Электронно-дырочный переход. Транзистор

Содержание:

Преподаватель физики

Исходя из значения удельного электрического сопротивления, полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками. Полупроводниками считают германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и огромное количество других сплавов и химических соединений.

Применение полупроводников

Практически все неорганические соединения являются полупроводниками. Наиболее часто встречающимся считается кремний, который входит в $30 %$ состав земной коры. Отличие полупроводников от металлов проявляется через зависимость удельного сопротивления от температуры. При ее понижении сопротивление падает. Полупроводники наоборот при понижении температуры выявлено возрастание сопротивления вблизи нуля, что делает их практически изоляторами. Это подробно показано на рисунке $1.13.1$ .

Применение полупроводников

Рисунок $1.13.1 .$ Зависимость удельного сопротивления $ρ$ чистого полупроводника от абсолютной температуры $T$ .

Определение 1

Зависимость $ρ (T)$ объясняет, что концентрация носителей свободного заряда у полупроводников не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры.

Механизм электрического тока нельзя объяснить, основываясь только на модели газа свободных электронов.

Пример 1

Для этого рассмотрим данный механизм на примере германия. Кристалл кремния имеет аналогичные зависимости.

Внешняя оболочка атомов германия имеет $4$ слабо связанных электрона. Они получили название валентных. Наличие кристаллической решетки говорит о том, что атом окружен еще $4$ . Такая связь получила название ковалентной, то есть осуществляемая парами валентных электронов. Она имеется в кристалле германия между атомами. Каждый из валентных электронов принадлежит двум атомам, как изображено на рисунке $1.13.2$ .

Валентные электроны кристалла германия связаны сильней, чем в металлах. Отсюда следует, что концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках намного меньше, чем у металлов. Если кристалл германия имеет температуру, близкую к абсолютному нулю, то электроны образуют связи. Тогда такой кристалл не может проводить ток.

Применение полупроводников

Рисунок $1.13.2 .$ Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары.

Повышение температуры способствует получению энергии некоторыми валентными электронами, которой достаточно для разрыва ковалентных связей. Это приведет к тому, что в кристалле возникнут свободные электроны, называемые электронами проводимости.

Определение 2

В одно и то же время места разрыва связей образуют вакансии, не занятые электронами. Они получили название дырок.

Определение 3

Занять вакантное место могут валентные электроны соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле. Заданная температура полупроводника за единицу времени образует определенное количество электронно-дырочных пар.

Данный момент характеризуется обратным процессом: при встрече свободного электрона с дыркой происходит восстановление электронной связи между атомами германия. Процесс получил название рекомбинации.

Типы интегральных микросхем

Появление электронно-дырочных пар возможно при освещении полупроводника энергией электромагнитного излучения. Если электрическое поле отсутствует, электроны проводимости и дырки становятся участниками хаотического теплового движения.

При перемещении полупроводника в электрическое поле в упорядоченное движение вовлекаются свободные электроны и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Отсюда следует, что ток $I$ в полупроводнике состоит из суммы электронного $I_{n}$ и дырочного $I_{p}$ токов:

$I = I_{n} + I_{p}$ .

Определение 4

Концентрация электронов проводимости в полупроводниках равняется концентрации дырок $n_{n} = n_{p}$ . Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у чистых полупроводников. Его называют собственной электрической проводимостью.

При наличии примесей в полупроводниках происходит изменение электрической проводимости.

Пример 2

Если добавить в кристалл кремния примеси фосфора в количестве $0, 001$ атомного $%$ , происходит уменьшение удельного сопротивления более, чем на $5$ порядков. Это влияние объясняется изложенными выше представлениями о строении полупроводников.

Полупроводник $n$ -типа

Определение 5

Необходимое условие резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при добавлении примесей есть отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла. Наличие примесей при проводимости проводника называют примесной проводимостью. Рассматривают два типа: электронную и дырочную.

Возникновение электронной проводимости обусловлено ведением пятивалентных атомов в кристалл с четырехвалентными.

Полупроводник n-типа

Рисунок $1.13.3 .$ Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник $n$ -типа.

Рисунок $1.13.3$ показывает пятивалентный атом мышьяка, который находится в узле кристаллической решетки германия. Образование ковалентных связей происходит при помощи $4$ соседних атомов германия и $4$ валентных электрона атома мышьяка. Так как пятый электрон оказывается лишним, он отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом с утерянным электроном становится положительно заряженным ионом, располагаемым в узле кристаллической решетки.

Полупроводник $p$ -типа

Определение 6

Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называют донорной примесью.

При ее введении в кристалле происходит появление значительного числа свободных электронов. Это способствует резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника в разы. Если оно содержит большое количество примесей, то происходит приближение к удельному сопротивлению металлического проводника.

Кристалл германия с примесью мышьяка – это электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка, являются основным типом носителей свободного заряда.

Определение 7

Такой кристалл имеет $n_{n} ≫ n_{p}$ . Данная проводимость получила название электронной, а проводник, обладающей ей, называют полупроводником n-типа.

Полупроводник p-типа

Рисунок $1.13.4 .$ Атом индия в решетке германия. Полупроводник $p$ -типа.

Дырочная проводимость появляется при введении трехвалентных атомов в кристалл германия. Рисунок $1.13.4$ иллюстрирует атом индия, создающий ковалентные связи с $3$ соседними атомами германия с помощью валентных электронов. Для образования связи с $4$ атомом германия у атома индия нет электрона, так как он был захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Происходит переход атома индия к отрицательному иону, располагаемому в узле кристаллической решетки. Тогда как в ковалентных связях соседних атомов появляется вакансия.

$n - p$ переход

Определение 8

Примесь атомов, которая способна захватывать электроны, получила название экцепторной.

При ее введении в кристалл разрываются ковалентные связи, что приводит к образованию дырок. Если на это место переходит электрон из соседних ковалентных связей, то это приводит к хаотичному блужданию дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси способствует резкому снижению удельного сопротивления полупроводника при помощи появления большого количества дырок. Их концентрация в полупроводнике с акцепторной примесью превышает концентрацию электронов, возникающие по причине механизма собственной электропроводимости полупроводника $n_{p} ≫ n_{n}$ , называемой дырочной.

Определение 9

Примесный полупроводник с наличием дырочной проводимости называют полупроводником $p$ -типа. Основные носители свободного заряда в таких полупроводниках являются дырками.

Дырочная проводимость обуславливается эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электрону, осуществляемому ковалентную связь.

Для полупроводников $n -$ и $p -$ типов происходит выполнение закона Ома на определенных интервалах сил тока и напряжений с условием постоянной концентрации свободных носителей.

Курсовая работа по физике

от 5 дней/ от 2160 р.

Реферат по физике

от 1 дня/ от 840 р.

Решение задач по физике

от 1 дня/ от 150 р.

Применение полупроводников

Типы интегральных микросхем

Полупроводник n-типа

Полупроводник p-типа

n-p переход

Полупроводник $n$ -типа

Полупроводник $p$ -типа

$n - p$ переход