сделали полупроводниковые приборы очень распространенными в современной электронной технике. В состав таких приборов может входить не только вышеупомянутый кремний с примесями, но и, например, германий.

Одним из таких приборов является диод - прибор, способный пропускать ток в одном направлении и препятствовать его прохождению в другом. Он получается вживлением в полупроводниковый кристалл p- или n-типа полупроводника другого типа (рис. 11).

Рис. 11. Обозначение диода на схеме и схема его устройства соответственно

Другим прибором, теперь уже с двумя p-n переходами, называется транзистор. Он служит не только для выбора направления пропускания тока, но и для его преобразования (рис. 12).

Рис. 12. Схема строения транзистора и его обозначение на электрической схеме соответственно ()

Следует отметить, что в современных микросхемах используется множество комбинаций диодов, транзисторов и других электрических приборов.

На следующем уроке мы рассмотрим распространение электрического тока в вакууме.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. - М.: 2010.

1. Принципы действия устройств ().
2. Энциклопедия Физики и Техники ().

Домашнее задание

1. Вследствие чего в полупроводнике появляются электроны проводимости?
2. Что такое собственная проводимость полупроводника?
3. Как зависит проводимость полупроводника от температуры?
4. Чем отличается донорная примесь от акцепторной?
5. *Какую проводимость имеет кремний с примесью а) галлия, б) индия, в) фосфора, г) сурьмы?

Цель урока: сформировать представление о свободные
носители электрического заряда в полупроводниках и о
природе электрического тока в полупроводниках.
Тип урока: урок изучения нового материала.
ПЛАН УРОКА
Контроль знаний 5 мин. 1. Электрический ток в металлах.
2. Электрический ток в электролитах.
3. Закон Фарадея для электролиза.
4. Электрический ток в газах
Демонстрации
5 мин. Фрагменты видеофильма «Электрический ток в
полупроводниках»
Изучение нового
материала
28
мин.
1. Носители зарядов в полупроводниках.
2. Примесная проводимость полупроводников.
3. Электронно-дырочный переход.
4. Полупроводниковые диоды и транзисторы.
5. Интегральные микросхемы
Закрепление
изученного
материала
7 мин. 1. Качественные вопросы.
2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Носи зарядов в полупроводниках

Удельные сопротивления полупроводников при комнатной
температуре имеют значения, которые находятся в широком
интервале, т.е. от 10-3 до 107 Ом·м, и занимают
промежуточное положение между металлами и диэлектриками.
Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых
очень быстро убывает с повышением температуры.
К полупроводникам относятся многие химические элементы
(бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, селен, теллур и др.),
огромное количество минералов, сплавов и химических
соединений. Почти все неорганические вещества окружающего
мира - полупроводники.
За достаточно низких температур и отсутствия внешних
воздействий
освещения или нагревания)
полупроводники не проводят электрический ток: при этих
условиях все электроны в полупроводниках являются
связанными.
Однако связь электронов со своими атомами в
полупроводниках не такой крепкий, как в диэлектриках. И в
случае повышения температуры, а так же за яркого освещения
некоторые электроны отрываются от своих атомов и становятся
свободными зарядами, то есть могут перемещаться по всем
образцом.
Благодаря этому в полупроводниках появляются
отрицательные носители заряда - свободные электроны.

Когда электрон отрывается от атома, положительный заряд
этого атома становится некомпенсированным, т.е. в этом месте
появляется лишний положительный
Этот
положительный заряд называют «дыркой». Атом, вблизи
которого образовалась дырка, может отобрать связанный
электрон у соседнего атома, при этом дырка переместится до
соседнего атома, а тот атом, в свою очередь, может «передать»
дырку дальше.
Такое «естафетне» перемещение связанных электронов можно
рассматривать как перемещение дырок,
то есть
положительных зарядов.
(например,
заряд.

Проводимость полупроводника, обусловленная движением

дырок, называется дырочной.
отличие дырочной проводимости от
Таким образом,
электронной заключается в том, что электронная проводимость
обусловлена перемещением в полупроводниках свободных
электронов, а дырочная - перемещением связанных электронов.
В чистом полупроводнике (без примесей) электрический ток
создает одинаковое количество свободных электронов и дырок.
Такую проводимость называют собственной проводимостью
полупроводников.
2. Примесная проводимость полупроводников
Если добавить в чистый расплавленный кремний
незначительное количество мышьяка (примерно 10-5 %), после
твердения образуется обычная кристаллическая решетка
кремния, но в некоторых узлах решетки вместо атомов кремния
будут находиться атомы мышьяка.
Мышьяк, как известно, пятивалентный элемент. Чотиривалентні
электроны образуют парные электронные связи с соседними
атомами кремния. Пятом же валентному электрону связи не
хватит, при этом он будет так слабо связан с атомом Мышьяка,
который легко становится свободным. В результате каждый
атом примеси даст один свободный электрон.

Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются
донорными.
Электроны из атомов кремния могут становиться свободными,
образуя дыру, поэтому в кристалле могут одновременно

Примеси, которые «захватывают» электроны атомов
называются
существовать и свободные электроны и дырки. Однако
свободных электронов во много раз будет больше, чем дырок.
Полупроводники, в которых основными носителями зарядов

Если в кремний добавить незначительное количество
трехвалентного индию,
то характер проводимости
полупроводника изменится. Поскольку индий имеет три
валентных электрона, то он может установить ковалентная
связь только с тремя соседними атомами. Для установления
связи с четвертым атомом электрона не хватит. Индий
«одолжит» электрон в соседних атомов, в результате каждый
атом Индия образует одно вакантное место - дырку.

акцепторными.
В случае акцепторной примеси основными носителями заряда
во время прохождения электрического тока через
полупроводник есть дыры. Полупроводники, в которых
основными носителями зарядов являются дырки, называют
полупроводниками р-типа.
Практически все полупроводники содержат и донорные, и
акцепторные примеси. Тип проводимости полупроводника
определяет примесь с более высокой концентрацией носителей
заряда - электронов и дырок.
3. Электронно-дырочный переход
Среди физических свойств, присущих полупроводникам,
наибольшее применение получили свойства контактов (р-n-
перехода) между полупроводниками с разными типами
проводимости.
В полупроводнике n-типа электроны участвуют в тепловом
движении и диффундируют через границу в полупроводника р-
типа, где их концентрация значительно меньше. Точно так же
дырки будут диффундировать из полупроводника р-типа в
полупроводник п-типа. Это происходит подобно тому, как
атомы растворенного вещества диффундируют из крепкого
раствора в слабый в случае их столкновения.
В результате диффузии приконтактна участок обедняется
основными носителями заряда: в полупроводнике n-типа

уменьшается концентрация электронов, а в полупроводнике р-
типа - концентрация дырок.
Поэтому сопротивление
приконтактної участка оказывается очень значительным.
Диффузия электронов и дырок через р-n-переходе приводит к
тому, что полупроводник n-типа, из которого идут электроны,
заряжается положительно, а р-типа - отрицательно. Возникает
двойной электрический слой, что создает электрическое поле,
которое препятствует дальнейшей диффузии свободных
носителей тока через контакт полупроводников. По некоторой
напряжения между двойным заряженным слоем дальнейшее
обнищание приконтактної участка основными носителями
прекращается.
Если теперь полупроводник присоединить к источнику тока
так, чтобы его электронная область соединялась с
отрицательным полюсом источника, а дырочная - с
положительным, то электрическое поле, созданное источником
тока, будет направлено так, что оно перемещать основные
носители тока в каждом участке полупроводника с р-n-
перехода.
При контакте участок будет обогащаться основными
носителями тока, и его сопротивление уменьшится. Через
контакт будет проходить заметный ток. Направление тока в
этом случае называют пропускным, или прямым.
Если же присоединить полупроводник n-типа к
положительному, а р-типа к отрицательному полюсу источника,
то приконтактна участок расширяется. Сопротивление области
значительно увеличивается. Ток через переходный слой будет
очень мал. Это направление тока называют замыкающим, или
обратным.
4. Полупроводниковые диоды и транзисторы
Следовательно, через границу раздела полупроводников n-типа
и р-типа электрический ток идет только в одном направлении -
от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа.
Это используют в устройствах, которые называют диодами.
Полупроводниковые диоды используют для выпрямления тока
переменного направления (такой ток называют переменным), а
также для изготовления светодиодов. Полупроводниковые
выпрямители имеют высокую надежность и длительный срок
использования.

устройствах:
Широко применяют полупроводниковые диоды в
радиотехнических
радиоприемниках,
видеомагнитофонах, телевизорах, компьютерах.
Еще более важным применением полупроводников стал
транзистор. Он состоит из трех слоев полупроводников: по
краям расположены полупроводники одного типа, а между
ними - тонкий слой полупроводника другого типа. Широкое
применение транзисторов обусловлено тем, что с их помощью
можно усиливать электрические сигналы. Поэтому транзистор
стал основным элементом многих полупроводниковых
приборов.
5. Интегральные микросхемы
Полупроводниковые диоды и транзисторы являются
«кирпичиками» очень сложных устройств, которые называют
интегральными микросхемами.
Микросхемы работают сегодня в компьютерах и телевизорах,
мобильных телефонах и искусственных спутниках,
в
автомобилях, самолетах и даже в стиральных машинах.
Интегральную схему изготавливают на пластинке кремния.
Размер пластинки - от миллиметра до сантиметра, причем на
одной такой пластинке может размещаться до миллиона
компонентов - крошечных диодов, транзисторов, резисторов и
др.
Важными преимуществами интегральных схем является
высокое быстродействие и надежность, а также низкая
стоимость. Именно благодаря этому на основе интегральных
схем и удалось создать сложные, но многим доступны приборы,
компьютеры и предметы современной бытовой техники.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА
Первый уровень
1. Какие вещества можно отнести к полупроводниковых?
2. Движением которых заряженных частиц создается ток в
полупроводниках?
3. Почему сопротивление полупроводников очень сильно
зависит от наличия примесей?

4. Как образуется p-n-переход? Какое свойство имеет p-n-
переход?
5. Почему свободные носители зарядов не могут пройти
сквозь p-n-переход полупроводника?
Второй уровень
1. После введения в германий примеси мышьяка концентрация

этом концентрация дырок?
2. С помощью какого опыта можно убедиться в односторонней
проводимости полупроводникового диода?
3. Можно ли получить р-n-переход, выполнив вплавления олова
в германий или кремний?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА
1). Качественные вопросы
1.
Почему требования к чистоте полупроводниковых
материалов очень высоки (в ряде случаев не допускается
наличие даже одного атома примеси на миллион атомов)?
2. После введения в германий примеси мышьяка концентрация
электронов проводимости увеличилась. Как изменилась при
этом концентрация дырок?
3. Что происходит в контакте двух полупроводников n- и р-
типа?
4. В закрытом ящике находятся полупроводниковый диод и
реостат. Конце приборов выведены наружу и присоединены к
клеммам. Как определить, какие клеммы принадлежат диода?
2). Учимся решать задачи
1. Какую проводимость (электронную или дырочную) имеет
кремний с примесью галлия? индию? фосфора? сурьмы?
2. Какая проводимость (электронная или дырочная) будет в
кремния, если к нему добавить фосфор? бор? алюминий?
мышьяк?

3. Как изменится сопротивление образца кремния с примесью
фосфора, если ввести в него примесь галлия? Концентрация
атомов Фосфора и Галлия одинакова. (Ответ: увеличится)

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ
· Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых
очень быстро снижается с повышением температуры.

электронов, называют электронной.
· Проводимость полупроводника, обусловленная движением
дырок, называется дырочной.
· Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются
донорными.

являются электроны, называют полупроводниками n-типа.
· Примеси, которые «захватывают» электроны атомов
кристаллической решетки полупроводников,
называются
акцепторными.
· Полупроводники, в которых основными носителями зарядов
являются дырки, называют полупроводниками р-типа.
· Контакт двух полупроводников с различными видами
проводимости имеет свойства хорошо проводить ток в одном
направлении и значительно хуже в противоположном
направлении, т.е. имеет одностороннюю проводимость.

Домашнее задание
1. §§ 11, 12.

ТОКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Дрейфовый ток

В полупроводниках свободные электроны и дырки на­ходятся в состоянии хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри объема полупровод­ника и подсчитать число носителей заряда, проходящих через это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих чисел окажутся одинаковы­ми. Это означает, что электрический ток в данном объеме полупроводника отсутствует.

При помещении полупроводника в электрическое поле напряженностью Е на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного дви­жения. Направленное движение носителей зарядов в элек­трическом поле обусловливает появление тока, называе­мого дрейфовым (Рисунок 1.6, а) Из-за столкновения носителей зарядов с атомами кристал- лической решетки их движение в направ­лении действия электрического поля

прерывисто и харак­теризуется подвижностью m. Подвижность равна сред­ней скорости , приобретаемой носителями заряда в направлении действия электрического поля напряженностью Е = 1 В/м, т. е.

Подвижность носителей зарядов зависит от механизма их рассеивания в кристаллической решетке. Исследова­ния показывают, что подвижности электронов m n и дырок m p имеют различное значение (m n > m p) и определяются температурой и концентрацией примесей. Увеличение тем­пературы приводит к уменьшению подвижности, что зави­сит от числа столкновений носителей зарядов в единицу времени.

Плотность тока в полупроводнике, обусловленного дрей­фом свободных электронов под действием внешнего элек­трического поля со средней скоростью , определяется выражением .

Перемещение (дрейф) дырок в валентной зоне со сред­ней скоростью создает в полупроводнике дырочный ток, плотность которого . Следовательно, полная плот­ность тока в полупроводнике содержит электронную j n и дырочную j р составляющие и равна их сумме (n и p - концентрации соответственно электронов и дырок).

Подставляя в выражение для плотности тока соотноше­ние для средней скорости электронов и дырок (1.11), по­лучаем

(1.12)

Если сравнить выражение (1.12) с законом Ома j =sЕ, то удельная электропроводность полупроводника опреде­ляется соотношением

У полупроводника с собственной электропроводностью кон­центрация электронов равна концентрации дырок (n i = p i), и его удельная электропроводность определяется выра­жением

В полупроводнике n-типа > , и его удельная электропроводность с достаточной степенью точности мо­жет быть определена выражением

.

В полупроводнике р-типа > , и удельная элек­тропроводность такого полупроводника

В области высоких температур концентрация электро­нов и дырок значительно возрастает за счет разрыва ковалентных связей и, несмотря на уменьшение их подвижно­сти, электропроводность полупроводника увеличивается по экспоненциальному закону.

Диффузионный ток

Кроме теплового возбуждения, приводящего к возник­новению равновесной концентрации зарядов, равномерно распределенных по объему полупроводника, обогащение полупроводника электронами до концентрации n p и дыр­ками до концентрации p n может осуществляться его осве­щением, облучением потоком заряжённых частиц, введе­нием их через контакт (инжекцией) и т. д. В этом случае энергия возбудителя передается непосредственно носите­лям заряда и тепловая энергия кристаллической решетки остается практически постоянной. Следовательно, избы­точные носители заряда не находятся в тепловом равнове­сии с решеткой и поэтому называются неравновесными. В отличие от равновесных они могут неравномерно распре­деляться по объему полупроводника (рисунок 1.6, б)

После прекращения действия возбудителя за счет реком­бинации электронов и дырок концентрация избыточных но­сителей быстро убывает и достигает равновесного значения.

Скорость рекомбинации неравновесных носителей про­порциональна избыточной концентрации дырок (p n - ) или электронов (n p - ):

где t p - время жизни дырок; t n - время жизни электронов. За время жизни концентрация неравновесных носите­лей уменьшается в 2,7 раза. Время жизни избыточных носителей составляет 0,01...0,001 с.

Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупро­водника и на его поверхности. Неравномерное распределение неравновесных носите­лей зарядов сопровождается их диффузией в сторону мень­шей концентрации. Это движение носителей зарядов обу­словливает прохождение электрического тока, называемо­го диффузионным (рисунок 1.6, б).

Рассмотрим одномерный случай. Пусть в полупровод­нике концентрации электронов n(x) и дырок p(x) являют­ся функциями координаты. Это приведет к диффузионно­му движению дырок и электронов из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Диффузионное движение носителей зарядов обуслов­ливает прохождение диффузионного тока электронов и дырок, плотности которых определяют­ся из соотношений:

; (1.13) ; (1.14)

где dn(x)/dx, dp(x)/dx - градиенты концентраций электронов и дырок; D n , D p - коэффициенты диффузии электро­нов и дырок.

Градиент концентрации характери­зует степень неравномерности распределения зарядов (электронов и дырок) в полупроводнике вдоль какого-то выбранного направления (в данном случае вдоль оси x). Коэффициенты диффузии показывают количество носителей заряда, пересекающих в единицу времени еди­ничную площадку, перпендикулярную к выбранному направ­лению, при градиенте концентрации в этом направлении, рав­ном единице. Коэффициенты

диффузии связаны с подвижностями носителей зарядов соотношениями Эйнштейна:

; .

Знак "минус" в выражении (1.14) означает противопо­ложную направленность электрических токов в полупро­воднике при диффузионном движении электронов и дырок в сторону уменьшения их концентраций.

Если в полупроводнике существует и электрическое поле, и градиент концентрации носителей, проходящий ток будет иметь дрейфовую и диффузионную составляющие. В таком случае плотности токов рассчитываются по следую­щим уравнениям:

; .

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

К полупроводникам относятся материалы проводимость, которых больше, чем у диэлектриков, поменьше, чем у проводников. К полупроводникам относят кремний (Si), фосфор(P), германий (Ge), индий (In), мышьяк (As).

Полупроводники имеют ряд особенностей:

Электрический ток в полупроводниках обусловлен как движением свободных электронов, так и движением связанных электронов, так называемых дырок. Поэтому различают электронную и дырочную проводимости. Место, покинутое электронами условно положительно заряжено – дырка. Полупроводники, имеющие преимущественно электронную проводимость, называются полупроводниками (-)n-типа. Полупроводники, имеющие преимущественно дырочную проводимость, называются полупроводниками (+)р-типа.

Проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры, эта зависимость в десятки раз больше, чем у металлов. С увеличением температуры проводимость полупроводников увеличивается, а сопротивление уменьшается, т.к. увеличивается количество пар носителей зарядов ē и дыр.

Проводимость полупроводников сильно зависит от примесей и называется примесной проводимостью. Проводимость чистых полупроводников совсем невелика, чтобы увеличить проводимость к чистому полупроводнику добавляют примесь.

Примесь может увеличить во много раз либо число свободных электронов, либо дырок. В первом случае (рис.44(а)) примесь выполняет роль донора (отдает электроны) – проводимость n – типа, а во втором (рис.44(б)) – роль акцептора (отбирает электроны) – проводимость р – типа.

Полупроводниковый диод p-n переход.

Полупроводниковый прибор, имеющий одностороннюю проводимость, основанный на работе p-n перехода. Ток через диод может проходить только в одном направлении.

На границе раздела двух полупроводников с разной проводимостью, вследствие разной концентрации электронов и дырок, возникает диффузия, в результате которой образуется разность потенциалов (в области n– типа возникает (+) заряд, а в области р – типа (-) заряд). Имеет место напряженность поля Е вн

Если приложить к р – n– переходу внешнее поле Е 0 , то в зависимости от его направления, будет следующее:

1. Е 0 совпадает по направлению с Е вн; Е = Е 0 + Е вн, размеры ℓ увеличатся и тока не будет

2. Если Е 0 противоположно Е вн, то Е = Е вн – Е 0 ; Е вн = Е 0 ; Е = 0 через переход будет протекать электрический ток.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Полупроводниковый триод

Полупроводниковый триод состоит из двух полупроводников одного типа проводимости разделенных тонким слоем полупроводника другого типа проводимости (p-n-p) или (n-p-n).

Ток в этой системе регулируется засчет напряжения между базой и эмиттером, изменение тока в цепи эмиттера будет вызывать изменение тока в цепи коллектора, причем изменение напряжения будет значительным (усиление напряжения). П/nтриоды (транзисторы) так же как и электронные лампы – триоды применяются для усиления и генерирования электрических колебаний. Транзисторы имеют ряд преимуществ перед электронными лампами - не требуют питания для накала катода, виброустойчивы, малогабаритны и др., однако их характеристики зависят от температуры.

Проводники, полупроводники и диэлектрики

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники – тела, в которых заряды могут перемещаться по всему объему (свободные заряды), поэтому они проводят электрический ток. В металлах (проводники первого рода) – это электроны. В растворах и расплавах солей, кислот и щелочей (проводники второго рода) – это положительные и отрицательные ионы –катионы, анионы.

Диэлектрики – тела, в которых заряды смещаются на расстояния, не превышающее размеров атома (связанные заряды), поэтому они не проводят электрический ток.

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Проводят электрический ток при определенных условиях.

Носителями зарядов являются электроны и дырки.

Классическая теория проводимости металлов

Металл представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы, с между ионами существует электронный газ.

Когда в проводнике создается разность потенциалов свободные электроны приходят в упорядоченное движение.

Сначала электроны движутся равноускоренно, но очень скоро электроны перестают ускоряться, сталкиваясь с атомами решетки.

Атомы решетки начинают колебаться всё с большей амплитудой относительно условной точки покоя, и наблюдается термоэлектрический эффект (проводник разогревания).

Зонная теория твердых тел

В изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения, так как электрон может находиться только на одной из орбиталей.

У атомов в молекуле, электронные орбитали расщепляются.

Количество орбиталей пропорционально числу атомов. Это приводит к образованию молекулярных орбиталей.

В макроскопическом кристалла (более 1020 атомов), количество орбиталей становится очень большим, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях становится очень маленькой.

Энергетические уровни расщепляются до практически непрерывных дискретных наборов - энергетических зон.

Наивысшая в полупроводниках и диэлектриках зона, в которой все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной зоной, следующая за ней – зоной проводимости.

В металлах зоной проводимости называется наивысшая разрешённая зона, в которой находятся электроны.

Энергетические диаграммы проводников (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в) при температуре, близкой к абсолютному нулю.

Энергетические диаграммы диэлектриков, полупроводников и проводников

Полупроводник – материал, который по своей удельной проводимости занимает

промежуточное место между проводниками и диэлектриками.

Отличие от проводников - сильная зависимость удельной проводимости от 1) концентрации примесей, 2). температуры и 3). воздействия различных видов излучения.

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ).

Алмаз - широкозонный полупроводник. Арсенид индия - узкозонный полупроводник.

К полупроводникам относятся:

Многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие),

Огромное количество сплавов

Химические соединения (арсенид галлия и др.).

Почти все неорганические вещества.

Самым распространённым в природе полупроводником является кремний,

составляющий почти 30 % земной коры.

Собственная проводимость полупроводников

Собственная проводимость – свойство чистых полупроводников.

Под воздействием внешних факторов (температура, облучение, сильное электрическое поле и т.д.) электроны из валентной зоны могут быть переброшены в зону проводимости, что и обуславливает появление электрического тока.

Разрыв валентных связей приводит к образованию свободных мест (дырок), которые может занять любой электрон.

Дырка представляет собой положительный заряд, который движется противоположно электрону, по направлению внешнего поля.

Такая проводимость называется дырочной или p-типа (positive - положительный). Проводимость полупроводников появляется только под воздействием внешних факторов.

При определенной температуре между генерацией электронов и дырок и обратным процессом (рекомбинацией) наступает равновесие, при котором устанавливается определенная концентрация носителей заряда.

Примесная проводимость полупроводников

Примесная проводимость обусловлена внесенными в полупроводник примесями мышьяка (V), бора (III) и др.

Проводимость n-типа (negative - отрицательный)

Кремний (IV) + мышьяк (V) - между атомами мышьяка и кремния будет оставаться "лишний" свободный электрон проводимости. При этом образования дырки не произойдет, проводимость обеспечивается только электронами (донорная примесь).

Проводимость p-типа (positive - положительный)

Кремний (IV) + индий (III) - в кристаллической решетке не будет хватать электрона, образуется дырка. В этом случае имеет место дырочная проводимость (акцепторная примесь). Примесная проводимость обусловлена носителями одного знака (или электронами, или дырками).

Примесь бора в кремнии (1/ 105 атомов) уменьшает удельное электрическое

сопротивление кремния 1000 раз.

Примесь индия в германии 1/ (108 - 109 атомов) уменьшает удельное электрическое сопротивление германия в миллионы раз.

Контактные явления в металлах

Если два металла привести в соприкосновение, то между ними возникает

разность потенциалов. Если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd (ряд Вольта) привести в соприкосновение в этой последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих металлов зарядится

положительно. Контактная разность потенциалов составляет от десятых до целых вольт. Это объясняется тем, что все металлы отличаются друг от друга различной концентрацией электронов. При контакте двух металлов электроны начнут проходить через границу раздела металлов и возникает двойной электрический слой с разностью потенциалов.

Явление Зеебека (1821). Если спаи проводников находятся при разных температурах, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила, которая

зависит от разности температур контактов и природы применяемых материалов. Явление Зеебека используется для измерения температуры (термоэлементы, термопары).

Явление Пельтье (1834). При прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока, в зависимости от его направления, помимо

джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Явление Пельтье является обратным по отношению к явлению Зеебека.

Явление Пельтье используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках.

Контактные явления в полупроводниках

При контакте двух полупроводников n-типа и p-типа в месте их соприкосновения образуется p-n-переход.

В области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок.

Используются для изготовления:

Диодов (выпрямление и

преобразование переменных токов);

Транзисторов (усиления напряжения и