Примеси атомы которых отбирают электроны называются

Полупроводники. Механизм проводимости полупроводников.

Полупроводниковый материал- это материал, который по своей электронной проводимости занимает место между металлами и диэлектриками. Разная величина проводимости у металлов, полупроводников и диэлектриков, обусловлена разной величиной энергии, которую необходимо затратить, на то чтобы освободить валентный электрон от связей с атомами расположенными в узлах кристаллической решётки, причем проводимость полупроводников в значительной степени зависит от наличия примесей, освещения и температуры.

В кристаллической решётке полупроводника каждый атом окружается четырьмя одинаково удалёнными атомами и связан с этими атомами силами ковалентных связей, при ковалентной связи каждая пора валентных электронов по одному от каждого атома принадлежит в равной мере двум соседним атомам и образует связующую атомы силу.

В кристалле чистого полупроводника при температуре абсолютного нуля, все электроны принимают участие в образовании ковалентных связей и по этому не могут принимать участие в процессе проводимости. По этому при температуре абсолютного нуля проводимость полупроводника равна нулю.

С увеличением температуры, под действием света, разного рода излучений, некоторые валентные электроны получают энергию достаточную для преодоления силы связи с атомами и становятся свободными. Свободные электроны находятся в состоянии хаотического движения вызванного тепловыми колебаниями атомов кристаллической решётки. При отсутствии влияния электрического поля, средняя скорость движущихся электронов равна нулю. При приложении внешнего поля к полупроводнику средняя скорость движения электронов в направлении поля, будет отлична от нуля и пропорциональна напряженности приложенного поля, это движение электронов и даёт электрический ток.

Проводимость, обусловленная перемещением свободных электронов, называется электронной.

Кроме перемещения свободных электронов в полупроводниках возможен ещё один качественно иной способ перемещения электронов. Одновременно с появлением свободных электронов возникают незаполненные связи вблизи тех атомов, от которых отделились электроны. Отсутствие электрона в атоме полупроводника, то есть наличие в атоме положительного заряда, называется «дыркой». Электрон из соседней ковалентной связи может переместится на вакантное место той связи, из которой электрон улетел, а на его место может прийти другой соседний электрон и так далее. Перемещение, возможно, потому что дырка имеет положительный заряд и может притянуть к себе электрон из соседнего атома. Поочерёдное перемещение связанных электронов принято рассматривать как перемещение дырок в обратном направлении, такую проводимость называют дырочной. Однако в отличие от свободных электронов, дырочная проводимость значительно меньше, а направление их движения противоположно движению свободных электронов.

Процесс образования пар: электрон – дырка, протекающий в результате разрыва ковалентной связи называется генерацией. Одновременно с процессом генерации пар, в полупроводнике идёт процесс рекомбинации, то есть процесс соединения свободных электронов и дырок. В стационарном состоянии рекомбинация уравновешивает генерацию, то есть скорости этих процессов равны и зависят от концентрации электронов и дырок. Таким образом, в чистом полупроводнике при обычных условиях, проводимость, обусловленная наличием свободных электронов и дырок, значительно меньше проводимости металлов, так как в металлах число свободных электронов не меньше числа атомов, в то время как в чистом полупроводнике их число составляет 0,0000001% от общего числа атомов.

Чистые полупроводники, в полупроводниковых приборах практически не применяются, так как обладают малой проводимостью и не обеспечивают односторонней проводимости. Техническое применение получили полупроводники, в которых в зависимости от рода введенной примеси преобладает либо дырочная, либо электронная проводимость.

Если в кристаллическую решётку четырёх валентного германия ввести примесь атомов пятивалентного элемента, например сурьма или мышьяк, то четыре электрона примут участие в образовании связей с четырьмя соседними атомами, а пятый окажется избыточным, он слабо связан с атомом и легко становится свободным. При этом атом примеси превращается в положительный неподвижный ион. Увеличивая концентрацию свободных электронов, увеличивается вероятность рекомбинации, поэтому концентрация не основных дырок уменьшается. При нормальной температуре практически все атомы примеси превращаются в неподвижные ионы, а число свободных электронов значительно превышает число дырок, такой полупроводник остаётся химически нейтральным, основными носителями зарядов в таком полупроводнике являются электроны, поэтому он называется полупроводником «n»- типа, не основными носителями зарядами в нём являются дырки. Примеси, у которых атомы отдают электроны, называются донорами.

При введении примеси трёхвалентного элемента (алюминий), три валентных электрона каждого атома примеси, принимают участие в образовании только трёх ковалентных связей, а для четвёртой связи атом примеси забирает электрон из какой либо другой связи, образуя при этом дырку, при этом атом примеси превращается в отрицательно заряженный неподвижный ион. Таким образом, трёхвалентная примесь увеличивает количество дырок, что в свою очередь уменьшает концентрацию не основных электронов. Основными носителями заряда являются дырки, поэтому такой полупроводник называется «p»-типа, не основными заряда являются электроны. Вещества, которые отбирают электроны из атомов полупроводника, называются акцепторами.

Концентрация основных носителей определяется концентрацией примеси и практически не зависит от температуры, так как уже при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, а число основных носителей за счёт генерации пар электрон дырка с ростом температуры пренебрежительно мало, по сравнению с общим числом основных носителей.

В тоже время концентрация не основных носителей мала, и так как она обусловлена генерацией пар, то сильно зависит от температуры, и увеличивается примерно в «е» раз при повышении температуры на каждые 10 градусов.

Практическое исследование вольт — амперной характеристики полупроводникового диода

1. Цель работы:

Изучение и практическое исследование работы и характеристики полупроводникового диода. Общие сведения о полупроводниковых диодах. При разработке и построении разнообразных электронных устройств полупроводниковые диоды находят самое широкое применение. Полупроводниковые диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов – германия и кремния. Соответственно, полупроводниковые диоды делятся на германиевые и кремниевые. На рис. 1 показана структура атома чистого полупроводника. В валентной зоне по определённым орбитам вокруг ядра вращаются электроны. Общий отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. В результате атом полупроводника является электрически нейтральным. Между зоной проводимости и валентной зоной находится запрещенная зона, в пределах которой не могут длительное время находиться электроны, покинувшие по какой-либо причине валентную зону. При t = 0 К зона проводимости полупроводника пуста. В этом случае полупроводник является диэлектриком. С ростом температуры электроны валентной зоны могут преодолеть запретную зону и попасть в зону проводимости. При этом полупроводник начинает проводить электрический ток это собственная проводимость полупроводников. Удельная электрическая проводимость чистых полупроводниковых материалов колеблется в пределах 10 -10 – 10 4 См/см. Природа собственной проводимости заключается в следующем. Электроны, вращающиеся вокруг ядра атома полупроводника, могут находиться на различных орбитах (оболочках). В атоме германия всего 32 электрона, из них 28 находятся на внутренних орбитах и прочно удерживаются. У кремния всего 14 электронов, из них 10 находятся на внутренних орбитах. Во внешних оболочках атомы германия и кремния имеют по четыре электрона, слабо удерживаемых на орбитах. Именно эти четыре электрона атома германия и кремния могут покинуть свои орбиты и стать свободными. Если электрон покидает атом и попадает в зону проводимости, то атом становится положительно заряженным, и говорят, что образовалась дырка, положительно заряженная. Ее может заместить другой электрон. Таким образом, в материале идет процесс образования дырок и хаотическое движение электронов. При этом средний ток равен нулю. При t > 0 К свободные электроны и дырки образуются попарно. Этот процесс называется генерацией пары. Процесс захвата дыркой свободного электрона называется рекомбинацией. Промежуток времени с момента генерации зарядов до их рекомбинации называется временем жизни. Под действием внешнего электрического поля заряды в полупроводнике начинают двигаться, т. е. появляется собственная проводимость или дрейф. Созданный дрейфом зарядов ток называется дрейфовым. Электрические свойства полупроводников зависят от содержания в них атомов примесей. Примеси делятся на донорные и акцепторные. Донорные примеси. В качестве донорной примеси для германия и кремния используется сурьма, у каждого атома которой на внешних орбитах имеется по пять электронов, слабо связанных с ядром. При малом содержании примесей атомы примеси взаимодействуют с атомами полупроводника только четырьмя своими электронами, отдавая пятый в зону проводимости. Чем больше примесей, тем больше свободных электронов. В таком полупроводнике ток создается движением электронов. Это полупроводники n-типа («негатив» – отрицательный) с электронной проводимостью. Акцепторные примеси. Примеси, атомы которых отбирают электроны у полупроводника и создают примесную дырочную проводимость, называются акцепторными. В качестве акцепторных примесей обычно используют индий, у которого каждый атом имеет три электрона на внешних орбитах. Если в чистый полупроводник ввести атомы индия, то для полной связи с атомами полупроводника нужны четыре электрона, т. е. одного электрона не хватает, и в этом месте образуется дырка, которая может быть заполнена электроном. Чем больше будет примеси индия, тем больше будет не хватать электронов, и электроны могут двигаться от дырки к дырке. Это полупроводники с дырочной проводимостью p-типа («позитив» – положительный). Основные свойства р-n-перехода. Если соединить полупроводники различной проводимости, то граничный слой между двумя областями называется p—n-переходом (электронно-дырочный переход, рис. 2). Если на полупроводники подать от источника электроэнергии постоянное напряжение таким образом, что положительный потенциал будет приложен к полупроводнику n-типа, а отрицательный потенциал к полупроводнику p-типа (рис. 3), то электроны в полупроводнике n-типа оттянутся к положительному полюсу, а дырки в полупроводнике p-типа к отрицательному полюсу. При этом p—n-переход расширяется и превращается в область, практически лишенную свободных зарядов. В результате ток в полупроводнике отсутствует. В этом случае говорят, что p—n-переход закрыт и обладает большим сопротивлением (обратное смещение p—n-перехода). При смене полярности источника электроэнергии (рис. 4) дырки и электроны начнут встречно двигаться, рекомбинируя в зоне p—n-перехода. Таким образом, в замкнутой цепи появится прямой ток I_ПР, величина которого зависит от ЭДС источника электроэнергии E (p—n-переход смещен в прямом направлении). На рис. 5 дано обозначение диода на электрических принципиальных схемах. На рис. 6 показана вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода. При малых значениях E зависимость величины тока I_ПР от E носит нелинейный характер.

1. Схема:

Рис. 7 Схема цепи.

1. Таблицы:

Uист, В	0	0,2	0,4	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,2	1,4
Iд, мА	0	0,15	5,56	15,579	31,157	45,252	60,274	76,039	106,825	139,095
Uд, В	0	0	0,399	0,59	0,67	0,76	0,84	0,93	1,1	1,3

Uист, В	-1	-2	-3	-4	-5	-6	-7	-8	-9	-10	-11	-12
Iд, мА	0	0	0	0	0	-115,7	-272	-447	-614	-777	-943	-1104
Uд, В	0	0	0	0	0	-5,9	-6,7	-7,8	-8,4	-10,1	-10,2	-11

1. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

Рис 8. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода(Прямая ветвь) Рис 9. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода(Обратная ветвь)

1. Вывод:

Проделав лабораторную работу, было выяснено, что p-n-переход как область, обеднённая основными носителями, следовательно, имеющая большое сопротивление, исчезает. В результате резко увеличивается ток основных носителей через переход и начинает протекать прямой ток, величина которого определяется законом Ома.

14.03.2016 1.46 Mб 758 Эл мат Конспект лекций 40.doc
02.04.2015 19.63 Кб 26 Электрический ток и его влияние на человека.docx
14.03.2016 592.37 Кб 124 электричество и магнетизм лабораторный практимум.pdf
02.04.2015 139.64 Кб 45 Электродинамика_Л7.docx
02.04.2015 5.1 Mб 74 Электромеханические измерительные механизмы.doc
02.04.2015 485.38 Кб 40 электроника1.doc
02.04.2015 386.81 Кб 54 Электронные приборы_лаборатория.pdf
02.04.2015 56.29 Кб 29 ЭЛЕКТРОННЫЕ СУПЕРМАРКЕТЫ.docx
14.03.2016 387.58 Кб 153 Элмат справочник.doc
02.04.2015 669.61 Кб 27 элтех01-04.pdf
02.04.2015 61.04 Кб 23 эмоции.docx
Ограничение

Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:

Примеси атомы которых отбирают электроны называются

1. Добавим к атомам германия небольшое количество атомов мышьяка. Четыре из пяти валентных электронов мышьяка идут на образование ковалентной связи с соседними четырьмя атомами германия, а пятому не повезло, он остался один. Введение примеси искажает поле кристаллической решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетических уровней пятых электронов мышьяка. В случае германия с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ΔЕ_D = 0,013 эВ (рис 7). Так как эта ΔЕ_D < kT, то уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в проводимости не участвуют.
Запомните, что как называют. В полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, основными носителями заряда являются электроны; возникает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками n-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами.
Вместе с тем, полупроводники есть полупроводники и процессы генерации небольшого количества собственных электронов и дырок никуда не исчез. Если такой полупроводник подключить к источнику тока, то в нём возникнет электрический ток за счёт основных носителей зарядов — электронов (эп) донорной примеси, а также неосновных носителей — электронов (эс) и дырок (дс): I = I_эп + I_эс + I_дс.
На рис. 7 мы видим, что при введении донорной примеси в чистый полупроводник чуть ниже по энергии зоны проводимости появляются дополнительные подуровни для пятых электронов примеси. Напоминаем, по вертикали отложена энергия электронов, а не расстояние до ядра. Поскольку атомы примеси малочисленны, то уровни эти не объединены в общую зону, а привязаны к своим атомам. Их отстояние от зоны проводимости так мало, что в подавляющем большинстве электроны с этих примесных уровней легко переходят в зону проводимости, становясь свободными (найдите их на рисунке 8), и могут участвовать в переносе заряда и образовании электрического тока. При этом дырок не образуется, ибо эти электроны не образуют ковалентную связь. Параллельно с этим происходит генерация тепловых электронов и дырок, а также обратный процесс их рекомбинации (сумейте это подробно разглядеть на рис. 8).
На рисунке 9. мы видим, что при включении электрического поля в примесном полупроводнике донорного типа основной ток создаётся примесными электронами (основные носители заряда, изображены черными тосками), а также в малой степени тепловыми дырками (не основными носителями заряда, изображены выколотыми точками). Для упрощения мы не стали изображать поток электронов в подводящих проводах, но это не значит, что в них тока нет. Также мы упрощённо изобразили перемещение дырок (на самом деле перемещение дырок есть результат перескока электронов от дырки к дырке, как мы видели раньше). Не основные носители рождаются спонтанно, а основные не рождаются, они уже есть из-за наличия приммесей.

2. Добавим к атомам германия небольшое количество атомов индия. Три валентных электрона индия идут на образование ковалентной связи с соседними тремя атомами германия, а для четвертой связи не хватило одного электрона — у индия их всего три. Введение трехвалентной примеси в решетку германия приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня, не занятого электронами. В случае германия с примесью индия этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии ΔЕ_А =0,08 эВ (рис. 10). Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами индия, теряют способность перемещаться по решетке германия, т. е. в проводимости не участвуют. Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне. Эти носители тока называются основными. Не забудем, кроме основных носителей в полупроводнике, конечно, имеются и неосновные носители: I = I_дп + I_эс + I_дс.
Запомните, что как называют. В полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомом, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость (проводимость р-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводниками р-типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами.
На рис.10 мы видим, что чуть выше валентной зоны появляются подуровни для четвёртыз электронов примеси, но поскольку этих четвёртых нет в природе акцепторной примеси, то они остаются незаполненными, образуются дырки. Место для электронов есть, а электронов на них нет). Поскольку эти уровни лежат близко к валентной зоне, электронам из неё не стоит труда перескочить выше, заняв свободные места на примесных уровнях. Но тогда на их старом месте образуется новая дырка.
И хотя дырки, как мы уже знаем, привязаны к своим атомам также, как электроны, находящиеся на примесных уровнях, мы также помним, что дырки могут виртуально перемещаться за счёт перескока электронов от дырки к дырке, ведь это почти не требует дополнительной энергии.
На рис 11 сумейте понять, что с ними происходит, соотнеся описанные выше процессы с событиями на рисунке, где работают примесные уровни, а где генерация — рекомбинация под действием температуры.
Заметим, электроны на примесных уровнях никуда сдвинуться не могут, разве что опуститься по энергии вниз, рекомбинируя с подвернувшейся дыркой.
Так образуется дырочный ток в акцепторном проводнике (см. рис. 12). Перемещение дырок здесь ещё раз показано подробно, как рождение новой пары дырка-электрон и заполнение старой дырки на пути движения электрона. Перескакивая от одной дырки к другой, электрон движется в одну сторону, а дырка как бы в другую. Неосновные носители, возникающие из-за теплового движения атомов в небольшом количестве, также участвуют в переносе электрического заряда.

Напоследок глоссарий для точного понимания и правильного словоупотребления.
Дырка — это способ описания коллективного движения большого числа электронов в не полностью заполненной валентной зоне.
Электрон — это частица, дырка — это квазичастица. Электрон можно инжектировать (реально добыть) из полупроводника или металла наружу (например, с помощью фотоэффекта), дырка же может существовать только внутри полупроводника.
Легирование — введение примеси в полупроводник, в этом случае полупроводник называется примесным.

Счастливых открытий!

А к чему это всё?, Ну, примеси, ну, проводимость. А вот тут-то и начинается самое интересное. Ищите его на следующей странице!. А пока проверьте себя, как вы усвоили тему. Правильные ответы будут отмечены зелёной птичкой, а неправильные красным крестиком, когда вы в конце нажмёте кнопку «Отвечаю». Дробные числа вводятся через точку.

1. Какими частицами создается электрический ток в металлах?
1) электронами и положительными ионами;
2) положительными и отрицательными ионами;
3) протонами и электронами;
4) положительными и отрицательными ионами и электронами;
5) среди этих ответов нет правильного.

© Н.В. Смирнов. 2020.

Полупроводниковые диоды

Внимание! Все тесты в этом разделе разработаны пользователями сайта для собственного использования. Администрация сайта не проверяет возможные ошибки, которые могут встретиться в тестах.

Тест по учебной дисциплине Электротехника для студентов второго курса СПО
Система оценки: 5* балльная

Список вопросов теста

Вопрос 1

Полупроводники по проводимости находятся . ..

Варианты ответов

• между диэлектриком и проводником
• выше проводников
• ниже диэлектриков

Вопрос 2

Примеси, атомы которых отдают электроны называются:

Варианты ответов

• Донорами
• электронной примесью
• акцепторами
• дырочной примесью

Вопрос 3

Примеси, атомы которых отбирают электроны называются:

Варианты ответов

• Донорами
• электронной примесью
• акцепторами
• дырочной примесью

Вопрос 4

Полупроводники с преобладанием дырочной проводимостью называются:

Варианты ответов

• полупроводниками р-типа
• полупроводниками n-типа
• полупроводниками р-n типа
• полупроводниками n-р тип

Вопрос 5

Полупроводники с преобладанием электронной проводимостью называются

Варианты ответов

• полупроводниками р-типа
• полупроводниками n-типа
• полупроводниками р-n типа
• полупроводниками n-р типа

Вопрос 6

p — n переход образуется при контакте:

Варианты ответов

• полупроводник- полупроводник
• металл-металл
• металл-полупроводник
• полупроводник-диэлектрик

Вопрос 7

Электронно-дырочный переход это:

Варианты ответов

• p-n – переход
• р-р – переход
• n-n – переход

Вопрос 8

Полупроводниковые приборы выполняются с использованием в качестве основного материала:

Варианты ответов

• Кремния
• Железа
• Меди
• Алюминия

Вопрос 9

Полупроводниковый диод имеет структуру

Варианты ответов

Вопрос 10

Электроды полупроводникового диода имеют название

Варианты ответов

• Катод, анод
• База, эмиттер
• Катод, управляющий электрод
• Сетка, анод

Вопрос 11

Сколько p-n переходов содержит полупроводниковый диод?

Варианты ответов

Вопрос 12

Условное обозначение, какого прибора дано КД521Б

Варианты ответов

• Кремниевый диод.
• Кремниевый стабилитрон.
• Германиевый биполярный транзистор.
• Туннельный диод
• Обращенный диод.

Вопрос 13

На рисунке представлено условно-графическое обозначение…

Варианты ответов

• Варикап
• Триодный тиристор.
• Варистор
• МДП -транзистор с индуцированным р -каналом
• Обращенный диод

Вопрос 14

На рисунке изображено условно-графическое обозначение…

Варианты ответов

• биполярного транзистора
• тиристора
• полевого транзистора
• выпрямительного диода

Вопрос 15

На рисунке изображено условно-графическое обозначение…

Варианты ответов

• Фотодиод
• Светодиод.
• Фотоэлемент
• Туннельный диод.

Вопрос 16

На рисунке представлено условно-графическое обозначение…

Варианты ответов

• выпрямительного диода
• стабилитрона
• тиристора
• биполярного транзистора

Вопрос 17

Основное свойство полупроводникового диода .

Варианты ответов

• преобразовать постоянный ток в переменный
• пропускать ток в обратном направлении
• не пропускать постоянный ток
• пропускать ток в прямом направлении

Вопрос 18

Пробой диода наступает при:

Варианты ответов

• превышении прямого тока
• достижении обратным напряжением некоторого критического значения
• отсутствии тока