Электрический ток в проводниках диэлектриках полупроводниках

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники – это вещества, сопротивление которых убывает с повышением температуры, изменения освещенности, наличия примесей.

При нагревании полупроводникового термистора сила тока в цепи растет, что указывает на уменьшение его сопротивления.

При освещении полупроводникового фоторезистора сила тока в цепи растет, что указывает на уменьшение его сопротивления.

Типичными полупроводниками являются кристаллы германия (Ge) и кремния (Si).

Проводимость полупроводника

Главное свойство полупроводников, результатом которого является широчайшее их распространение в современной электронике, является возможность легкого управления проводимостью. Это дает возможность использовать полупроводники для усиления и преобразования самых разных электрических сигналов.

Изначально полупроводниковые приборы строились в основном на основе германия. В настоящее время самое широкое применение находит кремний.

Строение кристалла полупроводника

Для понимания природы проводимости полупроводника следует рассмотреть его атомное строение. Кремний – четырехвалентный элемент. В его кристалле каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя соседями. Ковалентная химическая связь – это связь, при которой электроны двух атомов «обобществляются», и становятся общими. То есть каждая связь в кремнии содержит два «обобществленных» электрона.

Рис. 1. Структура связей в кристалле кремния.

Электронная проводимость

Чем выше температура кристалла, тем больше энергии имеют валентные электроны, и тем легче им переходить между соседними атомами. Удалившись от одного атома, он может начать двигаться по связи с другим атомом (там, где в это время другой электрон «освободит место»).

Дырочная проводимость

Заметим, что электрон, ставший свободным – покинул свой атом, в результате чего у атома образовался избыточный положительный заряд, «вакантное место» в одной из четырех связей. Такой атом называется «дыркой». Поскольку в ковалентных связях электроны могут переходить от связи к связи – образовавшееся «вакантное место» может быть заполнено электроном из соседнего атома, таким образом дырка образуется в этом соседнем атоме.

В отсутствие электрического поля дырки образуются и исчезают хаотично. Однако, если такое поле появляется, дырка будет заполняться электронами из соседних атомов в основном под действием этого поля. То есть, под действием поля дырка начинает движение – в полупроводнике возникает дырочная проводимость.

Таким образом, кратко электрический ток в полупроводниках можно представить в виде движения электронов и дырок.

Собственная и примесная проводимость

Собственная проводимость чистого полупроводника, как правило, невелика, существенно меньше, чем проводимость металлов. Для работы в электронных схемах это большой недостаток. Для увеличения проводимости в полупроводник вводят специальные примеси.

Атомы примеси подбираются так, чтобы они легко встраивались в кристаллическую структуру полупроводника, и при этом значительно влияли на его проводимость, несмотря на небольшое количество примеси. Такой результат можно получить, если валентность примеси будет немного отличаться (на единицу) от валентности вещества полупроводника.

Донорная и акцепторная проводимость

Валентность примеси может быть равна пяти (например, у мышьяка). В этом случае у каждого атома примеси кроме четырех электронов, участвующих в связи с соседними атомами кремния, будет один «лишний» электрон, который сможет легко покидать атом мышьяка, и двигаться в полупроводнике. Проводимость кристалла резко возрастает за счет появляющихся свободных электронов. Примесь, которая легко увеличивает число свободных электронов, называется донорной, а кристалл полупроводника с донорной примесью называется n-типом (от «negative»). Основными носителями в таком полупроводнике являются электроны.

Рис. 2. Электронная проводимость полупроводника.

Валентность примеси может быть равна трем (например, у индия). В этом случае у каждого атома примеси в четырех связях с соседними атомами кремния всегда будет одно «вакантное» место, которое будет легко заполняться электронами соседних атомов. Проводимость кристалла в этом случае также возрастает, за счет увеличенного числа дырок. Примесь, увеличивающая число дырок, называется акцепторной, а полупроводник с такой примесью называется полупроводником p-типа (от «positive»). Основными носителями в нем являются дырки.

Рис. 3. Дырочная проводимость полупроводника.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно менять как электронную, так и дырочную проводимость. Эта возможность широко используется в электронике.

Длина проводника

Допустим перед нами стоит задача: у нас есть медный провод с поперечным сечением в 0,1 мм 2 . Нам надо получить сопротивление проводника в 1 Ом. Какая длина проводника должна быть?

Оказывается, эта задачка решается очень просто. Достаточно вспомнить формулу выше.

Отсюда получаем, что

Удельное сопротивление меди можно узнать из таблицы. Оно равняется 0,017 Ом × мм 2 /м.

Диэлектрик в однородном электрическом поле

Поместим диэлектрик в однородное электрическое поле. Мы уже знаем, что диполи — это молекулы полярных и неполярных диэлектриков, которые направлены в зависимости от внешнего поля. Их векторы упорядочены. Тогда сумма векторов не является нулевой, и диэлектрик имеет электрический момент. Внутри него имеются положительные и отрицательные заряды, которые взаимокомпенсирумы и находятся близко друг от друга. Поэтому диэлектрик и не получает заряд.

Противоположные поверхности имеют нескомпенсированные поляризационные заряды, которые равны, то есть диэлектрик поляризуется.

Если взять ионный диэлектрик и поместить в электрическое поле, то решетка кристаллов из ионов в нем слегка сместится. В результате диэлектрик ионного типа получит электрический момент.

Поляризационные заряды образуют свое электрическое поле, которое имеет противоположное направление с внешним. Поэтому напряженность электростатического поля, которое образуется зарядами, помещенными в диэлектрик, получается меньше, чем в вакууме.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Электрический ток в полупроводниках»

Совсем недавно мы говорили об электронной проводимости металлов и выяснили, что их сопротивление линейно растет с увеличением температуры.

Так вот, пожалуй, главное отличие полупроводников от проводников — это совсем иная зависимость сопротивления от температуры. Если в металлических проводниках, сопротивление линейно растет с увеличением температуры, то в полупроводниках, сопротивление с увеличением температуры резко падает.

Как видно из графика, при очень низких температурах, удельное сопротивление полупроводников настолько велико, что они ведут себя как диэлектрики. И, наоборот, при очень высоких температурах, сопротивление полупроводников очень резко уменьшается. К полупроводникам относятся такие вещества, как германий, кремний, селен, мышьяк, фосфор, сера и некоторые другие вещества. Для того, чтобы понять, от чего зависит проводимость полупроводников, нам нужно рассмотреть их строение. Мы рассмотрим наиболее распространенный элемент среди полупроводников — кремний. Обратившись к таблице Менделеева, можно убедиться, что кремний находится в четвертой группе. То есть, атом кремния обладает четырьмя валентными электронами. Если мы рассмотрим кристаллическую решетку кремния, то убедимся, что взаимодействие атомов осуществляется посредством ковалентной связи.

На нашем рисунке электроны обозначены черточками, поскольку именно они образуют связи между атомами. При такой структуре, каждый валентный электрон атома кремния участвует в связях между атомами, которые очень прочны при низких температурах. Это говорит нам о том, что при низких температурах в кристаллах кремния нет свободных электронов, которые могли бы обеспечить электронную проводимость. Следовательно, ток проходить через кремний не будет. Но, как вы знаете, высокие температуры способны разрушить химические связи. Именно это и происходит при нагревании полупроводников. Электроны покидают свои места и становятся свободными, точно так же, как электроны в металле.

Это обеспечивает электронную проводимость в полупроводниках при высоких температурах. Но, надо сказать, что проводимость в полупроводниках обусловлена не только электронной проводимостью. Дело в том, что на месте, которое покинул электрон, образуется избыточный положительный заряд. Такое место называется дыркой.

Поскольку дырка обладает избыточным положительным зарядом, электроны, обеспечивающие связь с соседними атомами, могут покинуть свое место и занять место дырки. Таким образом, получается, что положение дырок не является постоянным, и можно с уверенностью сказать, что они двигаются. Это явление называется дырочной проводимостью. Итак, полупроводники обладают электронно-дырочной проводимостью, то есть ток проводят два типа зарядов. В чистых полупроводниках электронно-дырочную проводимость называют собственной проводимостью полупроводника.

Существует также понятие примесной проводимости. То есть, при наличии различных примесей в полупроводниках возникает дополнительная проводимость. Если мы будем изменять концентрацию примесей, то это может существенно изменить число носителей заряда. Примесная проводимость разделяется на два вида: донорная и акцепторная. Донорные примеси легко отдают электроны, тем самым увеличивая электронную проводимость. Акцепторные примеси — наоборот образуют дырки, тем самым увеличивая дырочную проводимость.

Примером донорной примеси является мышьяк. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов, а для образования ковалентных связей с атомами кремния нужно только четыре электрона. В результате, оставшийся электрон очень слабо связан с атомом мышьяка и легко покидает его, то есть становится свободным.

Полупроводники с донорными примесями называются проводниками n-типа. В таких полупроводниках электроны являются основными носителями заряда.

В качестве примера акцепторной примеси, рассмотрим примесь индия.

Атомы индия имеют три валентных электрона, а для образования ковалентных связей с атомами кремния нужно четыре электрона. В результате, атому индия не хватает одного электрона, и на месте этого электрона образуется дырка. В этом случае, дырочная проводимость преобладает над электронной, то есть дырки становятся основными носителями заряда. Полупроводники с акцепторными примесями называются полупроводниками р-типа.

А теперь давайте рассмотрим, что будет при контакте полупроводников обоих типов.

При образовании контакта этих полупроводников, между полупроводниками разных типов образуется так называемая зона перехода. Такой контакт полупроводников называется р—п или п-р переходом. При таком контакте электроны и дырки начинают диффундировать, то есть часть электронов переходят в полупроводник р-типа, а дырки — наоборот переходят в полупроводник п-типа. Таким образом, полупроводник п-типа заряжается положительно, а полупроводник р-типа — отрицательно.

Однако, диффузия со временем прекращается. Дело в том, что в зоне перехода возникает электрическое поле, которое становится достаточно сильным, чтобы помешать перемещению дырок и электронов.

Ну а теперь, давайте рассмотрим, как это все можно использовать. Подключим полупроводник с р-п переходом к источнику тока таким образом, что бы положительный полюс источника тока соединяется с полупроводником р-типа, а отрицательный полюс источника тока — с полупроводником п-типа.

Как вы понимаете, в этом случае ток будет обусловлен движением основных носителей. То есть из области п в область р будут перемещаться электроны, а из области р в область п — дырки. Этот переход называется прямым переходом. Надо сказать, что проводимость при прямом переходе довольно велика, а вот, сопротивление — наоборот, мало.

Если же теперь мы подключим батарею наоборот (то есть сменим полярность), то будет наблюдаться другая картина. Теперь электроны, наоборот идут из области р в область п, а дырки — из области п в область р. Вы, наверное, догадались, что в этом случае, ток будет значительно меньше. Действительно, ведь теперь ток обусловлен значительно меньшим количеством носителей заряда. Этот вид перехода называется обратным переходом.

Мы можем изобразить графически вольт-амперные характеристики прямого и обратного перехода.

На графике синей кривой обозначена вольт-амперная характеристика прямого перехода. Конечно, нужно понимать, что на графике изображена вольт-амперная характеристика одного и того же полупроводника, и мы условно разделили ее на две кривые только для наглядности. Как вы видите, сила тока очень быстро растет с увеличением напряжения из-за маленького сопротивления. Если же мы рассмотрим красную кривую, которой обозначена вольт-амперная характеристика обратного перехода, то убедимся, что такой переход обладает незначительной проводимостью. Действительно, сопротивление при этом достаточно велико, и даже при высоком напряжении ток остается слабым. На графике сила тока и напряжение при обратном переходе обозначены за отрицательные, поскольку мы сменили полярность батареи, и, тем самым, изменили направление тока на противоположное.

Итак, используя р-п переход, можно выпрямлять переменный ток. Устройство для подобных целей называется полупроводниковым диодом. Полупроводниковый диод проводит ток только в одном направлении, при этом, не давая протекать току в обратном направлении. Это и есть процесс выпрямления тока, то есть преобразование переменного тока в постоянный.

Электрический ток в газах

Электрический ток в газах называют разрядом. Обычно газы состоят из нейтральных молекул, поэтому они являются диэлектриками. Чтобы появились носители электрического заряда, необходима затрата энергии.

Несамостоятельный разряд. При нагреве газа или при облучении его атомов могут отделиться электроны, и атомы превращаются в положительные ионы.

Самостоятельный разряд. В газах при столкновении молекул может освободиться хотя бы один электрон. Если он попадет в электрическое поле, то начнет двигаться с ускорением. Сталкиваясь с нейтральным атомом газа, ускоренный электрон может «выбить» из него другой электрон, превратив сам атом в положительный ион. Электроны будут и дальше ускоряться, разрушая атомы. Ионы создают ток в противоположном направлении. Таким образом, электрический ток в газах создается электронами и ионами.

На рис. 1 изображена зависимость силы тока через светодиод D от приложенного к нему напряжения, а на рис. 2 – схема его включения. Напряжение на светодиоде практически не зависит от силы тока через него в интервале значений 0,05 А