Удельное сопротивление полупроводника: Сопротивление полупроводников: свойства и виды проводников

Сопротивление полупроводников: свойства и виды проводников

Полупроводниками считаются вещества, обладающие электрическими свойствами, которые ставят их в промежуточное положение между диэлектрическими материалами и проводниками. Электропроводность полупроводников зависит от многих факторов. Прежде всего, это температура, а также количество примесей, содержащихся в них. Свое влияние оказывает ионизирующее и световое излучение.

Виды и свойства полупроводников

Для того, чтобы появился электрический ток, необходимо наличие подвижных частиц, переносящих заряды. Электропроводность того или иного вещества зависит от количества таких носителей на единицу объема. В диэлектриках они практически отсутствуют, а в полупроводниках свободные носители присутствуют лишь в небольшом количестве. Следовательно, удельное сопротивление полупроводников очень высокое, а в диэлектриках оно еще больше. Существуют различные виды этих материалов, обладающих собственными специфическими свойствами.

Все полупроводники можно разделить на несколько основных видов. Среди них лидируют чистые или собственные материалы, в которых отсутствуют какие-либо примеси.

Для них характерна кристаллическая структура, где атомы расположены в периодическом порядке в ее узлах. Здесь существует устойчивая взаимная связь каждого атома с четырьмя атомами, расположенными рядом. Это дает возможность образовывать постоянные электронные оболочки, в состав которых входит восемь электронов. При температуре, равной абсолютному нулю, такой полупроводник становится диэлектриком, поскольку все электроны соединены ковалентными связями.

Когда температура повышается или происходит какое-либо облучение, электроны могут выйти из ковалентных связей и превратиться в свободных носителей зарядов. Свободные места при перемещении постепенно занимаются другими электронами, поэтому электрический ток протекает только в одном направлении.

В электронных полупроводниках, кроме четырех атомов, составляющих основу кристаллической решетки, имеются так называемые доноры. Они представляют собой примеси в виде пятивалентных атомов. Электрон, содержащийся в таком атоме, не может нормально вступить в ковалентную связь и поэтому отделяется от донора. Таким образом, он превращается в свободный носитель заряда. В свою очередь донор становится положительным ионом, это может произойти даже при комнатной температуре.

В дырочных полупроводниках имеется кристаллическая решетка с содержанием трехвалентных примесных атомов, называемых акцепторами. В такой решетке остается незаполненной одна ковалентная связь. Она может быть заполнена электроном, оторвавшимся от соседней связи. Происходит превращение примесного атома в отрицательный ион, а на месте ушедшего электрона появляется дырка.То есть, в этом случае также начинается одностороннее движение электрического тока.

Факторы, влияющие на сопротивление полупроводников

Опытным путем было установлено, что при повышении температуры происходит уменьшение электрического сопротивления в полупроводниковых кристаллах. Это связано с тем, что при нагревании кристалла увеличивается количество свободных электронов, соответственно, возрастает их концентрация. Изменяющееся сопротивление полупроводников под воздействием температуры, применяется для создания специальных приборов, называемых терморезисторами.

Для того, чтобы изготовить терморезистор используются полупроводники, представляющие собой оксиды отдельных металлов в смешанном состоянии. Готовое вещество размещается в защитном металлическом корпусе с изолированными выводами. С их помощью происходит подключение прибора к электрической цепи.

Терморезисторы используются для измерения температуры или для ее поддержания в заданном режиме в каких-либо устройствах. Основным принципом их работы является изменяющееся сопротивление при перепадах температур. Тот же принцип используется и в фоторезисторах. Здесь величина сопротивления изменяется в зависимости от уровня освещения.

Влияние температуры на сопротивление полупроводника

Зависимость сопротивления полупроводника от температуры формула

На чтение 21 мин Просмотров 3.5к. Опубликовано

Полупроводники. Их виды. Электрический ток в полупроводниках. Виды полупроводников. Собственная и примесная проводимость. Р- n переход.

Зависимость электропроводности полупроводников от температуры и освещенности.

По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает (см. рис. 3.3.2). У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами

Рисунок 3.3.2. Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T.

Такой ход зависимости ρ(T) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.

Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рис. 3.3.2.1). Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

Рисунок 3.3.2.1 Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок

». Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного

Ip токов:

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью

. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).

Рисунок 3.3.2.2 Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа.

На рис. 3.3.2.2 показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется

донорской примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле nn >> np. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.

Рисунок 3.3.2.3 Атом индия в решетке германия. Полупроводник p-типа.

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рис. 3.3.2.3 показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np >> nn. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.

Для полупроводников n– и p-типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.

В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или np-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (nn >> np). В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (np >> nn). При контакте двух полупроводников n– и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в

n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой.

Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 3.3.2.4). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p– и n-областями запирающее напряжение Uз, приблизительно равное 0,35 В для германиевых np-переходов и 0,6 В для кремниевых.

np-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Рисунок 3.3.2.4 Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p– и n-типов.

Если полупроводник с np-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от np-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через np-переход практически не идет. Напряжение, поданное на np-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.

Если np-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать np-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через np-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность np-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 3.3.2.5

Рисунок 3.3.2.5 Вольт-амперная характеристика кремниевого диода. На графике использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений.

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными диодами – малые размеры, длительный срок службы, механическая прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя np-переходами называются транзисторами. Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: pnp-транзисторы и npn-транзисторы. Например, германиевый транзистор pnp-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью (рис. 3.3.2.6). В транзисторе npn-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа (рис. 3.3.2.7).

Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях разных структур стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.

Рисунок 3.3.2.6 Транзистор структуры pnp.
Рисунок 3.3.2.7 Транзистор структуры npn.

Оба np-перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рис. 3.3.2.8 показано включение в цепь транзистора pnp-структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).

Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.

Рисунок 3.3.2.8 Включение в цепь транзистора pnp-структуры.

При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток Iэ. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, np-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток Iк. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.

Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 1.14.5), то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.

Однако, такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера Iэ. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы Iб = IэIк. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят исключительно широкое применение в радиоэлектронике. Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т. д. – размером в несколько микрометров. Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лабораторные работы по физике полупроводников

Цель данной работы состоит в экспериментальном изу-чении зависимости сопротивления металлов и полупро-водников от температуры и в измерении температурных коэффициентов сопротивления.

Основные положения теории

С точки зрения способности проводить электрический ток все вещества делятся на три класса: проводники, полупро-водники и диэлектрики (изоляторы). Электрическое сопро-тивление полупроводников занимает промежуточное значе-ние между сопротивлением металлов и диэлектриков. Удель-ная электропроводность (или просто проводимость) метал-лов () имеет порядок (10 8 …10 6 ) Ом -1 м -1 , диэлектриков (10 15 ÷…10 -18 ) Ом -1 м -1 полупроводников (10 2 …10 -11 ) Ом -1 м -1 . Удельное сопротивление проводников зависит от проводи-мости: . Для металлов удельные сопротивления имеют значения порядка 10 7 …10 8 Омм.

Фундаментальным законом в этой области является за-кон Ома (в локальной форме), который можно записать в виде:

(1)

где – вектор плотности тока,

–вектор напряженности электрического поля внутри проводника.

Формула (1) называется законом Ома в дифференциаль-ной форме. Для вычисления силы тока, проходящего по проводнику, необходимо знать скорость, которую приоб-ретают электроны под действием электрического поля. Эта скорость () называется дрейфовой, и хотя она нам-ного меньше скорости теплового хаотического движения электронов, именно дрейфовая скорость определяет силу тока в проводнике. Дрейфовая скорость – это средняя ско-рость направленного движения носителей заряда. Если концентрация носителей тока равна, то плотность тока равна:

(2)

где е – элементарный электрический заряд.

Средняя дрейфовая скорость носителей тока прямо пропорциональна внешнему электрическому полю:

(3)

где – коэффициент пропорциональности, называемый «подвижность носителей тока». Из формулы (3) виден фи-зический смысл подвижности: подвижность носителей то-ка численно равна дрейфовой скорости носителей в элек-трическом поле единичной напряженности. Подвижность носителей является константой данного материала и зависит от температуры.

Согласно квантовой теории электропроводности прово-димость твердого тела определяется следующим соотно-шением:

. (4)

Подвижность носителей заряда определяется по этой теории следующим образом:

, (5)

где – средняя длина свободного пробега электрона;

–эффективная масса электрона в металле;

–средняя общая скорость движения электронов, равная сумме средней скорости теплового хаотического движения и дрейфовой скорости (), при этом обычно.

Физической причиной возникновения сопротивления электрическому току является взаимодействие электронов с реальной кристаллической средой, в которой движутся электроны. При этом согласно квантовой теории проводи-мости столкновения электронов (рассеяние электронных волн) происходят с какими-либо нарушениями периоди-ческой структуры кристалла: тепловыми колебаниями, примесными атомами, дислокациями, границами зёрен и другими дефектами. Поэтому в 100…1000 раз больше, чем расстояние между атомами металла.

Рассмотрим, какой характер температурной зависимос-ти проводимости вытекает из формул (4) и (5). Величина для металлов (в них электронный газ вырожден) имеетсмысл скорости электронов, которые могут ускоряться под действием электрического поля. Это электроны, которые имеют энергию, близкую к энергии уровня Ферми , т.е. энер-гии, которой обладают электроны в металле при абсолют-ном нуле (V=Vф). Так как концентрация электронов в ме-таллах практически не зависит от температуры, то темпе-ратурная зависимость проводимости в данном случае оп-ределяется температурной зависимостью подвижности но-сителей заряда (см. формулу (4)). Скорость электронов на уровне Ферми примерно на порядок больше, чем средняя скорость теплового движения, и очень слабо зависит от температуры, поэтому из всех величин, входящих в фор-мулу (5), в металлах только величина проявляет за-метную зависимость от температуры.

Зависимость от температуры объясняется тем, что чем интенсивнее тепловое движение, тем больше вероят-ность рассеивания электронов на кристаллической решет-ке и тем меньше длина свободного пробега электрона (). Отсюда следует:и.

Таким образом, сопротивление металлического провод-ника прямо пропорционально температуре:

(6)

где R – сопротивление металлического проводника при 20 С;

t – температура, С;

 – температурный коэффициент сопротивления металла.

При низкой температуре, которая много меньше комнат-ной, в действие вступают другие механизмы рассеяния элек-тронов и функциональный характер зависимости изменя-ется, зависимость R(T) становится нелинейной ().

Напомним, что для невырожденного электронного газа , равная средней скорости теплового движения элект-ронов, вычисляется по известной формуле молекулярно-кинетической теории газов:

, (7)

где k – постоянная Больцмана.

В полупроводниках имеются носители тока двух видов: электроны и дырки – поэтому для полупроводников фор-мула (4) примет вид:

, (8)

В полупроводниках, как и в металлах, подвижность но-сителей тока зависит от температуры, но характер темпе-ратурной зависимости проводимости определяется более сильной зависимостью концентрации носителей тока от температуры, в то время как у металлов концентрация сво-бодных электронов от температуры не зависит. При уве-личении температуры увеличивается вероятность теплового возбуждения электронов в зону проводимости и дырок в валентной зоне, то есть с ростом температуры сильно воз-растает концентрация носителей заряда. Из формулы (8) видно, что в полупроводниках температурная зависимость проводимости определяется зависимостью концентрации носителей зарядов от температуры.

В области собственной проводимости полупроводников температурная зависимость проводимости носит экспо-ненциальный характер:

(9)

где – ширина запрещенной зоны.

В области примесной проводимости полупроводников, когда носители заряда оказываются одного типа (т.е. име-ются примесные, либо акцепторные), эта зависимость име-ет аналогичный вид:

(10)

В случае частично скомпенсированных проводников, когда имеются примеси двух типов, температурная зави-симость проводимости принимает следующий вид:

, (11)

где – константа данного полупроводника;

–энергия активации примеси;

– константа Больцмана;

Т – температура, К.

Таким образом, при экспоненциальной зависимости кон-центрации носителей тока от температуры, именно эта за-висимость и будет определять характер температурной за-висимости проводимости полупроводника.

Если примесный полупроводник является полупровод-ником n-типа, то Еакт определяет глубину расположения донорных уровней относительно дна зоны проводимости (Ед=Еакт), т. е. ту энергию, которая необходима для отры-ва электронов от атома примеси и перевода в зону прово-димости, где он может свободно перемещаться по крис-таллу.

Если полупроводник p-типа, то Еакт определяет энер-гетическое положение акцепторных уровней относительно вершины валентной зоны (Еа=Еакт) (см. рис.1).

В настоящей работе измеряется зависимость R(T) тер-морезистора – полупроводникового прибора, в котором для практических целей используется сильная зависи-мость сопротивления полупроводникового материала от температуры. В том интервале температур, где имеет мес-то примесная проводимость, сопротивление полупровод-ника уменьшается с увеличением температуры по экс-поненциальному закону:

(12)

где R, A – константы для данного типа терморезистора, при этом константа А связана со свойствами полупро-водникового материала, из которого изготовлен терморе-зистор, соотношением:

(13)

Логарифмируя формулу (12), получим:

(14)

Зависимость (14), построенная в осях: x=1/T, y=lnR, является прямой линией, тангенс наклона которой к оси Х равен константе А. Получение из опытных данных прямой линии в зависимости lnR от 1/T является доказательством того, что сопротивление данного полупроводника зависит от температуры экспоненциально по формуле (12).

Температурный коэффициент сопротивления в общем случае определяется формулой:

(15)

Подставив в эту формулу R из (12), получим

(16)

По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает (см. рис. 1.12.4). У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (рис. 1.13.1).

Рисунок 1.13.1.

Такой ход зависимости ρ () показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре слабо связанных электрона. Их называют валентными электронами . В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной , т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рис. 1.13.2). Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

Рисунок 1.13.2.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок . Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией . Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник поместить в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов:

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: . Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электрическая проводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью . Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную .

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).

Рисунок 1.13.3.

На рис. 1.13.3 показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью . В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле . Такая проводимость называется электронной , а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником -типа .

Рисунок 1.13.4.

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рис. 1.13.4 показан атом индия, который с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью . В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: . Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью . Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником -типа . Основными носителями свободного заряда в полупроводниках -типа являются дырки.

Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.

Для полупроводников – и -типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.

Сопротивление полупроводников — Энциклопедия по машиностроению XXL

Зависимость удельного сопротивления полупроводника от температуры  [c.196]

Таким образом, изменение удельного сопротивления полупроводника с собственной проводимостью в зависимости от температуры дается выражением  [c.197]

Температурная зависимость удельного сопротивления полупроводника, в который добавлено небольшое количество примеси, показана на рис. 5.7 [12]. На практике в полупроводнике всегда присутствуют как донорные, так и акцепторные примеси, и разработчик полупроводниковых термометров сопротивления может лишь выбирать соотношение между теми и другими. Для описания процессов проводимости рассмотрим германий, содержащий донорные атомы мышьяка в концентрации N(1 и какие-либо акцепторные атомы в концентрации Л а-На рис. 5.7 можно выделить четыре температурных диапазона, в каждом из которых преобладает какой-либо один механизм проводимости». В высокотемпературном диапазоне [I] проводимость обусловлена главным образом электронами, термически возбужденными из валентной зоны в зону проводимости согласно уравнению (5.8), поскольку все примесные атомы давно уже ионизованы. Это область собственной проводимости для германия она начинается чуть выше 400 К. Этот диапазон не представляет особого интереса для германиевых термометров сопротивления.  [c.198]


Эквивалентная схема диода, представленная на рис. 2.17, а, дополнена резисторами / о, учитывающим объемное омическое сопротивление полупроводника, и У у, учитывающим утечку по поверхности диода.  [c.91]

Резистор полупроводниковый [нелинейный] — полупроводниковый прибор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от напряжения.  [c.152]

Концентрация носителей заряда в полупроводниках при комнатной температуре значительно меньше, чем в металлах. Поэтому удельное сопротивление полупроводников обычно больше, чем металлов. При понижении температуры удельное сопротивление полупроводника увеличивается — он все больше становится похожим на диэлектрик.  [c.155]

Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры и освещения. Опыты показывают, что при нагревании электрическое сопротивление полупроводниковых кристаллов уменьшается (рис. 157). Уменьшение электрического сопротивления полупроводников при нагревании объясняется тем, что с повышением температуры кристалла число освобождающихся  [c.156]

Обычно удельное сопротивление полупроводников (при Г = 290 К) находится в интервале Ом-см (в металлах р= 10 ч-10- Ом-см).  [c.454]

В зависимости от природы полупроводников и примесей и концентрации последних изменение проводимости в зависимости от температуры может несколько отличаться от приведенной схемы. Изменение сопротивления полупроводников в зависимости от температуры используется в термисторах для измерения температуры.  [c.284]

Величиной, численно характеризующей изменение удельной проводимости (удельного сопротивления) полупроводников при определенном виде деформации, является тензочувствительность  [c.244]

Метод омического сопротивления. Омическое сопротивление специальных проводников в контуре может быть изменено под воздействием силы, при этом степень изменения сопротивления может быть мерой действующих сил. Теоретически для этой цели пригодны все твердые упругие тела, а также жидкости и газы, которые не оказывают электрическому току бесконечно большого сопротивления (полупроводники). Например, угольный порошок и твердые угольные пластины при растяжении и сжатии изменяют свое сопротивление в широких пределах. Угольные пластины показывают хорошую повторяемость результатов, пока они под влиянием нагрузки испытывают лишь упругие деформации.  [c.98]
Обычно к полупроводникам относят вещества с удельным сопротивлением р 10 ом-см (при Т = — 290°К). Поскольку в металлах р = 10 -ЬЮ» омХ хсм то удельное сопротивление полупроводников находится в интервале 10 Р Ю ом-см.  [c.341]

Температуру можно непрерывно отсчитывать при помощи гальванометра, измеряющего силу тока в электрическом сопротивлении (полупроводник), наклеенном на фотографическую пластинку или пленку. Источником света служит лампа с вольфрамовой лентой (5 X 1 ) и рабочим напряжением 6 в (питание от сети с аккумуляторным буфером). Цветовая температура этой лампы 2748° К. При помощи объектива с фокусным расстоянием 50 мм и апертурой //2 создается увеличенное изображение ленты (3 X )> которое проектируется на барабан, несущий пленку, после преобразования при помощи объектива с фокусным расстоянием 250 мм и апертурой //4,5. Вся оптическая система помещается вне цилиндрического сосуда ось светового пучка совпадает с оптической осью объективов, проходит через центр окошка Р нормально к его плоскости и находится в средней прямоугольной плоскости сечения барабана, несущего пленку.  [c.270]

Обычно к проводникам относят вещества с удельным сопротивлением менее 10 Ом -м, а к диэлектрикам — с р более 10 Ом -м удельное сопротивление полупроводников составляет 10″ —10 Ом -м. Однако при классификации веществ по электрическим свойствам кроме значения р необходимо учитывать и физическую природу электропроводности, в частности вид свободных носителей заряда и характер зависимости р от температуры.  [c.7]

Температурный коэффициент удельного сопротивления полупроводников  [c.333]

V. При увеличении температуры сопротивление полупроводников. ..  [c.7]

При изготовлении углублений травление ограничивается областью, расположенной прямо под сильной струей, так как электролит после удара растекается тонким слоем по поверхности пластинки. Если удельное сопротивление раствора того же порядка, что и сопротивление полупроводника, то плотность тока должна быстро падать в радиальном направлении от оси струи.  [c.26]

Характерным свойством полупроводников является нелинейность зависимости тока в полупроводнике от приложенного напряжения (рис. 53), т. е. ток растет значительно быстрее, чем напряжение. Одновременно с ростом тока резко уменьшается электрическое сопротивление полупроводника.  [c.93]

Под действием света проводимость некоторых полупроводников (например, селена) может резко изменяться. Это вызывается тем, что световое излучение с определенной длиной волны сообщает электронам полупроводника энергию, достаточную для того, чтобы они сделались свободными. При этом сопротивление полупроводника резко уменьшается. Это свойство полупроводников используют при создании фоторезисторов — приборов, чувствительных не только к видимому участку спектра, но и к инфракрасному излучению.  [c.95]

По величине удельного сопротивления полупроводниковые материалы занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Удельное сопротивление полупроводников колеблется в широких пределах от 1(Н до 10 ом-см.  [c.260]

Электроны в полупроводнике, способные перемещаться к положительному полюсу, называются электронами проводимости. Их количество в сравнении с общим числом валентных электронов, осуществляющих ковалентную связь между атомами, очень невелико и не превышает долей процента. Именно поэтому электрическое сопротивление полупроводников всегда во много раз больше, чем металлов.  [c.18]


Повышение температуры, как и в случае металлов, вызывает усиление тепловых колебаний атомов, однако одновременно в полупроводниках повышение температуры способствует дополнительному переходу валентных электронов из ковалентных пар на более высокие энергетические уровни и поэтому в общем итоге электрическое сопротивление полупроводников при повышении температуры уменьшается. В этом заключается одно из главных отличий полупроводников от металлов.  [c.18]

Хотя повышение температуры вызывает весьма значительное падение электросопротивления, значение этого свойства у полупроводников остается несравненно более высоким, чем у металлов. Так, если у меди при 700° С электросопротивление равно 67 нОм-м, то у кремния и германия оно составляет около 10- Ом-м (см. табл. 2), хотя у этих элементов электросопротивление снижается по сравнению со значениями при комнатной температуре в 10 —10 раз. Собственная проводимость полупроводников увеличивается не только под действием нагрева. Облучение светом также повышает энергию валентных электронов, часть их переходит в зону проводимости, и электрическое сопротивление полупроводника существенно снижается.  [c.18]

Из (8.63) следует, что для увеличения предельной частоты работы диода необходимо уменьшать произведение гС . Сопротивление г можно уменьшать, улучшая качество омических контактов к и- и р-областям диода и уменьшая толщину, этих областей. Казалось бы, далее, что повысить соцр д можно также уменьшением площади S р—н-перехода, так как при этом должна уменьшаться емкость Сд. Однако таким способом можно достичь повышения (Оцред только у точечных дподов. В самом деле, для плоских переходов q S, г 1/S, поэтому r g не зависит от 5. Для точечных же диодов г = = р/яа где р — удельное сопротивление полупроводника а —  [c.238]

Фотоэлементы с внутренним ф-о-,. тоэффектом. Работа фотоэлементов с вну-тренннм фотоэффектом основана на изменении сопротивления полупроводников под действием лучистой энергии. При освещении этих веществ внутри них освобождаются электроны, которые, не выходя с поверхности, увеличивают проводимость полупроводника. Если к концам такого полупроводника приложить разность потенциалов, го величина протекающего по  [c.547]

ПРОБОЙ [вакуумный — возникновение самостоятельного разряда при высокой разности потенциалов между электродами при таком вакууме, при котором свободный пробег электронов намного больше межэлектродного расстояния диэлектрика — резкое умершшение электрического сопротивления диэлектрика, наступающее при достижении определенного значения напряженности приложенного электрического поля лавинный — резкое уменьшение омического сопротивления полупроводника в сильном электрическом поле]  [c.266]

Электрическое сопротивление полупроводника зависитот его температуры,используя это свойство можно создать датчик для измерения скорости потока жидкости.  [c.117]

Аппаратура с полупроводниковыми наклеиваемыми датчиками омического сопротивления (графит, сернистый свинец) [26), [28]. С деформацией изменяется контактное сопротивление полупроводника. Датчик включается в схему моста. Тензочувстви-тедьный слой в датчике нанесен на пластинку из пластмассы, полоску фольги с изоляцией или бумагу. Допускается переклейка датчика. Для углеродистых датчиков коэффициент тензочувствительности 15—20, сопротивление 10—15 кои требуется защита от влаги. Применяется для измерений на вращающихся деталях в связи  [c.493]

Сопротивление полупроводника датчика изменяется в зависимости от температуры охлаждения жидкости. С изменением сопротивления изменяется и величина тока в катушке К1. Теперь уже положение стрелки прибора зависит от взаимодействия постоянных полей катушек К2 и КЗ (величина тока всегда постоянна) с изменяющимся магнитным полем катушки К1. Результирующее поле всех катушек поворачивает дисковый магнит МД вместе со стрелкой в определенное положение, показывающее на шкале температуру охлалодающей жидкости.  [c.143]

Удельное сопротивление полупроводников является величиной изменчивой, зависящей от наличия примесей в материале и от технологии изготовления (многие полупроводники изготовляются посредством измельчения, смешения, прессования составных частей и последующего обжига, т. е. приемами керамической технологии (см. гл. 8). Как уже упоминалось, сопротивление полупроводников зависит от температуры в некоторых апучаях эта зависимость выражена весьма заметно, и такие полупроводники могут применяться в качестве элементов электрических устройств, для которых важна зависимость сопротивления от температуры ( т е р м о с о п р о т и в л е н и я ), В ряде случаев сопротивление полупроводников сильно зависит от освещенности, уменьшаясь при повышении последней такие полупроводники используются в качестве фотосопротивлений. Некоторые материалы типа полупроводников резко изменяют сопротивление в зависимости от величины приложенного напряжения, являясь нелинейными сопротивлениями . Полупроводники используются в качестве электронагревательных элемен-  [c.193]

Полупроводниковые приборы. Выше уже упоминалось, что полупроводники обладают значительно худшей проводимостью, чем металлы. Однако это утверждение справедливо только для химически чистых полупроводящих веществ, получение которых в производстве весьма затруднитель-но. Поэтому в электротехнике получили распространение полупроводники, содерл ащие различные примеси. Примеси уменьшают сопротивление полупроводников, и их проводимость увеличивается. Проводимость таких полупроводников называют примесной.  [c.97]

Поляризация имеет место во всех молекулах диэлектрика — это его массовое свойство. В то же время электро1проводность диэлектрика часто практически полностью обусловливается наличием незначительного количества примесей (загрязнений), а не основным веществом диэлектрика, и при тщательной очистке диэлектрика может существенно ослабляться. Поэтому, в частности, при смешении друг с другом двух (или нескольких) не реагирующих между собой химически диэлектриков диэлектрическая проницаемость получающейся смеси в первом приближении может быть оценена по арифметическому правилу смешения (подробнее СхМ. 2-6). Для Подсчета же удельного сопротивления диэлектрика это правило может оказаться совершенно непригодным, так как уже малая примесь другого вещества может иногда на несколько порядков снизить удельное сопротивление диэлектрика. Еще более резко бывает иногда выражено влияние ничтожных количеств примесей на удельное сопротивление полупроводников.  [c.103]


Существуют Э. п., по имеющие мехапич. колебательной системы и создающие колебания непосредственно в среде. К ним относятся, нанр., электроискровой излучатель, возбуждающий интенсивные звуковые колебания в результате. электрич. разряда в жидкости ионофон-, тер.иосфон-, излучатель, действие К-рого основано на электрострикции жидкостей. Все эти излучатели применяются сравнительно редко они — необратимы. К особому классу Э. п. относятся приемники звука (также необратимые), основанные па изменении электрич. сопротивления чувствит. элемента под влиянием звукового давления, напр, угол/,иый микрофон или полупроводниковые приемники, в к-рых используется зависимость сопротивления полупроводников от механических напряжений [7].  [c.451]

Упругие деформации изменяют сопротивление полупроводников. Ряд полупроводников обладает коэффициентом тензочувствйтельности т, значительно большим, чем у металлов. Так, у константана т = 2, а у германия, кремния, сурьмянистого индия и д 1. mW 100. У поликристаллич. образцов PbS величина т достигает 2000. Эти свойства полупроводников по-  [c.224]

Формула (51) показывает, что при полном отсутствии микродефектов удельное сопротивление полупроводника величина постоянная. Для случая поверхностных слоев контакта это не так. Дело в том, что сама микрогеометрия поверхности уже обусловливает совершенно особые явления в тех контактных мостиках, которые оказываются на данный момент проводящими. Здесь имеют место и туннельный эффект, и явление фриттинга. Туннельный эффект — это свойство электронов проходить через потенциальный барьер, превышающий их среднюю энергию. Туннельный эффект наиболее вероятен при толщине оксидных ( изолирующих ) пленок не более 5-10″ см.  [c.42]


Удельное электросопротивление полупроводника

Удельное электросопротивление полупроводника

Удельное электросопротивление (сопротивление) полупроводника является одним из его основных электрофизических параметров и рассчитывается по формуле

, Ом·м.                                                (3.14)

Удельное сопротивление электронного полупроводника в области рабочих температур, для которых n~Nd, рассчитывается по формуле

.                                        (3.15а)

Удельное сопротивление дырочного полупроводника в области рабочих температур, для которых p~Na, рассчитывается по формуле

.                                     (3.16б)

Таким образом, удельное сопротивление полупроводника уменьшается с ростом концентрации легирующих примесей (рис. 3.5).

Влияние напряженности электрического поля

на электро­про­вод­­­­ность и пробой полупроводников

Общий вид зависимости эле­­к­­т­­­ро­­­про­во­д­­ности полупроводника s от напряженности вне­ш­­­него эле­к­т­ри­­­ческого поля Е, построенной в координатах lns=f(Е), изо­­­б­ра­жен на рис. 3.6.

Из этого рисунка следует,  что на кри­вой  ln s=f(Е) ус­­ловно можно вы­­­де­лить четыре участка.

Участок 1 со­от­ве­т­ст­ву­ет области сла­бых электрических полей (E<106 В/м), при которых плот­­ность то­ка j прямо про­по­р­циональна на­пря­жен­ности эле­к­три­­ческого по­ля Е в по­лу­про­вод­ни­ке. Поэтому на участке 1 вы­пол­ня­ет­ся закон Ома, который в диф­фе­ре­н­ци­­а­ль­ной форме за­писывается в виде j=sE.

 

Участ­ки 2, 3 и 4 на рис. 3.6 соответствуют области силь­ных эле­кт­ри­чес­ких полей (E>106 В/м), при которых нару­шается про­пор­ци­о­наль­ность между плотностью тока в полупроводнике и напряженностью внешнего электрического поля Е за счет поя­в­ле­­­­ния избыточных носителей заряда, что ведет к ро­с­ту уде­ль­­ной про­водимости.

Причина здесь за­ключается в том, что в си­ль­ном внеш­нем элек­т­ри­ческом по­ле наблюдается иск­рив­ле­ние (на­к­лон) границ энергетичес­ких зон на зонной диаграмме по­лу­­про­во­д­ника, как это показано на рис. 3.7.

Наклон энер­ге­­ти­чес­ких зон происхо­дит благодаря тому, что в эле­к­т­ри­­ческом по­­ле эле­ктрон приобретает дополнительную потенциальную энергию qU=-qEx, за­ви­ся­щую от координаты х (рис. 3.7, а).

Двигаясь навстречу на­п­­равлению электрического по­ля, эле­к­т­рон меняет свою ко­ор­ди­на­ту х и энергию W, пе­ре­хо­дя в зоне с од­ного уровня на другой. На­­копленную энергию эле­­к­т­рон может по­терять при рассеянии, вер­­нувшись на более низ­кий энер­­­ге­ти­чес­кий уровень.

Электропроводность полупроводника на участке 2 (со­от­вет­ст­ву­­ющего напряженности электрического поля Е=106…107 В/м) уве­­личивается в результате роста концентрации носителей за счет про­­цесса термо­элек­т­­рон­ной ио­ни­зации. Впервые механизм тер­мо­­элек­трон­ной ио­ни­за­ции был рас­смотрен Я.И. Френкелем. Сущ­ность этого ме­ха­низма (на примере по­лу­про­­водника с элек­трон­ной про­во­ди­мо­стью) заключается в том, что вследствие наклона границ эне­р­­ге­ти­чес­ких зон  энергия ио­ни­за­­ции донор­ного уров­ня DWd снижается и становится равной =DWd-dW, где , a — постоянная. В результате уве­ли­­­чивается концентрация эле­ктронов  в зоне проводимости по­лу­­проводника. Концентрация носителей в зоне про­­во­ди­мости электрон­но­го полупроводника определяется вы­ра­же­­нием, аналогичным (2.21):

,              (3.17)

где .

Подставляя в формулу (3.17) значение dW, получим вы­ра­же­ние для концентрации носителей заряда  в полупроводнике, по­ме­­­щенном в сильное электрическое поле, в виде

,                                       (3.18)

где b=a/2.

Рост электропроводности полупроводника на участке 3 за­ви­си­мости ln s=f(Е) на рис. 3.6 (соответствующем диапазону напряжен­нос­­тей элек­трических полей Е=107…108 В/м) определяется двумя про­­цес­са­ми, связанными с еще большим наклоном границ эне­р­ге­­ти­чес­ких зон и приводящими к пробою полупроводника.

1. В полупроводнике наблюдается про­цесс электро­ста­­тической ионизации, связанный с тун­не­ли­ро­ва­ни­ем эле­к­тро­нов через узкий потенциальный барьер Dx0,01 мкм меж­ду кра­я­ми энергетических зон. Этот барьер появляется в результате на­клона энер­гетических зон под действием силь­­ного эле­ктри­чес­ко­го по­ля Е (рис. 3.7, б). При тун­нели­ро­ва­нии, являю­щем­ся кван­тово­­ме­ха­ни­ческим эффектом, электроны просачиваются сквозь уз­кий по­тен­­­циальный барьер без изменения эне­р­­­­гии, спо­­соб­­ст­вуя уве­­ли­че­нию концентрации носителей заряда как в зоне про­во­­­­ди­­мости, так и в ва­лент­ной зоне. Развитие процесса электро­ста­ти­чес­кой ио­низации ве­дет к туннельному пробою полупроводника. Тун­­нель­ный про­бой является обратимым процессом и после вы­клю­­че­­ния эле­кт­ри­чес­кого поля свойства полупроводника вос­ста­на­в­ли­ва­­ют­ся.

2. Процесс ударной ионизации, при котором электроны и дырки ускоряются на длине сво­бо­д­но­го про­бега в сильном элект­ри­чес­ком поле до энергии, спо­со­б­ной ио­ни­зировать атом примеси или основной атом по­лу­про­во­д­ни­ка, то есть разорвать одну из ковалентных связей. Процесс удар­ной ио­­низации приобретает ла­вин­ный характер и со­про­вож­да­ется раз­­­мно­же­ни­ем носителей за­ря­да, поскольку вновь соз­да­ва­емые эле­­­ктроны и дырки также ус­ко­ря­ют­ся электрическим по­лем. При этом значение тока в полупроводнике увеличивается со­г­ласно со­от­­ношению I=MIo, где Io— значение тока в полу­про­вод­ни­­ке при ма­лых на­пря­женностях электрического поля, Mкоэф­фи­­ци­ент удар­ной ио­ни­зации  (чис­­ло электронно-дырочных пар, образуе­мых носителем за­ря­да на еди­нице пути). Развитие процесса ударной ионизации при­во­дит к так на­зы­ва­е­мому лавинному пробою полупроводника. Ла­вин­ный пробой, так же, как и туннельный, яв­ля­ется обра­ти­мым про­цес­сом.

На участке 4 кривой рис. 3. 6, со­ответствующем на­пря­женности при­ло­жен­ного эле­ктрического поля E>108 В/м, про­­ис­­ходит тепловой эле­­ктри­чес­кий пробой, при­водящий к раз­ру­ше­нию материала по­лу­­­про­во­д­ни­ка. Процесс пробоя связан с воз­­ник­­­но­вением лавины но­­си­те­лей заряда за счет туннелирования или удар­­ной ио­ни­за­ции, сопровождаю­щи­ми­ся резким по­вы­ше­­­ни­­ем про­­­­­­водимости в шнуре во­­з­ни­ка­ю­щего тока. Это при­во­дит к вы­­­­де­­­­­лению большого ко­ли­че­­с­т­ва тепла и разрушению по­лу­­­­­про­во­д­­­ни­­­кового материала или полупроводникового при­бо­ра.

Процессы электростатической и удар­ной ионизации в об­рат­но-смещенном p-n переходе лежат в ос­но­­ве принципа дей­ст­вия по­­лу­про­во­д­ни­ко­вых стабилизаторов на­пряжения — ста­­би­ли­т­ро­нов.

Стабилитрон представляет собой по­лу­­про­­вод­ни­ко­вый ди­од с высоким со­п­ро­­ти­в­ле­нием базы. При подаче на такой ди­­од об­­­ра­тного напряжения смещения ве­­ли­чи­ной 3…9 В элект­ро­про­во­д­ность ди­ода всле­дствие тун­нель­но­го и ла­ви­н­­­­ного пробоя фи­к­си­ру­­ется на уров­не при­ло­женного на­­пря­­же­ния сме­ще­ния и не зависит от ве­ли­­чи­ны то­ка че­рез ста­би­ли­т­рон. Ти­пи­ч­ный график об­­­рат­ной ветви ВАХ  ста­би­ли­­трона по­ка­зан на рис. 3.8. Гра­ни­ч­­­ное значение про­би­в­­ного на­­пря­жения зависит от це­лого ряда вза­имо­связанных факторов (ширины запрещенной зо­ны, уровня ле­гирования n— и p-областей полупроводника и пр.).

 

Электрическое сопротивление полупроводников — Справочник химика 21

    Явление же уменьшения электрического сопротивления полупроводника под действием света получило назва- [c.167]

    Электрическое сопротивление полупроводников находится в пределах 10 —10 Ом-см и занимает промежуточное положение между сопротивлением хороших проводников (10″ Ом-см) и изоляторов (10 —10 Ом-см). В отличие от металлов, сопротивление полупроводников возрастает с ростом температуры. [c.192]

    Явление же уменьшения электрического сопротивления полупроводника под действием света называется внутренним фотоэффектом, а основанные на этом явлении приборы — фотосопротивлениями. [c.195]


    ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ [c.227]

    Определение удельного электрического сопротивления полупроводников и установление зависимости сопротивления от температуры [c.230]

    Еще одна интересная особенность — ширина запрещенной зоны, определяющая основные свойства полупроводника, в данном случае величина не постоянная, как у неорганических материалов, а переменная. Ею можно легко управлять. Например, можно получать различные производные полиацетилена, в которых водород замещается различными радикалами. Можно удлинять или укорачивать полимерные цепи. Можно по-разному укладывать полимерные молекулы в волокна и пленки, менять электрическое сопротивление в местах контакта между молекулами. [c.128]

    Особыми свойствами, отличающими их как от металлов, так и от изоляторов, обладают полупроводники. При низких температурах их электрическое сопротивление весьма велико и в этих условиях они проявляют свойства изоляторов. Однако при нагревании или при освещении электрическая проводимость полупроводников резко возрастает и может достигать величин, сравнимых с проводимостью металлов. [c.635]

    Оксиды металлов являются полупроводниками, т. е. веществами, электрическое сопротивление которых занимает промежуточное положение между электрическим сопротивлением металлов и диэлектриков и свойства которых (в частности, электропроводность) существенно зависят от температуры. При этом оксиды делятся на две группы  [c.20]

    Большая часть минералов и горных пород обладает низкой электрической проводимостью и, следовательно, высоким удельным электрическим сопротивлением р. В геофизике численное значение этой величины принято выражать для куба, ребро которого равно 1 м. Следовательно, размерность этой константы будет Ом м. Удельное сопротивление минералов колеблется от 10 до 10 Ом м. В зависимости от численного значения минералы условно разделяются на три группы проводники — р 10 Ом-м. [c.120]

    Резистивные стеклоэмали обладают повышенным удельным электрическим сопротивлением (на три порядка и более выше проводниковых) с нормированным значением температурного коэффициента благодаря применению в качестве наполнителя полупроводников и полуметаллов. Их применяют в составе рисунка печатных микроузлов для всего диапазона номиналов резисторов, применяемых в РЭА. [c.57]

    Теллур как элементарное вещество в обычных условиях представлен только одной формой. На рис. 3.2 показана форма, по структуре аналогичная серому селену межатомное расстояние Те—Те 2,835 А, валентный угол 103,2°, вещество является полупроводником, однако по сравнению с селеном обладает гораздо меньшей величиной электрического сопротивления. При нагревании под давлением свыше 70 кбар образуется аллотропная модификация, соответствующая металлическому состоянию р-формы полония и принадлежащая к ромбоэдрической структурной системе. В газовой фазе устойчивыми являются формы Тег и Те, обладающие парамагнитными свойствами. [c.107]


    Принцип получения информации о температуре ОК основан на температурной зависимости электрического сопротивления материалов. Указанным свойством обладают многое материалы, при этом наиболее широкое применение в практике НК оно нашло при измерении и контроле температуры металлов, полупроводников и электролитов. [c.551]

    Электрические свойства [1]. Электрическое сопротивление углей сильно зависит от влажности, температуры, химического состава и наличия минеральных компонентов. В целом угли являются полупроводниками. Удельное электрическое сопротивление для бурых и каменных углей составляет 10 — 10 ° Ом-см, для антрацитов 5-10 —2-10 Ом-см. Минималь- [c.52]

    Чувствительную область детектора, т. е. область, в которой существует электрическое поле, можно увеличить, приложив к переходу обратное смещение. Если к и-области присоединить плюс источника напряжения, а к /7-области — минус , то свободные заряды перемещаются в направлении от перехода. В результате чувствительный объем детектора увеличивается (рис. 6.2.7), а емкость перехода уменьшается. Темновой ток в этом случае обусловлен неосновными носителями заряда (электронами и дырками). Концентрация неосновных носителей может быть на несколько порядков меньше концентрации собственных носителей. Поэтому ток, обусловленный тепловой генерацией носителей в области р—и-перехода, оказывается на несколько порядков меньше тока той же природы в собственном полупроводнике. Почти полное отсутствие свободных носителей в обедненной области означает, что удельное сопротивление полупроводника в ней гораздо больше удельного сопротивления материала вне перехода. Ширину чувствительной области можно увеличить не только за счет приложенного обратного смещения, но и вводя между р- и и-областями полупроводник с собственной проводимостью. В этом случае образуется так называемая р—/— и-структура. [c.86]

    Термометры сопротивления изготовляют из металлов, которые при изменении температуры заметно меняют свое электрическое сопротивление. В качестве материала для промышленных термометров сопротивления обычно используют платину, медь или никель. Однако способность изменять сопротивление в зависимости от температуры присуща также и полупроводникам вполне возможно, что по мере усовершенствования полупроводниковых материалов они найдут широкое применение в термометрах сопротивления. [c.384]

    Тип детектора также определяется природой и интенсивностью излучения, проходящего через ячейку с образцом. Например, для ионизирующего излучения, такого, как рентгеновские лучи, подходящими детекторами являются счетчики Гейгера, пропорциональные или сцинтилляционные счетчики. Излучение низкой частоты (т. е. инфракрасное) регистрируют главным образом по вызываемому им тепловому эффекту поэтому основным элементом детектора для этого случая обычно служит чувствительная термопара или термосопротивление. В ячейках, которые широко используются для регистрации близкого инфракрасного излучения (длина волны от 0,8 до 3 мкм), чувствительным элементом является полупроводник (например, сульфид свинца, теллурид свинца или германий). При воздействии подобного облучения электроны в полупроводнике переходят в зону проводимости, и его электрическое сопротивление падает. Электрический ток, который протекает через полупроводник при наложении некоторого потенциала, является мерой интенсивности падающего излучения. [c.122]

    Примеси специально вводятся в кремний и германий для создания полупроводниковых свойств. То, что кремний и германий не являются проводниками электричества, может быть объяснено с помощью зонной теории металлов (см. стр. 237). Все валентные электроны в этих кристаллах находятся в полностью заполненной зоне, и между этой и следующей зоной (пустой) имеется энергетическая щель, которая не может быть преодолена обычным путем. При повышении температуры увеличивается число электронов, обладающих избытком энергии, достаточным для перехода через щель в следующую зону, и, поскольку эта зона почти полностью пустая, такие электроны могут двигаться при наложении электрического потенциала. Сопротивление полупроводника в отличие от металла убывает при повышении температуры. Полу-проводимость кремния и германия значительно возрастает при специальном введении примесных атомов из групп П1 или V. Эти атомы, вероятно, не занимают положения в [c.260]

    Полупроводниковые термосопротивления основаны на свойстве полупроводников уменьшать электрическое сопротивление при увеличении температуры. [c.30]

    Термометры сопротивления из полупроводников или термисторы отличаются тем, что электрическое сопротивление их уменьшается с повышением температуры. [c.165]

    Тепловые приемники. Принцип действия болометра основан на изменении электрического сопротивления полупроводника или металла при нагреве чувствительного элемента поглощенным тепловым излучением. Исторически болометры были одними из первых видов ИК детекторов, однако их применение в тепловизорах в течение длительного времени сдерживалось их значительной инерционностью. В конце ХХ-го века появились малоинерционные микроболометрические (ферроэлектрические) матрицы, на основе которых были созданы неохлаждаемые матричные тепловизоры, получившие в настоящее время большое распространение. [c.211]


    Карбин впервые был получен синтетически, но позднее обнаружен и в природе. Это черный мелкокристаллический порошок, относящийся к наиболее стабильной форме углерода. По электрическим свойствам карбин является полупроводником, его электрическое сопротивление при облучении светом резко уменьшается. Различают а-карбин и /3-карбин. Первая аллотропная модификация карбина представляет собой линейную полимерную цепь из ацетиленовых фрагментов (полиин)  [c.407]

    По электрическим свойствам материалы делятся на диэлектрики, полупроводники, проводники и сверхпроводники. Они отличаются друг от друга по величине удельного электрического сопротивления, характеру изменения его в зависимости от температуры и по механизму проводилюсти. [c.634]

    Полупроводники характеризуются удельным электрическим сопротивлением от 10 до 10 Ом-м. К полупроводникам относятся простые вещества, находящиеся при условиях, близких к нормальным, в твердом состоянии В, С, 81, Се, 8п, Р, Аз, 8Ь, 8, 8е, Те, I. Полупроводниками являются многие бинарные соединения оксиды (2пО, РеО), сульфиды (2п8, Стакже сложные соединения. Наиболее распространенные бинарные соединения полупроводников можно определить по простому правилу — это должны быть соединения по числу валентных электронов изоэлектронные бинарному соединению из атомов IV главной подгруппы. То есть это соединения элементов только четвертой, третьей и пятой, второй и шестой групп периодической системы. Ширина запрещенной зоны в полупроводниках изменяется от 0,08 эВ (у металла Зп) до 5,31 эВ (у неметалла С(алмаз))- [c.635]

    Однако реальные полупроводники всегда имеют примеси, которые существенно влияют на характер электрической проводимости, в этом случае называемой примесной. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорные примеси имеют на валентной электронной оболочке большее число электронов, чем их число на валентной электронной оболочке атома основного элемента полупроводника. Например, примеси атомов элементов V или VI главных подгрупп периодической системы в кристаллической решетке кремния (IV главная подгруппа) будут донорными. В зонной структуре полупроводника появляются дополнительные электроны проводимости. Если атом примеси содержит меньше валентных электронов, чем атом основного элемента, то полупроводник содержит в валентной зоне дополнительные свободные МО, на которые могут переходить валентные электроны. Такие примеси называются акцепторными, они приводят к появлению дополнительных дырок проводимости. По отношению к кремнию такими примесями будут элементы III главной подгруппы. Полупроводники с преобладающим содержанием донорных примесей называются полупроводниками с электронной проводимостью или п-типа. Если же преобладают примеси акцепторные, то полупроводники называются полупроводниками с дырочной проводимостью или р-типа. Для получения примесных полупроводников полупроводники, полученные специальными кристаллофизическими методами в сверхчистом состоянии, легируются элементами акцепторами или донорами электронов в микродозах, не превышающих 10 %. Примеси резко изменяют собственную электрическую проводимость полупроводников, поскольку количество носителей заряда, поставляемых ими обычно больше, чем их число в чистом полу-прово,цнике. Так, чистый кремний имеет удельное электрическое сопротивление электронной проводимости около 150-10 Ом-м, дырочной проводимости в.4 раза, электронной проводимости после легирования фосфором и дырочной проводимости после легирования бором — в 20 раз меньше. [c.636]

    Сульфид таллия, обладающий свойствами полупроводников, применяют в радиотехнике. Электрическое сопротивление в нем уменьшается с повышением интенсивности падающего света. В последнее время стали использовать весьма чувствительные сернистоталлиевые фотоэлементы (ФЭСТ). Полупроводниковый слой в них создается из смеси сульфида таллия с теллуром, наносимой путем возгонки в вакууме на железную пластинку. Сернисто-таллиевые фотоэлементы восприимчивы не только к видимым лучам, но и к невидимым инфракрасным лучам, источником которых является любой нагретый предмет. [c.189]

    Измерение больших импульсных мощностей в технике сверхвысоких частот — сложная проблема. Речь идет о сотнях тысяч и даже миллионах ватт. Обычные калориметрические измерения неудобны вся измеряемая мощность поглощается приборами. Это значит, что СВЧ генератор временно отключается от полезной нагрузки. Кроме того, калориметрические измерения в силу своей индукционности сообщают данные о средней, а не о импульсной мощности. Этих недостатков лишен вышеупомянутый прибор. Принцип его действия прост. В волноводе, по которому распространяется большая сверхвысокая мощность, создается сильное электрическое поле. Если в электрическом поле поместить полупроводник (германий, кремний или полупроводниковое соединение), то в результате безынерционного разогрева электронов сопротивление полупроводника изменится на вполне определенную величину. По ней можно точно судить о напряженности поля, а следовательно, и о СВЧ мощности. Прибор на горячих электронах в отличие от калориметрического позволяет производить замеры мощности при работе генератора на полезную нагрузку. [c.520]

    Фотопроводяш,ие детекторы — это твердые детекторы, известные как полупроводники, электрическое сопротивление которых при облучении (освещении) существенно уменьшается. [c.178]

    Электрические свойства углей определяются проводимостью ими электрического тока. Ископаемые угли могут быть отнесены к полупроводникам. Удельное электрическое сопротивление каменных углей и антрацитов, определенное для порошка, при комнатной температуре и атмосферном давлении составляет для углей средней стадии метаморфизма Ю —2 10 Ом см, для антрацитов 5.10 —2 ЮЮм см. На проводимость угля сушественное влияние оказывают температура, химический состав примесей, гифоскопич-носгь и другие факторы. Начиная со 100 С сопротивление угля резко падает. При 900 С сопротивление составляет 4—5 Ом см. [c.27]

    Электропроводность к — величина, обратная электрическому сопротивлению, — характеризует способность материала проводить электрический ток. Для ненаполненных полимеров, в том числе эластомеров, значения лг = // / с1Еэ (где I — сила тока, Еэ — напряженность приложенного электрического поля) весьма малы и близки к значениям к для диэлектриков [30]. Наряду со способностью к поляризации в электрическом поле это свидетельствует о принадлежности полимеров к классу диэлектриков, т.е. об отсутствии у них свободных электронов. В последние годы для создания полимерных изделий, обладающих высокой проводимостью и выполняющих роль полупроводников, нашли широкое применение материалы, способные длительно сохранять заряд на поверхности после электризации, так называемые электреты. [c.551]

    Термопреобразователи сопротивления. Принцип действия термопреобразователей сопротивления основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры. Известно, что сопротивление проводника или полупроводника, по которому протекает электрический ток, изменяется в зависимости от температуры. При этом электрический ток также изменяет свое значение. При повышении температуры сопротивление в проводниках увеличивается, а в полупроводниках уменьшается. Это свойство и используется в термопреобразователях сопротивления. В проводниковых термопреобразователях сопротивления зависимость изменения сопротивления от температуры близка к линейной, в полупроводниковых эта зависимость нелинейна. [c.315]

    Элементы, располагающиеся в периодической таблице правее и ниже бора, находящегося в подгруппе 1ПБ, другими словами, невдалеке от линии,, проходящей через 3, ЗЬ, Те, дают простые вещества, обладающие как металлическим, так и неметаллическим характером. Их полиморфизм (разнообразие форм) иллюстрирует рис. 3.3. В качестве критерия метал-личиости или неметалличности могут быть.выбраны самые разнообразные свойства, однако наиболее однозначным показателем является легкость протекания электрического тока, или электропроводность. Помимо величины электрического сопротивления следует учитывать также и температурный коэффициент сопротивления. Кристаллы, которые проявляют нормальную металлическую проводимость (повышение сопротивления с увеличением температуры), на рисунке помечены буквой М (металлический характер). Кристаллы, у которых с повышением температуры электрическое сопротивление уменьшается, являются полупроводниками, и их можно рассматривать как особый случай изоляторов, в которых неметаллические свой- [c.100]

    Селен, теллур, полоний. Селен устойчив в виде аллотропном модификации серого цвета, расстояние Se—Se 2,37 А, валентный угол 103°, в целом структура представляет собой агрегат из компактно сложенных спиралеобразных цепей (рис. 3.2). Сточки зрения электрического сопротивления это вещество является полупроводником с ззмечательны.ми свойствами (разд. 7 настоящей главы). При облучении светом его электропроводность возрастает, поэтому селен используют в фотоэлементах и солнечных батареях. Помимо этой формы известна модификация, напоминающая ромбическую серу и имеющая в основе циклическую структуру Ses (расстояние Se—Se 2,34 А, валентный угол 105°), существующую в двух аллотропных разновидностях а- и 3-формы. Обе они красного цвета, относятся к моноклинной сингонии и во всех отношениях проявляют свойства неметаллов, причем, будучи нагреты до 75 °С, превращаются в стабильную форму. Пары селена парамагнитны и состоят из молекул Se2 и Se. [c.107]

    Тензорезистивный эффект (тен-зоэффект) Свойство проводников и полупроводников изменять электрическое сопротивление при объемном или линейном деформировании [c.556]

    Ряд авторов [23, 24, 51, 53] при измерении разницы в температурах кипения раствора И растворителя в качестве термочувствительного элемента используют термистры (полупроводники), так как при работе они ие дают побочных электрических эффектов, имеющих место, когда применяются термопары. Кроме того, при незначительном изменении температуры очень резко изменяется сопротивление полупроводников. Чувствительность приборов, в которых в качестве термоизмерительного устройства служат термистры, также высока. Так, чувствительность прибора, применяемого Лерне и Майори [24, 53], [c.227]

    Поскольку полупроводники других химических типов являются типичными катализаторами окислительно-восстаповительпого типа, мы опробовали Ое как катализатор модельных реакций этого типа. В опытах использовался порошок Ое, полученный дроблением монокристалличе-ских образцов с удельным электрическим сопротивлением 5—10 ом-см (в ряде опытов использовалась пленка Ое, полученная напылением в вакууме или пиролизом ОеН4). Исследование каталитических свойств проводилось в статических условиях в кварцевом реакторе, соединенном с вакуумной системой. [c.103]

    Карбид кремния не разлагается под действием кислот, за исключением фосфорной и смеси азотной и плавиковой, но легко разлагается под действием расплавленных щелочей, железа, меди. Сера и водяной пар разлагают карбид кремния при температурах свыше 1000° С. На воздухе медленное окисление начинается с 870° С при повышении температуры скорость окисления возрастает. По электрическим свойствам карбид кремния относится к полупроводникам. Удельное электрическое сопротивление внутри кристаллов 51С лежит в пределах от 1 до до 10 ом-см, суммарное удельное сопротивление кристаллов, с учетом сопротивления поверхностного слоя имеет нелинейный характер при больших плотностях тока (около 10 а/см ) суммарное удельное сопротивление составляет около 10 ом-см, при малых плотностях тока (порядка 10 а1см ) оно возрастает до 10 ом-см и более. [c.154]

    Полупроводники. Твердые тела, которые по величине электрического сопротивления при комнатной температуре расположены между проводниками и изоляторами. При тепловом возбуждении полупроводников выше определенной температуры концентрация носителей электрического заряда увеличивается с повышением температуры. Чистые полупроводники, которые не содержат примесей, называются собственными полупроводниками полупроводники, электрические свойства которых зависят от примесей, называются несобственными. Несобственные полупроводники, имеюш,ие избыток носителей с отрицательными зарядами (электроны), называются иолуприводника.ми /мина иолуироводники, имеюш,ие избыток носителей положительного заряда (дырки), называются полупроводниками р-типа. [c.95]


Физика — 11

ИССЛЕДОВАНИЕ 1

Выясните различия веществ по их электропроводности.

Задача 1. Перенесите таблицу в рабочие листки и, описав свойства веществ по их электропроводности, завершите её.
Вещество Образец Носители заряда Удельное сопротивление при нагревании:
Металлы
Растворы электролитов
Полупроводники
Диэлектрики

Обсуждение результата:

  • Каких носителей зарядов будет больше в чистом полупроводнике без примесей при увеличении его температуры? Почему?
  • Какие изменения происходят в электропроводности полупроводника при добавлении примеси?

Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников. Полупроводниками являются вещества, удельное сопротивление которых при комнатной температуре находится в широком диапазоне: 10-3÷ 107Oм • м. Это больше удельного сопротивления металлов (10-8÷ 10-6Oм • м) и меньше удельного сопротивления диэлектриков (1010÷ 1016Oм • м). При температуре, близкой к абсолютному нулю, удельное сопротивление полупроводника очень велико, с ростом температуры оно уменьшается (a). Причина этого заключается в физико-химических свойствах полупроводников. Рассмотрим их.

Полупроводники составляют компактную группу в периодической системе химических элементов (в основном элементы IV ÷ VI групп). Наиболее широко используемыми в науке и технике полупроводниками являются германий и кремний. Эти элементы обладают 4-мя

валентными электронами. Поэтому в кристалле каждый атом образует 4 ковалентные связи с соседними атомами. Электронные оболочки ближайших атомов, перекрывая друг друга, образуют парно-электронную связь (b).

В полупроводниковом кристалле такие связи достаточно прочны и при низких температурах, можно сказать, свободные электроны в полупроводниках не образуются. Это значит, что при низких температурах удельное сопротивление полупроводников огромно и они не проводят электрический ток. Когда полупроводниковый кристалл подвергается таким внешним воздействиям, как нагревание, облучение или др., кинетическая энергия валентных электронов может достигнуть значений, при которых они, разрывая связь, покидают атом — становятся свободными. В результате в месте разрыва химической связи (кристаллической решетки полупроводника) нарушается электрическая нейтральность — в месте, которое покинул электрон, образуется избыток положительного электрического заряда. Оставленное электроном пустым вакантное место в химической связи называется дыркой. Дырка ведет себя как положительный заряд, равный по модулю заряду электрона.

Освобожденное электроном вакантное место занимает валентный электрон соседнего атома, восстанавливая нейтральность этого места.

Как зависит удельное сопротивление полупроводников от температуры

1. Электрический ток в полупроводниках

Полупроводниками называют вещества, удельное сопротивление которых во много раз меньше, чем у диэлектриков, о намного больше, чем у металлов. Наиболее широко в качестве полупроводников используют кремний и германий.

Главная особенность полупроводников – зависимость их дельного сопротивления от внешних условий (температуры, освещенности, электрического поля) и от наличия примесей. В 20-м веке ученые и инженеры начали использовать эту особенность полупроводников для создания чрезвычайно миниатюрных сложных приборов с автоматизированным управлением – например, компьютеров, мобильных телефонов, бытовой техники.

Быстродействие компьютеров примерно за полвека их существования увеличилось в миллионы раз. Если бы за этот же промежуток времени скорость автомобилей увеличилась тоже миллионы раз, то они мчались бы сегодня со скоростью, приближающейся к скорости света!

Если бы в одно (далеко не прекрасное!) мгновение полупроводники «отказались от работы», то сразу погасли бы экраны компьютеров и телевизоров, замолчали бы мобильные телефоны, а искусственные спутники потеряли бы управление. Остановились бы тысячи производств, потерпели бы аварии самолеты и корабли, а также миллионы автомобилей.

Носители заряда в полупроводниках

Электронная проводимость. В полупроводниках валентные электроны «принадлежат» двум соседним атомам. Например, в кристалле кремния у каждой пары атомов-соседей есть два «общих» электрона. Схематически это изображено на рисунке 60.1 (здесь изображены только валентные электроны).

Связь электронов с атомами в полупроводниках слабее, чем в диэлектриках. Поэтому даже при комнатной температуре тепловой энергии некоторых валентных электронов достаточно для того, чтобы они оторвались от своей пары атомов, став электронами проводимости. Так в полупроводнике возникают отрицательные носители заряда.

Проводимость полупроводника, обусловленную перемещением свободных электронов, называют электронной.

Дырочная проводимость. Когда валентный электрон становится электроном проводимости, он освобождает место, в котором возникает нескомпенсированный положительный заряд. Это место называют дыркой. Дырке соответствует положительный заряд, равный по модулю заряду электрона.

Если на это освободившееся место перейдет валентный электрон одного из соседних атомов, то дырка переместится к тому атому, который был покинут валентным электроном. Поэтому перемещение валентных электронов на освободившиеся места можно рассматривать как движение положительных носителей заряда – дырок (рис. 60.2).

Проводимость полупроводника, обусловленную перемещением дырок, называют дырочной.

Когда нет внешнего электрического поля, свободные электроны и дырки движутся хаотично, и поэтому тока в полупроводнике нет. Если же поместить полупроводник в электрическое поле, то под действием этого поля свободные электроны начнут двигаться в одну сторону, а дырки – в противоположную.

? 1. Объясните, почему направление тока, обусловленное движением свободных электронов, совладает с направлением тока, обусловленного движением дырок, хотя электроны и дырки движутся в противоположных направлениях.

Свободный электрон может занять одно из свободных мест, уничтожив при атом дырку. Такое взаимное уничтожение свободного электрона и дырки называют рекомбинацией.

Если в полупроводнике нет примесей, то число свободных электронов в образце равно числу дырок, так как появление каждого свободного электрона сопровождается появлением дырки. Проводимость полупроводника, обусловленную равным числом свободных электронов и дырок, называют собственной проводимостью.

Зависимость сопротивление полупроводников от температуры и освещенности

При повышении температуры число валентных электронов, имеющих энергию, достаточную для того, чтобы оставить вон атомы и стать свободными электронами, быстро увеличивается. Увеличивается соответственно и число дырок. Вследствие увеличения свободных зарядов удельное сопротивление полупроводника при повышении температуры уменьшается.

На рисунке 60.3 приведен график зависимости удельного сопротивления полупроводника от температуры.

Валентные электроны в полупроводниках могут «обрести свободу», став свободными электронами, не только вследствие повышения температуры, но и под действием света. Поэтому увеличение освещенности также уменьшает сопротивление полупроводника.

Терморезисторы (термисторы). Сильную зависимость сопротивления полупроводников от температуры используют для создания датчиков температуры, которые называют терморезисторами или, сокращенно, термисторами. Термисторы используют для создания сигнализации (например, противопожарной), дистанционного наблюдения за технологическими процессами.

Фоторезисторы. Зависимость сопротивления полупроводников от освещенности используют для создания фоторезисторов. Фоторезисторы применяют, например, в турникетах метро и в устройствах, которые защищают от травм на производстве.

Примесная проводимость полупроводников

Соотношение между количеством электронов проводимости и количеством дырок можно изменять, добавляя в полупроводник небольшие количества различных примесей (например, в процессе выращивания кристалла полупроводника из расплава).

Донорные примеси. Добавим в кристалл, состоящий из четырехвалентных атомов кремния, некоторое количество пятивалентных атомов мышьяка.

При этом один из валентных электронов каждого атома мышьяка окажется «лишним» и потому станет свободным электроном (рис. 60.4).

Примеси, атомы которых легко отдают свои валентные электроны, называют донорными. Полупроводники, в которых основными носителями заряда являются свободные электроны, называют полупроводниками n-типа.

Акцепторные примеси. Добавим теперь в кристалл кремния трехвалентные атомы алюминия.

Так как у атома алюминия есть только три валентных электрона, он будет прочно связан только с тремя атомами кремня, а четвертая связь останется незаполненной, Эту связь может заполнить валентный электрон, ушедший от одного из соседних томов кремния. Тогда на месте ушедшего валентного электрона образуется нескомпенсированный положительный заряд, то есть дырка (рис. 60.5). Итак, каждый том алюминия увеличивает количество дырок на единицу.

Примеси, которые увеличивают количество дырок, называют акцепторными. Полупроводники, в которых основные носители заряда – дырки, называют полупроводниками p-типа.

? 2. Определите с помощью таблицы Менделеева, какие из перечисленных химических элементов (индий, сурьма, фосфор, скандий, галлий) надо добавить в качестве примеси в кремний, чтобы получить полупроводник n-типа; p-типа.

Полупроводниковый диод

Рассмотрим явления, происходящие на границе раздела полупроводников n-типа и p-типа. Ее называют электронно-дырочным переходом (сокращенно n-p-переходом).

В полупроводнике n-типа концентрация свободных электронов намного больше, чем в полупроводнике p-типа. Поэтому следствие диффузии свободные электроны будут проникать в полупроводник p-типа и рекомбинировать там с дырками.

По той же причине (вследствие диффузии) дырки будут проникать в полупроводник n-типа и рекомбинировать там со свободными электронами.

В результате пограничный слой обедняется основными носителями заряда, и его сопротивление становится очень большим. Поэтому этот слой называют запирающим. На рисунке 60.6 он обведен пунктиром.

Подключим теперь полупроводник p-типа к положительному полюсу источника тока, а полупроводник n-типа – к отрицательному (рис. 60.7). На рисунке для наглядности показаны только свободные заряды, находящиеся вблизи границы раздела.

Со стороны внешнего электрического поля на дырки и свободные электроны будут действовать силы, направленные и границе раздела. Запирающий слой разрушится: дырки и свободные электроны начнут двигаться навстречу друг другу и на границе раздела рекомбинировать. При этом через границу раздела полупроводников будет идти тон. Такое подключение называют прямым.

Изменим полярность подключения источника тока (рис. 60.8). Теперь силы, действующие на свободные электроны и дырки со стороны внешнего электрического поля, направлены от границы раздела. Поэтому дырки и свободные электроны будут удаляться от границы. Запирающий слой будет расширяться, а его сопротивление будет увеличиваться. В этом случае сила тока через границу раздела полупроводников будет очень малой. Такое подключение называют обратным.

Итак, n-p-переход имеет одностороннюю проводимость: практически электрический ток может течь через него только от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа.

Устройство с односторонней проводимостью, обусловленной n-p-переходом, называют полупроводниковым диодом. На рисунке 60.9 приведена вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

Мы видим, что при обратном подключении (пунктирная линия) сила тока намного меньше, чем при прямом.

На электрических схемах диод обозначают одним из способов, показанных на рисунке 60.10. Упирающаяся в отрезок стрела показывает направление тока через диод при прямом подключении.

На рисунке 60.11 показана простейшая электрическая схема с прямым подключением диода, а на рисунке 60.12 – с обратным.

? 3. На рисунке 60.13 изображена схема электрической цепи с двумя диодами. К точкам А и В подключают полюса источника тока с ЭДС, равной 12 В, и внутренним сопротивлением 2 Ом. Сопротивления резисторов R1 = 2 Ом, R2 = 4 Ом.

а) Через какой резистор пойдет ток, если к точке А подключить: отрицательный полюс источника тока? положительный?
б) Чему будет равно сопротивление всей цепи при одном и другом способе подключения?
в) Чему будет равна сила тока и мощность тока в резисторе при одном и другом способе подключения?

3. Транзистор

Транзистор состоит из трех слоев полупроводников: по краям находятся полупроводники одного типа, а между ними – очень тонкая прослойка полупроводника другого типа. На рисунке 60.14 изображен p-n-p-транзистор. Две крайние области транзистора называют эмиттером и коллектором, а среднюю область – базой.

В p-n-p-транзисторе основными носителями заряда в эмиттере и базе являются дырки. В базе же основные носители заряда – электроны, но ее делают настолько тонкой (несколько микрон), а концентрацию электронов в ней настолько малой, что практически все дырки проходят с эмиттера в коллектор сквозь базу.

Переход между эмиттером и базой делают прямым, и поэтому дырки с эмиттера диффундируют в базу, а сквозь нее в коллектор. Однако число дырок, которые прошли сквозь базу (а следовательно, и сила тока через коллектор), существенно зависит от напряжения между эмиттером и базой: чем сильнее база притягивает дырки, тем большее их число пройдет сквозь нее.

Благодаря этому малые изменения напряжения между эмиттером и базой вызывают синхронные, только во много раз большие изменения напряжения на нагрузке (резисторе R), включенной в цепь коллектора.

Таким образом, транзистор можно использовать для усиления электрических сигналов: изменяя напряжение между базой и эмиттером на сотые доли вольта, можно изменять напряжение между эмиттером и коллектором на десятки вольт. Это позволяет, например, преобразовывать чрезвычайно слабые сигналы в антеннах радиоприемников и мобильных телефонов в электрический ток, питающий динамики или наушники.

Интегральные схемы

Мы рассмотрели лишь простейшие полупроводниковые приборы – диод и транзистор.

Они являются «кирпичиками» очень сложных устройств, которые называют интегральными схемами. Такие схемы «работают» сегодня в компьютерах и телевизорах, мобильных телефонах и искусственных спутниках, автомобилях, самолетах и даже в стиральных машинах.

Обычно интегральную схему формируют на пластинке кристалла кремния, выращенного специальным способом. Такую пластинку с интегральной схемой часто называют чипом.

Фотографии некоторых чипов приведены на рисунке 60.15 рядом с линейкой, чтобы вы смогли представить их размеры. Важными преимуществами интегральных схем являются высокое быстродействие и надежность, а также дешевизна. Именно благодаря этим качествам на основе интегральных схем и удалось создать сложные, но доступные приборы, компьютеры и предметы современной бытовой техники.

4. Электрический ток в жидкостях и газах

Электрический ток в жидкостях. Как мы уже говорили, носителями электрических зарядов в электролитах (жидких проводниках) являются положительные и отрицательные ионы. При прохождении тока через электролит происходит электролиз – на электродах выделяются различные вещества.

Например, с помощью электролиза можно покрывать металлические изделия очень тонким слоем другого металла. Явление электролиза и его законы были открыты английским ученым Майклом Фарадеем. Вы изучаете их в курсе химии.

Электрический ток в газах. Носителями электрических зарядов в газах являются ионы и электроны. Существуют разные виды газовых разрядов. Например, в результате коронного разряда на металлических остриях (например, мачтах кораблей) перед грозой возникает свечение, которое называли «огнями святого Эльма» (рис. 60.16).

Примерами искрового разряда являются молнии.

Тлеющий разряд (рис. 60.17) используют в люминесцентных лампах (в том числе в энергосберегающих) и в рекламе.

Дуговой разряд (рис. 60.18) используют для создания мощных источников света и для получения высоких температур (например, при дуговой электросварке).

Дополнительные вопросы и задания

4. На рисунке 60.19 изображена схема электрической цепи с несколькими резисторами и диодами. Все резисторы имеют одинаковое сопротивление r, равное внутреннему сопротивлению источника тока. ЭДС источника тока ξ. Примите, что сопротивлением диода при прямом подключении можно пренебречь, а его сопротивление при обратном подключении считайте бесконечно большим.

а) Перенесите чертеж в тетрадь и укажите на нем цветными стрелками направление электрического тока в каждом элементе цепи.
б) Чему равно сопротивление всей цепи?
в) Чему равна мощность, выделяющаяся во внешней цепи?
г) Чему равен КПД источника?
д) Выполните задания а) – г) при другой полярности подключения того же источника тока.

Полупроводники. Их виды. Электрический ток в полупроводниках. Виды полупроводников. Собственная и примесная проводимость. Р- n переход.

Зависимость электропроводности полупроводников от температуры и освещенности.

По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает (см. рис. 3.3.2). У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами

Рисунок 3.3.2. Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T.

Такой ход зависимости ρ(T) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.

Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рис. 3.3.2.1). Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

Рисунок 3.3.2.1 Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок». Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов:

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).

Рисунок 3.3.2.2 Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа.

На рис. 3.3.2.2 показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорской примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле nn >> np. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.

Рисунок 3.3.2.3 Атом индия в решетке германия. Полупроводник p-типа.

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рис. 3.3.2.3 показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np >> nn. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.

Для полупроводников n— и p-типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.

В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или np-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (nn >> np). В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (np >> nn). При контакте двух полупроводников n— и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой.

Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 3.3.2.4). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p— и n-областями запирающее напряжение Uз, приблизительно равное 0,35 В для германиевых np-переходов и 0,6 В для кремниевых.

np-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Рисунок 3.3.2.4 Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p— и n-типов.

Если полупроводник с np-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от np-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через np-переход практически не идет. Напряжение, поданное на np-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.

Если np-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать np-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через np-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность np-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 3.3.2.5

Рисунок 3.3.2.5 Вольт-амперная характеристика кремниевого диода. На графике использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений.

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными диодами – малые размеры, длительный срок службы, механическая прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя np-переходами называются транзисторами. Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: pnp-транзисторы и npn-транзисторы. Например, германиевый транзистор pnp-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью (рис. 3.3.2.6). В транзисторе npn-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа (рис. 3.3.2.7).

Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях разных структур стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.

Рисунок 3.3.2.6 Транзистор структуры pnp.
Рисунок 3.3.2.7 Транзистор структуры npn.

Оба np-перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рис. 3.3.2.8 показано включение в цепь транзистора pnp-структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).

Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.

Рисунок 3.3.2.8 Включение в цепь транзистора pnp-структуры.

При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток Iэ. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, np-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток Iк. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.

Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 1.14.5), то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.

Однако, такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера Iэ. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы Iб = IэIк. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят исключительно широкое применение в радиоэлектронике. Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т. д. – размером в несколько микрометров. Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Как то на паре, один преподаватель сказал, когда лекция заканчивалась — это был конец пары: «Что-то тут концом пахнет». 8421 — | 8038 — или читать все.

В полупроводниках с концентрацией электрически активной примеси до 10 17 см -3 степень заполнения энергетических уровней электронами в зоне проводимости или дырками в валентной зоне низка (невырожденный электронный газ). Поэтому все свободные носители беспрепятственно изменяют свою энергию под действием электрического поля и дают вклад в электропроводность.

Температурная зависимость удельной проводимости в полупроводниках обусловлена изменением концентрации носителей заряда (электронов и дырок). Изменение длины свободного пробега оказывается на много порядков меньше и им можно пренебречь. Концентрация носителей заряда в полупроводнике зависит не только от температуры, а и от количества и типа примеси в нем. Рассмотрим три типа полупроводников:

Собственный полупроводникне содержит посторонних примесей. Его энергетическая схема представлена на рис. 7. Благодаря тепловому хаотическому движению при температурах больше нуля часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости, и становятся свободными. В валентной зоне образуются свободные от электронов места, которые могут двигаться под действием электрического тока как частицы с положительным зарядом (дырки). Число свободных электронов строго равно числу дырок.

Рис 7. Энергетическая схема собственного полупроводника

Концентрация электронов и дырок зависит от температуры по экспоненциальному закону:

, (24)

где DEg – ширина запрещенной зоны; k – постоянная Больцмана; Т – температура по шкале Кельвина; А – множитель, который можно считать постоянным, поскольку он слабо зависит от температуры по сравнению с экспонентой (A

T 3/2 ). По такому же закону изменяется с температурой и удельная электропроводность. Зависимость натурального логарифма удельной электропроводности от обратной температуры представляет собой прямую линию (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость натурального логарифма удельной электропроводности от обратной температуры для собственного полупроводника

Полупроводник n-типасодержит примесь, атомы которой имеют валентных электронов на один больше чем полупроводник. Например, кремний, основной материал современной микроэлектроники, имеет 4 валентных электрона, а элементы 5 группы литий, фосфор, сурьма, мышьяк – 5. Четыре электрона примеси осуществляют валентные связи в кристалле, а пятый электрон имеет слабую связь с атомом и может легко перейти в зону проводимости за счет энергии теплового движения (рис.9). Этот процесс называется термической ионизацией примеси. Величина DEd называется энергией ионизации донора. В результате электрический ток в полупроводнике n-типа определяется отрицательными зарядами (электронами). Такая примесь называется донорной. Обычно d – сравнима и даже меньше энергии хаотического движения частиц при комнатной температуре (кТ), поэтому все доноры ионизованы. Такой полупроводник имеет ярко выраженный электронный тип проводимости.

Рис. 9. Энергетическая схема полупроводника п-типа.

Зависимость концентрации носителей заряда от обратной температуры в полупроводнике n-типа представлена на рис. 10. Термическая ионизация атомов доноров происходит постепенно, в широкой области температур. Температура, при которой все атомы примеси становятся ионизованными, называется температурой истощения примеси. Область температур называется областью ионизации примеси. Если ,концентрация электронов остаётся постоянной и равной концентрации атомов донорной примеси. Это выполняется вплоть до температуры , при которой собственная проводимость сравнивается с примесной. Область температур от до называется областью истощения примеси. В этой области электропроводность несколько уменьшается, а удельное сопротивление растет, так как при постоянной концентрации носителей заряда уменьшается их подвижность.

Рис 10. Зависимость концентрации носителей тока от температуры в полупроводниках п-типа

С ростом концентрации примеси (кривая 2, рис. 10) величина возрастает и при высоких концентрациях примеси (кривая 3) область истощения вообще отсутствует, а область ионизации примеси в узком интервале температур перекрывается с областью собственной проводимости.

Полупроводник р – типасодержит акцепторную примесь. Атомы ее содержат валентных электронов на один меньше чем полупроводник. В кремнии это элементы 3 группы — бор, алюминий, галлий, индий. В кристалле атомы примеси акцепторов образует энергетический уровень вблизи валентной зоны на расстоянии DEа (рис. 11). При температуре, отличной от нуля Кельвина, на этот уровень будут переходить электроны из валентной зоны, образуя в ней подвижные дырки. Концентрация дырок в полупроводнике р-типа изменяется при изменении температуры аналогичным образом, как и концентрация электронов в полупроводнике п-типа, а соответствующий график аналогичен представленному на рис. 10.

Температура, при которой преобладает собственная проводимость, определяется шириной запрещенной зоны. Например, кремниевые полупроводниковые приборы могут работать до температур @120 о С (DEg=1,1эВ), а германиевые — @60 о С (DEg=0,7эВ). При достаточно низких температурах, (@70К) происходит деионизация доноров и акцепторов и концентрация носителей заряда уменьшается.

Рис 11. Энергетическая схема полупроводника р-типа.

В собственном полупроводнике согласно (11) и (25) проводимость равна:

. (26)

Микроволны101 | Проводимость

Нажмите здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу по резисторам

На этой странице обсуждаются различия между пятью категориями материалов в зависимости от их проводимости:

Изоляторы

Полуизоляторы

Полупроводники

Проводники

Сверхпроводники

На этой странице также объясняется понятие поверхностного сопротивления и электропроводности.

Приведенные ниже различия широко используются, но могут рассматриваться как произвольные, поскольку здесь нет отраслевого стандарта, который можно было бы применить (возможно, IEEE когда-нибудь придумает его).Вы также можете ознакомиться с нашей страницей о дирижерских материалах.

Изоляторы

Эта категория ОЧЕНЬ резистивная (да). Объемное удельное сопротивление находится в диапазоне от 10 10 до 10 22 Ом-сантиметр, чтобы считаться изолятором. Любой «хороший» диэлектрический материал является изолятором. Изоляторы включают стекло, пластик, резину, диоксид кремния и нитрид кремния
. Изоляционные материалы имеют прочно связанные электроны (обычно восемь) во внешней оболочке, которые счастливы оставаться там даже в присутствии электрических полей высокого напряжения.

Полуизоляторы

Полуизоляторы

имеют объемное сопротивление от 10 3 до 10 10 Ом·см. Пластины GaAs, вырезанные из буля, считаются полуизолирующими.

Полупроводники:

Полупроводники имеют объемное удельное сопротивление в диапазоне от 10 -4 Ом-см (сильно легированные) до 10 3 Ом-см (нелегированные или собственные). Это семь порядков! К полупроводниковым элементам относятся кремний и германий, не случайно они оба из 4 группы таблицы Менделеева.Полупроводниковые соединения включают арсенид галлия, фосфид индия и нитрид галлия из групп 3/5 или 2/6 таблицы Менделеева.

Полупроводниковые материалы имеют 4 электрона на внешней оболочке (она заполнена наполовину). Когда атомы связаны вместе в кристаллической решетке, они имеют общие электроны, так что каждый из них имеет восемь электронов на внешней оболочке. Электроны связаны несколько слабо, поэтому они могут стать носителями в присутствии электрического поля.

Проводники:

Чтобы считаться проводником, материал должен иметь объемное сопротивление в диапазоне от 10 -6 до 10 -4 Ом·см.Проводящие материалы имеют слабо связанные электроны (один или два) во внешней (валентной) оболочке, которые могут легко перемещаться под действием напряжения, образуя ток. Проводники включают элементарные металлы, такие как медь, золото, серебро, алюминий. Сильно легированные полупроводники также можно считать проводниками.

Сверхпроводники:

Содержимое перемещено на новую страницу сверхпроводника.

Поверхностное сопротивление и листовая электропроводность

Эта концепция более подробно объясняется на нашей странице, посвященной математике резисторов.

Объемное удельное сопротивление — это свойство, не зависящее от частоты и геометрии. В микроволнах часто мы имеем дело с тонкими пленками проводников, которые наносятся контролируемой толщины. Более удобным свойством в этом случае является поверхностное сопротивление. Поверхностное сопротивление металлической пленки часто выражается в Ом/квадрат. Что такое квадрат? Именно это. Кто на первом? «Я не знаю» на втором.

Вспомните уравнение для расчета сопротивления по объемному удельному сопротивлению:

Помните, что рассчитанное таким образом сопротивление не учитывает влияние глубины скин-слоя.Это точно, если толщина вашего проводника мала по сравнению с толщиной скин-слоя.

Если рассматривать величину L/w, то она безразмерна. Его можно рассматривать как меру того, сколько квадратов площади имеет ваш проводник или резистор. Например, тонкопленочный резистор длиной 30 мил и шириной 10 мил — это три квадрата. Меньший резистор длиной 3 микрона и шириной 1 микрон также имеет три квадрата (спасибо, Джек!) Если они оба имеют одинаковую толщину и объемное удельное сопротивление, они оба имеют одинаковое значение в омах.У них будут совершенно разные номинальные мощности, а меньший резистор будет иметь более высокую полезную частотную характеристику. Будьте осторожны, не перепутайте длину и ширину, резистор длиной 10 микрон и шириной 30 микрон имеет размер 1/3 квадрата, а не три квадрата!

Листовое сопротивление, R ш , равно объемному удельному сопротивлению, деленному на толщину. Его можно использовать для удобного расчета значений сопротивления по количеству квадратов следующим образом:

Как и во всем машиностроении, вам необходимо соблюдать постоянство единиц измерения, чтобы сделать расчет правильно (если rho выражено в омах-сантиметрах, толщина также должна быть в сантиметрах).И последнее, что следует учитывать: электропроводность листа обратно пропорциональна удельному сопротивлению листа. Когда листовая проводимость полезна? Когда у вас более одного металлического слоя. Листовые проводимости слоев могут быть добавлены, потому что пути проводимости параллельны.

Удельное сопротивление — Engineering LibreTexts

Удельное сопротивление — это свойство материала, которое определяет, насколько трудно электрическому току течь через указанный материал. Материалы с высоким удельным сопротивлением известны как изоляторы, а материалы с низким удельным сопротивлением известны как проводники.Охватывая диапазон от 10 -8 Ом·м до 10 20 Ом·м (см. рисунок \(\PageIndex{1}\)), удельное сопротивление обладает самым большим диапазоном значений для любого физического свойства. Удельное сопротивление имеет важное значение во многих областях применения материалов, включая резисторы в электрических цепях, диэлектрики, резистивный нагрев и сверхпроводимость.

Рисунок \(\PageIndex{}\): \(\PageIndex{1}\) Режимы материалов по удельному сопротивлению.

Введение

Фундаментальное соотношение, которое исследует противодействие материалов потоку электронов, было впервые выведено в 1826 году Георгом Омом, немецким физиком и математиком.Закон Ома представлен следующим уравнением:

\[V=IR\номер\]

где

  • В [Вольт: J/C] — напряжение, прикладываемое к материалу,
  • I [Ампер: Кл/с] представляет собой электрический ток, а
  • 90 106 R [Ом: В/А] — сопротивление образца материала.

Важно отметить, что сопротивление зависит от конкретной геометрии образца материала, как показано на рис. 2.

Рисунок \(\PageIndex{2}\) Размеры образца материала, которые относятся к удельному сопротивлению.

Чтобы представить удельное электрическое сопротивление как внутреннее свойство материала, напряжение должно быть разделено на длину L, на которой оно приложено, а ток должен быть разделен на площадь A, через которую он протекает, чтобы создать электрическое поле \(\xi\ ) и плотности тока J соответственно. Этот перевод в электрическое поле и плотность тока дает следующее уравнение для удельного сопротивления: \[ρ=\dfrac{\xi}{J}\nonumber\]

где \(\rho\) — удельное сопротивление материала \([\Omega m]\). При сравнении материалов принято инвертировать значение удельного сопротивления, чтобы получить проводимость \(\сигма\) [Сименс], которую можно легко использовать для ранжирования материалов на основе того, насколько хорошо каждый из них проводит электроны.Из-за значительной температурной зависимости удельного сопротивления и проводимости удельное сопротивление материала измеряется при комнатной температуре [20°C].

Как упоминалось выше, материалы делятся на три основных режима: изоляторы, полупроводники и металлы. Проявление удельного сопротивления в проводящих материалах, металлах и полупроводниках можно полностью понять, оценивая поведение электронов на квантово-механическом уровне.

Удельное сопротивление чистых металлов

Металлы имеют структуру решетки атомов, которые металлически связаны друг с другом.Море делокализованных электронов, обнаруженное в металлической связи, создается высокой плотностью состояний (то есть электронов) на уровне Ферми, которые легко возбуждаются в зону проводимости. Из-за этой связи электроны a можно рассматривать как свободные электроны, движущиеся через металлическую матрицу. По мере того, как электрон течет, он будет взаимодействовать с отдельными атомами, вызывая явления рассеяния, которые снижают эффективность прохождения электронов через металл. Подвижность электронов играет важную роль в количественном определении удельного сопротивления металла, как показано в следующем уравнении:

\[\rho=\dfrac{3}{e^2 v_f^2 TN(E_f)}\nonumber\]

, где e — заряд электрона, \(V_F\) скорость Ферми электрона проводимости, τ — время релаксации между актами рассеяния, а \(N(E_F)\) — плотность населения электронов при энергии Ферми .Кроме того, видно, что учитывается плотность заселенности электронов на уровне Ферми, а не общее число валентных электронов, что объясняет исключительно низкое удельное сопротивление серебра, меди и золота.

Температурная зависимость

Приведенное выше уравнение показывает, что удельное сопротивление металла обратно пропорционально времени релаксации. Это означает, что количество актов рассеяния играет существенную роль в удельном сопротивлении металла. Большой вклад в число актов рассеяния в металле вносят тепловые колебания каждого атома в решетке.По мере повышения температуры материала каждый атом должен колебаться вокруг своего центрального положения, увеличивая вероятность того, что электрон столкнется с ним. Эта взаимосвязь визуализируется путем измерения удельного сопротивления серебра в зависимости от температуры, рисунок \(\PageIndex{3}\).

Рисунок \(\PageIndex{}\): \(\PageIndex{3}\) Удельное сопротивление массивного серебра в зависимости от температуры.

Металлы демонстрируют минимальное удельное сопротивление при температурах, приближающихся к 0 Кельвина, известное как остаточное удельное сопротивление, и линейное увеличение удельного сопротивления по мере того, как металл достигает точки плавления.

Остаточное удельное сопротивление и правило Маттиссена

При достаточно низких температурах степени тепловых колебаний еще не активированы, что означает, что остаточное удельное сопротивление металла представляет собой набор всех других мест рассеяния, присутствующих в материале, в частности дефектов и примесей. В поликристаллических металлах будет несколько источников дефектов микроструктуры, включая границы зерен, дислокации и вакансии. Наряду с дефектами примеси в металле могут иметь место рассеяния.В 1864 году Август Маттиссен, британский химик и физик, первым включил все эти аспекты в удельное сопротивление металла. Правило Маттиссена выглядит следующим образом:

\[\rho=\rho_{th}+\rho_{imp}+\rho_{def}\nonumber\]

где \(\rho_{th}\) — удельное сопротивление из-за температуры, \(\rho_{imp}\) — это удельное сопротивление из-за примесей и \(\rho_{def}\) — это удельное сопротивление из-за дефектов . Хотя температура, дефекты и примеси действительно вносят вклад в удельное сопротивление, для конкретных металлов сообщалось о некотором отклонении от простого суммирования, постулированного Маттиссеном.

Удельное сопротивление сплавов

Из правила Маттиссена видно, что на удельное сопротивление металла влияют присутствующие примеси. Эта часть удельного сопротивления начинает вносить значительный вклад, когда металлы сплавляются друг с другом. Сплав можно рассматривать как металл с большим количеством примесей, а это означает, что существует гораздо больше мест рассеяния для увеличения остаточного удельного сопротивления металла. Результатом этого увеличения является перемещение графика на рисунке \(\PageIndex{3}\) вверх.При различных составах простого бинарного сплава удельное сопротивление системы представляет собой линейную интерполяцию удельного сопротивления каждого чистого металла. Если в системе наблюдается энергетически выгодный фазовый переход, приводящий к более упорядоченной структуре, чем структура растворенных атомов в растворе, то при таком составе будет наблюдаться падение удельного сопротивления. Примером бинарной системы с упорядоченными фазами, влияющими на удельное сопротивление, являются медь и платина.

Рисунок \(\PageIndex{}\): \(\PageIndex{4}\) Удельное сопротивление двойной системы меди и платины при 500 К в зависимости от состава.Пунктирная линия моделирует стандартную линейную интерполяцию двух чистых металлов, а сплошная линия представляет фактическое удельное сопротивление из-за образования упорядоченных фаз.

График бинарной системы медь-платина демонстрирует результат упорядоченных фаз \(L_2\) и \(L_1\). Подобно отклонениям от правила Маттиссена, формулировка отношения удельного сопротивления любого сплава не была адекватно разработана из-за сложности структур, создаваемых любой данной системой сплавов.Было создано несколько правил с небольшим значением, поскольку каждое из них уделяет особое внимание определенному подмножеству сплавов с определенными характеристиками.

Удельное сопротивление полупроводников

Основным отличительным фактором между металлами и любым другим материалом является то, что металлы не обладают запрещенной зоной или диапазоном энергетических уровней, на которых не могут находиться электроны. Было замечено, что размер запрещенной зоны материала, насколько он изолирующий, и при достаточно низкой ширине запрещенной зоны материал может быть частично проводящим.{\ast}\) — эффективные массы электронов и дырок соответственно, \(N_e\) и \(N_h\) — количество электронов и дырок соответственно, а \(T_e\) и \(T_h\) времена релаксации электронов и дырок соответственно. Принимая во внимание обратную зависимость количества как электронов, так и дырок от удельного сопротивления, можно было бы ожидать, что внешние полупроводники будут иметь более низкое удельное сопротивление из-за добавления большего количества носителей заряда.

Зависимость от температуры

Температурная зависимость полупроводников сильно отличается от температурной зависимости металлов.Поскольку ширина запрещенной зоны ограничивает возбуждение электронов зоной проводимости, энергия должна подаваться к полупроводнику для уменьшения удельного сопротивления. Эта энергия передается термически и соответствует энергии запрещенной зоны.

\[\rho=\rho_0 exp(\dfrac{-E_g}{2kT})\номер\]

, где \(\rho_0\) — удельное сопротивление полупроводника, определенное из приведенного выше уравнения, \(E_g\) — ширина запрещенной зоны, \(k\) — постоянная Больцмана, а \(T\) — температура .

Для собственных полупроводников, содержащих одинаковое количество электронов и дырок, температурная зависимость разрешает тенденцию, показанную на рисунке \(\PageIndex{5}\).Из рисунка \(\PageIndex{5}\) видно, что при более высоких температурах наблюдается продвижение большего количества электронов, а также область замораживания при низких температурах, когда частицы, несущие заряд, не возбуждаются в зону проводимости.

Рисунок \(\PageIndex{}\): \(\PageIndex{5}\) Удельное сопротивление как функция температуры для собственных полупроводников.

Как и ожидалось, внешние полупроводники демонстрируют такую ​​же температурную зависимость, что и их внутренние аналоги, с небольшим отклонением в части температурного диапазона.

Рисунок \(\PageIndex{}\): \(\PageIndex{6}\) Удельное сопротивление как функция температуры для внешнего полупроводника.

Для диапазона температур в середине рисунка \(\PageIndex{6}\) удельное сопротивление оставалось относительно постоянным, пока материал нагревался. Это объясняет наличие дополнительных носителей заряда, обнаруженных во внешних полупроводниках, которые уже снизили удельное сопротивление полупроводника ниже значения собственного аналога. В области температур, когда удельное сопротивление не меняется, число электронов, термически возбужденных в зону проводимости, еще недостаточно велико, чтобы влиять на удельное сопротивление в той степени, в какой это оказывает примесное легирование.В конце концов количество возбужденных электронов становится достаточно большим, чтобы возобновить собственную тенденцию, зависящую от температуры.

вопросов

  1. Что отличает сопротивление от удельного сопротивления? Почему важно измерять сопротивление?
  2. Что, согласно правилу Маттиссена, влияет на остаточное удельное сопротивление металла?
  3. Рассчитайте сопротивление через прямоугольную пластину из германия при 350°C. Размеры: ширина = 3 см, толщина = 5 мм, длина = 15 см.Удельное сопротивление при комнатной температуре: 1 Ом·м. Энергия запрещенной зоны: 0,67 эВ

Ответы

  1. Сопротивление — это значение, характерное для конкретной геометрии образца материала, в то время как удельное сопротивление не зависит от геометрии. При сравнении материалов важно ссылаться на удельное сопротивление, потому что это внутреннее свойство.
  2. В соответствии с правилом Маттиссена остаточное удельное сопротивление учитывает удельное сопротивление, вызванное примесями и дефектами, особенно границами зерен, дислокациями и вакансиями в материале.
  3. R=1,95 Ом при 350°C

Каталожные номера

  1. В. Д. Каллистер и Д. Г. Ретвиш, «Материаловедение и инженерия. Введение», учебник, 8-е издание, Wiley, (2010).
  2. Л. Солимар и Д. Уолш, «Электрические свойства материалов», учебник, 7-е издание, Oxford Press, (2004).
  3. Р. Е. Хаммель, «Электронные свойства материалов», учебник, 4-е издание, Springer, (2011).

Авторы

  • Бенджамин Макдональд (Б.S. Материаловедение и инженерия, выпуск 2015 г., Калифорнийский университет, Дэвис)

Проводимость и удельное сопротивление полупроводниковых материалов

Значение проводимости материала дает нам оценку степени, в которой материал поддерживает протекание тока через него. Электропроводность зависит от количества электронов, доступных в процессе проводимости. Концепция проводимости полезна во многих инженерных приложениях, включая медицинскую электронику.

Дж  =  нкмкЭ

Уравнение (2.17), полученное в предыдущем разделе, можно также записать как

называется проводимостью материала.

Таким образом, электропроводность материала определяется как отношение плотности тока Дж  и напряженности электрического поля Е .

Проводимость полупроводниковых материалов увеличивается с температурой, так как повышение температуры вызывает увеличение тока проводимости.Это связано с увеличением количества разорванных ковалентных связей, которые приводят к большему количеству носителей заряда для протекания тока. Таким образом, с повышением температуры больше электронов из валентной зоны переходят в зону проводимости. Электропроводность полупроводников изменяется совершенно противоположно проводимости металлов.

Здесь найдено, что плотность тока ( Дж ) и напряженность поля ( E ) пропорциональны друг другу с σ  как константа пропорциональности:  Дж  ∝  I  и  E   .

Итак, σ  имеет размеры Сименс/м, как показано ниже:

Как уже объяснялось, полупроводники содержат два типа подвижных носителей заряда, электроны и дырки. В полупроводниках проводимость зависит от концентрации и подвижности как электронов, так и дырок (рис. 2.11).



Рис. 2.11  Электроны в проводящей среде, где n ​​  концентрация (количество) электронов, p  концентрация (количество) дырок, µ n 3 μ p  = подвижность дырок.

В собственном полупроводнике n ​​  =  p  =  n ​​ i



Если известны значения подвижности и концентрации электронов и дырок, можно оценить проводимость материалов.

Что такое удельное сопротивление полупроводника: диапазон, удельное сопротивление в зависимости от температуры,

Удельное сопротивление полупроводников  

В этом посте мы обсуждаем удельное сопротивление полупроводников, мы знаем, что удельное сопротивление — это противоположное свойство материала, которое зависит от двух разных величин, таких как длина и площадь поперечного сечения материала.

                                             R = ρ (L/A)

В случае удельного сопротивления полупроводников те же самые свойства материала будут влиять на изменение удельного сопротивления. Полупроводник — это особый вид материала, занимавший промежуточное положение между проводниками и изоляторами.

Полупроводниковый диапазон удельного сопротивления Полупроводниковый диапазон удельного сопротивления

источник изображения

Полупроводник имеет меньше свободных зарядов, чем проводник, он обладает свойством сильно зависеть от типа и количества примесей в полупроводнике.

  • Это связано с тем, что в полупроводнике зазор между зоной проводимости и валентной зоной меньше.

А диапазон удельного сопротивления у полупроводника будет измеряться в единицах Ом см .

Но удельное сопротивление полупроводника не ограничивается одним типом, мы делим полупроводник на два легированных полупроводника и нелегированных полупроводников .

  • У легированного полупроводника = ·10 -4 Ом-см — диапазон удельного сопротивления
  • Нелегированный полупроводник или собственный полупроводник = 10 3 Ом-см — диапазон удельного сопротивления.

Удельное сопротивление полупроводника в зависимости от температуры Удельное сопротивление полупроводника в зависимости от температуры
  • При нулевой температуре валентная запрещенная зона заполнена, а проводимость пуста.
  • А увеличение температуры полупроводника приведет к уменьшению зазора между валентной зоной и зоной проводимости.
  • Это будет происходить за счет движения электронов из валентной зоны, высвобождения свободных электронов из ковалентных связей в полупроводнике, это произойдет из-за повышения температуры.

Удельное сопротивление легированных полупроводников в зависимости от температуры  
  • Легированный полупроводник будет изготовлен из нелегированного полупроводника путем добавления примесей.
  • Полупроводниковый материал используется в электронике для изготовления электронных компонентов.
  • Полупроводники работают как электронный компонент, когда к нему прикладывается энергия, электроны начинают двигаться, и он достигает зоны проводимости.
  • Удельное сопротивление легированного полупроводника и температура будут очень сильно связаны, потому что хороший легированный полупроводник означает, что они могут лучше справляться с температурой.
  • Кремний и германий являются распространенными легированными полупроводниками, кремний намного лучше работает при более высоких температурах.

Удельное электрическое сопротивление полупроводника aУвеличить класс 11 физики CBSE

Подсказка: Проводимость и удельное сопротивление всегда обратно пропорциональны друг другу. Вспомните понятие проводимости с температурой и ответьте на него.

Полный ответ:
Полупроводник – это вещество/материал, обладающий проводимостью (способностью вещества проводить электричество), промежуточной между изолятором и проводником (металлами).{-1}}$. Проводимость полупроводников обусловлена ​​наличием примесей и дефектов (дырок).
Под удельным электрическим сопротивлением мы просто подразумеваем сопротивление или противодействие потоку тока, который несет материал, и не позволяет электричеству проходить дальше. Таким образом, она не зависит от длины и площади поперечного сечения материала. Но сопротивление материала зависит от длины и площади поперечного сечения материала. Удельное сопротивление выражается как:
ρ = R $\dfrac{A}{L} $
, где R — сопротивление в омах, A — площадь поперечного сечения в квадратных метрах и L — длина в метрах.{2}} $) площадь поперечного сечения. Таким образом, она не зависит от длины и площади поперечного сечения материала.
Удельное электрическое сопротивление полупроводника сильно зависит от температуры. Удельное электрическое сопротивление и проводимость обратно пропорциональны друг другу, т. е. если проводимость увеличивается, то ее удельное сопротивление автоматически уменьшается, и наоборот.
При высокой температуре проводимость полупроводников увеличивается и, следовательно, их удельное сопротивление уменьшается.Это связано с тем, что при высокой температуре электроны возбуждаются, и запрещенная энергетическая щель между заполненной валентной зоной и пустой зоной проводимости становится очень меньше, а электроны от их ковалентных связей могут двигаться внутри структуры и, таким образом, , электроны перемещаются из своей валентной зоны (крайняя заполненная энергетическая зона) в зону проводимости (пустая зона, лежащая рядом с валентной зоной, в которой электроны могут двигаться после возбуждения при высокой температуре).Так как проводимость электронов увеличивается и, следовательно, их удельное сопротивление уменьшается.
С другой стороны, при низкой температуре проводимость полупроводников уменьшается, а удельное сопротивление увеличивается. Это связано с тем, что запрещенная энергетическая щель между валентной связью и зоной проводимости увеличивается, и электроны не могут двигаться и, таким образом, сначала увеличивается их электрическое сопротивление, но через некоторое время электроны возбуждаются медленно и медленно и перемещаются в зону проводимости и, следовательно, их удельное сопротивление уменьшается.
Итак, сверху объясняется, что удельное сопротивление полупроводника уменьшается при высокой температуре, а при низкой температуре оно сначала увеличивается, а затем уменьшается.

Следовательно, вариант (с) правильный.

Примечание:
Не путайте термины сопротивление и удельное электрическое сопротивление. Оба имеют разные значения, сопротивление — это то, что противостоит потоку тока, тогда как удельное сопротивление определяет сопротивление вещества определенной площади и длины.Их формулы таковы: Сопротивление (R) = ρ $ \ dfrac {L} {A} $ и удельное сопротивление (ρ) = R $ \ dfrac {A} {L} $

Узнать об удельном сопротивлении кремния

два носителя заряда электроны и дырки. Электроны образуют отрицательный заряд, а дырки — положительный заряд. При более высоких температурах, когда электроны перемещаются из валентной зоны в зону проводимости, они создают дырку в валентной зоне. Собственный кремний не может проводить ток при комнатной температуре. Чтобы улучшить проводимость кремния, в кристаллический кремний добавляют примеси, что делает его внешним полупроводником.Элементы группы III или группы V добавляются в чистый кремний, чтобы сделать его проводящим. Кристаллическая структура, а также структура легированного кремния показаны на рис. 3.

Рис. 3. Кристаллический и легированный кремний

Удельное сопротивление собственного полупроводника выражается математическим выражением: =1e(µnN+µpP)\rho = \frac{1}{\sigma} = \frac{1}{{e\left( {\mu nN + \mu pP} \right)}}ρ=σ1​= e(µnN+µpP)1​

Где e — заряд электрона i.{ — 19}}1,6×10−19Кулонов, µn, µp – подвижности электрона и дырки. N и P — концентрация примесей электронов и дырок. Приведенное выше выражение связывает удельное сопротивление с подвижностью и концентрацией примеси. В случае внешнего полупроводника подвижность является эффективным параметром для концентрации электронов или дырок. Когда фосфор (группа V) добавляется в кремний, они называются донорной примесью, тогда как когда бор (группа III) добавляется к собственному кремнию, они называются акцепторной примесью.Для практического использования в промышленности кремний является выдающимся полупроводником, используемым при разработке диодов и транзисторов по сравнению с германием. В случае примесного кремния наблюдается сложный температурный профиль. При повышении температуры от абсолютного нуля носители начинают покидать донорную или акцепторную примесь и, следовательно, резкое снижение сопротивления. После того, как носители становятся активными в кристаллическом кремнии при дальнейшем повышении температуры, сопротивление начинает увеличиваться и, следовательно, удельное сопротивление примесного кремния.

Удельное электрическое сопротивление – обзор

1 Удельное сопротивление

Удельное сопротивление является одним из наиболее важных характеризационных измерений материалов ядерных детекторов по разным причинам. Во-первых, это общий показатель чистоты и концентрации дефектов в материале. Во-вторых, чувствительная эффективная толщина детекторов рентгеновского и гамма-излучения является прямой функцией удельного сопротивления и, как будет показано далее в главе, посвященной детекторам, напрямую влияет на эффективность излучения детектора.

Непосредственно после выращивания кристалла удельное сопротивление измеряется в различных частях слитка с помощью известного четырехточечного датчика (Van der Pauw 1958). Трудность здесь заключается в том, что материалы, которые являются полуизолирующими, в диапазоне 10 8 −10 10 Ом·см требуют высокоимпедансных (10 13 −10 14 Ом) электрометров, амперметров или приборов синхронного обнаружения для оценки очень низких токи в измерениях удельного сопротивления или холловской подвижности. В принципе, это более точные методы.Проблема в том, что контакты должны быть омическими, а, как известно, получить такой контакт на высокоомном материале типа p без повреждающей обработки невозможно. Возможен контакт с низким барьером около 0,2 эВ (Musa 1983). Многие авторы сообщали об омическом контакте на материалах типа n ​​ с низким удельным сопротивлением путем легирования In (Segall et al. , 1963). Для материала типа p контакты изготавливаются методом химического осаждения (De Nobel 1959).Для среднего удельного сопротивления материал (ρ = 100–500 Ом·см), Musa и др. . (1983а) обнаружили, что в случае химического контакта удельное контактное сопротивление (ρ c ) изменяется, как c не могут быть достигнуты таким образом. Другие металлы, такие как сплавы In, Cu или Ag, использовались с некоторым успехом. Химическое восстановление Au на поверхностях, обработанных LiNO 3 (Triboulet and Rodot, 1968), дает хорошие результаты, но ценой термического отжига свыше 200-400°C с прогнозируемыми последствиями для качества материала.Эта проблема все еще остается открытой, и для реальных материалов ядерных детекторов чаще всего используется химическое золото. На рис. 15 показано поведение удельного сопротивления различных видов слитков THM CdTe с типичными материалами и материалами высокой степени очистки. Как видно, удельное сопротивление в целом уменьшается от начала слитка к концу из-за насыщения зоны Te примесями вдоль слитка. Для высокоочищенных элементов это насыщение возникало дальше по слитку. И последнее замечание: во время измерения образцы должны храниться в темноте в течение того же времени, чтобы получить воспроизводимые результаты.

РИС. 15. Эволюция удельного сопротивления (ρ) вдоль различных слитков THM CdTe.

Простейшим способом измерения удельного сопротивления является использование характеристики I ( В ) R = В / I и R = ρ 1/ с . Это требует идеальных омических контактов, а значит, этот метод может дать только качественные и ориентировочные результаты.

Существуют более реалистичные методы измерения удельного сопротивления, основанные на расчетах обедненной чувствительной зоны в устройствах ядерных детекторов, и мы увидим это позже в главе, посвященной детекторам.И последнее замечание: высокое удельное сопротивление является необходимым предварительным условием, но не достаточным. Материалы могут достигать 10 7 −10 8 Ом · см (Schaub et al . 1977) в насыщенных хлором растворах Te или до 10 10 Ом · см в слитках, легированных группой V по Бриджмену, без хорошей ядерных детекторных свойств, вероятно, из-за низкого μτ-произведения, обусловленного высокой плотностью глубоких уровней и центров рекомбинации.

Как упоминалось в предыдущей главе, удельное сопротивление можно увеличить за счет компенсации, галогена и дополнительной меди (рис.18 в главе 6) или обработкой водородом с отжигом или имплантацией H. На рис. 16 показано изменение относительного сопротивления материалов после имплантации H + с энергией 2 МэВ в зависимости от исходного удельного сопротивления материала.

0 comments on “Удельное сопротивление полупроводника: Сопротивление полупроводников: свойства и виды проводников

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.