Чем отличается электронная электропроводность от дырочной

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники – это материалы, которые при обычных условиях являются диэлектриками, но с увеличение температуры становятся проводниками. То есть в полупроводниках при увеличении температуры, сопротивление уменьшается.

Строение полупроводника на примере кристалла кремния

Рассмотрим строение полупроводников и основные типы проводимости в них. В качестве примера рассмотрим кристалла кремния.

Кремний является четырехвалентным элементом. Следовательно, в его внешней оболочке имеются четыре электрона, которые слабо связаны с ядром атома. С каждым по соседству находится еще четыре атома.

Атомы между собой взаимодействуют и образуют ковалентные связи. От каждого атома в такой связи участвует один электрон. Схема устройства кремния изображена на следующем рисунке.

Ковалентные связи являются достаточно прочными и при низких температурах не разрываются. Поэтому в кремнии нет свободных носителей заряда, и он при низких температурах является диэлектриком. В полупроводниках существует два вида проводимости: электронная и дырочная.

Электронная проводимость

При нагревании кремния ему будет сообщаться дополнительная энергия. Кинетическая энергия частиц увеличивается и некоторые ковалентные связи разрываются. Тем самым образуются свободные электроны.

В электрическом поле эти электроны перемещаются между узлами кристаллической решетки. При этом в кремнии будет создаваться электрический ток.

Так как основными носителями заряда являются свободные электроны, такой тип проводимости называют – электронной проводимостью. Количество свободных электронов зависит от температуры. Чем сильнее мы будем нагревать кремний, тем больше ковалентных связей будет разрываться, а следовательно, будет появляться больше свободных электронов. Это приводит к уменьшению сопротивления. И кремний становится проводником.

Дырочная проводимость

Когда происходит разрыв ковалентной связи, на месте вырвавшегося электрона, образуется вакантное место, которое может занять другой электрон. Это место называется дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд.

Положение дырки в кристалле постоянно меняется, любой электрон может занять это положение, а дырка при этом переместится туда, откуда перескочил электрон. Если электрического поля нет, то движение дырок беспорядочное, и поэтому тока не возникает.

При его наличии, возникает упорядоченность перемещения дырок, и помимо тока, который создается свободными электронами, появляется еще ток, который создается дырками. Дырки будут двигаться в противоположном движению электронов направлении.

Таким образом, в полупроводниках проводимость является электронно-дырочной. Ток создается как с помощью электронов, так и с помощью дырок. Такой тип проводимости еще называется собственной проводимостью, так как участвуют элементы только одного атома.

10.Электронная и дырочная проводимость полупроводников

Электронная проводимость.Одни полупроводники, например окислы алюминия, цинка, титана и др., обладают подобно металлам электронной проводимостью и называются полупроводниками типа n (от слова negative — отрицательный), так как в них ток представляет собой перемещение электронов, т. е. отрицательно заряженных частиц. В этих полупроводниках имеется большое количество полусвободных электронов, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение между атомами кристаллической решетки. Дырочная проводимость.Полупроводники второго типа, к которым относятся закись меди, селен и другие вещества, обладают так называемой дырочной проводимостью и называются полупроводниками тина р (от слова positive — положительный). Электрический ток в них следует рассматривать как перемещение положительных зарядов. В полупроводниках типа р полусвободных электронов нет. Поэтому в них электроны не могут двигаться так, как в полупроводниках типа n. Атом полупроводника типа р под влиянием тепловых или других воздействий может потерять один из более удаленных от ядра электронов. Тогда атом будет иметь положительный заряд, численно равный заряду электрона.

11.Носители заряда в примесных полупроводниках.

Примесь, атомы которой отдают электроны, называют донорной, При введении донорной примеси концентрация электронов в кристалле резко возрастает. Она определяется в основном концентрацией атомов примеси. Одновременно происходит генерация пар «электрон – дырка», но количество электронов, возникающих при этом, значительно меньше, чем количество электронов, отдаваемых донорами. Поэтому концентрация электронов становится значительно выше концентрации дырок: n_n >> p_n. Электрический ток в таком полупроводнике создается в основном электронами, т.е. преобладает электронная составляющая тока. Полупроводник, обладающий преимущественно электронной электропроводностью, называют полупроводником n-типа. В таком полупроводнике электроны являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.

12. Полупроводниковый диоды. Виды диодов. Свойства диодов. Обозначения на схемах.

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. Обозначения диодов на схеме. Выпрямительный Диод Шотки Стабилитрон Стабистор Варикап Туннельный диод Обращенный диод

13. Полупроводниковый диод при включении внешнего напряжения в прямом направлении. Прямая ветвь вах диода.

ВАХ – это вольт амперная характеристика. Ну а нас в этом разделе интересует вольт амперная характеристика полупроводникового диода. График ВАХ диода показан на рис. 6. Рис. 6. ВАХ полупроводникового диода. На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»). На рис. 6 синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода. Что же мы видим на графике? Ну для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки. Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание))).

Полупроводниковые электронные приборы.

Химически чистые полупроводники обладают собственной проводимостью, которую в отличие от проводимости, обусловленной наличием примесей, обозначают буквой i. Эта проводимость наполовину электронная и наполовину дырочная. При весьма низкой температуре полупроводник практически является диэлектриком. Но при повышении температуры проводимость его возрастает, так как все большее количество электронов, бывших ранее связанными, переходит в полусвободное состояние и вместе с тем возникает такое же количество дырок.
В 1 см³ германия содержится около 10²² атомов и при температуре 20 °С возникает 10¹³ полусвободных электронов и столько же дырок. Для кремния это число равно 10¹¹. Следовательно, в чистом полупроводнике число носителей зарядов, способных своим перемещением образовать ток, составляет миллионные и миллиардные доли процента общего числа атомов.

Электронная и дырочная проводимости полупроводников
Comments Off

Прохождение тока через полупроводники

Март 5, 2009

Рис.2 — Прохождение тока через полупроводники с электронной (а) и дырочной (б) проводимостями

Прохождение тока через полупроводники показано на рис.2. Дырки изображены в виде кружочков, а электроны — в виде точек. В полупроводнике типа n (рис.2 а) под действием эдс источника в проводах, соединяющих полупроводник с источником, и самом полупроводнике движутся полусвободные электроны. При дырочной проводимости (рис.2 б) в соединительных проводах по-прежнему движутся электроны, а в полупроводнике ток следует рассматривать как перемещение дырок. Электроны с отрицательного полюса А поступают в полупроводник и заполняют пришедшие к этому полюсу дырки. Такое объединение электронов с дырками называют рекомбинацией.

Электронная и дырочная проводимости полупроводников
Comments Off

Принцип дырочной проводимости

Март 5, 2009

Рис.1 — Принцип дырочной проводимости

Рассмотрим рис.1, на котором изображено для различных моментов времени несколько атомов, расположенных вдоль полупроводника. Пусть в начальный момент времени в крайнем атоме слева появилась дырка, вследствие того что из атома ушел электрон (рис.1а). Атом с дыркой имеет положительный заряд и может притянуть к себе электрон из соседнего атома. Если в полупроводнике действует электрическое поле (разность потенциалов), то это поле стремится двигать электроны в направлении от отрицательного потенциала к положительному.

5. Электрический ток в полупроводниках

В кристаллах полупроводников атомы имеют общую электронную пару (ковалентная решётка). Эти коллективизированные электроны могут перемещаться по всему кристаллу. При низких температурах эти связи прочны и, соответственно, свободных электронов нет, поэтому кристалл не проводит ток. Однако при повышении температуры эти связи могут разрываться, появляются свободные электроны, а вместе с ними и вакантные места, которые называются дырками .

Электрический ток в полупроводниках

Во внешнем электрическом поле появляется направленное движение дырок по направлению вектора напряжённости этого поля ( дырочная проводимость ), а электронов — в обратном направлении ( электронная проводимость ). В совокупности такие электронную и дырочную проводимость в беспримесных полупроводниках называют собственной проводимостью полупроводника.
При наличии примесей помимо собственной проводимости в проводнике появляется ещё и примесная проводимость. Примеси бывают двух видов: донорные и акцепторные .
Донорными примесями называют примеси, которые имеют лишние (для образования связей в решётке) электроны, слабо связанные с ядром. Эти электроны легко становятся свободными и под действием внешнего поля создают ток. Полупроводник с донорными примесями называется полупроводником \(n\)- типа .
Акцепторные примеси — примеси, у которых недостаточно электронов для образования связей в решётке, из-за чего в ней образуются дырки, которые под действием внешнего поля создают ток. Полупроводник с акцепторными примесями называется полупроводником \(p\)- типа .

Зависимость проводимости полупроводника от температуры

Чем выше температура, тем больше свободных электронов и дырок и тем меньше сопротивление полупроводникового кристалла, в отличие от металлов (рис. \(1\)).

Рис. \(1\). Зависимость проводимости полупроводника от температуры
Контактные явления на границах разнородных полупроводников

При контакте двух полупроводников разных типов электроны из \(n\)-области переходят в \(p\)-область, а дырки — в обратную сторону. Поэтому полупроводник \(n\)-типа имеет положительный потенциал и энергия электрона в нём уменьшается, а \(p\)-типа — отрицательный потенциал и энергия электрона увеличивается. Это называется электронно-дырочным (\(n\)-\(p\)) переходом, а возникающее на границе электрическое поле — контактным .
Внешнее электрическое поле изменяет контактное поле, поэтому большее количество электронов и дырок может перейти в другую область, из-за чего через \(n\)-\(p\)-переход будет течь электрический ток.

Полупроводниковый диод

На \(n\)-\(p\)-переходе основан принцип действия полупроводниковых диодов. Вольт-амперная характеристика диода (рис. \(2\)) показывает, что закон Ома не выполняется.

Рис. \(2\). Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода
Полупроводниковый триод (транзистор)

Принцип действия транзистора основан на двух \(n\)-\(p\)-переходах. Они бывают двух типов: \(p\)-\(n\)-\(p\)-транзисторы и \(n\)-\(p\)-\(n\)-транзисторы. Полупроводник, находящийся посредине, называется базой, а два других — коллектором и эмиттером.
Включим транзистор в цепь так, что переход эмиттер-база будет включён в пропускном направлении, а переход коллектор-база — в запирающем (рис. \(3\)). При приложении входного напряжения \(V_\) между эмиттером и базой дырки из эмиттера проникают в базу и далее — в коллектор из-за диффузии. Там они двигаются под действием электрического поля, и появляется электрический ток.