2. Физические свойства полупроводников
Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Основным свойством этих материалов является увеличение электрической
проводимости с ростом температуры.
Электрические
свойства веществ
Проводники Полупроводники Диэлектрики
Хорошо проводят
Хорошо проводят Занимают по Практически не
Практически не
Занимают по
электрический ток
электрический ток проводимости проводят
проводят
проводимости
промежуточное электрический ток
электрический ток
ККним относятся
ним относятся промежуточное
металлы, электролиты, положение
положение ККним относятся
металлы, электролиты, ним относятся
плазма … между
между пластмассы, резина,
плазма … пластмассы, резина,
проводниками ии
проводниками стекло, фарфор, сухое
Наиболее используемые стекло, фарфор, сухое
Наиболее используемые диэлектриками дерево, бумага …
проводники ––Au, Ag, Cu, диэлектриками дерево, бумага …
проводники Au, Ag, Cu,
Al, Fe …
Al, Fe … Si, Ge, Se, In, As
Si, Ge, Se, In, As
3. Физические свойства полупроводников
Проводимость полупроводников зависит от температуры. В отличие от
проводников, сопротивление которых возрастает с ростом температуры,
сопротивление полупроводников при нагревании уменьшается. Вблизи
абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.
R (Ом)
металл
R0 полупроводник
t (0C)
4. Собственная проводимость полупроводников
При обычных условиях (невысоких температурах) в полупроводниках отсутствуют
свободные заряженные частицы, поэтому полупроводник не проводит
электрический ток.
-
Si Si
-
-
- Si -
-
Si - Si
-
5. «Дырка»
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
Si Si электрон
-
+- +
- дырка
Si
-
-
Si - Si
+
6. Собственная проводимость полупроводников
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.
7. Собственная проводимость полупроводников
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.
8. Примесная проводимость полупроводников
Дозированное введение в чистый проводник примесей позволяет целенаправленно
изменять его проводимость.
Поэтому для увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют примеси
(легируют) , которые бывают донорные и акцепторные
примеси
Акцепторные Донорные
Полупроводники
n-типа
9. Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от 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.
Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:
-
- Si
Si
- - -
As
-
-
Si - Si
-
10. Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный
заряд основных носителей. В четырехвалентный полупроводник (например, в
кремний) добавляют атомы 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.
Проводимость P-полупроводников приблизительно равна:
-
- Si
Si
- -
In
- +
Si - Si
-
11. Прямое включение
р n
+ - _
+ + -
-
+ + -
Ток через p – n переход осуществляется основными носителями заряда
(дырки
Сопротивление перехода мало, ток велик.
двигаются вправо, электроны – влево)
12. Обратное включение
р n
_ + -
+ - +
-
+ + -
Запирающий слой
Основные носители заряда не проходят через p – n переход.
Сопротивление перехода велико, ток практически отсутствует.
13. Диод
Полупроводниковый диод — полупроводниковый
прибор с одним электрическим переходом и двумя
выводами (электродами).
В отличие от других типов диодов, принцип действия
полупроводникового диода основывается на явлении
p-n-перехода.
Впервые диод изобрел Джон Флемминг в 1904 году.
14. Типы и применение диодов
Диоды применяются в:
• преобразовании переменного тока в постоянный
• детектировании электрических сигналов
• защите разных устройств от неправильной
полярности включения
• коммутации высокочастотных сигналов
• стабилизации тока и напряжения
• передачи и приеме сигналов
15. Транзистор
электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с
тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять
током в электрической цепи.
Обычно используется для усиления, генерирования и
преобразования электрических сигналов.
В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в
лабораториях Bell Labs впервые создали действующий
биполярный транзистор.
16. Классификация транзисторов
Транзисторы
Биполярные Полевые
p-n-p n-p-n С p-n- С изолирова-
переходом нным
затвором
17. Биполярный транзистор
трёхэлектродный полупроводниковый прибор,
один из типов транзистора. По этому способу
чередования различают npn и pnp транзисторы (n
(negative) — электронный тип примесной
проводимости, p (positive) — дырочный). В
биполярном транзисторе, в отличие от других
разновидностей, основными носителями
являются и электроны, и дырки.
Биполярный точечный транзистор был изобретен
в 1947 году, в течение последующих лет он
зарекомендовал себя как основной элемент для
изготовления интегральных микросхем.
18. Полевой транзистор
Полевой транзистор - полупроводниковый прибор, в котором ток
изменяется в результате действия перпендикулярного току
электрического поля, создаваемого входным сигналом.
Протекание в Полевом транзисторе рабочего тока обусловлено
носителями заряда только одного знака.
Полевой транзистор условно делят на 2 группы:
с управляющим р—n-переходом или переходом металл —
полупроводник
с управлением посредством изолированного электрода (затвора)
