Тема 12. Полупроводники

ТЕМА 12. ПОЛУПРОВОДНИКИ
Полупроводники	→ вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличия примесей, изменения освещенности;
- отличие полупроводников от металлов и диэлектриков	→ по значению своего удельного сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Характерной особенностью является уменьшение удельного сопротивления полупроводников при увеличении температуры;
- виды полупроводников	→ наибольшее применение получили германий Ge и кремний Si. Различают полупроводники:  1. Собственные (химически чистые), т. е. беспримесные; 2. примесные – донорные и акцепторные;
- собственная проводимость полупроводников (проводимость электронно-дырочная)	→ германий – 4-х валентный элемент, обладающий атомной пространственной решеткой с ковалентным типом связи между атомами. Каждый атом германия посредством своих четырех валентных электронов образует с каждым из четырех соседних атомов германия парно электронные связи. При температурах, близких к абсолютному нулю, связи между всеми атомами в кристалле заполнены – при таких температурах собственные п/п являются диэлектриками, т. е. не проводят электрический ток. При нагревании или облучении кинетическая энергия валентных электронов повышается, и некоторые парно электронные связи разрушаются, в п/п появляются свободные электроны и образуются вакантные места – дырки (что равносильно появлению в п/п (+) зарядов, равных заряду электрона). У собственных п/п число появившихся электронов и дырок одинаково, и они движутся хаотически в отсутствии внешнего электрического поля. Под действием внешнего электрического поля электроны движутся упорядоченно против направления внешнего поля, а дырки – по направлению поля. При повышении температуры увеличивается число разорванных связей, что приводит к увеличению удельной электропроводности (т. е. к уменьшению сопротивления) п/п;
- примесная проводимость полупроводников 1. n-тип	→ примесные п/п получают в результате внедрения в собственный п/п атомов примеси с валентностью большей или меньшей, чем у атомов  собственного п/п. Внедрим 5-валентный мышьяк As в 4-х валентный кристалл германия Ge. Один валентный электрон мышьяка остается свободным, т. е. в донорном п/п появляются свободные электроны, которые начинают упорядоченно двигаться под действием внешнего электрического поля, образуя электрический ток. - Электропроводность донорных п/п – электронная. - Донорные полупроводники – полупроводники n-типа. - Основные носители тока – электроны;
2. р-тип	→  внедрим 3-х валентный индий In в кристалл германия Ge. У каждого атома индия не хватает одного электрона для образования парно электронной связи с 4-х валентных германием. Незаполненная связь является вакантным местом – дыркой (т. е. равноценна появлению в кристалле положительного заряда). Под действием внешнего электрического поля дырки движутся упорядоченно по направлению поля, образую электрический ток. - Электропроводность акцепторных п/п – дырочная. - Акцепторные полупроводники – полупроводники р-типа. - Основные носители тока – дырки.
Свойства р-n перехода	→Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – область монокристаллического проводника, в котором происходит смена проводимости с электронной (n) на дырочную (р) (или наоборот). Через границу раздела областей кристалла с разным типом проводимости происходит диффузия электронов. Электроны из n-полупроводника будут диффундировать в дырочной р-полупроводник. В результате из объема n-полупроводника уйдут электроны, и вблизи границы в нем образуется избыточный положительный заряд. Диффузия дырок из р-полупроводника (по аналогичным причинам) приведет к возникновению вблизи границы в р-полупроводнике избыточного отрицательного заряда. В результате на границе р-n-перехода образуется запирающий слой толщины l, который препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок (рис.1). Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с остальными объемами полупроводников, на величину которого влияет внешнее электрическое поле.
	→ подключим n-полупроводник к (-) полюсу источника, а р-полупроводник к (+) полюсу. Электроны в n-полупроводнике  и дырки в р-полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников. Электроны переходят границу и «заполняют» дырки (рис.2.). При таком прямом (пропускном) направлении толщина и сопротивление запирающего слоя  уменьшаются, и через границу двух полупроводников проходит электрический ток.
	→ подключим n-полупроводник к (+) полюсу источника, а р-полупроводник к (-) полюсу. Электроны в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут двигаться в противоположные стороны (рис.3). Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Через границу двух полупроводников электрический ток не проходит.
- полупроводниковый диод	→ электрический прибор, изготовленный на основе кристалла полупроводника с одним р-n-переходом, обладающим односторонней электрической проводимостью. Диод имеет два электрода: - анод А соединен с областью р-проводимости; - катод К – с областью n-проводимости. Диод применяют для выпрямления переменного тока.
	→ полупроводниковое устройство, используемое для усиления и генерации электрических колебаний; выполнен из монокристалла германия или кремния, в котором за счет внедрения примесей создан электронно-дырочный переход; → транзистор представляет собой p-n-p или n-p-n-структуру, или соединение противоположно включенных диодов. Транзисторы  p-n-p или n-p-n-типа равноценны по своим параметрам, но транзисторы  p-n-p-типа применяются чаще, потому, что они проще в изготовлении. Дырки в p-n-p-транзисторе, создающие эмиттерный ток, из области эмиттера попадают в очень узкую (10-50 мкм) n-область базы, откуда большая их часть (95-99%) проходит в р-область к коллектору, образуя коллекторный токIk. Остальные дырки образуют ток базы Iб, текущий через базу Б. Для суммы всех токов справедливо равенство:Iэ +Iб +Iк=0 Ток направленный к транзистору, считается положительным, от транзистора - отрицательным; направление тока определяется направлением движения положительных зарядов.