Электрическая проводимость при наличии примесей.

Свойство полупроводников

     1.1Полупроводники по электропроводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Простые полупроводниковые вещества – германий, кремний, селен, сложные полупроводниковые материалы - арсенид галлия, фосфид галлия и  др. В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок мала и эти материалы не проводят электрический ток.

       Если в полупроводниковый материал ввести примесь (донорную или акцепторную), то есть произвести легирование, то полупроводник становится обладателем или электронной (n) проводимости (избыток электронов), или дырочной (р) проводимости (избыток положительных зарядов – дырок). Если соединить два полупроводника с различными видами проводимости, получим полупроводниковый прибор (диод), который используется для выпрямления переменного тока. Исходным материалом при изготовлении полупроводниковых приборов являются элементы четвертой группы Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Широко применяются германий и кремний, селен, а также соединения: арсенид галлия, арсенид индия, карбид кремния, сульфид кадмия, теллурид кадмия, сернистый свинец, антимонид индия и др.

       Полупроводниковые приборы выполняют функции, аналогичные электронновакуумным и газоразрядным приборам, поэтому полностью заменяют их.

Рис. 1

Наиболее отчетливо полупроводники отличаются от проводников характером зависимости электропроводимости от температуры. У ряда элементов (кремний, германий, селен и др.) и соединений (PbS, CdS и др.) удельное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у металлов, а наоборот, уменьшается (Рис. 1).  Это означает, что при низких температурах полупроводник ведет себя как диэлектрик. По мере повышения температуры удельное сопротивление быстро уменьшается.

 

 

1.2 Строение полупроводников. Механизм возникновения проводимости в полупроводниках, строение полупроводниковых кристаллов и природу связей, удерживающих атомы кристалла возле друг друга  рассмотрим на кристалле кремния.

Кремний – четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке атома имеется четыре электрона, сравнительно слабо связанных с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем. Плоская схема структуры кристалла кремния изображена на (Рис. 2).

Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга.

Рис. 2	Рис. 3

Каждый атом образует четыре связи с соседними, и данный валентный электрон может двигаться по любой из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Коллективизированные валентные электроны принадлежат всему кристаллу.

Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрического тока. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет кристалл германия.

 

1.3 Электронная проводимость. При нагревании кремния кинетическая энергия валентных электронов повышается и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток (Рис. 3).

Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью. По мере повышения температуры число разорванных связей и, значит, свободных электронов увеличивается. Это приводит к уменьшению сопротивления.

 

1.4 Дырочная проводимость. При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями (Рис. 3).

Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.

Если напряженность электрического поля в образце равна нулю, то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит хаотически и поэтому не создает электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток, связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов. В полупроводниках имеются носители зарядов двух типов: электроны и дырки, они обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью.

 

Интегральные микросхемы.

     Транзисторы и другие полупроводниковые устройства благодаря их малым размерам и энергопотреблению сделали возможным уменьшение размеров электронных цепей. Следующим шагом в миниатюризации электронных устройств стали интегральные микросхемы, содержащие целые цепи (рис.23).

 

 

Рис.23

     Интегральная микросхема (ИС) – законченная электронная цепь в корпусе, размером со стандартный маломощный транзистор. Цепь состоит из диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов. ИС производят из полупроводниковых материалов и по той же технологии, что и транзисторы. ИС состоит из кристалла полупроводникового материала площадью примерно 1 см². Использование ИС превратило компъютерные системы, которые занимали целые комнаты в портативные аппараты. Из-за малых размеров ИС потребляют малую мощность меньше 1 Вт при напряжении от 5 до 15В и токах в миллиамперы. Они имеют более высокие скорости работы,чем стандартные транзисторные цепи из-за прямой связи внутренних компонентов и уменьшения времени перемещения электронов. ИС более надежны,чем транзисторные цепи и проходят тестирование при сборке и после нее.

     Производство ИС унифицировано, что привело к снижению стоимости электронных устройств. Диоды и транзисторы самые легкие и миниатюрные компоненты ИС. Резисторы и конденсаторы более трудны в изготовлении и занимают больший объем при увеличении сопротивления и емкости. ИС неремонтопригодны, т.к. невозможно разъединить их элементы. Они не могут работать при высоких значениях токов и напряжений. ИС классифицируются по способу изготовления: монолитный, тонкопленочный, толстопленочный и гибридный. Основой(подложкой) ИС служит кремниевая пластина диаметром до 10 см² и толщиной 0,25 мм. На подложке формируются сотни микросхем. После тестирования подложка разрезается на чипы, которые монтируются в отдельный корпус из керамики или пластмассы с двухрядным расположением выводов, как правило (DIP) (рис.24). Размеры ИС зависят от степени интеграции: малой и средней степени, большой степени интеграции (БИС), сверхбольшой (СБИС), Плоские корпуса меньше и тоньше, чем корпуса DIP. ИС используются в диапазоне от -55 до +125^О С.

 

Рис.24

 

 

Контрольные вопросы:

 

1. Какие элементы и материалы относятся к полупроводниковым.

2. Какие типы проводимости присутствуют у полупроводников.

3. Принцип работы р-n перехода.

4. Устройство и назначение полупроводникового диода.

5. Работа однополупериодной схемы выпрямления.

6. Работа двухполупериодных схем выпрямления.

7. Работа трехфазных схем выпрямления.

8. Устройство и назначение полупроводникового транзистора.

9.Назначение сглаживающего фильтра.

10. Устройство и назначение полупроводникового тиристора.

11. Устройство и назначение полупроводниковых микросхем.

 

 

Список литературы и нормативных документов

1. Электротехника / Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников. Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1987.- 528 с.

2. Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехнических специальностей вузов / В.Г. Герасимов, О.М. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков. Под редакцией В.Г. Герасимова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: В.Ш, 1986.- 336 с.

3. Электротехника: Учеб. пособие / Ф. Г. Китунович, С. Д. Зинчук. –М.:ЗАО «Техноперспектива», 2004. – 357 с.

4. Правила устройства электроустановок. (ПУЭ)

 

 

Свойство полупроводников

     1.1Полупроводники по электропроводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Простые полупроводниковые вещества – германий, кремний, селен, сложные полупроводниковые материалы - арсенид галлия, фосфид галлия и  др. В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок мала и эти материалы не проводят электрический ток.

       Если в полупроводниковый материал ввести примесь (донорную или акцепторную), то есть произвести легирование, то полупроводник становится обладателем или электронной (n) проводимости (избыток электронов), или дырочной (р) проводимости (избыток положительных зарядов – дырок). Если соединить два полупроводника с различными видами проводимости, получим полупроводниковый прибор (диод), который используется для выпрямления переменного тока. Исходным материалом при изготовлении полупроводниковых приборов являются элементы четвертой группы Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Широко применяются германий и кремний, селен, а также соединения: арсенид галлия, арсенид индия, карбид кремния, сульфид кадмия, теллурид кадмия, сернистый свинец, антимонид индия и др.

       Полупроводниковые приборы выполняют функции, аналогичные электронновакуумным и газоразрядным приборам, поэтому полностью заменяют их.

Рис. 1

Наиболее отчетливо полупроводники отличаются от проводников характером зависимости электропроводимости от температуры. У ряда элементов (кремний, германий, селен и др.) и соединений (PbS, CdS и др.) удельное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у металлов, а наоборот, уменьшается (Рис. 1).  Это означает, что при низких температурах полупроводник ведет себя как диэлектрик. По мере повышения температуры удельное сопротивление быстро уменьшается.

 

 

1.2 Строение полупроводников. Механизм возникновения проводимости в полупроводниках, строение полупроводниковых кристаллов и природу связей, удерживающих атомы кристалла возле друг друга  рассмотрим на кристалле кремния.

Кремний – четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке атома имеется четыре электрона, сравнительно слабо связанных с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем. Плоская схема структуры кристалла кремния изображена на (Рис. 2).

Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга.

Рис. 2	Рис. 3

Каждый атом образует четыре связи с соседними, и данный валентный электрон может двигаться по любой из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Коллективизированные валентные электроны принадлежат всему кристаллу.

Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрического тока. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет кристалл германия.

 

1.3 Электронная проводимость. При нагревании кремния кинетическая энергия валентных электронов повышается и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток (Рис. 3).

Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью. По мере повышения температуры число разорванных связей и, значит, свободных электронов увеличивается. Это приводит к уменьшению сопротивления.

 

1.4 Дырочная проводимость. При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями (Рис. 3).

Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.

Если напряженность электрического поля в образце равна нулю, то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит хаотически и поэтому не создает электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток, связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов. В полупроводниках имеются носители зарядов двух типов: электроны и дырки, они обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью.

 

Электрическая проводимость при наличии примесей.

Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре n_e=3·10¹³  в см³. В то же время число атомов германия в 1 см³ порядка 10²³. Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов. Собственная проводимость полупроводников во многом сходна с проводимостью водных растворов или расплавов электролитов. И в том и в другом случае число свободных носителей заряда увеличивается с ростом интенсивности теплового движения. Поэтому и у полупроводников, и у водных растворов или расплавов электролитов наблюдается увеличение проводимости с ростом температуры.

Рис. 4

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 изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей. Эта особенность полупроводников открывает широкие возможности для их практического применения.

 

1.6 Донорные примеси. При наличии примесей, например атомов мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во много раз. Происходит это по следующей причине. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов. Четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связанным с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным (рис. 50). При добавлении одной десятимиллионной доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов становится равной 10¹⁶ см^-3. Это в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике.