ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

January 31, 2012 by admin Комментировать »

В электротехнике все вещества разделяются по их способности пропускать электрический ток на три группы: проводники, полупроводники и изоляторы.

Проводники — это вещества, которые хорошо проводят электрический ток, т. е. оказывают ему малое сопротивление. К ним относятся металлы и их сплавы, поэтому металлы и применяют в электрических цепях для передачи тока.

Изоляторами называются вещества, которые оказывают прохождению тока очень большое сопротивление. Чем больше сопротивление, тем выше качество изолятора. К изоляторам относятся такие вещества, как воздух, резина, слюда, стекло, эбонит, фарфор и т. д.

Полупроводники занимают промежуточное положение, т. е. они проводят ток хуже, чем проводники, но лучше, чем изоляторы. К полупроводникам относится 80% всех компонентов земной коры: большинство минералов, окислы и т. д. В полупроводниковых диодах, триодах и других радиотехнических устройствах используются в основном два полупроводника: германий и кремний.

Если вырезать из различных материалов брусок, имеющий площадь поперечного сечения 1 см2 и длину 1 х, то его сопротивление будет: для проводника от 0,01 до 0,001 ом\ для изолятора от 1012 ом и выше; для полупроводника от 1 000 до 1012 ом.

Чтобы разобраться в явлениях, происходящих в полупроводниковых приборах, рассмотрим кратко и, конечно, упрощенно строение атома вещества и физику прохождения тока через вещества.

Каждый атом любого вещества состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого по замкнутым орбитам с громадными скоростями вращаются отрицательно заряженные электроны. Для каждого элемента характерно свое расположение электронов вокруг ядра.

Самый простой по устройству — атом водорода. Его электронная оболочка имеет всего один электрон. Атом углерода, например, имеет 6 электронов, кислорода — 8, германия — 32, урана — 92.

Электроны вращаются на разных расстояниях от ядра и их орбиты составляют как бы ряд вставленных одна в другую оболочек, причем в каждом ряду может находиться вполне определенное число электронов. Поскольку ядро и электроны имеют заряды разных знаков, то ядро удерживает около себя электроны силой электростатического притяжения. При этом чем дальше электрон находится от ядра, тем слабее сила притяжения между ним и ядром.

Основное отличие атомов металлов от атомов полупроводников состоит в том, что электроны на внешних орбитах металла очень слабо связаны с ядром. Поэтому в металле всегда имеется большое число электронов, оторвавшихся от своих ядер. Эти электроны называются свободными электронами, или электронным газом. При этом атомы, потерявшие электрон или несколько электронов, оказываются заряженными положительно, а атомы, присоединившие к себе свободные электроны,— отрицательно.

В полупроводниках и изоляторах благодаря сильной связи электронов атома с ядром нет свободных электронов, которые могли бы перемещаться в определенном направлении, создавая электрический ток.

В абсолютно чистом полупроводнике при очень низких температурах электроны прочно Удерживаются на своих орбитах, свободных электронов, способных создавать электрический ток, нет. Поэтому в этих условиях полупроводник совершенно не проводит электрического тока и является изолятором.

При повышении температуры благодаря тепловому движению некоторые электроны могут вырваться о внешних оболочек и перемещаться внутри полупроводника. Чем выше температура, тем больше количество освобожденных электронов, способных перемещаться в полупроводнике, тем больше проводимость и меньше сопротивление полупроводника. Проводимость, обусловленная наличием свободных электронов, называется электронной проводимостью.

В электронных оболочках атомов, потерявших электроны, остается как бы пустое место. Это освободившееся место назвали условно «дыркой», которая имеет положительный заряд.

Дырка может быть занята каким-либо электроном, вырванным из оболочки другого атома. При этом этот электрон, в свою очередь, оставляет в том атоме, из которого он вырван, дырку. Пока нет внешнего электрического поля, переходы электронов от одного атома к другому, а следовательно и движение дырок совершаются беспорядочно.

Если же к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то переход от одного атома к другому будет происходить направленно: электронов — к положительному полюсу напряжения, положительных дырок— к минусу. Хорошей иллюстрацией картины таких перемещений может служить перемещение солдат в строю (рис. 56), при этом движение дырки подобно заполнению пустого места в строю. Таким образом, в полупроводнике электрический ток создается не только свободными электронами, но и перемещением положительных зарядов — дырок, т, е, имеется и дырочная проводимость.

Совершенно очевидно, что в рассмотренном примере, т. е. в химически чистом полупроводнике, количество вырванных электронов равно количеству дырок. При этом электропроводимость полупроводника, которая называется собственной, невелика.

Рис. 56. Движение «дырки» подобно перемещению пустого места в строю солдат

Проводимость полупроводника можно значительно улучшить путем добавления в него специально подобранных примесей. Если атом примеси имеет большее число электронов, чем нужно для образования связей с атомами полупроводника, то в полупроводнике по-, явятся свободные электроны. В результате в полупроводнике будет преобладать электронная проводимость, или проводимость типа п (от слова «negative», т. е. отрицательный).

Если же атомы примеси имеют меньшее количество электронов, чем это нужно для образования связей с окружающими его атомами полупроводника, то атомы

примеси легко захватывают электроны от соседних атомов, что приводит к образованию большого количества дырок. Полупроводник в этом случае имеет дырочную проводимость, или проводимость типа р (от слова «positive», т. е. положительный).

Любой полупроводник по желанию путем добавления в него тех или иных примесей можно сделать полупроводником типа п или р. Вводя примеси, можно даже в смежных участках одного и того же полупроводника получить электропроводимости разного типа. Интересно отметить, что для получения необходимой для использования в радиотехнике приборов величины электропроводимости достаточно на 10 миллионов атомов основного вещества добавить один атом примеси.

В заключение отметим одно из существенных отличий полупроводников от проводников. У проводников сопротивление с повышением температуры возрастает, а у полупроводников уменьшается,

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты