Полупроводники в природе. Физические свойства полупроводников

1. Полупроводники в природе

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
Хорошо проводят
электрический ток
К ним относятся
металлы, электролиты,
плазма …
Наиболее используемые
проводники – Au, Ag, Cu,
Al, Fe …
Полупроводники
Диэлектрики
Занимают по
проводимости
промежуточное
положение
между
проводниками и
диэлектриками
Практически не
проводят
электрический ток
Si, Ge, Se, In, As
К ним относятся
пластмассы, резина,
стекло, фарфор, сухое
дерево, бумага …

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».
Si
+-
-
свободный
электрон
Si
-
+
-
Si
дырка
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
-
Si
-
As
-
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
-
Si
-
In
+
-
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-nперехода.
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
p-n-p
Полевые
n-p-n
С p-nпереходом
С изолированным
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)