Вивчення нового матеріалу. Природа електричного струму в напівпровідниках.Як відомо з курсу фізики дев’ятого класу напівпровідниками називають речовини

Природа електричного струму в напівпровідниках. Як відомо з курсу фізики дев’ятого класу напівпровідниками називають речовини, питома електрична провідність яких менша, ніж у металів і більша, ніж у діелектриків. Електропровідність напівпровідників:

- забезпечується вільними електронами і дірками;

- залишається постійною в межах області температур, специфічної для кожного виду напівпровідників, і збільшується з підвищенням температури;

- залежить від домішок;

- збільшується під дією світла і при зростанні напруженості електричного поля.

До групи напівпровідників відноситься значно більше речовин, ніж до груп провідників і діелектриків, узятих разом. До напівпровідників, що знайшли практичне застосування в техніці, відносяться германій, кремній, селен, закис міді і деякі інші речовини. Але для напівпровідникових приладів використовують в основному тільки германій і кремній у яких найбільш характерні властивості напівпровідників, що відрізняють їх від провідників і непровідників струму? Які щ властивості електропровідності відрізняють напівпровідники від класу провідників і діелектриків? При дуже низькій температурі, близькій до абсолютного нуля (- 273⁰ С) напівпровідники поводяться по відношенню до електричного струму як діелектрики. Більшість же провідників, як нам відомо, при такій температурі стають надпровідниками, тобто майже не чинять струму ніякого опору. З підвищенням температури провідників їх опір електричному струму збільшується, а опір напівпровідників зменшується.

Електропровідність провідників не змінюється при дії на них світла. Електропровідність же напівпровідників під дією світла, так звана фотопровідність, підвищується. Напівпровідники можуть перетворювати енергію світла в електричний струм. Провідникам же це абсолютно не властиво.

З курсу фізики 9 класу нам також відомо, що електропровідність напівпровідників різко збільшується при введенні в них атомів деяких інших елементів. Електропровідність же провідників при введенні в них домішок знижується. Ці і деякі інші властивості напівпровідників були відомі порівняно давно, проте широко використовувати їх стали порівняно недавно.

Власна електропровідність напівпровідників. На прикладі германію і кремнію, що є, як ми вже відзначали,початковими матеріалами багатьох сучасних напівпровідникових приладів, пояснимо механізм провідності напівпровідників. В атомі германію 32 електрони, а в атомі кремнію 14. 28 електронів атома германію і 10 електронів атома кремнію знаходяться у внутрішніх шарах їх оболонок і міцно утримуються ядрами атомів та ні за яких обставин не відриваються від них. Тільки чотири валентні електрони атомів цих напівпровідників можуть, та і то не завжди, стати вільними. Атом же напівпровідника, що втратив хоч би один електрон, стає позитивним іоном.

У напівпровіднику атоми розташовані в строгому порядку: кожен атом оточений чотирма такими ж атомами. Вони до того ж розташовані настільки близько один до одного, що їх валентні електрони утворюють єдині орбіти, які проходять навколо всіх сусідніх атомів, зв'язуючи їх в єдину речовину.

Такий взаємозв'язок атомів в кристалі напівпровідника можна уявити собі у вигляді схеми на мал.

Мал.Схема взаємозв’язку атомів у кристалі напівпровідника

Тут великі кульки із знаком «+» умовно зображають ядра атомів з внутрішніми шарами електронної оболонки (позитивні іони), а маленькі кульки - валентні електрони. Кожен атом, як бачимо, оточений чотирма такими самими атомами. Будь-який з атомів пов'язаний з кожним сусіднім двома валентними електронами, один з яких «свій», а другий запозичений у «сусіда». Це двохелектронний, або валентний, зв'язок. Найміцніший зв'язок! У свою чергу, зовнішній шар електронної оболонки кожного атома містить вісім електронів: чотири своїх і поодинці від чотирьох сусідніх атомів. Тут вже неможливо розрізнити, який з валентних електронів в атомі «свій», а який «чужий», оскільки вони стали загальними. При такому зв'язку атомів у всій масі кристала германію або кремнію можна вважати, що кристал напівпровідника є однією великою молекулою. Схему взаємозв'язку атомів у напівпровіднику можна для наочності спростити, зобразивши її так, як це зроблено на мал.

Мал. Спрощена схема структури напівпровідника

Тут ядра атомів з внутрішніми електронними оболонками показані у вигляді кружків із знаком плюс, а міжатомні зв'язки - двома лініями, що символізують валентні електрони.

При температурі, близькій до абсолютного нуля, напівпровідник поводиться як абсолютний непровідник, тому що в нього немає вільних електронів. При підвищенні температури зв'язок валентних електронів з атомними ядрами слабшає і деякі з них унаслідок теплового руху можуть покидати свої атоми. Електрон, що вирвався з міжатомного зв'язку, стає вільним (на мал. 2 - чорна крапка), а там, де він був до цього, утворюється порожнє місце. Це порожнє місце в міжатомному зв'язку напівпровідника умовно називають діркою (на мал. 2 - лінія електрона, що розірвалася). Чим вище температура напівпровідника, тим більше в нього з'являється вільних електронів і дірок. Таким чином, утворення в масі напівпровідника дірки пов'язане з виходом з оболонки атома валентного електрона, а виникнення дірки відповідає появі позитивного електричного заряду, рівного за величиною негативному заряду електрона.

А зараз розглянемо мал. На ньому схематично зображено явище виникнення струму у напівпровіднику.

Мал.Схема руху електронів і дірок у напівпровіднику

Причиною виникнення струму служить напруга, прикладена до напівпровідника (на мал. джерело напруги символізують знаки «+» і «-»). Унаслідок теплових явищ у всій масі напівпровідника вивільняється з міжатомних зв'язків деяка кількість електронів (на мал. 3 вони позначені крапками із стрілками). Електрони, що звільнилися поблизу позитивного полюса джерела напруги, притягуються цим полюсом і вивільняються з маси напівпровідника, залишаючи після себе дірки. Електрони, що розірвали міжатомні зв'язки на деякій віддалі від позитивного полюса, теж притягуються до нього і рухаються в його сторону. Але, зустрівши на своєму шляху дірки (вакансії), займають їх (мал.), відбувається заповнення деяких міжатомних зв'язків. А ближчі до негативного полюса дірки заповнюються іншими електронами, що вирвалися з атомів, розташованих ще ближче до негативного полюса (мал.). Поки в напівпровіднику діє електричне поле, цей процес продовжується: порушуються одні міжатомні зв'язки - з них йдуть валентні електрони, виникають дірки - і заповнюються інші міжатомні зв'язки - дірки заповнюють електрони, що звільнилися від інших міжатомних зв'язків (мал.).

При температурі, вищій абсолютного нуля в напівпровіднику безперервно виникають і зникають вільні електрони і дірки навіть тоді, коли немає зовнішніх електричних полів. Але електрони і дірки рухаються хаотично в різні боки і не виходять за межі напівпровідника. У чистому напівпровіднику число електронів, що вивільняються в кожен момент часу, рівне числу дірок, що утворюються при цьому. Загальне ж їх число при кімнатній температурі відносно невелике. Тому електропровідність такого напівпровідника (власна провідність) мала. Іншими словами, такий напівпровідник чинить електричному струму досить великий опір.

Електрична провідність напівпровідників при наявності домішок. Якщо в чистий напівпровідник додати навіть невелику кількість домішки у вигляді атомів інших елементів, електропровідність його різко підвищиться. При цьому, залежно від структури атомів домішкових елементів, електропровідність напівпровідника буде електронною або дірковою. Чим розрізняються ці два види електропровідності напівпровідника?

Якщо який-небудь атом в кристалі напівпровідника замінити атомом сурми, що має в зовнішньому шарі електронної оболонки п'ять валентних електронів, цей атом - домішки чотирма електронами зв'яжеться з чотирма сусідніми атомами напівпровідника. П'ятий же валентний електрон атома сурми виявляється «зайвим» і стане вільним. Чим більше в напівпровідник буде введено атомів сурми, тим більше в його масі опиниться вільних електронів. Отже, напівпровідник з домішкою сурми наближається за своїми властивостями до металу: для того, щоб через нього проходив електричний струм, в ньому не обов'язково повинні руйнуватися міжатомні зв'язки. Домішки такого типу називають донорними домішками. Напівпровідники, що мають такі властивості, називають напівпровідниками з електропровідністю типу (n) або, напівпровідниками (n) типу. Тут латинська буква n - перша буква латинського слова negativ (негатив), що означає «негативний». Цей термін в даному випадку потрібно розуміти в тому сенсі, що в напівпровіднику типу n основними носіями струму є негативні заряди, тобто електрони.

Зовсім інший процес буде відбуватись, якщо в напівпровідник ввести атоми з трьома валентними електронами, наприклад атоми індію. Кожен атом металу індію своїми трьома електронами заповнить зв'язки тільки з трьома сусідніми атомами напівпровідника, а для заповнення зв'язку з четвертим атомом у нього не вистачає одного електрона. Утворюється дірка. Вона, звичайно, може заповнитися електроном, що вивільнився з валентного зв'язку інших атомів напівпровідника. Проте незалежно від того, де будуть дірки, в масі напівпровідника з домішкою індію не вистачатиме електронів для їх заповнення. І чим більше ввести в напівпровідник атомів індію, тим більше в ньому утворюється дірок. Домішки, атоми яких іонізуються, приймаючи електрон від сусіднього атома основного напівпровідника і створюючи тим самим дірку в напівпровіднику, називаються акцепторними домішками. Щоб в такому напівпровіднику могли переміщуватись електрони, абсолютно не обов'язково повинні руйнуватись валентні зв'язки між атомами. Напівпровідники, що мають таку властивість, називають напівпровідниками з дірчатою електропровідністю або напівпровідниками типу (р). Латинська буква р - перша буква латинського слова positiv (позитив), що означає «позитивний». Цей термін в даному випадку показує, що явище електричного струму в масі напівпровідника типу (р) супроводжується безперервним виникненням і зникненням позитивних зарядів - дірок. Переміщаючись в масі напівпровідника, дірки як би є носіями струму. Напівпровідники типу р, так само як і напівпровідники типу n, мають у багато разів кращу електропровідність в порівнянні з чистими напівпровідниками.

Домішкові напівпровідники називаються легованими.

Необхідно зауважити, що практично не існує абсолютно чистих напівпровідників,тому в напівпровіднику до введення домішок присутні власні домішкові атоми. З цієї причини в напівпровіднику n- типу з'являються дірки, а в напівпровіднику р -типу – електрони. Тому, в напівпровіднику, що має в цілому електронну провідність типу n, електрони є основними носіями електричного струму, а дірки – неосновними носіями струму. Внаслідок існування неосновних носіїв електропровідність легованого напівпровідника дещо погіршується, але в цілому він зберігає провідність відповідного типу. Напівпровідниками типу n прийнято вважати такі напівпровідники, в яких основними носіями струму є електрони (переважає електронна електропровідність), а напівпровідниками типу р - напівпровідники, в яких основними носіями струму є дірки.

Електричний струм через контакт напівпровідників p- і n- типів. Найбільшого застосування знайшли напівпровідники, одна частина яких легована акцепторними домішками, а інша – донорними. Перехід між двома областями напівпровідника з різними типами електропровідності називається електронно-дірковим або р- n - переходом (мал1).

Мал. Електронно-дірковий перехід

Електрод, приєднаний до р - області називають анодом, а електрод, приєднаний до n-області – катодом. Після створення в напівпровіднику р- і n-областей починається дифузний струм основних носіїв заряду: дірок з р- області в n- область і електронів у зворотному напрямі. Дифундуючи, електрони і дірки залишають за собою відповідно позитивно і негативно заряджені іони домішок (ці іони жорстко закріплені в кристалічній решітці і переміщуватися не можуть). Дифундуючи у n-область дірки рекомбінують з електронами різко зменшуючи концентрацію електронів і додатково утворюючи позитивні іони, що не компенсуються. Аналогічно в р - області дифундуючі електрони рекомбінують з дірками, різко зменшуючи концентрацію основних носіїв заряду і додатково утворюючи негативні іони, що не компенсуються. Таким чином, поблизу межі р- і n-областей концентрація основних носіїв заряду різко зменшується. Виникає шар, збіднений основними носіями струму.

Наявність протилежно заряджених областей приводить до виникнення в переході електричного поля. Це поле направлене так, що гальмує процес дифузії. Електричному полю, що виникло, відповідає контактна різниця потенціалів Uз. Для германієвого переходу Uз = 0,2 - 0,3 В, для кремнієвого – Uз = 0,6 - 0,8 В.

Мал. Прикладання прямої напруги до р-n переходу

Якщо до p-n-переходу під’єднати джерело невеликої постійної напруги, причому плюс цієї напруги прикласти до р-області (мал.). Електричне поле, що створюється цим джерелом, накладається на власне поле в p-n-переході, створене іонами домішок. Напруженість результуючого поля в переході зменшується. Виникає додаткова дифузія основних носіїв заряду. Дифузійний струм через перехід стає більшим дрейфового (направленого руху носіїв заряду під дією зовнішнього поля). Причому, чим більша прикладена напруга, тим більший дифузійний струм через перехід. Напруга, при якій струм через p-n-перехід швидко збільшується, називається прямою напругою (струм, що виникає при цьому, називається прямим струмом (мал.)).

Підключимо до p-n-переходу джерело постійної напруги так, щоб мінус цієї напруги прикладався до р- області (мал.). Напруженість додаткового електричного поля, що створюється джерелом, співпадає за напрямом з напруженістю внутрішнього поля в p-n - переході. Напруженість результуючого поля в переході збільшується в порівнянні з напруженістю внутрішнього електричного поля p-n - переходу. Дифузія основних носіїв заряду зменшується, а при подальшому збільшенні прикладеної напруги повністю припиняється.

Мал. Прикладання зворотної напруги до р-n – переходу

Дрейфовий струм через перехід трохи збільшується і стає більшим дифузного. Проте опір переходу протікаючому струму залишається великим, оскільки концентрація неосновних носіїв у напівпровіднику мала, дрейфовий струм за інших рівних умов багато менший прямого струму. Подана напруга називається зворотною напругою, а невеликий струм, що виникає при цьому, називають зворотним струмом (мал.)).

При великій зворотній напрузі виникає різке зростання зворотного струму через перехід. Це явище називають електричним пробоєм. Коли зворотний струм досягає певної допустимої величини (I_{звор доп}), електричний пробій переходить в тепловий і р-n-перехід повністю руйнується. За позитивний напрям струму i узгоджений з струмом напрям напруги прийнято напрям прямого струму діода.

Вольт-амперна характеристика p-n – переходу. Вольт-амперна характеристика p-n - переходу представлена на мал.

Мал. Вольт – амперна характеристика p-n переходу (І_прям – прямий струм; І_звор – зворотній струм; U_проб – напруга пробою; І_{звор доп} – величина зворотнього допустимого струму; U_в – напруга p-n – переходу.

З аналізу вольт – амперної характеристики можна зробити висновок, що основною властивістю p-n - переходу є одностороння провідність. При подачі прямої напруги струм через перехід зростає за експоненціальним законом. Зворотний струм, що виникає при зворотній напрузі, значно менший прямого та майже не залежить від величини зворотньої напруги. При подачі на вхід змінної напруги через перехід буде протікати в основному прямий струм. Тому p-n-перехід називають випрямляючим переходом (такі ж властивості має вакуумний діод див. §60).

Як ми знаємо, прилади, що мають односторонню провідність, високу (для струмів прямого напрямку) і низьку (для струмів зворотного напрямку), отримали назву вентилів. В якості вентилів застосовують вакуумні і напівпровідникові діоди.

Запитання для самоперевірки:

1. Як виникають електронна та діркова провідність напівпровідників?

2. Що називають власню провідністю напівпровідників?

3. Чому зменшується питомий опір напівпровідників з підвищенням температури?

4. Є напівпровідникова пластинка з домішковою провідністю. Як дослідним шляхом визначити, якого типу n – чи р - є цей напівпровідник?

5. Яку валентність повинна мати домішка до германієвого напівпровідника, щоб він мав: а) електронну провідність, б) діркову провідність?

6. Чому незначна кількість домішок п’ятивалентної або трьохвалентної речовини до кремнію різко збільшує його провідність?

7. Чому в напівпровіднику з домішковою провідністю існують як основні так і неосновні носії електричного струму?

8.Як утворюється p - n – перехід?

9.Які властивості має p- n перехід? При якому з’єднанні p- n - переходу з джерелом електричного струму він має малий опір, а при якому – великий?

10.Чому прямий струм у p- n - переході значно більший від зворотного при однаковій величині напруги?

11.В двох однакових закритих коробках знаходяться: в одній - напівпровідниковий діод, в іншій – невеликий реостат. Закінчення з’єднувальних провідників від клем приладів виведені назовні. Як визначити, в якій з коробок знаходиться напівпровідниковий діод?

Тема 8.1. Електрична і магнітна взаємодія. Індукція магнітного поля.(2 год.)

Мета: сформувати уявлення студентів про магнітне поле як вид матерії, повторити як взаємодіють між собою провідники зі струмом; дати визначення ліній магнітного поля; розвивати індивідуальні здібності, навички міжособистісного спілкування; творчу активність; виховувати почуття колективізму, інтересу до предмета.

План.

1 Магнітні явища.

2 Магнітне поле. Властивості поля.

3 Вектор магнітної індукції.

4 Лінії магнітної індукції, їх напрямок.