Фізика — 11 клас
Напівпровідники. Власна й примесная провідність напівпровідників. Напівпровідникові прилади
Напівпровідники — це речовини, питомий опір яких убуває з підвищенням температури, наявністю домішок, зміною освітленості. По цих властивостях вони разюче відрізняються від металів. Звичайно до напівпровідників ставляться кристали, у яких для звільнення електрона потрібна енергія не більше 1,5-2 еВ. Типовими напівпровідниками є кристали германія й кремнію, у яких атоми об’єднані ковалентним зв’язком. Природа цього зв’язку дозволяє пояснити зазначені вище характерні властивості. При нагріванні напівпровідників їхні атоми іонізуються. електрони, Що Звільнилися, не можуть бути захоплені сусідніми атомами, тому що всі їхні валентні зв’язки насичені. Вільні електрони під дією зовнішнього електричного поля можуть переміщатися в кристалі, створюючи електронний струм провідності. Видалення електрона із зовнішньої оболонки одного з атомів у кристалічних ґратах приводить до утворення позитивного іона. Цей іон може нейтралізуватися, захопивши електрон. Далі, у результаті переходів електронів від атомів до позитивних іонів відбувається процес хаотичного переміщення в кристалі місця з відсутнім електроном — «дірки». Зовні цей процес хаотичного переміщення сприймається як переміщення позитивного заряду. При приміщенні кристала в електричне поле виникає впорядкований рух «дірок» — дирочний струм провідності.
В ідеальному кристалі струм створюється рівною кількістю електронів і «дірок». Такий тип провідності називають власною провідністю напівпровідників. При підвищенні температури (або освітленості) власна провідність провідників збільшується.
На провідність напівпровідників великий вплив роблять домішці. Домішки бувають донорние й акцепторні. Допорная домішка — це домішка з більшою валентністю. При додаванні донорной домішки в напівпровіднику утворяться липшие електрони. Провідність стане електронної, а напівпровідника називають напівпровідником n-типу. Наприклад, для кремнію з валентністю n — 4 донорной домішкою є миш’як з валентністю n = 5. Кожний атом домішки миш’яку приведе до утворення одного електрона провідності.
Акцепторна домішка — це домішка з меншою валентністю. При додаванні такої домішки в напівпровіднику утвориться зайва кількість «дірок». Провідність буде «дирочной», а напівпровідника називають напівпровідником р-типа. Наприклад, для кремнію акцепторною домішкою є індій з валентністю п = 3. Кожний атом індію приведе до утворення зайвої «дірки».
Принцип дії більшості напівпровідникових приладів заснований на властивостях р-n-перехода. При приведенні в контакт двох напівпровідникових приладів р-типу й л-типу в місці контакту починається дифузія електронів з n-області в р-область, а «дірок» — навпаки, з р — в n-область. Цей процес буде не нескінченним у часі, тому що утвориться замикаючий шар, що буде перешкоджати подальшій дифузії електронів і «дірок».
р-n-контакт напівпровідників, подібно вакуумному діоду, має однобічну провідність:
якщо до р-області підключити «+» джерела струму, а до n-області «-» джерела струму, то замикаючий шар зруйнується й р-л-контакт буде проводити струм, електрони з д-області підуть у р-область, а «дірки» з р-області в n-область (мал. 32)
У першому випадку струм не дорівнює нулю, у другому — струм дорівнює нулю. Це означає, що якщо кр-області підключити «-» джерела, а до л-області — «+» джерела струму, те замикаючий шар розшириться й струму не буде. Напівпровідниковий діод складається з контакту
двох напівпровідників р — і n-типу . Напівпровідникові діоди мають: невеликі розміри й масу, тривалий термін служби, високу механічну міцність, високий коефіцієнт корисної дії, їхнім недоліком є залежність опору від температури.
У радіоелектроніці застосовується також ще один напівпровідниковий прилад: транзистор, що був винайдений в 1948 р. В основі тріода лежить не один, а два р-л-перехода. Основне застосування транзистора — це використання його як підсилювач слабких сигналів по струму й напрузі, а напівпровідниковий діод застосовується як випрямляч струму. Після відкриття транзистора наступив якісно новий етап розвитку електроніки — мікроелектроніки, що підняв на якісно інший щабель розвиток електронної техніки, систем зв’язку, автоматики. Мікроелектроніка займається розробкою інтегральних мікросхем і принципів їхнього застосування. Інтегральною мікросхемою називають сукупність великої кількості взаємозалежних компонентів — транзисторів, діодів, резисторів, сполучних проводів, виготовлених у єдиному технологічному процесі. У результаті цього процесу на одному кристалі одночасно створюється кілька тисяч транзисторів, конденсаторів, резисторів і діодів, до 3500 елементів Розміри окремих елементів мікросхеми можуть бути 2-5 мкм, погрішність при їхньому нанесенні не повинна перевищувати 0,2 мкм. Мікропроцесор сучасної ЕОМ, розміщений на кристалі кремнію розміром 6×6 мм, містить кілька десятків або навіть сотень тисяч транзисторів.
Однак у техніку застосовуються також напівпровідникові прилади без р-n-перехода. Наприклад, терморезистори (для виміру температури), фоторезистори (у фотореле, аварійних вимикачах, у дистанційних керуваннях телевізорами й відеомагнітофонами).