0: Мы с вами изучили электрический ток в металлах, в жидкостях, в вакууме и сегодня приступаем к изучению электрического тока в материалах, которые, пожалуй, сейчас являются основой всей нашей электроники. Электрический ток.
1: В полупроводниках тема.
2: Электрический ток.
3: В полупроводниках.
4: Точка.
5: Собственная
6: И примесная.
7: Проводимость.
8: Электрический ток в полупроводниках, собственная и примесная проводимость, домашнее задание на завтра.
9: Конспект с 3 восклицательными знаками, потому что я вам расскажу больше, чем в книжке по мякишеву.
10: Параграфы 113 тире 115.
11: Задачи по Гельфгат.
12: С такими номерами 14 6 14 7.
13: 14 20.
14: 14.
15: 47.
16: И 14 48.
17: Это домашнее задание на завтра.
18: Ну что ж, слово полупроводники нам впервые встретилось в 8 классе. Мы говорили о том, что вещества можно разделить на проводники и диэлектрики. Проводники это вещества, в которых возможно
19: Направленное движение носителей заряда диэлектрики, это вещества, в которых невозможно направленное движение носителей заряда, но есть ещё такие вещества, которые называют полупроводниками и которые занима
20: Промежуточное положение между проводниками и диэлектриками что значит промежуточное положение?
21: Это значит, что в них все-таки возможно направленное движение носителей заряда, но оно как-то затруднено, что ли. А какая физическая величина может охарактеризовать способность вещества проводить электрический ток прово?
22: Либо мы больше привыкли. Нет, мы говорим о веществе, не о теле, да не о проводнике, а о веществе. Удельное сопротивление или удельная электропроводность. И вот у таких замечательных проводников, как металлы.
23: Удельное сопротивление 10 в минус 8.
24: Удельное сопротивление лежит в пределах 10, в минус 8, 10 в минус 6 ом на метр. Ну, например, у меди 1,7, если я не ошибаюсь, на 10 минус.
25: Мой ом на метр у изоляторов, то есть у диэлектриков, правильнее изолятор это тело, изготовленное из диэлектрика диэлектрики.
26: Удельное сопротивление диэлектриков лежит в пределах от 10 в 10 до 10, в 16 10, в 10 10, в 16 ом на метр. Ну а если
27: Взять вещества, которые мы называем полупроводниками. Нам ещё надо разобраться, что это за вещества, то их удельное сопротивление меняется от 10 в минус 3 до 10 в 7 полупроводники.
28: Удельное сопротивление лежит в пределах от 10 в минус 3 до 10, в 7 ом на метр у большинства.
29: И поэтому, казалось бы, можно было бы сказать, что полупроводниками являются вещества вот с таким диапазоном.
30: Удельного сопротивления, но на самом деле это будет неполная характеристика, крайне несовершенная. И к тому же она совершенно внешняя. Непонятно, что там внутри происходит, а наша задача изучить механизм тока переноса в полупроводниках. Это раз.
31: Во вторых, оказывается, что существуют так называемые высокоомные полупроводники, их ещё называют широкозонными. Почему они так называются? Я сейчас не буду пока говорить у высокоомных полупроводников удельное сопротивление. Может быть такое.
32: Же почти как у диэлектриков, то есть порядка 10 в 10, здесь они сшиваются. С другой стороны, существуют полупроводники, у которых с помощью специальных мер удаётся получить настолько маленькое удельное сопротивле.
33: Что оно будет таким примерно как у нихрома, то есть порядка 10 минус 6, то есть по удельному сопротивлению разделять металлы, диэлектрики, полупроводники. Это будет несовершенная классификация. А вот следу
34: Следующий шаг. Металлы обладают удельным сопротивлением, которое зависит от температуры. Мы с вами эту зависимость изучали, и мы знаем, что с Ростом температуры у металлов удельное сопротивление растёт. Если
35: Мы изобразим зависимость удельного сопротивления от температуры.
36: То у металлов эта зависимость выглядит вот так.
37: Если же провести эксперимент с полупроводниковыми материалами, ну, например, с германием, кремнием, углеродом, то оказывается, что их удельное сопротивление, во первых, оно больше, это видно из этих таблиц во вто.
38: Оно резко уменьшается с повышением температуры.
39: Полупроводники. Я буду вот так обозначать их сокращённо. Полупроводники здесь 0.
40: Это уже важное принципиальное отличие, это говорит о том, что разные механизмы тока переноса в металлах и в полупроводниках.
41: А скажите, а существуют ли ещё вещества, у которых удельное сопротивление также уменьшается с Ростом? Температуры у металлов нет? А что мы ещё изучали электролиты? Оказывается, что у
42: Электролитов с Ростом температуры. Удельное сопротивление тоже уменьшается. Если мы возьмём раствор медного купороса и его подогреем, то он лучше будет проводить электрический ток на морозе. Аккумуляторы автомобильные очень плохо работают, потому что электролит
43: Который Залит в них, имеет высокое сопротивление, удельное.
44: Холодно, но оказывается, что есть принципиальная разница между механизмом тока, переноса в полупроводниках и в электролитах, что является свободными носителями заряда в электролитах ионы, а в полупроводниках.
45: Свободными носителями заряда являются электроны. Итак, мы можем отнести к полупроводникам по внешним характеристикам, не интересуясь тем, что внутри вещества, у которых во
46: Первых токоперенос обусловлен направленным движением электронов, и, во вторых, удельное сопротивление уменьшается с Ростом температуры. Вот такую такое определение.
47: Полупроводников, когда ещё не было известно, что там происходит внутри, дал Абрам Фёдорович Йоффе.
48: Помните опыт милликен Йоффе. И вот, согласно определению Йоффе, давайте его запишем, можно сказать, следующее. К полупроводникам относятся вещества к
49: Полупроводникам относятся вещества, только перенос, в которых
50: Относятся вещества, только перенос в которых обусловлен направленным движением электронов, только перенос в которых обусловлен направленным движением электронов. Запятая обусло.
51: Направленным движением электронов запятая и удельное сопротивление уменьшается с Ростом температуры, и удельное сопротивление уменьшается с Ростом температуры.
52: Только перенос в которых обусловлен направленным движением электронов и удельное сопротивление уменьшается с Ростом температуры.
53: Это внешнее определение, пока мы не знаем, почему так, но можем сказать, что вот такие вещества мы будем называть полупроводниками. Но это не главное. Главная особенность полупроводников необычайная чувствитель.
54: К любым практически воздействиям. Высокая чувствительность к
55: 1. Первонаперво посмотрите, какая-то резкая зависимость. Оказывается, нагревая металл на 1 градус, вы измените его удельное сопротивление примерно на 1 273 увеличится оно. А если
56: Вы полупроводниковый материал нагреете на 1 градус, то его сопротивление может измениться на несколько процентов, даже там на десяток процентов, то есть необычайно высокая чувствительность к температуре, к изменению температур.
57: Раз полупроводниковый материал очень сильно меняет своё удельное сопротивление при изменении
58: Температурой этим можно пользоваться и существуют полупроводниковые приборы это просто кусочек полупроводника, к которому приделали 2 электрода, резистор, который используется для измерения температуры. Такие приборы называются термо.
59: Резисторы.
60: Терморезисторы.
61: Или ещё синоним термисторы, это тоже самое термисторы. Далее оказывается, если полупроводник освети.
62: Светом, то его удельное сопротивление тоже очень сильно меняется. Когда-то мне приходилось иметь дело с полупроводниками, которые называется сульфит кадмия кадмии на солнце. Его удельное сопротивление в 10000000 раз
63: Меньше, чем в темноте в 10000000 раз.
64: Значит, 2 особенность это высокая чувствительность к освещению.
65: К освещению. При этом полупроводниковые приборы, которые способны регистрировать изменения освещения и таким образом где-то использоваться, носят название фоторезисторы фото.
66: То резисторы.
67: Полупроводниковые приборы, оказывается, чувствуют магнитное поле.
68: К магнитному.
69: Полю такие приборы называются магниторезисторы.
70: И самое важное полупроводниковые материалы и структуры на их основе очень чувствительны к электрическому полю.
71: Эта чувствительность используется в таких полупроводниковых приборах, как полупроводниковые диоды.
72: Транзисторы.
73: И другие. Там есть тиристоры и другие полупроводниковые приборы. Раз полупроводники обладают такими богатыми свойствами. Понятно, что они используются очень широко. Современный век я люблю назы.
74: Кремниевым веком был когда-то каменный век, железный, бронзовый, а сейчас кремниевый век, потому что благодаря кремнию, на котором строится сейчас подавляющее большинство полупроводниковых приборов, существует вся наша электроника. Ну а
75: Теперь самое главное, нам нужно выяснить, почему полупроводниковые материалы обладают такими уникальными свойствами. Ну, для этого надо сразу сказать, что полупроводниковых материало
76: Очень много, во первых, во вторых, если уже забегать наперёд, оказывается, разницы между полупроводниками и диэлектриками качественной нет, то есть электронные процессы в диэлектриках и электронные процессы в полупроводниках.
77: Абсолютно идентичны. Я имею ввиду, кристаллические диэлектрики. Полимеры не в счёт, разница только качеств количественная, то есть просто напросто в диэлектриках свободных носителей заряда гораздо меньше, в полупроводниках больше.
78: Поэтому, например, в одесском университете была кафедра специализация, кафедра полупроводников и диэлектриков, там абсолютно одинаковые процессы, металл же отличается коренным образом от полупроводников и диэлектриков ещё.
79: Нужно сказать, что существуют элементарные полупроводники и сложные полупроводники, элементарные проводники.
80: Состоят из атомов 1 сорта. Это в 1 очередь углерод кремний германий.
81: Есть сложные полупроводники, сложные полупроводники, к ним относятся, ну, например, кадмии с сульфит, кадмия, цинк.
82: С цинк селен.
83: Тут огромное количество полупроводников. Это бинарные полупроводники, они состоят из атомов 2 сортов. Есть ещё Галия арсеникум. Очень важный полупроводник используется при изготовлении
84: Светоизлучающих структур, более сложные из атомов 3 сортов состоят, например, алюминий, галлий, арсеникум вот сложные полупроводники.
85: Кадмий ртуть теллур, кадмий ртуть теллур 1 время ожидали, что его будут использовать в приёмниках инфракрасного излучения. Он очень хорошо чувствует инфракрасные лучи.
86: Но беда в том, что он механически очень непрочный, его буквально вот ударил его и его все физические свойства, электрические свойства нарушаются. Мы с вами будем изучать элементарные полупроводники. Все.
87: Эти полупроводники находятся в 4 группе периодической системы элементов, то есть у них 4 валентных электрона. Валентность равняется 4. И вот давайте сейчас мы попробуем проанализировать, что происходит.
88: Внутри кристалла, состоящего из четырехвалентных атомов на примере кремния.
89: Сейчас нам придётся много рисовать.
90: 4 валентных электрона, они слабее всего связаны с ядром, и мы будем их изображать отдельно. Остальные части атомов кремния это четырехзарядный Ион. Он состоит из ядра и не входящих
91: Число валентных электронов, внутренних атомных слоёв. И вот рисуем ионы.
92: Здесь будет 2 рисунка.
93: 9 Ионов нарисуем у каждого атома кремния есть 4 валентных электрона, у соседа тоже, когда атомы кремния.
94: Объединяются в кристалл, то оказывается, что электроны валентные образуют электронные пары. Это ковалентная связь, вот такие электронные пары.
95: При этом нельзя сказать, какой из электронов в этой электронной паре, какому из Ионов или какому из атомов принадлежит.
96: То есть эти пары являются общественной собственностью.
97: Но они привязаны к ионам кремния.
98: Ну и тут тоже есть электронные пары, я их не буду показывать, чтобы не терять время.
99: Вот так, значит, здесь положительные ионы четырехзарядные.
100: И электроны, связанные в электронные пары.
101: Кремний. А теперь давайте поместим этот материал в электрическое поле, направленное, например, сюда.
102: Что будет, ничего не будет. Каждый электрон привязан к своей паре Ионов, и внешнее электрическое поле не способно эти связи разрушить. Поэтому такое
103: Существо будет прекрасным диэлектриком, тока нет.
104: Но так будет только при абсолютном нуле температуры т равняется нулю.
105: А теперь давайте начнём увеличивать температуру кристалла, при этом увеличивается энергия теплового движения. Так вот, оказывается, что у полупроводников энергия, которую необходимо
106: Сообщить, чтобы электрон оторвался и перешёл в пространство между ионами. Эта энергия не такая уж и большая, она порядка Десятых долей электрон вольта у кремния 1 целая.
107: 1 10 электрон вольта. У Германия 0,7 электрон вольта. Физики называют это шириной запрещённой зоны. Дело в том, что электрон не может иметь энергию, промежуточную между энергией. Вот здесь, в
108: Укреплённом состоянии и энергии в свободном состоянии происходит как бы скачок через так называемую запрещённую зону. Речь идёт о Чистых полупроводниках в полупроводниках с примесями. Там все интереснее. У диэлектриков ширина запрещённой зоны
109: Больше чем 2 3 электрон вольта. Все остальное точно также. Поэтому при комнатной температуре в полупроводниках, у которых вот эта своеобразная работа выхода не такая уж и большая по сравнению с диэлектриками при комнат.
110: Температуре. Некоторые валентные электроны уходят отсюда. И получается вот что.
111: Снова рисуем 9 Ионов.
112: Пишем здесь т не равно нулю. Вот эта связь не нарушена, а эта нарушилась. Электрон оказался вот здесь, здесь обе связи уцелели здесь.
113: Вот эта связь разрушилась, электрон оказался здесь, здесь все цело.
114: Здесь это цело, это нарушилось, здесь все цело, здесь все цело, здесь тоже здесь. Ну давайте вот тут нарушим ещё 1 электронную связь. Вот так тут разор.
115: Связь ковалентная, электрон оказался в свободном состоянии. Здесь тоже появился свободный электрон. Здесь есть
116: Если теперь включить электрическое поле.
117: То вот эти свободные электроны начнут двигаться.
118: Под действием электрического поля и потечёт ток, который называется электронный ток.
119: Ток есть.
120: Но я рассказал вам только часть истории. Дело в том, что вот эта область кристалла была электрически нейтральна. Вот сейчас здесь электрический заряд в среднем равен нулю, но теперь.
121: Теперь отсюда ушёл отрицательный заряд электрон. Здесь осталось свободное место в валентной связи. Давайте я его другим цветом буду показывать. Вот оно, и эта область теперь заряжена положительно.
122: Здесь тоже появилась область, в которой не скомпенсирован положительный заряд, поскольку отсюда ушёл электрон, здесь тоже положительно заряженная область, и здесь
123: И вот при образовании свободных электронов попутно образуются вот эти свободные места. Вакантное место в валентной связи, вакантное место валентной связи имеет своё довольно забавное название, оно
124: Называется дырка.
125: Итак, вот это свободный электрон.
126: А вот это дырка.
127: Это термин.
128: Запишите определение вакантное место в валентной связи называется дыркой. Вакантное место в валентной связи называется дыркой.
129: Так вот, оказывается, что если приложить электрическое поле в полупроводнике, то возможно не только движение свободных электронов, но и движение, направленное движение вот этих самых дырок его называют.
130: Дырочный ток. Давайте разберёмся. Итак, вакантное место в валентной связи называется дыркой. И вот давайте попробуем разобраться, что происходит, если в полупроводнике, содержащем дырки, а они появляются, как только мы подогреваем полу,
131: Проводник хотя бы до комнатной температуры. Что будет, если мы создадим электрическое поле, рассмотрим 1 цепочку атомов кремния? Вот 4 штуки.
132: Допустим, вот здесь образовалась дырка по причине того, что температура достаточно велика. Здесь свободный электрон, здесь свободный.
133: Не свободный, а электрон валентной связи. Вот так.
134: Теперь смотрите, допустим, вот эта дырка, так, здесь свободное место в валентной связи. Этот электрон тоже принадлежит отчасти этому атому, и он может
135: Не выходя в свободное состояние, перейти вот сюда.
136: Вот так.
137: Таким же успехом.
138: Это место может занять и этот электрон.
139: Но если мы создадим электрическое поле, направленное сюда,
140: То, чтобы этому электрону перейти, ему нужно двигаться в сторону электрической силы, которая направлена против поля, а этому электрону надо двигаться против электрической силы. Поэтому, скорее всего, эту дырку займёт вот этот электрон.
141: И чем это закончится? Тем, что отсюда электрон ушёл, но теперь дырка образовалась здесь нарисуем, что получится.
142: Теперь здесь электрон, а на этом месте?
143: Образовалась дырка.
144: Теперь.
145: Вот этот электрон тоже может занять место дырки, и таким образом дырка ведёт себя как свободный положительный заряд, она перемещается в направлении электрического поля. То есть получается
146: Так что в полупроводниковом материале, помимо движения свободных электронов, возможно направленное движение дырок такое направленное движение дырок называется дырочный ток дырочный.
147: Ток и дырка представляет собой такой вот своеобразный положительный заряд.
148: Дырку можно представить себе как пузырёк. Вот представьте себе, вода. В ней образовался пузырёк. Что такое пузырёк? Это отсутствие воды, но этот пузырёк ведёт себя как тело с отрицательной массой, если вода движется вниз под действие.
149: Силы тяжести, то пузырёк, если есть сила тяжести, всплывает, то есть движется в противоположном направлении. Точно также и дырка. Если электроны движутся против электрического поля, ведут себя как отрицательные частицы тоды.
150: Это частица, которая ведёт себя как положительно заряженная частица, хотя на самом деле это никакая не частица, это просто свободное место, но для объяснения различных электронных явлений можно пользоваться понятием.
151: Дырки. Теперь внимание. Мы взяли с вами чистый полупроводник, как только в следствии теплового движения появился свободный электрон. Попутно с ним
152: Появилась и свободная дырка такой полупроводник содержит одинаковое количество свободных электронов и свободных дырок полупроводник с одинаковым количеством свободных электронов и дырок называется собственный полупроводник.
153: Собственный полупроводник собственный полупроводник, в нём количество электронов и количество дырок одинаковы концентрацию свобод.
154: Электронов мы будем обозначать буквой n концентрация свободных электронов.
155: Концентрацию свободных дырок мы будем обозначать буквой п н от слова негатив п. От слова позитив, дырка заряжена положительно, концентрация свободных дырок.
156: В собственном полупроводнике.
157: Концентрация свободных электронов точно такая же, как концентрация свободных дырок. И обратите внимание на то, что с Ростом температуры эти величины увеличиваются, растут. Этим объясняется зави.
158: Зависимость электропроводности, уменьшение удельного сопротивления при увеличении температуры помните, мы с вами писали сила тока и равняется е н с в.
159: С Ростом температуры растёт концентрация.
160: Свободных носителей заряда скорость при этом заметно не меняется под действием электрического поля дрейфовая скорость остаётся неизменной.
161: А теперь попробуем ввести в полупроводниковый кристалл примесь у кремния валентность 4 можно использовать примесь, у которой валентность больше или меньше, если открыть.
162: Периодическую систему элементов кремний в 4 группе. А вот, например, если мы введём атом фосфора в кремний фосфор, имеет валентность 5, давайте посмотрим, что будет
163: Введём фосфор, валентность равняется 5 на место кремния.
164: Вот атомы кремния.
165: А вот атом фосфора, точнее, это Ион фосфора.
166: Нарисуем валентные связи.
167: Электронные пары.
168: Но только обратите внимание, что у кремния 4 валентных электрона, AUFOSFORAEH5 вот атом фосфора, в таком случае 4 из 5 валентных электронов.
169: Образуют вот эти ковалентные связи, a5 электрону нет пары, и 5 электрон оказывается лишним.
170: Оказывается, достаточно энергии в сотые доли электрон вольта, чтобы этот электрон оторвался от атома фосфора, в результате атом фосфора превратится в Ион, а электрон будет.
171: Свободно блуждать по кристаллу. Такое появление электрона сопровождается появлением дырок. Нет. Более того, если задуматься, то оказывается, что появление вот этих дополнительных электронов снижает концентра.
172: Дырок в полупроводнике. Дырки образуются вот по Такому механизму, но если появляется дополнительное количество электронов, то эти электроны могут занять место дырок. Это явление называется рекомбинацией, и в этом случае концентрация дырок уменьшается, но для
173: Для нас важно сейчас другое. Такая примесь, валентность которой больше способна поставлять электроны в кристалл. Такая примесь, поставляющая электроны, называется донорная, примесь донорная. Примесь.
174: Полупроводник, у которого вводят донорные примеси, обладает тем свойством, что концентрация электронов у него гораздо больше, чем концентрация свободных дырок, поэтому такой полупроводник называется
175: Электронный полупроводник.
176: Электронный полупроводник или же, или полупроводник n типа n, полупроводник полупроводник n типа электронный полупроводник это все си.
177: Это полупроводник, в который введена донорная примесь, что такое донор? Это примесь, способная поставлять электроны. Дырки. При этом не появляются только свободные электроны. Итак, в собственном полупроводнике электронов и дырок по
178: Равно в полупроводнике с донорной примесью электронов больше, чем дырок. А теперь возьмём периодическую систему элементов и посмотрим, что находится не правее крем.
179: Правее фосфор, а левее там находится алюминий, алюминий, трехвалентный алюминий.
180: Валентность равняется 3 на месте кремния введём в кристаллическую решётку примесь алюминия, атомы кремния рисуем, как и раньше.
181: А в центре нарисуем атом алюминия. Вот валентные связи между атомами кремния тут все в порядке.
182: А теперь займёмся атомом алюминия у атома алюминия 3 валентных электрона, а вокруг него 4 атома кремния. 1 атому кремния алюминий предоставляет свой электрон.
183: Осталось 2 2 атому кремния алюминий предоставляет свой электрон для образования, электронной связи, парной электронной связи, 3 атому предоставляет электрон четвер.
184: Атом кремния хочет, так сказать, не говоря физическим языком, способен образовать парно электронную связь с атомом алюминия, у него уже нет электронов.
185: Кончились их всего 3, а надо 4. Что же делать? Оказывается, возможна следующая ситуация. Вот отсюда рядышком электрон перейдёт и займёт вот это место.
186: При этом что здесь образуется?
187: Здесь образуется вакантное место валентной связи, то есть дырка.
188: А свободных электронов не появляется, потому что вот этот электрон, он не освободился, как в собственном полупроводнике, а он пристал к атому алюминия, то есть атом алюминия захватывает электроны захва.
189: Поэтому его называют акцептором. Ту акцепт принимать примесь алюминия акцепторная примесь.
190: Акцепторная примесь.
191: Эта примесь способна захватывать электроны, но взять то их откуда можно, только с валентных связей. При этом образуются дырки, причём не какие-нибудь, а дырки свободные. Они дальше могут путешествовать по тому механизму, который я описал. Поэтому
192: Концентрация свободных дырок в таком полупроводнике с акцепторной примесью гораздо больше концентрации свободных электронов, и такой полупроводник называется дырочным полупроводником.
193: Или полупроводник.
194: П типа полупроводник p типа или p полупроводник?
195: В нём концентрация свободных дырок гораздо больше концентрации свободных электронов вот такие 2 типа полупроводников мы можем получить, внося донорную примесь валентность которой больше, чем валентность.
196: Кремния, или, говорят, валентность матрицы и акцепторная примесь валентность которой меньше, чем валентность матри матрицы, способна превратить собственный полупроводник в дырочный, и вот оказывается именно тот факт.
197: Что в полупроводниках за счёт направленного движения электронов можно говорить о существовании 2 сортов зарядов, электронов и дырок именно существование 2 типов проводимости и делает возможным создание са.
198: Самых разнообразных полупроводниковых приборов, часть из которых мы с вами рассматриваем, в частности, на следующем уроке. Сейчас будет звонок. Через 20 секунд перерыв.