Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний педагогічний університет

імені М.П. Драгоманова

Фізико-математичний факультет

Кафедра експериментальної і теоретичної фізики та астрономії

Курсова робота

з теоретичної фізики на тему:

«Напівпровідники та їх застосування»

Київ-2016



Вступ

Актуальність теми. Напівпровідники - клас матеріалів, які володіють особливими електропровідними властивостями, що не притаманні ні металам, ні діелектрикам. Сучасна електрика не може існувати без напівпровідників. Вони є основою випрямляючих елементів, з них виробляють діоди, фоторезистори, терморезистори, датчики температури, нагрівальні елементи тощо. Останнім часом на комп'ютерному ринку з'явились такі засоби для охолодження електронних елементів, як напівпровідникові холодильники Пельтьє.

Об'єктом виступають напівпровідникові матеріали та технічні прилади, що містять напівпровідники.

Предметом дослідження виступають основні властивості напівпровідників та корисність, яку дають людству напівпровідникові прилади.

Мета роботи: систематизація знань з теми «Напівпровідники»: вивчення будови та властивостей напівпровідникових матеріалів; вивчення будови напівпровідникових елементів та пристроїв, які застосовуються в техніці.

Завдання роботи:

- актуалізувати знання про напівпровідники та їх будову;

- розглянути властивості напівпровідників та виявити межі застосування цих властивостей;

- ознайомитися з напівпровідниковими приладами, котрі застосовуються в різних галузях техніки;

- проаналізувати вивчення напівпровідників у школі та розробити план-конспект уроку на тему: «Електричний струм у напівпровідниках».



Розділ 1. Напівпровідники

1.1 Поняття напівпровідники

Напівпровідники - широкий клас речовин, питома електропровідність яких за значенням менша від електропровідності металів (у ~ 10⁸ - 10⁶ См/м) і більша від електропровідності діелектриків (у ~ 10^-9 - 10^-22 См/м). Характерною особливістю напівпровідників є зростання електропровідності з підвищенням температури (електропровідність металів зменшується з підвищенням температури). До напівпровідників належать деякі хімічні елементи (германій, силіцій, селен, телур) і багато інших сполук. усі речовини, що мають властивості напівпровідників, поділяють на три групи: атомні, або елементарні напівпровідники, які мають атомну кристалічну гратку; напівпровідники з іонною кристалічною граткою, наприклад сульфід кадмію CdS, сульфід свинцю PbS; напівпровідникові сполуки з валентними зв'язками, в яких атоми утворюють кристали типу однієї гігантської молекули, так, наприклад, як карбід силіцію SiC, арсенід галію GaAs, антимоніт індію InSb.

До групи атомних напівпровідників належать 12 хімічних елементів, компактно розміщених посередині періодичної таблиці елементів (рис. 1.1).



Числами в кружках указана ширина забороненої зони в електрон-вольтах для кристала даного хімічного елемента. Ширина забороненої зони зростає в кожному періоді при переході від елемента до елемента зліва направо і зменшується в кожній групі зверху вниз. Така закономірність визначається структурою зовнішніх електронних шарів в атомах. На відміну від атомів металу в атомах напівпровідників зовнішні електрони досить міцно зв'язані з ядром, тому при утворенні з таких атомів кристала зовнішні електрони залишаються у складі своїх атомів.

Розрізняють власні й домішкові напівпровідники. Хімічно чисті напівпровідники називають власними напівпровідниками (наприклад, Si, Ge, Se, SiC, GaAs, InSb), а їхню електропровідність - власною провідністю.

1.2 Власна провідність

Типовими напівпровідниками є елементи ІV групи періодичної системи елементів Менделєєва - германій і силіцій. Вони утворюють кристалічну гратку, кожний атом в якій зв'язаний ковалентними зв'язками з чотирма рівновіддаленими від нього сусідніми атомами. Ковалентний зв'язок між атомами здійснюється електронними парами - двома електронами з протилежними спінами. спрощена плоска схема розміщення атомів у кристалі Ge зображена на рис. 1.2, де подвійними лініями позначено ковалентні зв'язки, а чорними кружками - валентні електрони. В ідеальному кристалі всі валентні електрони беруть участь в утворенні зв'язків і тому при абсолютному нулі температури власний провідник, як і діелектрик, має нульову електропровідність.

З підвищенням температури теплові коливання гратки можуть розірвати окремі ковалентні зв'язки, внаслідок чого в кристалі з'являється деяка кількість вільних електронів. У покинутому електроном місці виникає надлишковий позитивний заряд +e - створюється позитивна квазічастинка, яку називають діркою (на рис. 1.2 дірка зображена світлим кружком). Дірка поводить себе як позитивний заряд, що дорівнює за значенням зарядові електрона. Місце дірки може заповнити електрон однієї із сусідніх пар, на місці електрона знову утворюється дірка і т.д.. Через це електрон і дірка хаотично блукають у кристалі. Якщо вільний електрон зіткнеться з діркою, то вони рекомбінують, тобто електрон нейтралізує надлишковий позитивний заряд і втрачає спроможність вільного переміщення. У момент рекомбінації вільний електрон і дірка зникають одночасно.

При тепловому збудженні частина звільнених валентних електронів набуває енергії, достатньої для подолання забороненої зони і переходу у вільну зону, яка при частковому заповненні електронами стає зоною провідності (рис. 1.3). Процесу рекомбінації відповідає перехід електрона із зони провідності на один із вільних рівнів валентної зони, при цьому електрон віддає енергію гратці й випромінює фотони. При постійній температурі в кристалі встановлюється певна рівноважна концентрація електронів і дірок.



При накладанні на такий кристал зовнішнього електричного поля в ньому виникає напрямлений рух електронів зони провідності проти напряму поля і дірок валентної зони в напрямі поля, тобто при температурах T>0 K власний напівпровідник стає провідником електричного струму. Чим вужча заборонена зона кристала і вища температура, тим більше електронів переходить у зону провідності і тим вищою стає електропровідність.

Провідність власних напівпровідників, зумовлену електронами, називають електронною провідністю або провідністю n-типу. У зовнішньому полі електрон валентної зони може переміститись на місце дірки на вищому сусідньому рівні, а дірка з'явиться на тому місці, звідки вийшов електрон. Такий процес заповнення дірок електронами рівнозначний переміщенню дірки в напрямі поля. Провідність власних напівпровідників, зумовлену квазічастинками - дірками, називають дірковою провідністю або провідністю p-типу.

Отже, у власних напівпровідниках спостерігаються два механізми провідності - електронний і дірковий. Концентрація електронів у зоні провідності дорівнює концентрації дірок у валентній зоні, оскільки кількість дірок відповідає кількості електронів, які перейшли в зону провідності. Провідність напівпровідників може бути збудженою, тобто з'являється під впливом зовнішніх факторів (нагрівання напівпровідників, опромінення їх світлом або іонізуючим випромінюванням).

Одним із основних параметрів, які характеризують газ вільних носіїв заряду в напівпровідниках, є хімічний потенціал, або рівень Фермі. Обчислення показують, що у власних напівпровідників рівень Фермі лежить посередині забороненої зони. Справді, для перенесення електрона з верхнього рівня валентної зони на нижній рівень зони провідності витрачається енергія активації, що дорівнює за значенням ширині забороненої зони Де. З появою електрона в зоні провідності завжди виникає дірка у валентній зоні, а значить, енергія, витрачена на утворення пари вільних носіїв заряду, має ділитись на дві однакові частини. Половина енергії, яка відповідає ширині забороненої зони, витрачається на збудження електрона в зоні провідності, а друга половина - на утворення дірки у валентній зоні. Тому початок відліку цих енергій лежить посередині забороненої зони. Рівень Фермі у власному напівпровіднику визначає енергію, від якої відбувається збудження електронів і дірок.

Розподіл електронів за рівнями валентної зони і зони провідності визначається функцією Фермі - Дірака:

Для електронів, які перейшли в зону провідності, значення е - е_F дорівнює половині ширини забороненої зони. Тому е - е_F >> kT і у формулі (1.1) одиницею можна знехтувати, тоді



На рис. 1.3 крива розподілу Фермі - Дірака суміщена зі схемою енергетичних зон. Енергетичні рівні зони провідності й валентної зони лежать на ділянках кривої розподілу. Імовірності їх заповнення визначаються формулою (1.2), тобто розподіли вільних електронів і дірок підлягають розподілу Максвелла - Больцмана (невироджений газ). Кількість електронів у зоні провідності й така сама кількість дірок у валентній зоні пропорційні ймовірності (1.2). Ці електрони і дірки є носіями заряду і можуть створювати струм. Провідність власного напівпровідника пропорційна кількості носіїв і тому має бути пропорційною виразові (1.2). Отже, з підвищенням температури провідність напівпровідника швидко зростає за експоненціальним законом:

де у₀ - стала величина, що є характерною для даного напівпровідника.

Власна провідність спостерігається в усіх напівпровідниках при досить високих температурах.

1.3 Домішкова провідність

Введення домішок у напівпровідниковий кристал істотно впливає на електричні властивості напівпровідника. Під домішками розуміють атоми або йони сторонніх елементів у вузлах основного кристала, так і порожні вузли та механічні дефекти (тріщини, зсуви, що виникають при деформації кристала, і под.). У більшості випадків домішки вводять спеціально для надання напівпровідникові потрібних властивостей. Наприклад, домішкова у кристалі силіцію одного атома бору на 10⁵ атомів силіцію збільшує провідність кристала в 1000 разів при кімнатній температурі.

Розглянемо домішкову провідність на прикладах кристалів германію і силіцію, якщо деякі атоми у вузлах цих кристалів замінити атомами, валентність яких відрізняється на одиницю від валентності основних атомів. Припустимо, що в кристалі германію невелику частину атомів чотиривалентного германію заступають атоми п'ятивалентного фосфору. Для утворення ковалентних зв'язків із сусідніми атомами германію атому фосфору достатньо чотирьох електронів. П'ятий електрон не бере участі в утворенні хімічного зв'язку і при малій енергії зв'язку зі своїм атомом може відірватись від нього завдяки енергії теплових коливань гратки. Внаслідок цього утворюється вільний електрон, який хаотично рухається в кристалічній гратці і може брати участь в електропровідності, а в околі атома фосфору виникає зв'язаний із цим атомом надлишковий позитивний заряд (рис.1.4, а).

Утворення вільного електрона не супроводиться розривом ковалентного зв'язку, тобто на його місці не виникає дірка. Надлишковий позитивний заряд поблизу атома фосфору не може переміщатися по гратці і в електропровідності участі не бере. Завдяки цьому зарядові атом п'ятивалентної домішки може захопити електрон провідності, який наблизиться до нього. Атоми домішки, які постачають електрони провідності в кристалах, називають донорами.

Мовою зонної теорії цей процес можна описати так. Домішки спотворюють електричне поле гратки, внаслідок чого на енергетичній схемі кристала виникають локальні, або домішкові, енергетичні рівні. У разі п'ятивалентної домішки у кристалі германію енергія вільних електронів дещо менша від енергії, яка відповідає нижньому рівню незаповненої зони провідності напівпровідника. Тому локальні рівні домішкових електронів розміщаються в забороненій зоні поблизу дна зони провідності. Ці рівні заповнені деякою кількістю електронів і їх ще називають донорними (рис. 1.4, б). Для переведення електронів з донорних рівнів у зону провідності потрібна енергія, значно менша за ширину забороненої зони. Навіть при звичайних температурах енергія теплового руху гратки достатня для того, щоб елктрон зміг перейти з донорних рівнів у зону провідності. Утворені при цьому дірки локалізуються на донорних рівнях і не беруть участі у провідності. На рис. 1.4, б захопленню електрона провідності атомом домішки відповідає перехід елетрона із зони провідності на один із донорних рівнів.

Отже, у напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одиницю більша від валентності основних атомів, є тільки один вид носіїв заряду - електрони. Напівпровідники з такою провідністю називають електронними або напівпровідниками n-типу.

Припустимо тепер, що у кристалічну гратку чотиривалентного силіцію введена домішка тривалентних атомів бору (рис. 1.5, а). Трьох валентних електронів атома бору не вистачає для утворення ковалентних зв'язків із чотирма найближчими атомами силіцію. Неукомплектований зв'язок є тим місцем в околі атома бору, яке може захопити електрон від пари ковалентного зв'язку одного із сусідніх атомів силіцію. На місці розірваного зв'язку утворюється дірка, а поблизу атома бору виникає надлишковий негативний заряд. Цей заряд зв'язаний з атомом домішки і не може створювати струм. Зате дірка може бути заповнена електроном, відірваним від іншої пари зв'язку; тобто дірка не локалізується в кристалі, а внаслідок послідовного заповнення електронами хаотично переміщується по гратці як вільний позитивний заряд. Крім утворення дірок, у кристалі відбувається та кож зворотний процес. Розрив одного із чотирьох зв'язків атома домішки супроводжується звільненням електрона. Утворені таким чином електрон і дірка рекомбінують при зіткненні.

Згідно із зонною теорією тривалентна домішка бору в кристалі силіцію спричиняє утворення домішкових енергетичних рівнів у забороненій зоні кристала. У цьому разі домішкові рівні не заповнені електронами і розміщуються вище від верхнього рівня заповненої валентної зони на відстані 0,08 еВ (рис. 1.5, б). Ця енергія значно менша за ширину забороненої зони Де, і електрони переходять із валентної зони на домішкові рівні навіть при досить низьких температурах. Електрони, що перейшли на домішкові рівні, зв'язуються з атомами бору і втрачають здатність переміщатись по гратці силіцію, тобто не можуть брати участі в електропровідності. Такі домішкові рівні називають акцепторними. Внаслідок переходу електронів на акцепторні рівні у валентній зоні з'являються «вакантні» електронні рівні - дірки. На рис. 1.5, б утворенню дірки відповідає перехід електрона з валентної зони на акцепторний рівень, а зворотний перехід - рекомбінації електрона й дірки. Під дією зовнішнього поля дірки дрейфують у напрямі поля і валентна зона кристала стає зоною діркової провідності.

Отже, у напівпровідниках із домішкою, валентність якої на одиницю менша від валентності основних атомів, виникають носії заряду тільки одного виду - дірки. Провідність у цьому разі називають дірковою, а напівпровідник з дірковою провідністю - напівпровідником p-типу.

На відміну від власної провідності, яка здійснюється одночасно електронами і дірками, домішкова провідність напівпровідників зумовлена в основному носіями заряду одного знака: електронами - у разі донорної домішки і дірками - у разі акцепторної. Ці носії заряду називають основними. Крім основних носіїв, у напівпровідниках з домішковою провідністю є також неосновні носії заряду. Якщо ширина забороненої зони основного кристала є невеликою, то з підвищенням температури енергія теплового руху виявляється достатньою для переходу електронів із валентної зони в зону провідності. Тоді й з'являються неосновні носії: у напівпровідниках n-типу - дірки у валентній зоні, а в напівпровідниках р-типу - електрони в зоні провідності.

Утворення домішкових рівнів у напівпровідниках істотно змінює положення рівня Фермі е_p. Як показують розрахунки, при абсолютному нулі температури у напівпровідниках n-типу рівень Фермі розміщується посередині між нижнім рівнем зони провідності і донор ними рівнями (див. рис. 1.4, б), а в напівпровідниках p-типу - посередині між верхнім рівнем валентної зони й акцепторними рівнями (див. рис. 1.5, б).

З підвищенням температури концентрація домішкових носіїв швидко досягає насичення, тобто звільняються від електронів всі донорні рівні або заповнюються електронами всі акцепторні рівні. Після повного виснаження домішкових атомів подальше підвищення температури спричиняє збільшення провідності завдяки переходу електронів безпосередньо із валентної зони в зону провідності. Отже, провідність напівпровідника складається з домішкової і власної провідностей, причому при низьких температурах переважає домішкова провідність, а при високих - власна.



Розділ 2. Застосування напівпровідників

2.1 Термістори

Як вже було сказано, з підвищенням температури електропровідність всіх напівпровідників різко зростає, що є результатом збільшення з ростом температури концентрації електронів провідності. У першому наближенні для невеликого інтервалу температур залежність електропровідності у від температури для напівпровідників може бути виражена формулою

де k - стала Больцмана та ?? - енергія, що необхідна для переходу електрона в зону провідності (енергія активації). Поблизу абсолютного нуля всі провідники стають хорошими ізоляторами. Досліди показують, що у деяких напівпровідників при підвищенні температури на 1? електропровідність збільшується на 3 - 6%, а при підвищенні на 10? - приблизно на 75%.

Висока чутливість опору напівпровідників до зміни температури дозволяє застосовувати їх в різних областях техніки. Прилади, основані на сильній залежності величини опору від температури, називаються термісторами (терморезисторами). Для виготовлення термісторів використовуються оксидні напівпровідники, що мають значну величину від'ємного температурного коефіцієнта опору, наприклад, суміш двооксиду титану та оксиду магнію, оксиду нікелю у з'єднанні з оксидом марганцю та ін.. Термістори виробляють у вигляді циліндричних стержнів, трубок, прямокутних стовпчиків, бусинок чи тонких ниток. Для запобігання від механічних пошкоджень їх заключають в балончики зі скла, кераміки чи металу (звичайно, з ізоляцією від нього).

Вимірювальні термістори застосовуються для вимірювання температур та вологості повітря. У цих приладах струм, що проходить через термістор, настільки малий, що не викликає помітного його підігріву; величина підігріву термістора міняється лише внаслідок зміни температури навколишнього середовища.

Крім вимірювальних термісторів, застосовуються: термістори прямого підігріву, що відрізняються тим, що їх опір змінюється за рахунок джоулевого тепла, та термістори з непрямим підігрівом, в яких напівпровідник нагрівається значно вище температури оточуючого середовища за допомогою стороннього джерела тепла (наприклад, підігрівною обмоткою) (рис. 2.1).

За допомогою термісторів прямого підігріву вирішують наступні задачі:

1) здійснюють стабілізацію напруги при не сильно великих її коливаннях та при невеликих величинах струму (наприклад, в телеграфних лініях);

2) підтримують сталість опорів електричних ланцюгів. Термістори мають від'ємний температурний коефіцієнт, коли інші елементи схеми, зазвичай вироблені з металу, мають додатній температурний коефіцієнт. Тому при послідовному з'єднанні металевого провідника та термістора можна підібрати величини їх опорів, що зміни температури (викликані струмом чи зовнішніми причинами) практично не вплинуть на їх сумарний опір;

3) заміняють движкові реостати; при проходженні струму по термістору він нагрівається, що автоматично зменшує його опір;

4) створюють «витримку часу». Часто буває необхідно, щоб струм у колі наростав поступово. конструюють термістори, нагрівання яких струмом та у зв'язку з цим падіння їх опору до необхідної величини продовжуються потрібний проміжок часу (від мілісекунди до декількох хвилин).

Термістори з непрямим підігрівом та термістори спеціальної конструкції також широко застосовуються в техніці: наприклад, для сигналізації про перегрів окремої частини машини; про недостатню змазку; про зміни рівня рідини в резервуарі; про підвищення температури вище заданої межі в різних місцях літака, корабля чи будинку та в багатьох інших випадках.

2.2 Фотоопори

Перехід електронів напівпровідника в зону провідності може викликатися не тільки підвищенням температури, але й також і безпосередньо поглинанням фотона (внутрішній фотоефект). Прилади, основані на зміні опору напівпровідників в залежності від освітленості, називаються фотоопорами (фоторезисторами) (рис. 2.2).



У видимій області спектру найбільш вживаними напівпровідниками до фотоопорів є: селен, германій, сірчистий кадмій та сірчистий талій, для інфрачервоної частини використовуються сірчистий, селенистий та телуристий свинець.

Фотоопори отримали широке застосування в автоматиці, в управлінні технічними процесами на відстані. Фоторезистори застосовуються у фотореле, які автоматично вмикають вуличне освітлення в сутінках, на турнікетах метро тощо. Ними користуються також для сортування виробів за їх кольором чи за розмірами.

2.3 Обмежувачі перенапруг (варистори)

Досліди показують, що при несильних електричних полях (до декількох сотень вольт на сантиметр) закон Ома для напівпровідників лишається справедливим; однак при сильних полях спостерігаються помітні відхилення від нього. Так, для германію відхилення від закону Ома починаються вже при E_к=900 В/см, для кремнію - при E_к=2500 В/см. Ці поля називаються критичними. Значення їх залежить від природи напівпровідника, температури та концентрації домішок.

Теорія електропровідності напівпровідників дійсно показує, що при збільшенні E вище певного значення повинно спостерігатися збільшення рухомості електронів та ріст їх концентрації. Останнє залежить від того, що: 1) сильне поле змінює енергетичний стан електрона в атомі, внаслідок чого енергія, яку потрібно витратити для перекидання електрона в зону провідності, зменшується; 2) в сильних полях вільний електрон отримує енергію, достатню для іонізації атома гратки чи атома домішки, що приводить до збільшення концентрації електронів провідності.

Емпірично залежність електропровідності напівпровідника від напруженості поля виражається законом Пуля:

;

тут б - коефіцієнт, що залежить від температури, E_к - критичне поле. На рис. 2.3 показаний графік цього закону.

Напівпровідникові опори, провідність яких різко зростає при збільшенні напруженості електричного поля, отримали назву варисторів.

Варистори із карбіду кремнію (86%) та зв'язки застосовуються у вигляді дисків (вілітові диски) в розрядниках, захищаючих високовольтні лінії електропередач від грозових перенапружень. Схема вентильного розрядника показана на рис. 2.4.

Він складається з іскрових проміжків, з'єднаних послідовно з філітовим опором. Дріт високої напруги через розрядник з'єднаний із землею. Поки напруга на дроті не перевищує певної величини, дріт надійно ізольований від землі іскровими проміжками та опором напівпровідника. При появі перенапруги, наприклад, від удару блискавки, відбувається пробій іскрових проміжків і вілітовий опір потрапляє під високу напругу. Його опір різко падає, і великий імпульс струму йде в землю. Після зникнення перенапруги весь розрядник виявляється під робочою напругою дроту, при якій опір віліту знову росте, обмежуючи струм у землю, в результаті чого електрична дуга в іскрових проміжках гасне, розрядник автоматично відключає лінію електропередач від землі і знову може прийняти нову хвилю перенапруги.

2.4 Напівпровідникові випрямлячі

При контакті деяких напівпровідників інколи виявляється уніполярна провідність: струм легко проходить в одному напрямку і майже не проходить в зворотному. Це має місце в особливості тоді, коли один із напівпровідників має електронну провідність, інший - діркову. При вказаних у верхній частині рис. 2.5 напрямках поля електрони в напівпровіднику І та дірки в напівпровіднику ІІ зміщуються до поверхні контакту та електрони переходять з І в ІІ, заповнюючи дірки. При зворотному напрямку поля електрони та дірки зміщуються від поверхні контакту й електропровідність порушується.

Одностороння провідність різнорідних провідників, що доторкаються, застосовується у напівпровідникових випрямлячах, наприклад у купроксних випрямлячах, де здійснюється контакт між шаром закису міді на мідній шайбі та пластинкою свинцю, цинку та алюмінію (рис. 2.6).



Елементи купроксного випрямляча з'єднують послідовно, притискаючи їх одне до одного за допомогою болта та гайок (рис. 2.7), причому між окремими елементами розміщують пластини для охолодження, так як допустима температура нагріву для такого випрямляча невелика (бл. 40 ?С).

Катодом в цих випрямлячах є мідні пластини. Купроксні випрямлячі годяться для напруг не більше 12-15 В на кожен елемент.

На рис. 2.8 представлений аналогічний елемент селенового випрямляча. На залізну шайбу нанесений шар нікелю, на ньому розташований тонкий шар кристалічного селену товщиною 0,05 - 0,01 мм; в якості другого електрода застосована пластинка із потрійного сплаву легкоплавких металів - кадмію, вісмуту та олова. Залізна нікельована шайба служить анодом. Допустима напруга для цих випрямлячів складає 20 - 25 В на елемент при густині струму до 50 мА/см².



Уніполярна провідність границі між напівпровідником та металом грає важливу роль в дії так званих вентильних елементів. Випрямляюча дія, що виникає при контакті двох напівпровідників чи напівпровідника та металу, отримала також широке застосування в напівпровідникових діодах та тріодах, для виготовлення яких застосовують частіше германій та кремній.

2.5 Термоелектрогенератори

В напівпровідниках кінетична енергія теплового руху вільних електронів збільшується пропорційно абсолютній температурі.

Звідси слідує, що якщо в напівпровіднику створити різницю температур, то на гарячому кінці концентрація вільних електронів збільшиться. Тому в напівпровіднику почнеться їх переміщення (дифузія) в напрямку від гарячого кінця до холодного; більш холодний кінець напівпровідника зарядиться негативно, а гарячий - позитивно, так як він втрачає частину електронів, що переходять в холодний кінець (рис. 2.9). У результаті з'явиться різниця потенціалів між кінцями напівпровідника. В дірковому напівпровіднику гарячий кінець, навпаки, заряджається негативно, а холодний - позитивно.



Процес дифузії зарядів, викликаний наявністю градієнта температури, буде продовжуватися до тих пір,поки різниця потенціалів, що виникла, не компенсує цей дифузний потік електричним струмом протилежного напрямку. Ця рівновага і визначить термоелектрорушійну силу.

Зазвичай напівпровідниковий термоелемент складається із двох напівпровідників різного типу, з'єднаних металічною пластинкою (рис. 2.10).

В місці з'єднання напівпровідники нагріваються, а інші кінці їх охолоджуються повітрям чи іншим способом та є плюсами термоелемента, до яких приєднаний зовнішній ланцюг. Із термоелементів складають термоелектричні батареї.

Величина термоелектрорушійної сили елемента:



,

де б₁ та б₂ - термоелектрорушійні сили в кожному напівпровіднику при різниці температур на його кінцях в 1?С. ККД сучасних напівпровідникових батарей становить 6 - 7%.

Якщо пропускати через термоелемент електричний струм, то спостерігається зворотний ефект (явище Пельтьє): один із спаїв нагрівається, а інший - охолоджується. Цим явищем можна скористатися для створення напівпровідникових холодильників.



Розділ 3. Вивчення теми у школі

В результаті аналізу шкільних навчальних програм, виявили, що напівпровідники вивчаються у школі в 9-ому (розділ «Електричний струм») та 11-ому (розділ «Електричне поле та струм») класах.

Розробимо план-конспект уроку на тему «Електричний струм у напівпровідниках» за підручником «Фізика 9» Божинова Ф. Я., Кірюхін М. М., Кірюхіна О.О..

Мета уроку: 1) дидактична: сформувати уявлення про вільні носії електричного заряду в напівпровідниках і про природу електричного струму в напівпровідниках; 2) розвиваюча: розвивати пізнавальні інтереси; формувати вміння планувати роботу та орієнтуватися в інформаційному просторі; вдосконалювати вміння порівнювати, аналізувати навчальний матеріал при складанні узагальнюючих таблиць; 3) виховна: створити мотивацію до навчання; встановлювати зв'язок з життєвим досвідом; формувати вміння продовжувати думку іншого, співпрацювати.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Таблиця 1. План уроку

Контроль знань	5 хв	Перевірити домашнє завдання.
Демонстрації	5 хв	Фрагмент відеофільму «Струм у напівпровідниках»
Вивчення нового матеріалу	30 хв	Що таке напівпровідники? Носії зарядів у напівпровідниках. Домішкова провідність напівпровідників. Використання напівпровідників.
Закріплення вивченого матеріалу	5 хв	Контрольні запитання. Навчаємося розв'язувати задачі.

1. Що таке напівпровідники?

Для того, щоб пояснити учням походження назви «напівпровідники» розглянемо спочатку таблицю питомих опорів (Ом·м за 20 °С):



Таблиця 2

Метал	Питомий опір	Напівпровідник	Питомий опір	Діелектрик	Питомий опір
Срібло	1,6·10-8	Телур	2,5·10-3	Скло	2·1011
Мідь	1,7·10-8	Германій	5,0·10-2	Порцеляна	3·1012
Сталь	1,2·10-7	Селен	102-104	Ебоніт	2·1013
Ніхром	1,1·10-6	Закис міді	1·107	Сірка	3·1015

Як видно з таблиці, питомі опори напівпровідників за кімнатної температури мають значення, що перебувають у широкому інтервалі, тобто від 10^-3 до 10⁷ Ом·м, і є проміжною ланкою між металами й діелектриками.

Ш Напівпровідники - речовини, питомий опір яких стрімко зменшується з підвищенням температури.

До напівпровідників належать багато хімічних елементів (бор, кремній, германій, фосфор, миш'як, селен, телур та ін.), величезна кількість мінералів, сплавів і хімічних сполук. Майже всі неорганічні речовини навколишнього світу - напівпровідники.

2. Носії зарядів у напівпровідниках.

За досить низьких температур і відсутності зовнішніх впливів (наприклад, освітлення чи нагрівання) напівпровідники не проводять електричний струм: за цих умов всі електрони в напівпровідниках є зв'язаними.

Однак зв'язок електронів зі своїми атомами в напівпровідниках не такий міцний, як у діелектриках. І при підвищенні температури, а так само при яскравому висвітленні деякі електрони відриваються від своїх атомів і стають вільними зарядами, тобто можуть переміщатися через увесь зразок.

Завдяки цьому в напівпровідниках з'являються негативні носії заряду - вільні електрони.

Ш Провідність напівпровідника, обумовлену рухом електронів, називають електронною.

Коли електрон відривається від атома, позитивний заряд цього атома стає нескомпенсованим, тобто в цьому місці з'являється зайвий позитивний заряд. Цей позитивний заряд називають «діркою». Атом, поблизу якого утворилася дірка, може відібрати зв'язаний електрон у сусіднього атома - при цьому дірка переміститься до сусіднього атома, а той атом, у свою чергу, може «передати» дірку далі.

Таке «естафетне» переміщення зв'язаних електронів можна розглядати як переміщення дірок, тобто позитивних зарядів.

Ш Провідність напівпровідника, обумовлену рухом дірок, називають дірковою.

Таким чином, відмінність діркової провідності від електронної полягає в тому, що електронна провідність обумовлена переміщенням у напівпровідниках вільних електронів, а діркова - переміщенням зв'язаних електронів.

У чистому напівпровіднику (без домішок) електричний струм створює однакову кількість вільних електронів і дірок. Таку провідність називають власною провідністю напівпровідників.

3. Домішкова провідність напівпровідників

Якщо додати в чистий розплавлений кремній невелику кількість миш'яку (приблизно 10^-5 %), після затвердіння утворюються звичайні кристалічні решітки кремнію, але в деяких вузлах решіток замість атомів кремнію будуть знаходитися атоми миш'яку.

Миш'як, як відомо, п'ятивалентний елемент. Чотири валентних електрони утворюють парні електронні зв'язки із сусідніми атомами кремнію. П'ятому ж, валентному, електрону зв'язку не вистачить, при цьому він буде так слабко зв'язаний з атомом миш'яку, що легко стає вільним. У результаті кожен атом домішки дасть один вільний електрон.



Ш Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються донорними.

Електрони з атомів кремнію можуть ставати вільними, утворити дірку, тому в кристалі можуть одночасно існувати й вільні електрони й дірки. Однак вільних електронів буде значно більше, ніж дірок.

Ш Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками n-типу.

Якщо в кремній додати невелику кількість тривалентного індію, то характер провідності напівпровідника зміниться. Оскільки індій має три валентних електрони, то він може встановити ковалентний зв'язок тільки з трьома сусідніми атомами. Для встановлення зв'язку з четвертим атомом електрона не вистачить. Індій «позичить» електрон у сусідніх атомів, у результаті кожен атом індію утворить одне вакантне місце - дірку.

Ш Домішки, що «захоплюють» електрони атомів кристалічних решіток напівпровідників, називаються акцепторними.

У випадку акцепторної домішки основними носіями заряду при проходженні електричного струму через напівпровідник є дірки.

Ш Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками p-типу.

Практично всі напівпровідники містять і донорні й акцепторні домішки. Тип провідності напівпровідника визначається домішкою з більш високою концентрацією носіїв заряду - електронів і дірок.

4. Використання напівпровідників

Широке використання напівпровідників обумовлене кількома причинами. По-перше, опір напівпровідників залежить від температури - зі збільшенням температури опір напівпровідників різко зменшується, тому сила струму в колі при цьому збільшується. Залежність опору напівпровідників від температури використовують у терморезисторах (чи термісторах). Термістори використовуються для вимірювання температури, для підтримки постійної температури в автоматичних пристроях.

По-друге, опір напівпровідників зменшується у випадку збільшення освітленості. Напівпровідникові прилади, у яких використовується властивість змінювати свій опір залежно від освітленості, називають фоторезисторами. Фоторезистори використовуються для вимірювання освітленості, для контролю якості поверхні тощо.

По-третє, у місці контакту двох напівпровідників p- і n-типу спостерігається ряд цікавих явищ. Наприклад, електричний струм через такий контакт добре проходить в одному напрямку і практично не проходить у зворотному. Це явище називається однобічна провідність. Властивості p-n-переходу використовують для виготовлення напівпровідникових діодів і транзисторів, без яких не обходиться жодний сучасний пристрій; фотоелементів, у яких енергія падаючого світла перетворюється в електричну енергію.

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

1) Чому опір напівпровідникових матеріалів залежить від температури?

2) Як змінюється питомий електричний опір напівпровідників: а) при нагріванні; б) при освітленні?

3) Чому опір напівпровідників суттєво залежить від наявності домішок?

Закріплення вивченого матеріалу

1. Якісні питання

1) Як можна змінювати тип носіїв у напівпровіднику?

2) Чому вимоги до чистоти напівпровідникових матеріалів дуже високі (у ряді випадків не допускається наявність навіть одного атома домішки на мільйон атомів)?

3) Після введення в германій домішки миш'яку концентрація електронів провідності збільшилася. Як змінилася при цьому концентрація дірок?

2. Навчаємося розв'язувати задачі

1) Після введення в германій домішки миш'яку концентрація електронів провідності збільшилася. Як змінилася при цьому концентрація дірок?

2) Яка провідність (електронна чи діркова) буде в кремнію, якщо до нього додати фосфор? Бор? Алюміній? Миш'як?

3) Як зміниться опір зразка кремнію з домішкою фосфору, якщо ввести в нього домішку галію? Концентрація атомів фосфору і галію однакова. (Відповідь: збільшиться)

Що ми дізналися на уроці

Напівпровідники -- речовини, питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури.

Провідність напівпровідника, обумовлену рухом електронів, називають електронною.

Провідність напівпровідників, обумовлену рухом дірок, називають дірковою провідністю.

Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються донорними.

Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками n-типу.

Домішки, що «захоплюють» електрони атомів кристалічних решіток напівпровідників, називаються акцепторними.

Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками р-типу.

Домашнє завдання: § 23, дати відп. на контр. питання після параграфа.



Висновки

напівпровідник електричний струм дифузія

Напівпровідники - широкий клас речовин, питома електропровідність яких за значенням менша від електропровідності металів і більша від електропровідності діелектриків. Характерною особливістю напівпровідників є зростання електропровідності з підвищенням температури. До групи атомних напівпровідників належать 12 хімічних елементів, компактно розміщених посередині періодичної таблиці елементів.

Розрізняють власні й домішкові напівпровідники. Хімічно чисті напівпровідники називають власними напівпровідниками, а їхню електропровідність - власною провідністю.

Провідність власних напівпровідників, зумовлену електронами, називають електронною провідністю. Провідність власних напівпровідників, зумовлену квазічастинками - дірками, називають дірковою провідністю.

Введення домішок у напівпровідниковий кристал істотно впливає на електричні властивості напівпровідника.

З напівпровідників складаються термістори, фоторезистори, обмежувачі перенапруг, випрямлячі, термоелектрогенератори, нагрівальні елементи та напівпровідникові холодильники.

У шкільному курсі фізики тема «Напівпровідники» вивчається в 9-ому та в 11-ому класах у розділі «Електричний струм». Навчальною програмою передбачено одну годину на вивчення цього матеріалу, так як напівпровідники у школах викладаються поверхнево.

Для більш детального вивчення напівпровідників та напівпровідникових приладів можна провести додаткове факультативне заняття.



Список використаної літератури

1. Кучерук І. М. Загальний курс фізики. Т.2. Електрика і магнетизм. Навч. посібник для студ. / І. М. Кучерук, І. Т. Горбачук, П. П. Луцик. - Київ: Техніка, 2001. - 452 с.

2. Путилов К. А. Курс физики. Т.2. Учение об электричестве. Изд. 6 / К. А. Путилов. - Москва: Гос. издательство физико-математической литературы, 1963. - 583 с.

3. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. В 3 т. Т. 2. Электричество и магнетизм / Г. С. Ландсберг. - Москва: Физматлит, 2001. - 480 с.

4. Вакуленко М. О. Фізичний тлумачний словник / М. О. Вакуленко, О. В. Вакуленко. - Київ: Поліграф. центр \"Київський університет\", 2008. - 767 с.

5. Божинова Ф. Я. Фізика 9 кл. Підручник для загальноосвітніх навч. закладів / Ф. Я. Божинова, М. М. Кірюхін, О. О. Кірюхіна. - Харків: Ранок, 2015. - 224 с.

6. Коршак Є. В. Фізика 9 кл. Підручник для загальноосвітніх навч. закладів / Є. В. Коршак, О. І. Ляшенко, В. Ф. Савченко. - Київ: Генеза, 2009. - 160 с.

7. Кирик Л. А. Усі уроки фізики. 9 клас / Л. А. Кирик. - Харків: Вид. група \"Основа\", 2009. - 288 с.

8. Навчальна програма з фізики 7-9 кл.:

9. Навчальна програма з фізики 10-11 кл. (рівень стандарту):

10. Начальна програма з фізики 10-11 кл. (академічний рівень):

11. Начальна програма з фізики 10-11 кл. (профільний рівень).

Размещено на Allbest.ru

...