Педагогика \ Методика преподавания физики в средней школе

Удосконалення методики викладання теми "Електричний струм у напівпровідниках" в загальноосвітній школі, страница 3



º


Подивимось   тепер,   як   поводитиметься   атом   домішки   якого-небудь елементу, що стоїть в періодичній системі лівіше, ніж кремній; нехай це буде бор, який стоїть у третій групі. Атом бору має тільки три валентних електрони, тоді як для нормального валентного зв'язку в решітці кремнію потрібні чотири електрони. Четвертий електрон, якого не вистачає, буде захоплений з сусідніх місць кристала, у відповідному місці утвориться дірка, а атом бору перетвориться у негативний іон (рис. 1.3.1, б). .Отже, і при наявності бору в кристалі кремнію може виникнути струм, але, на відміну від випадку миш'яку, електричний струм буде зумовлений рухом дірок, а не електронів[6, 7].

Отже, електропровідність напівпровідників може бути зумовлена також домішками (домішкова провідність). Домішки, що ведуть до виникнення електронів провідності (наприклад, миш'як у кремнії), називаються донорними домішками, а домішки, що ведуть до виникнення дірок (наприклад, бор у кремнії), називаються акцепторними6, 7].

Отже, можна сказати, що напівпровідники мають ту особливість, що електропровідність у них може бути зумовлена як рухливими електронами, так і дірками. Якщо концентрація електронів у напівпровіднику значно більша від концентрації дірок, то ми говоримо, що напівпровідник має електронну провідність, або провідність n- типу (від negative — негативний). А коли переважають позитивні дірки, то електропровідність називається дірчастою, або р-типу (від роzitiv—позитивний). Носії заряду, яких є більше (електрони в напівпровіднику n-типу і дірки в напівпровіднику р-типу), називаються основними носіями заряду, а ті, яких менше,— неосновними. Якщо концентрації електронів і дірок конгруентні між собою, то ми маємо мішану провідність[7].

Так, наприклад, кремній з домішкою миш'яку при низьких температурах має тільки домішкову провідність і є напівпровідником n-типу. Основні носії заряду в ньому — електрони, а неосновні — дірки. Останні виникають тільки внаслідок розриву валентних зв'язків, і їх кількість при низьких температурах мала. Але при збільшенні температури кількість таких процесів зростає і


виникає помітна власна провідність. При цьому збільшується і кількість дірок, і

електропровідність стає мішаного типу. Навпаки, при досить високих температурах домішкова провідність стає значно меншою, ніж власна, і концентрація дірок практично однакова з концентрацією електронів.

1.4.Контактні явища в напівпровідниках.

За характером своєї провідності напівпровідники можуть бути електронними (n-тип) і дірчастими (р-тип). У напівпровідниках n-типу основними рухливими носіями заряду є негативні електрони, а в напівпровідниках р-типу-позитивні дірки. У випадку контакту двох напівпровідників електрони і дірки мають можливість переходити з одного напівпровідника в інший, і тому між напівпровідниками, як і між металами, виникає контактна різниця потенціалів, а в тонкому пограничному шарі виникає контактне електричне поле[7].

Якщо в контакті перебувають два напівпровідники одного й того самого типу (обидва електронні або обидва дірчасті), то обидва напівпровідники обмінюються однаковими частинками: або електронами, або дірками, і явища в цьому випадку мають велику схожість з явищами в двох стичних металах. Тому ми спинимось тільки на тому випадку, коли один з напівпровідників має електронну провідність (n- тип), а другий — дірчасту (р-тип).

Зазначимо, що такий контакт у чистому вигляді, притискаючи один до одного два напівпровідники, здійснити не можна, бо внаслідок шорсткості поверхні стикатимуться тільки в небагатьох точках; між ними будуть повітряні зазори, в яких утворюються плівки окислів, і контакт матиме складну будову Тому для одержання p-n- контакту звичайно в пластинку чистого напівпровідника (наприклад, германію або кремнію) вводять дві домішки — одну донорну (тобто що надає електронної провідності), а другу акцепторну (що надає дірчастої провідності), і розподіляють їх так, щоб на одному кінці був надлишок однієї з домішок, а на другому кінці — надлишок другої. Тоді в одній половині пластинки виникає електронна провідність, а в другій


дірчаста, причому між обома областями буде тонкий перехідний шар, в якому обидві домішки компенсують одна одну (електронно-дірчастий перехід, або р—п-перехід) [3].

Розглянемо спочатку р—п-перехід при відсутності струму. Внаслідок теплового руху електрони з n- області переходитимуть у р-область (і там рекомбінуватимуть з дірками), а дірки з р-області в n-область (і рекомбінуватимуть з електронами). Тому в n-області, поблизу межі поділу, з'явиться позитивний об'ємний заряд, а в р-області — негативний об'ємний заряд; n-область набуде позитивного потенціалу і енергія електрона в ній буде менша (оскільки заряд електрона негативний), а потенціал р-області зробиться негативним і енергія електрона в ній збільшиться. Крива розподілу потенціальної енергії електронівматиме вигляд, зображений на рис. 1.4.1,а, суцільною кривою. Навпаки, енергія позитивних дірокбуде більша в n-області і менша в р-області (пунктирна крива) [ 7].

В стані рівноваги повний струм через контакт дорівнює нулю. Цей струм, на відміну від металів, де носіями заряду є тільки електрони, складається як з руху електронів, так і з руху дірок. Спинимось на цьому питанні докладніше. Насамперед нагадаємо, що в будь-якому напівпровіднику, крім основних носіїв заряду (представлених у більшості), завжди є ще й деяка кількість неосновних носіїв заряду. Тому в електронному напівпровіднику поряд з електронами провідності (основні носії заряду) є ще невелика кількість дірок (неосновні носії заряду), а в дірчастому напівпровіднику, крім дірок, є ще й деяка кількість електронів. Кількість неосновних носіїв звичайно мала порівняно з кількістю основних.

Звернемось тепер знову до рис. 1.4.1. Ми бачимо, що контактне поле сприяє рухові неосновних носіїв, які «скочуються» з потенціального уступу. Тому всі неосновні носії, які генеруються в приконтактній області, рухаються через р— n-перехід і утворюють деякий струм величини іп, напрямлений від п до р. Величина цього струму практично не залежить від різниці потенціалів між п- і р-напівпровідниками і визначається тільки кількістю неосновних носіїв, що

Скачать файл