МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ КОЛЕДЖ ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ І ТЕХНОЛОГІЙ ДЕРЖАВНОГО ВИЩОГО НАВЧАЛЬНОГО ЗАКЛАДУ «КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ЕКОНОМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТімені ВАДИМА ГЕТЬМАНА» Тема конкурсу: «Фізика в моїйпрофесії» робота на тему: НАПІВПРОВІДНИКИ Автор роботи: Сергійчук Віктор, Студент групи 151 КІСІТ ДВНЗ КНЕУ ім.В.Гетьмана Керівник: Демченко Оксана Олександрівна ВСТУП Обрана мною тема напівпровідників є актуальною зараз. Адже напівпровідники мають проміжні властивості між провідниками і діелектриками. Властивості напівпровідників сильно залежать від умов навколишнього середовища . Тобто вони є дуже чутливими до дії температури, електричного поля , різних видів випромінювання та власної чистоти. За найменших змін будуть змінюватися і властивості . А тому змінюючи умови , можна легко впливати на їх опір та провідність. Знання про напівпровідники також має велике практичне значення. Через унікальні властивості напівпровідники знаходять широке застосування у сучасній техніці . Багато сучасних технічних приладів розроблено і побудовано за допомогою напівпровідників та їх властивостей. За певних умов напівпровідники здатні набувати властивостей як у діелектриків , а за інших умов стають схожими за властивостями на провідники. Це також широко застосовується на практиці. Сучасні оптика і електроніка твердого тілабудуються на вивченнінапівпровідників. Дедалі більше технічний досвід збагачує теорію, а теорія відкриває нові шляхи поліпшення застосування напівпровідників.Прикладами цьогоможуть бути фотоелементи випрямлячі,технічнийдосвідвиготовленняякихвідкривявищеелектроннодіркового переходу. До напівпровідникових приладів також належать : термістор, напівпровідниковий діод , транзистор та інші , які через свої нелінійні характеристики також широко застосовуються на практиці. Об’єктом дослідження в даній роботі будуть напівпровідники та деякі прилади , побудовані з їх використанням. Предметом вивчення будуть загальні закономірності зміни властивостей напівпровідників та матеріалів з них при впливі на них чинників зовнішнього середовища. Метою роботи визначено з'ясування особливостей напівпровідникових матеріалів та визначення їх практичного застосування. Завданням роботи є не лише теоретично встановити властивості напівпровідників та напівпровідникових приладів , а й також за допомогою дослідів та ілюстрованого матеріалу підтвердити отриману інформацію. Далі обрану тему про напівпровідники буде детально розглянуто, будуть докладно пояснені властивості напівпровідників, їх залежність від умов навколишнього середовища та деякі напівпровідникові прилади. Після теоретичного матеріалу будуть проведені досліди на підтвердження наведеної інформації. Буде також розглянуто унікальні властивості напівпровідникових матеріалів , елементи , що до них відносять , явища , що відбуваються у напівпровідниках та прилади , в яких застосовуються напівпровідники. 1.ПОНЯТТЯ НАПІВПРОВІДНИКІВ. 1.1. Класифікація за опором. До недавнього часу речовини за їх електричними властивостями класифікували як провідники та діелектрики. Такий розподіл зрозумілий , оскільки ці речовини дуже сильно відрізняються між собою електропровідністю. Для провідників значення питомого опору знаходиться в межах від 10−5 до 10−8 Ом×м , а для діелектриків воно змінюється в межах від 1010 до 1016 Ом×м . Ці числа показують , який значний інтервал між питомим опором провідників та діелектриків. Ці області та інтервали між ними можна побачити на схемі 1. 1.2. Хімічні елементи. Подальші дослідження електропровідності речовин призвели до відкриття таких матеріалів , у яких електропровідність виявилася проміжною між провідниками та діелектриками . Такі речовини було названо напівпровідниками. До них належать елементи 4 групи таблиці Менделєєва – германій та кремній , також селен , сполуки елементів 3 групи з елементами 5 групи. Питомий опір напівпровідників знаходиться в межах між від 104 до 10−5 , що також відображено на схемі 1. Також слід зазначити , що опір різних речовин( напівпровідники не виняток) залежить від їх чистоти. 2. ЕЛЕКТРИЧНИЙ ОПІР НАПІВПРОВІДНИКІВ. 2.1. Залежність опору напівпровідників від температури. Для визначення цієї залежності розглянемо напівпровідник , що майже повність складається з атомів германію та містить невеликий вміст домішки арсену (миш’яку). Атом арсену містить на зовнішньому енергетичному рівні 5 електронів. Атоми в напівпровіднику поєднані між собою ковалентними зв’язками. Участь у ковалентному зв’язку бере лише 4 електрони , а 5-ий залишається «вільним». Такі провідники називають провідниками n-типу ( n скорочення від слова «negative», що означає заряд електрона), а домішки в ньому - донорними. Якщо до напівпровідника прикласти зовнішнє електричне поле , то ці електрони , які не беруть участі у ковалентному зв’язку, будуть переміщуватись разом із вільними носіями зарядів. Необхідно також розглянути напівпровідники з іншими домішками. Наприклад , з домішками тривалентних елементів – індію , алюмінію або галію.При утворенні ковалентних зв’язків германію з індієм утворюються спільні електронні пари , але на зовнішньому енергетичному рівні індій містить3 електрони , тому виникає недостача одного електрона і утворюється електронна вакансія (т.зв. ‘дірка’). Такі напівпровідники називають напівпровідниками p-типу , а домішки в ньому – акцепторними. При прикладенні до такого напівпровідника зовнішнього електричного поля виникає рух електронів від однієї електронної вакансії до іншої. Слід зазначити , що електрони при цьому рухаються в одному напрямі , а електронні вакансії в іншому. Ілюстрація описаного вище відображена у додатку 1. 2.2. Залежність опору напівпровідників від чистоти. У напівпровідників , як і у діелектриків , домішки значно знижують їх опір. Тому домішкові напівпровідники знаходять широке застосування у сучасній техніці. Тепер слід розглянути залежність опору (і провідності) напівпровідників від температури. Для цього проведемо дослід. Нам знадобиться : напівпровідниковий термістор , омметр , термометр , посудина для нагрівання. Приєднуємо до термістора омметр і поміщаємо термістор у посудину. Тепер поступово будемо нагрівати напівпровідник , знімаючи при цьому покази термометра. Початковою температурою буде кімнатна температура. Під час нагрівання бачимо , що покази омметра зменшуються , тобто опір напівпровідника також зменшується. Провідність обернено пропорційно залежить від опру матеріалу , тому виходить , що з підвищенням температури провідність напівпровідника збільшується. Тоді виникає питання : чому провідність напівпровідників з підвищенням температури збільшується , а не зменшується , як це відбувається з провідниками? Щоб відповісти на це питання потрібно розглянути молекулярну будову напівпровідників та процеси , що відбуваються в них з підвищенням температури. Енергія , яка необхідна для відриву електронів від атомів ,є меншою , ніж у діелектриків , а тому при нагріванні кількість рухомих носіїв заряду швидко зростає і опір при цьому зменшується. При охолодженні відбувається зворотній процес – опір зростає, провідність знижується і напівпровідники за своїми властивостями нагадують діелектрики. З цього можна зрозуміти , що явище надпровідності у напівпровідників відсутнє. Дослід з впливу температури на провідність напівпровідників міститься у додатку 2. 3.ЧИСТІ НАПІВПРОВІДНИКИ. 3.1. Власна провідність. Розглянемо як утворюються рухомі носії зарядів в чистих напівпровідниках на прикладі германію та кремнію. У атомів цих елементів на зовнішньому рівні міститься по чотири валентних електрони. У твердому стані ці речовини мають кристалічну гратку, зв’язок між атомами ковалентний. Ковалентний зв’язок атомів германію зображено на схемі 2. При низькій температурі всі електрони зв’язані з атомами. В такому кристалі майже немає рухомих носіїв зарядів і він представляє собою ізолятор. При збільшенні температури атоми отримують енергію , якої достатньо для того, щоб відірватися від атома. Поява таких носіїв зарядів і зумовлює провідність напівпровідника. Енергія , потрібна для відриву для кожного елемента є різною. З появою «вільних» електронів також утворюються дірки , які умовно вважають як носії позитивних зарядів. Без впливу електричного поля електрони , що відірвалися , та дірки здійснюють по напівпровіднику хаотичний рух. При накладанні електричного поля вони утворюють електричний струм. Тобто нагрівання напівпровідника призводить до генерації пар рухомих носіїв зарядів «електрон-дірка». Коли електрон , при хаотичному русі , зустрічається з діркою , то він заповнює вакантне місце , а це в свою чергу спричиняє зникнення відразу двох рухомих носіїв зарядів. Це явище дістало назву рекомбінації пар «електрон-дірка». При постійній температурі між генерацією та рекомбінацією цих пар існує деяка рівновага. Слід зазначити , що в напівпровіднику без домішок завжди наявна рівна кількість вільних електронів та дірок. 4.ДОМІШКОВІ НАПІВПРОВІДНИКИ ТА ЕЛЕКТРОННО-ДІРКОВИЙ ПЕРЕХІД. 4.1.Домішкова провідність. За допомогою додавання в чистий напівпровідник спеціально підібраних домішок можна таким чином змістити рівновагу між електронною та дірковою провідністю в ту чи іншу сторону. Результат додавання домішок , явища , що при цьому відбуваються та типи домішкових напівпровідників було наведено вище , а також відображено у додатку 1. Зазначимо , що в домішкових напівпровідниках вже при нормальних температурах відбуваєься генерація пар електрон-дірка. Тому крім основних носіїв заряду там містяться в невеликій кількості і носії струму протилежного знаку( неосновні носії заряду). При невисоких температурах вони не грають значної ролі в електропровідності. При високих температурах , коли відбувається інтенсивна генерація пар, напівпровідник набуває змішаної провідності. 4.2.Електронно-дірковий перехід. Уявімо собі кристал германію , у якого одна частина містить донорнудомішку , а інша – акцепторну. (Схема 3) Границю в кристалі напівпровідника між цими областями називають електронно- дірковим переходом. Тепер розглянемо його властивості. При контакті цих двох частин цього кристалу відразу починається перехід електронів з області де їх багато у область де їх мало , а дірки переміщуються в протилежному напрямі. Ця дифузія електронів та дірок проходила б до повного вирівнювання концентрацій в обох частинах кристала , якби вони не переносили заряди. При переміщенні між двома цими областями виникає різниця потенціалів. На границі цих областей виникає електричне поле , яке заважає подальшій дифузії основних носіїв заряду через границю, відкидаючи їх назад у свої області. Лише дірки та електрони з достатньо великою кінетичною енергією можуть подолати протидію електричного поля і перейти через перехідну область. Але це поле викликає зворотній перехід неосновних носіїв заряду : дірок з n-області в p-область , а електронів зp-області вn-область. В результаті в перехідній області встановиться така різниця потенціалів , при якій дифузійний потік дірок з p-областіn-область врівноважується зустрічним потоком електронів зn-області вp-область. Одночасно врівноважуються і зустрічні потоки електронів. Результуючі потоки і електронів і дірок стають рівними нулю. В перехідній області майже немає рухомих носіїв зарядів – адже вони не можуть втриматися там и швидко пролітають крізь нього. В перехідній області залишаються лише деякі іони акцепторної домішки та донорної домішки. В цих областях і сконцентровані заряди n і p-областей , а інші частини кристала залишаються електрично нейтральними. Перехідна зона має дуже малі розміри – близько 1мкм , але вона має дуже великий опір порівняно з іншими частинами кристала і при включенні її в коло майже вся напруга концентрується саме на цьому переході. Отже , хоча перехід має дуже малі розміри , та роль його значна. 5. P-N-ПЕРЕХІД В ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ. НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ ДІОД. Тепер з’ясуємо , як проходить електричний струм через цей перехід. На схемі 3 зображено два випадки. При відсутності зовнішньої напруги всі потоки рухомих носіїв врівноважені і струм буде рівний нулю. Ввімкнемо кристал у коло так , щоб зовнішнє поле було направлене протилежно полю переходу. Поле в переході буде ослаблено і дифузійні потоки основних носіїв будуть прямувати через перехід . Зустрічні потоки неосновних носіїв майже не зміняться. В результаті через перехід потече великий струм. У цьому випадку струм та напруга називаються прямими. (Схема4) Сила струму при збільшенні напруги зростає дуже швидко – схема 5 Подамо тепер на кристал напругу зворотної полярності. В цьому випадку зовнішня напруга співпадає по знаку з різницею потенціалів. Зовнішнє поле підсилює поле переходу , а тому дифузійні потоки основних носіїв через перехід значно зменшуються. Тепер ці потоки створюють слабкий струм. Прикладена напруга та струм у цьому випадку називають зворотніми. Виходить , що при прямій напрузі струм через перехід в тисячі , а той у мільйони разів більший , ніж при зворотньому. Тобто перехід пропускає струм лише в одному напрямі. Він діє подібно до клапану. Якщо увімкнути кристал з переходом у коло зі змінним струмом та навантаженням ,то струм при цьому буде майже постійним за напрямом. Тому такий кристал з переходом називають напівпровідниковим випрямлячем чи напівпровідниковим діодом. Діод пропускає струм лише в одному напрямі. Він має дуже високий ККД (до 95-98%) та довгий строк служби. До недоліків діода належить погіршення йог о роботи при підвищеній температурі. Причина цього була описана вище. Зворотній струм в напівпровідниках швидко зростає зі збільшенням температури : кремнієвий діод перестає випрямляти струм при температурі близько 200’С , а гранична температура для германієвих діодів ще нижча. Діод не можна вмикати в коло без навантаження , бо зовнішня напруга стане більшою за різницю потенціалів і перехід майже зникне і через це по діоду потече дуже великий струм та діод вийде з ладу. ВИСНОВКИ Напівпровідники є особливими речовинами. Їхні властивості справді є унікальними. Їх питомий опір є проміжним між значеннями опору провідників та діелектриків. До напівпровідників належать деякі елементи 3 та 5 групи періодичної системи хімічних елементів Менделєєва та їх сполуки. Властивості напівпровідників сильно залежать від умов навколишнього середовища. Їх опір та провідність залежить від чистоти , температури , випромінювання , впливу електричного поля. За низьких температур , за відсутності випромінювання та впливу електричного поля нагадують діелектрики. За високих температур , випромінювання чи впливу електричного поля нагадують провідники. Навіть невеликі порції домішок у напівпровіднику (менше 1%) здатні значно впливати на провідність напівпровідника. Це дозволяє легко змінювати опір та провідність напівпровідників. Але з ця чутливість є і недоліком напівпровідників. Напівпровідник зберігає свої властивості у відносно невеликому інтервалі температур. Наприклад, при 200’С кремнієвий напівпровідниковий діод вже не здатен випрямляти струм. Для інших елементів ці температури ще менші. За не сильно низьких температур напівпровідники не здатні проводити струм. Позитивним також можна вважати посилення властивостей напівпровідників з підвищенням температури. Саме через це напівпровідники широко застосовують у сучасних технічних приладах. Для не допущення погіршення чи зникнення потрібних властивостей слід оберігати напівпровідники та прилади з них від небажаних впливів навколишнього середовища. Вивчення та застосування напівпровідників дає великі можливості у подальшому вивченні та розвитку техніки та фізики в цілому. Вивчення і застосування напівпровідників дає нам великі можливості у досягненні певних цілей , а тому за напівпровідниками наше найближче майбутнє. ПЕРЕЛІК ЛІТЕРАТУРИ 1. Гончаренко Семен Устимович Фізика.- К: Освіта, 2002.- 319с. 2. Чолпан Петро ПилиповичФізика.- К.: Вища школа, 2003.- 567с. 3. Федорченко Адольф Михайлович Теоретична фізика.- К.: Вища школа, 1993. 4. Пітер Ю. , МануельКардона – Основи фізики напівпровідників. Москва:Фізматліт,2002 5. Коршак Евген Васильович, Ляшенко О.І.,Савченко В.Ф. Фізика.- К., Ірпінь.: ВТФ "Перун", 2000.- 160с. 6. Кушнір Роман Михайлович Загальнафізика. Механіка. Молекулярнафізика.- Львів: Вид.центр ЛНУ, 2003 7. Молекулярна фізика і термодинаміка: Метод. вказівки /Уклад.: Л.М.Шейко, В.Л.Сніжний.- Запоріжжя: ЗДУ, 1997.- 145с. 8. БолестаІванФізика твердого тіла.- Львів: Вид-во ЛНУ, 2003.- 480с. 9. Коршак ЄвгенВасильович та ін. Фізика.- К., Ірпінь: Перун, 1999.- 192с. 10. Жданов Л.С.,Жданов Г.Л. – Фізика для середніх спеціальних учбових закладів.,Москва:Наука., Головна редакція фізмат літ,1981. ДОДАТКИ Схема 1 Схема 2 Схема 3 Схема 4 Схема 5
