Металлические проводниковые и полупроводниковые материалы

Известные приборы терморезисторы и подобные им фоторезисторы, варисторы и т. д. работают на принципе изменения электропроводности. Управлять ее можно, изменяя такие параметры, как: — температура;- свет;- электрическое поле;- механические усилия. Наличие у полупроводников двух типов электропроводности — «электронной» (n) * и «электронно-дырочной» (р) позволяет получить полупроводниковые изделия с р—n-переходом.Одной замечательной особенностью р-n-перехода является то, что он обладает емкостными свойствами. Действительно, по обе стороны р-n-перехода возникают объемные электрические заряды неподвижных ионов примесей, разделенные между собой запирающим слоем, имеющим очень высокое удельное сопротивление, что можно рассматривать как конденсатор, обкладками которого являются р и n области полупроводника, разделенные переходом. При существовании в полупроводнике р—n-перехода возникает запирающий слой, которым обусловливается выпрямительный эффект для переменного тока. Наличие двух и более взаимно связанных переходов позволяет получать управляемые системы — транзисторы. P-n переходы используются нашли своеглавное отражение вполупроводниках в электротехнике. А именно, это различные выпрямители, генераторы и усилители.

Преобразование различных видов энергии в электрическую может быть осуществлено с полупроводниковыми элементами. Простых полупроводников существует около десяти. Для современной техники особое значение получили германий, кремний и селен. Полупроводниковыми химическими соединениями являются соединения элементов различных групп таблицы Менделеева. К многофазным полупроводниковым материалам можно отнести материалы с полупроводящей или проводящей фазой из карбида кремния, графита и т. п., которые сцеплены керамической или другой связкой. Наиболее распространенными из них являются тирит, силит и др. Приборы, имеющие в своем составе полупроводниковые элементы, имеют такие преимущества, как: — достаточно большой срок службы;- небольшие массогабаритные показатели; габариты и вес;- простота и надежность конструкции, большая механическая прочность (не боятся тряски и ударов);- полупроводниковые приборы, заменяющие электронные лампы, не имеют цепей накала, потребляют незначительную мощность и обладают малой инерционностью;- при освоении в массовом производстве они экономически целесообразны.

3.2 Механизм примесной электропроводности полупроводников.

С помощью примесей можно так же формировать электропроводность полупроводника. Например, рассмотрим монокристалл полупроводника, кремния в кристаллическую решетку которого введено некоторое количество атомов примеси. В роли примеси возьмем мышьяк (As). Он находится в V группе периодической системы элементов Менделеева. Атом примеси располагается в узле кристаллической решетки, а его валентные электроны устанавливают прочные ковалентные связи с соседними атомами полупроводника (рисунок 3). Рисунок 3 — Пояснения к донорной примеси.

У мышьяка на наружной электронной оболочке находятся пять валентных электронов. Четыре из них устанавливают ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Это похоже на существующие связи в основных атомах кристаллической решетки, а пятый валентный электрон такой связи установить не может. Это происходит из-за того, что в атомах кремния все свободные связи уже заполнены. Поэтому связь с ядром этого пятого электрона атома примеси в ε2 раз слабее по сравнению с другими электронами, где ε - диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится атом примеси. Связь этого электрона с атомом легко нарушается. Это происходит из-за влияния теплового колебания атомов кристаллической решетки и он переходит в зону проводимости. При этом становится свободным носителем электрического заряда. Атом же примеси, который потерял один электрон, становится положительно заряженным ионом с единичным положительным зарядом.

Однако он остается в узле кристаллической решетки и в отличие от «дырки», которая так же обладает единичным положительным зарядом, он не может перемещаться внутри кристалла, т.к. связан с соседними атомами полупроводника межатомными связями. При этом он лишь может совершать колебательные движения около положения равновесия в узле кристаллической решетки. При этом электрическая нейтральность кристалла полупроводника не нарушается, так как заряд каждого электрона, перешедшего в зону проводимости, уравновешивается положительно заряженным ионом примеси. Таким образом, полупроводник приобретает свойство примесной электропроводности, обусловленной наличием свободных электронов в зоне проводимости. Этот вид электропроводности называется электронной и обозначается буквой n (негативная, отрицательная проводимость), а полупроводники с таким типом проводимости называется полупроводниками n-типа. Примесь, которая обуславливает электронный тип электропроводности полупроводника, носит названиедонорной.

В отличие от идеальных, чистых полупроводников диаграмма распределения электронов по энергетическим уровням в полупроводниках n-типа изменяется (рисунок 4). Уровень Ферми смещается вверх, к границе зоны проводимости Eп, т.к. малейшее приращение энергии электрона проводит к переходу его в зону проводимости. Рисунок 4 — Диаграмма распределения электронов по энергетическим уровням.

В случае добавления в данную кристаллическую решетку полупроводника кремния примесей с валентностью меньшей, чем валентность основного полупроводника, допустим, индия (In), которыйпринадлежитк III группе периодической системы элементов Менделеева, и следовательно, обладает на наружной электронной оболочке тремя валентными электронами, то эти три валентных электрона образуют прочные ковалентные связи с тремя соседними атомами кремния из четырех (рисунок 5).По причине того, что отсутствует необходимый электрон у атома примеси, одна из связей остается не заполненной. Поэтому заполнение этой свободной связи может произойти за счет электрона, перешедшего к атому примеси от соседнего атома основного полупроводника при нарушении какой-либо связи. При этом атом примеси, приобретая лишний электрон, становится отрицательно заряженным ионом, а дырка, образовавшаяся в атоме основного полупроводника, имея единичный положительный заряд, может перемещаться от одного атома полупроводника к другому внутри кристалла, участвуя в тепловом движении; взаимодействуя с электрическими и магнитными полями, а также под действием градиента концентрации. Рисунок 5 — Пояснения к акцепторной примеси.

Данный тип проводимости носит названия дырочный, обозначается буквой Р (позитивный, положительный тип проводимости), полупроводник называется полупроводником р-типа.

Заключение

.

В данной работе отражен механизм проводимости и проанализированы различные материалы на предмет их вхождения в группу проводников или полупроводников. Сегодня, основываясь на экономическом анализе ситуации алюминий не только, как правило, заменил медь для воздушных линий передач, но начинает внедряться и в производство изолированных кабельных изделий. Отечественная наука и техника полупроводников развивалась собственным путем, обогащая мировую науку своими достижениями и успехами и в то же время, используя все прогрессивное, что давала зарубежная наука и техника, путем творческого освоения практических результатов иностранных работ. Список использованной литературы.

Волович Г. И. Полностью дифференциальные операционные усилители // Современная электроника, № 5 2008, с. 16 — 19. C arter B. A D.

ifferential OpAmp Circuit Collection. A pplication report SLOA064. T exas Instruments.

July 2010.

Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. ДодэкаXXI, 2009.