Теорія напівпровідників

Сторінка 1

Дія електронних ламп заснована на керуванні струмом електронів, що йдуть від електрода (катода), що нагрівається, до електрода, що збирає (анода). Катод нагрівається окремим нагрівальним елементом. Для роботи такого пристрою потрібна значна кількість електроенергії.

У напівпровідниках не потрібно підводити енергію до нагрівача, щоб одержати вільні електрони, а збираючі електроди можуть працювати при вельми низьких напругах.

Опір напівпровідників можна контрольовано змінювати. Це здійснюється шляхом легування напівпровідника іншими хімічними елементами. Більш того, вибираючи той або інший матеріал для легування, можна задавати потрібний вид носіїв електричного заряду (позитивні або негативні). Пояснимо цю думку.

Всі хімічні елементи, що зустрічаються в природі, можна розташувати в послідовний ряд по числу позитивних зарядів, починаючи з водню, що має один позитивний заряд в ядрі атома (заряд одного протона), і закінчуючи ураном з 92 протонами. Позитивний заряд ядра компенсується оболонками оточуючих його електронів. Електрони внутрішніх оболонок досить міцно зв'язані з ядром. Електрони ж зовнішньої оболонки зв'язані слабкіше; як валентні електрони вони можуть брати участь в хімічних процесах, а як електрони провідності – переносити електричний заряд (електричний струм в металах є потік електронів). У таких металах, як мідь, електрони зовнішніх оболонок практично вільні і під впливом дуже слабкого електричного поля здатні переносити колосальні струми. Зовнішні електрони в діелектриках зв'язані міцно, тому діелектрики практично не проводять електрики. Напівпровідники – це проміжний випадок. Згідно фундаментальному постулату фізики, званому рівнянням Больцмана, число N частинок з енергією Е дається формулою

, (А.1)

де A – константа, що характеризує матеріал, k – стала Больцмана ( еВ/К), а T – абсолютна температура в кельвінах (К). Звідси видно, що чим міцніше зв'язок і нижче температура, тим менше звільняється електронів. Якщо в кремній, який є чотирьохвалентним, домішати фосфор, сурму або миш'як, кожен атом яких має п'ять валентних електронів, то один електрон легувальної домішки буде зайвим. Цей надлишковий електрон зв'язаний слабко і легко може діяти як електрон провідності. Якщо ж в кремній ввести бор, галій або алюміній, кожен атом яких має три валентні електрони, то для утворення всіх зв'язків бракуватиме одного електрона. В цьому випадку перенесення струму визначається електронними вакансіями, або «дірками». Насправді електрони під впливом електричного поля перескакують від одного вакантного зв'язку до іншого, що можна розглядати як переміщення дірок в протилежному напрямі. Електричний струм при цьому напрямлений так само, як і у разі електронів. Відповідно до закону n = p = N/2 можна довільно змінювати число електронів n або дірок p в одиниці об'єму напівпровідника, задаючи потрібне число надмірних донорів або акцепторів електронів. Напівпровідники, в яких електронів більше, ніж дірок, називаються напівпровідниками n-типу (рис. А.2), а напівпровідники, в яких більше дірок, –напівпровідниками p-типу (рис. А.3). Ті носії, яких більше, називаються основними носіями, а яких менше – неосновними. Межа, що відокремлює в кристалі ділянку p-типу від ділянки n-типу, називається p-n-переходом.

Типовий представник напівпровідників наведено на рисунку А.1

Рисунок А.1 – Електронні оболонки атома кремнію, типового напівпровідникового матеріалу

В утворенні хімічних зв'язків і в процесі провідності можуть брати участь тільки чотири електрони зовнішньої оболонки (темні кружки), звані валентними електронами. Десять внутрішніх електронів (світлі кружки) в таких процесах не беруть участі.

Рисунок А.2 – Напівпровідник n - типу

Рисунок А.3 – Напівпровідник р -типу

А.2 p-n перехід

У з’єднаних разом шматочках напівпровідників n і p-типу найближчі до межі електрони переходитимуть з n-ділянки до p-ділянки, а найближчі дірки – назустріч їм, з p-ділянки в n-ділянки. Сам перехід буде утворений з позитивно заряджених донорів, що втратили свої електрони, на n-стороні, і з негативно заряджених акцепторів, що втратили свої дірки, на p-стороні.

Рисунок А.4 – p-n-перехід

При цьому перехід уподібнюється зарядженому конденсатору, на обкладинках якого є деяка напруга. Перетікання електронів і дірок через перехід припиняється, як тільки заряджені іони створять на ньому напругу, рівну і протилежну контактному потенціалу (напрузі), обумовленому відмінністю знаку надмірного заряду в напівпровіднику. Якщо на перехід подати відповідну зовнішню напругу, то іонізуються (втрачають свої електрони і дірки) додаткові донори і акцептори, причому в такій кількості, що перехід тільки-тільки підтримує прикладену напругу.

Страницы: 1 2

Нове про педагогіку:

Шляхи формування комунікативних умінь і навичок
Кожен урок української мови – складна, цілісна, динамічна система змісту навчального матеріалу й організації роботи з ним, яка насамперед спрямовується на засвоєння матеріалу, зазначеного в темі урок ...

Формування навичок театральної майстерності на уроках читання
Очевидно, що тільки вчитель-митець може виховати творчу особистість. Традиційні уроки, як основна форма навчання, не задовольняють потреби учнів у самовираженні, самореалізації. Саме тому навчально-в ...

Навігація по сайту

Copyright © 2018 - All Rights Reserved - www.ipedahohika.com