Урок 63. Примесный полупроводник - составная часть элементов. Диод и транзистор

1.

2.

ВОПРОСЫ:
1. Классификация веществ по проводимости
2. Собственная проводимость полупроводников
3. Примесная проводимость полупроводников
4. p – n переход и его свойства
5. Полупроводниковый диод и его применение

3.

Вопрос 1
Классификация
веществ по
проводимости

4.

Классификация веществ по проводимости
Разные вещества имеют различные электрические свойства, однако по
электрической проводимости их можно разделить на 3 основные группы:
Электрические
свойства веществ
Проводники
Хорошо проводят
электрический ток
К ним относятся металлы,
электролиты, плазма …
Наиболее используемые
проводники – Au, Ag, Cu,
Al, Fe …
Полупроводники
Занимают по проводимости
промежуточное
положение между
проводниками и
диэлектриками
Si, Ge, Se, In, As
Диэлектрики
Практически не проводят
электрический ток
К ним относятся
пластмассы, резина,
стекло, фарфор, сухое
дерево, бумага …

5. 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.
Хорошо проводят
электрический ток
К ним относятся
металлы, электролиты,
плазма …
Наиболее используемые
проводники – Au, Ag, Cu,
Al, Fe …
Занимают по проводимости
промежуточное положение
между проводниками и
диэлектриками
Si, Ge, Se, In, As
Практически не
проводят
электрический ток.
К ним относятся
пластмассы, резина,
стекло, фарфор, сухое
дерево, бумага …

6. Особенности и строение полупроводников

Полупроводни́к — материал, который по своей
удельной проводимости занимает промежуточное
место между проводниками и диэлектриками и
отличается от проводников сильной зависимостью
удельной проводимости от концентрации примесей,
температуры и воздействия различных видов
излучения.
Наиболее типичными
полупроводниками
являются германий и
кремний.

7. Полупроводники в природе

8.

9. Особенности и строение полупроводников

Основным свойством полупроводника
является увеличение электрической
проводимости с ростом температуры.
Вблизи температуры абсолютного нуля
полупроводники имеют свойства
диэлектриков.

10. Особенности и строение полупроводников

Кроме нагревания , разрыв
ковалентных связей и
возникновение собственной
проводимости
полупроводников могут быть
вызваны освещением (
фотопроводимость ) и
действием сильных
электрических полей

11.

12.

Классификация веществ по проводимости
Вспомним, что проводимость веществ обусловлена наличием в них
свободных заряженных частиц
Например, в металлах это свободные электроны
Вспомните и объясните характер проводимости металлов и
его зависимость от температуры
Е

13.

Вопрос 2
Собственная проводимость
полупроводников

14. 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

15.

Собственная проводимость полупроводников
Рассмотрим проводимость полупроводников на основе кремния Si
-
Si
-
Si
-
Si
-
Si
-
Кремний – 4 валентный
химический элемент.
Каждый атом имеет во
внешнем электронном
слое по 4 электрона,
которые используются
для образования
парноэлектронных
(ковалентных) связей с
4 соседними атомами
Si
При обычных условиях (невысоких температурах) в полупроводниках
отсутствуют свободные заряженные частицы, поэтому полупроводник
не проводит электрический ток

16.

Собственная проводимость полупроводников
Рассмотрим изменения в полупроводнике при увеличении температуры
-
Si
+-
свободный
электрон
Si
+- дырка
Si
-
-
Si
+-
Si
Под воздействием
электрического поля
электроны и дырки
начинают
упорядоченное
(встречное) движение,
образуя электрический
ток
При увеличении температуры энергия электронов увеличивается и
некоторые из них покидают связи, становясь свободными электронами. На
их месте остаются некомпенсированные электрические заряды (виртуальные
заряженные частицы), называемые дырками

17. «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
+-
-
Si
-
+
дырка
-
Si
Si
свободный
электрон
-
+
Si

18. Механизм проводимости у полупроводников

Если полупроводник чистый( без примесей),
то он обладает собственной
проводимостью, которая невелика.
Собственная проводимость бывает двух видов:
электронная и дырочная

19. Механизм проводимости у полупроводников

Общая проводимость чистого
полупроводника складывается из
проводимостей "p" и "n" -типов
и называется электронно-дырочной
проводимостью.

20.

Собственная проводимость полупроводников
Таким образом, электрический ток в полупроводниках представляет
собой упорядоченное движение свободных электронов и положительных
виртуальных частиц - дырок
При увеличении температуры растет число свободных носителей заряда,
проводимость полупроводников растет, сопротивление уменьшается
R (Ом)
металл
R0
полупроводник
t (0C)
Объясните графики зависимости сопротивления металлов и
полупроводников от температуры

21.

Вопрос 3
Примесная проводимость
полупроводников

22. Полупроводники при наличии примесей

Наличие примесей сильно
увеличивает проводимость.
При изменении концентрации
примесей изменяется число
носителей электрического
тока - электронов и дырок.
Возможность управления
током лежит в основе
широкого применения
полупроводников.

23.

Примесная проводимость полупроводников
Собственная проводимость полупроводников явно недостаточна для
технического применения полупроводников
Поэтому для увеличение проводимости в чистые полупроводники
внедряют примеси (легируют) , которые бывают донорные и акцепторные
-
Донорные примеси
-
Si
Si
-
-
-
As
-
-
Si
-
Si
При легировании 4 – валентного
кремния Si 5 – валентным
мышьяком As, один из 5
электронов мышьяка становится
свободным
Таким образом изменяя
концентрацию мышьяка, можно в
широких пределах изменять
проводимость кремния
Такой полупроводник называется полупроводником n – типа,
основными носителями заряда являются электроны, а примесь
мышьяка, дающая свободные электроны, называется донорной

24. Электронные полупроводники (n-типа)

-
Si
Si
-
Si
-
As
-
Si
-
Термин «n-тип» происходит от слова
«negative», обозначающего отрицательный
заряд основных носителей. Этот вид
полупроводников имеет примесную природу.
В четырёхвалентный полупроводник
(например, кремний) добавляют примесь
пятивалентного полупроводника
(например, мышьяка). В процессе
взаимодействия каждый атом примеси
вступает в ковалентную связь с атомами
кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных
связях, и он переходит на дальнюю
электронную оболочку. Там для отрыва
электрона от атома нужно меньшее
количество энергии. Электрон отрывается и
превращается в свободный. В данном случае
перенос заряда осуществляется электроном,
а не дыркой, то есть данный вид
полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые
добавляют в полупроводники, вследствие
чего они превращаются в полупроводники nтипа, называются донорными.

25.

Донорные примеси (отдающие)
- являются дополнительными поставщиками
электронов в кристаллы полупроводника, легко
отдают электроны и увеличивают число
свободных электронов в полупроводнике.
Это проводники " n " - типа, т.е. полупроводники
с донорными примесями, где основной носитель
заряда - электроны, а неосновной - дырки.
Такой полупроводник обладает электронной
примесной проводимостью.

26.

Электронная ( проводимость "n " - типа)
При низких температурах в полупроводниках все электроны
связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении
температуры кинетическая энергия частиц увеличивается,
рушатся связи и возникают свободные электроны - сопротивление
уменьшается.
Свободные электроны перемещаются противоположно вектору
напряженности электрического поля.
Электронная проводимость полупроводников обусловлена
наличием свободных электронов.

27.

Примесная проводимость полупроводников
Акцепторные примеси, полупроводником p – типа
Если кремний легировать трехвалентным индием, то для образования
связей с кремнием у индия не хватает одного электрона, т.е. образуется
дырка
-
Si
-
Si
-
In
+
-
Si
-
Si
Изменяя концентрацию индия,
можно в широких пределах
изменять проводимость кремния,
создавая полупроводник с
заданными электрическими
свойствами
Такой полупроводник называется полупроводником p – типа,
основными носителями заряда являются дырки, а примесь индия, дающая
дырки, называется акцепторной

28.

Акцепторные примеси ( принимающие )
- создают "дырки" , забирая в себя электроны.
Это полупроводники " p "- типа, т.е.
полупроводники с акцепторными примесями,
где основной носитель заряда - дырки, а
неосновной - электроны.
Такой полупроводник обладает дырочной
примесной проводимостью.

29. Дырочные полупроводники (р-типа)

Термин «p-тип» происходит от слова «positive»,
обозначающего положительный заряд
основных носителей. Этот вид
полупроводников, кроме примесной основы,
характеризуется дырочной природой
проводимости.
-
Si
Si
-
Si
-
In
+
-
Si
В четырёхвалентный полупроводник (например,
в кремний) добавляют небольшое количество
атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси
устанавливает ковалентную связь с тремя
соседними атомами кремния. Для установки
связи с четвёртым атомом кремния у атома
индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из
ковалентной связи между соседними атомами
кремния и становится отрицательно
заряженным ионом, вследствие чего образуется
дырка. Примеси, которые добавляют в этом
случае, называются акцепторными.

30.

Дырочная ( проводимость " p" - типа )
При увеличении температуры
разрушаются ковалентные связи,
осуществляемые валентными
электронами, между атомами и
образуются места с недостающим
электроном - "дырка".
Она может перемещаться по
всему кристаллу, т.к. ее место
может замещаться валентными
электронами. Перемещение
"дырки" равноценно
перемещению положительного
заряда.
Перемещение дырки происходит в
направлении вектора
напряженности электрического
поля.

31.

Примесная проводимость полупроводников
Итак, существует 2 типа полупроводников, имеющих большое практическое
применение:
+
р - типа
Основные носители заряда дырки
-
n - типа
Основные носители заряда электроны
Помимо основных носителей в полупроводнике существует очень малое
число неосновных носителей заряда ( в полупроводнике p – типа это
электроны, а в полупроводнике n – типа это дырки), количество которых
растет при увеличении температуры
Объясните, как изменяется количество неосновных носителей
заряда в примесном полупроводнике при увеличении
температуры

32.

Вопрос 4
p – n переход и его
электрические свойства

33. Механизм проводимости у полупроводников

• Общая проводимость чистого
полупроводника складывается из
проводимостей "p" и "n" -типов
и называется электронно-дырочной
проводимостью.

34. Электрические свойства "p-n" перехода

Электрические свойства "p-n"
перехода
• "p-n" переход (или электронно-дырочный
переход) - область контакта двух
полупроводников, где происходит смена
проводимости с электронной на дырочную
(или наоборот).

35. Электрические свойства "p-n" перехода

Электрические свойства "p-n"
перехода
В кристалле полупроводника введением примесей
можно создать такие области. В зоне контакта
двух полупроводников с различными
проводимостями будет проходить взаимная
диффузия. электронов и дырок и образуется
запирающий электрический слой. Электрическое
поле запирающего слоя препятствует
дальнейшему переходу электронов и дырок через
границу. Запирающий слой имеет повышенное
сопротивление по сравнению с другими областями
полупроводника.

36.

p – n переход и его свойства
Рассмотрим электрический контакт двух полупроводников p и n типа,
называемый p – n переходом
1. Прямое включение
р
+
n
+
+
+
-
+
-
_
-
Ток через p – n переход осуществляется основными носителями заряда
(дырки двигаются вправо, электроны – влево)
Сопротивление перехода мало, ток велик.
Такое включение называется прямым, в прямом направлении p – n
переход хорошо проводит электрический ток

37.

Внешнее электрическое поле влияет на
сопротивление запирающего слоя. При прямом
(пропускном) направлении внешнего электрического
поля электрический ток проходит через границу двух
полупроводников. Так как электроны и дырки
движутся навстречу друг другу к границе раздела, то
электроны, переходя границу, заполняют дырки.
Толщина запирающего слоя и его сопротивление
непрерывно уменьшаются.

38.

p – n переход и его свойства
2. Обратное включение
р
_
n
+
+
+
-
+
-
+
-
Запирающий слой
Основные носители заряда не проходят через p – n переход
Сопротивление перехода велико, ток практически отсутствует
Такое включение называется обратным, в обратном направлении p – n
переход практически не проводит электрический ток

39.

При запирающем (обратном) направлении
внешнего электрического поля электрический
ток через область контакта двух
полупроводников проходить не будет.
Т.к. электроны и дырки перемещаются от
границы в противоположные стороны, то
запирающий слой утолщается, его
сопротивление.
Таким образом, электроннодырочный переход обладает
односторонней
проводимостью.

40.

p – n переход и его свойства
Итак, основное свойство p – n перехода заключается в его односторонней
проводимости
Вольт – амперная характеристика p – n перехода (ВАХ)
I (A)
U (В)
Объясните на основе строения полупроводников и свойствах
p – n перехода график зависимости силы тока от напряжения
(ВАХ) перехода

41.

Вопрос 5
Полупроводниковый диод и
его применение

42.

Полупроводниковый диод и его применение
Полупроводниковый диод – это p – n переход,
заключенный в корпус
Обозначение
полупроводникового
диода на схемах
Вольт – амперная характеристика полупроводникового диода (ВАХ)
I (A)
Основное свойство диода
– его односторонняя
электрическая
проводимость
U (В)

43. Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним "p-n" переходом
называется полупроводниковым диодом.
Полупроводниковые диоды основные
элементы выпрямителей переменного тока.

44. 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.

45. 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

46. Диод выпрямительный, столб выпрямительный

47.

Полупроводниковый диод и его применение
Применение
полупроводниковых
диодов
Выпрямление
переменного тока
Детектирование
электрических сигналов
Стабилизация тока и
напряжения
Передача и прием
сигналов
Прочие применения

48.

Полупроводниковый диод и его применение
Схема однополупериодного выпрямителя
До диода
После диода
После
конденсатора
На нагрузке
Каковы недостатки выпрямителя на одном диоде

49. 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.

50. Транзистор типа p-n-p

Схематическое обозначение
Транзистор типа p-n-p
Транзистор типа n-p-n

51.

52. Домашнее задание

§116, 117
Задания №1-3 для подготовки к ЕГЭ на
странице 390 учебника в тетради
Задания на двойном листочке
1 вариант - №1235(фосфор, калий), 1236(а), 1239, 1245
2 вариант – № 1235(цинк, калий),1236(б), 1240, 1246
(сборник задач под редакцией Г.Н.Степановой см. сл.слайд ).