Содержание и методика изучения темы "Электрический ток в полупроводниках" в современной школе
Дипломная работа - Педагогика
Другие дипломы по предмету Педагогика
еет промежуточное значение между электропроводностью металлов (106-104 Ом-1 см-1) и диэлектриков (10-8-10-12 Ом-1 см-1). Характерная особенность чистых полупроводников - возрастание электропроводности с ростом температуры. При низких температурах электропроводность полупроводников мала; на нее влияют и другие внешние воздействия: свет, сильное электрическое поле, потоки быстрых частиц и т. д. Высокая чувствительность электрических и оптических свойств к внешним воздействиям и содержанию примесей и дефектов в кристаллах также характерна для полупроводников. Все эти особенности и определяют их широкое применение в технике. К полупроводникам относится большая группа веществ (Si, Ge и др.).
2.1.2 Механизм электропроводности полупроводников
Переносчиками заряда в полупроводниках являются электроны. Однако, в отличие от металлов, где валентные электроны могут свободно перемещаться по объему материала, почти все валентные электроны полупроводника связаны со своими атомами и не могут переносить заряд по объему полупроводника. При комнатной температуре лишь небольшая часть валентных электронов обладает энергией теплового движения, достаточной для отрыва от атомов, и может передвигаться по объему. Эти электроны называют свободными или электронами проводимости. Появление свободных электронов сопровождается образованием электронных вакансий в атомах полупроводника. Эти вакансии могут заниматься валентными электронами соседних атомов. В результате появляется возможность перемещения по объему полупроводника и валентных электронов. Таким образом, электропроводность полупроводников осуществляется двумя механизмами: перемещением свободных электронов и перемещением валентных электронов. И те, и другие увлекаются внешним электрическим полем в одну сторону, создавая электрический ток.
Для описания эстафетного движения валентных электронов, оказалось, очень удобно представить это движение в виде встречного движения воображаемых частиц с положительным зарядом. Эти воображаемые частицы получили название дырки, что отражает наличие пустых мест в атомах, покинутых валентными электронами.
В идеальных кристаллах свободные электроны и дырки появляются всегда парами, так что концентрации обоих типов носителей равны. В реальных кристаллах, содержащих примеси и дефекты структуры, равенство концентраций электронов и дырок может нарушаться и проводимость осуществляется практически только одним типом носителей.
2.1.3 Собственная и примесная проводимость полупроводников
Собственная проводимость полупроводников - это электропроводность идеально чистого материала. В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью полупроводника. Электропроводность чистого полупроводника будет тем большей, чем больше концентрация свободных носителей электрического заряда - электронов и дырок - ni, которая сильно зависит от температуры. Это является причиной температурной зависимости электропроводности чистых полупроводников.
Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей, которые разделяются на два типа: донорные и акцепторные. Ничтожного количества примеси в чистый полупроводник достаточно для изменения его электропроводности на несколько порядков. Это обусловлено тем, что примесные атомы в составе кристаллической решетки полупроводника могут либо поставлять в нее электроны проводимости, либо поглощать валентные электроны полупроводника, увеличивая тем самым концентрацию дырок.
Примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок, называются донорными. Полупроводниковые материалы, в которых электроны служат основными носителями заряда, а дырки не основными, называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа. Примеси, захватывающие валентные электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными. Полупроводники, в которых концентрация дырок значительно превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа. Для примесных полупроводников справедлива т.н. "формула полупроводника":
(2.1)
где n и p - соответственно концентрации свободных электронов и дырок, ni - концентрация свободных носителей чистого полупроводника. Таким образом, увеличение за счет донорной примеси концентрации свободных электронов будет приводить к уменьшению концентрации дырок, а увеличение концентрации дырок, путем введения акцепторной примеси, - к уменьшению концентрации свободных электронов. Это обстоятельство позволяет изменять тип электропроводности полупроводника, подавляя имеющуюся примесь большим количеством противоположной, что широко используется при создании полупроводниковых приборов. Возможности изменения типа электропроводности, однако, ограничены предельными концентрациями растворимости примесей в полупроводнике.
2.1.4 Собственные и примесные полупроводники
Собственными полупроводниками или полупроводниками типа i (от английского intrinsic - собственный) называются чистые полупроводники, не содержащие примесей. Примесными полупроводниками называются полупроводники, содержащие примеси, валентность которых отлича