Урок физики на тему "Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников p-n типов

«Физика - 10 класс»

Какие носители тока в полупроводнике являются основными, а какие - неосновными?
Чем отличается примесная проводимость от собственной проводимости?

Наиболее интересные явления происходят при контакте полупроводников n- и p-типов. Эти явления используются в большинстве полупроводниковых приборов.

р-n-Переход.

Рассмотрим, что будет происходить, если привести в контакт два одинаковых полупроводника, но с разным типом проводимости: слева полупроводник n-типа, а справа полупроводник р-типа (рис. 16.10).

Контакт двух полупроводников с разным типом проводимости называют р-n- или n-р-переходом .

Электроны на рисунке изображены голубыми кружочками, дырки - серыми.

В левой части много свободных электронов, а в правой их концентрация очень мала. В правой части, наоборот, много дырок, т. е. вакантных мест для электронов. Как только полупроводники приводят в контакт, начинается диффузия электронов из области с проводимостью n-типа в область с проводимостью p-типа и соответственно переход дырок в обратном направлении. Перешедшие в полупроводник p-типа электроны занимают свободные места, происходит процесс рекомбинации электронов и дырок, а попавшие в полупроводник n-типа дырки также исчезают благодаря электронам, занимающим вакантное место. Таким образом, вблизи границы раздела полупроводников с разным типом проводимости возникает слой, обеднённый носителями тока (его называют контактным слоем). Этот слой фактически представляет собой диэлектрик, его сопротивление очень велико. При этом полупроводник n-типа заряжается положительно, а полупроводник р-типа - отрицательно. В зоне контакта возникает стационарное электрическое поле напряжённостью к, препятствующее дальнейшей диффузии электронов и дырок.

Суммарное сопротивление приведённых в контакт полупроводников складывается из сопротивления полупроводника л-типа, р-n-перехода и полупроводника p-типа: R = R n + R pn + R р. Так как сопротивления областей с n- и p-типами проводимости малы (там много носителей заряда - электронов и дырок), то суммарное сопротивление определяется в основном сопротивлением р-n-перехода: R ≈ R pn .

Включим полупроводник с р-n-переходом в электрическую цепь так, чтобы потенциал полупроводника p-типа был положительным, а n-типа - отрицательным (рис. 16.11). В этом случае напряжённость внешнего поля будет направлена в сторону, противоположную напряжённости контактного слоя.

Модуль суммарной напряжённости E = E к - E внеш. Так как поле, удерживающее носители тока, ослабевает, то у электронов уже достаточно энергии, чтобы его преодолеть.

Через переход пойдёт ток, при этом он будет создан основными носителями - из области с n-типом проводимости в область с p-типом проводимости идут электроны, а из области с p-типом в область с n-типом - дырки. В этом случае р-n-переход называется прямым .

Отметим, что электрический ток идёт во всей цепи: от положительного контакта через область p-типа к р-n-переходу, затем через область n-типа к отрицательному контакту (рис. 16.12). Проводимость всего образца велика, а сопротивление мало. Чем больше подаваемое на контакт напряжение, тем больше сила тока.

Зависимость силы тока от разности потенциалов - вольт-амперная характеристика прямого перехода - изображена на рисунке (16.13) сплошной линией.

Отметим, что изменение подаваемого напряжения приводит к резкому увеличению силы тока. Так, увеличение напряжения на 0,25 В может привести к увеличению силы тока в 20 000 раз.

При прямом переходе сопротивление запирающего слоя мало, и оно также зависит от подаваемого напряжения, с увеличением которого сопротивление уменьшается.

Изменим теперь полярность подключения батареи. В этом случае напряжённости внешнего и контактного полей направлены в одну сторону (рис. 16.14) и модуль суммарной напряжённости E = E к - E внеш. Внешнее поле оттягивает электроны и дырки от контактного слоя, в результате чего он расширяется. В связи с этим у электронов уже не хватает энергии для того, чтобы преодолеть этот слой. Теперь переход через контакт осуществляется неосновными носителями, число которых мало.

Сопротивление контактного слоя очень велико. Ток через р-n-переход не идёт. Образуется так называемый запирающий слой. Такой переход называется обратным .

Вольт-амперная характеристика обратного перехода изображена на рисунке 16.13 штриховой линией.

р-n-Переход по отношению к току оказывается несимметричным: в прямом направлении сопротивление перехода значительно меньше, чем в обратном. Таким образом, р-n-переход можно использовать для выпрямления электрического тока.

Устройство, содержащее р-n-переход и способное пропускать ток в одном направлении и не пропускать в противоположном, называется полупроводниковым диодом .

Если на контакты полупроводникового диода подать переменное напряжение, то ток по цепи пойдёт только в одну сторону.

Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.

Рассмотрим, как создают р-n- переход, используя германий, обладающий проводимостью n-типа, с небольшой добавкой донорной примеси. Этот переход не удаётся получить путём механического соединения двух полупроводников с различными типами проводимости, так как при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Толщина же р-n-перехода должна быть не больше межатомных расстояний, поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Для создания полупроводникового диода полупроводник с примесью p-типа, содержащий атомы индия, нагревается до высокой температуры. Пары примеси n-типа (например, мышьяка) осаждаются на поверхность кристалла. Вследствие диффузии они внедряются в кристалл, и на поверхности кристалла с проводимостью р-типа образуется область с электронным типом проводимости (рис. 16.15).

Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметичный металлический корпус.

Полупроводниковые диоды применяют в детекторах приёмников для выделения сигналов низкой частоты, для защиты от неправильного подключения источника к цепи.

В светофорах используются специальные полупроводниковые диоды. При прямом подключении такого диода происходит активная рекомбинация электронов и дырок. При этом выделяется энергия в виде светового излучения.

Схематическое изображение диода приведено на рисунке 16.16. Полупроводниковые выпрямители обладают высокой надёжностью и имеют большой срок службы. Однако они могут работать лишь в ограниченном интервале температур (от -70 до 125 °С)

Транзисторы.

Ещё одно применение полупроводников с примесным типом проводимости - транзисторы - приборы, используемые для усиления электрических сигналов.

Рассмотрим один из видов транзисторов из германия или кремния с введёнными в них донорными и акцепторными примесями. Распределение примесей таково, что создаётся очень тонкая (толщиной порядка нескольких микрометров) прослойка полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника p-типа (рис. 16.17). Эту тонкую прослойку называют основанием или базой .

В кристалле образуются два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Три вывода от областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в схему, изображённую на рисунке 16.17. В данной схеме при подключении батареи Б1 левый р-n-переход является прямым . Левый полупроводник с проводимостью p-типа называют эмиттером . Если бы не было правого р-n-перехода, в цепи эмиттер - база существовал бы ток, зависящий от напряжения источников (батареи Б1 и источника переменного напряжения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивление прямого перехода эмиттер - база.

Батарея Б2 включена так, что правый n-р-переход в схеме (см. рис. 16.17) является обратным . Правая область с проводимостью p-типа называется коллектором . Если бы не было левого р-n-перехода, сила тока в цепи коллектора была бы близка к нулю, так как сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в левом р-n-переходе появляется ток и в цепи коллектора, причём сила тока в коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере. (Если на эмиттер подано отрицательное напряжение, то левый р-n-переход будет обратным, и ток в цепи эмиттера и в цепи коллектора будет практически отсутствовать.)

Это объясняется следующим образом. При создании напряжения между эмиттером и базой основные носители полупроводника p-типа (дырки) проникают в базу, где они являются уже неосновными носителями . Поскольку толщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней невелико, попавшие в неё дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с электронами базы и проникают в коллектор за счёт диффузии. Правый р-n-переход закрыт для основных носителей заряда базы - электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной (см. рис. 16.17) плоскости много меньше сечения в вертикальной плоскости.

Сила тока в коллекторе почти равная силе тока в эмиттере, изменяется вместе с током через эмиттер. Сопротивление резистора R мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включённого в его цепь, мы получим синхронное изменение напряжения на резисторе R.

При большом сопротивлении резистора изменение напряжения на нём может в десятки тысяч раз превышать изменение напряжения сигнала в цепи эмиттера. Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы, мощность которых во много раз превышает мощность, поступающую в цепь эмиттера.

Применение транзисторов.

Современная электроника базируется на микросхемах и микропроцессорах, включающих в себя колоссальное число транзисторов.

Первая интегральная схема поступила в продажу в 1964 г. Она содержала шесть элементов - четыре транзистора и два резистора. Современные микросхемы содержат миллионы транзисторов.

Компьютеры, составленные из микросхем и микропроцессоров, фактически изменили окружающий человека мир. В настоящее время не существует ни одной области человеческой деятельности, где компьютеры не служили бы активными помощниками человека. Например, в космических исследованиях или высокотехнологичных производствах работают микропроцессоры, уровень организации которых соответствует искусственному интеллекту.

Транзисторы (рис. 16.18, 16 19) получили чрезвычайно широкое распространение в современной технике. Они заменили электронные лампы в электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры. Портативные радиоприёмники, в которых используются такие приборы, в обиходе называются транзисторами. Преимуществом транзисторов (так же как и полупроводниковых диодов) по сравнению с электронными лампами является прежде всего отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того, эти приборы в десягки и сотни раз меньше по размерам и массе, чем электронные лампы.

1. Получение p-n перехода . Во второй половине ХХ века интенсивно развивалась твердотельная электроника. Громоздкие электровакуумные лампы заменились малогабаритными полупроводниковыми устройствами. Основным элементом полупроводниковых приборов является p-n – переход , обладающий уникальными свойствами. Он представляет собой тонкий слой на границе между двумя примесными полупроводниками.

Получить p -n – переход прямым соприкосновением двух полупроводников практически невозможно. Как бы тщательно ни были очищены их поверхности, они всегда содержат много примесей и загрязнений, ухудшающих свойства полупроводников. Поэтому задача решается путем введения в один и тот же кристалл с определенным типом проводимости противоположной примеси.

Например в монокристалл четырехвалентного германия с донорной примесью, создающей в кристалле германия Ge проводимость n – типа, в вакууме при температуре около 1000°С вплавляют кусочек трехвалентного индия In. Атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В той области кристалла, куда проникают атомы индия, проводимость становится дырочной (p – типа). На границе этой области возникает p -n – переход. По мере перемещения вглубь кристалла концентрация индия постепенно уменьшается. Тот слой, где концентрация акцепторной примеси индия сравняется с концентрацией донорной примеси в монокристалле, и есть собственно p -n – переход. Такие переходы называют плавными . Резкие p-n – переходы получают путем осаждения на кристалл полупроводника, допустим n – типа, полупроводника p – типа из газовой фазы. Для этого над кристаллом пропускают при температуре 1200 о С такую газовую смесь, чтобы на кристалл осаждался полупроводник с нужным типом проводимости.

2. Равновесные состояния p-n – перехода . Предположим мысленно, что сразу же после образования p- и n- областей мы их разделили, не допустив перетекания зарядов из одной области в другую. Возникает ситуация, показанная на рис.117. Обе области электрически нейтральны, их нулевые уровни совпадают. Уровень Ферми в p –области выше примесных уровней, а в n –области – ниже. В общем случае уровни Ферми не совпадают, в n –области уровень Ферми выше.

Однако в реальности после образования p -n – слоя начинается диффузия основных носителей из одной области в другую. Для n –области основными носителями являются электроны, для p –области – дырки. Основные носители возникают почти целиком вследствие ионизации донорных и акцепторных примесей. При температурах Т ³ 250 К эти примеси ионизированы практически полностью. Поэтому концентрация электронов в n –области равна концентрации донорных атомов, а концентрация дырок в p –области – концентрации акцепторных атомов.

Концентрация неосновных носителей примерно в 10 6 раз меньше концентрации основных в обеих областях (). В результате в контактирующих областях полупроводника возникают диффузионные потоки электронов проводимости из п -области в р -область и дырок из p –области в n –область. Электроны перемещающиеся в p –область, рекомбинируют вблизи границы раздела с дырками, а дырки в n –области рекомбинируют с электронами проводимости. Поэтому в приконтактном слое n –области практически не остается свободных электронов и в нем формируется неподвижный положительный заряд ионизированных доноров .

В приконтактном слое p –области практически не остается дырок, и в нем формируется отрицательный заряд ионизированных акцепторов . Эти неподвижные электрические заряды создают в p-n – переходе контактное электрическое поле с разностью потенциалов j к и практически не выходящее за его пределы.

Эта ситуация иллюстрируется рис.118, где наверху показаны объемные заряды в контактных областях, а внизу - энергетические зоны. Поскольку p –область зарядилась отрицательным зарядом, энергия электронов в ней увеличилась. В результате энергетическая диаграмма в p –области поднимается, в n –области опускается. В p-n слое она наклонена так, что уровни Ферми в разных областях совпадают.

Если в слой объемных зарядов влетает неосновной носитель (электрон из p –области или дырка из n –области), то контактное поле подхватывает его и перебрасывает через этот слой. В результате каждый неосновной носитель, налетающий на p-n – переход, проходит через него.

Наоборот, основные носители тока (электрон из n –области или дырка из p –области) могут перелетать через слой объемных зарядов лишь в том случае, если кинетическая энергия их движения вдоль оси Х достаточна для преодоления контактной разности потенциалов, то есть если она больше |ej к |. Поэтому, как только образуются объемные заряды у границы областей, поток основных носителей, пересекающих эту границу, уменьшается. Когда поток основных носителей сравняется с потоком неосновных носителей, устанавливается динамическое равновесие.

3. Прямое включение p-n – перехода в электрическую цепь . Подключим к p-n – переходу источник тока, присоединив к p –области «плюс», а n –области – «минус» (рис.119 вверху). Полагаем, что источник тока способен создавать на омических шинах напряжение j 0 . Дополнительное электрическое поле, создаваемое источником тока, вызывает приток основных носителей в область объемного заряда p-n – перехода. В p –области в направлении от омической шины к p-n – переходу движутся дырки. Они рекомбинируют с электронами отрицательных ионов акцепторной примеси. В n –области в направлении к p-n – переходу движутся электроны проводимости, которые рекомбинируют с положительными ионами донорной примеси.

В результате объемный заряд на p-n – переходе уменьшается по сравнению с равновесным состоянием. Становится меньше и высота потенциального барьера. Этот процесс продолжается до тех пор, пока контактная разность потенциалов на p-n – переходе не уменьшится до значения j к – j 0 .

На рис.119 внизу данная ситуация показана на энергетической зонной диаграмме. Штриховые линии соответствуют равновесному состоянию p-n – перехода.

Электроны в зоне проводимости полупроводника ведут себя как тяжелые предметы, скользящие по дну зоны проводимости. Уменьшение высоты потенциального барьера резко увеличивает долю тех электронов в n –области, кинетическая энергия которых в направлении движения к потенциальному барьеру достаточна для преодоления этого барьера.

Дырки в валентной зоне ведут себя как пузырьки воздуха подо льдом. Чем меньше высота барьера, тем большая доля дырок способна «поднырнуть» под него (на рис.119 внизу слева направо). В результате с уменьшением высоты потенциального барьера резко увеличивается диффузионный поток через p-n – переход электронов проводимости из n –области и дырок из p –области. Ток основных носителей i осн подскакивает по сравнению с равновесным на несколько порядков.

4. Обратное включение p-n – перехода показано на рис.120 вверху. «Плюс» источника тока присоединяется к омической шине n –области, а «минус» присоединяется к омической шине p –области. Возникающий в электрическом поле источника тока дрейф основных носителей направлен от p-n – перехода к омическим шинам. При этом обнажаются новые слои ионизированных доноров и акцепторов, увеличивая тем самым область объемного связанного заряда.

Протекание электронов и дырок к омическим контактам происходит до тех пор, пока они практически полностью не скомпенсируют заряды, созданные внешним источником ЭДС. После этого все приложенное напряжение j 0 падает на p-n – переходе, сопротивление которого на много порядков больше сопротивления p- и n- областей. Потенциальный барьер p-n – перехода возрастает практически до величины e (j к + j 0). Это резко снижает ток основных носителей i осн, делая его меньше равновесного. Ток неосновных носителей i неосн зависит лишь от их концентрации и потому меняется незначительно (рис.120 внизу).

Итак, p-n – переход можно рассматривать как нелинейный проводник , сопротивление которого зависит лишь от знака приложенного напряжения. Односторонняя проводимость p-n – перехода используется не только в полупроводниковых диодах . Свойства p-n – переходов оказались настолько плодотворными, что позволили создать на их основе серию электронных полупроводниковых приборов , в число которых помимо диодов входят транзисторы , тиристоры и др. Во второй половине XX века происходит быстрый переход от ламповой к твердотельной электронике.

5. Полупроводниковые диоды – нелинейные проводники. Их два электрода называют анод (+) и катод (- ). Диоды имеют резко несимметричную вольтамперную характеристику (рис.121). Это позволяет использовать их для выпрямления переменных токов.

Если к первичной обмотке трансформатора приложено переменное синусоидальное напряжение, то во вторичной обмотке, замкнутой на омический резистор R , протекает синусоидальный переменный ток той же частоты, , где j 0 – сдвиг по фазе (рис.122-а). Если в разрыв вторичной цепи включить полупроводниковый диод, то через резистор R в течение одной половины периода будет протекать пульсирующий однонаправленный ток. Получается схема однополупериодного выпрямителя (рис.122-б).

Для двухполупериодного выпрямления нужно как минимум два диода и вывод средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис.122-в). Соединив четыре диода по схеме выпрямительного моста , можно обойтись без средней точки (рис.122-г).

6. Транзисторы . С помощью p-n – переходов можно не только выпрямлять, но и усиливать электрические токи. Для этой цели служат транзисторы – полупроводниковые устройства, имеющие три электрода (эмиттер, коллектор, база ). Рассмотрим принцип действия транзистора на примере его включения по схеме с общей базой (рис.123).

Левый на рисунке p-n – переход 1 работает в прямом направлении. Правый p-n – переход 2 работает в запорном направлении. Расстояние в транзисторе между переходами 1 и 2 (ширина базы) не превышает нескольких десятков мкм. Ток в цепи база-коллектор определяется неосновными носителями и сильно зависит от концентрации этих носителей. В n –области неосновными носителями являются дырки.

Если в цепи эмиттер-база идет ток, то дырки из p –области, где они являются основными носителями, в большом количестве движутся через переход 1 в область базы. В результате концентрация дырок в n –области базы резко возрастает. Говорят, происходит инжекция дырок. Т.к. ширина базы очень мала, то диффундирующие через переход 1 дырки в большом количестве доходят до перехода 2. Концентрация неосновных носителей в n –области возле перехода 2 существенно увеличивается, поэтому и увеличивается ток в цепи коллектора.

Напряжение U 2 в цепи коллектора много больше напряжения U 1 в цепи эмиттера U 2 >>U 1 . Поэтому выделяющаяся на сопротивлении R мощность оказывается больше мощности, расходуемой в цепи эмиттера. Усиление по мощности в современных транзисторах колеблется от нескольких десятков до десятков тысяч раз.

7. Термоэлектрические эффекты Зеебека и Пельтье выражены в полупроводниках много сильнее чем в металлах (см. §14). Особенно, если контакты образуют полупроводники с разным типом проводимости. Дифференциальная термо-ЭДС в полупроводниках примерно в 1000 раз больше, чем в металлах. Это позволяет создавать полупроводниковые термоэлектрические генераторы и холодильники.

Теорию термоэлектрогенераторов разработал в начале 40-х годов XX века Абрам Иоффе. Первые термогенераторы в СССР были построены в начале Великой Отечественной войны и использовались для питания радиостанций в партизанских отрядах. В середине 70-х годов появились термогенераторы мощностью 150–200 Вт для питания аппаратуры метеорологических станций и космических аппаратов. Источником энергии в них был радиоактивный изотоп церия 144 Се.

Максимальный КПД термоэлектрогенераторов, достигнутый к настоящему времени, составляет 15% и вряд ли превысит 20%. Полупроводниковые термоэлектрогенераторы дороги, поэтому промышленное получение на их основе электрической энергии в ближайшем будущем маловероятно, если не будут созданы дешёвые материалы, сочетающие высокую электропроводность с низкой теплопроводностью.

Полупроводниковые холодильники, построенные на основе эффекта Пельтье, используются чаще всего для охлаждения элементов радиоэлектронных цепей.

8. Фотогальванический эффект . При освещении p-n – перехода и прилегающих к нему областей светом, способным вызвать генерацию электронно-дырочных пар, через p-n – переход возникает ток зарядов, изменяющий его состояние по сравнению с равновесным.

Допустим, на p –область падает свет, как показано на рис.124 вверху. Чтобы фотоны поглощались вблизи p-n – перехода , толщина р –области должна быть малой и не превышать 1–2 мкм. Если энергия фотонов hn больше ширины запрещенной зоны, hn ³ E g , то при поглощении фотона электроном в валентной зоне любой области электрон переходит в зону проводимости. (Полагаем, что акцепторные и донорные примесные уровни в p- и n- областях уже полностью ионизированы). Появляется пара носителей – электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне.

Увеличение числа основных носителей (дырки в p –области и электроны в n –области) по существу ничего не меняет, поскольку их относительный прирост мал. А увеличение числа неосновных носителей (дырки в n –областии электроны в p –области) очень существенно. Поскольку ток через p-n – переход неосновных носителей зависит лишь от их концентрации, то при освещении p-n – перехода светом возникает фотогальванический эффект – появление тока неосновных носителей, приблизительно пропорционального световому потоку Ф.

Неосновные носители захватываются контактным полем и уходят из p- и n- областей. Основные носители остаются. В результате по разные стороны p-n – перехода постепенно накапливаются заряды свободных носителей – дырок в p – области и электронов в n – области, p – область заряжается положительно, n – область – отрицательно.

Поле этих свободных зарядов противоположно контактному полю и ослабляет его. Связанный в области p-n – перехода заряд ионизированной примеси уменьшается, высота потенциального барьера становится меньше (рис.124 внизу). В результате диффузия основных носителей растет. Постепенно устанавливается такое динамическое равновесие, когда при данном световом потоке Ф пропорциональный ему ток неосновных носителей i неосн станет равным противоположному току основных носителей, i неосн = i осн. Высота потенциального барьера принимает значение e (j к + j ф), где j Ф – фото-ЭДС p-n – перехода .

Фотогальванический эффект может использоваться в режиме фотоэлемента или в режиме фотодиода .

а. Фотоэлемент . Для использования p-n – перехода в режиме фотоэлемента (в вентильном режиме ) достаточно соединить p- и n –области омической перемычкой с нагрузочным сопротивлением R . При освещении фотоэлемента по сопротивлению R потечет фототок свободных электрических зарядов. Поэтому в режиме фотоэлемента p-n – переход позволяет напрямую превращать энергию света в электрическую. Схема устройства фотоэлемента показана на рис.125. На тонкую p –область (»1 мкм) напыляется еще более тонкий металлический слой из серебра или золота, играющий роль омической шины. Чтобы эта металлическая пленка достаточно хорошо пропускала свет, ее толщина должна быть много меньше длины волны света l . Обычно это несколько десятков атомных слоев.

Второй омической шиной является металлическая пластина, играющая одновременно роль механической несущей основы всей конструкции фотоэлемента. Из отдельных фотоэлементов собирают солнечные батареи , использующиеся для питания космической аппаратуры и в наземных энергетических установках.

В настоящее время солнечные батареи делают в основном из кремния Si и арсенида галлия GaAs. Достигнутый КПД h » 20% близок к теоретически возможному.

б. Фотодиод . Чтобы использовать p-n – переход в режиме фотодиода, на него подается напряжение j 0 от источника тока в запорном направлении (рис.126 слева). Если фотодиод не освещен, то по нему протекает очень малый темновой ток неосновных носителей. Напряжение U на резисторе R практически равно нулю. Когда на фотодиод направляется световой поток Ф, концентрация неосновных носителей и их ток возрастает пропорционально потоку Ф. На резисторе R возникает напряжение U (рис.126 справа), которое можно использовать как сигнал в цепях связи или управления.

9. Светодиод . При пропускании прямого тока концентрация неосновных носителей в области p-n – перехода повышается. К инжектированным неосновным носителям подтягиваются основные носители. В результате в области p-n – перехода развивается процесс рекомбинации избыточных над равновесным состоянием носителей.

Если часть актов рекомбинации происходит с излучением света и если этот свет может выйти наружу, то получается светоизлучающий диод – светодиод .

Эти два условия при конструировании светодиодов являются определяющими. Первая задача - увеличение роли светоизлучающих актов рекомбинации – решается путем уменьшения доли безизлучательных переходов. Для этого полупроводник должен быть до высокой степени очищен от безизлучательных примесных центров, что является довольно трудным делом. Второе условие - выход излучения наружу также представляет собой сложную задачу. Дело в том, что показатель преломления света у полупроводников велик, у арсенида галлия, например, n =3,45. Поэтому угол полного внутреннего отраженияу полупроводников очень мал, . Лишь »2% испускаемого излучения падает на плоскую поверхность полупроводника под углами, меньшими b пред, испытав лишь частичное отражение от границы раздела проводник-воздух.

Средняя мощность излучения светодиодов в непрерывном режиме составляет 3¸5 мВт. Увеличить ее за счет повышения прямого тока не удается из-за нагрева p-n – перехода, резко снижающего внутреннюю эффективность.

Светодиоды широко применяются в современной электронике. В сочетании с фотоприемниками они образуют оптронные пары , используемые для развязки и усиления сигналов в оптронных логических элементах. Быстродействие светодиодов достигает »10 -9 с. Используются светодиоды и в качестве малогабаритных световых индикаторов. Выбирая полупроводники с различной шириной запрещенной зоны, удается делать светодиоды с различными цветами свечения.

10. Полупроводниковые лазеры . Наиболее широко применяются сейчас полупроводниковые инжекторные лазеры на арсениде галлия GaAs. Инверсия населенности уровней в них достигается инжекцией основных носителей через p-n – переход.

На рис.127-а показан равновесный p-n – переход между двумя вырожденными областями полупроводника. Вырожденными называются области с совпадающими энергетическими уровнями. В результате одному значению энергии могут соответствовать два и более электронов. Уровень Ферми Е Ф в p –области находится ниже потолка валентной зоны Е в, а в n –области – выше дна зоны проводимости Е п. В результате потолок валентной зоны до отказа заполнен дырками в p –области, а дно зоны проводимости в n –области – электронами (рис.127-в).

Если к такому p-n – переходу приложить прямое напряжение j (к p – области «плюс», к n – области «минус»), резко снижающее потенциальный барьер, то в нем появляется область А с инверсным заполнением зон (рис.127-б). Над насыщенным дырками потолком валентной зоны располагается до отказа заполненное электронами дно зоны проводимости. Спонтанная излучательная рекомбинация электронно-дырочных пар вызывает в этих условиях индуцированное излучение .

Схема устройства полупроводникового лазера показана на рис.128 слева. Монокристалл с p-n – переходом имеет форму пирамиды. Две противоположные ее грани делают строго параллельными друг другу и перпендикулярными плоскости p-n – перехода. Эти грани выполняют роль оптического резонатора, заставляющего стимулированное излучение, возникающее в плоскости p-n – перехода, проходить через него многократно. Две другие грани остаются грубо обработанными и непрозрачными для света.

Коэффициент отражения света от граней кристалла при n = 3,45 составляет от 30 до 35% при углах падения, близких к нормальному. Кроме того, световая волна, распространяясь вдоль p-n – перехода, поглощается пассивными областями диода. Поэтому для возникновения генерации надо создать такую инверсию заселенности зон, которая бы перекрывала все потери света.

Ток I пор, при котором выполняется это условие и возникает генерация, называют пороговым . До порогового тока лазер работает как обычный светодиод. Он испускает спонтанное излучение с равномерной плотностью по всем направлениям. Поэтому из светодиода выходит около 2% света, возникающего в результате излучательной рекомбинации.

При переходе к режиму генерации почти все излучения концентрируются в плоскости p-n – перехода, распространяясь перпендикулярно оптическим окнам кристалла. Отношение вероятности излучательной рекомбинации к вероятности безизлучательной увеличивается. В результате при I > I пор происходит резкий рост светового потока Ф (рис.128 справа).

Важным недостатком полупроводниковых лазеров является сильная зависимость их параметров от температуры. Из-за значительного прямого тока светодиод разогревается, ширина запрещенной зоны, как правило, уменьшается, поэтому максимум излучения смещается в сторону длинных волн. Это ухудшает условия оптического резонанса.

Более того, с ростом температуры быстро растет пороговый ток I пор, так как при неизменном токе инжекции распределение носителей тока по энергиям с ростом температуры становится более размытым. Заполнение электронами и дырками энергетических состояний становится более рыхлыми. В результате мощность излучения с ростом температуры лазера падает. Поэтому проблема отвода тепла от p-n – перехода для полупроводниковых лазеров имеет первостепенное значение.

11. Микроэлектроника. Развитие технологии полупроводниковых приборов – диодов, транзисторов и др. – шло не только в направлении улучшения их функциональных характеристик, но и в направлении уменьшения их размеров. На одном кристалле удавалось разместить вначале десятки, а затем сотни и тысячи полупроводниковых устройств. Одновременно развивалась технология формирования в таких блоках и классических элементов – конденсаторов, резисторов, катушек индуктивности. В результате в конце 60-х годов ХХ в. появляется микроэлектроника.

Основная практическая продукция микроэлектроники – интегральные схемы (ИС), которые служат элементами ЭВМ, средств автоматизации управления и связи. Все приборы и линии связи между ними формируются в едином технологическом процессе на общей подложке. Для обобщенной характеристики интегральных схем используются три величины. Степень интеграции N равна числу элементов в микросхеме. При N < 10 схема называется малой интегральной схемой (МИС), при 10 ≤ N < 100 – средней (СИС), при 100 ≤ N < 1000 – большой (БИС) и при N > 1000 – сверхбольшой (СБИС). Степень интеграции N постоянно растет и в настоящее время приближается к 10 8 . Вторая величина - средние линейные размеры элементов микросхем - в настоящее время составляет величину порядка 0,1 мкм и имеет тенденцию к дальнейшему уменьшению. Третья величина - рабочие частоты импульсных схем. Они составляют несколько миллиардов герц.

Разрабатывают и изготовляют интегральные схемы ЭВТ с помощью ЭВМ. В целом, технология производства современных интегральных схем достаточно сложная и дорогая, требующая высокой культуры производства. При изготовлении ИС используют 3 технологии. В полупроводниковой делают активные элементы (p-n- переходы) в объёме монокристалла. В плёночной делают пассивные элементы – резисторы, конденсаторы, напыляя на подложку в вакууме слои металла (Cr) и диэлектрика (SiO 2). В гибридной сочетаются полупроводниковая и пленочная технологии.

глава 3. Физика атомного ядра

На рисунке 192 изооражена схема полупроводника, правая часть которого содержит донорные примеси и поэтому является полупроводником я-типа, а левая - акцепторные примеси и представляет собой полупроводник -типа. Электроны изображены цветными кружками, а дырки - черными. Контакт двух полупроводников называют - -переходом.

Включим полупроводник с -переходом в электрическую цепь (рис. 193). Подключим сначала батарею так, чтобы потенциал полупроводника -типа был положительным, а -типа - отрицательным. При этом ток через -переход будет осуще ствляться основными носителями: из области в область электронами, а из области в область -дырками (рис. 194). Вследствие этого проводимость всего образца будет большой, а сопротивление - малым.

Рассмотренный здесь переход называют прямым. Зависимость силы тока от разности потенциалов - вольт-амперная характеристика прямого перехода - изображена на рисунке 195 сплошной линией.

Переключим полюса батареи. Тогда при той же разности потенциалов сила тока в цепи окажется значительно меньшей, чем при прямом переходе. Это обусловлено следующим. Электроны через контакт идут теперь из области в область а дырки из области в область Но ведь в полупроводнике -типа мало свободных электронов, а в полупроводнике типа мало дырок. Теперь переход через контакт осуществляется неосновными носителями, число которых мало (рис. 196). Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление - большим. Образуется так называемый запирающий слой. Этот переход называют обратным. Вольт-амперная характеристика обратного перехода изображена на рисунке 195 пунктирной линией.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Урок в 10-м классе.

Тема: р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы».

Цели:

• образовательные : сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории и опираясь на эти знания выяснить физическую сущность p-n-перехода; научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности p-n-перехода;
• развивающие : развивать физическое мышление учащихся, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес, по­знавательную активность;
• воспитательные : продолжить формирование научного мировоззрения школьников.

Оборудование: презентация по теме: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзистор», мультимедийный проектор.

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Изучение нового материала.

Слайд 1.

Слайд 2. Полупроводник – вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.

Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Слайд 3.

Механизм проводимости у полупроводников

Слайд 4.

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние Слайд 5. электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.

При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и они ведут себя как диэлектрики.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

Слайд 6. 1) 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.

Слайд 7.

2) 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.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей. Поэтому полупроводники обладают ещё и дырочной проводимостью.

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

Полупроводники при наличии примесей

У таких полупроводников существует собственная + примесная проводимость.

Наличие примесей проводимость сильно увеличивает.

При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока – электронов и дырок.

Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

Слайд 8. 1) донорные примеси (отдающие) – являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.

Слайд 9. Это проводники " n " – типа , т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда – электроны, а неосновной – дырки.

Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью. Например – мышьяк.

Слайд 10. 2) 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 . Слайд 11. Например – индий. Слайд 12.

Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р-n-переходе.

Слайд 13-16.

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).

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.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.

При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток проходит через границу двух полупроводников.

Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

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 увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода :

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним "p-n" переходом называется полупроводниковым диодом.

– Ребята, запишите новую тему: «Полупроводниковый диод».
– Какой там ещё идиот?», – с улыбкой переспросил Васечкин.
– Не идиот, а диод! – ответил учитель, – Диод, значит имеющий два электрода, анод и катод. Вам ясно?
– А у Достоевского есть такое произведение – «Идиот», – настаивал Васечкин.
– Да, есть, ну и что? Вы на уроке физики, а не литературы! Прошу больше не путать диод с идиотом!

Слайд 17–21.

При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном – сопротивление мало.

Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

Слайд 22–25.

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Полупроводниковые транзисторы – также используются свойства" р-n "переходов, - транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р – n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р. У транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

При подаче на базу транзистора типа n-p-n положительного напряжения он открывается, т. е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче отрицательного, наоборот – закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p-n-p все наоборот.

Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n-типа или p-типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходи диффузия (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости. Пластинка германия или кремния p-типа и созданные в ней области n-типа образуют транзистор структуры n-p-n (рис. 1,а), а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа - транзистор структуры p-n-p (рис. 1,б).

Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема - эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема - коллектором (К). Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором - коллекторный, а между базой и эмиттером - эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.

Условные графические обозначения транзисторов разных структур отличаются лишь тем, что стрелка, символизирующая эмиттер и направление тока через эмиттерный переход, у транзистора структуры p-n-p обращена к базе, а у транзистора n-p-n - от базы.

Слайд 26–29.

III. Первичное закрепление.

1. Какие вещества называются полупроводниками?
2. Какую проводимость называют электронной?
3. Какая проводимость наблюдается ещё у полупроводников?
4. О каких примесях теперь вам известно?
5. В чем заключается пропускной режим p-n- перехода.
6. В чем заключается запирающий режим p-n- перехода.
7. Какие полупроводниковые приборы вам известны?
8. Где и для чего используют полупроводниковые приборы?

IV. Закрепление изученного

1. Как меняется удельное сопротивление полупроводников: при нагревании? При освещении?
2. Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю? (нет, с понижением температуры сопротивление кремния увеличивается).

>>Физика: Электрический ток через контакт полупроводников р- и п-типов

Наиболее интересные явления происходят при контакте полупроводников n - и р -типов. Эти явления используются в большинстве полупроводниковых приборов.
На рисунке 16.10 изображена схема полупроводника, правая часть которого содержит донорные примеси и поэтому является полупроводником n -типа, а левая - акцепторные примеси и представляет собой полупроводник р -типа; между ними - зона перехода - зона, обедненная зарядами. В ней происходит рекомбинация электронов и дырок. Электроны изображены голубыми кружочками, дырки - серыми. Контакт двух полупроводников называют р-n - или n-р -переходом.

При образовании контакта электроны частично переходят из полупроводника n -типа в полупроводник р -типа, а дырки - в обратном направлении. В результате полупроводник n -типа заряжается положительно, ар -типа - отрицательно. Диффузия прекращается после того, как электрическое поле , возникающее в зоне перехода, начинает препятствовать дальнейшему перемещению электронов и дырок.
Включим полупроводник с р-n -переходом в электрическую цепь (рис.16.11 ). Подключим сначала батарею так, чтобы потенциал полупроводника р -типа был положительным, а n -типа - отрицательным. При этом ток через р-n -переход создается основными носителями: из области n в область р - электронами, а из области р в область n - дырками (рис.16.12 ).

Вследствие этого проводимость всего образца велика, а сопротивление мало.
Рассмотренный здесь переход и называют прямым . Зависимость силы тока от разности потенциалов - вольт-амперная характеристика прямого перехода - изображена на рисунке 16.13 сплошной линией.

Изменим теперь полярность подключения батареи. Тогда при той же разности потенциалов сила тока в цепи окажется значительно меньше, чем при прямом переходе. Это обусловлено следующим. Электроны через контакт идут теперь из области р в область n , а дырки - из области n в область р . Но ведь в полупроводнике р -типа мало свободных электронов, а в полупроводнике n -типа мало дырок. Теперь переход через контакт осуществляется неосновными носителями, число которых мало (рис.16.14 ). Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление - большим. Образуется так называемый запирающий слой. Такой переход называют обратным . Вольт-амперная характеристика обратного перехода изображена на рисунке 16.13 штриховой линией.

Таким образом, р-n -переход можно использовать для выпрямления электрического тока. Такое устройство называется полупроводниковым диодом.
Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.
Рассмотрим, как создают р-n -переход, используя германий, обладающий проводимостью n -типа, с небольшой добавкой донорной примеси. Этот переход не удается получить путем механического соединения двух полупроводников с различными типами проводимости, так как при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Толщина же р-n -перехода должна быть не больше межатомных расстояний, поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Для создания полупроводникового диода полупроводник с примесью р -типа, содержащий атомы индия, нагревается до высокой температуры. Пары примеси n -типа (например, мышьяка) осаждают на поверхность кристалла. Вследствиедиффузии они внедряются в кристалл, и на поверхности кристалла с проводимостью р -типа образуется область с электронным типом проводимости (рис.16.15 ).

Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметичный металлический корпус.
Схематическое изображение диода приведено на рисунке 16.16. Полупроводниковые выпрямители обладают высокой надежностью и имеют большой срок службы. Однако они могут работать лишь в ограниченном интервале температур (от -70 до 125°С).

???
1. Что происходит в контакте двух проводников n - и р -типов?
2. Что такое запирающий слой?
3. Какой переход называют прямым?
4. Для чего служит полупроводниковый диод?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Скачать календарно-тематическое планирование по физике , ответы на тесты, задания и ответы школьнику, книги и учебники , курсы учителю по физике для 10 класса

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,