Проводники, диэлектрики, полупроводники

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРЬКОВСКАЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА І-ІІІ СТУПЕНЕЙ № 122 ХАРЬКОВСКОГО ГОРОДСКОГО СОВЕТА ХАРЬКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Ученический проект, 11-Б класс

Проводники, диэлектрики, полупроводники

Подготовили: Дейнеко Анастасия Валерьевна,

Черкас Валерия Юрьевна, Борзов Владислав Андреевич,

Проценко Дмитрий Владимирович

Руководитель: Курносова Надежда Федоровна,

2014



Название проекта: Проводники,диэлектрики,полупроводники

Актуальность темы: Полученные в ходе выполнения работы результаты подтверждают актуальность выбранной темы и указывают на возможность их практического применения при разработке и создании автоматизированных вычислительных комплексов, предназначенных для решения задач физики и техники.

Тип проекта:

По конечному результату : Практико-ориентированный

По содержанию : техническое творчество

По количеству участников : групповой

По продолжительности : средней продолжительности

Участники проекта: Дейнеко Анастасия, Черкас Валерия,Борзов Владислав Андреевич, Проценко Дмитрий Владимирович ученики 11 -Б класса Харьковской общеобразовательной школы № 122 I - III ст. Харьковского городского совета Харьковской области

Краткое описание:

Проект «Проводники, диэлектрики,полупроводники» содержит теоритическую часть, показывает чем отличаются проводники, полупроводники и диэлектрики, как ведут себя в электрическом поле.

Цель проекта:

? Показать что токое проводники, полупроводники, диэлектрики и чем они отличаются

? Установить условия прохождения тока

Задания:

? Изучить что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

? Установить условия прохождения тока

? Определить как себе ведут проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле.



Оглавление

1. Проводники

1.1 Поле внутри проводника

1.2 Поле вне проводника

1.3 Потенциал проводника

2. Диэлектрики в электрическом поле

2.1 Диэлектрическая проницаемость

2.3 Полярные диэлектрики

2.4Неполярные диэлектрики

3. Полупроводники

3.1 Ковалентная связь

3.2 Кристаллическая структура кремния

3.3 Собственная проводимость

3.4 Примесная проводимость

Приложения

Использованная литература



1. Проводники

Проводники отличаются от диэлектриков наличием свободных зарядов -- заряженных частиц, положение которых не связано с какой-то точкой внутри вещества. Свободные заряды приходят в движение под действием электрического поля и могут перемещаться по всему объёму проводника.

Проводники -- это в первую очередь металлы. В металлах свободными зарядами являются свободные электроны. Откуда они там берутся? Это особенность металлической связи. Дело в том, что валентный электрон, находящийся на внешней электронной оболочке атома металла, весьма слабо связан с атомом. При взаимодействии атомов металла их валентные электроны покидают свои оболочки, «отправляясь в путешествие» по всему пространству металла.

Проводниками являются также электролиты. Так называются растворы и расплавы, свободные заряды в которых возникают в результате диссоциации молекул на положительные и отрицательные ионы. Бросим, например, в стакан воды щепотку поваренной соли. Молекулы NaCl распадутся на ионы Na+ и Cl?. Под действием электрического поля эти ионы начнут упорядоченное движение, и возникнет электрический ток.

Природная вода, даже пресная, является проводником из-за растворённых в ней солей (но, конечно, не таким хорошим, как металлы). Человеческое тело в основным состоит из воды, и в ней также растворены соли (хлориды натрия, калия, кальция, магния). Поэтому наше тело --проводник электрического тока.

Из-за наличия свободных зарядов, способных перемещаться по всему объёму, проводники обладают некоторыми характерными общими свойствами.



1.1 Поле внутри проводника

Первое общее свойство проводников в электростатическом поле состоит в том, что напряжённость поля внутри проводника везде равна нулю.

Докажем от противного, как в математике. Предположим, что в какой-то области проводника имеется электрическое поле. Тогда под действием этого поля свободные заряды проводника начнут направленное движение. Возникнет электрический ток -- а это противоречит тому, что мы находимся в электростатике.

Конечно, такое рассуждение не оставляет ощущения удовлетворённости. Хотелось бы понять, почему обнуляется поле внутри проводника. Давайте попробуем.

Рассмотрим незаряженный проводящий шар, помещённый во внешнее электростатическое поле E. Для простоты считаем это поле однородным, но наши рассуждения останутся верными и в общем случае.

Под действием электрического поля E свободные электроны нашего шара скапливаются в левом его полушарии, которое заряжается отрицательно. Справа остаётся не скомпенсированный положительный заряд. Возникновение этих зарядов, как вы помните, называется электростатической индукцией: заряды на поверхности проводника индуцируются (т. е. Наводятся)внешним электростатическим полем. Подчеркнём ещё раз, что происходит реальное разделение зарядов: если сейчас распилить шар по диаметру в вертикальной плоскости, то получатся два разноимённо заряженных полушария.

Индуцированные заряды создают своё поле Ei, направление которого внутри шара оказывается противоположным внешнему полю (приложение 1).

Перестроение свободных зарядов шара продолжается до тех пор, пока поле Ei не компенсирует полностью внешнее поле E во всей области внутри шара. При наступлении этого момента(а наступает он почти мгновенно) результирующее поле внутри шара станет равным нулю, дальнейшее движение зарядов прекратится, и они окончательно займут свои фиксированные статические положения на поверхности шара.

А что будет в области снаружи шара? Поле Ei и тут наложится на внешнее поле E, искажая его тем сильнее, чем ближе к шару расположена точка наблюдения. На больших расстояниях от шара внешнее поле почти не изменится. В результате картина линий напряжённости будет иметь примерно следующий вид (приложение 2).

До сих пор наши рассуждения относились к случаю незаряженного проводника. Что изменится, если проводнику, помещённому в электростатическое поле, сообщить вдобавок некоторый заряд q?

Легко понять, что результирующее поле внутри проводника всё равно окажется равным нулю. В самом деле, заряд q начнёт перераспределяться по поверхности проводника таким образом, что поле Ei этого заряда внутри проводника будет направлено против внешнего электростатического поля E. Перераспределение будет продолжаться до тех пор, пока оба поля E и Ei не компенсируют друг друга во всей внутренней области проводника.

Таким образом, поле внутри проводника равно нулю вне зависимости от того, заряжен проводник или нет. Любой проводник, помещённый в электростатическое поле, как бы «выталкивает» внешнее поле из своей внутренней области.

1.2 Поле вне проводника

Теперь рассмотрим область пространства, внешнюю по отношению к проводнику. Оказывается, линии напряжённости электрического поля входят в проводник (или выходят из него)перпендикулярно поверхности проводника.

Посмотрите ещё раз на рис. 2. Вы видите, что любая силовая линия, пересекающая шар, направлена точно под прямым углом к его поверхности.

Почему так получается? Давайте снова проведём доказательство от противного. Предположим, что в некоторой точке поверхности проводника силовая линия не перпендикулярна поверхности. Тогда в данной точке имеется составляющая вектора напряжённости, направленная по касательной к поверхности проводника -- так называемая касательная составляющая вектора напряжённости. Под действием этой касательной составляющей возникнет электрический ток -- а это противоречит тому, что мы находимся в электростатике.

Иными словами, заряды на поверхности проводника (при помещении проводника во внешнее поле или при сообщении проводнику заряда) перестраиваются до тех пор, пока линии напряжённости, уходящие в окружающее пространство, в каждой точке поверхности проводника не окажутся перпендикулярны этой поверхности (а внутри проводника не исчезнут вовсе).

1.3 Потенциал проводника

Раньше мы говорили о потенциале той или иной точки электростатического поля. Большой интерес представляют множества точек, потенциал которых одинаков. Один пример такого множества мы знаем -- это эквипотенциальные поверхности. Другим замечательным примером служит проводник.

Все точки проводника имеют одинаковый потенциал. Иными словами, разность потенциалов между любыми двумя точками проводника равна нулю.

В самом деле, если бы между какой-либо парой точек проводника существовала ненулевая разность потенциалов, возник бы ток от одной точки к другой -- ведь в этом случае электрическое поле совершало бы ненулевую работу по перемещению зарядов между данными точками.

Но в электростатике никакого тока быть не может.

Потенциал какой-либо (и тогда любой) точки проводника называется потенциалом проводника.

Как видим, проводник представляет собой «эквипотенциальный объём». В частности, поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью. Это даёт дополнительное объяснение утверждения предыдущего пункта -- мы же знаем, что линии напряжённости электростатического поля перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.



2. Диэлектрики в электрическом поле

В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных зарядов. Все заряды являются связанными: электроны принадлежат своим атомам, а ионы твёрдых диэлектриков колеблются вблизи узлов кристаллической решётки.

Соответственно, при помещении диэлектрика в электрическое поле не возникает направленного движения зарядов. Поэтому для диэлектриков не проходят наши доказательства свойств проводников -- ведь все эти рассуждения опирались на возможность появления тока.

2.1 Диэлектрическая проницаемость

Но тем не менее, одно важнейшее общее свойство у диэлектриков имеется. Напряжённость поля уменьшается внутри диэлектрика в некоторое число е раз по сравнению с вакуумом.

Величина е даётся в таблицах и называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

Давайте разберёмся, каковы причины ослабления поля в диэлектрике. Рассмотрим диэлектрик, помещённый во внешнее однородное (для простоты) поле E0. Опыт показывает, что на противоположных поверхностях диэлектрика появляются заряды разных знаков.

Эти индуцированные заряды расположены так, что создаваемое ими поле Ei внутри диэлектрика направлено против внешнего поля E0 (приложение 3). При этом Ei < E0, так что внешнее поле ослабляется лишь частично (а не гасится полностью, как внутри проводника).

Результирующее поле внутри диэлектрика равно:

E = E0 ? Ei.

Мы видим, что E < E0. Данный факт как раз и подчёркивается следующей формой записи:

E =E0/е.

Результирующее поле E направлено в ту же сторону, что и внешнее поле E0 (приложение 3;искажение поля снаружи диэлектрика считаем пренебрежимо малым).

Хорошо, но откуда в диэлектрике берутся поверхностные индуцированные заряды? Это -- явление поляризации, свойственное всем диэлектрикам. Механизмы поляризации могут быть различными. Мы рассмотрим два типа поляризации: ориентационную и электронную.

2.3 Полярные диэлектрики

Молекулы полярных диэлектриков с точки зрения электрических свойств являются диполями.

Диполь -- это система двух одинаковых по модулю и противоположных по знаку зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга (приложение 4).Например, в молекуле поваренной соли NaCl одинокий внешний электрон натрия захватывается атомом хлора (которому как раз недостаёт одного электрона до полного комплекта из 8 электронов на внешней оболочке). Молекула становится диполем, состоящим из положительного иона Na+ и отрицательного и она Cl?.

Как диполи ведут себя молекулы воды. Это связано с геометрией их строения: молекула воды похожа на треугольник, в вершинах которого расположены два атома водорода и один атом кислорода. В результате центры положительных и отрицательных зарядов молекулы оказываются в разных местах, что и наделяет молекулу свойствами диполя.

К полярным диэлектрикам относятся также низкомолекулярные спирты и ряд других веществ.

При отсутствии внешнего электрического поля молекулы-диполи полярного диэлектрика, совершая хаотическое тепловое движение, ориентированы в самых разных направлениях. Электрические поля этих диполей полностью компенсируют друг друга, и результирующее поле равно нулю во всех областях диэлектрика.

Но если поместить такой диэлектрик во внешнее поле E0, то оно «развернёт» диполи так, что они окажутся ориентированными вдоль линий напряжённости («минусы» диполей повернутся влево -- к тем «плюсам», которые создают внешнее поле). (приложение 5).

Разумеется, в реальности не будет столь идеально правильного порядка расположения диполей -- ведь они по-прежнему совершают хаотическое тепловое движение. Но теперь у диполей появится преимущественная ориентация -- вдоль линий напряжённости внешнего поля.

Внутри диэлектрика заряды диполей по-прежнему компенсируют друг друга. Однако на внешних поверхностях диэлектрика появляются не скомпенсированные заряды: справа -- положительные, слева -- отрицательные. Именно эти заряды и показаны на рис. 1; благодаря им как раз и возникает встречное поле Ei, ослабляющее внешнее поле E0.

Итак, механизм ориентационной поляризации ясен: поворот молекул-диполей и их ориентация вдоль линий напряжённости внешнего поля.

2.4 Неполярные диэлектрики

Далеко не все диэлектрики являются полярными. Диэлектрик называется неполярным, если его молекулы имеют симметричное распределение положительных и отрицательных зарядов и потому не ведут себя как диполи. К неполярным диэлектрикам относятся, например, керосин, масло, воздух, инертные газы.

Тем не менее, поляризация наблюдается и у неполярных диэлектриков. Каков механизм поляризации в данном случае?

На приложении 6 слева изображена симметричная электронная орбита в атоме неполярного диэлектрика. При наложении внешнего поля E0 эта орбита деформируется (приложение 6, справа): электрон смещается в сторону положительных зарядов, создающих внешнее поле.

Мы видим, что во внешнем поле электрон будет проводить больше времени слева от ядра, нежели чем справа. Из-за этого центры положительных и отрицательных зарядов в атоме неполярного диэлектрика разойдутся в разные стороны. Соответственно, атомы или молекулы неполярного диэлектрика во внешнем поле также начнут вести себя подобно диполям, и мы приходим к такой же по сути картине, что и рис. 3 для случая ориентационной поляризации.

Объяснение механизма ослабления поля внутри диэлектрика останется тем же самым.

Итак, электронная поляризация вызвана деформацией электронных оболочек атомов во внешнем электрическом поле. Разумеется, электронная поляризация присутствует и у полярных диэлектриков; но там она теряется на фоне куда более мощного эффекта разворота самих диполей.

проводник диэлектрик электрический поле



3. Полупроводники

До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале 10?8 -- 10?6 Ом · м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на 20 порядков: 1010 -- 1016 Ом·м.

Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники: их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне 10?3 -- 107 Ом · м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения. Наиболее широко применяются кремний (Si) и германий (Ge).

Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано в приложении 7.

Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой -- как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.

Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.

Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.

Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике.

В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого -- различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.

3.1 Ковалентная связь

Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе -- их атомы скрепляет ковалентная связь. Давайте вспомним, что это такое. Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными, слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются общей электронной парой (приложение 8).

Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь -- это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар. По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной.



3.2 Кристаллическая структура кремния

Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник -- кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник -- германий.

Пространственная структура кремния представлена в приложении 9. Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, -- это каналы ковалентной связи между атомами.

Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами.

Почему так получается?

Дело в том, что кремний четырёхвалентен -- на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).

Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (приложение 10).

Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.

Однако валентные электроны отнюдь не «привязаны намертво» к соответствующим парам атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек всех соседних атомов, так что любой валентный электрон есть общее достояние всех атомов-соседей. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему с ним атому 2, затем -- к соседнему с ним атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла -- они, как говорят, принадлежат всему кристаллу (а не какой-либо одной атомной паре).

Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам -- они не проводят электрический ток.

3.3 Собственная проводимость

Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?

При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости) -- точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток. Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.

Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан в приложении 11. На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка -- вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся не скомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.

Дырки не остаются на месте -- они могут блуждать по кристаллу. Дело в том, что один из соседних валентных электронов, «путешествуя» между атомами, может перескочить на образовавшееся вакантное место, заполнив дырку; тогда дырка в этом месте исчезнет, но появится в том месте, откуда электрон пришёл.

При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно. В приложении 12 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле E~. В левой части рисунка -- начальное положение дырки.

Куда сместится дырка? Ясно, что наиболее вероятны перескоки «электрон > дырка» в направлении против линий поля (то есть к «плюсам», создающим поле). Один из таких перескоков показан в средней части рисунка: электрон прыгнул влево, заполнив вакансию, а дырка, соответственно, сместилась вправо. Следующий возможный скачок электрона, вызванный электрическим полем, изображён в правой части рисунка; в результате этого скачка дырка заняла новое место, расположенное ещё правее.

Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля -- то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.

Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля E~, а дырки -- в направлении вектора E~.

Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью, или проводимостью n-типа. Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью, или проводимостью p-типа. Обе проводимости -- электронная и дырочная -- вместе называются собственной проводимостью полупроводника.

Каждый уход электрона с разорванной ковалентной связи порождает пару «свободный электрон-дырка». Поэтому концентрация свободных электронов в кристалле чистого кремния равна концентрации дырок. Соответственно, при нагревании кристалла увеличивается концентрация не только свободных электронов, но и дырок, что приводит к возрастанию собственной проводимости полупроводника за счёт увеличения как электронной, так и дырочной проводимости.

Наряду с образованием пар «свободный электрон-дырка» идёт и обратный процесс: рекомбинация свободных электронов и дырок. А именно, свободный электрон, встречаясь с дыркой, заполняет эту вакансию, восстанавливая разорванную ковалентную связь и превращаясь в валентный электрон. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие: среднее число разрывов ковалентных связей и образующихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно среднему числу рекомбинирующих электронов и дырок. Это состояние динамического равновесия определяет равновесную концентрацию свободных электронов и дырок в полупроводнике при данных условиях.

Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.

При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно 1010 см?3. Концентрация же атомов кремния -- порядка 1022 см?3. Иными словами, на 1012 атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов.

3.4 Примесная проводимость

Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.

Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка (As). После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.

На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями -- атомами кремния (Приложение 13). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?

А пятый электрон становится свободным! Дело в том, что энергия связи этого «лишнего» электрона с атомом мышьяка, расположенным в кристалле кремния, гораздо меньше энергии связи валентных электронов с атомами кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка в результате теплового движения остаются без пятого электрона, превращаясь в положительные ионы. А кристалл кремния, соответственно, наполняется свободными электронами, которые отцепились от атомов мышьяка. Наполнение кристалла свободными электронами для нас не новость: мы видели это и выше, когда нагревался чистый кремний (без каких-либо примесей). Но сейчас ситуация принципиально иная: появление свободного электрона, ушедшего из атома мышьяка, не сопровождается появлением подвижной дырки. Почему? Причина та же -- связь валентных электронов с атомами кремния гораздо прочнее, чем с атомом мышьяка на пятой вакансии, поэтому электроны соседних атомов кремния и не стремятся эту вакансию заполнить. Вакансия, таким образом, остаётся на месте, она как бы «приморожена» к атому мышьяка и не участвует в создании тока.

Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости. Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.

Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.

Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными. Например, пятивалентный мышьяк -- донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными -- дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа(или просто n-полупроводниками).

А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.

Предположим, что примесь составляет 0,1 %, то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка 1022 см?3.

Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: 1019 см?3. Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью -- ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна 1010 см?3. Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на 9 порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.

Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь -- например, индий (In).

Результат такого внедрения показан в приложение 14.Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка. И дырка эта не простая, а особенная -- с весьма большой энергией связи. Когда в неё попадёт электрон из соседнего атома кремния, он в ней «застрянет навеки», ибо притяжение электрона к атому индия весьма велико -- больше, чем к атомам кремния. Атом индия превратится в отрицательный ион, а в том месте, откуда электрон пришёл, возникнет дырка -- но теперь уже обыкновенная подвижная дырка в виде разорванной ковалентной связи в кристаллической решётке кремния. Эта дырка обычным образом начнёт блуждать по кристаллу за счёт «эстафетной» передачи валентных электронов от одного атома кремния к другому.

Итак, каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному появлению свободного электрона. Такие примеси, атомы которых захватывают «намертво» электроны и тем самым создают в кристалле подвижную дырку, называются акцепторными. Трёхвалентный индий -- пример акцепторной примеси.

Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью -- это дырочный полупроводник, или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник).Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки -- основные носители заряда. Свободные электроны -- неосновные носители заряда в p-полупроводнике.

Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.

Использованная литература

1. http://knowledge.allbest.ru.

2. http://xreferat.ru.



Приложения

Приложение 1



Приложение 2



Приложение 3



Приложение 4



Приложение 5



Приложение 6



Приложение7



Приложение 8



Приложение 9



Приложение 10



Приложение 11



Приложение 12



Приложение 13



Приложение 14

Размещено на Allbest.ru

...