физика_ часть 2

нужно затратить энергию, равную ширине запрещенной зоны ( W), рас-

положенной между 1 и 2 уровнями (см. рис. 8.3).

Если для движения в зоне нужна очень малая энергия порядка (10 -4- 10- 8) эВ, то для переходов между зонами нужна энергия в несколько элек-

трон-вольт. Различия в электрических свойствах твердых тел объясняются как различным заполнением электронами разрешенных зон, так и их ши-

риной.

На следующих рисунках (8.4, 8.5, 8.6) с позиции зонной теории представлены графики расположения энергетических зон для проводни-

ков, полупроводников и диэлектриков.

Рис. 8.4. Энергетические зоны проводников

Рис. 8.5. Энергетические зоны диэлектриков

11

Рис. 8.6. Энергетические зоны полупроводников

Совокупность энергетических уровней валентных электронов, свя-

занных с атомом, называется валентной зоной.

Зона проводимости - совокупность энергетических уровней свобод-

ных электронов (электронов проводимости).

У диэлектриков зона проводимости почти не заполнена электронами

(тогда как валентная зона полностью заполнена валентными электронами).

Для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, элек-

тронам нужно получить извне высокую энергию (это видно по ширине за-

прещенной зоны), поэтому в нормальных условиях диэлектрики не прово-

дят электрический ток.

У проводников запрещенная зона вообще отсутствует, (рис. 8.4 , т.к.

валентная зона и зона проводимости перекрываются), поэтому электроны легко переходят в зону проводимости, что и обусловливает их низкое со-

противление протеканию тока.

У полупроводников ширина запрещенной зоны невелика, что объяс-

няет их особые свойства.

Рассмотрим типичный полупроводник элемент IV группы таблицы Менделеева - кремний, у которого атомы кристалла связаны ковалентной связью. Вокруг каждого атома в кристалле образуется замкнутая оболочка из валентных электронов (рис. 8.7).

Устойчивая электронная оболочка ковалентных связей состоит из 8

электронов. Даже при комнатной температуре энергия отдельных элек-

тронов достаточна для перехода из валентной зоны в зону проводимости.

12

При таком переходе в ковалентных связях образуются пустые места или

«дырки» (рис. 8.7). Поскольку на месте «дырки» положительный заряд не компенсируется (раньше здесь находился электрон), для наглядного объ-

яснения происходящих явлений дырке приписываются свойства положи-

тельной частицы. Действительно, если данная дырка заполняется при по-

падании в неё свободного электрона, то она (дырка) как бы переместится на прежнее место электрона. Это явление похоже на пересаживание зри-

телей в кинотеатре: зрители (электроны) садятся в пустые кресла (дыр-

ки), причем перемещение зрителей и пустых кресел происходит хаотиче-

ски.

Процесс заполнения дырки электроном называется рекомбинацией.

При фиксированной температуре скорости рекомбинации и появления но-

вых электронно-дырочных пар равны, поэтому наступает равновесие. Это равновесие носит динамический характер, подобно равновесию химиче-

ской реакции.

Рис. 8.7. Строение полупроводника

Итак, собственная проводимость полупроводника обусловлена дву-

мя типами переносчиков тока: электронами в зоне проводимости и дырка-

ми в валентной зоне. Проводимость, обусловленная движением электро-

нов, называется проводимостью «n» - типа (от первой буквы «negative» -

13

отрицательный). Дырочная проводимость - это проводимость «р» - типа

(от «positive» - положительный).

Наряду с собственной проводимостью полупроводники обладают примесной проводимостью, связанной с наличием в них примесей, в част-

ности, атомов или ионов посторонних элементов. Примеси искажают пе-

риодическое электрическое поле в кристалле, влияют на движение элек-

тронов и их энергетическое состояние. Если к чистому кремнию искусст-

венно добавить некоторое количество элемента V группы (например,

сурьмы или мышьяка), то при образовании ковалентной связи останутся

«лишние» электроны, т.е. к 4 электронам кремния добавятся 5 электронов примесного атома.

Электрические уровни таких электронов находятся очень близко к зоне проводимости и поэтому электроны легко туда переходят (рис. 8.8).

Эти уровни называют донорными, а соответствующие примеси - до-

норными примесями. Образующаяся проводимость полупроводника назы-

вается электронной примесной проводимостью или примесной проводи-

мостью «n» - типа. Подобные полупроводники называют полупроводни-

ками «n» - типа.

Рис.8.8.

Если к чистому полупроводнику (Si) добавить атомы элементов III

группы (индий или галлий), то при образовании ковалентной связи элек-

тронов не будет хватать, в результате в кристалле возникнут незаполнен-

14

ные места - вакансии. При переходе электронов с соседних атомов на эти вакантные места, в этих атомах образуются «дырки». Энергетические уровни таких атомов, называемые акцепторными уровнями, находятся очень близко к валентной зоне (рис.8. 9).

Рис.8.9.

При переходе электронов из валентной зоны на уровень акцепторов в ней образуются новые дырки. В результате валентная зона становится зоной проводимости для дырок.

Указанные примеси называются акцепторными, а образующаяся проводимость - дырочной примесной проводимостью или примесной про-

водимостью «р» - типа. Подобные полупроводники называют полупро-

водниками «р» - типа.

В полупроводниках «n» - типа электроны являются основными но-

сителями заряда, а основными носителями заряда в полупроводниках «р» -

типа будут дырки. Для полупроводников «n» - типа дырки, а для «р» - ти-

па электроны являются не основными носителями заряда.

Концентрация основных носителей (электронов в «n» - полупровод-

нике и дырок в «р» - полупроводнике) в 103-104 раз больше концентрации не основных носителей.

Свойства полупроводников широко используются для изготовления полупроводниковых диодов. В основе принципа действия полупроводни-

кового диода лежат физические закономерности так называемого «р»-»n»

перехода.

15

Соединим вместе полупроводники р и «n» типа. Ясно, что дырки из

«р» - области устремятся навстречу электронам «n» - области и начнется взаимный переход, сопровождающийся рекомбинацией электронов и ды-

рок (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Рекомбинация электронов и дырок на границе раздела полупроводников

Однако ни дырки, ни электроны не могут далеко уйти от границы раздела полупроводников, так как они притягивают друг друга (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Образование «р-n» перехода

Поэтому на этой границе образуется очень тонкий слой заряженных частиц, называемый «р-n» переходом, который изменит первоначальное направление электрического поля Е0.

«р-n» переход препятствует переходу дырок из области «р» в об-

ласть «n» и обратному переходу электронов. Это явление легко пояснить,

если привлечь к рассмотрению направление вектора напряженности элек-

трического поля Е0 (рис. 8.12).

16

Рис.8.12. Движение электронов и дырок

«Дырки» следуют по направлению электрического поля, а электро-

ны против поля.

Подключим внешний источник напряжения (Е вн) к «р-n» переходу

(рис. 8.13).

Рис. 8.13. Подключение внешнего источника прямой полярности Внешнее поле (Евн) «прорывает» поле «р-n» перехода. Дырки идут

из области «р» в область «n», а электроны в обратном направлении. Через переход протекает большой ток, называемый прямым током.

Если теперь подключить источник в обратном направлении (рис. 8.14), то внешнее

Рис. 8.14. Подключение внешнего источника обратной полярности

17

поле (Евн) «помогает» внутреннему полю «р-n» перехода и взаимный пе-

реход дырок и электронов будет ещё более затруднен. Однако, неосновные носители (дырки в «n» - области и электроны в «р» - области) свободно проходят «р»-»n» переход, при этом в цепи протекает очень слабый ток,

называемый обратным током.

Поскольку прямой ток намного больше обратного можно считать,

что «р-n» переход обладает свойством пропускать ток только в одном на-

правлении, т.е. обладает односторонней проводимостью. Поэтому на ос-

нове «р-n» перехода можно изготовить выпрямитель переменного тока на базе полупроводников. Полупроводниковый диод – прибор, пропускаю-

щий ток только в одном направлении (ток одной полярности).

Свойства полупроводникового диода удобно изучать с помощью за-

висимости тока, протекающего через диод, от величины приложенного напряжения. Эта зависимость на зывается вольтамперной характеристикой

(рис. 8.15).

Обратный ток - это ток неосновных носителей заряда, а поскольку их количество в полупроводнике ограничено, то по мере увеличения на-

пряжения наступает насыщение и величина обратного тока не изменяется

(рис. 8.15). Но с ростом температуры их концентрация увеличивается и величина обратного тока возрастает. Поэтому полупроводниковые диоды не допускают сильного нагрева. Концентрация основных носителей от температуры почти не зависит.

18

Рис. 8.15. Вольтамперная характеристика диода

С повышением температуры величина тока насыщения увеличивает-

ся, поэтому диоды можно использовать в качестве термодатчиков, напри-

мер, в термостатах или термометрах. Под действием света в полупровод-

никах генерируются не основные носители (внутренний фотоэффект), по-

этому величина обратного тока зависит от интенсивности световой волны.

На этой зависимости основан принцип действия фотодиодов - приборов для регистрации и измерения лучистой энергии.

8.2. Практическая часть работы.

Снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода

1.Соберите электрическую схему представленную на рисунке 8.16, ис-

пользуя прилагающиеся приборы.

2.Определите цену деления вольтметра и амперметра.

3.Включите в сеть источник питания.

4.Замкните проводником специальные гнезда 0-1, подключите диод Д1.

5.Изменяя потенциометром, напряжение в цепи, снимите показания с ам-

перметра (4 измерения). Данные для диода Д 1 занесите в таблицу.

19

6.Переключите диод в обратном направлении. Выполните требования 5

пункта.

7.Проведите расчет сопротивления диода для прямого и обратного токов,

используя закон Ома. Повторите измерения для диодов Д2 и Д3. По-

стройте графики зависимостей: R = f (I пр); R = f (I обр).

Рис. 8.16. Электрическая схема установки

9. Постройте вольтамперные характеристики диодов Д1, Д2, Д3 на одном

графике и проведите сравнение.

Таблица результатов измерений

Диод	№		Прямой ток				Обратный ток
		U, B		-3	, A	R, Oм	U, B	-3	, A	R, Oм
	измерения
				I 10				I 10
	1
Д1	2
	.
	.
	10
	1
Д2	2
	.
	.
	10
	1
Д3	2
	.
	.
	10

20