Электрический ток в полупроводниках. Применение.

Предмет: Физика
Тип работы: Реферат
Язык: Русский
Дата добавления: 06.09.2019

 

 

 

 

 

  • Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой работой!
  • Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых тем для рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

 
 
 
 

 

Введение:

До недавнего времени, электротехника знала медь и изоляторы, машиностроение? Железо, радиотехника была построена на вакуумных трубках. И сравнительно недавно полупроводники появились на техническом горизонте? Сначала как выпрямители и фотоэлементы. С тех пор они вошли в широкую волну радиотехники, систем автоматизации и сигнализации, а также измерительного оборудования.

В настоящее время огромное количество отраслей основано на полупроводниках, и это только начало мощного развивающегося движения.

В широких кругах идея полупроводников связана с радиотехникой и частично с выпрямителями. Масштаб их производства в одних только Соединенных Штатах превышает миллиард долларов.

Важность замены радиоламп на полупроводниковые диоды и триоды хорошо известна. Всем известно, что, в отличие от вакуумных трубок, новые устройства потребляют во много раз меньше электроэнергии, им не требуется предварительный нагрев, они не боятся ударов, они обладают огромной прочностью и долговечностью, благодаря чему их можно изготавливать до небывало малых размеров. Ван Арденсу из Германской Демократической Республики удалось ввести полупроводниковую радиостанцию ​​в желудок человека, и недавно мы продемонстрировали искусственный протез, в котором движения контролировались биотоками живого человека.

Выпрямители на основе оксида меди и селена привели к потерям энергии порядка 30%. Теперь, в эпоху германия и кремния, новые выпрямители уменьшили потери до 1-2% и решают проблемы электролиза алюминия и других металлов, их используют в электромобилях и ряде других мест, где необходим постоянный ток.

Третья область применения полупроводников - фотоэлементы - уже стала широко известной благодаря их использованию на спутниках и космических кораблях, где солнечные лучи становятся единственным и неизменным источником энергии. Солнечные батареи преобразуют 10-15% этой энергии в электричество. Однако стоимость кремниевых солнечных элементов все еще настолько высока, что говорить о широкомасштабном преобразовании солнечной энергии в электрическую энергию преждевременно.

140 лет назад эстонский физик Зеебек открыл явление термоэлектричества, но неправильно понял его. В термоэлементах, как и в других тепловых двигателях, тепловой поток от горячего конца к холодной части частично переходит в другие виды энергии, в данном случае в электрическую энергию. Отличительной чертой термопар, как и фотоэлементов, является? производство электроэнергии без промежуточных ступеней, без паровых котлов и турбин, без вращающихся динамо.

Это огромное преимущество, и оно вскоре было реализовано. Но хотя материалы для термопар были изготовлены из металлов, эффективность достигала нескольких десятых процента, а охлаждение, создаваемое термопарами, не превышало 5? 6 °. Поэтому термопары использовались только для измерения температуры.

Структура и электрические свойства полупроводников

Общие свойства полупроводников

Полупроводники занимают промежуточное положение по электропроводности (или удельному сопротивлению) между проводниками и диэлектриками. Тем не менее, это разделение всех веществ в соответствии с их свойством электрической проводимости является условным, так как под влиянием ряда причин (примесей, облучения, нагрева), проводимость и удельное сопротивление многих веществ изменяются очень значительно, особенно полупроводников.

В связи с этим полупроводники из металлов различаются рядом признаков:

  • Удельное сопротивление полупроводников в обычных условиях значительно больше, чем у металлов.
  • Удельное сопротивление чистых полупроводников уменьшается с ростом температуры (в металлах оно увеличивается).
  • При освещении полупроводников их сопротивление значительно уменьшается (свет практически не влияет на сопротивление металлов).
  • Незначительное количество примесей оказывает сильное влияние на сопротивление полупроводников.

Полупроводники отличаются от диэлектриков тем, что ширина запрещенной зоны диэлектрического кристалла составляет порядка нескольких электрон-вольт, тогда тепловое движение не может переносить электроны из валентной зоны в зону проводимости, а кристалл является изолятором, оставаясь при всех реальных температурах. Для полупроводников ширина запрещенной зоны достаточно узка, поэтому перенос электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть относительно легко осуществлен либо тепловое возбуждение или внешний источник, способный передавать энергию электронов? E, и кристалл является полупроводником.

Полупроводники представляют собой твердые вещества, которые при T = 0 K характеризуются валентной зоной, полностью занятой электронами, и, как упоминалось выше, валентная зона отделена от зоны проводимости относительно узкой запрещенной зоной. Они обязаны своим именем тому факту, что их проводимость меньше, чем проводимость металлов и больше, чем проводимость диэлектриков.

Полупроводники включают в себя 12 химических элементов в середине периодической таблицы - B, C, Ge, Sn, P, Te, Se, I, Sb, As, S, Si, соединения элементов третьей группы с элементами пятой группы. много оксидов и сульфидов металлов, ряд других химических соединений, некоторые органические вещества. Наибольшее применение в науке и технике имеют германий Ge и кремний Si.

Полупроводники могут быть чистыми и загрязненными. Соответственно, внутренняя и примесная проводимость полупроводников различаются. Примеси, в свою очередь, делятся на донорные и акцепторные.

Электрический ток в полупроводниках создается упорядоченным движением электронов и дырок в двух противоположных направлениях, что будет обсуждаться ниже.

Собственная проводимость полупроводников

Химически чистые полупроводники являются собственными полупроводниками, и их проводимость называется внутренней проводимостью. Химически чистый Ge, Se, а также многие химические соединения: InSb, GaAs, CdS и т. Д. Могут служить примером собственных полупроводников.

При 0 К и отсутствии других внешних факторов собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении температуры электроны с верхних уровней валентной зоны I могут переноситься на нижние уровни зоны проводимости II.

Когда электрическое поле приложено к кристаллу, они движутся против поля и создают электрический ток. Таким образом, зона II, благодаря частичному «заполнению» электронами, становится зоной проводимости. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная электронами, называется электронной проводимостью или проводимостью n n-типа (от лат. Отрицательный - отрицательный).

В результате теплового выброса электронов из зоны I в зону II в валентной зоне возникают вакантные состояния, которые называются дырками. Во внешнем электрическом поле электрон - дырка - может переместить электрон с соседнего уровня в место, свободное от электрона, и дыра появится в том месте, где электрон ушел, и т. Д. Такой процесс заполнения дырок электроны эквивалентны движению дыры в направлении, противоположном движению электрона, как если бы дыра имела положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами - дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью p-типа (от лат. Положительный - положительный).

Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдаются два механизма внутренней проводимости: электрон и дырка. Количество электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне, поскольку последние соответствуют электронам, возбужденным в зоне проводимости. Поэтому, если концентрации электронов и дырок проводимости обозначены и, соответственно, то

Проводимость полупроводников всегда возбуждается, то есть возникает только под воздействием внешних факторов (температура, излучение, сильные электрические поля и т. Д.).

В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны. Действительно, для переноса электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости расходуется энергия активации, равная ширине запрещенной зоны ΔE. Когда электрон появляется в зоне проводимости, в валентной зоне обязательно возникает дырка. Поэтому энергию, затрачиваемую на формирование пары носителей тока, следует разделить на две равные части.

Поскольку энергия, соответствующая половине (рис. 3) запрещенной зоны, расходуется на перенос электрона, а та же самая энергия расходуется на образование дырок, опорная точка для каждого из этих процессов должна находиться в середине запрещенной зоны. Энергия Ферми в полупроводнике - это энергия, из которой происходит возбуждение электронов и дырок.

Так как для собственных полупроводников? E >> kT, распределение Ферми - Дирака превращается в распределение Максвелла - Больцмана. Вставляя, мы получаем

Количество электронов, перенесенных в зону проводимости, и, следовательно, количество образовавшихся дырок, пропорционально. Таким образом, проводимость собственных полупроводников где постоянная характеристика данного полупроводника.

Характерной особенностью является увеличение проводимости полупроводников с ростом температуры (в металлах проводимость уменьшается с ростом температуры). С точки зрения теории зон это обстоятельство довольно просто объяснить: с ростом температуры увеличивается число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости и участвуют в проводимости. Следовательно, удельная проводимость собственных полупроводников увеличивается с ростом температуры.

Если представить себе зависимость от, то для собственных полупроводников это прямая, по наклону которой можно определить ширину запрещенной зоны? E и его продолжением - (прямая отрезает равный отрезок на ординате).

Одним из наиболее распространенных полупроводниковых элементов является германий, имеющий решетку алмазного типа, в которой каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя ближайшими соседями. Упрощенное планарное расположение атомов в кристалле Ge приведено на рисунке 5, где каждая черточка обозначает связь, образованную одним электроном. В идеальном кристалле при T = 0 K такая структура является диэлектриком, поскольку все валентные электроны участвуют в образовании связей и, следовательно, не участвуют в проводимости.

С повышением температуры (или под влиянием других внешних факторов) тепловые колебания решетки могут привести к разрыву некоторых валентных связей, в результате чего некоторые электроны расщепляются и становятся свободными.

В месте, оставленном электроном, появляется дырка (она показана белым кружком), которая может быть заполнена электронами из соседней пары. В результате дыра, как и выпущенный электрон, будет двигаться вдоль кристалла. Движение электронов и дырок проводимости в отсутствие электрического поля хаотично. Если к кристаллу приложить электрическое поле, то электроны начнут двигаться против поля, дырки - в поле, что приведет к появлению собственной проводимости германия, обусловленной как электронами, так и дырками.

В полупроводниках наряду с процессом генерации электронов и дырок происходит процесс рекомбинации; Электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, отдавая энергию решетке и испуская кванты электромагнитного излучения. В результате для каждой температуры устанавливается определенная равновесная концентрация электронов и дырок, которая изменяется в зависимости от температуры в соответствии с выражением

Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников из-за примесей называется примесной проводимостью, а сами полупроводники называются примесными полупроводниками. Примесная проводимость обусловлена ​​примесями (атомы посторонних элементов), а также дефектами, такими как избыточные атомы (по сравнению со стехиометрическим составом), термическими (пустые места или атомы в междоузлиях) и механическими (трещины, дислокации и т. Д.) дефекты. Наличие примеси в полупроводнике существенно меняет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат. % бора, его проводимость увеличивается примерно в 10 раз.

Мы рассматриваем примесную проводимость полупроводников на примере Ge и Si, в которые вводятся атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу. Например, когда атом германия заменяется пятивалентным атомом мышьяка As (рис. 6а), один электрон не может образовывать ковалентную связь, он оказывается излишним и может легко отщепиться от атома во время тепловых колебаний решетка, т. е. стать свободной. Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи примесного атома, связан с примесным атомом и поэтому не может двигаться вдоль решетки.

С точки зрения теории зон рассмотренный процесс можно представить следующим образом. Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к появлению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем. В случае германия с (рис. 6) примесью мышьяка этот уровень находится на расстоянии Е E = 0,013 эВ от дна зоны проводимости. Поскольку? E <kT, даже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для переноса электронов примесного уровня в зону проводимости; образующиеся в этом случае положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и не участвуют в проводимости.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которых на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны; возникает электронная примесь проводимости (типа n проводимости). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводники n-типа). Примеси, которые являются источником электронов, называются донорами, а уровни энергии этих примесей называются донорными уровнями.

Предположим, что примесный атом с тремя валентными электронами, например, бор B, введен в кремниевую решетку Si.

Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора отсутствует один электрон, одна из связей остается неполной, и четвертый электрон может быть захвачен у соседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение полученных дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, то есть дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния в виде свободных положительных зарядов. Избыточный отрицательный заряд, возникающий вблизи примесного атома, связан с примесным атомом и не может двигаться вдоль решетки.

Согласно теории зон, введение трехвалентной примеси в решетку кремния приводит к появлению в запрещенной зоне уровня энергии примеси A, который не занят электронами. В случае кремния с примесью бора этот уровень находится над верхним краем валентной зоны на расстоянии? Е - 0,08 эВ. Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что даже при относительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, будучи связанными с атомами бора, теряют способность двигаться по решетке кремния, т.е. не участвуйте в проводимости. Носителями тока являются только дырки, возникающие в валентной зоне.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которых на единицу меньше валентности основных атомов, дырки являются носителями тока; возникает дырочная проводимость (p? тип проводимости). Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводники p-типа). Примеси, которые захватывают электроны из полупроводниковой валентной зоны, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей называются акцепторными уровнями.

В отличие от собственной проводимости, которая осуществляется одновременно электронами и дырками, примесная проводимость полупроводников обусловлена ​​в основном носителями одного знака: электронами в случае донорных примесей, дырок в случае акцепторных примесей. Эти носители называются основными. Помимо основных носителей, в полупроводнике есть неосновные носители: дырки в полупроводниках n-типа и электроны в полупроводниках p-типа.

Наличие примесных уровней в полупроводниках существенно меняет положение уровня Ферми E. Расчеты показывают, что в случае полупроводников n-типа уровень Ферми E при T = 0 K находится посередине между дном зоны проводимости. и уровень донора.

С ростом температуры все большее число электронов переходит из донорных состояний в зону проводимости, но, кроме того, увеличивается и число тепловых флуктуаций, которые могут возбуждать электроны из валентной зоны и переносить их через запрещенную энергетическую зону. Поэтому при высоких температурах уровень Ферми имеет тенденцию сдвигаться вниз (сплошная кривая) к своему ограничительному положению в центре запрещенной зоны, что характерно для собственного полупроводника.

Уровень Ферми в полупроводниках p-типа при T = 0 K E расположен посередине между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем. Сплошная кривая снова показывает его смещение с температурой. При температурах, при которых примесные атомы оказываются полностью обедненными и концентрация носителей возрастает из-за возбуждения собственных носителей, уровень Ферми расположен в середине запрещенной зоны, как и в собственном полупроводнике.

Проводимость примесного полупроводника, а также проводимость любого проводника, определяется концентрацией носителей и их подвижностью. С температурой подвижность носителей изменяется по относительно слабому степенному закону, а концентрация носителей - по очень сильному экспоненциальному закону, поэтому проводимость примесных полупроводников по температуре определяется главным образом температурной зависимостью концентрации носителей тока в Это. На рисунке 10 приведен пример графика зависимости от примесных полупроводников. Раздел AB описывает примесную проводимость полупроводника. Увеличение примесной проводимости полупроводника с ростом температуры связано, главным образом, с увеличением концентрации примесных носителей. Область БК соответствует области истощения примесей (эксперименты также подтверждают это); область CD описывает собственную проводимость полупроводника.

Полупроводниковые приборы и их применение

Диод

Граница контакта двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другая имеет дырочную проводимость, называется переходом электрон-дырка (или переход p? N). Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. п? п? Переход не может быть осуществлен просто путем механического соединения двух полупроводников. Как правило, области различной проводимости создаются либо путем выращивания кристаллов, либо путем соответствующей обработки кристаллов. Например, индиевая «таблетка» накладывается на n? Типа кристалл германия. Эта система нагревается приблизительно при 500 ° C в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют до определенной глубины в германии. Затем расплав медленно охлаждают. Поскольку германий (Ge), содержащий индий (In), имеет дырочную проводимость, то p? N? Соединение образуется на границе раздела между кристаллизованным расплавом и германием n-типа.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в pn-переходе (рис. 12). Пусть донорный полупроводник (работа выхода - A, уровень Ферми - E) приведен в контакт (рис. 12, б) с акцептором полупроводника (работа выхода - A, уровень Ферми - E). Электроны от н? Полупроводник, где их концентрация выше, будет диффундировать в р? Полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия дырок происходит в противоположном направлении - в направлении p> n.

В n-полупроводнике вследствие выхода электронов вблизи границы остается некомпенсированный положительный объемный заряд стационарных ионизованных атомов-доноров. В п? Полупроводник, благодаря выходу дырок вблизи границы, образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов. Эти пространственные заряды образуют двойной электрический слой вблизи границы, поле которой направлено от n? Регион к р? Область, предотвращающая дальнейший переход электронов в направлении n> p и дырок в направлении p> n. Если концентрация доноров и акцепторов в полупроводниках равна n? а р? типы одинаковы, то толщины слоев d и d, в которых локализованы стационарные заряды, равны (d = d).

При определенной толщине р? N? На стыке возникает состояние равновесия, характеризующееся выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников. В области р? N? При переходе энергетические зоны изгибаются, в результате чего возникают потенциальные барьеры, как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера ec определяется исходной разностью положений уровня Ферми в обоих полупроводниках. Все энергетические уровни акцепторного полупроводника поднимаются относительно уровней донорного полупроводника на высоту, равную ес, и подъем происходит при толщине двойного слоя d.Толщина d р? п? Переходный слой в полупроводниках составляет примерно 10-10 м, а разность контактных потенциалов составляет десятые доли вольт. Носители могут преодолеть эту разность потенциалов только при температуре в несколько тысяч градусов, то есть при обычных температурах равновесный контактный слой является барьером (характеризуется повышенным сопротивлением).

Сопротивление барьерного слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если внешнее электрическое поле приложено к р? N? Узел направлен от п? Полупроводник в p-полупроводник, т. Е. Совпадает с полем контактного слоя, то это вызывает движение электронов в n? Полупроводник и дырки в р? полупроводник от границы р? п? перекресток в противоположных направлениях. В результате барьерный слой будет расширяться и его сопротивление будет увеличиваться.

Направление внешнего поля, расширяющего барьерный слой, называется барьером (обратным). В этом направлении электрический ток практически не проходит через р? N? Junction. Ток в блокирующем слое в направлении блокировки формируется только за счет неосновных носителей тока (электронов в р-полупроводнике и дырок в н-полупроводнике).

Если внешнее электрическое поле приложено к р? N? Соединение направлено противоположно полю контактного слоя, тогда оно вызывает движение электронов в n? Полупроводник и дырки в р-полупроводнике до границы р? N? Соединение навстречу друг другу.

В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит через pn-переход в направлении от p? Полупроводник в н-полупроводник; это называется пропускной способностью (прямой).

Таким образом, р? N? Соединение (как на контакте металл-полупроводник) имеет одностороннюю (затворную) проводимость.

Как уже указывалось, при сквозном (постоянном) напряжении внешнее электрическое поле способствует перемещению основных носителей тока к границе p? N? Перекресток. В результате толщина контактного слоя уменьшается. Соответственно, переходное сопротивление также уменьшается (чем сильнее, тем больше напряжение), и сила тока становится большой. Это текущее направление называется прямым.

При блокирующем (обратном) напряжении внешнее электрическое поле препятствует движению основных носителей тока к границе pn-перехода. и способствует движению неосновных носителей тока, концентрация которого мало в полупроводниках. Это приводит к увеличению толщины контактного слоя, обедненного основными несущими тока. Соответственно, переходное сопротивление также увеличивается. Поэтому в этом случае только небольшой ток протекает через р? N? Соединение (оно называется обратным), полностью за счет несуществующих несущих тока. Быстрое увеличение этого тока означает разрушение контактного слоя и его разрушение. При подключении к цепи переменного тока переходы p-n действуют как выпрямители.

Работа устройств для выпрямления и преобразования переменного тока основана на принципе односторонней проводимости контактов двух полупроводников.

Полупроводниковые диоды изготовлены из германия, кремния, селена и других веществ.

п? п? Переход не может быть получен путем механического соединения двух полупроводников с разными типами проводимости, поскольку это приводит к слишком большому зазору между полупроводниками. Толщина р? N? Переход не должен превышать межатомных расстояний. Следовательно, индий слит с одной из поверхностей образца германия.

Вследствие диффузии атомов индия вглубь монокристалла германия вблизи поверхности германия образуется область с p-типом проводимости. Остальная часть образца германия, в которую атомы индия не проникли, все еще имеет n? Тип проводимости. Между двумя областями с разной проводимостью происходит n-р-переход. В полупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий? анод.

Для предотвращения вредного воздействия воздуха и света кристалл германия помещают в герметичный металлический корпус. Полупроводниковые диоды являются основными элементами выпрямителей переменного тока. Когда диод включен в цепь переменного тока, ток на сопротивлении нагрузки R будет почти постоянным в направлении. За половину периода, когда р? Тип полупроводникового потенциала положительный, ток течет свободно через р? N? Junction. В следующую половину периода ток почти равен нулю. 

Возможна двухполупериодная выпрямление переменного тока. Полупроводниковые выпрямители надежны и долговечны, имеют высокую механическую прочность и эффективность, но могут работать только в ограниченном температурном диапазоне (от 203 до 398 К).

Полупроводниковые выпрямители с одинаковыми значениями выпрямленного тока являются более миниатюрными, чем электронные трубки. В результате этого радиоустройства, собранные на полупроводниках, становятся более компактными.

Отмеченные преимущества полупроводниковых элементов особенно значимы при использовании в искусственных спутниках Земли, космических кораблях и электронных компьютерах.

Транзистор

Свойство односторонней проводимости n? П? Переход в полупроводниках может использоваться для усиления и генерации электрических колебаний, для которых используются полупроводниковые триоды или транзисторы.

Для изготовления транзистора из монокристалла германия с электронной проводимостью в него вводится примесь атомов индия с двух противоположных сторон.

Две области монокристалла германия с примесью индия становятся полупроводниками с дырочной проводимостью, и на границе раздела между ними и основным кристаллом возникают два n p p-расположенных перехода.

Средняя область кристалла называется основанием транзистора, а две крайние области кристалла, имеющие проводимость противоположной эмиттерной базы. Коллектор базового типа называется коллектором и  эмиттером.

Транзисторы, в которых эмиттер и коллектор имеют дырочную проводимость, а основание является электронным, называются транзисторами с p? N? П? Junction.

Транзисторы из р? N? П? Распределительные устройства имеют аналогичное устройство, только базовый материал в них имеет дырочную проводимость, а коллектор и эмиттер? е.

Таким образом, два п? П? В транзисторе появляются переходы, прямые направления которых противоположны. Три вывода из областей с разными типами проводимости позволяют включить его в схему. В соответствии с технологией производства концентрация примесных атомов (и, следовательно, концентрация основных носителей тока) ) между излучателем и коллектором должно быть разным.

Область с наибольшей концентрацией носителей тока (в нашем случае дырки) называется эмиттером, область с меньшей концентрацией носителей тока (в нашем случае дырок)? коллектор? средняя часть (с n? типом проводимости) основание. Толщина основания составляет 10–50 мкм, а концентрация носителей тока в базе во много раз меньше, чем в коллекторе.

При таком включении левый р? N? Соединение является прямым и отделяет базу от региона с p? Тип проводимости, называемый эмиттером. Если бы не было прав? П? Узел, был бы ток в эмиттере? Базовая цепь в зависимости от напряжения источников (аккумулятор B и источник напряжения переменного тока) и сопротивления цепи, включая низкое сопротивление прямого эмиттера? Базовый узел.

Аккумулятор B включен, так что право р? N? Узел в цепи противоположен. Это отделяет базу от правой области с р? Тип проводимости, называемый коллектором. Если бы не осталось л р? N? В месте соединения сила тока в цепи коллектора будет близка к нулю, поскольку сопротивление обратного соединения очень велико. Если есть ток в левом р? N? Соединение, ток появляется в цепи коллектора, и ток в коллекторе лишь немного меньше, чем ток в эмиттере. Это можно объяснить тем, что при создании напряжения между эмиттером и базой основные носители р? Типа полупроводниковых дырок? проникнуть на базу, где они уже являются миноритариями. Поскольку толщина основания очень мала, а число основных носителей (электронов) в нем невелико, входящие в нее отверстия почти не рекомбинируют с электронами основания и проникают в коллектор вследствие диффузии. Правильный р? N? Переход закрыт для основных носителей заряда базы? электроны, но не для дырок. В коллекторе отверстия уносятся электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока, разветвляющегося в цепи эмиттера от основания, очень мала, поскольку площадь поперечного сечения основания в горизонтальной плоскости намного меньше, чем площадь поперечного сечения в вертикальная плоскость

Сила тока в коллекторе, практически равная силе тока в эмиттере, изменяется в зависимости от тока в эмиттере. Сопротивление резистора R мало влияет на ток в цепи коллектора, и это сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включенного в его цепь, мы получаем синхронное изменение напряжения на резисторе R. При высоком сопротивлении резистора изменение напряжения на нем может быть в десятки тысяч раз выше, чем изменение напряжения сигнала в цепи эмиттера. Это означает усиление напряжения. В то же время мощность, выделяемая на нагрузке R, будет значительно превышать мощность, потребляемую в цепи эмиттера. Есть прирост мощности. Транзисторы широко используются в технике.

Термистор

Полупроводниковый термистор - это резистор, который использует температурную зависимость электрического сопротивления полупроводника.

Термистор представляет собой полупроводниковый термистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Существуют термисторы прямого и непрямого нагрева. В термисторах прямого нагрева сопротивление изменяется либо под воздействием тепла, выделяемого в них при прохождении электрического тока, либо в результате изменения температуры термистора из-за изменения его теплового излучения (например, когда температура окружающей среды изменяется).

Уменьшение сопротивления полупроводника с ростом температуры (отрицательный температурный коэффициент сопротивления) может быть вызвано различными причинами - увеличением концентрации носителей заряда, увеличением интенсивности обмена электронами между ионами с переменной валентностью или фазовыми превращениями из полупроводникового материала.

Первое явление характерно для термисторов из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, карбид кремния, соединения типа и т. Д.). Такие полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления в диапазоне температур, соответствующем примесной проводимости, когда не все примеси ионизированы, а также в диапазоне температур собственной проводимости, когда концентрация носителей изменяется из-за ионизации собственных атомов полупроводника. В обоих случаях зависимость сопротивления полупроводника определяется в основном изменением концентрации носителей заряда, поскольку изменения подвижности температуры незначительны.

В этих температурных диапазонах температурная зависимость сопротивления полупроводника соответствует уравнению

где B - коэффициент температурной чувствительности; это коэффициент, зависящий от материала и размеров термистора. С неполной ионизацией примесей и отсутствием компенсации

где энергия ионизации примесей (доноров или акцепторов).

Для компенсированного полупроводника с неполной ионизацией примесей

С внутренней проводимостью

,где ширина запрещенной зоны полупроводника.

Основная масса термисторов промышленного производства выполнена из оксидных полупроводников - оксидов металлов переходной группы из таблицы Д. И. Менделеева (от титана к цинку). Такие термисторы в форме стержней, трубок, дисков или пластин получают способом керамической технологии, то есть путем обжига заготовок при высокой температуре.

Электропроводность оксидных полупроводников с преобладающей ионной связью отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Металлы переходной группы характеризуются наличием незаполненных электронных оболочек и переменной валентностью. В результате, когда оксид образуется при определенных условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии), ионы с разными зарядами оказываются в одинаковых кристаллографических положениях. Электропроводность таких материалов связана с обменом электронами между соседними ионами. Энергия, необходимая для такого обмена, экспоненциально уменьшается с ростом температуры. В результате изменения интенсивности обмена электронами между ионами температурная зависимость сопротивления оксидного полупроводникового термистора такая же, как и у ковалентных полупроводниковых термисторов, но коэффициент температурной чувствительности в этом случае отражает изменение интенсивности обмена электронами между ионами, а не изменение концентрации носителей заряда.

В оксидах ванадия и при температуре фазовых превращений (68 и –110 ° С) удельное сопротивление уменьшается на несколько порядков. Это явление также может быть использовано для создания термисторов с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в температурном диапазоне, соответствующем фазовому превращению.

Термисторы прямого нагрева имеют следующие характеристики и параметры:

Температурная характеристика термистора - это зависимость его сопротивления от температуры. 

Номинальное сопротивление термистора - это его сопротивление при определенной температуре (обычно 20 ° C). Термисторы изготавливаются с допуском ± 20, 10 и 5% от номинального сопротивления. Номинальные сопротивления различных типов термисторов варьируются от нескольких кОм до нескольких сотен килоом.

Коэффициент температурной чувствительности B представляет собой коэффициент в показателе температурной характеристики термистора. Значение этого коэффициента, которое зависит от свойств материала термистора, является практически постоянным для данного термистора в диапазоне рабочих температур, а для различных типов термисторов находится в диапазоне от 700 до 15 000 К. Коэффициент Температурная чувствительность может быть найдена экспериментально путем измерения сопротивления термистора при температуре и по формуле.

Температурный коэффициент сопротивления термистора - это значение, определяемое отношением относительного изменения сопротивления термистора к изменению его температуры.

Температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры, поэтому он должен быть записан с индексом, указывающим температуру, при которой это значение имеет место. Зависимость температурного коэффициента сопротивления от температуры можно получить с помощью уравнений

и:

Значения температурного коэффициента сопротивления при комнатной температуре различных термисторов находятся в пределах (0,8 ... 6,0).

Коэффициент рассеяния термистора H численно равен мощности, рассеиваемой термистором, когда разность температур между термистором и окружающей средой составляет 1 К, или, другими словами, численно равен мощности, которая должна быть выделена в термисторе для нагреть его на 1 К.

Статическая вольт-амперная характеристика термистора - это зависимость падения напряжения на термисторе от тока, проходящего через него в условиях теплового равновесия между термистором и окружающей средой.

Линейность характеристик при малых токах и напряжениях объясняется тем, что мощность, выделяемая в термисторе, недостаточна для значительного изменения его температуры.

С увеличением тока, проходящего через термистор, мощность, выделяемая в нем, увеличивает его температуру. Таким образом, сопротивление термистора определяется общей температурой - температурой окружающей среды и температурой перегрева термистора. При этих токах сопротивление термистора уменьшается с увеличением тока, а температура в соответствии с линейностью вольт-амперной характеристики нарушается. При дальнейшем увеличении токовой и высокотемпературной чувствительности термистора может наблюдаться падение участка статической вольт-амперной характеристики, то есть уменьшение напряжения на термисторе с увеличением тока, проходящего через него.

Мощность, выделяемая в термисторе, непрерывно увеличивается с увеличением тока, проходящего через термистор, несмотря на уменьшение напряжения, падающего на термистор. В результате гиперболы одинаковой мощности пересекают статическую вольт-амперную характеристику термистора только в одной точке.

Для каждой точки статической вольт-амперной характеристики термистора уравнение теплового баланса действует между мощностью, выделяемой термистором из-за проходящего тока, и мощностью, которую он рассеивает в окружающую среду:

где температура термистора; - температура окружающей среды.

Из уравнения, с учетом которого можно получить уравнения статической вольт-амперной характеристики термистора в параметрической форме:

Тип статической вольт-амперной характеристики термистора определяется коэффициентом рассеяния H, коэффициентом температурной чувствительности B, номинальным сопротивлением термистора и температурой окружающей среды. Таким образом, при уменьшении коэффициента рассеяния H (например, при уменьшении давления воздуха, окружающего термистор) происходит более интенсивный нагрев термистора, и, следовательно, такие же температуры достигаются при более низких мощностях, выделяемых в терморезистор при прохождении тока, т. е. статического вольта? характеристика смещается вниз (в область более низких напряжений).

С повышением температуры окружающей среды сопротивление термистора уменьшается, максимум статической вольт-амперной характеристики уменьшается, а его крутизна уменьшается. Эта зависимость используется в системах автоматического контроля и регулирования температуры.

Увеличение коэффициента температурной чувствительности B приводит к смещению максимума статической вольт-амперной характеристики в сторону меньших мощностей, и крутизна падающего участка увеличивается.

Заключение

На основании результатов этой работы можно утверждать, что полупроводники являются быстро развивающейся отраслью физики твердого тела, о чем свидетельствует Нобелевская премия, врученная в 2000 году академику Ж.И. Алферова за изучение гетеропереходов, разработку технологии их формирования и организацию производства полупроводниковых приборов на основе гетеропереходов.

Четыре типа полупроводниковых устройств: диод, фотодиод, транзистор и термистор, попытался описать их основные свойства и характеристики, но есть толстые справочники, в которых перечислены только названия устройств и указаны самые основные свойства, и их описание уже занимает несколько тысяч страниц.

Интенсивное развитие электроники связано с появлением различных новых полупроводниковых приборов и интегральных схем, которые широко используются в компьютерной технике, космонавтике, автоматизации, радиотехнике и телевидении, в измерительной технике, медицине, биологии и т. д.