3.5.3. Влияние света на электропроводность полупроводника.▲
Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает появление в нем избыточного (по сравнению с равновесным при данной температуре) количества носителей зарядов, приводящего к возрастанию электропроводности.
Фотопроводимостьюназывают увеличение электрической проводимости вещества под действием электромагнитного излучения.
Изменение электрических свойств полупроводника под действием электромагнитного излучения носит временный характер. После прекращения облучения проводимость более или менее быстро возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. У одних полупроводников это длится микросекунды, у других измеряется минутами и, даже, часами. Знание инерционности фотопроводимости различных полупроводниковых веществ важно при разработке, например, фоторезисторов, к которым предъявляются высокие требования в отношении их быстродействия.
Кроме того, по быстроте возрастания или затухания фотопроводимости соответственно после включения или выключения света, можно определить время жизни 0неравновесных носителей заряд в ПП.
Неравновесное состояние полупроводника возникает под влиянием каких-либо внешних или внутренних воздействий, в результате которых равновесная концентрация носителей заряда в полупроводнике может измениться. Такими внешними воздействиями могут быть не только облучение светом, но и ионизирующее облучение, воздействие сильного электрического воля, приводящее к разрыву ковалентных связей, и ряд других. В результате подобных воздействий в полупроводнике помимо равновесных носителей заряда, образующихся вследствие ионизации примесных атомов и тепловой генерации, появляются дополнительные носители заряда, которые называют неравновесными или избыточными. В полупроводниковых приборах неравновесное состояние в большинстве случаев возникает при введении в полупроводник (или выведении из него) дополнительных носителей заряда через электронно-дырочный переход.
После прекращения этого воздействия электроны и дырки рекомбинируют, и концентрация вновь становится равновесной.
До внешнего воздействия на полупроводник он находился в электрически нейтральном состоянии, при этом скорость тепловой генерации G, была равна скорости рекомбинации R.
В неравновесном состоянии это равенство нарушается. Появляются избыточные (неравновесные) носители, концентрация которых со временем уменьшается. Интервал времени, в течение которого концентрация избыточных носителей заряда уменьшается в е раз, называют временем жизни неравновесных носителей заряда.
При генерации резко возрастает число неосновных носителей заряда (ННЗ). Количество основных (ОНЗ) также возрастает, но относительное изменение их концентрации при этом незначительно (ННЗ<<ННЗ). Поэтому, время жизни избыточных (неравновесных) носителей заряда определяется временем жизни неосновных носителей заряда.
Время жизни зависит от вероятности рекомбинации. Прямая рекомбинация (рис.3.9,а), т.е. из зоны в зону, маловероятна, т.к. вероятность встречи двух движущихся хаотически электронов и дырок крайне мала. Максимальное время жизни при прямозонной рекомбинации бывает в собственном полупроводнике и оно не зависит от температуры. Такой механизм преобладает в GaAs.
Практически рекомбинация электронов и дырок происходит с участием ловушек, энергетические уровни которых находятся в запрещенной зоне полупроводника. В этом случае рекомбинация протекает в два этапа: сначала электрон переходит из зоны проводимости на свободный энергетический уровень ловушки, а затем на свободный энергетический уровень валентной зоны. Схематически этот процесс иллюстрирует рис. 3.9,б,в, или с заполненного уровня ловушки в валентную зону, а затем из свободной зоны на освободившийся уровень ловушки.
Рис. 3.9. Прямая рекомбинация и рекомбинация (а).
Рис. 3.9. Косвенная рекомбинация через незаполненные уровни примеси (б)
и заполненные (в).
Второй механизм рекомбинации более вероятен, т.к. здесь движется только один носитель заряда, и вероятность сближения их на расстояние, при котором возможна рекомбинация (0,1 нм), значительно выше, чем в случае, когда оба носителя заряда перемещаются по кристаллу.
При таком механизме максимальная скорость рекомбинации неравновесных носителей будет, если центры захвата находятся вблизи середины запрещенной зоны.
Веществами, имеющими энергетические уровни вблизи середины запрещенной зоны полупроводника являются медь, никель, кобальт, золото. Дефекты решетки, донорные и акцепторные примеси также могут создавать центры рекомбинации.
Чем больше дефектов в кристаллической структуре, тем меньше время жизни неосновных носителей заряда.
Время жизни неравновесных носителей зависит от вероятности заполнения ловушек, которая определяется концентрацией примесей и температурой.
При повышении концентрации примесей вероятность рекомбинации возрастает, и время жизни неравновесных носителей уменьшается. При увеличении температуры происходит дополнительная генерация электронно-дырочных пар, вследствие чего увеличивается время жизни τn в электронном полупроводнике и время жизни τp в дырочном полупроводнике.
Расстояние, на котором в однородном полупроводнике при одномерной диффузии в отсутствие электрического и магнитного полей избыточная концентрация неравновесных носителей уменьшится в 2.7 раза, т.е. среднее расстояние, на которое носители диффундировали за время жизни, называется диффузионной длиной.
Решая уравнение диффузии, можно получить выражение, связывающее диффузионную длину с временем жизни:
,
(3.9)
Чем объясняется возрастание тока в цепи, при освещении полупроводника?
Летние муссоны, приходящие с Индийского океана, ярко выражены на
а) Аравийском полуострове; б) полуострове Индостан;
в) восточных берегах Африки; г) западных берегах Австралии.
Какому климатическому поясу свойственна наименьшая густота речной сети?
а) экваториальному; б) умеренному; в) тропическому; г)субэкваториальному.
Какие утверждения о Мировом океанеявляются верными?
а) Тихий океан является самым большим по площади;
б) пролив Дрейка соединяет Индийский океан с Атлантическим;
в) Тихий океан омывает побережье всех материков;
г) Северный Ледовитый океан – самый холодный океан Земли.
Выберите верные утверждения, характеризующие природу Африки.
а) к югу от Восточно-Африканского плоскогорья располагается Эфиопское нагорье;
б) на большей части материка средняя температура любого месяца выше + 20*С;
в) весь континент испытывает действие умеренных воздушных масс;
г) часто встречаются сухие русла рек – вади.
Какое утверждение правильно характеризует географическое положение Южной Америки?
а) материк расположен в Западном и Восточном полушариях;
б) Южная Америка омывается водами Тихого и Атлантического океанов;
в) северное побережье материка омывается водами Средиземного моря;
г) Южная Америка отделена от Антарктиды Магеллановым проливом.
Выберите верные утверждения, характеризующие Южную Америку.
а) население материка отличается однородностью национального состава;
б) страны, расположенные на западе материка, называются Андийские;
в) Перу – страна древних индейских цивилизаций;
г) столица Бразилии – Рио-де-Жанейро.
Какое утверждение о климате Австралии верно?
а) Австралия – самый жаркий материк на Земле;
б) на большей части территории преобладает субэкваториальный климат;
в) наименьшее количество осадков выпадает в центральной части материка;
г) на юге материка преобладают экваториальные воздушные массы.
Выберите верные утверждения, относящиеся к Антарктиде.
а) почти вся расположена в пределах Южного полярного круга;
б) около половины материка покрыто ледником;
в) в основании большей части материка располагается область молодой складчатости;
г) это самый высокий материк Земли.
Расположите формы рельефа Северной Америки в порядке увеличения их высоты над уровнем моря.
а) Аппалачи; б) Кордильеры; в) Центральные равнины; г) Примексиканская низменность.
Выберите верные утверждения.
а) сельское хозяйство – ведущая отрасль экономики США;
б) Мексика – одна из ведущих туристических стран мира;
в) недра Канады исключительно богаты полезными ископаемыми;
г) основную часть населения Северной Америки составляют выходцы из Азии.
Физика. 10 класс
§ 37. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости полупроводников
Полупроводники — широкий класс как неорганических, так и органических веществ в твёрдом или жидком состоянии. Полупроводники обладают многими замечательными свойствами, благодаря которым они нашли широкое применение в различных областях науки и техники. Каковы особенности строения полупроводников?
Зависимость сопротивления полупроводников от температуры и освещённости. Удельное сопротивление полупроводников находится в пределах от 10 –6 до 10 8 Ом · м (при Т = 300 К), т. е. во много раз меньше, чем у диэлектриков, но существенно больше, чем у металлов. В отличие от проводников удельное сопротивление полупроводников резко убывает при увеличении температуры, а также изменяется при изменении освещения и введении сравнительно небольшого количества примесей. К полупроводникам относят ряд химических элементов (бор, углерод, кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьма, сера, селен, теллур и др.), множество оксидов и сульфидов металлов, а также других химических соединений.
Изучить свойства полупроводников можно на опытах. Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, полупроводника и миллиамперметра ( рис. 215 ). Из опыта следует, что при нагревании полупроводника сила тока в цепи возрастает. Возрастание силы тока обусловлено тем, что при увеличении температуры сопротивление полупроводника уменьшается.
Проведём ещё один опыт. Изменяя освещённость поверхности полупроводника, наблюдаем изменение показаний миллиамперметра ( рис. 216 ). Результаты наблюдений означают, что при освещении поверхности полупроводника его сопротивление уменьшается.
Таким образом, уменьшить сопротивление полупроводника можно, либо нагревая его, либо воздействуя электромагнитным излучением, например освещая его поверхность.
Чем объясняется возрастание тока в цепи при освещении полупроводника
Полупроводники по удельной проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Электрические свойства веществ
Полупроводники от металлов отличают по ряду признаков:
- удельное сопротивление у полупроводников при обычных условиях гораздо больше, чем у металлов;
- удельное сопротивление чистых полупроводников уменьшается с ростом температуры (у металлов оно растет);
К полупроводникам принадлежат 12 химических элементов
Виды проводимости
Строение полупроводниковых кристаллов
Германий — четырехвалентный элемент, во внешней оболочке атома есть четыре электрона, слабее связанных с ядром, чем остальные. Число ближайших соседей каждого атома германия также равно 4. Четыре валентных электрона каждого атома германия связаны с такими же электронами соседних атомов химическими парноэлектронными (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 условно может быть изображена двумя линиями, соединяющими ядра.
Электропроводимость химически чистого полупроводника возможна в том случае, когда ковалентные связи в кристаллах разрываются и появляются свободные электроны.
Дополнительная энергия, которая должна быть затрачена, чтобы разорвать ковалентную связь и сделать электрон свободным, называется энергией активации.
Получить эту энергию электроны могут при нагревании кристалла, при облучении его высокочастотными электромагнитными волнами и т.д.
Как только электрон, приобретя необходимую энергию, уходит с локализованной связи, на ней образуется вакансия. Эту вакансию может легко заполнить электрон с соседней связи, на которой, таким образом, также образуется вакансия. Таким образом, благодаря перемещению электронов связи происходит перемещение вакансий по всему кристаллу. Эта вакансия ведет себя точно так же, как и свободный электрон — она свободно перемещается по объему полупроводника. Более того, учитывая, что и полупроводник в целом, и каждый его атом при не нарушенных ковалентных связях электрически нейтральны, можно сказать, что уход электрона со связи и образование вакансии фактически эквивалентно появлению на этой связи избыточного положительного заряда. Поэтому образовавшуюся вакансию можно формально рассматривать как носитель положительного заряда, который называют дыркой.
Таким образом, уход электрона с локализованной связи порождает пару свободных носителей заряда — электрон и дырку. Их концентрация в чистом полупроводнике одинакова. При комнатной температуре концентрация свободных носителей в чистых полупроводниках невелика, примерно в 10 9 ÷ 10 10 раз меньше концентрации атомов, но при этом она быстро возрастает с увеличением температуры.
Сравните с металлами: там концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов.
В отсутствие внешнего электрического поля эти свободные электроны и дырки движутся в кристалле полупроводника хаотически.
Во внешнем электрическом поле электроны перемещаются в сторону, противоположную направлению напряженности электрического поля. Положительные дырки перемещаются в направлении напряженности электрического поля. Процесс перемещения электронов и дырок во внешнем поле происходит по всему объему полупроводника.
| Собственная проводимость = электронная + дырочная |
Общая удельная электропроводность полупроводника складывается из дырочной и электронной проводимостей. При этом у чистых полупроводников число электронов проводимости всегда равно числу дырок. Поэтому говорят, что чистые полупроводники обладают электронно-дырочной проводимостью, или собственной проводимостью.
С повышением температуры возрастает число разрывов ковалентных связей и уменьшается удельное сопротивление чистых полупроводников
Проводимость полупроводников увеличивается с введением примесей, когда наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость.
Примесной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике.
Примесными центрами могут быть:
- атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;
- избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;
- различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.
Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.
Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).
Примесными центрами могут быть:
Донорная примесь
От латинского «donare» — давать, жертвовать.
Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной примесью мышьяка As, которую вводят в кристалл, например, кремния. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, а пятый электрон оказывается незанятым в этих связях.
Образуются избыточные электроны, мы получаем полупроводник с преимущественно электронной проводимостью, называемый полупроводником n-типа (negativus)
Донорные примеси — это примеси легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов
Акцепторная примесь
От латинского «acceptor» — приемщик.
В случае акцепторной примеси, например, трехвалентного индия In атом примеси может дать свои три электрона для осуществления ковалентной связи только с тремя соседними атомами кремния, а одного электрона «недостает» (рис. 9). Один из электронов соседних атомов кремния может заполнить эту связь, тогда атом In станет неподвижным отрицательным ионом, а на месте ушедшего от одного из атомов кремния электрона образуется дырка. Акцепторные примеси, захватывая электроны и создавая тем самым подвижные дырки, не увеличивают при этом числа электронов проводимости. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны.
Полупроводники, у которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются полупроводниками р-типа (positivus)
Акцепторные примеси — это примеси, обеспечивающие дырочную проводимость
Электронно-дырочный переход
Электронно-дырочный переход (сокращенно р-n-переход) возникает в полупроводниковом кристалле, имеющем одновременно области с n-типа (содержит донорные примеси) и р-типа (с акцепторными примесями) проводимостями на границе между этими областями.
Допустим, у нас есть кристалл, в котором слева находится область полупроводника с дырочной (p-типа), а справа — с электронной (n-типа) проводимостью (рис. 10). Благодаря тепловому движению при образовании контакта электроны из полупроводника n-типа будут диффундировать в область р-типа. При этом в области n-типа останется нескомпенсированный положительный ион донора. Перейдя в область с дырочной проводимостью, электрон очень быстро рекомбинирует с дыркой, при этом в области р-типа образуется нескомпенсированный ион акцептора.
Электронно-дырочный переход
Аналогично электронам дырки из области р-типа диффундируют в электронную область, оставляя в дырочной области нескомпенсированный отрицательно заряженный ион акцептора. Перейдя в электронную область, дырка рекомбинирует с электроном. В результате этого в электронной области образуется нескомпенсированный положительный ион донора.
В результате диффузии на границе между этими областями образуется двойной электрический слой разноименно заряженных ионов, толщина l которого не превышает долей микрометра.
Между слоями ионов возникает электрическое поле с напряженностью Ei. Электрическое поле электронно-дырочного перехода (р-n-переход) препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу раздела двух полупроводников. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с остальными объемами полупроводников.
P—n переход во внешнем электрическом поле
Внешнее электрическое поле с напряженностью E влияет на сопротивление запирающего электрического поля. Если n-полупроводник подключен к отрицательному полюсу источника, а плюс источника соединен с p-полупроводником, то под действием электрического поля электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников.
Электроны, переходя границу, «заполняют» дырки. При таком прямом направлении внешнего электрического поля толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются. В этом направлении электрический ток проходит через р-n-переход.
Ток через p-n-переход теперь обусловлен электронами, которые есть в полупроводнике p-типа, и дырками из полупроводника n-типа. Но неосновных носителей заряда очень мало, поэтому проводимость перехода оказывается незначительной, а его сопротивление — большим.
Полупроводниковые приборы
для измерения температуры по силе тока в цепи
Создают оптическое излучение при пропускании через них электрического тока
для преобразования переменного тока в пульсирующий ток постоянного
Устройство диода
Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.
Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.
Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными – малыми размерами, длительными сроками службы, механической прочностью. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапазоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.
Транзистор
Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n–p-переходами называются транзисторами. Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: p–n–p-транзисторы и n–p–n-транзисторы. Например, германиевый транзистор p–n–p-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью. В транзисторе n–p–n-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа.
Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях на схемах стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.
Оба n – p -перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рисунке показано включение в цепь транзистора p – n – p -структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).
Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.
При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток Iэ. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, n–p-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток Iк. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.
Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения, то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.
Однако такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера Iэ. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы Iб = Iэ – Iк. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен.
Применение полупроводниковых приборов
Применение микросхем привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники. Это особенно ярко проявилось в электронной вычислительной технике. На смену громоздким ЭВМ, содержащим десятки тысяч электронных ламп и занимавшим целые здания, пришли персональные компьютеры.
 |
 |
|
 |
 |
 |
- Вы здесь:
- Главная />
- Физика />
- Электрический ток в полупроводниках