Что происходит при контакте полупроводников разного типа. Полупроводник

Рассмотрим явление прохождения электрического тока через контакт полупроводников p- и n-типов. На следующем рисунке изображен такой контакт.

Левая часть представленного полупроводника содержит акцепторные примеси. Правая часть представленного полупроводника содержит донорные примеси. Соответственно левая часть является полупроводником p-типа, а правая полупроводником n-типа.

Между полупроводниками образуется особенная зона – зона перехода. В ней совсем мало зарядов, тут происходит рекомбинация электронов и дырок.

Контакт полупроводников р- и п- типов

На рисунке электроны представлены кружочками голубого цвета, а дырки – кружочками серого цвета. Контакт двух полупроводников n- и p- типов называют p-n- переходом, или n-p – переходом.

В результате контакта между полупроводниками начинается диффузия . Некоторая часть электронов переходит к дыркам, а некоторая часть дырок переходит на сторону электронов. В результате чего полупроводники заряжаются: n- положительно, а p – отрицательно.

После того, как электрическое поле, которое будет возникать в зоне перехода, начнет препятствовать перемещению электронов и дырок, диффузия прекратится.

Для исследования свойств pn-перехода подключим его в цепь так, как показано на следующей схеме.

Сначала подключим источник питания так, чтобы потенциал на сторону полупроводника p-типа приходился положительный потенциал, а на сторону n-типа отрицательный.

При таком подключении проводимость полупроводника будет велика. Ток через переход будет создаваться основными носителями: из n в p – электронами, а из p в n – дырками.

Сопротивление будет очень маленьким. Такое подключение pn-перехода называется прямым. Теперь изменим полярность подключения источника питания.

Значение силы тока значительно уменьшится, чем в предыдущем случае. Ток в этом случае будет создаваться неосновными носителями, число которых значительно меньше, чем число основных носителей.

Вольт-амперная характеристика

Проводимость в этому случае будет маленькой, а сопротивление большим. Образуется запирающий слой. Такое подключение pn-перехода называется обратным.

При исследовании свойств какого либо элемента, часто строят зависимость силы тока от разности потенциалов. Данный тип зависимости получил в физике название вольт-амперной характеристики. Иногда для удобства записи пишут просто ВАХ.

На следующем графике показаны вольт-амперные характеристики прямого и обратного подключения pn-перехода.

Сплошной линией нарисована вольт-амперная характеристика прямого подключения pn-перехода, а пунктирной – обратного подключения.
На основе свойств pn-перехода сделаны различные радиотехнические элементы, например, диоды.

Граница соприкосновения двух полупро­водников, один из которых имеет элек­тронную, а другой - дырочную проводи­мость, называется электронно-дырочным переходом (или p-n -переходом). Эти пере­ходы имеют большое практическое значе­ние, являясь основой работы многих полу-

проводниковых приборов. p-n-Переход не­льзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обыч­но области различной проводимости со­здают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл герма­ния n-типа накладывается индиевая «таб­летка» (рис. 335, a). Эта система нагрева­ется примерно при 500 °С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно ох­лаждают. Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n-типа образуется p-n-переход (рис. 335, б).

Рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n-переходе (рис.336). Пусть донорный полупроводник (работа выхода - А n , уровень Ферми - E F) при­водится в контакт (рис. 336, б) с акцеп­торным полупроводником (работа выхо­да - Ар, уровень Ферми - E F ). Электро­ны из n-полупроводника, где их кон­центрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении - в направле­нии р n.

В n-полупроводнике из-за ухода элек­тронов вблизи границы остается неском­пенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис. 336, а).

Эти объемные заряды обра­зуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от n-области к р-области, препятствует дальней­шему переходу электронов в направлении nр и дырок в направлении p n. Если концентрации доноров и акцепторов в по­лупроводниках n - и p-типа одинаковы, то толщины слоев d 1 и d 2 (рис. 336, в), в ко­торых локализуются неподвижные заряды, равны (d 1 =d 2).

При определенной толщине p-n-перехода наступает равновесное состояние, ха­рактеризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (рис. 336, в). В области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, в ре­зультате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера е определяется первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих полу­проводниках. Все энергетические уровни

акцепторного полупроводника подняты от­носительно уровней донорного полупро­водника на высоту, равную е, причем подъем происходит на толщине двойного слоя d.

Толщина d слоя p-n-перехода в полу­проводниках составляет примерно 10 -6 - 10 -7 м, а контактная разность потенциа­лов - десятые доли вольт. Носители тока способны преодолеть такую разность по­тенциалов лишь при температуре в не­сколько тысяч градусов, т. е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризу­ется повышенным сопротивлением).

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое по­ле направлено от n-полупроводника к p-полупроводнику (рис. 337, а), т. е. со­впадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике от границы p-n-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возра­стет. Направление внешнего поля, расши­ряющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направ­лении электрический ток через p-n-переход практически не проходит. Ток в запираю­щем слое в запирающем направлении об­разуется лишь за счет неосновных носите­лей тока (электронов в p-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике).

Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 337, б), то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике к границе p-n-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контакт­ного слоя и его сопротивление уменьшают­ся. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь p-n-переход в направлении от p-полупроводника к n-полупроводнику; оно называется про­пускным (прямым).

Таким образом, p-n-переход (подобно контакту металла с полупроводником) об­ладает односторонней (вентильной) про­водимостью.

На рис. 338 представлена вольт-ампер­ная характеристика p-n-перехода. Как уже указывалось, при пропускном (пря­мом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных но­сителей тока к границе p-n-перехода (см. рис. 337, б). В результате толщина контактного слоя уменьшается. Соответ­ственно уменьшается и сопротивление пе­рехода (тем сильнее, чем больше напря­жение), а сила тока становится большой (правая ветвь на рис. 338). Это направле­ние тока называется прямым.

При запирающем (обратном) напря­жении внешнее электрическое поле пре-

пятствует движению основных носителей тока к границе p-n-перехода (см. рис. 337, а) и способствует движению неосновных носителей тока, концентрация которых в полупроводниках невелика. Это приводит к увеличению толщины контакт­ного слоя, обедненного основными носите­лями тока. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. Поэтому в дан­ном случае через p-n-переход протекает только небольшой ток (он называется об­ратным), полностью обусловленный неос­новными носителями тока (левая ветвь рис. 338). Быстрое возрастание этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение. При включении в цепь пере­менного тока p-n-переходы действуют как выпрямители.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Урок в 10-м классе.

Тема: р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы».

Цели:

• образовательные : сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории и опираясь на эти знания выяснить физическую сущность p-n-перехода; научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности p-n-перехода;
• развивающие : развивать физическое мышление учащихся, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес, по­знавательную активность;
• воспитательные : продолжить формирование научного мировоззрения школьников.

Оборудование: презентация по теме: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзистор», мультимедийный проектор.

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Изучение нового материала.

Слайд 1.

Слайд 2. Полупроводник – вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.

Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Слайд 3.

Механизм проводимости у полупроводников

Слайд 4.

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние Слайд 5. электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.

При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и они ведут себя как диэлектрики.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

Слайд 6. 1) электронная (проводимость "n " – типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны – сопротивление уменьшается.

Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля.

Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

Слайд 7.

2) дырочная (проводимость " p" – типа)

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном – "дырка".

Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда.

Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей. Поэтому полупроводники обладают ещё и дырочной проводимостью.

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей "p" и "n" -типов и называется электронно-дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

У таких полупроводников существует собственная + примесная проводимость.

Наличие примесей проводимость сильно увеличивает.

При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока – электронов и дырок.

Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

Слайд 8. 1) донорные примеси (отдающие) – являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.

Слайд 9. Это проводники " n " – типа , т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда – электроны, а неосновной – дырки.

Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью. Например – мышьяк.

Слайд 10. 2) акцепторные примеси (принимающие) – создают "дырки" , забирая в себя электроны.

Это полупроводники " p "- типа , т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда – дырки, а неосновной – электроны.

Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью . Слайд 11. Например – индий. Слайд 12.

Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р-n-переходе.

Слайд 13-16.

Электрические свойства "p-n" перехода

"p-n" переход (или электронно-дырочный переход) – область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.

При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток проходит через границу двух полупроводников.

Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.

Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода :

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним "p-n" переходом называется полупроводниковым диодом.

– Ребята, запишите новую тему: «Полупроводниковый диод».
– Какой там ещё идиот?», – с улыбкой переспросил Васечкин.
– Не идиот, а диод! – ответил учитель, – Диод, значит имеющий два электрода, анод и катод. Вам ясно?
– А у Достоевского есть такое произведение – «Идиот», – настаивал Васечкин.
– Да, есть, ну и что? Вы на уроке физики, а не литературы! Прошу больше не путать диод с идиотом!

Слайд 17–21.

При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном – сопротивление мало.

Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

Слайд 22–25.

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Полупроводниковые транзисторы – также используются свойства" р-n "переходов, - транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р – n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р. У транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

При подаче на базу транзистора типа n-p-n положительного напряжения он открывается, т. е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче отрицательного, наоборот – закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p-n-p все наоборот.

Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n-типа или p-типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходи диффузия (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости. Пластинка германия или кремния p-типа и созданные в ней области n-типа образуют транзистор структуры n-p-n (рис. 1,а), а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа - транзистор структуры p-n-p (рис. 1,б).

Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема - эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема - коллектором (К). Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором - коллекторный, а между базой и эмиттером - эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.

Условные графические обозначения транзисторов разных структур отличаются лишь тем, что стрелка, символизирующая эмиттер и направление тока через эмиттерный переход, у транзистора структуры p-n-p обращена к базе, а у транзистора n-p-n - от базы.

Слайд 26–29.

III. Первичное закрепление.

1. Какие вещества называются полупроводниками?
2. Какую проводимость называют электронной?
3. Какая проводимость наблюдается ещё у полупроводников?
4. О каких примесях теперь вам известно?
5. В чем заключается пропускной режим p-n- перехода.
6. В чем заключается запирающий режим p-n- перехода.
7. Какие полупроводниковые приборы вам известны?
8. Где и для чего используют полупроводниковые приборы?

IV. Закрепление изученного

1. Как меняется удельное сопротивление полупроводников: при нагревании? При освещении?
2. Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю? (нет, с понижением температуры сопротивление кремния увеличивается).

На рисунке 192 изооражена схема полупроводника, правая часть которого содержит донорные примеси и поэтому является полупроводником я-типа, а левая - акцепторные примеси и представляет собой полупроводник -типа. Электроны изображены цветными кружками, а дырки - черными. Контакт двух полупроводников называют - -переходом.

Включим полупроводник с -переходом в электрическую цепь (рис. 193). Подключим сначала батарею так, чтобы потенциал полупроводника -типа был положительным, а -типа - отрицательным. При этом ток через -переход будет осуще ствляться основными носителями: из области в область электронами, а из области в область -дырками (рис. 194). Вследствие этого проводимость всего образца будет большой, а сопротивление - малым.

Рассмотренный здесь переход называют прямым. Зависимость силы тока от разности потенциалов - вольт-амперная характеристика прямого перехода - изображена на рисунке 195 сплошной линией.

Переключим полюса батареи. Тогда при той же разности потенциалов сила тока в цепи окажется значительно меньшей, чем при прямом переходе. Это обусловлено следующим. Электроны через контакт идут теперь из области в область а дырки из области в область Но ведь в полупроводнике -типа мало свободных электронов, а в полупроводнике типа мало дырок. Теперь переход через контакт осуществляется неосновными носителями, число которых мало (рис. 196). Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление - большим. Образуется так называемый запирающий слой. Этот переход называют обратным. Вольт-амперная характеристика обратного перехода изображена на рисунке 195 пунктирной линией.

План – конспект

урока по физике

Тема урока: Электрический ток через контакт полупроводников р и n типа.

Полупроводниковый диод.

Тема урока . Электрический ток через контакт

полупроводников p и n типов.

Полупроводниковый диод.

Цель урока : объяснить механизм прохождения электрического тока через контакт полупроводников р и n типов, рассмотреть прямой и обратный переход, изучить устройство и принцип действия полупроводникового диода, повторить ранее изученный материал используя опорные конспекты и ТСО.

Задачи урока:

Образовательные - создать условия для усвоения нового учебного материала, используя проблемное обучение;

Ввести понятия прямой и обратный переход, полупроводниковый диод;

Развивающие – развивать творческую и мыслительную деятельность учащихся на уроке с помощью решения задач исследовательского характера, интеллектуальные качества личности школьника такие, как самостоятельность, способность к оценочным действиям, обобщению, быстрому переключению; способствовать формированию навыков самостоятельной работы; формировать умения чётко и ясно излагать свои мысли.

Воспитательные - прививать культуру умственного труда, прививать учащимся интерес к предмету с помощью применения информационных технологий(с использованием компьютера); формировать умения аккуратно и грамотно выполнять математические записи.

Оборудование : опорные конспекты, набор полупроводниковых

диодов, компьютеры с программой

«Открытая физика».

Этапы урока

Время,

мин

Приемы и методы

1.Повторение ранее изученного материала

2. Изучение нового материала: электрический ток через контакт полупроводников

р и n типа. Полупроводниковый диод.

3. Формирование умений и навыков.

4. Первичная проверка усвоения знаний. Рефлексия.

5.Пвторение материала.

5. Подведение итогов.

6.Домашнее задание.

Беседа. Опрос по опорным конспектам.

Рассказ учителя. Беседа. Опорные конспекты. Показ пошаговой анимации.

Ответы на вопросы учащихся.

Опрос по опорным конспектам.

Программа «Открытая физика»

Сообщение учителя.

Запись на доске.

План урока

Ход и содержание урока.

Вводное слово учителя.

Проверка усвоения изученного материала.

1. Обзор темы « Законы постоянного тока » -- опорный конспект.

   Электрический ток в полупроводниках.

2.2.1 Строение полупроводников.

2.2.2 Электронная проводимость.

2.2.3 Дырочнач проводимость.

2.2.4 Примесная проводимость.

2.2.5 Донорные примеси.

2.2.6 Акцепторные примеси.

Опрос учащихся проводится с использованием опорных конспектов.

2.2.7 Физический диктант.

1. Что называется собственной проводимостью полупроводников?

2. При каких условиях чистые полупроводники становятся электропроводными?

3. Как зависит проводимость полупроводников от температуры?

4. Какую проводимость полупроводников называют электронной?

5. Как в чистом полупроводнике возникают "дырки"?

6. Какова природа тока в полупроводнике?

7. Как влияет на проводимость полупроводников наличие в них примесей?

8. При каком условии в примесном полупроводнике возникает электронная проводимость?

9. При каком условии в примесном полупроводнике возникает дырочная проводимость?

10. Как называются полупроводники, у которых основными носителями заряда являются электроны?

11. Как называются полупроводники, у которых основными носителями заряда являются дырки?

Изучение нового материала .

3.1Электрический ток через контакт полупроводников p и n типов (по опорному конспекту)

3.1.1 Электрические свойства "p-n" переходов.

"p-n" переход (или электронно-дырочный переход) - область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).
В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой.Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.
При прямом (пропускном) направлении внешнего эл.поля эл.ток проходит через границу двух полупроводников.
Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела.Электроны, переходя границу заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

При запирающем (обратном направлении внешнего эл.поля эл.ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.
Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны.. Запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

3.2 Полупроводниковый диод (опорный конспект).

Полупроводник с одним "p - n" переходом называется полупроводниковым диодом.

При наложении эл. поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико,
в обратном - сопротивление мало.


Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

3.3 Область применения полупроводниковых диодов .

Объяснение материала сопровождается демонстрацией полупроводниковых диодов. Слайд презентации.

....................

Закрепление материала.

Опорные конспекты.

Компьютеры – программа «Открытая физика».

Задание на дом : $73,74.

Подведение итогов.