Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Свидетельство о публикации

Автоматическая выдача свидетельства о публикации в официальном СМИ сразу после добавления материала на сайт - Бесплатно

Добавить свой материал

За каждый опубликованный материал Вы получите бесплатное свидетельство о публикации от проекта «Инфоурок»

(Свидетельство о регистрации СМИ: Эл №ФС77-60625 от 20.01.2015)

Инфоурок / Физика / Другие методич. материалы / Реферат по физике на тему "Полупроводники".
ВНИМАНИЮ ВСЕХ УЧИТЕЛЕЙ: согласно Федеральному закону № 313-ФЗ все педагоги должны пройти обучение навыкам оказания первой помощи.

Дистанционный курс "Оказание первой помощи детям и взрослым" от проекта "Инфоурок" даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (180 часов). Начало обучения новой группы: 28 июня.

Подать заявку на курс
  • Физика

Реферат по физике на тему "Полупроводники".

библиотека
материалов

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа

43 Автозаводского района

Города Нижнего Новгорода












Полупроводники.


















Выполнил: ученик 10 «А» класса

МОУ СОШ №43

Г. Нижнего Новгорода

Анощенков Александр Алексеевич

Научный руководитель

Учитель по физике

МОУ СОШ №43 г. Нижнего Новгорода

Смирнова Елена Николаевна

2012 год.

Оглавление






Введение



Электрический ток в полупроводниках


В чем главное отличие полупроводников от проводников? Какие особенности строения полупроводников открыли им доступ во все радиоустройства, телевизоры и ЭВМ?

Главное отличие полупроводников от проводников состоит в характере зависимости электропроводности от температуры. Исследования показывают, что у ряда элементов и соединений удельное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у металлов, а, наоборот, уменьшается.


При температурах, близких к абсолютному нулю, удельное сопротивление полупроводников очень велико, т. е. при очень низких температурах полупроводник ведет себя как диэлектрик. По мере повышения температуры удельное сопротивление полупроводника быстро уменьшается. Какова же причина увеличения электропроводности полупроводника с ростом температуры?


C:\Users\Хирург\Desktop\03.jpg

Строение полупроводников


Чтобы понять механизм возникновения проводимости в полупроводниках, необходимо знать строение полупроводниковых кристаллов и приводу связей, удерживающих атомы кристалла друг около друга. Для примера рассмотрим кристалл германия.

Нам известно, что кристаллы германия и других полупроводников имеют атомную (ковалентную) кристаллическую решетку. Четыре валентных электрона каждого атома германия связаны с такими же электронами соседних атомов химическими парно электронными (ковалентными) связями. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы германия друг возле друга. Такого рода связь существует между ядрами (протонами) в молекуле водорода. Она условно может быть изображена двумя линиями, соединяющими ядра.


Не надо думать, что коллективизированная пара электронов принадлежит лишь двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с соседними, а данный валентный электрон может двигаться по любой из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Коллективизированные валентные электроны принадлежат всему кристаллу.

Парно электронные связи германия достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому германий при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет и кристалл кремния.

C:\Users\Хирург\Desktop\image1712.jpg

Собственная проводимость полупроводников


При нагревании германия энергия валентных электронов увеличивается за счет энергии тепловых колебаний атомов решетки. При этом энергия некоторых электронов (даже при нагревании до сравнительно невысоких температур) может увеличиться настолько, что связи не выдерживают и рвутся. В результате отдельные электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металлах. Без внешнего поля эти электроны движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля они перемещаются упорядоченно между узлами кристаллической решетки, образуя электрический ток.

Проводимость полупроводников, обусловленная наличием у них свободных электронов, называется электронной проводимостью. При повышении температуры число разор-ванных ковалентных связей, а следовательно, и число свободных электронов в кристаллах увеличивается. Это и приводит к уменьшению удельного сопротивления.

Образование свободного электрона влечет за собой появление свободного (вакантного) места — электронной дырки — в нарушенной ковалентной связи. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями.


Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил электрон, образуется новая дырка. Эту дырку может занять какой-либо другой электрон. Таким образом, благодаря перемещению электронов связи происходит перемещение дырок по всему кристаллу.

Характер движения дырки в кристалле можно уяснить из следующей аналогии. Пусть один из солдат вышел из шеренги. При этом образовалась «вакансия». Если все стоящие справа солдаты будут последовательно перемещаться на освободившееся место, то все будет происходить так, как будто свободное место передвигается в сторону, противоположную перемещению солдат.


При отсутствии внешнего поля перемещение дырок, равноценное перемещению зарядов, происходит хаотически и поэтому не создает электрического тока. Под действием внешнего электрического поля происходит упорядоченное перемещение дырок в направлении линий напряженности поля, т. е. в направлении, противоположном перемещению электронов связи. Рассмотренный процесс называется дырочной проводимостью.


Таким образом, в чистых (без примесей) полупроводниках возможна электронная проводимость, обусловленная движением свободных электронов, и дырочная.

Такого рода проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.

При нарушении ковалентных связей в кристалле одновременно в одинаковом количестве возникают свободные электроны и дырки. В результате теплового движения, с одной стороны, происходит образование пар электрон—дырка, а с другой — их частичное воссоединение (рекомбинация). При данной температуре в единице объема кристалла число пар в среднем остается постоянным.


Проводимость чистых полупроводников (собственная проводимость) осуществляется перемещением свободных электронов (электронная проводимость) и перемещением связанных электронов на вакантные места парно- электронных связей (дырочная проводимость).


C:\Users\Хирург\Desktop\0007-013-Provodimost-poluprovodnikov.jpg


ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ


Проводимость полупроводников чрезвычайно сильно зависит от примесей. Именно эта зависимость сделала полупроводники тем, чем они стали в современной технике.

Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов. Например, в германии при комнатной температуре

Ge = 3 • 1013 см-3. В тоже время число атомов германия в 1 см3 порядка 1023. Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов. Собственная проводимость полупроводников имеет некоторое сходство с проводимостью водных растворов или расплавов электролитов. И в том, и в другом случае возникновение свободных носителей заряда обусловлено тепловым движением. Поэтому и у полупроводников, и у водных растворов или расплавов электролитов наблюдается увеличение проводимости с ростом температуры.


Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная — примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменить число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей. Эта способность полупроводников и открывает широкие возможности для их практического применения.

C:\Users\Хирург\Desktop\i3.jpg



Донорные примеси


Если при выращивании монокристалла германия в расплав добавить небольшое количество мышьяка или сурьмы, то при кристаллизации атомы примеси вытесняют отдельные атомы германия из их мест в кристаллической решетке. Мышьяк (и сурьма) имеют по пять валентных электронов. Поэтому атомы примеси, образовав ковалентные связи с четырьмя ближайшими атомами германия и использовав для этого четыре валентных электрона, будут иметь по одному лишнему электрону, слабо связанному с атомным ядром. Вследствие теплового движения практически все лишние электроны атомов примеси оказываются свободными. При добавлении одной десятимиллионной доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов становится равной 1016 см-3. Это в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. 


Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными (отдающими, дарящими) примесями. При наличии электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение в кристалле полупроводника, и в нем возникает электронная примесная проводимость.

Поскольку в полупроводнике число электронов значительно больше числа дырок, то электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.


C:\Users\Хирург\Desktop\ris16_7.gif

Акцепторные примеси


Если при выращивании монокристалла германия в расплав добавить некоторое количество трехвалентных атомов, например, индия или галлия, то при образовании кристалла атомы примеси вытеснят из своих мест отдельные атомы германия. При замещении в кристаллической решетке атома германия атомом примеси, имеющим три валентных электрона, три связи атома примеси с атомами германия окажутся заполненными, а одна связь четвертого атома германия (соседа атома примеси) — незаполненной.


Следовательно, в решетке образуется дырка. Каждый атом трехвалентной примеси образует в кристалле полупроводника одну дырку.


Такого рода примеси называются акцепторными (принимающими).


Под действием электрического поля дырки перемещаются в направлении вектора напряженности поля, и в полупроводнике возникает дырочная примесная проводимость. В полупроводнике такого типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными — электроны.


Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости полупроводника определяется примесью с более высокой концентрацией носителей заряда — электронов или дырок.

Донорные примеси отдают лишние валентные электроны: образуется полупроводник п-типа. Акцепторные примеси создают дырки: образуется полупроводник р-типа.

C:\Users\Хирург\Desktop\Img_T-91-01-009.jpg

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД


При контакте двух полупроводников с различными типами проводимости вследствие теплового движения происходит взаимная диффузия носителей заряда через границу соприкосновения (контакт) полупроводников. Электроны из, проводников, где они являются основными носителями заряда, переходят в, тот тип проводников где их концентрация значительно меньше. Точно так же дырки переходят. В условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полная сила тока через электронно-дырочный переход равна нулю. Объясняется это следующим образом. Электрическое поле способствует движению неосновных носителей заряда, которые «скатываются» с потенциального уступа. Поэтому все неосновные носители приконтактной области движутся через и образуют ток. Сила тока практически не зависит от разности потенциалов между проводниками определяется только количеством неосновных носителей заряда.


Основные же носители (дырки, движущиеся справа налево, и электроны, движущиеся слева направо) образуют ток. Контактное поле препятствует движению основных носителей, которые должны преодолеть потенциальный барьер. В состоянии равновесия устанавливается такая высота потенциального барьера (контактная разность потенциалов), при которой полная сила тока

Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Предположим, что мы приложили к контакту напряжение такого знака, что потенциал п-области оказывается отрицательным, а р-области — положительным. Тогда энергия электронов в увеличится, а в уменьшится, а следовательно, высота потенциального барьера станет меньше. При этом сила тока неосновных носителей, как говорилось выше, не изменится.


Сила же тока основных носителей увеличится, так как теперь большее количество электронов сможет преодолеть потенциальный барьер и перейти слева направо, а также большее количество дырок — перейти в противоположном направлении. В результате через контакт будет идти ток, направленный от р-полупроводника к л-полупроводнику; сила тока будет быстро нарастать с увеличением приложенного напряжения. Направление тока, которое возникает в данном случае, называют пропускным, а ток — прямым.

Высота потенциального барьера увеличится и сила тока основных носителей i0 уменьшится. Уже при напряжениях порядка 1 В этот ток практически обратится в нуль, и поэтому через контакт будет течь только ток неосновных носителей, при этом сила тока будет очень мала. Это направление тока называют запирающим, а ток — обратным.


Таким образом, п—р-переход обладает односторонней проводимостью, аналогично выпрямляющему действию двух- электродной лампы — вакуумному диоду.


Электронно-дырочные переходы полупроводников широко применяются в современных полупроводниковых приборах. Электронно-дырочный переход по отношению к току оказывается несимметричным: в прямом направлении сопротивление перехода значительно меньше, чем в обратном.

C:\Users\Хирург\Desktop\Img_T-91-01-010.jpg



ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД


Односторонняя проводимость нашла широкое применение в приборах, называемых полупроводниковыми диодами, для выпрямления переменного тока. Существует много различных типов диодов. Рассмотрим один из типов полупроводниковых диодов.

C:\Users\Хирург\Desktop\Img_T-91-01-016.jpgC:\Users\Хирург\Desktop\216px-Img_T-91-02-016.jpg

Устройство полупроводникового диода

Полупроводниковый диод состоит из монокристаллической пластинки германия, обладающей электронной проводимостью за счет небольшой добавки донорной примеси. Для создания перехода не годится простое механическое соединение двух полупроводников с разными типами проводимости, так как при этом между полупроводниками получается большой зазор. Толщина же должна быть не больше межатомных расстояний. Поэтому в одну из поверхностей пластинки германия вплавляют индий. В рассматриваемом диоде капля индия 5 вплавлена в верхнюю часть пластинки германия, а нижняя часть пластинки припаяна оловом 7 к металлическому корпусу 4. В процессе плавления атомы индия диффундируют внутрь германия и образуют поверхностную область с дырочной проводимостью. Остальная часть пластинки, куда атомы индия не проникли, осталась с элетронной проводимостью. В результате в пластинке образовались две резко разграниченные области с различными видами проводимости: электронно-дырочный переход.


Герметически закрытый сварной металлический корпус 4, в который помещена пластинка германия, изолирует ее от вредных воздействий атмосферного воздуха и света, обеспечивая устойчивую работу электронно-дырочного перехода. От пластинки сделаны два вывода 3, причем один из них (верхний) проходит в металлической трубке 1, изолированной от корпуса стеклом 2. Металлический корпус выгнут наподобие полей шляпы (радиатор 8) для лучшего охлаждения, так как с повышением температуры снижаются выпрямляющие свойства полупроводниковых диодов (с возрастанием температуры возрастает концентрация неосновных носителей тока, следовательно, возрастает и обратный ток).


Аналогичное строение имеют и другие диоды.

C:\Users\Хирург\Desktop\diode.png


Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода


Важной индивидуальной характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика.


Схему включения приборов при измерении прямого и обратного токов в диоде приходится изменять потому, что при прямом токе силой тока в вольтметре можно пренебречь, так как сопротивление вольтметра значительно больше сопротивления диода. При обратном токе сопротивление диода соразмерно с сопротивлением вольтметра, поэтому миллиамперметр включается последовательно с диодом. Сила тока в проходном направлении с увеличением напряжения растет очень быстро. В запирающем же направлении сила тока очень мала и почти не изменяется с ростом напряжения.


Из вольт-амперной характеристики диода следует, что для него несправедлив закон Ома. Сила тока находится в более сложной зависимости от напряжения (зависимость нелинейная), чем должно быть, согласно закону Ома.

Полупроводниковые диоды изготавливают для выпрямления как слабых, так и очень сильных токов. Первые широко применяют в радиотехнических устройствах — радиоприемниках, магнитофонах, телевизорах и т. п. Здесь они почти полностью вытеснили вакуумные диоды. Диоды, рассчитанные на сильные токи, используют для выпрямления переменных токов на тяговых подстанциях, питающих электротранспорт, а также в электролитических цехах, где производится электролиз, и т. д.


Свойства р—п-перехода используют для выпрямления переменного тока. На протяжении половины периода, когда потенциал полупроводника р-типа положителен, ток свободно проходит через р—п-переход. В следующую половину периода ток практически равен нулю.

C:\Users\Хирург\Desktop\ris1.gif

ТРАНЗИСТОР


Успешное развитие теории твердого тела привело к созданию многих полупроводниковых приборов, важное место среди которых занимает транзистор , который был изобретен в 1951 г. американскими учеными У.Б.Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардиным.



C:\Users\Хирург\Desktop\02.jpg

Устройство транзистора


Наиболее распространенным типом транзистора является плоскостной триод. Основой для изготовления транзистора, как и полупроводникового диода, служит пластинка монокристалла германия (или кремния), слегка обогащенная до- норной примесью, площадью 2—4 мм2 и толщиной около 100 мкм. На пластинку кристалла германия с двух сторон наносится тончайший слой индия.

После прогревания пластинки в печи на ее противоположных сторонах возникают области, обогащенные атомами индия, проникшими в германий при расплавлении. Эти области монокристалла германия становятся полупроводниками, а на границах соприкосновения их с основным кристаллом возникают два перехода. Средняя область кристалла называется базой транзистора, а две крайние области кристалла, обладающие проводимостью противоположного базе типа, называются коллектором и эмиттером. Эмиттер и коллектор транзистора отличаются лишь размерами: диаметр коллектора примерно в 2 раза больше диаметра эмиттера. 


Транзисторы с переходными типами имеют аналогичное устройство, только материал базы в них обладает дырочной проводимостью, а коллектор и эмиттер — электронной.

C:\Users\Хирург\Desktop\Pnp-транзистор_(устройство).png

C:\Users\Хирург\Desktop\tr02.jpg

Принцип действия транзистора


При использовании транзистора в любой электронной схеме два его электрода должны служить для введения входного сигнала и два — для выведения выходного сигнала.


Поскольку транзистор имеет всего три электрода, один из них обязательно используется дважды и оказывается общим для входной и выходной цепи.


Возможны три способа включения транзистора в электрическую цепь: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

Рассмотрим принцип действия транзистора переходного типа, включенного в цепь с общей базой. В этой схеме переход эмиттер—база включен в пропускном направлении, а переход коллектор база в запирающем направлении.


Между эмиттером и базой включается источник тока G1 с ЭДС порядка 1—1,5 В и к точкам 1, 2 подводится входное переменное напряжение U (сигнал), подлежащее усилению. К выводам от базы и коллектора присоединяется батарея элементов G2 и нагрузочный резистор R. На этом резисторе получается выходное напряжение С вых.


При создании напряжения между эмиттером и базой, поскольку эмиттерный переход включен в пропускном на-правлении, основные носители заряда полупроводника— дырки проникают в базу, где они являются уже неосновными носителями. При изготовлении транзистора добиваются того, чтобы концентрация свободных электронов в базе была на 2—3 порядка меньше концентрации дырок в эмиттере.


Поэтому встречный поток электронов из базы в эмиттер можно не учитывать.


Поскольку толщина базы очень мала (не больше 10 мкм) и число основных носителей заряда (электронов) в ней невелико, попавшие в нее дырки почти не рекомбинируют с электронами базы и проникают в коллектор за счет диффузии. Правый (коллекторный) р—га-переход закрыт для основных носителей заряда базы — электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем, созданным батареей G2, и замыкают цепь. Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной плоскости много меньше сечения в вертикальной плоскости. Сила тока в цепи эмиттера практически равна силе тока в цепи коллектора, так как почти все дырки (до 99,9%), попадающие из эмиттера в базу, переходят далее в коллектор. Поэтому при изменении силы тока в цепи эмиттера почти так же (во столько же раз) изменяется сила тока в цепи коллектора. Сопротивление резистора R мало влияет на силу тока в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим.


Незначительные колебания входного напряжения UBX вызывают значительные колебания сил токов 7Эи, следовательно, выходного напряжения 17вых, так как сопротивление R велико. При большом сопротивлении резистора R изменение напряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение входного напряжения. Это и означает усиление напряжения. Одновременно и мощность, выделяющаяся на нагрузке R, будет значительно превышать мощность, расходуемую в цепи эмиттера. Происходит усиление мощности.


Работа транзистора га—р—га-типа отличается от работы транзистора р—га—р-типа лишь тем, что электрический ток в этом случае обусловлен движением электронов (а не дырок).

Эмиттер поставляет электроны в область базы, откуда они уходят в коллектор. Поскольку меняется знак носителей тока, меняются и полярности питающих источников тока


Применение транзисторов


Транзисторы получили широкое распространение в современной технике. Их используют для усиления и генерации электрических колебаний. (Об этом будет рассказано в дальнейшем.) Они применяются во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры. Портативные радиоприемники, использующие такие приборы, в обиходе тоже получили название «транзисторы». Диоды и транзисторы, а также так называемые интегральные схемы, созданные на их основе, определяют уровень электроники, микроэлектроники, вычислительной техники. Полупроводниковые интегральные микросхемы — это монолитные функциональные узлы, все элементы которых изготавливаются в едином технологическом процессе. Именно благодаря применению интегральных микросхем удалось достигнуть значительных успехов в миниатюризации многих радиотехнических устройств. Эти схемы широко применяются в современных электронно-вычислительных машинах и микропроцессорах.

Полупроводниковые приборы (диоды и транзисторы) обладают рядом преимуществ по сравнению с радиолампами: у них нет накаливаемого катода и поэтому они потребляют меньшую мощность; имеют высокий КПД — до 50% (в то время как у вакуумных ламп он меньше 1%); низкие напряжения питания, малые размеры.

В этих приборах не требуется создания вакуума, как в электронных лампах, поэтому надежность и срок службы у них гораздо больше. Полупроводниковые приборы безынерционны, т. е. не требуют времени для разогрева, как электронные лампы, а начинают работать мгновенно после включения.


Серьезным недостатком полупроводниковых приборов является их большая чувствительность к повышению температуры, поэтому нельзя допускать их электрической перегрузки; они требуют также большой осторожности при монтаже.

Свойства р—п-перехода в полупроводниках используются для усиления и генерации электрических колебаний.


Опыты

Зависимость сопротивления полупроводников от освещенности

J:\DCIM\100Media\IMAG_0013.jpg






25


Подайте заявку сейчас на любой интересующий Вас курс переподготовки, чтобы получить диплом со скидкой 50% уже осенью 2017 года.


Выберите специальность, которую Вы хотите получить:

Обучение проходит дистанционно на сайте проекта "Инфоурок".
По итогам обучения слушателям выдаются печатные дипломы установленного образца.

ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ КУРСОВ

Автор
Дата добавления 28.10.2015
Раздел Физика
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров2283
Номер материала ДВ-103435
Получить свидетельство о публикации
Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх