Электрический ток в полупроводниках

1. Электрический ток в полупроводниках

2. К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между

проводниками и диэлектриками.

3.

Проводники
Удельное
сопротивление от
10-6 до 10-4
Полупроводники
Удельное сопротивление от
10-3
до
109
Ом*м2/м.
Диэлектрики
Удельное сопротивление
более 1010 Ом*м2/м.
Ом*м2/м.
Удельная
проводимость от
104 до 106 Ом-1см1
Удельная
проводимость от
10-9 до 103 Ом-1см-1
Удельная проводимость
менее 10-10Ом-1см-1

4. Чем обусловлена такая электропроводность материалов

Для протекания электрического тока нужны
свободные носители зарядов
В металлах носителями заряда являются
валентные электроны.
Практически все валентные электроны
свободны, что и обусловливает их высокую
электропроводность.
Например, удельное сопротивление меди
r=0,017×10-6 Ом*м2/м.

5.

• В диэлектриках свободных носителей
практически нет, например, для
диэлектрика полиэтилена
r = 1015 Ом*м2/м.
• В полупроводниках свободных носителей
значительно меньше чем в металлах, но
больше, чем в диэлектриках, поэтому их
удельное сопротивление велико, но
меньше, чем у диэлектриков.
• Например у кремния r = 2×103 Ом*м2/м.

6. К полупроводникам относятся

Простые вещества (элементарные полупроводники):
бор B,
кремний Si,
фосфор Р,
сера S,
германий Ge,
мышьяк As,
серое олово a-Sn,
селен Se, т
теллур Te.
Из элементарных полупроводников для создания
полупроводниковых приборов используются кремний,
германий и селен.

7. Химические соединения:

AIV BIV – соединение элемента IV группы с другим элементом IV
группы
(практическое применение имеет карбид кремния SiC, из него
изготовляют светодиоды желтого цвета свечения);
AIII BV - соединения элементов III и V групп периодической
системы:
GaAs,
GaР,
InSb, и т.д.
Наибольшее применение из них имеет арсенид галлия GaAs;
AII BVI - соединения элементов II и VI групп:
CdS,
CdSe,
CdTe,
ZnS
Как правило, используются их фоточувствительные или
люминесцентные свойства).

8.

Наибольшее применение в настоящее время
имеет кремний. Из него изготовляют примерно
95% всех полупроводниковых приборов и
микросхем. Так было не всегда. После
изобретения транзистора первые
полупроводниковые триоды изготовляли из
германия. Сейчас германиевая технология
уступила позиции кремниевой, и германий стал
вторым по значению полупроводниковым
материалом. В настоящее время расширяется
применение арсенида галлия (GaAs), и можно
ожидать, что в ближайшем будущем арсенид
галлия станет не менее значимым для практики
материалом, чем германий.

9. Структура кристалла кремния

Атомы кремния образуют
пространственную решетку.
Взаимное притяжение атомов
кристаллической решетки
осуществляется за счет
ковалентной связи, т. е. общей
пары валентных электронов,
вращающихся по одной орбите
вокруг этих атомов.
Согласно принципу Паули,
общую орбиту могут иметь
только два электрона с
различными спинами, поэтому
число ковалентных связей
атома определяется его
валентностью.

10. Собственная проводимость Si

Каждый атом связан с 4
аналогичными атомами
ковалентными связями
По 4 «своих» электрона
вращаются вокруг «своих»
атомов
Атомы расположены так близко,
что электронное облако соседних
атомов – становится общим для
соседних атомов

11.

Каждой орбите соответствует своя
энергия электрона.
Электрон в атоме обладает только
некоторыми, вполне определенными
значениями энергии, составляющими
совокупность дискретных
энергетических уровней атома.
В процессе образования
кристаллической решетки между
атомами возникает сильное
взаимодействие, приводящее к
расщеплению энергетических
уровней, занимаемых электронами
атомов
Совокупность этих уровней называют
энергетической зоной. Число
подуровней в каждой зоне
определяется числом
взаимодействующих атомов.

12.

Разрешенные энергетические зоны 1 и 3
Они отделены друг от друга запрещенной зоной 2.
Запрещенная зона объединяет уровни энергий,
которые не могут принимать электроны атомов
данного вещества.
Ширина разрешенных зон в твердом теле не
превосходит несколько электрон-вольт (эВ), а
число атомов в 1 см3 достигает 1022, (см. зону 3)
В результате - разность между уровнями
составляет 10-22 эВ. Таким образом, в пределах
разрешенной зоны получается практически
непрерывный спектр энергетических уровней.

13.

• Верхняя разрешенная зона, в которой при
абсолютном нуле температуры все энергетические
уровни заняты, называется заполненной или
валентной зоной (зона 3).
• Разрешенная зона, в которой при Т = 0° К
электроны отсутствуют, называется свободной (зона
1).
• Ширина запрещенной зоны (зона 2) является
важным параметром, определяющим свойства
твердого тела. Вещества, у которых ширина
запрещенной зоны DW 3 эВ, относятся к
полупроводникам, а при DW > 3 эВ - к диэлектрикам.
У металлов запрещенная зона отсутствует.
• На рисунке показаны энергетические уровни для
полупроводника при температуре, близкой к
абсолютному нулю. Свободных электронов нет, и
полупроводник ведет себя, как диэлектрик.

14. Увеличение температуры до комнатной

15.

Часть
электронов
приобретает
энергию,
достаточную для разрыва ковалентной связи.
При разрыве ковалентной связи в валентной зоне
появляется свободный энергетический уровень.
Уход
электрона
из
ковалентной
связи
сопровождается появлением в системе двух
электрически связанных атомов единичного
положительного заряда, получившего название
дырки, и свободного электрона.
На свободный энергетический уровень может
перейти электрон из соседней ковалентной связи.
Электрон из одной связи переместится в другую,
на этом месте образуется дырка и т.д.
Процесс
образования
пар
электрон-дырка
называют генерацией свободных носителей
заряда.

16.

Очевидно, что количество их тем больше, чем
выше температура и меньше ширина
запрещенной зоны. Одновременно с
процессом генерации протекает
процесс рекомбинации носителей, при
котором электрон восстанавливает
ковалентную связь. Из-за процессов
генерации и рекомбинации носителей зарядов
при данной температуре устанавливается
определенная концентрация электронов в
зоне проводимости ni, и равная ей
концентрация дырок pi, в валентной зоне.

17. выводы

При температуре близкой к абсолютному
нулю и идеальной кристаллической структуре
в полупроводнике нет свободных носителей
зарядов. Все электроны находятся в узлах
кристаллической решетки
Полупроводник фактически является
диэлектриком.
У проводников – наоборот – при очень
низких температурах наступает
сверхпроводимость

18.

При росте температуры в полупроводнике
образуются пары свободных носителей зарядов –
это электроны и дырки Чем выше t – тем больше
электронов «вырвавшихся» из своих узлов
Такие «вырвавшиеся» электроны называются
«свободными»
На месте «вырвавшегося» электрона остается +
заряд, называемый «дыркой» - это положительно
заряженный ион.
Таким образом проводимость чистого
полупроводника на 50% обусловлена
электронами и на 50% - дырками.
Она называется электронно-дырочная
проводимость
Но она значительно меньше, чем у проводников.

19. Движение носителей зарядов в полупроводнике под действием поля

Движение под действием поля (свободных
носителей очень мало: 1пара на 1011атомов Si)
Рекомбинация (идет параллельно образованию
новых пар свободных носителей)

20. ВЫВОДЫ

В полупроводниках может протекать
электрический ток за счет собственной
проводимости полупроводника
Но т.к. свободных носителей заряда в таком
полупроводнике мало – то проводимость очень
мала
Использовать практически такой полупроводник –
нецелесообразно
Необходимо искусственно увеличить количество
свободных носителей зарядов («дырок» и
электронов)

21. Типы проводимости полупроводников

Собственная
проводимость
полупроводников
Примесная
проводимость
полупроводников

22. Примесная проводимость полупроводников

Возьмем в качестве основы Ge
Ge – 4 валентный – имеет 4 е во
внешней оболочке
Введем как примесь С – углерод
Ввести примесь – заменить один атом
Ge на один атом С
С – тоже 4-валентный,
В структуре кристалла ничего не
изменится
Вокруг каждого атома - по 4 е
Не увеличивается число свободных
носителей

23. Донорная примесь

Возьмем в качестве основы Ge
Введем как примесь As – мышьяк
As– из 5 группы элементов
Во внешней оболочке 5 е
В итоге: 4 е «свяжутся» с
соседними атомами Ge, а пятый е
– окажется связан только с одним
атомом – связь очень слабая
Такая примесь создает избыток
слабо связанных электронов
Примесь называется донорной
Кристалл с такой примесью –
полупроводник n-типа

24. Акцепторная примесь

В качестве основы Ge
В качестве примеси – B – бор
Бор из 3 группы – 3 е вокруг атома
Для образования полноценной
ковалентной связи не хватает
одного е
Образуется «дырка» - область
диэлектрика с + зарядом
Атом с такой «дыркой» будет
стремиться захватить себе е от
соседей – тогда дырка возникнет у
соседнего атома
Примесь называется акцепторная
Полупроводник с такой примесью –
полупроводник p-типа

25. Введение примесей может резко увеличить число е или дырок – т.е. резко увеличить число носителей зарядов.

p-n-переход
Электронно дырочный переход и
его применение в технике (p-nпереход)
Применять как обычный проводник
- нет смысла
Основное применение –
выпрямление электрического тока
Усиление электрического тока
Модуляция и демодуляция
электрических сигналов
На границе p и n областей
возникают особые свойства

26. На границе двух слоев

Образуется двойной слой заряженных ионов
Между этими слоями (как в конденсаторе)
образуется разность потенциалов (менее 1В)
Толщина слоя – доли мкм
Напряженность поля
D 0,4 0,8
5 В
E
(4 8) *10
6
d
10
м
0,8 В – у кремния
0,4 В – у германия

27. Зависимость некоторых параметров полупроводника от внешних факторов

Зависимость сопротивления
(проводимости) от температуры
Зависимость сопротивления
(проводимости) от освещенности
Зависимость сопротивления от
влияния магнитного поля
Эффект Холла

28. Влияние температуры на сопротивление полупроводника.

Сопротивление всех проводящих материалов зависит
от температуры
У терморезисторов эта зависимость выражается более
ярко
В общем случае зависимость сопротивления от
температуры выражается
2
3
R t R0 (1 Dt Dt Dt )
R t R0 (1 Dt )
, , справочные коэффициен ты
R0 сопротивление при заданной t
Dt перегрев

29. В зависимости от знака коэффициента α терморезисторы делятся на

Терморезисторы
с
положительным
ТКС
С ростом
температуры
сопротивление
растет проводники
Терморезисторы с
отрицательным
ТКС
С ростом
температуры
сопротивление
убывает полупроводники

30. Зависимость сопротивления полупроводника от температуры

Рост t- появляется больше
свободных носителей
зарядов R-уменьшается
Электроны получают
дополнительную энергию и
«вырываются» из узлов
своей решетки
Уменьшение t- R- растет и
становиться как у
диэлектриков
Сверхпроводимости при уменьшении t у
полупроводников нет

31. Термисторы

Частный случай –
терморезисторы,
выполненные из
полупроводниковых
материалов по особой
технологии.
Метод изготовления –
окислы металлов
(марганца, меди, никеля,
кобальта и т.д. спекают
при высокой температуре.
Получившиеся оксиды
имеют отрицательный ТКС.

32. Применение

Измерение и компенсация температуры
Бытовая электроника: холодильники и
морозильники, посудомоечные машины, фены и
т.д.
Автомобильная электроника: для измерения
температуры охлаждения воды или масла; для
контроля температуры выхлопных газов, крышки
цилиндра, тормозной системы; для контроля
температуры в салоне автомобиля.
В кондиционерах: в распределителе тепла; для
мониторинга температуры в комнате
В нагревателях для пола и газовых котлах
Для блокировки дверей в нагревательных
приборах

33. Сопротивление полупроводника зависит и от освещенности

1873 г – Мэй и Смит
При испытании подводного кабеля, оболочка
которого была из селена
При ярком освещении сопротивление оболочки
резко упало
Но! Разница между фотоэмиссией и
термоэлектронной эмиссией – при фотоэмиссии
электроны не покидают поверхность
полупроводника, а вырываются из своих связей и
начинают свободно «гулять» по полупроводнику
Это называется внутренним фотоэффектом
На этом основана работа фотоэлементов

34. Суть внутреннего фотоэффекта – при поглощении света веществом в веществе перераспределяются электроны – меняется

электропроводность вещества
Элементы, использующие внутренний
фотоэффект – фоторезисторы
Материалы – германий, кремний. селен., теллур и
различные сульфиды (висмута, свинца, кадмия)
Наиболее популярные в настоящее время
Сера+свинец
Сера+висмут
Сера+кадмий
Селен+кадмий

35. Конструкция и характеристики

Важнейшие характеристики
–ВАХ и спектральная
характеристика
ВАХ строится при
различных световых потоках
– линейная
Спектральная показана для
разных материалов 1- сера+висмут
2-сера+свинец
Длина волны – больше чем
у фотоэлементов на
внешнем фотоэффекте
S 500
мка
лм
S 1000 6000
мка
лм

36. Применение фотопреобразователей

Измерение оптических параметров
Яркости света
Спектрального состава
Освещенности
Отражения световых волн от
поверхности

37. Влияние магнитного поля на сопротивление полупроводников

У некоторых материалов (проводников и
полупроводников) под действием
магнитного поля изменяется сопротивление.
Изменение сопротивления обусловлено
силой Лоренца.
Без магнитного поля только под действием
разности потенциалов носители заряда
двигались бы по кратчайшему пути
При наличии магнитного поля их путь
удлиняется – это соответствует увеличению
сопротивления

38. Особенности со стороны магнитного поля

Сила Лоренца ни в коем случае по
направлению не должна совпадать с
направлением движения носителей
зарядов
Следовательно это должно быть
поперечное магнитное поле
В полупроводниках такое относительное
увеличение сопротивления может быть
десятки раз

39.

DR
R
kR * H
kR
2
Зависит от материала (справочный
коэффициент)
-

40.

•Это подложка с размещенным на ней
магниточувствительным элементом (МЧЭ).
•Подложка обеспечивает механическую
прочность прибора.
•Элемент приклеен к подложке и защищен
снаружи слоем лака.

41. Современное применение магниторезисторов

Магниторезистивные датчики отличаются
высокой чувствительностью
Датчики позволяют измерять самые слабые
магнитные поля (от 30 мкГаусс) с
последующим их преобразованием в
выходное напряжение. В конструкции
датчика могут быть объединены несколько
мостовых схем, образуя, таким образом, двухи трехосевые сенсоры.

42.

43. Эффект Холла

Пластину из проводящего материала
помещают в магнитное поле
Вдоль пластины пропускают ток
Магнитное поле и пластина должны быть
во взаимно перпендикулярных плоскостях
Тогда в пластине возникает ЭДС:
E K *I *H
Kx
K
d
I – Ток, H – напряженность поля,
d- толщина пластины, Kxпостоянная Холла

44.

45. Наиболее удачные материалы:

Мышьяковидный индий
Фосфат индия
Сурьмянистый индий
Германий
Кремний

46. Пленочные датчики Холла

Состоит из тонкой слюдяной
подложки прямоугольной формы, на
которую наносится слой
полупроводника, обладающего
соответствующими электрическими
параметрами.
На этот слой наносятся четыре
металлических электрода, из
которых два - токовые.
Другая пара электродов
предназначена для снятия
холловской разности потенциалов.
К электродам подводятся тонкие
проводники.
Пластинка с полупроводниковым
слоем может иметь толщину от 10
до 100 мкм.

47. Применение

Измерение магнитных полей – напряженность
магнитного поля от 1 до 109 А/м
Получение кривых намагничивания магнитных
полей
Контроль распределения магнитных полей в
электрических машинах
Особенности:
При работе в сильных магнитных полях ЭДС Холла
измеряется практически любым вольтметром
При работе в средних необходимо усиление
выходного напряжения датчика
Измерение малых полей – концентраторы
магнитного поля.