Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

ДОБАВИТЬ ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА ДЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ПОЛУПРОВОДНИКИ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электронная проводимость – результат направленного перемещения в межатомном пространстве свободных электронов, покинувших валентную оболочку атома в результате внешнего воздействия на полупроводник (нагревание, воздействие внешних полей и т.д.)

Дырочная проводимость – результат направленного перемещения валентных электронов между электронными оболочками соседних атомов на вакантные места – дырки.

Примеси в полупроводнике – атомы посторонних химических элементов, содержащихся в основном полупроводнике.

Различают донорные и акцепторные примеси.

Атомы донорной примеси имеют валентность большую валентности основного полупроводника.

Атомы акцепторной примеси имеют валентность меньшую валентности основного полупроводника.

Полупроводник n-типа – полупроводник с донорной примесью

Полупроводник p-типа – полупроводник с акцепторной примесью

p-n-переход – контактный слой двух примесных полупроводников p и n типов.

Запирающий слой – двойной слой разноименных электрических зарядов, создающий электрическое поле на p-n-переходе, препятствующее свободному разделению зарядов.

Полупроводниковый диод – полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами для включения в электрическую цепь.

Транзистор – полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами для включения в электрическую цепь.

Транзистор используется для усиления и генерации электрических сигналов.

Коэффициент усиления – отношение изменения величины выходного сигнала к вызвавшему его изменению входного.

ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Зависимость проводимости полупроводников от температуры

Собственная проводимость полупроводников

Примесная проводимость полупроводников

Донорные и акцепторные примеси

Использование различных типов проводимости полупроводников

ДАТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Наиболее отчетливо полупроводники отличаются от проводников характером зависимости электропроводности от температуры.

У соединений типа PbS, CdS и др. удельное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у металлов, а резко уменьшается.

Полупроводники – элементы и соединения у которых с увеличением температуры удельное сопротивление не растет, как у металлов, а наоборот, чрезвычайно резко уменьшается.

При низких температурах полупроводник ведет себя как диэлектрик, его удельное сопротивление очень велико. По мере повышения температуры удельное сопротивление быстро уменьшается.

При нагревании полупроводника кинетическая энергия валентных электронов повышается и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои проторенные пути и станов свободными, подобно электронам в металле.

В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки образуя электрический ток.

При повышении температуры число разорванных валентных связей, а значит и свободных электронов, увеличивается. Это ведет к уменьшению сопротивления полупроводника.

Собственная проводимость – это проводимость чистых полупроводников.

Она обычно невелика, так как мало число свободных электронов. Число свободных электронов составляет одну десятимиллиардную часть от общего числа.

Различают два вида собственной проводимости полупроводников: электронную и дырочную.

Электронная проводимость – проводимость полупроводника, обусловленная наличием у них свободных электронов.

Дырочная проводимость – проводимость полупроводников, обусловленная упорядоченным перемещением дырок.

Механизм электронной и дырочной проводимости: в отсутствии внешнего поля имеется 1 электрон (-) и 1 дырка (+). При наложении поля происходит перемещение электронов. Свободные электр смещаются против напряженности поля. В этом направлении перемещается также один из связанных электронов. Образуется дырка, которая перемещается по всему кристаллу.

Примесная проводимость – дополнительная проводимость существующая наряду с собственной, обуславливаемая наличием примесей в полупроводнике.

Дозированное введение в чистый полупроводник примесей позволяет целенаправленно менять его проводимость.

Существуют донорные и акцепторные примеси.

Донорная примеси – это примеси, легко отдающие электроны, и следовательно, увеличивающие число свободных электронов. Поскольку полупроводник, имеющий донорные примеси обладают большим числом электр, их называют полупроводниками n-типа.

Донорная примесь — это примесь с большей валентностью.

При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электрон­ной, а полупроводник называют полупроводником n-типа.

Полупроводники с донорной примесью называют полупроводниками n-типа (лат. negativus – отрицательный), так как они обладают преимущественно электронной проводимостью.

В полупроводниках n-типа электрон является основным носителем заряда, а дырки – не основным.

Например, для кремния Si с валентностью n = 4 донорной примесью является мышьяк As с валент­ностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторные примеси – это принимающие примеси.

Акцепторная примесь — это примесь с мень­шей валентностью.

При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «ды­рок». Проводимость будет «дырочной», а полупро­водник называют полупроводником

p-типа.

Полупроводники с акцепторной примесью называют полупроводниками p-типа (лат. positivus – положительный), так как они обладают преимущественно дырочной проводимостью.

Основными носителями заряда в полупроводниках p-типа являются дырки, а электроны – не основными.

Напри­мер, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

Электропроводность полупроводника нелинейно зависит от температуры, так как с повышением температуры возрастает число разрывов ковалентных связей и увеличивается количество свободных электронов.

Кроме нагрев разрыв ковалентных связей может быть вызван освещением или облучением (фотопроводимость полупроводников).

Терморезисторы используются для измерения температуры по силе тока в цепи с полупроводником. Терморезисторы применяются для дистанционного измерения температуры, противопожарной сигнализации и т.д.

Фоторезисторы – приборы, в которых использован фотоэлектрический эффект.

СВОБОДНАЯ И ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

См.выше «Проводимость полупроводников»

P-N ПЕРЕХОД

При изготовлении большинства полупроводниковых приборов используются кристаллы, в которых создаются области p и n типа. Механизм действия таких приборов основан на особых свойствах контакта между этими областями, называемого электронно-дырочным переходом.

Электронно-дырочным переходом называется контакт двух полупроводников n и p – типов.

(p – positivus –положительный, n – negativus - отрицательный)

Характерной особенностью p-n-перехода является его односторонняя проводимость: он пропускает ток практически только в одном направлении (от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа)

Создать p-n переход путем механического соединения полупроводников с различными типами проводимости не удается, так как при этом получается слишком большой зазор между ними. Толщина p-n перехода должна быть не больше межатомных расстояний.

p-n-переход изготавливают путем сплавления полупроводников.

Вследствие диффузии атомов индия в монокристалл германия у поверхности германия образуется область с проводимостью p-типа. Остальная часть кристалла германия, в которую атомы германия не проникли, по прежнему имеет n-проводимость. Между двумя областями с проводимостями различных типов возникает p-n переход.

В этом переходе образуется объемный слой, обедненный носителями заряда. Его образование объясняется диффузией. Концентрация дырок в p области велика, а в n-области относительно мала. В результате существует диффузионный поток дырок из p в n-область. Аналогично существует поток электронов в обратном направлении.

Электроны и дырки рекомбинируют. Концентрация основных носителей заряда в контактном слое оказывается уменьшенной.

В дальнейшем диффузия уменьшается, поскольку в электронно-дырочном переходе образуется препятствующая ей контактная разность потенциалов, называемая потенциальным барьером.

Его образование связано с наличием положительного и отрицательного пространственных зарядов в прилегающих к контактному слою областях.

Положительный заряд возникает со стороны электронной области полупроводника вследствие того, что там остаются ионизированные атомы доноров.

Отрицательный заряд образуется со стороны дырочной области ионизированными акцепторами.

В p-n-переходе образуется двойной электрический слой. Напряженность поля этого запирающего слоя направлена от n к p-полупроводнику (от плюса к минусу) и препятствует дальнейшему разделению зарядов.

Область с уменьшенным количеством носителей заряда называется запирающим слоем.

Запирающий слой – двойной слой разноименных электрических зарядов, создающий электрическое поле на p-n-переходе, препятствующее свободному разделению зарядов.

Если к p-n переходу приложить внешнее напряжение так, чтобы плюс источника был присоединен к электронной области (p), а минус – к дырочной (n), то полярности внешнего напряжения и контактной разности потенциалов совпадают.

Высота потенциального барьера возрастает, основные носителя заряда оттесняются внешним полем от границы перехода. Запирающий слой расширяется и его сопротивление увеличивается.

Под действием внешнего электрического поля указанной полярности электроны могут легко переходить из p области в n область, но в p области количество свободных электронов незначительно – оно обусловлено только собственной проводимостью полупроводника. С другой стороны, дырки легко могут переходить из n области в p область, но их количество в n области мало.

Через p-n переход потечет малый (обратный) ток, вызванный движением незначительного количества неосновных носителей заряда. Этот ток обусловлен собственной проводимостью полупроводника.

Напряжение указанной полярности называется обратным напряжением.

Если изменить полярность приложенного напряжения, то высота потенциального барьера уменьшится. Электроны в n области будут двигаться к границе, компенсируя положительные заряды доноров, а дырки в p области будут двигаться к границе, компенсируя отрицательные заряда акцепторов. Пограничные области обогащаются основными носителями заряда, запирающий слой сужается, его сопротивление уменьшается.

При уменьшении потенциального барьера большое количество избыточных электронов из n области под действием приложенного напряжения будет переходить в дырочную область. Аналогично дырки из p области будут переходить в электронную область. Через электронно-дырочный переход от p области к n области протекает большой ток, называемый прямым током.

Он создается движением большого количества основных носителей заряда, т.е. обусловлен примесной проводимостью.

Таким образом, переход между двумя полупроводниками с различного типа обладает односторонней проводимостью.

На рисунке показана вольтамперная характеристика такого перехода, из которой видным нелинейные свойства p-n-перехода.

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении прямого напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет со все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n и р-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной.

Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении тока n и р-области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости.

Следовательно, полный ток iобр=iдр-iдиф резко увеличивается.

Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, т.е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации.

Явление ударной ионизации состоит в том, что при высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны.

Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

Обратный ток в сильной мере зависит от температуры.

Падение напряжения в прямом направлении от температуры зависит слабо.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой р-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается.

Следует различать электрический и тепловой пробой р-n-перехода.

Электрический пробой, области которого соответствует участок АБВ характеристики, является обратимым, т.е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа в режиме электрического пробоя допустима.

Специальные диоды для стабилизации напряжения — полупроводниковые стабилитроны - работают на участке БВ характеристики.

Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для р-n-переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 105 В/см, действующем в р-n-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей.

Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Области теплового пробоя соответствует участок ВГ. Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте р-n-перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима р-n-перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковые диоды используются в современной технике для выпрямления переменного тока. В полупроводниковом диоде используется свойство p-n перехода.

На протяжении половины периода, когда потенциал полупроводника р-типа положителен, ток свободно проходит через p-n переход. В следующую половину периода ток равен нулю.

Полупроводниковые диоды изготавливают из германия, кремния, селена и других веществ путем сплавления полупроводников. Наибольшее распространение получили германиевые и кремниевые диоды.

В полупроводниковом германиевом диоде катодом служит германий, а анодом – индий.

Полупроводниковый диод имеет целый ряд преимуществ перед электронными двухэлектродными лампами (экономия энергии для получения системой тока, миниатюрность, высокая надежность, большой срок службы, не надо дополнительного источника для нити накаливания).

Недостатком полупроводниковых диодов является ограниченный интервал температур, в котором они работают (приблизительно от -70 до +125˚С).

ДОБАВИТЬ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Мостовая схема выпрямления

Получила наибольше распространение на практике.

Достоинством мостовой схемы является то, что ток течет через нагрузку в оба полупериода питающего напряжения.

Транзистор

Транзистор – полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами для включения в электрическую цепь.

(англ. transfer – переносить, resistor – сопротивление)

Транзистор образует три слоя примесных полупроводников, два p-n (или n-p) перехода: эмиттер, база, коллектор.

Средняя, регулирующая силу тока в транзисторе, часть кристалла называется база и имеет очень малую толщину(10 мкм), крайние – эмиттер и коллектор.

В зависимости от чередования n и p-полупроводников различают n-p-n и p-n-p транзисторы.

Стрелка на условном изображении транзистора направлена по току основных носителей заряда между эмиттером и базой.

Если транзистор не включен в электрическую цепь, то на p-n-переходах образуются запирающие слои.

При включении n-p-n транзистора в цепь, на n-p-переход эмиттер-база подается небольшое прямое напряжение UБ, а на p-n-переход база-коллектор обратное напряжение UК.

При прямом включении напряжения UБЭ свободные электроны из эмиттера диффундируют в базу и благодаря ее малой толщине почти все достигают коллекторного перехода (IБ << IЭ)

Под действием положительного потенциала источника UКЭ электроны притягиваются к коллектору, так что через сопротивление нагрузки RН протекает ток IК ≈ IЭ.

Сила тока IК, протекающего через коллектор (и соответственно через сопротивление нагрузки) значительно превышает силу тока IБ через базу.

Сила тока, ответвляющегося в цепь базы из эмиттера, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной плоскости во много раз меньше сечения в вертикальной плоскости.

Небольшая сила тока через базу вызывает значительную силу тока в нагрузке, поэтому транзистор можно использовать для усиления электрических сигналов.

Напряжение на сопротивлении нагрузки RН значительно превышает напряжение между базой и эмиттером:

UН = IКRН >> UБ

Сила тока в коллекторе практически равна силе тока в эмиттере и изменяется вместе с током эмиттера.

Сопротивление резистора RН мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим.

Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включенного в цепь базы, получим синхронное изменение напряжения на резисторе R.

При большом сопротивлении резистора изменение напряжения на нем может в десятки раз превышать изменение напряжения сигнала в цепи эмиттера. Это означает усиление по напряжению.

Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность входного сигнала.

Отношение изменения тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы при прочих равных условиях величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока

β =

Изменяя ток в цепи базы, возможно получить изменения в токе цепи коллектора.

Обычные биполярные транзисторы изготавливают по сплавной технологии, что и полупроводниковые диоды.

Кроме биполярных широко используются так называемые полевые транзисторы, управление током в которых производится не управляющим током базы, а электрическим полем.

Недостатки транзисторов те же, что и полупроводниковых диодов. Они чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49