Главная/

Физика /

Основы физики

проводимость и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковые приборы и примеры их практического использования.

Полупроводники – это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещённости. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5-2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда, называемого «дыркой». При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» – ток дырочной проводимости.

В идеальном кристалле ток создаётся равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температура (или освещённости) собственная проводимость проводников увеличивается.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь – это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n=4 донорной примесью является мышьяк с валентность n=5. Каждый атом примеси мышьяка приведёт к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь – это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником p-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n=3. Каждый атом индия приведёт к образованию лишней «дырки».

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах p-n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов p-типа и n-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в p-область, а «дырок» – наоборот, из p- в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».

p-n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью: если к p-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и p-n-контакт будет проводить ток, электроны из n-области пойдут в p-область, а «дырки» из p-области в n-область (рис.). В первом случае ток не равен нулю, во втором – ток равен нулю. Это означает, что если к p-области подключить «-» источника, а к n-области – «+» источника тока, то запирающий слой расширится и тока не будет.

Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников p- и n- типа          . Полупроводниковые диоды имеют: небольшие размеры и массу, длительный срок службы, высокую механическую прочность, высокий коэффициент полезного действия, их недостатком является зависимость сопротивления от температуры.

В радиоэлектронике применяется также ещё один полупроводниковый прибор: транзистор, который был изобретён в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два p-n-перехода. Основное применение транзистора – это использование его в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. После открытия транзистора наступил качественно новый этап развития электроники – микроэлектроники, поднявший на качественно иную ступень развитие электронной  техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого процесса на одном кристалле одновременно создаётся несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, резисторов и диодов, до 3500. Размеры отдельных элементов микросхемы могут быть 1-5 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, размещённый на кристалле кремния размером 6х6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.

Однако в технике применяются также полупроводниковые приборы без p-n-перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фоторезисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видеомагнитофонами).

Билет 15.

Вопрос 1.  Электромагнитная индукция, примеры этого явления. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. Он опытным путём установил, что при изменении магнитного поля внутри замкнутого контура в нём возникает электрический ток, который называют индукционным током. Опыты Фарадея можно воспроизвести следующим образом: при внесении или вынесении магнита в катушку, замкнутую на гальванометр, в катушке возникает индукционный ток (рис.). Если рядом расположить две катушки (например, на общем сердечнике или одну катушку внутри другой) и одну катушку через ключ соединить с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток (рис.2) Объяснение этого явления было дано Максвеллом. Любое переменное магнитное поле всегда порождает переменное электрическое поле.

Для количественной характеристики процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур вводится физическая величина под названием магнитный поток. Магнитным потоком через замкнутый контур площадью S называют физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь контура S и на косинус угла a между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к площади контура. Ф=BScosa (рис.3).

Опытным путём был установлен основной закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по величине скорости изменения магнитного потока через контур. x=DФ/t.

Единица магнитного потока Ф – вебер (Вб): 1 Вб=1 ВЧс.

Из основного закона DФ=xt следует смысл размерности: 1 вебер – это величина такого магнитного потока, который, уменьшаясь до нуля за одну секунду, через замкнутый контур наводит в нём ЭДС индукции 1 В.

Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый р=опыт Фарадея: чем быстрее перемещать магнит через витки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.

Зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 году опытным путём установил русский учёный Ленц. Он сформулировал правило, носящее его имя. Индукционный ток имеет такое направление, при котором его магнитное поле стремится скомпенсировать изменение