Материаловедение для помощников машиниста электровоза (стр. 20 )

  ТЕМА. ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ  О  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ  МАТЕРИАЛАХ.  ДЗ (1), с. 145 – 156; (2), с. 116 – 130.

Проводники  занимают  промежуточное  место  по  электрической  проводимости  между  металлическими  проводниками  и  диэлектриками. Так, удельное  электрическое  сопротивление  проводников  10-8 – 10-6  Ом. метр, а  диэлектриков  108 – 1018  Ом. метр. Электрическое  сопротивление  проводников  с  повышением  температуры  увеличивается, а  полупроводников  и  диэлектриков  уменьшается.

Проводники  имеют  огромное  количество  свободных  электронов, направленное  перемещение  которых  является  током  проводимости, а  в  полупроводниках  свободных  электронов  немного, так  как  валентные  электроны (электроны, находящиеся  на  внешней  оболочке  атомов)  связаны  со  своими  атомами, т. е.  не  являются  свободными. Ток  в  полупроводниках  может  возникать  и  изменяться  в  широких  пределах  только  под  влиянием  внешних  воздействий: нагревания, облучения  или  при  введении  некоторых  примесей. Это  увеличивает  энергию  валентных  электронов, позволяет  им  отрываться  от  своих  атомов  и  под  действием  приложенного  напряжения  направленно  перемещаться, т. е.  становиться  носителями  тока.

Атомы  полупроводника, потерявшие  электроны, превращаются  в  положительно  заряженные  ионы, которые  не  могут  перемещаться. Место  на  внешней  оболочке  атома, покинутое  электроном, называют  дыркой. Эту  дырку (вакансию) может  занять  другой  электрон, покинувший  своё  место  в  соседнем  атоме. В  результате  на  оболочке  соседнего  атома  тоже  появится  дырка, т. е.  он  превратится  в  положительно  заряженный  ион.

Если  к  полупроводнику  приложить  электрическое  напряжение, то  электроны  будут  перемещаться  от  одних  атомов  к  другим  в  одном  направлении, а  дырки – в  противоположном. Дырку  принято  считать  положительно  заряженной  частицей  с  зарядом, равным  заряду  электрона. В  нормальных  условиях  ток, создаваемый  электронами  равен  току, создаваемого  дырками, а  сила  тока  через  полупроводник  будет  равна  сумме  электронного  и  дырочного  токов.

Электропроводности  полупроводников, обусловленные  движением  электронов  и  дырок, называют  соответственно  электронной  и  дырочной. В  чистом  полупроводнике  концентрация  электронов  и  дырок  одинакова, и  электропроводность  такого  полупроводника  называют  собственной.

Для  создания  полупроводниковых  приборов (например, выпрямительных  диодов) требуются  полупроводниковые  материалы, обладающие  преимущественно  электронной  или  дырочной  электропроводностью. Для  получения  таких  материалов  в  тщательно  очищенный  полупроводник  вводят  соответствующую  примесь.

Примеси, валентность  которых  выше  валентности  полупроводника, снабжают  его  свободными  электронами  и  называются  донорскими. Примеси, имеющие  меньшую  валентность, чем  полупроводник, обладают  способностью  захватывать  и  удерживать  его  электроны, на  месте  которых  образуются  дырки. Такие  примеси  называют  акцепторными.

Если  одна  часть  объёма  полупроводника  обладает  электронной  электропроводностью, а  другая – дырочной, то  на  границе  между  ними  образуется  электронно-дырочный  переход  («р - п» - переход). Образуется  система  двух  областей. Одна  область  будет  обладать  электронной  электропроводностью  («п» - типа), а  другая – дырочной («р» - типа).

Электроны  из  области  «п» – области  будут  диффундировать  в  «р» – область, где  их  концентрация  мала. Одновременно  дырки  из  «р» – области  будут  диффундировать  в  «п» – область, где  их  концентрация  также  мала. Взаимная  диффузия  дырок  и  электронов  уменьшит  концентрацию  электронов  в  пограничном  слое  в  «п» – области. Одновременно  уменьшится  концентрация  дырок  в  пограничном  слое «р» – области.

Таким  образом,  на  границе  между  «р»  и «п» – областями  полупроводника  образуется  двойной  электрический  слой. В  результате  этого  появится  местное  электрическое  поле  ЕО, которое  направленно  от  «п»  к  «р» – области.

При  приложении  внешнего  напряжения, когда  напряжённость  Е внеш.  внешнего  источника  совпадает  с  напряжённостью  Ео  местного  электрического  поля  т. е.  перехода (плюс  к  минусу, а  минус  к  плюсу), электроны  в  «п» – области  и  дырки  в «р» – области  будут  перемещаться  от  границы  раздела  к  электродам  плюс  и  минус  источника. При  этом  ширина  электронно-дырочного  перехода  увеличится, электрическое  сопротивление  перехода  сильно  увеличится, образуется  запирающий  слой, который  не  будет  пропускать  ток  через  себя. Через  переход  будет проходить  очень  маленький  ток, созданный  неосновными  носителями  зарядов (обратный  ток).

В  случае  же, когда  напряжённость  внешнего  источника  направлена  навстречу  напряжённости  электронно-дырочного  перехода (плюс  к  плюсу, а  минус  к  минусу), т. е.  при  смене  полярности  внешнего  напряжения,  ширина  электронно-дырочного  перехода  резко  уменьшится, электрическое  сопротивление  перехода  резко  уменьшится  и,  в  результате, электроны  и  дырки  начнут  перемещаться  навстречу  друг  другу  через  переход, т. е.  переход  начнёт  пропускать  через  себя  ток. Этот  ток  называют  прямым  током. Он  во  много  раз  больше  обратного  тока.

Если  напряжение  внешнего  источника  переменное, то  через  переход  будет  проходить  ток  только  в  один  полупериод (через  полупериод), а  в  другой  полупериод  ток  протекать  не  будет – на  этом  основано  выпрямление  переменного  тока (преобразование  переменного  тока  в  постоянный, пульсирующий).

  УРОК  № 34.

ТЕМА. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ  МАТЕРИАЛЫ: ПРОСТЫЕ  ПОЛУПРОВОДНИКИ.

  ДЗ (1), с. 156 – 159; (2), с. 130 – 149.

  Простыми  называются  такие  полупроводники, основной  состав  которых  образован  атомами  одного  химического  элемента.

1.Германий. Исходным  сырьём  для  получения  германия  служат  цинковые  и  сульфидные  руды. Чтобы  получить  монокристаллический  германий, его  расплавляют  в  вакууме  или  в  атмосфере  инертного  газа. В  расплав  очищенного  германия  вводят  донорскую  или  акцепторную  примесь. Затем  из  расплава  вытягивают  с  определённой  скоростью  чистый  монокристаллический  германий  в  виде  сплошного  цилиндра  заданного  диаметра.

Германий  имеет  ярко-серебристый  цвет, его  плотность  5322  кг/кубический  метр, а  температура  плавления  937,2  градусов. Очищенный  нелегированный  германий  обладает  следующими  электрическими  характеристиками: удельное  электрическое  сопротивление  примерно  0,5  Ом. метр; диэлектрическая проницаемость  16,3.

У  легированных  сортов  германия  электронной  электропроводности  удельное  электрическое  сопротивление  0,07 – 0,5  Ом. метр, а  дырочной  электропроводности – 0,01 – 0,45  Ом. метр. Все  сорта  германия  обладают  большой  твёрдостью  и  хрупкостью, а  также  легко  увлажняются.

Германий  широко  применяется  для  изготовления  диодов  и  фотоэлементов.

2.Кремний  широко  распространён  в  природе (кремнезём) и  служит  одним  из  исходных  веществ,  для  получения  технических  сортов  кремния.