» » » Напівпровідникові матеріали

Напівпровідникові матеріали

Однак напівпровідники відрізняються від металів і діелектриків не тільки величиною електропровідності. Основною властивістю напівпровідникових матеріалів є різка зміна провідності їх під дією таких зовнішніх факторів, як температура, освітленість, напруженість і т. Д..

До напівпровідникових матеріалів відносяться телур, сполуки сірки, селену, телуру з металами (PbS, PbSe, PbTe, CdS), деякі оксиди і карбіди (Cu20 MnO, TiC і ін.), А також металеві з'єднання (AlSb, InSb, Mg3Sb і ін).

У металах провідність струму здійснюється вільними електронами. У напівпровідникових матеріалах вільних електронів теоретично не повинно бути. Для того щоб залишити атом, електрон повинен подолати силу зв'язку, для цього необхідна додаткова енергія. Наприклад, якщо елемент - напівпровідник нагрівати, то тепловий рух атомів посилюється, парноелектронную зв'язку поступово слабшають і, нарешті, настає момент, коли зв'язок в деяких місцях порушується і звільнені електрони хаотично пересуваються в кристалічній решітці. Тому навіть при кімнатній температурі напівпровідники мають електропровідністю, яка різко збільшується при нагріванні в зв'язку зі зростанням числа вільних електронів в десятки тисяч (при 200 ° С) і в сотні мільйонів (при 800 °) раз. При цьому електропровідність напівпровідників наближається до провідності металів.

Напівпровідникові матеріали

Мал. 1. Залежність електропровідності напівпровідникових матеріалів від зовнішніх факторів

Електропровідність напівпровідників складається з доречний і електронної.

Діркова провідність складається в «переміщенні» позитивного іона (дірки) від одного атома до іншого за рахунок порушення парноелектронную зв'язку, освіти вільних електронів і переходу їх від одного атома до іншого.

У процесі теплового руху переміщення дірки є хаотичним. Однак, якщо помістити напівпровідник в електричне поле, то рух дірок буде спрямованим. Вільні електрони, переміщаючись, також здійснюють провідність, звану електронної. Електронна і діркова провідність можуть бути рівними за величиною тільки в ідеально чистому елементі. Якщо в матеріалі присутній хоча б незначна кількість домішок, то одна з проводимостей може виявитися переважною. На практиці в залежності від вимог можна створювати ту чи іншу провідність. Наприклад, якщо взяти чистий германій - чотиривалентний елемент з домішкою пятивалентного миш'яку, то при заміщенні чотирьохвалентного атома германію пятивалентного атомом миш'яку тільки чотири електрона останнього будуть брати участь в парно-електронних зв'язках, а п'ятий виявляється дуже слабо зв'язаної і легко стає вільним. Отже, германій з домішкою миш'яку буде володіти електронну провідність, 'або провідністю типу - п. Подібна домішка, що дає надлишок електронів в напівпровідниках, називається донорной.

Для створення переважно доречний провідності необхідно в якості домішки вводити елемент з меншою валентністю. В цьому випадку домішка називається акцепторной, а матеріал в цілому - напівпровідником діркового, або р-типу. Для германію такий домішкою може служити, наприклад, індій або будь-який інший елемент III групи періодичної системи. Зміною кількості домішки можна впливати на провідність напівпровідника, але тільки при постійній температурі. Властивість полупроводіков мати ту чи іншу провідність використовується при виготовленні випрямлячів, підсилювачів і генераторів струму.

Напівпровідникові випрямлячі утворюються шляхом з'єднання разом (в стик) напівпровідників з електронною (л) і доречний (р) провідністю. При цьому на кордоні їх зіткнення утворюється так званий р-n-перехід, по одну сторону якого має місце надлишок електронів, а по іншу - надлишок дірок.

В результаті дифузії дірок і електронів назустріч один одному межа напівпровідників позбавляється вільних носіїв заряду і електропровідність її погіршується. Добутий шар з високим опором називається запірним. Цей шар проводить електрику тільки в тому випадку, коли струм тече від напівпровідника з доречний до напівпровідника з електронною провідністю. При цьому запірний шар збагачується носіями зарядів і має гарну провідність.

Якщо випрямляч включений так, що струм повинен текти від електронного до діркового напівпровідника, то запірний шар збіднюється носіями зарядів, опір його зростає і струм припиняється. Одностороння провідність струму в напівпровідниках з р-л-переходом використовується для випрямляча змінного струму. В даний час промисловість випускає селенові, меднозакісние, германієві і кремнієві випрямлячі (діоди); параметри і властивості їх різні.

Напівпровідникові матеріали

Мал. 2. Схеми діода:
а- без включення; б - при прямому включенні; в - при зворотному включенні

Германієві випрямлячі знайшли застосування порівняно недавно. Для виготовлення їх вживається можливо більш чистий германій у вигляді монокристала, що володіє електронною провідністю. Кристал розрізається на невеликі тонкі пластинки, в які вводиться домішка елемента III групи періодичної системи, наприклад індію. Введення цієї домішки забезпечує створення в германии доречний провідності. Глибина проникнення домішок повинна бути невеликою. Коефіцієнт корисної дії германієвих випрямлячів досягає 98%.

Напівпровідникові підсилювачі (тріоди) на відміну від діодів складаються з трьох «шарів». Взаємне розташування їх повинно бути таким, щоб два шари з однаковою провідністю були розділені шаром з іншим видом провідності. Залежно від компоновки шарів розрізняють два типи тріодів р-п-р і п-р-п (рис. 3 а і б). По суті триод являє собою композицію з двох діодів, з'єднаних послідовно назустріч один одному. Щоб триод почав підсилювати, його необхідно з'єднати з двома зовнішніми джерелами струму, як показано на рис. 3 е. Між лівим і середнім напівпровідниками ток прикладений в напрямку малого опору, а між правим і середнім - в напрямку щодо великого опору. Перехід р-п, що включається в прямому напрямку, називається емітерним, а перехід п-р, що включається в зворотному на правлінні - колекторним. Середній напівпровідник називає ся підставою або базою. У техніці широко застосовують герма ніевие і кремнієві напівпровідникові підсилювачі.

Напівпровідникові матеріали

Мал. 3. Схема тріода:
а - типу р-п-р б-типу п-р-п; в - при включенні в електричний ланцюг

Термістори є напівпровідникові термо, опору, в яких використовується властивість напівпровідників збільшувати електропровідність при нагріванні {рис. 199) Як матеріали для термісторів використовують суміші оксидів деяких металів. Наприклад, двоокис титану змішують з окисом магнію, закис нікелю з оксидом літію, оксид марганцю і окисел нікелю з оксидом кобальту і т. Д. Більшість термосопротивлений надійно працюють при температурі не вище 300 °. Вітчизняна промисловість випускає до ста різних типів термісторів ТС.

Медномарганцовістие ММТ і кобальтомарганцовістие КМТ термістори застосовують для температурних вимірювань, для контрольно-вимірювальних приладів, а також для стабілізації напруги.

Фотосопротивления ФС засновані на властивості напівпровідників збільшувати електропровідність під дією світла. При опроміненні, т. Е. При поглинанні фотонів, в напівпровіднику з'являються додаткові електрони і дірки, звані нерівновагими носіями. Додаткова провідність, що виникає в цьому випадку, носить назву фотопровідності.

Фотосопротивления в основному виготовляються з сірчистого свинцю, сірчистого вісмуту і сірчистого кадмію. Вони мають маркування ФВА ,. ФСБ ,. ФСК відповідно. Напівпровідники ФВА застосовують замість вакуумних фотоелементів в звукових кіно, ФСБ використовують в приладобудуванні і в фотоелектричної автоматиці, фотосопротівленіе ФСК застосовують як фотореле завдяки їх високої чутливості.



Схожі публікації по темі: