Сопротивление полупроводников

Полупроводниками считаются вещества, обладающие электрическими свойствами, которые ставят их в промежуточное положение между диэлектрическими материалами и проводниками. Электропроводность полупроводников зависит от многих факторов. Прежде всего, это температура, а также количество примесей, содержащихся в них. Свое влияние оказывает ионизирующее и световое излучение.

Виды и свойства полупроводников

Для того, чтобы появился электрический ток, необходимо наличие подвижных частиц, переносящих заряды. Электропроводность того или иного вещества зависит от количества таких носителей на единицу объема. В диэлектриках они практически отсутствуют, а в полупроводниках свободные носители присутствуют лишь в небольшом количестве. Следовательно, удельное сопротивление полупроводников очень высокое, а в диэлектриках оно еще больше. Существуют различные виды этих материалов, обладающих собственными специфическими свойствами.

Все полупроводники можно разделить на несколько основных видов. Среди них лидируют чистые или собственные материалы, в которых отсутствуют какие-либо примеси.

Для них характерна кристаллическая структура, где атомы расположены в периодическом порядке в ее узлах. Здесь существует устойчивая взаимная связь каждого атома с четырьмя атомами, расположенными рядом. Это дает возможность образовывать постоянные электронные оболочки, в состав которых входит восемь электронов. При температуре, равной абсолютному нулю, такой полупроводник становится диэлектриком, поскольку все электроны соединены ковалентными связями.

Когда температура повышается или происходит какое-либо облучение, электроны могут выйти из ковалентных связей и превратиться в свободных носителей зарядов. Свободные места при перемещении постепенно занимаются другими электронами, поэтому электрический ток протекает только в одном направлении.

В электронных полупроводниках, кроме четырех атомов, составляющих основу кристаллической решетки, имеются так называемые доноры. Они представляют собой примеси в виде пятивалентных атомов. Электрон, содержащийся в таком атоме, не может нормально вступить в ковалентную связь и поэтому отделяется от донора. Таким образом, он превращается в свободный носитель заряда. В свою очередь донор становится положительным ионом, это может произойти даже при комнатной температуре.

В дырочных полупроводниках имеется кристаллическая решетка с содержанием трехвалентных примесных атомов, называемых акцепторами. В такой решетке остается незаполненной одна ковалентная связь. Она может быть заполнена электроном, оторвавшимся от соседней связи. Происходит превращение примесного атома в отрицательный ион, а на месте ушедшего электрона появляется дырка.То есть, в этом случае также начинается одностороннее движение электрического тока.

Факторы, влияющие на сопротивление полупроводников

Опытным путем было установлено, что при повышении температуры происходит уменьшение электрического сопротивления в полупроводниковых кристаллах. Это связано с тем, что при нагревании кристалла увеличивается количество свободных электронов, соответственно, возрастает их концентрация. Изменяющееся сопротивление полупроводников под воздействием температуры, применяется для создания специальных приборов, называемых терморезисторами.

Для того, чтобы изготовить терморезистор используются полупроводники, представляющие собой оксиды отдельных металлов в смешанном состоянии. Готовое вещество размещается в защитном металлическом корпусе с изолированными выводами. С их помощью происходит подключение прибора к электрической цепи.

Терморезисторы используются для измерения температуры или для ее поддержания в заданном режиме в каких-либо устройствах. Основным принципом их работы является изменяющееся сопротивление при перепадах температур. Тот же принцип используется и в фоторезисторах. Здесь величина сопротивления изменяется в зависимости от уровня освещения.

Влияние температуры на сопротивление полупроводника

Чем отличаются проводники от полупроводников

От чего зависит сопротивление проводника

Применение полупроводников в радио- и электротехнике

Источник

Как зависит сопротивление от температуры

В своей практической деятельности каждый электрик встречается с разными условиями прохождения носителей зарядов в металлах, полупроводниках, газах и жидкостях. На величину тока влияет электрическое сопротивление, которое различным образом изменяется под влиянием окружающей среды.

Одним из таких факторов является температурное воздействие. Поскольку оно значительно изменяет условия протекания тока, то учитывается конструкторами в производстве электрооборудования. Электротехнический персонал, участвующий в обслуживании и эксплуатации электроустановок, обязан грамотно использовать эти особенности в практической работе.

Влияние температуры на электрическое сопротивление металлов

В школьном курсе физики предлагается провести такой опыт: взять амперметр, батарейку, отрезок проволоки, соединительные провода и горелку. Вместо амперметра с батарейкой можно подключить омметр или использовать его режим в мультиметре.

Далее необходимо собрать электрическую схему, показанную на картинке и замерить величину тока в цепи. Его значение показано на шкале миллиамперметра стрелкой черного цвета.

Теперь поднесем пламя горелки к проволоке и станем ее нагревать. Если смотреть на амперметр, то будет видно, что стрелка станет перемещаться влево и достигнет положения, отмеченного красным цветом.

Результат опыта демонстрирует, что при нагревании металлов их проводимость уменьшается, а сопротивление возрастает.

Математическое обоснование этого явления приведено формулами прямо на картинке. В нижнем выражении хорошо видно, что электрическое сопротивление «R» металлического проводника прямо пропорционально его температуре «Т» и зависит еще от нескольких параметров.

Как нагрев металлов ограничивает электрический ток на практике

Ежедневно при включении освещения мы встречаемся с проявлением этого свойства у ламп накаливания. Проведем несложные измерения на лампочке с мощностью 60 ватт.

Самым простым омметром, питающемся от низковольтной батарейки 4,5 V, замерим сопротивление между контактами цоколя и увидим значение 59 Ом. Этой величиной обладает нить накала в холодном состоянии.

Такое превышение предохраняет металл тела накала от перегорания и разрушения, обеспечивая его длительную работоспособность под напряжением.

Переходные процессы при включении

При работе нити накала на ней создается тепловой баланс между нагревом от проходящего электрического тока и отводом части тепла в окружающую среду. Но, на первоначальном этапе включения при подаче напряжения возникают переходные процессы, создающие бросок тока, который может привести к перегоранию нити.

Переходные процессы протекают за короткое время и вызваны тем, что скорость возрастания электрического сопротивления от нагрева металла не успевает за увеличением тока. После их окончания устанавливается рабочий режим.

Во время длительного свечения лампы постепенно толщина ее нити доходит до критического состояния, которое приводит к перегоранию. Чаще всего этот момент возникает при очередном новом включении.

Для продления ресурса лампы различными способами уменьшают этот бросок тока, используя:

1. устройства, обеспечивающие плавную подачу и снятие напряжения;

2. схемы последовательного подключения к нити накала резисторов, полупроводников или терморезисторов (термисторов).

Пример одного из способов ограничения пускового тока для автомобильных светильников показан на картинке ниже.

Здесь ток на лампочку подается после включения тумблера SA через предохранитель FU и ограничивается резистором R, у которого номинал подбирается так, чтобы бросок тока во время переходных процессов не превышал номинальное значение.

При нагреве нити накала ее сопротивление возрастает, что ведет к увеличению разности потенциалов на ее контактах и параллельно подключенной обмотке реле KL1. Когда напряжение достигнет величины уставки реле, то нормально открытый контакт KL1 замкнется и зашунтирует резистор. Через лампочку начнет протекать рабочий ток уже установившегося режима.

Влияние температуры металла на его электрическое сопротивление используется в работе измерительных приборов. Их называют термометрами сопротивления.

Их чувствительный элемент выполняют тонкой проволочкой из металла, сопротивление которой тщательно замерено при определенных температурах. Эту нить монтируют в корпусе со стабильными термическими свойствами и закрывают защитным чехлом. Созданная конструкция помещается в среду, температуру которой необходимо постоянно контролировать.

На выводы чувствительного элемента монтируются провода электрической схемы, которыми подключается цепь замера сопротивления. Его величина пересчитывается в значения температуры на основе ранее произведенной калибровки прибора.

Бареттер — стабилизатор тока

Так называют прибор, состоящий из стеклянного герметичного баллона с газообразным водородом и металлической проволочной спиралью из железа, вольфрама или платины. Эта конструкция по внешнему виду напоминает лампочку накаливания, но она обладает специфической вольт-амперной нелинейной характеристикой.

На ВАХ в определенном ее диапазоне образуется рабочая зона, которая не зависит от колебаний приложенного на тело накала напряжения. На этом участке бареттер хорошо компенсирует пульсации питания и работает в качестве стабилизатора тока на подключенной последовательно к нему нагрузке.

Работа бареттера основана на свойстве тепловой инерции тела накала, которая обеспечивается маленьким сечением нити и высокой теплопроводностью окружающего ее водорода. За счет этого при снижении напряжения на приборе ускоряется отвод тепла с его нити.

Это основное отличие бареттера от осветительных ламп накаливания, в которых для поддержания яркости свечения стремятся уменьшить конвективные потери тепла с нити.

В обычных условиях среды при охлаждении металлического проводника происходит уменьшение его электрического сопротивления.

При достижении критической температуры, близкой к нулю градусов по системе измерения Кельвина, происходит резкое падение сопротивления до нулевого значения. На правой картинке показана такая зависимость для ртути.

Это явление, названное сверхпроводимостью, считается перспективной областью для исследований с целью создания материалов, способных значительно снизить потери электроэнергии при ее передаче на огромные расстояния.

Однако, продолжающиеся изучения сверхпроводимости выявили ряд закономерностей, когда на электрическое сопротивление металла, находящегося в области критических температур, влияют другие факторы. В частности, при прохождении переменного тока с повышением частоты его колебаний возникает сопротивление, величина которого доходит до диапазона обычных значений у гармоник с периодом световых волн.

Влияние температуры на электрическое сопротивление/проводимость газов

Газы и обычный воздух являются диэлектриками и не проводят электрический ток. Для его образования нужны носители зарядов, которыми выступают ионы, образующиеся в результате воздействия внешних факторов.

Нагрев способен вызвать ионизацию и движение ионов от одного полюса среды к другому. Убедиться в этом можно на примере простого опыта. Возьмем то же оборудование, которым пользовались для определения влияния нагрева на сопротивление металлического проводника, только вместо проволоки к проводам подключим две металлические пластины, разделенные воздушным пространством.

Подсоединенный к схеме амперметр покажет отсутствие тока. Если между пластинами поместить пламя горелки, то стрелка прибора отклонится от нулевого значения и покажет величину проходящего через газовую среду тока.

Таким образом установили, что в газах при нагревании происходит ионизация, приводящая к движению электрически заряженных частиц и снижению сопротивления среды.

На значении тока сказывается мощность внешнего приложенного источника напряжения и разность потенциалов между его контактами. Она способна при больших значениях пробить изоляционный слой газов. Характерным проявлением подобного случая в природе является естественный разряд молнии во время грозы.

Примерный вид вольт-амперной характеристики протекания тока в газах показан на графике.

На начальном этапе под действие температуры и разности потенциалов наблюдается рост ионизации и прохождение тока примерно по линейному закону. Затем кривая приобретает горизонтальное направление, когда увеличение напряжения не вызывает рост тока.

Третий этап пробоя наступает тогда, когда высокая энергия приложенного поля так разгоняет ионы, что они начинают соударяться с нейтральными молекулами, массово образуя из них новые носители зарядов. В результате ток резко возрастает, образуя пробой диэлектрического слоя.

Практическое использование проводимости газов

Явление протекания тока через газы используется в радиоэлектронных лампах и люминесцентных светильниках.

Для этого внутри герметичного стеклянного баллона с инертным газом располагают два электрода:

У люминесцентной лампы они выполнены в виде нитей накала, которые разогреваются при включении для создания термоэлектронной эмиссии. Внутренняя поверхность колбы покрыта слоем люминофора. Он излучает видимый нами спектр света, образующийся при инфракрасном облучении, исходящем от паров ртути, бомбардируемых потоком электронов.

Ток газового разряда возникает при приложении напряжения определенной величины между электродами, расположенными по разным концам колбы.

Когда одна из нитей накала перегорит, то на этом электроде нарушится электронная эмиссия и лампа гореть не будет. Однако, если увеличить разность потенциалов между катодом и анодом, то снова возникнет газовый разряд внутри колбы и свечение люминофора возобновится.

Это позволяет использовать светодиодные колбы с нарушенными нитями накала и продлять их ресурс работы. Только следует учитывать, что при этом в несколько раз надо поднять на ней напряжение, А это значительно повышает потребляемую мощность и риски безопасного использования.

Влияние температуры на электрическое сопротивление жидкостей

Прохождение тока в жидкостях создается в основном за счет движения катионов и анионов под действием приложенного извне электрического поля. Лишь незначительную часть проводимости обеспечивают электроны.

Влияние температуры на величину электрического сопротивления жидкого электролита описывается формулой, приведенной на картинке. Поскольку в ней значение температурного коэффициента α всегда отрицательно, то с увеличением нагрева проводимость возрастает, а сопротивление падает так, как показано на графике.

Это явление необходимо учитывать при зарядке жидкостных автомобильных (и не только) аккумуляторных батарей.

Влияние температуры на электрическое сопротивление полупроводников

Изменение свойств полупроводниковых материалов под воздействием температуры позволило использовать их в качестве:

Таким названием обозначают полупроводниковые приборы, изменяющие свое электрическое сопротивление под влиянием тепла. Их температурный коэффициент сопротивления (ТКС) значительно выше, чем у металлов.

Величина ТКС у полупроводников может иметь положительное или отрицательное значение. По этому параметру их разделяют на позитивные «РТС» и негативные «NTC» термисторы. Они обладают различными характеристиками.

Для работы терморезистора выбирают одну из точек на его вольт-амперной характеристике:

линейный участок применяют для контроля температуры либо компенсации изменяющихся токов или напряжений;

нисходящая ветвь ВАХ у элементов с ТКС

Применение релейного терморезистора удобно при контроле или измерениях процессов электромагнитных излучений, происходящих на сверхвысоких частотах. Это обеспечило их использование в системах:

2. пожарной сигнализации;

3. регулирования расхода сыпучих сред и жидкостей.

Кремниевые терморезисторы с маленьким ТКС>0 используют в системах охлаждения и стабилизации температуры транзисторов.

Эти полупроводники работают на основе явления Зеебека: при нагреве спаянного места двух разрозненных металлов на стыке замкнутой цепи возникает ЭДС. Таким способом они превращают тепловую энергию в электричество.

Конструкцию из двух таких элементов называют термопарой. Ее КПД лежит в пределах 7÷10%.

Термоэлементы используют в измерителях температур цифровых вычислительных устройств, требующих миниатюрные габариты и высокую точность показаний, а также в качестве маломощных источников тока.

Полупроводниковые нагреватели и холодильники

Они работают за счет обратного использования термоэлементов, через которые пропускают электрический ток. При этом на одном месте спая происходит его нагрев, а на противоположном — охлаждение.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры

При изменении температуры изменяется проводимость чистых металлов, сплавов и полупроводников.

Экспериментально установлено, что при повышении температуры сопротивление металлов увеличивается. При не слишком низких температурах сопротивление металлов растет пропорционально абсолютной температуре Т:

, (1)

Соотношение (1) можно представить в виде

, (2)

где – температура в o С, т.е. температурная зависимость сопротивления металлов линейна (рис.2).

Причинами электрического сопротивления в металлах являются посторонние примеси и физические дефекты кристаллической решетки металла, а также тепловое движение атомов металла, амплитуда колебаний которых зависит от температуры. Подвижность свободных носителей заряда (электронов) уменьшается при повышении температуры из-за возрастания числа столкновений с атомами кристаллической решетки металла, что приводит к росту сопротивления.

У полупроводников с ростом температуры подвижности носителей заряда (электронов и дырок) тоже падают, но это не играет заметной роли, т.к. рост концентрации является преобладающим. В результате сопротивление полупроводников с увеличением температуры Т практически уменьшается по экспоненциальному закону (рис.2):

, (3)

На рис.2 приведена зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры, эта зависимость носит резко выраженный характер.

Источник

Введение. Зависимость сопротивления полупроводников от температуры существенно отличается от подобной зависимости для металлов

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры существенно отличается от подобной зависимости для металлов. В первую очередь отличие проявляется в том, что сопротивление полупроводников уменьшается с увеличением температуры, тогда как сопротивление металлов увеличивается.

Такое различие в характере проводимости металлов и полупроводников связано с различием структуры металлических и полупроводниковых кристаллов.

Объяснение свойств проводимости, достаточно хорошо согласующееся с экспериментом было получено на основе квантово-механической теории электропроводности кристаллов.

Взаимодействие атомов (молекул или ионов) в кристаллической решетке приводит к расщеплению энергетических уровней и образованию энергетических зон. Разрешенная зона (с уровнями разрешенных значений энергии), возникшая из уровня, на котором находятся валентные электроны (т.е. высший занятый энергетический уровень атома) образует валентную зону кристалла. Область, следующая за валентной, в которой отсутствуют разрешённые уровни энергии, называется запрещенной зоной. Следующая за валентной зоной зона разрешенных значений энергии называется свободной зоной.

Исходя из зонной теории, удается объяснить электрические свойства кристаллов.

Увеличение сопротивления металлов с температурой, в основном, обусловлено тем, что с увеличением температуры уменьшается время релаксации дрейфовой скорости электронов (сопротивление металлов обратно пропорционально времени релаксации) занимающих состояние вблизи уровня Ферми (Е_F) (именно эти электроны участвуют в проводимости).

Уровнем Ферми называется энергетический уровень, вероятность заполнения которого равна ½. При абсолютном нуле уровень Ферми совпадает с верхним заполненным электронами уровнем Е_F(0). В общем случае уровень Ферми зависит от температуры, однако эта зависимость достаточно слабая и во многих случаях для металлов можно полагать Е_F = Е_F(0).

Электропроводность полупроводников существенно зависит от наличия в полупроводнике определённых примесей. В случае чистых полупроводников говорят о собственной проводимости полупроводников.

Зонная диаграмма чистых полупроводников показана на рис. 1. Энергия Ферми для этого случая находится вблизи середины запрещённой зоны. Валентная зона полупроводников полностью заполнена и электроны не могут свободно перемещаться внутри полупроводника. Однако для полупроводников характерно малая ширина запрещенной зоны (много меньше, чем для диэлектриков), порядка нескольких десятых электронвольта и энергия теплового движения оказывается достаточной для того, чтобы перевести часть электронов в верхнюю свободную зону (для этого случая эта зона является зоной проводимости). Эти электроны могут изменять свою энергию под действием внешнего электрического поля и, следовательно, участвуют в проводимости. Кроме того, вследствие образования вакантных уровней в валентной зоне электроны этой зоны также могут изменять свою скорость под действием электрического поля и, следовательно, участвовать в проводимости. Поведение электронов валентной зоны может быть представлено как движение положительно заряженных квазичастиц, получивших название «дырок».

Рис. 1. Зонная диаграмма чистых полупроводников

Уменьшение сопротивления чистых полупроводников с температуройобъясняется тем, что с повышением температуры увеличивается число электронов перешедших в зону проводимости, а следовательно, и количество образовавшихся дырок, что приводит к увеличению носителей тока. Поскольку проводимость пропорциональна числу носителей, она также увеличивается с повышением температуры, а сопротивление уменьшается.

Зависимость удельной электропроводности от температуры определяется вероятностью заполнения электронов зоны проводимости, зависимость которой от температуры определяется выражением:

,

где DE – ширина запрещённой зоны; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура.

Следовательно, удельная электропроводность с температурой изменяется по закону:

,

где s₀– величина, изменяющаяся с температурой гораздо медленнее, чем экспонента, в связи с чем её можно в первом приближении считать константой. Отсюда зависимость сопротивления от температуры определяется выражением:

, (1)

где R₀ – константа, практически независящая от температуры.

Собственная проводимость полупроводников при нормальных условиях достаточно мала.

Электропроводность чистых полупроводников при нормальных условиях достаточно мала, что ограничивает их практическое применение. Более широкое применение получили полупроводники с примесной проводимостью.

Примесная проводимость возникает при внедрении в кристаллическую решётку полупроводника атомов, валентность которых отличается от валентности основных атомов (как правило, на единицу). Существует два типа примесной проводимости: донорная (полупроводник n-типа) и акцепторная (полупроводник p-типа).

Донорная проводимость возникает при наличии атомов примеси, валентность которых больше валентности основных атомов. Для примера рассмотрим решетку германия (четырёхвалентный элемент) с примесью пятивалентных атомов фосфора. Такая схема условно изображена на рис. 2. Четыре электрона атома фосфора образуют ковалентные связи с соседними атомами германия. Следовательно, пятый валентный электрон оказывается как бы лишним и легко отщепляется от атома за счёт энергии теплового движения.

Рис. 2. Схема образования донорной проводимости в полупроводнике

Причём такое образование свободного электрона не приводит к образованию дырки, так как образованный при этом избыточный положительный заряд связан с атомом примеси и перемещаться по решётке не может.

По зонной теории примесь обладает собственным набором значений разрешённых энергий, что для определённых примесей приводит к возникновению на энергетической схеме примесных уровней, расположенных в запрещённой энергетической зоне кристалла. Донорная проводимость возникает, если примесные уровни, обусловленные примесью с валентностью большей, чем у основных атомов, расположены вблизи дна зоны проводимости (рис. 3), причём расстояние до дна много меньше ширины запрещённой зоны. Энергия Ферми для таких полупроводников приблизительно находится посередине между донорными уровнями и дном зоны проводимости.

Рис. 3. Энергетическая структура донорных полупроводников

Для таких полупроводников характерно, что концентрация электронов во много раз превышает концентрацию дырок.

Акцепторнаяпроводимость возникает при наличии атомов примеси, валентность которых меньше валентности основных атомов. Для примера рассмотрим решетку германия (четырёхвалентный элемент) с примесью трёхвалентных атомов бора. Такая схема условно изображена на рис. 4. Три электрона атома бора образуют ковалентные связи с соседними атомами германия. Одна связь оказывается как бы незадействованной, что соответствует образованию свободного носителя дырки.

Рис. 4. Схема образования акцепторной проводимости в полупроводнике

Причём такое образование свободной дырки не приводит к образованию электрона, так как образованный при этом избыточный отрицательный заряд связан с атомом примеси и перемещаться по решётке не может.

По зонной теории акцепторная проводимость возникает, если примесные уровни, обусловленные примесью с валентностью меньшей, чем у основных атомов, расположены вблизи потолка валентной зоны (рис. 5), причём расстояние до валентной зоны много меньше ширины запрещённой зоны. Энергия Ферми для таких полупроводников приблизительно находится посередине между акцепторными уровнями и потолком валентной зоны.

Рис. 5. Энергетическая структура акцепторных полупроводников

Для таких полупроводников характерно, что концентрация дырок во много раз превышает концентрацию электронов.

В примесных полупроводниках кроме носителей, образованных за счёт примеси (основные носители), имеются и носители, образованные за счет собственной проводимости (неосновные носители).

Зависимость сопротивления примесных полупроводников от температуры существенно определяется диапазоном температур, в котором эта зависимость рассматривается. При достаточно малых температурах (для большинства примесных полупроводников до комнатной температуры) проводимость в основном определяется носителями, возникающих за счёт примеси. При малых температурах зависимость сопротивления от температуры подобна зависимости для чистых полупроводников, однако вместо ширины запрещённой зоны эта зависимость определяется энергией активации примесей E_a:

. (2)

Причём энергия активации примеси много меньше ширины запрещённой зоны. При повышении температуры достаточно быстро достигается насыщение носителей, т.е. практически все носители перешли с примесных уровней (для донорных полупроводников) или на примесные уровни (для акцепторных полупроводников). В этом случае, количество носителей обусловленных примесью с увеличением температуры не изменяется и, сопротивление, как и для металлов, определяется временем релаксации дрейфовой скорости носителей. Следовательно, как и для металлов, сопротивление примесных полупроводников при этих температурах увеличивается. При больших температурах существенно проявляется собственная проводимость полупроводников, много превышающая проводимость, обусловленную примесями. В этом диапазоне сопротивление уменьшается по закону соответствующему выражению (1). В промежуточном диапазоне температур проявляется и примесная и собственная проводимость, что приводит к сложному характеру зависимости сопротивления от температуры.

Источник