Полупроводники. Собственная проводимость, электронная и дырочная проводимость, ее зависимость от температуры. Процесс рекомбинации.

К полупроводникам относится большое количество веществ, которые занимают по своим электрическим свойствам промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Для полупроводников j=1 ²¸ 10^-8 См/м (j - удельная электропроводимость). Для проводников j = 1 ⁴¸10³См/м; для диэлектриков j < 10^-12 См/м. Важнейшим свойством и признаком полупроводников является зависимость их электрических свойств от внешних условий Т, Е, р и т.д. Характерная особенность полупроводников заключается в уменьшении их удельного сопротивления с увеличением температуры. Для полупроводников характерно кристаллическое строение с ковалентной связью между атомами.

Собственная проводимость полупроводников.

Под действием внешних факторов некоторые валентные электроны атомов приобретает энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей.

Выход из ковалентной связи электрона на энергетической диаграмме соответствует переходу из валентной зоны в зону проводимости. При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает как бы свободное место, обладающее элементарным положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Такое освободившееся в электронной связи место условно назвали дыркой, а процесс образования пары получил название генерация зарядов. Дырка, обладая положительны зарядом, присоединяет к себе электрон соседней заполненной ковалентной связи. В результате этого восстанавливается одна связь (этот процесс называется рекомбинацией) и разрушается соседняя. Тогда можно говорить о перемещении положительного заряда - дырки по кристаллу. Если на кристалл действует электрическое поле, движение электронов и дырок становится упорядоченным и в кристалле возникает электрический ток. При этом дырочную проводимость называют проводимостью р -типа (positive - положительный), а электронную проводимостью n -типа (negative - отрицательной).

В химически чистом кристалле полупроводник (число примесей 10¹⁶м^-3), число дырок всегда равно числу свободных электронов и электрический ток в нем образуется в результате одновременного переноса заряда обоих знаков. Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью полупроводника.

j = j _n + j _p

j - плотность тока электронов (n) и дырок (р).

В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны. Так как энергия активации, равная ширине запрещенной зоны идет на перевод электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости и одновременно на появление дырки в валентной зоне. Т.е. энергия, затраченная на образование пары носителей тока делится на две равные части, и таким образом начало отсчета для каждого из этих процессов (переход электрона на рождение дырки) должно находится в середине запрещенной зоны.

Количество электронов, перешедших в зону проводимости и количество образовавшихся дырок ~

таким образом, удельная проводимость собственных полупроводников

γ - постоянная, определяемая видом вещества.

Т.е. с увеличением Т γ увеличивается, так как с точки зрения зонной теории возрастает число электронов, которые в следствии теплового возбуждения переходят в зону проводимости.

, т.е.

По наклону линии ln γ можно определить ширину запрещенной зоны D E.

В полупроводниках существует электропроводность двух видов. Так же как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеются электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разности потенциалов могут получить дополнительное движение в определенном направлении, которое и является электрическим током.

Полупроводники обладают также дырочной электропроводностью, которая не наблюдается в металлах. В полупроводниках кристаллическая решетка достаточно прочна. Ее ионы, т. е. атомы, лишенные одного электрона, не передвигаются, а остаются на своих местах.

Отсутствие электрона в атоме условно назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т. е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды.

При дырочной электропроводности в действительности тоже перемещаются электроны, но более ограниченно, чем при электронной электропроводности. Электроны переходят из данных атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок – в направлении, противоположном движению электронов.

Электроны и дырки, которые могут перемещаться и поэтому создавать электропроводность, называют подвижными носителями заряда или просто носителями заряда. Принято говорить, что под действием теплоты происходит генерация пар носителей заряда, т. е. возникают пары: электрон проводимости – дырка проводимости.

Рекомбинация — исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии.

В полупроводниках возможны следующие варианты рекомбинации:

межзонная — непосредственный переход электронов в валентную зону, существенна в собственных полупроводниках и полупроводниках с узкой запрещённой зоной с минимальным количеством дефектов;

через промежуточные уровни в запрещённой зоне, существенна в примесных полупроводниках.

В образцах с больши́м значением поверхности на единицу объёма значительно возрастает роль рекомбинации на поверхностных состояниях (поверхностной рекомбинации).

 

4. Примесная проводимость: доноры и акцепторы электронов, полупроводники n- и p- типов.

Проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроводника примесей из атомов с иной валентностью называется примесной. Примеси, вызывающие в полупроводнике увеличение свободных электронов, называются донорными, а вызывающие увеличение дырок - акцепторными.

Различное действие примесных атомов объясняется следующим образом. Предположим, что в кристалл германия (Ge⁴⁺) атомы которого имеют 4 валентных электрона, введем пятивалентный мышьяк As⁵⁺. В этом случае атомы мышьяка своими 4-я из пяти валентными электронами вступают в связь. 5-й валентный электрон мышьяка окажется не связанным, т.е. становится свободным электроном. Полупроводник, электропроводимость которых повысилась благодаря образованию избытка свободных электронов при введении примеси, называются полупроводниками с электронной проводимостью (полупроводник n -типа), а примесь донорной (отдающей электрон).

Введение в 4-х валентный полупроводник 3-х валентного элемента, например (In³⁺) индия приводит, наоборот, к избытку дырок над свободными электронами. В этом случае ковалентные связи не будут полностью завершены и образовавшиеся дырки могут перемещаться по кристаллу, создавая дырочную проводимость. Полупроводники, электропроводимость которых обусловлена в основном движением дырок, называется полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками р -типа, а примесь - акцепторной (захватывающие электрон из ковалентной связи или из валентной зоны). Энергетические уровни этих примесей называются акцепторными уровнями - расположены над валентной зоной.

Энергетические уровни донорных примесей называются донорными уровнями - расположены под нижним уровнем зоны проводимости.

В примесных полупроводниках носители заряда бывают основными (электроны в проводнике n -типа) и не основными (дырки в полупроводнике р -типа, электроны в полупроводнике n -типа).

 

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

1. Магнитное поле и его характеристики. Определение направления и индукции магнитного поля с помощью рамки с током. Графическое изображение. Свойства силовых линий (примеры).

Магнитное поле и его характеристики. При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле. Магнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю (рис. 34). Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды. Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поляприводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т. е. 300 000 км/с.

Графическое изображение магнитного поля. Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено при помощи магнитной стрелки. Северный полюс стрелки всегда устанавливается в направлении действия сил поля. Конец постоянного магнита, из которого выходят силовые линии (рис. 35, а), принято считать северным полюсом, а противоположный конец, в который входят силовые линии,— южным полюсом (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны). Распределение силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, положенный на полюсы (рис. 35, б). Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя параллельно расположенными разноименными полюсами постоянного магнита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий (рис. 36) (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны).

Рис. 34. Схемы действия магнитного поля на движущиеся электрические заряды: положительный ион (а) и электрон (б).

Рис. 35. Магнитное поле, созданное постоянным магнитом.

Рис. 36. Однородное магнитное поле между полюсами постоянного магнита.

Рис. 37. Магнитный поток, пронизывающий катушку при перпендикулярном (а) и наклонном (б) ее положениях по отношению к направлению магнитных силовых линий.

Для более наглядного изображения магнитного поля силовые линии располагают реже или гуще. В тех местах, где магнитное роле сильнее, силовые линии располагают ближе друг к другу, там же, где оно слабее,— дальше друг от друга. Силовые линии нигде не пересекаются.

Во многих случаях удобно рассматривать магнитные силовые линии как некоторые упругие растянутые нити, которые стремятся сократиться, а также взаимно отталкиваются друг от друга (имеют взаимный боковой распор). Такое механическое представление о силовых линиях позволяет наглядно объяснить возникновение электромагнитных сил при взаимодействии магнитного поля и Проводника с током, а также двух магнитных полей.

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток, магнитная проницаемость и напряженность магнитного поля.

Характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции или индукции магнитного поля, обозначаемый В. За направление вектора магнитной индукции в данной точке поля принимают направление, в котором указывает N- полюс свободно вращающейся магнитной стрелки (рис. 2 а). Ориентацию рамки с током в магнитном поле тоже можно использовать для определения направления вектора магнитной индукции, так как её плоскость устанавливается в поле перпендикулярно вектору магнитной индукции (см. §1). При этом направление вектора магнитной индукции определяют с помощью правила правого буравчика, согласно которому, если вращать ручку буравчика по направлению тока в рамке, то сам буравчик будет перемещаться в направлении вектора магнитной индукции (рис. 2 б). Направление, в котором перемещается правый буравчик, ещё называют положительной нормалью к плоскости рамки с током.

Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым имеют то же направление, что и вектор магнитной индукции в этой точке поля. Линии магнитной индукции служат силовыми характеристиками поля, как и силовые линии электрического поля. Очевидно, что, как и силовые линии электрического поля, линии магнитной индукции не могут пересекаться между собой. Картину линий магнитной индукции поля можно построить с помощью магнитной стрелки или рамки с током, помещая их в различные точки поля.

Как следует из опытов Эрстеда (см. §1), прямолинейный проводник с током создаёт вокруг себя магнитное поле. На рис.2 в показаны линии магнитной индукции поля прямолинейного проводника, которые представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику. Направление вектора магнитной индукции в этом случае можно определить опять же с помощью правого буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока, то направление движения ручки буравчика указывает на направление вектора магнитной индукции.

Видно (см. рис.2 в), что линии магнитной индукции прямолинейного проводника с током оказались замкнутыми, т.е. линиями без начала и конца. Поля, характеризуемые замкнутыми силовыми линиями, называют вихревыми. Из курса физики за 10 класс известно, что силовые линии электростатического поля всегда имеют начало и конец, начинаясь на положительных и оканчиваясь на отрицательных электрических зарядах. В отличие от электростатических все магнитные поля являются вихревыми.

Замкнутость линий магнитной индукции – фундаментальное свойство магнитного поля, вызванное тем, что изолированных магнитных зарядов, подобных электрическим, не существует. Любое магнитное поле, возникающее при движении электрических зарядов, всегда содержит N и S -полюса, и сколько бы мы ни дробили постоянный магнит, каждая его песчинка всегда будет содержать разноимённые магнитные полюса.

Рис. 2. (а) – определение направления вектора магнитной индукции с помощью магнитной стрелки; (б) - применение правила буравчика для определения направления вектора магнитной индукции и положительной нормали рамки с током; (в) - применение правила буравчика для определения направления вектора магнитной индукции прямолинейного проводника с током.