Содержание и методика изучения темы 'Электрический ток в полупроводниках' в современной школе

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

"Брестский государственный университет имени А.С. Пушкина"

Физический факультет

Кафедра методики преподавания физики и ОТД

Дипломная работа по специализации "Методика преподавания физики"

Содержание и методика изучения темы "Электрический ток в полупроводниках" в современной школе

Брест, 2012г

Содержание

Введение

Глава 1. Полупроводники в современном мире

.1 Социально-методические вопросы изучения полупроводников в СШ

.2 Примеры полупроводниковых приборов

.2.1 Общие свойства полупроводников

.2.2 Электронно-дырочный переход

.2.3 Полупроводниковые диоды

.2.4 Полупроводниковый лазер

.2.5 Термистор

.2.6 Транзистор и его виды

Глава 2. Методика изучения темы

2.1 Электрофизические свойства полупроводников

.1.1 Общие сведения о полупроводниках

.1.2 Механизм электропроводности полупроводников

.1.3 Собственная и примесная проводимость полупроводников

.1.4 Собственные и примесные полупроводники

.2 Электрический ток в полупроводниках

.2.1 Электронно-дырочный переход

.3 Примерный план-конспект первого урока

.4 Примерный план-конспект второго урока

Заключение

Литература

Приложение

Введение

В преамбуле к учебным программам по физике для общеобразовательных школ [1] сказано: "Значение учебного предмета "Физика" определяется той ролью, которую играет физическая наука в жизни современного общества, ее влиянием на темпы развития научно-технического прогресса, развитие культуры человека, формирование социально значимых ориентаций, обеспечивающих гармонизацию отношений человека с окружающим миром". По-видимому, можно истолковать слова о "современности общества" как указание на изучение тех элементов физической науки, которые активно используются современным обществом, а слова о "гармонизации отношений с окружающим миром", как намек на то, что физические знания должны давать понимание процессов, повседневно и повсеместно наблюдаемых в окружающем мире. Если принять такую точку зрения, то содержание темы "Ток в различных средах" представляется не соответствующим положениям о "современности" и "гармонизации с окружающим миром".

Действительно, научно-техническое состояние современного общества характеризуется чрезвычайно широким использованием полупроводниковой электротехники (электроники). Если 20 век был веком развития проводниковой электротехники, то его конец и 21 век присовокупят к ней гораздо больший по объему и значению для развития раздел полупроводниковой электротехники и электроники. Данное обстоятельство не нашло отражения в школьных учебных программах. Более того, если прочитать перечень требований к знаниям учащихся, то сложится впечатление, что основное для учащихся - это усвоить законы электролиза. Сомнительным кажется нам название параграфа "Ток в вакууме", которое выступает в контексте других названий: "ток в металлах, электролитах и пр.". Вакуум не содержит свободных зарядов и сам по себе не может проводить ток. Если в вакуум искусственно вносятся свободные заряды, то это обстоятельство должно отражаться в названии учебного параграфа.

Практическая деятельность любого современного человека в быту, на производстве, на отдыхе сопряжена с использованием полупроводниковых приборов. В этой связи нам представляется, что для гармонизации отношений с внешним миром человеку необходимо иметь представления о наблюдаемых физических явлениях: свечении светодиода, лазера, действии транзисторов. Изучение этих явлений в школе является перезревшей задачей образования. Замалчивая и игнорируя эту задачу, мы понижаем общий фон физических знаний в очень важной области научно-технического развития общества, прививаем его членам отрешенное сугубо потребительское отношение к достижениям НТ прогресса.

Настоящая работа имеет две взаимосвязанные цели. Первая - отбор материала по тематике "ток в полупроводниках и полупроводниковых приборах", который дает сведения о современном использовании физических явлений в полупроводниках. Вторая - разработка методики изучения этого материала в 10 классе общеобразовательной школы. Вопрос об учебном времени для реализации данной методики пока не затрагивается нами. Видимо, учебное время можно изыскать путем сокращения других менее актуальных тем. Однако каких-либо рекомендаций по этому вопросу в настоящей работе нет. На первом этапе более актуальным является отбор материала и его методическая разработка.

Глава 1. Полупроводники в современном мире

 

.1 Социально-методические вопросы изучения полупроводников в СШ

Вопрос о содержании школьного физического образования чрезвычайно сложен. Одним из аспектов этой сложности является быстрота современного научно-технического прогресса, предъявляющая к образованию подрастающего поколения новые и новые требования, в то время как инерционность системы образования не позволяет оперативно реагировать на них. В такой ситуации необходим некий глобальный принцип, который позволял бы иметь правильный ориентир, независящий от медлительного административного механизма. В Советской школе таким принципом являлся принцип политехнизма, который долгое время обеспечивал высококачественное школьное образование. Однако, социальный кризис на рубеже веков наряду с другими негативными его последствиями привел к тихой отмене принципа "технизма" в образовании, что выразилось в содержании последних учебных программ по физике [1].

Смиряясь с отсутствием принципа "технизма", мы попытаемся сформулировать другой более слабый принцип физического образования, дав ему название: принципа "посильно-научного мировосприятия". Идея его проста. Общее физическое образование должно обеспечивать учащимся, в силу своих возможностей, научное объяснение и толкование наблюдаемых в повседневности явлений. Согласно этому принципу, например, изучение сил Лоренца или Ампера должно заканчиваться изучением каждодневно наблюдаемых их применений. При этом северное сияние в Белоруссии не наблюдается и его можно не упоминать, а действие электрических машин необходимо изучить. Если, руководствуясь данным принципом, просмотреть действующие учебные программы, то возникнет ощущение их оторванности от повседневной жизни современного школьника. Какой смысл в изучении, например, поляризации света, если действие ЖК мониторов, использующее это явление, остается загадкой? С какого бока приклеивается вопрос производства электроэнергии к колебаниям и волнам? Количество подобных вопросов весьма велико. Мы не будем продолжать их и сосредоточимся на теме "электрический ток в различных средах", где последовательно и равноправно изучается протекание тока в металлах, электролитах, газах, вакууме, полупроводниках.

Прогресс цивилизации в 20 веке был в значительной степени обусловлен развитием электротехники. Такие ее составляющие как электроэнергетика, электропривод, электросвязь, электро-автоматика, электронная вычислительная техника позволили на несколько порядков увеличить производительность труда во всех сферах человеческой деятельности и качественно изменить содержание самой этой деятельности. На первых этапах развития электротехника, практически на 100%, использовала электропроводность металлов, что позволяет назвать ее проводниковой электротехникой. Управление током осуществлялось либо посредством электроконтактных устройств, либо путем изменения длины проводниковых сопротивлений. Изучение некоторых технических устройств проводниковой электротехники еще присутствует или недавно присутствовало нашей школе. Сюда относится электрический ключ, реостат, машина постоянного тока с коллекторно-щеточным узлом и пр.

Добавление электровакуумных приборов существенно расширили возможности управления током, и электротехника совершила гигантский прыжок вперед, породив при этом множество сопутствующих научных направлений. Некоторые технические приложения нашли отражение в школьных программах: устройство и работа вакуумного диода, триода, электронно-лучевой трубки, генерирование электрических колебаний, беспроводная радиосвязь. Однако по своему характеру электротехника продолжала оставаться проводниковой.

Медленное, но неуклонное изменение характера электротехники началось с появления в ней полупроводниковых приборов. На первом этапе это были т.н. кристаллические детекторы, представляющие собой полупроводниковые выпрямители, называемые теперь полупроводниковыми диодами. Они использовались для выпрямления переменного тока электрической сети и известны под названиями купруксные и селеновые выпрямители. Принцип действия полупроводниковых выпрямителей и кристаллических детекторов долгое время не был до конца ясен, однако возможность замены ими вакуумных диодов породила надежду на аналогичную возможность замены и вакуумных триодов. Послевоенный период ознаменовался интенсивными исследованиями полупроводниковых материалов с целью создания полупроводникового триода и в 1948 г. Бардин, Браттейн и Шокли создали первый действующий полупроводниковый триод. После этого полупроводниковая электроника и электротехника проделали славный путь. В настоящее время можно говорить о новом характере электротехники, которая стала "проводниково-полупроводниковой". Полупроводниковые устройства проникли во все этапы применения электроэнергии от ее производства и распределения до конечного использования, которое расширилось до огромных пределов благодаря полупроводникам. Даже такие традиционно проводниковые отрасли электротехники как электрические машины и коммутация электроэнергии становятся немыслимыми без полупроводников.

Такое положение вещей само по себе является основанием для особого подхода к изучению полупроводников в школе. Кроме того, повседневная практика каждого человека и в.ч. школьника связана с наблюдаемыми эффектами использования полупроводниковых приборов: светодиодные индикаторы, осветители, компьютеры, фотодатчики, телевизоры и многое другое. Согласно принципу "посильно-научного мировосприятия" эти повседневно наблюдаемые явления нельзя оставлять без объяснения и изучения. В противном случае мы будем получать не только недостаточно грамотное молодое пополнение, но и пассивное, отрешенное от научно-технического прогресса, привыкшее к неосознанному потреблению и неспособное на собственную инициативу.

Всевозможные возражения в виде недостатка учебного времени, трудности данной темы для восприятия учащимися, отсутствие учебного оборудования следует признать несостоятельными. Учебное время можно высвободить за счет других тем. К примеру, можно устранить тему "Ток в вакууме". В бытовом использовании остался единственный электровакуумный прибор - магнетрон в СВЧ печи, которым можно пренебречь. Трудность для восприятия - это вопрос методики изучения. Отсутствие оборудования - привычная проблема. Если по этой причине исключать темы из учебной программы, то в ней мало что останется.

Таким образом, следует принять как аксиому необходимость изучения полупроводниковых приборов в школе. После этого определится конкретный круг изучаемых вопросов и методика изучения. Следующий параграф посвящен очерчиванию круга изучаемых вопросов. Возможно, он избыточен, но мы исходили из того, что сокращать всегда легче, чем пополнять.

 

1.2 Примеры полупроводниковых приборов

1.2.1 Общие свойства полупроводников

Полупроводники по величине электропроводности занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. К полупроводникам относятся элементы 4 группы таблицы Менделеева, а также соединения элементов 3 и 5 групп. Наиболее употребительные полупроводниковые материалы при комнатной температуре обладают сравнительно малой электропроводностью, которая обусловлена двумя механизмами переноса заряда. Первый механизм состоит в движении по полупроводниковому образцу т.н. свободных электронов и называется электронной электропроводностью. Второй механизм заключается в движении несвободных - валентных электронов, которые при наличии вакансий в валентной зоне могут перескакивать от атома к атому и тем самым двигаться по объему полупроводника. Данный механизм электропроводности называется дырочным. Это название обусловлено тем, что эстафетное движение валентных электронов от атома к атому представляется как встречное движение положительно заряженных частиц, называемых дырками.

В чистом полупроводнике число свободных электронов совпадает с числом энергетических вакансий в валентной зоне, т.е. с числом дырок. В виду малого их числа собственная электропроводность чистых полупроводников весьма мала. Однако специальными примесями, добавляемыми в полупроводник, можно либо увеличить концентрацию свободных электронов (в этом случае примесь называется донорной) и тем самым увеличить электронную проводимость, либо увеличить концентрацию вакансий в валентной зоне (такая примесь называется акцепторной) и, следовательно, увеличить дырочную проводимость полупроводника. Электропроводность, обеспечиваемая примесями, называется примесной. Ничтожного количества примеси оказывается достаточно для того, чтобы примесная электропроводность полупроводника на несколько порядков превышала его собственную. Поэтому свободные электроны или дырки, обусловленные примесью, называются основными носителями заряда, а собственные свободные носители заряда полупроводника - неосновными.

Для концентрации свободных электронов - n и дырок - p в полупроводнике справедлива т.н. формула полупроводника:

=n_i²= p_i², (1.1)

в которой n_i - собственная концентрация свободных электронов - в чистом полупроводнике, равная собственной концентрации дырок - p_i. (При комнатной температуре n_i≈1.5*10¹⁶ м^-3). Формула показывает, что, увеличивая за счет примеси концентрацию свободных носителей заряда одного знака, мы уменьшаем концентрацию противоположных носителей. Кроме того, добавляя в полупроводник с какой-либо преимущественной примесной электропроводностью противоположную примесь, можно подавить имеющейся тип электропроводности и создать противоположный тип. Этим приемом пользуются для получения в объеме полупроводникового образца граничащих друг с другом областей, с противоположным типом электропроводности - p-n-переход.

 

1.2.2 Электронно-дырочный переход

Рассмотрим некоторые свойства p-n-перехода, схематично показанного на рис.1.1(а). Без существенной погрешности можно считать, что концентрация свободных электронов в области с n проводимостью совпадает с концентрацией там донорной примеси (n=Nд). Аналогично, концентрация дырок в р области будет равна концентрации акцепторной примеси в данной области ( p=Nа). Кроме того, мы будем полагать концентрацию примесей в областях равномерной, а сам переход резким, как показано на графике (рис.1.1б) концентраций.

Тепловое движение свободных электронов и дырок приведет к их преимущественному движению из областей большей концентрации в области, где их концентрации меньше (диффузия). В результате свободные электроны будут диффундировать в р область, а дырки в область с n проводимостью. (Мы должны представлять, что диффузия дырок - это противоположное движение валентных электронов). Такое направленное движение заряженных частиц представляет собой диффузионный ток. Если бы электроны и дырки не имели электрического заряда, их диффузия продолжалась бы до полного выравнивания концентраций. Однако перенося свой заряд, они заряжают область n положительно, а область р - отрицательно, создавая тем самым электрическое поле и разность потенциалов между областями. Электростатические силы, действующие со стороны этого поля на основные свободные носители заряда, направлены против диффузии последних и ослабляют диффузионный ток через переход. В результате наступает равновесие, при котором ослабленный полем диффузионный ток компенсируется встречным т.н. дрейфовым током, созданным этим же контактным электрическим полем, которое действует на неосновные носители - свободные электроны в р-области и дырки в n-области.

Хотя дрейфовый ток создается контактным напряжением, его величина очень слабо зависит от этого напряжения, а определяется интенсивностью появления неосновных носителей и временем их существования:

 (1.2)

В данной формуле n_p и p_n - концентрации неосновных носителей - электронов в р-области и дырок в n-области; L_p, L_n - средние длины, которые проходят неосновные носители от момента появления до исчезновения (рекомбинации), τ_р, τ_n - времена жизни неосновных носителей, S - площадь перехода.

Поскольку концентрации неосновных носителей n_p и p_n очень малы, малыми оказываются дрейфовый ток и ослабленный до его уровня диффузионный ток. В дальнейшем картина распределения зарядов в области перехода остается неизменной.

По обе стороны от центральной плоскости перехода будут существовать области объемного заряда, образованные продифундировавшими туда свободными электронами и дырками. Однако свободными эти носители заряда были только в своих областях. После того как они перешли в область с противоположной проводимостью они оказываются захваченными имеющимися там атомами противоположной примеси и утрачивают возможность движения. Таким образом, области объемного заряда будут иметь объемные плотности заряда, равные концентрациям примесных атомов, умноженным на элементарный заряд: ρ_р= -N_aq₀, ρ_n=N_дq₀. Границы совокупной области объемного заряда x_n, x_p очень четкие, они считаются границами p-n перехода. Внутри перехода, т.е. в области объемного заряда концентрация свободных носителей очень мала, она равна их концентрации при данной температуре в чистом полупроводнике - n_i. Практически данная область является диэлектриком. Иногда ее называют обедненным или запорным слоем р-n перехода. Полный объемный заряд во всей области должен быть равен нулю:

_p+x_nN_aq₀=0, ρ_n+x_pNдq0=0,

откуда получим |x_n/x_p|=N_д/N_a. Если N_д=N_a, переход называется симметричным. Для такого перехода |x_n|=|x_p|, т.е. область объемного зараяда имеет одинаковую толщину в p и n областях. Однако симметричные переходы используются редко. В несимметричном переходе область объемного заряда оказывается сосредоточенной, главным образом в той области, где меньше концентрация легирующей примеси.

На рис.1.1г, д показаны графики изменения напряженности внутреннего поля и потенциала в направлении оси Х. Результирующая разность потенциалов - U₀, называемая контактной, выражается следующей формулой:

, (1.3)

в которой U_T=kT/q₀ - параметр, называемый температурным потенциалом. Это потенциал, приходящийся на одну степень свободы частицы с элементарным зарядом при ее тепловом движении. При комнатной температуре U_T≈26 mB. Для оценки величины контактной разности потенциалов положим n_i=1.5*10¹⁶ м^-3, Na=10²¹ м^-3, Nд=10²⁰м^-3, тогда U₀=0.51B.

Общая толщина перехода - суммарная толщина областей объемного заряда равна:

(1.4)

Абсолютная диэлектрическая проницаемость кремния - ε_а=10^-10Ф/м. Если подставить в (1.4) концентрации примесей из предыдущего примера, то получим w=2.8*10^-6 м=2.8 мкм. Это типичная собственная толщина перехода для умеренных концентраций примесей. С увеличением Na и Nд толщина перехода уменьшается. Переход можно рассматривать как конденсатор, у которого обкладками являются электропроводные р и n области, а диэлектриком слой объемного заряда, толщиной - w. Обозначив через S площадь перехода, вычислим емкость такого плоского конденсатора:

(1.5)

Ввиду малой толщины диэлектрического слоя и заметной диэлектрической проницаемости кремния величина емкости p-n перехода получается существенной даже у миниатюрных переходов. Например, переход с площадью S=1 мм² обладает емкостью 40 - 50 пф.

Если к p-n переходу приложено внешнее напряжение U, то оно суммируется с контактным напряжением U₀. Будем считать положительным внешнее напряжение - U, если оно приложено плюсом к р-области и минусом к n-области. Соответственно положительным будет считаться ток через переход, текущий от р-области к n-области. Часто данные полярность напряжения и направление тока называют прямыми, а противоположные - обратными. При этих условиях контактная разность потенциалов на переходе и дрейфовый ток через него отрицательны. Напротив, диффузионный ток положителен.

Если к p-n-переходу приложено напряжение положительной полярности - U (прямое напряжение), оно вычитается из контактного напряжения U₀. Суммарное напряжение на переходе уменьшается и становится равным -(U₀- U). Потенциальный барьер, препятствующий диффузионному току, уменьшается, что вызывает увеличение диффузионного тока. Следует иметь в виду, что, несмотря на небольшую величину контактного напряжения U₀≈0.5 - 1В., изменить знак напряжения на переходе с помощью противоположного по знаку внешнего напряжения невозможно. Уменьшение разности (U₀- U) приводит к резкому росту диффузионного тока через переход, который задолго до нулевой величины этой разности становится столь большим, что расплавляет области перехода. Из этого следует, что величина дрейфового тока через переход, определяемая полярностью напряжения на переходе и формулой (3.2), не зависит от внешнего напряжения.

Результирующий ток перехода, равный разности диффузионного и дрейфового тока, выражается т.н. формулой Шокли:

На рис.1.2 показан график данной зависимости в крупном масштабе и микроскопическом масштабе вблизи нулевых отметок шкал. Формула Шокли выражает вольтамперную характеристику (ВАХ) перехода - зависимость тока от напряжения. Налицо односторонняя проводимость p-n перехода. Отрицательные напряжения на переходе вызывают очень малый дрейфовый ток, в то время как положительные напряжения - сильный диффузионный ток.

Если заменить в формулах (1.4, 1.5) контактное напряжение -U₀. на сумму контактного и внешнего (U₀- U), легко определится влияние внешнего напряжения на толщину перехода и его электроемкость.

, (1.7)

В случае отрицательного внешнего напряжения оно, суммируясь с контактным, может в широких пределах изменять толщину перехода и его электроемкость. Ниже мы увидим, что данные эффекты имеют практическое использования для управления электропроводностью и получения конденсаторов с регулируемой емкостью.

Пробой p-n-перехода - это явление резкого увеличения обратного тока перехода при увеличении обратного (отрицательного) напряжения на нем. Формула Шокли не отражает явления пробоя. Она справедлива только при небольших величинах обратного напряжения. График реальной ВАХ p-n-перехода показан на рис.1.3. Если обратное напряжение приближается к величине пробивного напряжения (Uпр) обратный ток диода, который при небольших напряжениях, практически, незаметен, начинает резко возрастать. Причиной этого являются два механизма, получившие названия туннельный пробой и лавинный пробой.

Туннельный пробой характерен для тонких переходов, у которых вследствие больших концентраций донорной и акцепторной примесей толщина перехода w мала. Поскольку суммарное напряжение (U₀-U) приложено к тонкой области объемного заряда, напряженность электрического поля Е=(U₀- U)/w оказывается весьма большой и вызывает туннельное проскакивание свободных носителей заряда через эту область. В результате возникает большой обратный ток. Подбирая концентрации примесей Na, Nд, можно получать нужные значения пробивного напряжения в диапазоне от нуля (рис.1.4а) до нескольких вольт (рис.1.3). При очень высоких концентрациях примесей можно даже получить положительные значения пробивного напряжения. В этом случае ВАХ перехода, показанная на рис.1.4б, приобретает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Механизм лавинного пробоя p-n-перехода характерен для толстых переходов и позволяет получить большие величины Uпр - десятки и даже сотни вольт. Лавинный переход состоит из слабо легированных областей. Свободные носители, ускоряясь в области объемного заряда под действием поля (U₀- U) могут приобрести энергию, достаточную для освобождения электронов из атомов кристаллической решетки. Порожденные таким образом пары электрон-дырка также разгоняются полем (U₀- U) и могут вызвать следующую генерацию свободных носителей и т.д. Размножение свободных носителей в области объемного заряда происходит лавинообразно, что приводит к резкому увеличению обратного тока.

1.2.3 Полупроводниковые диоды

Диод - это электронный прибор с двумя электродами. Большинство полупроводниковых диодов содержат внутри кристалл полупроводника с p-n-переходом. Рассмотрим особенности некоторых из них.

Вентильные (выпрямительные) диоды предназначены для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное напряжение (ток). Для выпрямительных диодов основное свойство - односторонняя проводимость p-n-перехода. Будучи, включен в цепь переменного напряжения, диод пропускает ток в нагрузку только в одном направлении (выпрямляет график временной зависимости тока). С помощью дополнительных реактивных элементов удается однонаправленный пульсирующий ток превратить в почти постоянный. Конструктивно одиночные диоды представляют собой пластиковый корпус с выводами, внутри которого находится полупроводниковый кристалл. На рис.1.5 показан один из видов корпусных выпрямительных диодов и условное обозначение таких диодов на электрических схемах. Обозначение содержит треугольную стрелку, показывающую направления пропускания тока диодом.

Стабилитроны и стабисторы - это полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации постоянного напряжения. Как видно из рис.1.3, графики ВАХ на прямой ветви и на обратной ветви при пробое идут почти вертикально. Это означает, что напряжение на диоде, включенном в направлении пропускания тока, или включенном в противоположном направлении и работающем в режиме пробоя, изменяется незначительно, в то время как ток может изменяться в широких пределах. Стабилитронами называются диоды, работающие на обратной ветви ВАХ в режиме пробоя, а стабисторами - работающие на прямой ветви. На рис.1.6. приведены схемы простейших стабилизаторов на основе стабилитрона (а) и стабистора (б). Нестабильное, но достаточно большое напряжение U_пит подается через гасящий резистор R на параллельно включенные диод и потребитель стабилизированного напряжения - R_н. Если выполняется условие U_питR_н/(R+R_н)>U_стаб, то напряжение на R_н будет оставаться близким к U_стаб, даже если U_пит сильно изменяется.

Стабилитроны на небольшие напряжения (до 5 -6 В) используют главным образом туннельный пробой и называются диодами Зенера (даже на схемах обозначаются буквой Z). Стабилитроны на напряжения от 5 до 12 - 14В используют как туннельный, так и лавинный пробой. Их по-прежнему можно называть диодами Зенера. Однако стабилитроны на напряжения, большие 15В действуют только на основе лавинного пробоя. Тем не менее, их ошибочно по инерции иногда называют Зенеровскими.

Варикапы - это диоды, использующиеся в качестве конденсатора с регулируемой емкостью. Согласно формуле (1.7) электроемкость p-n-перехода зависит от внешнего напряжения U, приложенного к переходу. Изменяя это напряжение от нуля до величин, близких к пробивному, можно изменять емкость перехода в несколько раз. Условное обозначение варикапа показано на рис.1.7.

Светодиоды

Светодиоды служат реальной альтернативой традиционным источникам света, так как они обладают уникальными технологическими преимуществами, и размер их составляет всего лишь несколько миллиметров.

Светодиод - это полупроводниковый прибор, генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое излучение, которое в видимой области воспринимается как одноцветное (монохромное). Цвет излучения определяется как используемыми полупроводниковыми материалами, так и легирующими примесями.

В отличие от ламп накаливания светодиод излучает свет определенного цвета. Спектр цветов, которые может излучать светодиод, простирается от инфракрасного и красного до зеленого и синего.

За последние годы эффективность светодиодов существенно возросла. В настоящее время она достигает в зависимости от цвета 30 лм/Вт и более (для сравнения, лучшая светоотдача у ламп может достигать 200 лм/Вт). Типичный светодиод потребляет ток 15-20мА при рабочем напряжении 1,7-4,6 В. Цветопередача находится в районе Ra>80.

Светоизлучающие диоды - одни из немногих источников света, которые позволяют реализовать управляемое изменение цвета свечения. В настоящее время рассмотрено несколько путей создания светоизлучающих диодов с управляемым цветом свечения: двухпереходный однокристальный GaP диод; однопереходный двухполосный однокристальный GaP диод; двухкристальный биполярный диод с параллельным соединением кристаллов; двухкристальный диод с независимым включением кристаллов; двухпереходный однокристальный диод, один из р-n-переходов которого излучает красный свет, а другой-инфракрасное излучение, преобразуемое с помощью антистоксового люминофора в зеленое свечение.

Анализ оптических и электрических характеристик, технологичности и применения вышеуказанных видов светоизлучающих диодов с управляемым цветом свечения показал, что наибольший интерес в настоящее время представляет двухпереходный однокристальный GaP диод. Основные преимущества этого вида светоизлучающих диодов следующие: 1) позволяет получить более широкий, чем у однопереходного двухполосного GaP диода, диапазон изменения цвета свечения; 2) рабочий ток во всем спектральном диапазоне не более 20 мА в отличие от однопереходного GaP диода, у которого диапазон изменения тока существенно шире; 3) сила света примерно одинакова во всем спектральном диапазоне в отличие от однопереходного GaP диода, у которого сила света существенно различна для разных цветов свечения; 4) обеспечивает эффективное смешивание излучений двух полос, благодаря чему желтый и оранжевый цвета свечения имеют значительно лучшее качество, чем у двухкристальных диодов (последние фактически являются только двухцветными диодами); 5) позволяет отображать до пяти состояний объекта с помощью цветов: красный - оранжевый - желтый - зеленый - выключено (число отображаемых состояний может быть, по крайней мере, удвоено за счет использования мигающего свечения); 6) позволяет осуществить аналоговое отображение информации путем непрерывного изменения цвета свечения от красного до зеленого (через все оттенки);

) имеет симметричную диаграмму направленности излучения в отличие от двухкристального диода, у которого кристаллы смещены относительно центра прибора, благодаря чему оси диаграмм направленности излучения расположены под углом к оптической оси прибора;

) двухпереходный диод эффективнее светоизлучающего диода, использующего преобразование инфракрасного излучения в видимое, так как эффективность процесса антистоксового преобразования весьма низка.

Однако двухпереходный однокристальный GaP диод имеет и недостатки, а именно-более сложную технологию эпитаксиального выращивания структуры и изготовления кристаллов с тремя контактными областями.

Максимальная Плотность тока через p-n-переход c зеленым свечением составляет 5,5А/см2, через р-n-переход с красным свечением-9,0 А/см². Омический контакт к верхней p-области занимает примерно 20 % ее площади, а контакт к нижней р-области - примерно 40% площади нижней грани. Омический контакт к базовой n-области выполнен сплошным и непрозрачным, как для улучшения цветовой характеристики прибора, так и для повышения надежности получения низкоомного омического контакта к n-GаР.

Для получения повышенной мощности излучения применяют суперлюминесцентные диоды, занимающие промежуточное положение между инжекционными светодиодами и полупроводниковыми лазерами. Они обычно представляют собой конструкции, работающие на том участке ватт-амперной характеристики, на котором наблюдается оптическое усиление (стимулированное излучение). Этот участок характеризуется тем, что внешний квантовый выход на нем существенно больше, чем у обычного светодиода. Суперлюминесцентные диоды имеют уменьшенную спектральную ширину полосы излучения и требуют для работы больших плотностей тока (при мощности излучения 60 мВт плотность тока 3 кА/см²). Их применяют при работе с волоконно-оптическими линиями связи.

Конструктивно диод выполнен в полимерной герметизации на основе металлостеклянной ножки, содержащей отражающую свет коническую поверхность, что позволяет использовать боковое излучение и увеличить в 2-3 раза силу света. Наличие заглубленного посадочного места облегчает центровку кристалла относительно оптической оси прибора. Высота полимерной линзы определена исходя из необходимости обеспечения заданной диаграммы направленности излучения (угол излучения 35°). Отношение высоты полимерной линзы S к радиусу сферы R выбрано равным 1,7.

Зависимость силы света от тока для зеленого цвета свечения сверхлинейна, для красного-сублинейна. Зависимость силы света от температуры для обоих р-n-переходов примерно одинакова. Температурный коэффициент составляет минус (5-8)*10^-3 К^-1.

Диод позволяет, управляемо изменять цвет свечения от красного до зеленого с получением промежуточных цветов: оранжевого, желтого и др.

В последнее время появились сообщения о создании двухпереходных однокристальных GaP диодов повышенной эффективности, содержащих оба р-n-перехода с одной стороны подложки. Структура диода выращивается жидкостной эпитаксией на подложке n-GаР, ориентированной в плоскости (111) В, двумя раздельными процессами. Устройство структуры следующее: слой n₁ (примыкающий к подложке) толщиной 40 мкм, легированный Те до n» 8*10¹⁷см^-3;

слой р₁ толщиной 50 мкм, легированный Zn до p»2*10¹⁷см-³ и кислородом; слой р₂ толщиной 40 мкм, легированный Zn до p»6*10¹⁷см^-3 и азотом; слой n₂ толщиной 25 мкм, легированный S до n»l*10¹⁷ см^-3 азотом.

Первый р-n-переход (n₁-p₁) излучает красный свет, второй (n₂-р₂) - зеленый. В отличие от диода типа АЛС331А, описанного выше, данный диод имеет общий анод. Верхний р-n-переход часто изготавливается планарным благодаря применению разделительной диффузии цинка.

Для восстановления эффективности р-n-перехода с красным свечением, снизившейся в результате проведения второй эпитаксии по выращиванию р-n-перехода с зеленым свечением, применяется длительная термообработка структуры (400-600°С на воздухе в течение 20-70 ч).

Полученные диоды в полимерной герметизации характеризуются высокими значениями внешнего квантового выхода излучения: для красного света -4 % при токе 3мА (плотность тока 2А/см²), для зеленого света- 0,4 % при токе 20 мА (12,5А/см²). Такие значения примерно соответствуют эффективности одноцветных светоизлучающих диодов.

В пользу применения светодиодов, кроме их декоративных свойств, говорит также малое потребление энергии, большой срок службы и обусловленные этим низкие затраты на техническое обслуживание. Затраты на эксплуатацию светодиодного оборудования также минимальны.

Светодиоды уже используются в светофорах на автострадах, железных дорогах и в аэропортах - там, где перегоревшая лампа представляет значительную угрозу, и цена не является доминирующим фактором.

Рис.1.8

Динистор

Каждый полупроводниковый прибор из класса тиристоров представляет собой "пирог" из нескольких слоев, образующих полупроводниковую структуру из чередующихся p-n переходов. У динистора три таких перехода, но выводы сделаны лишь от крайних областей (p и n). Поверхность кристалла-"пирога" с электропроводностью n типа обычно припаяна ко дну корпуса это катод динистора, а вывод от противоположной поверхности кристалла выполнен через стеклянный изолятор это анод.

Как и в случае с диодом, на анод динистора подают плюс напряжения питания, а на катод минус. И обязательно в цепь динистора включают нагрузку: резистор, лампу, обмотку трансформатора и т. д.

полупроводник диод транзистор урок

Если плавно увеличивать напряжение, ток через динистор будет вначале расти незначительно. Динистор при этом практически закрыт. Такое состояние продолжится до тех пор, пока напряжение на динисторе не станет равным напряжению включения Uвкл В этот момент в четырех слойной структуре наступает лавинообразный процесс нарастания тока и динистор переходит в открытое состояние. Падение напряжения на нем резко уменьшается (это видно на характеристике), а ток через динистор теперь будет определяться сопротивлением нагрузки, но он не должен превышать максимально допустимого тока.

Напряжение, при котором динистор открывается, называют напряжением включения (Uвкл), а соответствующий этому значению ток - током включения (Iвкл). В открытом состоянии динистор может находиться до тех пор, пока прямой ток через него будет превышать минимально допустимый ток Iуд, называемый током удержания.

 

1.2.4 Полупроводниковый лазер

Полупроводниковый лазер - полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В полупроводниковом лазере в отличие от лазеров других типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. В полупроводниковом лазере возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность полупроводниковых лазеров - малые размеры и компактность (объём кристалла ~10^-6-10^-2см³). В полупроводниковых лазерах удаётся получить показатель оптического усиления до 10⁴ см^-1, хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения. Другими практически важными особенностями полупроводниковых лазеров являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30-50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 10⁹ Ггц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Инжекционные лазеры. Лазер на р-n-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р-n-переходу, образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от граней кристалла ~20-40%). Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1 кА/см², а при пониженной температуре ~ 10²А/см²). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) представляют собой, например, двусторонние гетероструктуры. Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами, один из которых (типа р-n) служит для инжекции электронов, а второй (типа р-р) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в полупроводниковых лазерах на р-n-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно. Они находят широкое применение как управляемые источники света в оптоволоконных линиях связи. Также, они используются в различном измерительном оборудовании, например лазерных дальномерах. Другое распространённое применение - считывание штрих-кодов. Лазеры с видимым излучением, обычно красные и иногда зелёные - в целеуказателях. Инфракрасные и красные лазеры - в проигрывателях CD- и DVD-дисков. Синие лазеры - в выходящих в настоящее время на рынок устройствах HD DVD и Blu-Ray. Исследуются возможности применения полупроводниковых лазеров в быстрых и недорогих устройствах для спектроскопии.

До момента разработки надёжных полупроводниковых лазеров, в проигрывателях CD и считывателях штрих-кодов разработчики вынуждены были использовать небольшие гелий-неоновые лазеры.

1.2.5 Термистор

Терморезистор (от термо. и резистор), термистор, термосопротивление, полупроводниковый резистор, обладающий свойством существенно изменять своё электрическое сопротивление при изменении температуры. Термистор - один из наиболее простых полупроводниковых приборов. Главные параметры термистора - диапазон рабочих температур и температурный коэффициент сопротивления (ТКС), определяемый как относительное приращение сопротивления (в %) при изменении температуры на 1 К. Различают термисторы с отрицательным ТКС (ОТ), у которых электрическое сопротивление с ростом температуры убывает, и с положительным ТКС (ПТ), у которых оно возрастает. Для изготовления ОТ используют: смеси окислов переходных металлов (например, Mn, Со, Ni, Cu); Ge и Si, легированные различными примесями; карбид кремния (SiC). Диапазон рабочих температур большинства ОТ лежит в пределах от 170-210 К до 370-570 К с ТКС при комнатных температурах. Существуют ОТ высокотемпературные (900-1300 К) и низкотемпературные (4,2-77 K). Из ПТ наиболее важны термисторы, материалом для которых служат твёрдые растворы на основе титаната бария BaTiO3 (легированные лантаном, церием, висмутом и т. д.); такие ПТ часто называются позиторами. В области температур, близких к сегнетоэлектрическому фазовому переходу, их сопротивление при повышении температуры резко увеличивается (на несколько порядков), и в небольшом (~5 К) интервале температур их ТКС может достигать 50% К и более.

Термисторы выпускаются в виде стержней, трубок, дисков, шайб и бусинок. Размеры термисторов варьируют от нескольких мкм до нескольких см. На основе термисторов разработаны системы и устройства дистанционного и централизованного измерения и регулирования температуры, противопожарной сигнализации и теплового контроля, температурной компенсации различных элементов электрической цепи, измерения вакуума и скорости движения жидкостей и газов, а также мощности измерители и др.

 

1.2.6 Транзистор и его виды

ТРАНЗИСТОР - трансформатор резистивности, полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электропроводностью посредством электрического сигнала. Это позволяет управлять величиной электрического тока и усиливать его. 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. На основе транзисторов и их применений выросла широкая отрасль промышленности - полупроводниковая электроника

Полевой транзистор

Полевой транзистор - полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного направлению тока электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы называются униполярными (в отличие от биполярных). По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл - полупроводник, вторую - транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т.н. транзисторы МДП (металл - диэлектрик - полупроводник).

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала p-n переходом, смещенным в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещенных в обратном направлении. При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, остающаяся толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебании как по мощности, так и по току и напряжению.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Рис. 1.9 Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.

Полевой транзистор с изолированным затвором - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Расстояние между сильнолегированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод - затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10¹⁰...10¹⁴ Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10⁷...10⁹), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис.1.9, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой - канал, который соединяет исток со стоком.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

Рис. 1. Выходные статические характеристики (a) и статические характеристики передачи (b) МДП-транзистора со встроенным каналом.

В данной схеме в качестве нелинейного элемента используется МДП-транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом. В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 1.9, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 1).

Статические характеристики передачи (рис. 1, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки UЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Фототранзисторы

Фототранзистором называют полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, ток которого увеличивается за счет подвижных носителей заряда, образующихся при облучении прибора светом.

Принцип действия. При освещении прибора (Ф > 0) в базе в результате собственного поглощения образуются пары зарядов. Дырки - неосновные носители - диффундируют к коллекторному переходу и выбрасываются в коллектор, увеличивая ток в его цепи, подобно тому, как это происходит в фотодиоде. Образовавшиеся электроны - основные носители базовой области - не могут покинуть базу, так как базовый вывод отсутствует. Скапливаясь в базе, они увеличивают отрицательный объемный заряд, в том числе и у эмиттерного перехода. В результате потенциальный барьер у этого перехода снижается и развивается диффузионный поток дырок из эмиттера в базу. Дырки, диффундируя в толще базы, подходят к коллекторному переходу и выбрасываются полем этого перехода в коллектор. Таким образом, генерируемые в базе при ее освещении носители зарядов не только непосредственно участвуют в создании фототока через коллекторный переход, но и стимулируют в приборе физические процессы, обусловливающие протекание тока как в обычном транзисторе. Для тока в фототранзисторе, следовательно, можно записать:

Вольт-амперные характеристики фототранзистора напоминают выходные характеристики обычного транзистора в схеме ОЭ, но параметром здесь служит не ток I_б, а световой поток Ф. Крутой начальный участок этих характеристик соответствует режиму насыщения: при малых U_кэ коллекторный переход, как и в биполярном транзисторе, за счет накопления дырок в коллекторе открывается. Наклон характеристик к оси абсцисс в их пологой части объясняется, так же как и для биполярного транзистора, эффектом модуляции ширины базы.

Энергетические характеристики фототранзисторов, как и фотодиода, линейны. С увеличением напряжения ∆n фототок несколько увеличивается вследствие модуляции ширины базы. Одним из важнейших параметров фототранзистора служит коэффициент усиления по фототоку фототранзистора - отношение фототока коллектора фототранзистора при отключенной базе к фототоку освещаемого р-n перехода, измеренному в диодном режиме.

Разновидности транзисторов

Полупроводниковые "глаза"

Луч света, падающий на полупроводник, переводит часть электронов из валентной зоны в зону проводимости и, следовательно, увеличивает электропроводность полупроводника.

Давно уже перестали быть редкостью прочные и миниатюрные полупроводниковые "глаза" - фотосопротивления, или фоторезисторы. Они идут в технику на смену хрупким и дорогим стеклянным фотоэлементам и надежно работают в различных автоматических устройствах. Можно, например, заставить падать на фотосопротивление тень от деталей, проходящих по заводскому конвейеру, и таким образом подсчитать количество выпущенных деталей, оценить качество шлифовки, окраски изделия. Часто применяются фотосопротивления в устройствах техники безопасности. Стоит рабочему случайно попасть рукой в опасное место машины, как на фотосопротивление падает тень, и ток, текущий через него, прекращается, что служит командой для немедленной автоматической остановки машины.

Фотосопротивления, как и термисторы, могут обладать очень высокой чувствительностью. Прибавьте к этому надежность и прочность, и вы поймете, как ценны эти приборы для техники.

Глава 2. Методика изучения темы

Изучение темы "ток в полупроводниках" необходимо начинать с изучения физических свойств полупроводников и механизмов электропроводности в них. Если ток в металлах и электролитах обусловлен наличием там свободных электронов или ионов, что просто постулируется, то для понимания эффектов в полупроводниках необходимо изучить механизмы генерации, рекомбинации и движения свободных носителей заряда. Подлежащий изучению материал оказывается очень большим по объему. Определение и минимизация этого материала составляет содержание данной главы.

Материал, касающийся принципов работы наиболее распространенных электронных приборов, изложен в первой главе настоящей работы. При изучении темы "Ток в полупроводниках" этот материал должен следовать за подтемой "Электрофизические свойства полупроводников"

Возможно, что предложенный материал будет избыточным. В этом случае его можно подвергнуть дополнительному сокращению за счет отбрасывания промежуточных выкладок.

 

2.1 Электрофизические свойства полупроводников

 

2.1.1 Общие сведения о полупроводниках

Полупроводниками являются вещества, занимающие по величине удельной электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они обладают рядом специфических свойств, резко отличающих их от проводников и диэлектриков, основным из которых является сильная зависимость удельной проводимости от воздействия внешних факторов (температуры, света, электрического поля и др.). К полупроводникам относятся элементы четвертой группы периодической таблицы Менделеева, а также химические соединения элементов третьей и пятой групп типа AIII BV (GaAs, InSb) и второй и шестой групп типа AII B VI ( CdS, BbS, CdFe). Ведущее место среди полупроводниковых материалов, используемых в полупроводниковой электронике, занимают кремний и арсенид галлия GaAs.

Курс изучения темы начинается с определения, полупроводники - это вещества, электропроводность которых при комнатной температуре имеет 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 - n_i, 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, n_i - 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 отличается от валентности основных атомов. Они подразделяются на: электронные и дырочные.

.1.4.1Собственный полупроводник

Собственные полупроводники имеют кристаллическую структуру, характеризующуюся периодическим расположением атомов в узлах пространственной кристаллической решетки.

В такой решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями (рис. 2.1), в результате которых происходит обобществление валентных электронов и образование устойчивых электронных оболочек, состоящих из восьми электронов. При температуре абсолютного нуля (T=0° K) все валентные электроны находятся в ковалентных связях, следовательно, свободные носители заряда отсутствуют, и полупроводник подобен диэлектрику. При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией валентный электрон может выйти из ковалентной связи и стать свободным носителем электрического заряда (рис. 2.2). При этом ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется свободное (вакантное) место, которое может занять один из валентных электронов соседней связи, в результате чего вакантное место переместится к другой паре атомов. Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки можно рассматривать как перемещение некоторого фиктивного (виртуального) положительного заряда, величина которого равна заряду электрона. Такой положительный заряд принято называть дыркой.

Процесс возникновения свободных электронов и дырок, обусловленный разрывом ковалентных связей, называется генерацией носителей заряда. Его характеризуют скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, возникающих в единицу времени в единице объема. Скорость генерации тем больше, чем выше температура и чем меньше энергия, затрачиваемая на разрыв ковалентных связей. Возникшие в результате генерации электроны и дырки, находясь в состоянии хаотического теплового движения, спустя некоторое время, среднее значение которого называется временем жизни носителей заряда, встречаются друг с другом, в результате чего происходит восстановление ковалентных связей. Этот процесс называется рекомбинацией носителей заряда и характеризуется скоростью рекомбинации R, которая определяет количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени в единице объема. Произведение скорости генерации на время жизни носителей заряда определяет их концентрацию, то есть количество электронов и дырок в единице объема. При неизменной температуре генерационно-рекомбинационные процессы находятся в динамическом равновесии, то есть в единицу времени рождается и исчезает одинаковое количество носителей заряда (R=G). Это условие называется законом равновесия масс. Состояние полупроводника, когда R=G, называется равновесным; в этом состоянии в собственном полупроводнике устанавливаются равновесные концентрации электронов и дырок, обозначаемые n_i и p_i . Поскольку электроны и дырки генерируются парами, то выполняется условие: n_i=p_i. При этом полупроводник остается электрически нейтральным, т.к. суммарный отрицательный заряд электронов компенсируется суммарным положительным зарядом дырок. Это условие называется законом нейтральности заряда. При комнатной температуре в кремнии n_i=p_i=1,4·10¹⁰ см³, а в германии n_i=p_i=2,5·10¹³ см³. Различие в концентрациях объясняется тем, что для разрыва ковалентных связей в кремнии требуются большие затраты энергии, чем в германии. С ростом температуры концентрации электронов и дырок возрастают по экспоненциальному закону.

 

2.1.4.2 Электронный полупроводник

Электронным полупроводником или полупроводником типа n (от латинского negative - отрицательный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис. 2.3) помимо основных (четырехвалентных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый ("лишний") электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки. Однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, т.к. энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов. Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается n_n, а концентрация дырок - p_n. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными.

 

.1.4.3 Дырочный полупроводник

Дырочным полупроводником или полупроводником типа p (от латинского positive - положительный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рисунок 2.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка. В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается p_p, они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается n_p, они являются неосновными носителями заряда.

2.2 Электрический ток в полупроводниках

Слово "ток" означает движение или течение чего-то. Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Обычно электрический ток возникает при действии на свободные заряды внешней направленной электромагнитной силы. Однако в полупроводниках направленное движение зарядов возможно за счет хаотического теплового движения, если имеется неоднородность плотности их размещения. В этом случае заряды преимущественно перемещаются из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией. Данное явление называется диффузией, а ток, обусловленный диффузией, называется диффузионным.

Для отличия обычного тока, обусловленного действием электрической силы, от диффузионного обычный ток называют дрейфовым.

 

2.2.1 Электронно-дырочный переход

При изучении контактных явлений в полупроводниках следует остановиться на способах получения перехода: вплавление примеси, диффузия, ионная имплантация. Все они обеспечивают создание областей с электронной и дырочной электропроводностью в одном полупроводниковом образце.

Еще на стадии создания перехода в нем происходят процессы диффузии дырок из р-области в n-область и свободных электронов из n-области в р-область. В результате на границе двух областей образуется двойной слой электрических зарядов, состоящий из отрицательных и положительных ионов примесных атомов, и порожденное перешедшими зарядами электрическое поле. Это поле противодействует дальнейшей диффузии основных носителей заряда, благодаря чему устанавливается состояние равновесия.

Областью электронно-дырочного перехода считается слой объемных зарядов по обе стороны от границы областей (рис. 2.5). Этот слой называется запорным, потому что он обеднен свободными носителями заряда и во многих случаях может считаться диэлектриком. Здесь необходимо подчеркнуть, что плотности объемных зарядов в запорном слое различны по обе стороны от границы областей, поскольку определяются концентрациями донорной примеси в n-области и акцепторной примеси - в р-области. В целом же двойной слой объемного заряда электрически нейтрален: суммарный положительный заряд в n-области равен суммарному отрицательному заряду в р-области. Основное действие электрического поля объемного заряда состоит в ослаблении им диффузионного тока до очень малой величины тока проводимости (дрейфового тока) запорного слоя. В результате суммарный ток через переход оказывается равным нулю.

Если к переходу прикладывается внешнее напряжение, оно складывается с контактным и, в зависимости от полярности, либо увеличивает, либо уменьшает напряжение на переходе, что приводит к изменению диффузионного тока через него. Что касается дрейфового тока, то его величина, практически не зависит от внешнего напряжения и определяется только скоростью генерации свободных носителей в обедненном слое. Односторонняя проводимость перехода обусловлена тем обстоятельством, что при прямой полярности внешнего напряжения возможно очень сильное увеличение диффузионного тока, а при обратной - лишь очень незначительное уменьшение, поскольку он был близок к нулю.

Кроме того, внешнее напряжение оказывает сильное влияние на толщину запорного слоя, объемные заряды которого непосредственно связаны с напряжением на переходе. Увеличение этого напряжения должно привести к увеличению объемных зарядов. Однако плотность этих зарядов определяется только концентрациями примесей. Следовательно, увеличение зарядов будет происходить за счет увеличения их объемов, что означает увеличение толщины запорного слоя.

 

.3 Примерный план-конспект первого урока

Тема: Полупроводники.

Цель и задачи урока:

·        Образовательная: сформировать в сознании учащихся первоначальные понятия об электрических свойствах полупроводников.

·        Воспитательная: продолжить воспитание культуры умственного труда, развитие качеств личности - настойчивость, целеустремленность, творческую активность, самостоятельность.

·        Развивающая: расширить научное мировоззрение учащихся на каждодневно наблюдаемые ими явления.

Оборудование и наглядные пособия:

Источник питания, полупроводниковые диоды, электролампочки, провода соединительные, демонстрационный стенд, электроизмерительный прибор - тестер, информационные плакаты.

Ход урока:

. Организационный момент: (Задача: создание благоприятного психологического настроя и активация внимания).

. Подготовка к повторению и обобщению пройденного материала:

Условно-графические обозначения радиоэлементов.

Что такое электрический ток?

Сила тока, единицы измерения.

Класс разбивается на команды и проводится конкурс - кто больше нарисует условно-графических обозначений радиоэлементов и объяснит их назначение.

Сообщение темы и цели занятия.

Полупроводники. Мы должны сформировать первоначальные понятия об электрических свойствах полупроводников.

Объяснение перспективы.

Полупроводники в виде различных электронных приборов присутствуют во всех сторонах нашей жизни. Кто может назвать конкретные применения полупроводников?

(Возможные ответы: светодиодные светофоры, лазерная указка, компьютеры, телевизоры, фотоаппараты, телекамеры, домофоны, стиральные машины, и пр. )

Можно сказать, что изучение и использование полупроводников оказывает существенное влияние на содержание и качество нашей жизни. Рассмотрим по порядку, что собой представляют полупроводники, какими свойствами обладают, и какие полупроводниковые приборы на их основе созданы, какие занимательные опыты можно провести с ними.

Новый материал

Все вещества, встречающиеся в природе, по своим электропроводным свойствам делятся на три группы:

Ø  Проводники,

Ø  изоляторы (диэлектрики),

Ø  полупроводники

фронтальный опрос:

Вопрос: "Почему металлы хорошо проводят электрический ток, а диэлектрики, практически, не проводят?"

Ответ: "в проводниках имеется большое количество свободных электронов, а в диэлектриках их нет.

Вопрос: "Разве в диэлектриках нет электронов?"

Ответ: "Электронов там не меньше чем в металлах, но они связаны с атомами и не могут двигаться по объему образца."

Правильно.

Вопрос электропроводности материала - это вопрос о наличии в нем свободных, т.е. способных передвигаться электрических зарядов. По этому показателю полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

К полупроводникам относится элементы 4 группы таблицы Менделеева, а также некоторые химические соединения. Особенно удобным для использования материалом является кремний (Si). Валентные электроны полупроводника подобно диэлектрику связаны со своими атомами, но эта связь не столь сильна, как в диэлектриках. При комнатной температуре энергии тепловых колебаний достаточно для того, чтобы некоторые из валентных электронов оторвались от своих атомов и стали свободными внутри полупроводникового образца. В результате полупроводниковый образец приобретает т.н. электронную электропроводность.

Уход части валентных электронов от своих атомов порождает второй механизм электропроводности полупроводников, который называется дырочной электропроводностью. Дело в том, что на вакантное место освободившегося электрона может перейти валентный электрон соседнего атома. В результате вакансия, которую назвали дырка, может передвигаться по объему образца и переносить электрический заряд. Фактически движение и эстафетный перенос заряда осуществляют валентные электроны, но введение воображаемой частицы с элементарным положительным зарядом - дырки оказалось очень удобным и прочно вошло в физику полупроводников.

Свободные электроны, покинувшие свои атомы, создают n- проводимость (n - первая буква латинского слова negativus - отрицательный). Дырки создают в полупроводнике р - проводимость (р - первая буква латинского слова positivus- положительный).-дается под запись.

В чистом полупроводнике число свободных электронов и дырок одинаково.

Добавляя примеси, можно получить полупроводник с преобладанием электронной или дырочной проводимостью.

Если в 4-х валентный кристалл кремния добавить 5-ти валентный мышьяк (сурьму) то получим n - проводник.

При добавлении 3-х валентного индия, получим р - проводник.

Ничтожного количества примеси достаточно для изменения концентрации свободных электронов или дырок на несколько порядков. Поэтому свободные носители заряда, образующиеся за счет примеси, называются основными, собственные свободные носители заряда полупроводника - неосновными.

Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход).

Если просто привести в соприкосновение два отдельных полупроводниковых образца с р и n проводимостью, то ток через это соединение на пойдет. Полупроводниковые образцы на воздухе покрываются окисной пленкой, которая является отличным диэлектриком. Контакт электронного и дырочного полупроводников создается внутри единого образца. Для этого, например полупроводник с дырочной электропроводностью на одной из поверхностей легируется донорной примесью. В результате тип электропроводности у поверхности становится электронным, а в глубине сохраняется дырочная проводимость. Следовательно, возникает p-n-переход, схематично изображенный на рисунке.

Тепловое движение дырок в р-области и свободных электронов в n-области будет приводить к их преимущественному перемещению из областей большой концентрации в области с меньшими концентрациями. Этот процесс называется диффузией (под запись). В результате дырки из р-области устремятся в n-область, а свободные электроны - из n-области в р. Т.е. возникает направленное движение заряженных частиц, которое является электрическим током. Поскольку данный ток обусловлен диффузией, он называется диффузионным. При этом перешедшие в р-область электроны оказываются захваченными атомами акцепторной примеси, а перешедшие в n-область дырки есть не что иное, как валентные электроны донорной примеси

Примыкающая к границе перехода сторона р-области заряжается отрицательно, а n-области - положительно. Все эти процессы происходят еще при создании перехода. В результате на переходе возникает т.н. контактная разность потенциалов, которая действует против диффузионного тока и уменьшает его почти до нуля.

Электронно-дырочный переход в электрической цепи.

Поставим следующий опыт, Включим электронно-дырочный переход последовательно в простую цепь, которая состоит их источника постоянной ЭДС и лампочки.

Когда плюсовая клемма источника ЭДС подключена к р-области, а минусовая через лампочку - к n, в цепи течет сильный ток, о котором свидетельствует свечение лампочки. При обратной полярности включения перехода тока в цепи нет. Этот опыт говорит о том, что переход обладает односторонней проводимостью. Определим механизм этого эффекта.

В первом случае, когда положительный полюс источника подсоединен к р-области, и минус - к n-области, напряжение внешнего источника противоположно по полярности контактному напряжению. Следовательно, суммарное напряжение на переходе уменьшается, в сравнении с равновесным состоянием. Противодействие этого напряжения диффузионному току уменьшается, и этот ток сильно увеличивается.

Во втором случае внешнее напряжение совпадает по полярности с контактным. При этом суммарное напряжение увеличивается, что приводит к ослаблению диффузионного тока. Поскольку этот ток и без того был ослаблен почти до нуля контактным напряжением, он остается практически нулевым.

Таким образом, односторонняя проводимость p-n-перехода обусловлена однонаправленностью диффузионного тока через переход. Что же касается дрейфового тока, то он всегда близок к нулю, так как определяется очень малыми концентрациями неосновных носителей в р и n областях.

Полярность внешнего напряжения на переходе, при которой он пропускает ток, и сам ток в этом случае называются прямыми, притивополжная полярность напряжения и ток - обратными.

Односторонняя проводимость p-n-перехода отражается в его условных обозначениях. Во всех случаях изображается контакт и стрелка, показывающая направление пропускания тока - от р-области к n (под запись).

Закрепление материала. Фронтальный опрос.

.        Какие материалы относятся к полупроводникам?

.        Поясните механизм собственной электропроводности полупроводников?

.        Каким образом примесь увеличивает электропроводность полупроводника.

.        Поясните механизм образования электронной примесной электропроводности.

.        Поясните механизм образования дырочной примесной электропроводности.

.        Что такое p-n-перход, как его изготавливают,

.        Объясните одностороннюю проводимость p-n-перехода.

Домашнее задание: повторить пройденный материал. Подумать над решением следующей задачи:

Люстра имеет две лампочки. Обычно для независимого их включения и выключения используется три провода, идущих от выключателей к люстре. Можно ли, используя одностороннюю электропроводность p-n-переходов, обойтись только двумя проводами, если собрать цепь, показанную на рисунке.

(Ответ: Да можно, выключатель А управляет лампочкой а, выключатель Б - лампочкой б)

Демонстрация изменения сопротивления полупроводника при освещении

Установку собирают с фоторезистором по рисунку. Замыкают ключ и замечают показание гальванометра (2-4дел.). Включают электрическую лампу, находящуюся на расстоянии 0,5м от фоторезистора, и медленно ее приближают к фоторезистору, следят за показанием гальванометра. Обращают внимание учащихся, что при освещении возрастает проводимость, а значит, уменьшается сопротивление.

2.4 Примерный план-конспект второго урока

Тема: Электронные приборы на основе p-n-перехода: вентильный диод, светодиод, лазерный диод, фотоэлемент, солнечная батарея.

Цель и задачи урока:

·        Образовательная: расширить знания учащихся о приборах на основе p-n-перехода.

·        Воспитательная: продолжить воспитание культуры умственного труда, развитие качеств личности - настойчивость, целеустремленность, творческую активность, самостоятельность.

·        Развивающая: расширить научное мировоззрение учащихся на каждодневно наблюдаемые ими явления.

Оборудование и наглядные пособия:

Источник питания, лазерная указка, фотоэлементы, солнечная батарея, демонстрационный стенд, информационные плакаты.

Ход урока:

1.      Организационный момент: (Задача: создание благоприятного психологического настроя и активация внимания).

. Подготовка к повторению и обобщению пройденного материала:

1.Ребята получают тестовые задания (время на выполнение 7 минут):

Что такое электрический ток?

.Какую проводимость создают свободные электроны?

.Частицы создающие р-проводимость - …

.Какой процесс называется диффузией?

.Схемотически изобразить структуру р-n-переход.

3. Основной этап.

Новый материал

Вентильные (выпрямительные) диоды предназначены для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное напряжение (ток) (под запись). Для выпрямительных диодов основное свойство - односторонняя проводимость p-n-перехода. Будучи включен в цепь переменного напряжения диод пропускает ток в нагрузку только в одном направлении (выпрямляет график временной зависимости тока). С помощью дополнительных реактивных элементов удается однонаправленный пульсирующий ток превратить в почти постоянный. Конструктивно одиночные диоды представляют собой пластиковый корпус с выводами, внутри которого находится полупроводниковый кристалл. На рисунке показан один из видов корпусных выпрямительных диодов и условное обозначение таких диодов на электрических схемах. Обозначение содержит треугольную стрелку, показывающую направления пропускания тока диодом.

Светодиод - это полупроводниковый прибор, генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое излучение,. Физической основой действия светодиодов является рекомбинация свободных электронов и дырок, сопровождающая прямой ток через p-n-переход (под запись). Цвет излучения определяется как используемыми полупроводниковыми материалами, так и легирующими примесями.

Лазерный диод - лазер, в котором активной средой является возбуждаемый объем полупроводника, а рабочей областью -p-n переход, аналогичный p-n переходу обычного светодиода (под запись). В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. В верхнем слое кристалла создают n-область, а в нижнем слое - p-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.

Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У основной их части слои сделаны очень тонкими, и такая структура может генерировать излучение только в направлении, параллельном этим слоям. С другой стороны, если волновод сделать достаточно широким по сравнению с длиной волны, он сможет работать уже на нескольких длинах волн. Такой диод называется многомодовым (англ. "multi-mode"). Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается или необходимо его значительное рассеивание). Такими областями применений являются: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. С другой стороны, если требуется хорошая фокусировка луча, ширина волновода должна изготавливаться сравнимой с длиной волны излучения. Такие устройства применяются в оптических запоминающих устройствах, лазерных прицелах, а также в оптоволоконной технике. Следует, однако, заметить, что такие лазеры могут поддерживать несколько продольных режимов, то есть могут излучать на разных длинах волн одновременно.

Фотоэлемент - электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию(под запись). Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны. Энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Солнечная батарея - один из генераторов альтернативных видов энергии, превращающих солнечное электромагнитное излучение в электричество (под запись). Производство солнечных батарей развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечные батареи очень широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крыши жилых зданий для нагрева воды, получения электричества. В перспективе они, вероятно, будут применяться для подзарядки электромобилей.

Виды:

.Фотоэлектрические преобразователи - полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество (Солнечные элементы). Несколько объединённых СЭ называются солнечной батареей.

.Гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).

.Солнечные коллекторы (СК) - солнечные нагревательные низкотемпературные установки.

.Органические батареи - устройства преобразующее солнечные лучи в электричество с помощью генетически модифицированных клеток, напечатанных на тонком пластике с проводником.

Закрепление материала.

Давайте рассмотрим некоторые типы задач встречаемые в этой теме.

Задача 1. Максимальная напряженность E_max электрического поля в зоне p-n-перехода равна 10⁴ В/м. Ширина p-n-перехода D=10^-4м. Определите изменение потенциала при переходе из р-типа в n-тип полупроводника.

Решение: Изменение потенциала

Δφ=<E>·D,

где <E>= E_max/2-среднее значение напряженности электрического поля в зоне p-n-перехода. Тогда

Δφ= E_max/2=10⁴/2·10^-4=0,5В.

Задача2.Какую энергию приобретает электрон, прошедший через разность потенциалов Δφ=0,5В? Считать, что в этом случае электрон не сталкивается с ионами решетки.

Решение: изменение энергии происходит за счет работы сил электрического поля

А=q<E>·D=q DE_max/2=q· Δφ,=1э·0,5В=0,5эВ.

Домашнее задание: повторить пройденный материал. Класс разбивается на группы по 3-4 человека и каждая группа готовит реферат об одном из приборов.

Демонстрация действия полупроводникового фотоэлемента

Установку собирают по рисунку. Фотоэлемент подключают к гальванометру с соблюдением полярности. Электрическую лампу располагают на расстоянии 1м от фотоэлемента. При дневном освещении гальванометр обнаруживает определенную силу тока. Если включить электрическую лампу, то сила тока гальванометра возрастет. С уменьшением расстояния между лампой и фотоэлементом сила тока увеличивается.

Заключение

Предпринятые в настоящей работе попытки отбора материала для изучения полупроводников в школьном курсе физики и создания методики изучения, конечно, не идеальны по подходам и результатам. Однако автор убеждена, что нечто подобное вскоре будет внедряться в школьную практику. Можно некоторое время не замечать факта коренного изменения электротехники и других областей деятельности человека, вносимого полупроводниковой электроникой, но не зависеть от него невозможно. Это обстоятельство рано или поздно должно найти отражение в учебных программах по физике. Может быть, тогда и пригодятся результаты данной работы и затраченные на нее усилия.

Литература

1.       Учебные программы для общеобразовательных учреждений.

Физика vi-xi классы.- Минск,2008

2.       Стильбанс Л.С. Физика полупроводников. - М., 1967

3.      Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - М.,1990

.        Росадо Л. (перевод с исп.С.И. Баскакова под ред. В.А.Терехова.) Физическая электроника и микроэлектроника. - М. "Высшая школа" 1991

5.       Булычев А.Л., Прохоренко В.А. Электронные приборы. Минск, 1987

.         Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.,: Физика 10 кл., Просвещение, М. 1990

7.      Шур М., - Физика полупроводниковых приборов. В 2-х книгах. - М., Мир, 1992.

8.       Рагозин Ю.Д. и др. Основы применения электронных приборов. М., 1975

9.      Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев: "Физика 10 кл.", Просвещение, М. 1990.

Приложение

Прогресс радиоэлектроники связан с успехами фундаментальной науки.

Полупроводниковый диод был известен давно, чуть ли не в начале века, а транзистор, появился в 1948 году, за его создание группа американских физиков - У. Шокпи, У. Браттейн и Д. Бардин - была Удостоена Нобелевской премии. Но вот что интересно за много лет до этого, в 1922 году радиолюбитель из города на Волге - из Нижнего Новгорода девятнадцатилетний Олег Лосев создал первый в мире полупроводниковый усилитель, построил на его основе приемник и назвал его кристадин, от слова "кристалл". Причем это не было незамеченное или забытое потом изобретение - о кристадинах Лосева писала вся мировая радиотехническая печать, американские радиоинженеры в своем журнале назвали кристадин устройством, которое может совершить переворот в радиоэлектронике, вытеснить вакуумную усилительную лампу. Такой переворот действительно произошел, но ждать его пришлось почти четверть века. Потому, что во времена кристадина физика еще не построила фундамент, на котором потом выросла полупроводниковая электроника. Только глубокие исследования физических процессов в твердом теле позволили в деталях понять, что же происходите полупроводниках, и только на основе этого понимания развилась вся современная техника полупроводниковых приборов и интегральных схем

А вот еще один интересный пример. В 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал индуцированное излучение атомов и молекул, то есть вызванное внешней причиной, а конкретно - внешней электромагнитной волной. Но понадобилось почти сорок лет, чтобы это предсказание, соединившись с глубоким изучением механизмов перехода атомов с одного энергетического уровня на другой, то есть механизмов изменения запасов энергии атома, привело к рождению совершенно новой области науки и техники - квантовой электроники. Когда атом или молекула переходят на более низкий энергетический уровень, то они отдают высвободившуюся энергию в виде кванта, порции электромагнитного излучения. При этом если выделяется большая порция энергии, то частота излучения высокая (малая длина волны) - излучается свет, ультрафиолетовые или еще более коротковолновые рентгеновские лучи. А если порция энергии невелика, если молекула выбрасывает слабый квант, то частота излучения сравнительно низкая (большая длина волны) - молекула испускает инфракрасные лучи, миллиметровые или даже сантиметровые радиоволны. Можно извне подпитывать атомы излучающего вещества, накачивать их энергией, например, пропуская через это вещество ток или освещая его мощной лампой. Можно ввести в систему достаточно сильную положительную обратную связь, грубо говоря, сделать так, чтобы излучение одних атомов возвращалось в излучающее вещество, заставляло излучать другие атомы. Такое индуцированное излучение и накачка энергией приведут к возникновению квантового генератора - атомы вещества будут согласованно излучать электромагнитные волны, причем одной, строго определенной частоты, она определится конкретным переходом излучающих атомов (молекул) с одного энергетического уровня на другой. Первые квантовые генераторы были созданы советскими физиками, ныне академиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и независимо американцем Ч. Таунсом - все они за эту работу отмечены Нобелевской премией. Первенцем в семействе приборов квантовой электроники был мазер (в этом сокращении буква "м" от слова "микроволны" - первый квантовый генератор работал в диапазоне сантиметровых радиоволн), а через несколько лет появились и оптические квантовые генераторы-лазеры (буква "л" от английского "лайт" - "свет"). К созданию реальных квантовых генераторов ученые пришли через глубокое изучение процессов взаимодействия излучения с веществом - они занимались радиолокацией, а затем радиоспектроскопией, исследованием состава вещества по частоте излучения его атомов и молекул.

Что должны продемонстрировать эти два примера человеку, начинающему свой путь в практическую электронику? Прежде всего, то, что он приобщается не просто к интересной области технического любительства, а к области, вобравшей в себя многие замечательные достижения фундаментальной науки. Это должно радовать и предостерегать - в нынешней электронике трудно, видимо, случайно сделать что-то новое и интересное. В этой области творчески может работать только очень грамотный человек, глубоко понимающий существо дела.