материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: полупроводники, собственная и примесная проводимость полупроводников.

До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале Ом·м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на порядков: Ом·м.

Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники: их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне Ом·м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения (Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками). Наиболее широко примененяются кремний и германий .

Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость для полупроводника

Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой — как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.

Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.

Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.

Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого — различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.

Ковалентная связь

Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе — их атомы скрепляет ковалентная связь. Давайте вспомним, что это такое.

Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными, слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются

общей электронной парой (рис. 2).

Рис. 2. Ковалентная связь

Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь — это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар

. По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной.

Кристаллическая структура кремния

Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник — кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник — германий.

Пространственная структура кремния представлена на рис. 3 (автор картинки — Ben Mills). Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, — это каналы ковалентной связи между атомами.

Рис. 3. Кристаллическая структура кремния

Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами. Почему так получается?

Дело в том, что кремний четырёхвалентен — на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).

Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (рис. 4).

Рис. 4. Кристаллическая решётка кремния

Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.

Однако валентные электроны отнюдь не «привязаны намертво» к соответствующим парам атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек всех соседних атомов, так что любой валентный электрон есть общее достояние всех атомов-соседей. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему с ним атому 2, затем — к соседнему с ним атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла — они, как говорят,

принадлежат всему кристаллу (а не какой-либо одной атомной паре).

Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам — они не проводят электрический ток.

Собственная проводимость

Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?

При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости

) — точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.

Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.

Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5. На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка — вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся нескомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.

Рис. 5. Образование свободных электронов и дырок

Дырки не остаются на месте — они могут блуждать по кристаллу. Дело в том, что один из соседних валентных электронов, «путешествуя» между атомами, может перескочить на образовавшееся вакантное место, заполнив дырку; тогда дырка в этом месте исчезнет, но появится в том месте, откуда электрон пришёл.

При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное

движение дырок. Почему? Понять это несложно.

На рис. 6 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле . В левой части рисунка — начальное положение дырки.

Рис. 6. Движение дырки в электрическом поле

Куда сместится дырка? Ясно, что наиболее вероятны перескоки «электрон > дырка» в направлении против линий поля (то есть к «плюсам», создающим поле). Один из таких перескоков показан в средней части рисунка: электрон прыгнул влево, заполнив вакансию, а дырка, соответственно, сместилась вправо. Следующий возможный скачок электрона, вызванный электрическим полем, изображён в правой части рисунка; в результате этого скачка дырка заняла новое место, расположенное ещё правее.

Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля — то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.

Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля , а дырки — в направлении вектора .

Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью, или проводимостью n-типа. Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью,или проводимостью p-типа (от первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный)). Обе проводимости — электронная и дырочная — вместе называются собственной проводимостью полупроводника.

Каждый уход электрона с разорванной ковалентной связи порождает пару «свободный электрон–дырка». Поэтому концентрация свободных электронов в кристалле чистого кремния равна концентрации дырок. Соответственно, при нагревании кристалла увеличивается концентрация не только свободных электронов, но и дырок, что приводит к возрастанию собственной проводимости полупроводника за счёт увеличения как электронной, так и дырочной проводимости.

Наряду с образованием пар «свободный электрон–дырка» идёт и обратный процесс: рекомбинация свободных электронов и дырок. А именно, свободный электрон, встречаясь с дыркой, заполняет эту вакансию, восстанавливая разорванную ковалентную связь и превращаясь в валентный электрон. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие: среднее число разрывов ковалентных связей и образующихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно среднему числу рекомбинирующих электронов и дырок. Это состояние динамического равновесия определяет равновесную концентрацию свободных электронов и дырок в полупроводнике при данных условиях.

Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.

При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно см. Концентрация же атомов кремния — порядка см. Иными словами, на атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов.

Примесная проводимость

Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.
Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка . После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.

На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями — атомами кремния (рис. 7). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?

Рис. 7. Полупроводник n-типа

А пятый электрон становится свободным! Дело в том, что энергия связи этого «лишнего» электрона с атомом мышьяка, расположенным в кристалле кремния, гораздо меньше энергии связи валентных электронов с атомами кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка в результате теплового движения остаются без пятого электрона, превращаясь в положительные ионы. А кристалл кремния, соответственно, наполняется свободными электронами, которые отцепились от атомов мышьяка.

Наполнение кристалла свободными электронами для нас не новость: мы видели это и выше, когда нагревался чистый кремний (без каких-либо примесей). Но сейчас ситуация принципиально иная: появление свободного электрона, ушедшего из атома мышьяка, не сопровождается появлением подвижной дырки. Почему? Причина та же — связь валентных электронов с атомами кремния гораздо прочнее, чем с атомом мышьяка на пятой вакансии, поэтому электроны соседних атомов кремния и не стремятся эту вакансию заполнить. Вакансия, таким образом, остаётся на месте, она как бы «приморожена» к атому мышьяка и не участвует в создании тока.

Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости. Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.

Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.

Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными. Например, пятивалентный мышьяк — донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными — дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа (или просто n-полупроводниками).

А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.

Предположим, что примесь составляет , то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка см.

Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: см. Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью — ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна см. Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.

Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.

Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь — например, индий . Результат такого внедрения показан на рис. 8.

Рис. 8. Полупроводник p-типа

Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка.

И дырка эта не простая, а особенная — с весьма большой энергией связи. Когда в неё попадёт электрон из соседнего атома кремния, он в ней «застрянет навеки», ибо притяжение электрона к атому индия весьма велико — больше, чем к атомам кремния. Атом индия превратится в отрицательный ион, а в том месте, откуда электрон пришёл, возникнет дырка — но теперь уже обыкновенная подвижная дырка в виде разорванной ковалентной связи в кристаллической решётке кремния. Эта дырка обычным образом начнёт блуждать по кристаллу за счёт «эстафетной» передачи валентных электронов от одного атома кремния к другому.

И так, каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному появлению свободного электрона. Такие примеси, атомы которых захватывают «намертво» электроны и тем самым создают в кристалле подвижную дырку, называются акцепторными.

Трёхвалентный индий — пример акцепторной примеси.

Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью — это дырочный полупроводник, или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник).

Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки — основные носители заряда. Свободные электроны — неосновные носители заряда в p-полупроводнике. Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.

p–n-переход

Место контакта двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом, или p–n-переходом. В области p–n-перехода возникает интересное и очень важное явление — односторонняя проводимость.

На рис. 9 изображён контакт областей p- и n-типа; цветные кружочки — это дырки и свободные электроны, которые являются основными (или неосновными) носителями заряда в соответствующих областях.

Рис. 9. Запирающий слой p–n-перехода

Совершая тепловое движение, носители заряда проникают через границу раздела областей.

Свободные электроны переходят из n-области в p-область и рекомбинируют там с дырками; дырки же диффундируют из p-области в n-область и рекомбинируют там с электронами.

В результате этих процессов в электронном полупроводнике около границы контакта остаётся нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в дырочном полупроводнике (также вблизи границы) возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой , внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу контакта.

Подключим теперь к нашему полупроводниковому элементу источник тока, подав «плюс» источника на n-полупроводник, а «минус» — на p-полупроводник (рис. 10).

Рис. 10. Включение в обратном направлении: тока нет

Мы видим, что внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое поле возрастает. Сопротивление запирающего слоя велико, и основные носители не в состоянии преодолеть p–n-переход. Электрическое поле позволяет переходить границу лишь неосновным носителям, однако ввиду очень малой концентрации неосновных носителей создаваемый ими ток пренебрежимо мал.

Рассмотренная схема называется включением p–n-перехода в обратном направлении. Электрического тока основных носителей нет; имеется лишь ничтожно малый ток неосновных носителей. В данном случае p–n-переход оказывается закрытым.

Теперь поменяем полярность подключения и подадим «плюс» на p-полупроводник, а «минус»—на n-полупроводник (рис. 11). Эта схема называется включением в прямом направлении.

Рис. 11. Включение в прямом направлении: ток идёт

В этом случае внешнее электрическое поле направлено против запирающего поля и открывает путь основным носителям через p–n-переход. Запирающий слой становится тоньше, его сопротивление уменьшается.

Происходит массовое перемещение свободных электронов из n-области в p-область, а дырки, в свою очередь, дружно устремляются из p-области в n-область.

В цепи возникает ток , вызванный движением основных носителей заряда (Теперь, правда, электрическое поле препятствует току неосновных носителей, но этот ничтожный фактор не оказывает заметного влияния на общую проводимость).

Односторонняя проводимость p–n-перехода используется в полупроводниковых диодах. Диодом называется устройство, проводящие ток в лишь одном направлении; в противоположном направлении ток через диод не проходит (диод, как говорят, закрыт). Схематическое изображение диода показано на рис. 12.

Рис. 12. Диод

В данном случае диод открыт в направлении слева направо: заряды как бы текут вдоль стрелки (видите её на рисунке?). В направлении справа налево заряды словно упираются в стенку — диод закрыт.

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках.

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).

Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.

Общие понятия.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Свойства полупроводников.

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г. — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Сайт academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

ИЗОЛЯТОРЫ, ПРОВОДНИКИ И ПОЛУПРОВОДНИКИ | sibac.info

Изоляторы — это материалы, препятствующие потоку тепла (тепловые изоляторы) или электрическому току (электрические изоляторы). Противоположностью электрических изоляторов являются проводники и полупроводники, которые позволяют протекать току (полупроводник можно также назвать изолятором, т.к. он предотвращает поток электрического тока при низких температурах, если только он не легирован атомами, которые высвобождают дополнительные заряды для переноса электрического тока).

Для электроники и электротехники материалы классифицируются в соответствии с их электрическим сопротивлением, которое описывает, как легко они пропускают электрический ток при приложении напряжения. Помимо проводников, материалы классифицируются как изоляторы (очень плохие проводники), полупроводники (материалы, чью способность управлять электричеством, можно контролировать), сверхпроводники, которые не обладают значительным электрическим сопротивлением.

Все проводники содержат подвижные электрические заряды, которые будут двигаться, когда электрическая разность потенциалов (измеряемая в вольтах) приложена к отдельным точкам на проводе. Этот поток заряда (измеряемый в амперах) понимается под действием электрического тока. В большинстве материалов величина тока пропорциональна напряжению (закон Ома) при условии, что температура остается постоянной, а материал остается в той же форме и состоянии.

Большинство известных проводников являются металлическими. Медь является наиболее распространенным материалом для электропроводки и золотом для высококачественных контактов поверхности с поверхностью. Однако имеется также множество неметаллических проводников, включая графит, растворы солей и всю плазму.

Непроводящие материалы не имеют подвижных зарядов и, таким образом, сопротивляются потоку электрического тока, выделяя тепло. Фактически, все материалы оказывают определенное сопротивление и нагреваются при протекании тока. Таким образом, правильная конструкция проводника учитывает температуру, которую проводник должен выдерживать без повреждений, а также величину электрического тока. Движение зарядов также создает электромагнитное поле вокруг проводника, которое оказывает механическое радиальное сжатие на проводнике. Поскольку все проводники имеют некоторое сопротивление, и все изоляторы будут нести некоторый ток, нет принципиального различия между проводниками и изоляторами. Однако существует большой разрыв между проводимостью материалов, которые будут проводить полезный ток при рабочих напряжениях, и материалами, которые будут пропускать незначительный ток для данной цели, поэтому категории изолятора и проводника имеют практическое применение.

Полупроводник — это твердый материал, который имеет электрическую проводимость между проводником и изолятором; он может изменяться в широком диапазоне постоянно или динамически. Полупроводники чрезвычайно важны в технике. Полупроводниковые приборы, электронные компоненты из полупроводниковых материалов необходимы в современных электрических устройствах. Кремний используется для создания большинства полупроводников в промышленных масштабах, но также используются десятки других материалов.

Полупроводники очень похожи на изоляторы. Две категории твердых тел отличаются тем, что изоляторы имеют большие запрещенные зоны — энергию, которую электроны должны приобретать, чтобы свободно перемещаться от атома к атому. В полупроводниках при комнатной температуре, как и в изоляторах, очень мало электронов набирают достаточную тепловую энергию для того, чтобы перескочить зазор между валентной зоной и зоной проводимости, что необходимо для того, чтобы электроны были доступны для проведения электрического тока. По этой причине чистые полупроводники и изоляторы в отсутствие приложенных электрических полей имеют примерно одинаковое сопротивление. Однако меньшие запрещенные зоны полупроводников позволяют использовать другие средства, кроме температуры, для контроля их электрических свойств.

Сопротивление полупроводников обычно динамически модифицируется путем применения электрических полей. Способность динамически контролировать сопротивление/проводимость в областях полупроводникового материала посредством приложения электрических полей — это особенность, которая делает полупроводники полезными. Это привело к разработке широкого спектра полупроводниковых приборов, таких как транзисторы и диоды. Полупроводниковые устройства с динамически контролируемой проводимостью, такие как транзисторы, являются строительными блоками таких интегральных схем, как микропроцессор. Эти «активные» полупроводниковые приборы (транзисторы) объединены с пассивными компонентами, выполненными из полупроводникового материала, таких как конденсаторы и резисторы, для создания полных электронных схем.

В большинстве полупроводников, когда электроны теряют достаточную энергию для падения из зоны проводимости в валентную зону (уровни энергии выше и ниже запрещенной зоны), они часто излучают свет, квант энергии в видимом электромагнитном спектре. Этот фотоэмиссионный процесс лежит в основе светоизлучающего диода (LED) и полупроводникового лазера, оба из которых очень важны для коммерческого использования. И наоборот, полупроводниковое поглощение света в фотодетекторах возбуждает электроны для перехода от валентной зоны к зоне большей проводимости энергии, что облегчает обнаружение света. Это полезно для волоконно-оптической связи и обеспечивает основу для энергии от солнечных элементов.

Полупроводники могут представлять собой элементарные материалы, такие как кремний и германий, или составные полупроводники, такие как арсенид галлия и фосфид индия, или сплавы, такие как кремний-германий или арсенид алюминия-галлия.

 

Список литературы:

1. Дмитриева В.Ф. Физика: Учебное пособие для техникумов./Под ред. В.Л. Прокофьева, – 4-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2001. – 510 с.
2. Ремизов А.Н. Курс физики: Учебник для ВУЗов / А.Н. Ремизов, А.Я. Потапенко. – М.: Дрофа, 2002. – 720 с.
3. Синдеев Ю.Г., Грановский В.Г. Электротехника. Учебник для студентов педагогических и технических вузов. Ростов-на-Дону: «Феникс», 1999. — 448 с.

Проводники, полупроводники и непроводники электричества

На прошлом уроке мы уже затрагивали тему проводников и непроводников электричества. Сегодня мы остановимся на этом более подробно. Подобно хорошей и плохой теплопроводности, существует хорошая и плохая электропроводность.

Итак, проводники — это такие тела, которые обладают способностью передавать электрические заряды от заряженного тела к незаряженному.

Как мы уже и говорили, металлы являются хорошими проводниками. Также, вода, соли, кислоты и щёлочи хорошо проводят электричество. Свободные электроны, перемещаясь по проводникам, передают тот или иной заряд.

Непроводники — это тела, которые не способны передавать заряды от заряженного тела к незаряженному.

На прошлом уроке мы уже выяснили, что резина и пластмассы не проводят электричество, поэтому часто используются для изоляции. Также, к непроводникам относятся газы, стекло, сухое дерево и т.д.

Наконец, существуют полупроводники. Это тела, которые не проводят электричество при низких температурах, но начинают проводить электричество при более высоких температурах. Как мы помним, с повышением температуры колебания молекул внутри тела возрастают. Поэтому, при достаточной амплитуде колебаний, в полупроводниках возникают свободные электроны и, соответственно, электрический ток. Примерами полупроводников являются германий и кремний, которые довольно широко используются людьми.

Полупроводники могут быть использованы в качестве термометров, поскольку их проводимость зависит от температуры. Также, их можно использовать как температурно зависимые резисторы (т.е. электрическое сопротивление будет увеличиваться с понижением температуры). Это нужно, например, для того, чтобы при достижении определённой температуры тот или иной участок цепи прекращал проводить ток, или же, напротив — начинал проводить ток. Более подробно о проводимости и электрическом сопротивлении мы поговорим немного позже.

Существует ещё и такое понятие, как фотопроводимость — это явление повышения электропроводности вещества под воздействием света. Это свойство широко используется для осуществления дистанционного управления и сигнализации. Существует довольно много приборов, основанных на изменчивости электропроводности в полупроводниках. Самые известные из них — это телевизор, радио и компьютер. Принцип работы аппаратуры подобной сложности объяснить довольно не просто на данном этапе, поэтому более подробно это будет изучено в старших классах.

Заметим ещё одну важную деталь: тела, не являющиеся проводниками, вполне могут обладать способностью наэлектризовываться. Ни в коем случае нельзя путать эти явления: электризация происходит при соприкосновении тел, а проводимость возникает внутри тела. Электризация происходит в результате перехода электронов от одного тела к другому, а электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.

Чем полупроводник отличается от проводника?

В проводнике всегда имеются свободные носители заряда, это его почти неотъемлемое свойство. В полупроводнике эти носители вот-вот появились бы, но «в норме» их нет; они появляются при определённых условиях, при добавлении каких-то примесей (легировании) и т. п. Таким образом, образованием и исчезновением носителей полупроводника можно управлять технологически. Например, соединив два куска проводника разного легирования, можно изготовить диод, который проводит ток только в одном направлении; соединив три куска, можно изготовить транзистор, в котором ток в одном куске управляет прохождением тока через два других (электронный вентиль) ; можно изготовить фотоэлемент, который под воздействием света будет менять свою проводимость и так далее.

Полупроводник пропускает ток только в одну сторону…

Полупроводник пропускает ток в одно сторону,а проводник в обе стороны

как говорил один мой препод: полупроводник — один проводник на два вагона.

По проводнику может течь переменный и постоянный ток.А полупроводник переменный ток выпрямляет,т.е. делает его постоянным.И вполупроводнике ток может течь лишь в одну сторону.

количеством электронов на внешней орбитали<br><br>А для грамотеев написавших выше, то что вы описываете это полупроводниковый диод.

Полупроводник — это проводник,обслуживающий<br>два пассажирских или трамвайных вагона.<br>P.S.<br>В СССР их было очень много,а сейчас это «дифицит».<br>—————————————————————————<br>Прошу прощение — не заметил ответ sir ColnusHKo.<br>

В полупроводнике ток течет в обе стороны, не путайте с p-n переходом. А Вам, Ася, советую почитать свой учебник и не парить мозги тысячам людей.

Все встречающиеся в природе вещества по электрическим свойствам подразделяют на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.<br>Полупроводниковые материалы при комнатной температуре имеют удельное электрическое сопротивление Q = 10~3 -г- 1010 Ом-см. Материалы со значительно меньшим удельным сопротивлением (Q = 10~6 Ч- 10~3 Ом -см) относят к проводникам, а со значительно большим (е == Ю10 ч- 1018 Ом-см) — к диэлектрикам. Разграничение проводников, полупроводников, и диэлектриков по их удельному сопротивлению является условным.<br>Механизм электропроводности полупроводников и диэлектриков примерно одинаков и качественно отличается от механизма электропроводности проводников. Так, отличие полупроводника от проводника состоит не только в большем значении его удельного сопротивления, но и в иной зависимости этого сопротивления от температуры. Если при нагреве удельное сопротивление проводников увеличивается, то у полупроводников и диэлектриков оно уменьшается. При температуре, близкой к абсолютному нулю, удельное сопротивление проводников достигает малых значений, а их проводимость значительна или даже переходит в сверхпроводимость. Удельное сопротивление полупроводников при температурах, близких к абсолютному нулю, очень велико и приближается к удельному сопротивлению диэлектриков.<br>

Отличаются по наличию или отсутствию ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОННЫ.<br><br>Давайте поменяем в Вашем вопросе слово «проводник» на слово «металл». И будем говорить о металлах, полупроводниках и диэлектриках :<br><br>Все металлы в твердом и жидком состоянии проводят электричество.<br><br>Однако, что такое МЕТАЛЛ ? А это те элементы, у которых в виде простого вещества у кристаллической решетки НЕТ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ (это из зонной теории). Или, потолок валентной зоны выше дна зоны проводимости (здесь речь идет об энергии электронов).<br>Можно сказать и попроще : При температуре абсолютный 0 по Кельвину у них все еще есть электроны, которые в своем движении не придерживаются к своему атому, о оторваны от него и обходят по всему кристаллу. Эти электроны и есть электроны проводимости.<br><br>Все остальные кристаллы / вещества / , у которых есть запрещенная зона — неметаллы, Это полупроводники, диэлектрики …<br><br>При повышении температуры у ПОЛУПРОВОДНИКОВ появляется и растет проводимость, так как все большее число валентных электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости . Проще говоря, электрон отрывается от своего атома и начинает двигаться по всему кристаллу.<br>У полупроводников при комнатной температуре есть некоторая проводимость — маленькая или большая. Даже некоторые полупроводники при комнатной температуре держатся как металлы, из-за довольно узкой запрещенной зонны (например твердые растворы CdHgTe из группы A2-B6).<br><br>А у металлов наоборот — при повышении температуры проводимость слегка падает. Это потому, что из-за большей энергии электронов и атомов в кристалле при более высоких температурах движение электронов в металле затрудняется.<br><br>У ДИЭЛЕКТРИКОВ не появляется проводимость при температуре вплоть до температуры кипения. Т.е., у них настолько большая ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА, что появление электропроводности невозможно при любых условиях.<br>

Народ, вы чё?!?!<br>Что за ересь вы пишите?!<br>*(это относится не ко всем)<br><br>Короче, так:<br>Полупроводники (п/п) это материалы (кристаллические) с удельным электросопротивлением 10^(-5)-10^(8) Ом*м<br>12 чистых элементов: B,C,Si,Ge,Su,P,As,Sb,S,Se,Te,I и множество соединений.<br>Запрещённая зона у п/п такова, что крайне мало электронов могут перейти в свободное состояние. поэтому проводимость п/п без внешнего воздействия мала. но если добавить внешнее воздействие (например свет) то у многих электронов энергия становится достаточной для преодоления запрещ.зоны и проводимость резко возрастает. <br>при легировании п/п определёнными веществами можно добиться интересных свойств.<br><br>А у проводников запрещённая зона мала и много электронов может её преодалевать =&gt; высокая проводимость<br>Удельное электросопротивление 10^(-8)-10^(-5) Ом*м

чем-чем.. . в вагоне проводника всегда зарядить сотовый там или ноутбук можно…. а у полупроводника — то розетки не работаю, то тока нету….

Если не вдаваться в подробности, то кратко можно сказать так:<br>Полупроводник -материал , который проводит электрический при определенных условиях(проводимость сильно зависит от внешних условий), а проводник -проводит практически всегда

Полу проводник это тот кто провожает только пол дороги!!! типа сусанина!!! вот он как раз и был полупроводником.. а я как раз проводник всегда тебя и до дому провожал и до стога!!!

8 класс. Проводники, полупроводники и непроводники электриичества

8 класс. Проводники, полупроводники и непроводники электриичества

Назад в «Оглавление» — смотреть

1. На какие группы делят вещества по способности передавать электрические заряды?

По способности проводить электрические заряды вещества условно делятся три группы:
— проводники,
— полупроводники,
— непроводники (диэлектрики).

2. Какие тела называются проводниками?

Проводниками называются тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Примеры проводников:
— все металлы, почва, растворы солей и кислот в воде — хорошие проводники электричества.
— тело человека также хорошо проводит электрический заряд.

3. Какие тела называются непроводниками (диэлектриками)?

Непроводниками (диэлектриками) называются тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Примеры непроводников:
— фарфор, эбонит, стекло, янтарь, резина, шелк, капрон, пластмассы, керосин, воздух (газы).
Тела, изготовленные из диэлектриков, называются изоляторами.

4. Какие тела называются полупроводниками?

Полупроводниками называются тела, которые по способности передавать электрические заряды занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Примеры полупроводников:
— германий, кремний,
— оксиды и сульфиды металлов,
— некоторые органические вещества.

5. Какой характерной особенностью обладают полупроводники?

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток и являются диэлектриками.
Характерной особенностью полупроводников является возрастание их проводимости с повышением температуры.
Повышение электропроводности полупроводников может происходить и под воздействием света, потока быстрых частиц, а также при введении примесей.

6. Где применяют полупроводниковые приборы?

Полупроводники используются при создании транзисторов, тиристоров, полупроводниковых диодов, фоторезисторов.
Применение интегральных микросхем в теле-, радио- и компьютерных приборах позволяет создавать устройства малых размеров.

Назад в «Оглавление» — смотреть

Чем отличается проводник от полупроводника?

Известно, что в веществе, помещенном в электрическое поле, при воздействии сил данного поля образуется движение свободных электронов, либо ионов по направлению сил поля. Другими словами, в веществе происходит возникновение электрического тока.

Свойство, определяющее способность вещества проводить электрический ток имеет название «электропроводность». Электропроводность напрямую зависима от концентрации заряженных частиц: чем выше концентрация, тем она электропроводность.

По данному свойству все вещества подразделяются на 3 типа:

1. Проводники.
2. Диэлектрики.
3. Полупроводники.

Описание проводников

Проводники обладают наивысшей электропроводностью из всех типов веществ. Все проводники подразделяются на две большие подгруппы:

• Металлы (медь, алюминий, серебро) и их сплавы.
• Электролиты (водный раствор соли, кислоты).

В веществах первой подгруппы перемещаться способны только электроны, поскольку их связь с ядрами атомов слабая, в связи с чем, они достаточно просто от них отсоединяются. Так как в металлах возникновение тока связано с передвижением свободных электронов, то тип электропроводности в них называется электронным.

Параллельное соединение проводников

Из проводников первой подгруппы используют в обмотках электромашин, линиях электропередач, проводах. Важно отметить, что на электропроводность металлов оказывает влияние его чистота и отсутствие примесей.

Движиение электрического тока

В веществах второй подгруппы при воздействии раствора происходит распадение молекулы на положительный и отрицательный ион. Ионы перемещаются вследствие воздействия электрического поля. Затем, когда ток проходит через электролит, происходит осаждение ионов на электроде, который опускается в данный электролит. Процесс, когда из электролита под воздействием электрического тока выделяется вещество, получил название электролиз. Процесс электролиза принято применять, к примеру, когда добывается цветной металл из раствора его соединения, либо при покрытии металла защитным слоем иных металлов.

Описание диэлектриков

Диэлектрики также принято называть электроизоляционными веществами.

Все электроизоляционные вещества имеют следующую классификацию:

• В зависимости от агрегатного состояния диэлектрики могут быть жидкими, твердыми и газообразными.
• В зависимости от способы получения — естественными и синтетическими.
• В зависимости от химического состава – органическими и неорганическими.
• В зависимости от строения молекул – нейтральными и полярными.

К ним относятся газ (воздух, азот, элегаз),  минеральное масло,  любое резиновое и керамическое вещество. Данные вещества характеризуются способностью к поляризации в электрическом поле. Поляризация представляет собой образование на поверхности вещества зарядов с разными знаками.

Пример диэлектрика

В диэлектриках содержится малое количество свободных электронов, при этом электроны имеют сильную связь с ядрами атомов и только в редких случаях отсоединяются от них. Это означает, что данные вещества не обладают способностью проводить ток.

Данное свойство весьма полезно в сфере производства средств, используемых при защите от электрического тока: диэлектрические перчатки, коврики, ботинки, изоляторы на электрическое оборудование и т.п.

О полупроводниках

Полупроводник выступает в роли промежуточного вещества между проводником и диэлектриком. Самыми яркими представителями данного типа веществ являются кремний, германий, селен. Помимо этого, к данным веществам принято относить элементы четвертой группы периодической таблицы Дмитрия Ивановича Менделеева.

Полупроводники: кремний, германий, селен

Полупроводники имеют дополнительную «дырочную» проводимость, в дополнение к электронной проводимости. Данный тип проводимости зависим от ряда факторов внешней среды, среди которых свет, температура, электрическое и магнитное поле.

В данных веществах имеются непрочные ковалентные связи. При воздействии одного из внешних факторов связь разрушается, после чего происходит образование свободных электронов. При этом, когда электрон отсоединяется, в составе ковалентной связи остается свободная «дырка». Свободные «дырки» притягивают соседние электроны, и так данное действие может производиться бесконечно.

Увеличить проводимость полупроводниковых веществ можно путем внесения в них различных примесей. Данный прием широко распространен в промышленной электронике: в диодах, транзисторах, тиристорах. Рассмотрим более подробно главные отличия проводников от полупроводников.

Чем отличается проводник от полупроводника?

Основным отличием проводника от полупроводника является способность к проводимости электрического тока. У проводника она на порядок выше.

Когда поднимается значение температуры, проводимость полупроводников также возрастает; проводимость проводников при повышении становится меньше.

В чистых проводниках в нормальных условиях при прохождении тока высвобождается гораздо большее количество электронов, нежели в полупроводниках. При этом, добавление примесей снижает проводимость проводников, но увеличивает проводимость полупроводников.