Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Электрический ток в полупроводниках. P-n переход. Полупроводниковый диод

Постоянный электрический ток

Электрический ток в полупроводниках. P-n переход. Полупроводниковый диод

План урока

  • Полупроводники
  • Собственная проводимость
  • Примесная проводимость
  • P-n переход
  • Полупроводниковый диод

Цели урока

  • Знать, что такое полупроводники
  • Знать, как устроена собственная и примесная проводимость полупроводников
  • Знать, что такое p-n переход
  • Знать, принцип работы полупроводникового диода

Разминка

  • Какие вещества называют проводниками и диэлектриками?
  • Как изменяется удельное сопротивление проводников при повышении температуры?
  • Что называют кристаллической решеткой?

Полупроводники

Рис. 1. Зависимость 𝜌(T) для полупроводников

Исходя из названия, ясно, что полупроводники – это что-то между проводниками и диэлектриками. Удельное сопротивление полупроводников имеет промежуточное значение между удельными сопротивлениями чистых металлов и диэлектриков: ρ~10-8; ~1017 Ом·м. Основными представителями полупроводников являются кремний и германий, также, мышьяк, сера, углерод и другие. Обратим особое внимание на зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры (см. рис. 1).

При низких температурах полупроводники подобны диэлектрикам. При повышении температуры, удельное сопротивление уменьшается и полупроводники способны проводить ток.

Рис. 2. Плоский профиль кристаллической решетки кремния

 

Помимо этого, атомы полупроводников скреплены ковалентной связью – связь, существующая между атомами за счет общих электронных пар, образованных валентными электронами. Рассмотрим кристаллическую решетку кристалла кремния (рис. 2). Поскольку кремний – это четырёхвалентный элемент, то каждый его атом скреплен сразу с четырьмя соседними атомами.

Собственная проводимость

Рис. 3. Проводимость n – типа

При достаточно низких температурах все валентные электроны прочно связаны с атомами кристаллической решетки. Но при повышении температуры может произойти разрыв электронной связи между соседними атомами. В следствие этого, электроны покидают свое место и начинают хаотично блуждать. Если приложено электрическое поле, то электроны начнут двигаться упорядоченно и возникнет ток. Проводимость, обусловленная движением электронов, называется проводимостью n–типа.

Рис. 4. Проводимость p – типа

Возможно и другое развитие событий. Когда электрон покидает свое место, там образуется дырка – вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, появляющийся за счет не скомпенсированного заряда ядра. На вакантное место может перейти электрон от другого атома, тогда дырка окажется на другом месте, куда может перейти новый электрон и так далее. В конечном итоге получаем движение дырки или, что то же самое, движение положительного заряда.

Проводимость, обусловленная движением дырок, называется проводимостью p–типа. Следует заметить, что в обоих случаях реальными носителями заряда являются электроны. В первом случае это свободные электроны, а во втором – электроны, перескакивающие от атома к атому.


Собственная проводимость – это проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов вещества, из которого состоит данный полупроводник.


Примесная проводимость

Рис. 5. Донорная примесь

Рассмотрим другой способ появления носителей заряда в полупроводниках – добавление примеси. Основная особенность такого способа состоит в том, что примесь отличается валентностью от полупроводника. Поместим пятивалентный мышьяк в кристалл кремния. Из-за различия валентности один электрон мышьяка остается без пары для ковалентной связи. Этот электрон нестабилен, поэтому достаточно небольшой энергии, чтобы он отделился от атома мышьяка.

Подобные примеси, создающие электронную проводимость, называют донорными примесями. А полупроводники, в которых в результате внедрений примесей образуются свободные электроны, называют полупроводниками с примесной электронной проводимостью n–типа.

Рис. 6. Акцепторная примесь

Если же поместить в полупроводник примесь с валентностью меньшей, чем у атомов решетки, то будет преобладать дырочная проводимость. Например, поместим трехвалентный галий в кремний, тогда появляется место, в котором «не хватает» электрона, в результате чего образуется дырка. Подобные примеси, создающие электронную проводимость, называют акцепторными (принимающими) примесями. А полупроводники, в которых в результате внедрений примесей образуются дырки, называют полупроводниками с примесной дырочной проводимостью p–типа.

P-n переход

 

Особый интерес представляет случай, когда в две соседние области одного монокристалла вносят примеси, атомы которых имеют разную валентность. В этом случае мы получаем две соседние области с разными типами примесной проводимости. Граница между двумя полупроводниками с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом, или p−n-переходом

Рис. 7. Образование запирающего слоя в области p−n-перехода

Вблизи p−n-перехода свободные электроны из полупроводника n−типа диффундируют в полупроводник p−типа. Аналогично, дырки из полупроводника p−типа диффундируют в полупроводник n−типа. Получаем, что области с разным типом проводимости, примыкающие к p−n-переходу, приобретают избыточные заряды разного знака. В области p−n-перехода образуется два разноимённо заряженных электрических слоя, подобные пластинам плоского конденсатора. Образовавшееся электрическое поле препятствует диффузии электронов и дырок.

При включении такого элемента в электрическую цепь, возможны два случая развития событий. Подав «плюс» на n−полупроводник, а «минус» - на p−полупроводник, ток практически течь не будет, поскольку внешнее электрическое поле будет сонаправлено с полем запирающего слоя. Это называется включением p−n-перехода в обратном направлении.

Рис. 8. Включение в прямом направлении

Если подать «плюс» на p−полупроводник, а «минус» - на n−полупроводник, то это приведет к уменьшению запирающего слоя, поскольку внешнее поле будет противоположно направленно полю запирающего слоя. В цепи возникает ток, вызванный движением основных носителей заряда. Такая схема носит название включения в прямом направлении (см. рис. 8).


Границу между областями с проводимостями p-типа и n-типа называют p-n переходом .


Полупроводниковый диод

Рис. 9. Диод в электрической цепи

Свойства p−n-перехода используют для создания различных полупроводниковых приборов. Одним из самых распространённых приборов является полупроводниковый диод. Простым языком, диод – это устройство, проводящее ток в одном направление (диод открыт), в противоположном направление ток через диод не идет (диод закрыт).

На рисунке 9 диод открыт в сторону протекания тока слева направо. При прямом подключении через p−n-переход свободные электроны движутся из n−области (где их много) в p−область, а дырки из p−области (где их много) в n−область.

Рис. 10. ВАХ диода

 

 

Рассмотрим вольтамперную характеристику диода. Область с положительным напряжением соответствует случая прямого подключения диода, когда ток через него проходит. При изменении полярности напряжения между выводами диода сила тока через него может меняться в сотни тысяч раз. Данный эффект применяется в выпрямителях – устройствах, преобразующих переменный ток.


Контрольные вопросы

 

1. Какие тела называют полупроводниками? Перечислите основные полупроводники.
2. Как устроена ковалентная связь?
3. В чем различие собственной проводимости n−типа от p−типа?
4. Какие примеси называют акцепторными?
5. Что такое p−n-переход?
6. Что называют включением p−n-перехода в прямом направлении?
7. Что такое полупроводниковый диод?


Предыдущий урок
Вольтамперная характеристика проводника. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводника
Постоянный электрический ток
Следующий урок
Расчёт сопротивления системы, состоящей из нескольких проводников, соединённых между собой. Измерение силы тока и напряжения
Постоянный электрический ток
Поделиться:
  • Второй закон термодинамики. Необратимость процессов в природе

    Физика

  • Н и НН в причастиях и отглагольных прилагательных

    Русский язык

  • «Великий перелом». Индустриализация

    История

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке