Электрический ток в полупроводниках
Содержание
Электрический ток — это направленное движение микрочастиц с зарядом, которые перемещаются от одного атома к другому внутри материала. У металлов, являющихся проводниками, в структуре всегда присутствуют два свободных электрона, которые слабо связаны с ядром. Именно они отрываются от атома и перемещаются внутри материала, создавая тот самый поток, который называется электрическим током.
У диэлектриков связь электронов с ядром сильная, поэтому первые от второго ни при каких условиях оторваться не могут. Значит, внутри диэлектрических материалов электрический ток не возникает. В полупроводниках свободных электронов тоже нет. Их у каждого атома четыре, отсюда четыре химические связи между электронами и ядром. Такие атомы называются четырехвалентными. Но появиться ток в полупроводнике может и это будет упорядоченное движение носителей электрического заряда.
Как образуется ток в полупроводниках
Физика электрического тока в полупроводниковых материалах является довольно сложной и не отличается постоянством. Характер протекания тока зависит от особенностей вещества, температуры и прочих внешних воздействий.
Чтобы появились свободные заряженные частицы, нужно или ослабить те химические связи, которые существуют, или создать условия для их появления. Один из способов — увеличить температуру материала. Например, при нулевой температуре, любой полупроводник становится явным диэлектриком. При повышении температурного режима связи между элементами атома в нем ослабевают, что приводит к отрыву некоторых электронов от ядра.
Другой способ — добавить к четырехвалентному материалу вещество трех- или пятивалентное. При соединении с трехвалентным у полупроводника образуется один лишний электрон. Он отрывается и начинает движение. При соединении с пятивалентным, отрывается пятый электрон у добавленного вещества, и он тоже создает поток.
Проводимость, возникающая в чистом материале, называется собственной, а при использовании в нем посторонних веществ — примесной.
Как появляются носители зарядов
Когда химические связи в каком-либо атоме ослабевают, один из электронов отделяется от него и движется к соседнему атому, в последнем происходят те же процессы с разрывами связей. При этом в каждом атоме на месте оторвавшегося электрона появляется вакантное место. Оно называется просто — дырка. Ее занимает электрон соседнего атома, например, слева расположенного, а электрон, оторвавшийся от этого атома, займет свободное место в атоме, расположенном справа.
Получается так, что электроны движутся в одну сторону (против вектора напряженности электрического поля), а дырки в противоположную. Первые имеют заряд отрицательный, а вторые ведут себя как микрочастицы с положительным зарядом. Значит, электрический ток в полупроводниках представляет собой сложение двух типов токов: электронного и дырочного. При этом четко сохраняется равновесие: концентрация отрицательно заряженных частиц идентична концентрации дырок. Эту особенность можно отразить с помощью довольно простой формулы:
Физика проводимости
- Природа электрического тока в полупроводниках проявляется в движении дырок к отрицательно заряженному полюсу, а электронов — к положительному. Если в материал добавляется примесь, то проводимость бывает двух видов: дырочная и электронная.
Проводимость электронного вида
Когда в структуру полупроводникового материала вводится пятивалентное вещество, создается электронная проводимость. Это связано с тем, что у пятивалентного вещества один электрон является лишним, поэтому легко отрывается и начинает перемещаться. И таких отрицательно заряженных частиц появляется огромное количество. Это приводит к снижению сопротивления материала.
Примесь с большей валентностью, чем у основного вещества, называют донорской, а материалы, в которых количество электронов существенно превышает количество дырок, относятся к группе полупроводников n-типа. Название происходит от английского negative, то есть, отрицательный. Основными носителями электрического заряда в полупроводниках n-типа являются электроны, а неосновные носители — это дырки.
Дырочная проводимость
Когда в полупроводниковое вещество добавляется примесь с тремя валентными связями, получается, что у атомов полупроводника один электрон не связан с атомом примеси, следовательно, он свободный. Оторвавшаяся частица сразу захватывается атомом примеси, который соединен ковалентной связью с соседним атомом полупроводника. То есть, атом примеси тут же превращается в отрицательно заряженный ион. При этом появляется свободное место — дырка.
Такое вещество, которое в кристаллической решетке материала захватывает отрицательно заряженные частицы, называется акцепторной примесью. При ее внесении в полупроводниковый материал ломаются валентные связи, то есть, начинает создаваться огромное количество дырок. Они закрываются электронами из соседних ковалентных связей. Получается движение дырок, но не направленное, а хаотичное. Его преобразуют в упорядоченное с помощью внешнего электрического поля.
При этом количество оторвавшихся отрицательно заряженных частиц тоже огромно. К ним добавляются электроны, закрывающие собой дырки. То есть, отрицательных зарядов опять больше, чем свободных мест, поэтому удельное сопротивление материала сильно снижается, но носителями заряда являются дырки. Полупроводники с дырочной проводимостью относятся к p-типу — от английского слова positive, то есть, положительный.
Применение примесей позволяет изменять проводимость исходного материала в широком диапазоне.
Особенности полупроводникового перехода
В основе полупроводниковых радиоэлементов лежит одностороннее прохождение электротока, для чего создают так называемый p-n переход. По сути, он является контактом веществ двух типов. При таком контакте наблюдается процесс диффузии. Если говорить кратко, то электроны переходят в р-зону, а дырки, наоборот — в n-зону.
В этих зонах снижается концентрация носителей заряда с соответствующим им знаком. То есть, в n-зоне возникает прослойка из дырок, которая является уже положительно заряженной, а в р-зоне соответственно отрицательно заряженная прослойка из электронов. В результате на границе двух веществ образуется двойной слой, электрическое поле которого препятствует перемещению электронов и дырок навстречу друг другу. Этот слой называют запирающим.
Если к материалу p-типа подключить плюс, а к n-типа минус, то напряженность электрического поля в запирающем слое становится минимальной, поэтому основные носители легко проходят через p-n переход и создают прямой ток. Электроны при этом будут двигаться в одном направлении, а дырки в противоположном. Удельное сопротивление p-n переход имеет мизерное, а вот ток здесь большой. Его сила будет возрастать с ростом напряжения источника.
Если p-n переход подключить в обратном порядке, то есть, к «p» подключить минус, к «n» плюс, то его удельное сопротивление сильно увеличится. При этом в запирающем слое увеличится концентрация неосновных носителей заряда. Ток перестает проходить через p-n переход, но может наблюдаться весьма незначительный обратный ток, наличие которого связано с собственной проводимостью полупроводникового вещества, то есть, с присутствием небольшого количества электронов в р-зоне, а дырок в n-зоне.
Виды полупроводниковых элементов
Применение p-n перехода является основой конструкции всех полупроводниковых изделий.
Диоды
Эти полупроводниковые приборы имеют в своем составе сразу два вещества — с электронной и дырочной проводимостью. Их контакт приводит к перемещению электронов из вещества n-типа в p-тип. Соответственно в области «р» формируется отрицательный заряд, в области «n» положительный.
Диод — это полупроводниковый прибор, преобразующий переменный ток в однонаправленный пульсирующий, одновременно усиливая его. Именно этот элемент используют во всех зарядных устройствах, где он присутствует в виде диодного моста или по-другому диодного выпрямителя. При прямом включении диод пребывает в открытом состоянии и пропускает достаточно большой прямой ток. При обратном включении элемент становится запертым, но незначительный обратный ток через него все же протекает.
Транзисторы
У этого полупроводникового прибора есть две области «р» и «n», плюс еще одна область или «p», или «n», расположенная между первыми. То есть, в структуре транзистора сразу два перехода p-n. Крайние области называются коллектором и эмиттером, средняя — базой.
В основном транзисторы используются для усиления тока. Чаще всего их подключают по одной схеме: сначала база, далее эмиттер, после коллектор. То есть, в схеме подключения эмиттер является переходной областью. Когда между эмиттером и базой включается напряжение, заряженные частицы благодаря диффузии из эмиттера перемещаются в базу, а затем в коллектор. Там они попадают под действие электрического поля и образуют ток.
Полупроводниковые устройства получили широкое применение в современной электронной сфере. За последние три десятка лет им удалось практически полностью вытеснить электровакуумные приборы.
Загрузка...
