Урок физики на тему "Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников p-n типов

Наиболее интересные явления происходят при контакте полупроводников n- и р-типов. Эти явления используются в большинстве полупроводниковых приборов. В них происходит рекомбинация электронов и дырок. При образовании контакта электроны частично переходят из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа, а дырки - в обратном направлении. В результате полупроводник n-типа заряжается положительно, а р-типа - отрицательно. Диффузия прекращается после того, как электрическое поле, возникающее в зоне перехода, начинает препятствовать дальнейшему перемещению электронов и дырок.

Полупроводниковые диоды

Основой полупроводникового диода является р-n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные, импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Германиевые диоды работают при температурах не выше +80 °С, а кремниевые до +140 °С.По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n-перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах. Высокочастотные диоды являются приборами универсального назначения. Они могут работать в выпрямителях переменного тока широкого диапазона частот, а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Высокочастотные диоды содержат, как правило, точечный р-n-переход и поэтому называются точечными. Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Стабилитроны – это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении.

ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ.

Это процесс, в котором одна проведенная реакция вызывает последующие реакции такого же типа. При делении одного ядра урана образовавшиеся нейтроны могут вызвать деления других ядер урана, при этом число нейтронов нарастает лавинообразно.
Цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии. Для осуществления цепной реакции не получается использовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов. Используемый в качестве топлива для атомных реакторов химический элемент уран состоит в природе из двух изотопов: урана-235 и урана - 238.
В природе изотопы урана-235 составляют всего лишь 0,7% от всего запаса урана, однако именно они пригодны для проведения цепной реакции, т.к. делятся под влиянием медленных нейтронов. Первая управляемая цепная реакция - США в 1942 г. (Э.Ферми)
В СССР - 1946 г. (И.В.Курчатов).

ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР - это устройство на атомной электростанции для получения атомной энергии.
Назначение ядерного реактора: преобразование внутренней энергии атомного ядра в электрическую энергию.
В ядерном реакторе осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер. Ядерными реакторами оснащены все АЭС (атомные электростанции).
Работа реактора:

Реактор работает на медленных нейтронах. Активная зона реактора, содержит ядерное топливо - урановые стержни и замедлитель - воду. Вода вокруг урановых стержней является не только замедлителем нейтронов, но и служит для отвода тепла, т.к. внутренняя энергия разлетающихся осколков переходит во внутреннюю энергию окружающей среды - воды. Активная зона окружена отражателем для возвращения нейтронов и защитным слоем бетона.
Достижение критической массы топлива осуществляется введением регулирующих стержней (до достижения массы урана = критической массе).
Активная зона посредством труб соединена в кольцо (1-ый контур).
Вода прокачивается по трубам контура насосом и отдает свою энергию змеевику в теплообменнике, нагревая воду в змеевике (во 2-м контуре).
Вода в змеевике превращается в пар, температура которого может достигать 540 градусов.
Пар вращает турбину, энергия пара превращается в механическую энергию.
Ось турбины вращает ротор электрогенератора, превращая механическую энергию в электрическую.
Отработанный (охлажденный) пар поступает в конденсатор, где превращается в воду, возвращающуюся в 1-ый контур.Первая АЭС была построена в г. Обнинске (СССР).
Преимущества АЭС: ядерные реакторы не потребляют кислород и органическое топливо. Не загрязняют окружающую среду золой и вредными для человека продуктами органического топлива. Биосфера надежно защищена от радиоактивного воздействия при нормальном режиме эксплуатации АЭС.
Недостатки АЭС: необходимость захоронения радиоактивных отходов и демонтаж отслуживших свой срок реакторов. Опасность радиоактивного заражения местности при аварийных выбросах. Опасность экологических катастроф (1986 г. - Чернобыльская АЭС).

Билет 19

1.ТРАНЗИСТОР , полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического тока и управления им. Транзисторы выпускаются в виде дискретных компонентов в индивидуальных корпусах или в виде активных элементов т.н. интегральных схем, где их размеры не превышают 0,025 мм. В связи с тем что транзисторы очень легко приспосабливать к различным условиям применения, они почти полностью заменили электронные лампы. Одно из первых промышленных применений транзистор нашел на телефонных коммутационных станциях. Первым же товаром широкого потребления на транзисторах были слуховые аппараты, появившиеся в продаже в 1952. Сегодня транзисторы и многотранзисторные интегральные схемы используются во всём от радиоприемников до систем наземного и воздушного наблюдения в ракетных войсках. Перечень видов применения транзисторов почти бесконечен и продолжает увеличиваться. В 1954 было произведено немногим более 1 млн. транзисторов. Сейчас эту цифру невозможно даже указать. Первоначально транзисторы стоили очень дорого. Сегодня транзисторные устройства для обработки сигнала можно купить за несколько центов.

Термистор - полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно зависит от температуры. Для термистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Термистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году и имеет патент

ФОТОРЕЗИСТОР

Полупроводниковый резистор, изменяющий своё электричества. сопротивление под действием внеш. эл.-магн. излучения. Относятся к фотоэлектричества приёмникам излучения, их принцип действия основан на внутр. фотоэффекте в полупроводниках. Для расширения функцией, возможностей Ф. дополняют фильтрами, линзами, растрами, предварит. усилителями, термостатами, подсветкой, системами охлаждения и др. Основные параметры фоторезистора: темновое сопротивление (10 1 -10 14 Ом); спектральный диапазон чувствительности (0,5-120 мкм); постоянная времени (10 -2 - 10 -9 с); вольтовая чувствительность (10 3 -10 6 В/Вт); обнаружительная способность (10 8 -10 16 см Гц 1/2 Вт -1); температурный коэф. чувствительности (0,1-5%/К); рабочее напряжение (0,1 -100 В).

Термоядерные реакции

В 1939 г. известный американский физик Бете дал количественную теорию ядерных источников звёздной энергии. Как известно, звёзды по большей части состоят из водорода, (правда есть и исключения) поэтому вероятность столкновения двух протонов очень велика. При столкновении протона с другим протоном он может притянуться к ядру за счёт ядерных сил. Ядерные силы действуют на расстояниях порядка размеров самого ядра (т. е. 10 м). Для того чтобы приблизится к ядру на столь малое расстояние, протону необходимо преодолеть весьма значительную силу электростатического отталкивания. Ведь ядро тоже заряжено положительно.

Билет 20

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ

создать эл. ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц.
Действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии: это испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла.
Вакуумный диод

Вакуумный диод - это двухэлектродная (А- анод и К - катод) электронная лампа.
Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление.
Н - нить накала, помещенная внутрь катода для его нагревания. Поверхность нагретого катода испускает электроны. Если анод соединен с + источника тока, а катод с -, то в цепи протекает постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью. Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая эл.ток в вакууме.

Применение атомной энергии.

Применение ядерной энергии в современном мире оказывается настолько важным, что если бы мы завтра проснулись, а энергия ядерной реакции исчезла, мир, таким как мы его знаем, пожалуй, перестал бы существовать. Использование атомной энергии создает много проблем. В основном все эти проблемы связаны с тем, что используя себе на благо энергию связи атомного ядра, человек получает существенное зло в виде высокорадиоактивных отходов, которые нельзя просто выбросить. Отходы от атомных источников энергии требуется перерабатывать, перевозить, захоранивать, и хранить продолжительное время в безопасных условиях.

Плюсы и минусы, польза и вред от использования ядерной энергии

Рассмотрим плюсы и минусы применения атомной-ядерной энергии, их пользу, вред и значение в жизни Человечества. Очевидно, что атомная энергия сегодня нужна лишь промышленно развитым странам. То есть, основное применение мирная ядерная энергия находит в основном, на таких объектах, как заводы, перерабатывающие предприятия, и т.п. Именно энергоемкие производства, удаленные от источников дешевой электроэнергии (вроде гидроэлектростанций) задействуют ядерные станции для обеспечения и развития своих внутренних процессов.

Аграрные регионы и города не слишком нуждаются в атомной энергии. Ее вполне можно заместить тепловыми и другими станциями. Получается, что овладение, получение, развитие, производство и использование ядерной энергии по большей части направлено на удовлетворение наших потребностей в промышленной продукции. Посмотрим, что это за производства: автомобильная промышленность, военные производства, металлургия, химическая промышленность, нефтегазовый комплекс, и т.д.

Современный человек хочет ездить на новой машине? Хочет одеваться в модную синтетику, кушать синтетику и упаковывать все в синтетику? Хочет ярких товаров разных форм и размеров? Хочет все новых телефонов, телевизоров, компьютеров? Хочет много покупать, часто менять оборудование вокруг себя? Хочет вкусно питаться химической едой из цветных упаковок? Хочет жить спокойно? Хочет слышать сладкие речи с телеэкрана? Хочет, чтобы танков было много, а также ракет и крейсеров, а еще снарядов и пушек?
Хочет?
И он все это получает. Неважно, что в конце расхождение между словом и делом приводит к войне. Неважно, что для его утилизации также нужна энергия. Пока что человек спокоен. Он ест, пьет, ходит на работу, продает и покупает.

А для всего этого нужна энергия. А еще для этого нужно очень много нефти, газа, металла и т.п. И все эти промышленные процессы нуждаются в атомной энергии. Поэтому кто бы что ни говорил, до тех пор, пока не будет запущен в серию первый промышленный реактор термоядерного синтеза, атомная энергетика будет только развиваться.

В плюсы ядерной энергии мы можем смело записать все то, к чему мы привыкли. К минусам – печальную перспективу скорой смерти в коллапсе исчерпания ресурсов, проблемах ядерных отходов, росте численности населения и деградации пахотных площадей. Иначе говоря, атомная энергетика позволила человеку еще сильнее начать овладевать природой, насилуя ее сверх меры настолько, что он за несколько десятилетий преодолел порог воспроизводства основных ресурсов, запустив между 2000 и 2010 годами процесс схлопывания потребления. Этот процесс объективно уже не зависит от человека. Всем придется меньше есть, меньше жить и меньше радоваться окружающей природе. Здесь кроется еще один плюс-минус атомной энергии, который заключается в том, что страны, овладевшие атомом, смогут эффективнее перераспределять под себя скудеющие ресурсы тех, кто атомом не овладел. Более того, только развитие программы термоядерного синтеза позволит человечеству элементарно выжить. Теперь поясним на пальцах, что же это за «зверь» - атомная (ядерная) энергия и с чем ее едят.

Билет 21

1. Закон электролиза
1833г. - Фарадей

Закон электролиза определяет массу вещества, выделяемого на электроде при электролизе за время прохождения эл.тока.
k - электрохимический эквивалент вещества, численно равный массе вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит заряда в 1 Кл.
Зная массу выделившегося вещества, можно определить заряд электрона.

2. Получение радиоактивных изотопов и их применение.
Из всех известных нам изотопов только изотопы водорода имеют собственные названия. Так, изотопы 2H и 3H носят названия дейтерия и трития и получили обозначения соответственно D и T (изотоп 1H называют иногда протием).
Применение изотопов одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью «меченых атомов», явилось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми. Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию крови, является исключением из этого правила. Железо входит в состав гемоглобина красных кровяных шариков. При введении в пищу радиоактивных атомов железа было установлено, что свободный кислород, выделяемый при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа. Радиоактивные изотопы применяются в медицине, как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей.

Билет 22

1.ПЛАЗМА – частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы. Плазма – четвертое состояние вещества, она подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Сам термин «плазма» применительно к квазинейтральному ионизованному газу был введен американскими физиками Лэнгмюром и Тонксом в 1923 при описании явлений в газовом разряде. До той поры слово «плазма» использовалось лишь физиологами и обозначало бесцветный жидкий компонент крови, молока или живых тканей, однако вскоре понятие «плазма» прочно вошло в международный физический словарь, получив самое широкое распространение.

2. Биологическое действие радиоактивных излучений было установлено не сразу. Беккерель, открывший радиоактивность в 1896 году даже не подозревал о биологическом действии этого вида излучений. В 1898 году Мария Складовская – Кюри и Пьер Кюри открыли радий и Беккерель взял несколько миллиграмм в стеклянную пробирку для исследования, положив в нагрудный карман. Через некоторое время на теле напротив кармана образовалась болезненная незаживающая язва. Он был вынужден обратиться к врачу, язву залечили, но через некоторое время она открылась вновь.У всех ученых, работавших с радиоактивными элементами, руки были покрыты незаживающими язвами. Прежде чем было установлено биологическое действие проникающего излучения, наука понесла невосполнимые утраты. От лучевой болезни умирают Мария и Пьер Кюри, Ирен и Фредерик Кюри и В. Курчатов. На сегодняшний день наука установила достаточно фактов в этой области. Но до конца механизм воздействия проникающего излучения на клетку не установлен.Воздействие излучения на живые организмы характеризуется дозой излучения. Естественный фон радиации составляют за год 2*10 -3 Гр на человека (1 Гр=1Дж/кг). Доза излучения 3-10 Гр, полученная за короткое время смертельна.

Билет 23

1. Строение газообразных, жидких и твердых тел
Газы. В газах расстояние между атомами или молекулами в среднем во много раз больше размеров самих молекул. Например, при атмосферном давлении объем сосуда в десятки тысяч раз превышает объем находящихся в нем молекул. Газы легко сжимаются, при этом уменьшается среднее расстояние между молекулами, но форма молекулы не изменяется. Молекулы с огромными скоростями - сотни метров в секунду - движутся в пространстве. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга в разные стороны подобно бильярдным шарам. Слабые силы притяжения молекул газа не способны удержать их друг возле друга. Поэтому газы могут не ограниченно расширяться. Они не сохраняют ни формы, ни объема. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа. Жидкости. Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу, поэтому молекула жидкости ведет себя иначе, чем молекула газа. В жидкостях существует так называемый ближний порядок, т. е. упорядоченное расположение молекул сохраняется на расстояниях, равных нескольким молекулярным диаметрам. Твердые тела. Атомы или молекулы твердых тел, в отличие от атомов и молекул жидкостей, колеблются около определенных положений равновесия. По этой причине твердые тела сохраняют не только объем, но и форму. Потенциальная энергия взаимодействия молекул твердого тела существенно больше их кинетической энергии.

2.Три этапа в развитии физики элементарных частиц
1 . От электрона до позитрона: 1897-1932гг. Когда греческий философ Демокрит назвал простейшие, нерасчленимые далее частицы атомами, то ему все представлялось в принципе не очень сложным. Но в конце XIX века было открыто сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX веке, были открыты протон и нейтрон - частицы, входящие в состав атомного ядра.
2 . От позитрона до кварков: 1932-1970гг (Все элементарные частицы превращаются друг в друга)
Всё оказалось намного сложнее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове элементарная частица заключается двоякий смысл. С одной стороны, элементарный простейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто фундаментальное, лежащее в основе вещей.
3 . От гипотезы о кварках (1964г) до наших дней. В 60-е годы возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают это название. Открытие элементарной частицы всегда составляла и сейчас составляет выдающийся триумф науки. Триумфы стали следовать буквально друг за другом. Были открыта группа так называемых "странных" частиц: К-мезонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е годы к ним прибавилась большая группа "очарованных" частиц с еще большими массами. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10-22-10-23 с. Эти частицы были названы резонансами, и их число перевалило за двести. Вот тогда-то в 1964г М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц - кварков. В настоящее время в реальности кварков почти никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены.

Билет 24

1.Газовые законы Изотермический процесс (закон Бойля Мариотто). Процесс изменения состояния системы макроскопических тел при постоянной температуре. Для поддержания температуры газа постоянной необходимо, чтобы он мог обмениваться теплотой с большой системой - термостатом. Иначе при сжатии или расширении температура газа будет меняться. Для газа данной массы при постоянной температуре произведение давления газа на его объем постоянно. Этот закон экспериментально был открыт (1627-1691). Закон Бойля - Мариотта справедлив обычно для любых газов, а также и для их смесей, например для воздуха.
Лишь при давлениях, в несколько сотен раз больших атмосферного, отклонения от этого закона становятся существенными. Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре графически изображают кривой, которую называют изотермой.

Изобарный процесс. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называют изобарным.
Для газа данной массы при постоянном давлении отношение объема к температуре постоянно. Этот закон был установлен экспериментально в 1802 г. французским ученым Ж. Гей-Люссаком (1778-1850). Эта зависимость графически изображается прямой, которая называется изобарой, разным давлениям соответствуют разные изобары. С ростом давления объем газа при постоянной температуре согласно закону Бойля - Мариотта уменьшается. Поэтому изобара, соответствующая более высокому давлению p 2 , лежит ниже изобары, соответствующей более низкому давлению p 1 .
Изохорный процесс. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным. Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется. Этот газовый закон был установлен в 1787 г. французским физиком Ж.Шарлем (1746-1823) и носит название закона Шарля. Эта зависимость изображается прямой, называемой изохорой. Разным объемам соответствуют разные изохоры. С ростом объема газа при постоянной температуре давление его согласно закону Бойля - Мариотта падает. Поэтому изохора, соответствующая большему объему V 2 , лежит ниже изохоры, соответствующей меньшему объему V 1 .

ОТКРЫТИЕ ПОЗИТРОНА. АНТИЧАСТИЦЫ

Существование двойника электрона - позитрона - было предсказано теоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г. Одновременно он предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезнуть, породив фотоны большой энергии. Может протекать и обратный процесс - рождение электронно-позитронной пары, например: при столкновении фотона достаточно большой энергии с ядром. Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. Направление искривления трека частицы указывало знак ее заряда. По радиусу кривизны и энергии частицы было определено отношение ее заряда к массе. Оно оказалось по модулю таким же, как и у электрона. В свое время открытие рождения и аннигиляции электронно-позитронных пар вызвало настоящую сенсацию в науке. До того никто не предполагал, что электрон, старейшая из частиц, важнейший строительный материал атомов, может оказаться не вечным. Впоследствии двойники - античастицы - были найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам именно потому, что при встрече любой частицы с соответствующей античастицей происходит их аннигиляция. Обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы. Сравнительно недавно обнаружены: антипротон и антинейтрон. Электрический заряд антипротона отрицателен. Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка - из позитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впервые получен антигелий.

Билет 25

1.Математическая запись универсального газового закона проста:

pV = nRT. Она содержит основные характеристики поведения газов: p, V и T - соответственно давление, объем и абсолютная температура газа, R - универсальная газовая постоянная, общая для всех газов, а n - число, пропорциональное числу молекул или атомов газа. Этот закон представляет собой то, что в физике принято называть уравнением состояния вещества, поскольку он описывает характер изменения свойств вещества при изменении внешних условий. Строго говоря, этот закон в точности выполняется только для идеального газа. Эта формула была получена в 1874 году Д. И. Менделеевым путем объединения закона Авогадро и общего газового закона (pV/T = const), сформулированного в 1834 году Б. П. Э. Клапейроном. Поэтому этот закон принято называть законом Менделеева-Клапейрона. По существу, этот закон позволил ввести все ранее сделанные эмпирические заключения о характере поведения газов в рамки новой молекулярно-кинетической теории.

«Физика - 10 класс»

Какие носители тока в полупроводнике являются основными, а какие - неосновными?
Чем отличается примесная проводимость от собственной проводимости?

Наиболее интересные явления происходят при контакте полупроводников n- и p-типов. Эти явления используются в большинстве полупроводниковых приборов.

р-n-Переход.

Рассмотрим, что будет происходить, если привести в контакт два одинаковых полупроводника, но с разным типом проводимости: слева полупроводник n-типа, а справа полупроводник р-типа (рис. 16.10).

Контакт двух полупроводников с разным типом проводимости называют р-n- или n-р-переходом .

Электроны на рисунке изображены голубыми кружочками, дырки - серыми.

В левой части много свободных электронов, а в правой их концентрация очень мала. В правой части, наоборот, много дырок, т. е. вакантных мест для электронов. Как только полупроводники приводят в контакт, начинается диффузия электронов из области с проводимостью n-типа в область с проводимостью p-типа и соответственно переход дырок в обратном направлении. Перешедшие в полупроводник p-типа электроны занимают свободные места, происходит процесс рекомбинации электронов и дырок, а попавшие в полупроводник n-типа дырки также исчезают благодаря электронам, занимающим вакантное место. Таким образом, вблизи границы раздела полупроводников с разным типом проводимости возникает слой, обеднённый носителями тока (его называют контактным слоем). Этот слой фактически представляет собой диэлектрик, его сопротивление очень велико. При этом полупроводник n-типа заряжается положительно, а полупроводник р-типа - отрицательно. В зоне контакта возникает стационарное электрическое поле напряжённостью к, препятствующее дальнейшей диффузии электронов и дырок.

Суммарное сопротивление приведённых в контакт полупроводников складывается из сопротивления полупроводника л-типа, р-n-перехода и полупроводника p-типа: R = R n + R pn + R р. Так как сопротивления областей с n- и p-типами проводимости малы (там много носителей заряда - электронов и дырок), то суммарное сопротивление определяется в основном сопротивлением р-n-перехода: R ≈ R pn .

Включим полупроводник с р-n-переходом в электрическую цепь так, чтобы потенциал полупроводника p-типа был положительным, а n-типа - отрицательным (рис. 16.11). В этом случае напряжённость внешнего поля будет направлена в сторону, противоположную напряжённости контактного слоя.

Модуль суммарной напряжённости E = E к - E внеш. Так как поле, удерживающее носители тока, ослабевает, то у электронов уже достаточно энергии, чтобы его преодолеть.

Через переход пойдёт ток, при этом он будет создан основными носителями - из области с n-типом проводимости в область с p-типом проводимости идут электроны, а из области с p-типом в область с n-типом - дырки. В этом случае р-n-переход называется прямым .

Отметим, что электрический ток идёт во всей цепи: от положительного контакта через область p-типа к р-n-переходу, затем через область n-типа к отрицательному контакту (рис. 16.12). Проводимость всего образца велика, а сопротивление мало. Чем больше подаваемое на контакт напряжение, тем больше сила тока.

Зависимость силы тока от разности потенциалов - вольт-амперная характеристика прямого перехода - изображена на рисунке (16.13) сплошной линией.

Отметим, что изменение подаваемого напряжения приводит к резкому увеличению силы тока. Так, увеличение напряжения на 0,25 В может привести к увеличению силы тока в 20 000 раз.

При прямом переходе сопротивление запирающего слоя мало, и оно также зависит от подаваемого напряжения, с увеличением которого сопротивление уменьшается.

Изменим теперь полярность подключения батареи. В этом случае напряжённости внешнего и контактного полей направлены в одну сторону (рис. 16.14) и модуль суммарной напряжённости E = E к - E внеш. Внешнее поле оттягивает электроны и дырки от контактного слоя, в результате чего он расширяется. В связи с этим у электронов уже не хватает энергии для того, чтобы преодолеть этот слой. Теперь переход через контакт осуществляется неосновными носителями, число которых мало.

Сопротивление контактного слоя очень велико. Ток через р-n-переход не идёт. Образуется так называемый запирающий слой. Такой переход называется обратным .

Вольт-амперная характеристика обратного перехода изображена на рисунке 16.13 штриховой линией.

р-n-Переход по отношению к току оказывается несимметричным: в прямом направлении сопротивление перехода значительно меньше, чем в обратном. Таким образом, р-n-переход можно использовать для выпрямления электрического тока.

Устройство, содержащее р-n-переход и способное пропускать ток в одном направлении и не пропускать в противоположном, называется полупроводниковым диодом .

Если на контакты полупроводникового диода подать переменное напряжение, то ток по цепи пойдёт только в одну сторону.

Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.

Рассмотрим, как создают р-n- переход, используя германий, обладающий проводимостью n-типа, с небольшой добавкой донорной примеси. Этот переход не удаётся получить путём механического соединения двух полупроводников с различными типами проводимости, так как при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Толщина же р-n-перехода должна быть не больше межатомных расстояний, поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Для создания полупроводникового диода полупроводник с примесью p-типа, содержащий атомы индия, нагревается до высокой температуры. Пары примеси n-типа (например, мышьяка) осаждаются на поверхность кристалла. Вследствие диффузии они внедряются в кристалл, и на поверхности кристалла с проводимостью р-типа образуется область с электронным типом проводимости (рис. 16.15).

Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметичный металлический корпус.

Полупроводниковые диоды применяют в детекторах приёмников для выделения сигналов низкой частоты, для защиты от неправильного подключения источника к цепи.

В светофорах используются специальные полупроводниковые диоды. При прямом подключении такого диода происходит активная рекомбинация электронов и дырок. При этом выделяется энергия в виде светового излучения.

Схематическое изображение диода приведено на рисунке 16.16. Полупроводниковые выпрямители обладают высокой надёжностью и имеют большой срок службы. Однако они могут работать лишь в ограниченном интервале температур (от -70 до 125 °С)

Транзисторы.

Ещё одно применение полупроводников с примесным типом проводимости - транзисторы - приборы, используемые для усиления электрических сигналов.

Рассмотрим один из видов транзисторов из германия или кремния с введёнными в них донорными и акцепторными примесями. Распределение примесей таково, что создаётся очень тонкая (толщиной порядка нескольких микрометров) прослойка полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника p-типа (рис. 16.17). Эту тонкую прослойку называют основанием или базой .

В кристалле образуются два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Три вывода от областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в схему, изображённую на рисунке 16.17. В данной схеме при подключении батареи Б1 левый р-n-переход является прямым . Левый полупроводник с проводимостью p-типа называют эмиттером . Если бы не было правого р-n-перехода, в цепи эмиттер - база существовал бы ток, зависящий от напряжения источников (батареи Б1 и источника переменного напряжения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивление прямого перехода эмиттер - база.

Батарея Б2 включена так, что правый n-р-переход в схеме (см. рис. 16.17) является обратным . Правая область с проводимостью p-типа называется коллектором . Если бы не было левого р-n-перехода, сила тока в цепи коллектора была бы близка к нулю, так как сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в левом р-n-переходе появляется ток и в цепи коллектора, причём сила тока в коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере. (Если на эмиттер подано отрицательное напряжение, то левый р-n-переход будет обратным, и ток в цепи эмиттера и в цепи коллектора будет практически отсутствовать.)

Это объясняется следующим образом. При создании напряжения между эмиттером и базой основные носители полупроводника p-типа (дырки) проникают в базу, где они являются уже неосновными носителями . Поскольку толщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней невелико, попавшие в неё дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с электронами базы и проникают в коллектор за счёт диффузии. Правый р-n-переход закрыт для основных носителей заряда базы - электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной (см. рис. 16.17) плоскости много меньше сечения в вертикальной плоскости.

Сила тока в коллекторе почти равная силе тока в эмиттере, изменяется вместе с током через эмиттер. Сопротивление резистора R мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включённого в его цепь, мы получим синхронное изменение напряжения на резисторе R.

При большом сопротивлении резистора изменение напряжения на нём может в десятки тысяч раз превышать изменение напряжения сигнала в цепи эмиттера. Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы, мощность которых во много раз превышает мощность, поступающую в цепь эмиттера.

Применение транзисторов.

Современная электроника базируется на микросхемах и микропроцессорах, включающих в себя колоссальное число транзисторов.

Первая интегральная схема поступила в продажу в 1964 г. Она содержала шесть элементов - четыре транзистора и два резистора. Современные микросхемы содержат миллионы транзисторов.

Компьютеры, составленные из микросхем и микропроцессоров, фактически изменили окружающий человека мир. В настоящее время не существует ни одной области человеческой деятельности, где компьютеры не служили бы активными помощниками человека. Например, в космических исследованиях или высокотехнологичных производствах работают микропроцессоры, уровень организации которых соответствует искусственному интеллекту.

Транзисторы (рис. 16.18, 16 19) получили чрезвычайно широкое распространение в современной технике. Они заменили электронные лампы в электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры. Портативные радиоприёмники, в которых используются такие приборы, в обиходе называются транзисторами. Преимуществом транзисторов (так же как и полупроводниковых диодов) по сравнению с электронными лампами является прежде всего отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того, эти приборы в десягки и сотни раз меньше по размерам и массе, чем электронные лампы.

>>Физика: Электрический ток через контакт полупроводников р- и п-типов

Наиболее интересные явления происходят при контакте полупроводников n - и р -типов. Эти явления используются в большинстве полупроводниковых приборов.
На рисунке 16.10 изображена схема полупроводника, правая часть которого содержит донорные примеси и поэтому является полупроводником n -типа, а левая - акцепторные примеси и представляет собой полупроводник р -типа; между ними - зона перехода - зона, обедненная зарядами. В ней происходит рекомбинация электронов и дырок. Электроны изображены голубыми кружочками, дырки - серыми. Контакт двух полупроводников называют р-n - или n-р -переходом.

При образовании контакта электроны частично переходят из полупроводника n -типа в полупроводник р -типа, а дырки - в обратном направлении. В результате полупроводник n -типа заряжается положительно, ар -типа - отрицательно. Диффузия прекращается после того, как электрическое поле , возникающее в зоне перехода, начинает препятствовать дальнейшему перемещению электронов и дырок.
Включим полупроводник с р-n -переходом в электрическую цепь (рис.16.11 ). Подключим сначала батарею так, чтобы потенциал полупроводника р -типа был положительным, а n -типа - отрицательным. При этом ток через р-n -переход создается основными носителями: из области n в область р - электронами, а из области р в область n - дырками (рис.16.12 ).

Вследствие этого проводимость всего образца велика, а сопротивление мало.
Рассмотренный здесь переход и называют прямым . Зависимость силы тока от разности потенциалов - вольт-амперная характеристика прямого перехода - изображена на рисунке 16.13 сплошной линией.

Изменим теперь полярность подключения батареи. Тогда при той же разности потенциалов сила тока в цепи окажется значительно меньше, чем при прямом переходе. Это обусловлено следующим. Электроны через контакт идут теперь из области р в область n , а дырки - из области n в область р . Но ведь в полупроводнике р -типа мало свободных электронов, а в полупроводнике n -типа мало дырок. Теперь переход через контакт осуществляется неосновными носителями, число которых мало (рис.16.14 ). Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление - большим. Образуется так называемый запирающий слой. Такой переход называют обратным . Вольт-амперная характеристика обратного перехода изображена на рисунке 16.13 штриховой линией.

Таким образом, р-n -переход можно использовать для выпрямления электрического тока. Такое устройство называется полупроводниковым диодом.
Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.
Рассмотрим, как создают р-n -переход, используя германий, обладающий проводимостью n -типа, с небольшой добавкой донорной примеси. Этот переход не удается получить путем механического соединения двух полупроводников с различными типами проводимости, так как при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Толщина же р-n -перехода должна быть не больше межатомных расстояний, поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Для создания полупроводникового диода полупроводник с примесью р -типа, содержащий атомы индия, нагревается до высокой температуры. Пары примеси n -типа (например, мышьяка) осаждают на поверхность кристалла. Вследствиедиффузии они внедряются в кристалл, и на поверхности кристалла с проводимостью р -типа образуется область с электронным типом проводимости (рис.16.15 ).

Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметичный металлический корпус.
Схематическое изображение диода приведено на рисунке 16.16. Полупроводниковые выпрямители обладают высокой надежностью и имеют большой срок службы. Однако они могут работать лишь в ограниченном интервале температур (от -70 до 125°С).

???
1. Что происходит в контакте двух проводников n - и р -типов?
2. Что такое запирающий слой?
3. Какой переход называют прямым?
4. Для чего служит полупроводниковый диод?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Скачать календарно-тематическое планирование по физике , ответы на тесты, задания и ответы школьнику, книги и учебники , курсы учителю по физике для 10 класса

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Что такое полупроводник и с чем его едят?

Полупроводник - материал, без которого не мыслим современный мир техники и электроники. Полупроводники проявляют свойства металов и неметаллов в тех или иных условиях. По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками. Полупроводник отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от наличия в кристаллической решетки элементов-примесей (примесные элементы) и концентрации этих элементов, а также от температуры и воздействия различных видов излучения.
Основное свойство полупроводника - увеличение электрической проводимости с увеличением температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия - к узкозонным. Ширина запрещённой зоны - это ширина энергетического зазора между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны, в котором отсутствуют разрешённые состояния для электрона.
Величина ширины запрещённой зоны имеет важное значение при генерации света в светодиодах и полупроводниковых лазерах и определяет энергию испускаемых фотонов.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы: Si кремний, Ge германий, As мышьяк, Se селен, Te теллур и другие, а также всевозможные сплавы и химические соединения, например: йодид кремния, арсенид галлия, теллурит ртути и др.). В общем почти все неорганические вещества окружающего нас мира являются полупроводниками. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий по приблизительным подсчетам почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли атом примесного элемента электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Донорские и акцепторные свойства атома примесного элемента зависят также того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Как выше упоминалось, проводниковые свойства полупроводников сильно зависит от температуры, а при достижениитемпературы абсолютного нуля (-273°С) полупроводники имеют свойства диэлектриков.

По виду проводимости полупроводники подразделяют на n-тип и р-тип

Полупроводник n-типа

По виду проводимости полупроводники подразделяют на n-тип и р-тип.

Полупроводник n-типа имеет примесную природу и проводит электрический ток подобно металлам. Примесные элементы, которые добавляют в полупроводники для получения полупроводников n-типа, называются донорными. Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд, переносимый свободным электроном.

Теория процесса переноса заряда описывается следующим образом:

В четырёхвалентный Si кремний добавляют примесный элемент, пятивалентный As мышьяка. В процессе взаимодействия каждый атом мышьяка вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Но остается пятый свободный атом мышьяка, которому нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную орбиту, где для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный, способный переносить заряд. Таким образом перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам.
Также сурьмой Sb улучшают свойства одного из самых важных полупроводников – германия Ge.

Полупроводник p-типа

Полупроводник p-типа, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.
«p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей.
Например в полупроводник, четырёхвалентный Si кремний, добавляют небольшое количество атомов трехвалентного In индия. Индий в нашем случае будет примесным элементом, атомы которого устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Но у кремния остается одна свободная связь в то время, как у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, образуя так называемую дырку и соответственно дырочный переход.
По такой же схеме In ндий сообщает Ge германию дырочную проводимость.

Исследуя свойства полупроводниковых элементов и материалов, изучая свойства контакта проводника и полупроводника, экспериментируя в изготовлении полупроводниковых материалов, О.В. Лосев 1920-х годах создал прототип современного светодиода.

На рисунке 192 изооражена схема полупроводника, правая часть которого содержит донорные примеси и поэтому является полупроводником я-типа, а левая - акцепторные примеси и представляет собой полупроводник -типа. Электроны изображены цветными кружками, а дырки - черными. Контакт двух полупроводников называют - -переходом.

Включим полупроводник с -переходом в электрическую цепь (рис. 193). Подключим сначала батарею так, чтобы потенциал полупроводника -типа был положительным, а -типа - отрицательным. При этом ток через -переход будет осуще ствляться основными носителями: из области в область электронами, а из области в область -дырками (рис. 194). Вследствие этого проводимость всего образца будет большой, а сопротивление - малым.

Рассмотренный здесь переход называют прямым. Зависимость силы тока от разности потенциалов - вольт-амперная характеристика прямого перехода - изображена на рисунке 195 сплошной линией.

Переключим полюса батареи. Тогда при той же разности потенциалов сила тока в цепи окажется значительно меньшей, чем при прямом переходе. Это обусловлено следующим. Электроны через контакт идут теперь из области в область а дырки из области в область Но ведь в полупроводнике -типа мало свободных электронов, а в полупроводнике типа мало дырок. Теперь переход через контакт осуществляется неосновными носителями, число которых мало (рис. 196). Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление - большим. Образуется так называемый запирающий слой. Этот переход называют обратным. Вольт-амперная характеристика обратного перехода изображена на рисунке 195 пунктирной линией.