Η χρήση ημιαγωγών. Ημιαγωγοί - υλικά για την προετοιμασία για τις εξετάσεις στη φυσική. Αντίσταση και ηλεκτροστατικός ιονισμός

Οι ημιαγωγοί πήραν το όνομά τους επειδή καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ αγωγών (μέταλλα, ηλεκτρολύτες) με υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και μονωτών (πορσελάνη, μαρμαρυγία, καουτσούκ και άλλα), που σχεδόν δεν αγώγουν.

Αν συγκρίνουμε το ειδικό σε Ohm × cm για διάφορες ουσίες, προκύπτει ότι οι αγωγοί έχουν: ρ U\u003d 10 -6 - 10 -3 Ohm × cm; ειδική αντίσταση ημιαγωγών: ρ U\u003d 10 -3 - 10 8 Ohm × cm; α υ : ρ U\u003d 10 8 - 10 20 Ohm × εκ. Οι ημιαγωγοί περιλαμβάνουν: οξείδια μετάλλων - οξείδια (Al 2 O 3, Cu 2 O, ZnO, TiO 2, VO 2, WO 2, MoO 3). θειούχες ενώσεις - σουλφίδια (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); ενώσεις με σελήνιο - σεληνίδια. ενώσεις με τελλούριο - τελλουρίδια. μερικά κράματα (MgSb 2, ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb); χημικά στοιχεία - γερμάνιο, πυρίτιο, τελλούριο, σελήνιο, βόριο, άνθρακας, θείο, φώσφορος, αρσενικό, καθώς και ένας μεγάλος αριθμός πολύπλοκων ενώσεων (γαλήνιο, καρβορούνδιο και άλλα).

Εικόνα 1. Γερμάνιο

Εικόνα 2. Πυρίτιο

Εικόνα 3. Τελλούριο

Μια πλήρης και εκτενής μελέτη των ιδιοτήτων των ημιαγωγών πραγματοποιήθηκε από τον Σοβιετικό επιστήμονα A.F. Ioffe και τους συνεργάτες του.

Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών διαφέρουν έντονα από αυτές των αγωγών και των μονωτών. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των αγωγών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία, τον φωτισμό, την παρουσία και την ένταση ενός ηλεκτρικού πεδίου και την ποσότητα των ακαθαρσιών. Σε συνηθισμένες θερμοκρασίες, οι ημιαγωγοί έχουν μια ορισμένη ποσότητα ελεύθερων ηλεκτρονίων που σχηματίζονται λόγω της θραύσης των ηλεκτρονικών δεσμών. Υπάρχουν δύο τύποι ημιαγωγών: οι ηλεκτρονικοί και οι τρύπες. Οι φορείς φορτίου σε ημιαγωγούς με ηλεκτρονική αγωγιμότητα είναι ελεύθερα ηλεκτρόνια και με αγωγιμότητα οπών - δεσμοί χωρίς ηλεκτρόνια.

Σκεφτείτε την παρακάτω εμπειρία. Ας πάρουμε και ας θερμάνουμε ένα από τα άκρα του, τότε το θερμαινόμενο άκρο του αγωγού θα λάβει θετικό φορτίο. Αυτό οφείλεται στην κίνηση των ηλεκτρονίων από το θερμό άκρο στο ψυχρό άκρο, με αποτέλεσμα την έλλειψη ηλεκτρονίων στο θερμό άκρο του αγωγού (θετικό φορτίο) και μια περίσσεια ηλεκτρονίων στο ψυχρό άκρο (αρνητικό φορτίο). Η βραχυπρόθεσμη ροή του ρεύματος μέσω ενός αγωγού προκλήθηκε από την κίνηση των ηλεκτρονίων από το ένα άκρο του αγωγού στο άλλο. Έτσι, εδώ μιλάμε για έναν αγωγό με ηλεκτρονική αγωγιμότητα. Ωστόσο, υπάρχουν ουσίες που συμπεριφέρονται διαφορετικά σε ένα τέτοιο πείραμα: η θερμαινόμενη άκρη μιας τέτοιας ουσίας δέχεται αρνητικό φορτίο και η ψυχρή άκρη δέχεται θετικό φορτίο. Αυτό είναι δυνατό αν υποθέσουμε ότι η τρέχουσα μεταφορά πραγματοποιείται με θετικά φορτία.

Εικόνα 4. Επικοινωνία μεταξύ των ατόμων της ύλης

Εικόνα 5. Εγγενής αγωγιμότητα ημιαγωγών

Εικόνα 6. Ηλεκτρονική αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού

Εικόνα 7. Αγωγιμότητα οπής ημιαγωγού

Ας γνωρίσουμε έναν άλλο τύπο αγωγιμότητας στους ημιαγωγούς - την αγωγιμότητα οπών. Στους καθαρούς ημιαγωγούς, όλα τα ηλεκτρόνια που είναι ασθενώς συνδεδεμένα με τους πυρήνες συμμετέχουν σε ηλεκτρονικούς δεσμούς. Εικόνα 4, έναδείχνει υπό όρους έναν γεμάτο δεσμό μεταξύ των ατόμων μιας ουσίας. Μια «τρύπα» είναι ένα στοιχείο του κρυσταλλικού πλέγματος μιας ουσίας που έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο αντιστοιχεί στην εμφάνιση ενός θετικού φορτίου (Εικόνα 4, σι).

Ο απελευθερωμένος δεσμός μπορεί να γεμίσει ξανά εάν η «τρύπα» συλλάβει ένα ηλεκτρόνιο από τον γειτονικό δεσμό (Εικόνα 4, σε). Αυτό θα κάνει την "τρύπα" να μετακινηθεί σε μια νέα θέση. Στην ουσία ενός ημιαγωγού υπό κανονικές συνθήκες, η κατεύθυνση εκπομπής ηλεκτρονίων και ο τόπος όπου σχηματίζεται η «τρύπα» είναι χαοτικές. Εάν εφαρμοστεί σταθερή τάση σε έναν καθαρό ημιαγωγό, τότε τα ηλεκτρόνια και οι «οπές» θα κινηθούν (το πρώτο ενάντια στην κατεύθυνση των δυνάμεων του πεδίου, το δεύτερο στην αντίθετη κατεύθυνση). Αν ο αριθμός των σχηματισμένων «οπών» είναι ίσος με τον αριθμό των απελευθερωμένων ηλεκτρονίων, τότε, όπως συμβαίνει με τους καθαρούς ημιαγωγούς, η αγωγιμότητα των ημιαγωγών είναι χαμηλή (εγγενής αγωγιμότητα). Η παρουσία ακόμη και μικρής ποσότητας ξένων ακαθαρσιών μπορεί να αλλάξει τον μηχανισμό της ηλεκτρικής αγωγιμότητας: να τον κάνει ηλεκτρονικό ή τρύπα. Ας εξετάσουμε ένα συγκεκριμένο παράδειγμα. Ας πάρουμε το γερμάνιο (Ge) ως ημιαγωγό. Σε έναν κρύσταλλο γερμανίου, κάθε άτομο συνδέεται με τέσσερα άλλα άτομα. Με αύξηση της θερμοκρασίας ή ως αποτέλεσμα ακτινοβολίας, οι δεσμοί του ζεύγους του κρυστάλλου μπορούν να σπάσουν. Αυτό παράγει ίσο αριθμό ηλεκτρονίων και «οπών» (Εικόνα 5).

Ας προσθέσουμε αρσενικό ως πρόσμειξη στο γερμάνιο. Μια τέτοια ακαθαρσία έχει μεγάλο αριθμό ηλεκτρονίων ασθενώς δεσμευμένων. Τα άτομα ακαθαρσίας έχουν το δικό τους ενεργειακό επίπεδο που βρίσκεται μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων των ελεύθερων και γεμισμένων ζωνών, πιο κοντά στην τελευταία (Εικόνα 6). Τέτοιες ακαθαρσίες δωρίζουν τα ηλεκτρόνια τους στην ελεύθερη ζώνη και ονομάζονται προσμίξεις δότη. Σε έναν ημιαγωγό, θα υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια, ενώ όλοι οι δεσμοί θα είναι γεμάτοι. Ο ημιαγωγός θα έχει ηλεκτρονική αγωγιμότητα στην ελεύθερη ζώνη.

Αν τώρα δεν προστεθεί αρσενικό, αλλά ίνδιο ως πρόσμειξη στο γερμάνιο, τότε θα συμβεί το εξής. Μια τέτοια ακαθαρσία έχει μικρό αριθμό ηλεκτρονίων ασθενώς δεσμευμένων και το ενεργειακό επίπεδο της ακαθαρσίας βρίσκεται μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων της ελεύθερης και της γεμάτης ζώνης, πιο κοντά στην ελεύθερη ζώνη (Εικόνα 7). Οι ακαθαρσίες αυτού του είδους δέχονται ηλεκτρόνια από τη γειτονική γεμάτη ζώνη στη ζώνη τους και ονομάζονται ακαθαρσίες δέκτη. Σε έναν ημιαγωγό, θα υπάρχουν απλήρωτοι δεσμοί - «οπές» ελλείψει ελεύθερων ηλεκτρονίων. Ο ημιαγωγός θα έχει αγωγιμότητα οπής στην γεμισμένη ζώνη.

Τώρα η εμπειρία της θέρμανσης ενός ημιαγωγού θα γίνει σαφής, όταν το θερμαινόμενο άκρο έλαβε αρνητικό φορτίο και το ψυχρό άκρο έλαβε θετικό φορτίο. Κάτω από τη δράση της θερμότητας στο θερμό άκρο, οι δεσμοί θα αρχίσουν να σπάνε, θα εμφανιστούν «οπές» και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Εάν ο ημιαγωγός περιέχει ακαθαρσίες, τότε οι «τρύπες» θα αρχίσουν να μετακινούνται προς το ψυχρό άκρο, φορτίζοντας το θετικά και το θερμαινόμενο άκρο του ημιαγωγού θα φορτιστεί αρνητικά.

Τελειώνοντας την εξέταση των ημιαγωγών, καταλήγουμε στο ακόλουθο συμπέρασμα.

Προσθέτοντας ακαθαρσίες σε έναν ημιαγωγό, μπορεί κανείς να του δώσει μια κυρίαρχη αγωγιμότητα ηλεκτρονίων ή οπών. Με βάση αυτό, λαμβάνονται οι ακόλουθοι τύποι ημιαγωγών. Οι ημιαγωγοί με ηλεκτρονική αγωγιμότητα ονομάζονται ημιαγωγοί. n-τύπου (αρνητικό) και με αγωγιμότητα οπών - Π-τύπος (θετικός).

Σας προσκαλούμε επίσης να παρακολουθήσετε εκπαιδευτικά βίντεο για τους ημιαγωγούς:

List=PL_QCOTUIndSFAbWcR3t0wYp5IORVEHu3I

Μαζί με τους αγωγούς του ηλεκτρισμού στη φύση, υπάρχουν πολλές ουσίες που έχουν πολύ χαμηλότερη ηλεκτρική αγωγιμότητα από τους μεταλλικούς αγωγούς. Οι ουσίες αυτού του είδους ονομάζονται ημιαγωγοί.

Οι ημιαγωγοί περιλαμβάνουν: ορισμένα χημικά στοιχεία, όπως σελήνιο, πυρίτιο και γερμάνιο, ενώσεις θείου, όπως θειούχο θάλλιο, θειούχο κάδμιο, θειούχο άργυρο, καρβίδια, όπως το καρβορούνδιο,άνθρακας (διαμάντι),βόριο, γκρίζος κασσίτερος, φώσφορος, αντιμόνιο, αρσενικό, τελλούριο, ιώδιο και μια σειρά από ενώσεις που περιέχουν τουλάχιστον ένα από τα στοιχεία της 4ης - 7ης ομάδας του συστήματος Mendeleev. Υπάρχουν και οργανικοί ημιαγωγοί.

Η φύση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας ενός ημιαγωγού εξαρτάται από τον τύπο των ακαθαρσιών που υπάρχουν στο βασικό υλικό του ημιαγωγού και από την τεχνολογία κατασκευής των εξαρτημάτων του.

Ημιαγωγός είναι μια ουσία με 10 -10 - 10 4 (ohm x cm) -1, η οποία, σύμφωνα με αυτές τις ιδιότητες, βρίσκεται μεταξύ του αγωγού και του μονωτή. Η διαφορά μεταξύ αγωγών, ημιαγωγών και μονωτών σύμφωνα με τη θεωρία ζώνης είναι η εξής: στους καθαρούς ημιαγωγούς και στους ηλεκτρονικούς μονωτές, υπάρχει ένα κενό ζώνης μεταξύ της γεμάτης ζώνης (σθένος) και της ζώνης αγωγιμότητας.

Γιατί οι ημιαγωγοί μεταφέρουν ρεύμα

Ένας ημιαγωγός έχει ηλεκτρονική αγωγιμότητα εάν, στα άτομα της ακαθαρσίας του, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια είναι σχετικά ασθενώς συνδεδεμένα με τους πυρήνες αυτών των ατόμων. Εάν δημιουργηθεί ηλεκτρικό πεδίο σε αυτό το είδος ημιαγωγού, τότε υπό την επίδραση των δυνάμεων αυτού του πεδίου, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων των ακαθαρσιών των ημιαγωγών θα αφήσουν τα όρια των ατόμων τους και θα μετατραπούν σε ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα δημιουργήσουν ένα ρεύμα ηλεκτρικής αγωγής στον ημιαγωγό υπό την επίδραση των δυνάμεων του ηλεκτρικού πεδίου. Κατά συνέπεια, η φύση του ηλεκτρικού ρεύματος σε ημιαγωγούς με ηλεκτρονική αγωγιμότητα είναι η ίδια όπως και στους μεταλλικούς αγωγούς. Αλλά επειδή υπάρχουν πολλές φορές λιγότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια ανά μονάδα όγκου ενός ημιαγωγού από ό,τι σε μια μονάδα όγκου ενός μεταλλικού αγωγού, είναι φυσικό ότι, υπό όλες τις άλλες ίδιες συνθήκες, το ρεύμα στον ημιαγωγό θα είναι πολλές φορές μικρότερο από ό,τι στον μεταλλικό αγωγός.

Ένας ημιαγωγός έχει αγωγιμότητα "οπής" εάν τα άτομα της ακαθαρσίας του όχι μόνο δεν εγκαταλείπουν τα εξωτερικά ηλεκτρόνια τους, αλλά, αντίθετα, τείνουν να συλλάβουν τα ηλεκτρόνια των ατόμων της κύριας ουσίας του ημιαγωγού. Εάν ένα άτομο ακαθαρσίας παίρνει ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο της κύριας ουσίας, τότε σχηματίζεται κάτι σαν ελεύθερος χώρος για ένα ηλεκτρόνιο στο τελευταίο - μια "τρύπα".

Ένα άτομο ημιαγωγού που έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο ονομάζεται «ηλεκτρονική οπή», ή απλά «τρύπα». Εάν η «τρύπα» γεμίσει με ένα ηλεκτρόνιο που έχει περάσει από ένα γειτονικό άτομο, τότε εξαλείφεται και το άτομο γίνεται ηλεκτρικά ουδέτερο και η «τρύπα» μετατοπίζεται στο γειτονικό άτομο που έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο. Επομένως, εάν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο σε έναν ημιαγωγό με αγωγιμότητα «οπής», τότε οι «ηλεκτρονικές οπές» θα μετατοπιστούν προς την κατεύθυνση αυτού του πεδίου.

Προκατάληψη Οι «ηλεκτρονικές οπές» προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου είναι παρόμοια με την κίνηση των θετικών ηλεκτρικών φορτίων στο πεδίο και, ως εκ τούτου, αντιπροσωπεύουν το φαινόμενο του ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν ημιαγωγό.

Οι ημιαγωγοί δεν μπορούν να διακριθούν αυστηρά από τον μηχανισμό της ηλεκτρικής τους αγωγιμότητας, αφού, μαζί μεΗ αγωγιμότητα «τρύπας» ενός δεδομένου ημιαγωγού μπορεί, σε κάποιο βαθμό, να έχει και ηλεκτρονική αγωγιμότητα.

Οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται από:

τύπος αγωγιμότητας (ηλεκτρονικός - τύπος n, τρύπα - τύπος p).

αντίσταση?

διάρκεια ζωής φορέων φορτίου (μειοψηφία) ή μήκος διάχυσης, ρυθμός ανασυνδυασμού επιφάνειας.

πυκνότητα εξάρθρωσης.

Το πυρίτιο είναι το πιο κοινό υλικό ημιαγωγών

Η θερμοκρασία επηρεάζει τα χαρακτηριστικά των ημιαγωγών. Μια αύξηση σε αυτό οδηγεί κυρίως σε μείωση της ειδικής αντίστασης και αντίστροφα, δηλαδή, οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται από την παρουσία ενός αρνητικού . Κοντά στο απόλυτο μηδέν, ο ημιαγωγός γίνεται μονωτής.

Οι ημιαγωγοί αποτελούν τη βάση πολλών συσκευών. Στις περισσότερες περιπτώσεις, θα πρέπει να λαμβάνονται με τη μορφή μονοκρυστάλλων. Για να προσδώσουν τις επιθυμητές ιδιότητες, οι ημιαγωγοί εμποτίζονται με διάφορες ακαθαρσίες. Αυξημένες απαιτήσεις επιβάλλονται στην καθαρότητα των αρχικών ημιαγωγών υλικών.

Στη σύγχρονη τεχνολογία, οι ημιαγωγοί έχουν βρει την ευρύτερη εφαρμογή, είχαν πολύ ισχυρή επιρροή στην τεχνολογική πρόοδο. Χάρη σε αυτά, είναι δυνατό να μειωθεί σημαντικά το βάρος και οι διαστάσεις των ηλεκτρονικών συσκευών. Η ανάπτυξη όλων των τομέων της ηλεκτρονικής οδηγεί στη δημιουργία και βελτίωση ενός μεγάλου αριθμού ποικίλου εξοπλισμού που βασίζεται σε συσκευές ημιαγωγών. Οι συσκευές ημιαγωγών χρησιμεύουν ως βάση για μικροστοιχεία, μικρομονάδες, στερεά κυκλώματα κ.λπ.

Οι ηλεκτρονικές συσκευές που βασίζονται σε συσκευές ημιαγωγών είναι πρακτικά χωρίς αδράνεια. Μια προσεκτικά κατασκευασμένη και καλά σφραγισμένη συσκευή ημιαγωγών μπορεί να διαρκέσει δεκάδες χιλιάδες ώρες. Ωστόσο, ορισμένα υλικά ημιαγωγών έχουν μικρό όριο θερμοκρασίας (για παράδειγμα, γερμάνιο), αλλά όχι πολύ περίπλοκη αντιστάθμιση θερμοκρασίας ή αντικατάσταση του βασικού υλικού της συσκευής με άλλο (για παράδειγμα, πυρίτιο, καρβίδιο του πυριτίου) εξαλείφει σε μεγάλο βαθμό αυτό το μειονέκτημα. Η βελτίωση της τεχνολογίας κατασκευής συσκευών ημιαγωγών οδηγεί σε μείωση της υπάρχουσας διασποράς και αστάθειας των παραμέτρων.

Μια επαφή ημιαγωγού-μετάλλου και μια διασταύρωση ηλεκτρονίου-οπής (n-p-junction) που δημιουργείται σε ημιαγωγούς χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διόδων ημιαγωγών. Διπλοί σύνδεσμοι (р-n-р ή n-р-n) - τρανζίστορ και θυρίστορ. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται κυρίως για τη διόρθωση, τη δημιουργία και την ενίσχυση ηλεκτρικών σημάτων.

Με βάση τις φωτοηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών, δημιουργούνται φωτοαντιστάσεις, φωτοδίοδοι και φωτοτρανζίστορ. Ο ημιαγωγός χρησιμεύει ως ενεργό μέρος των γεννητριών (ενισχυτών) των ταλαντώσεων. Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από τη διασταύρωση p-n προς τα εμπρός, οι φορείς φορτίου - ηλεκτρόνια και οπές - ανασυνδυάζονται με την εκπομπή φωτονίων, η οποία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία LED.

Οι θερμοηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών κατέστησαν δυνατή τη δημιουργία θερμικών αντιστάσεων ημιαγωγών, θερμοστοιχείων ημιαγωγών, θερμοηλεκτρικών μπαταριών και θερμοηλεκτρικών γεννητριών και θερμοηλεκτρικής ψύξης ημιαγωγών, με βάση το φαινόμενο Peltier, - θερμοηλεκτρικά ψυγεία και θερμοηλεκτρικά ψυγεία.

Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται σε μετατροπείς θερμικής και ηλιακής ενέργειας χωρίς μηχανή σε ηλεκτρική ενέργεια - θερμοηλεκτρικές γεννήτριες και φωτοηλεκτρικούς μετατροπείς (ηλιακές μπαταρίες).

Η μηχανική καταπόνηση που ασκείται σε έναν ημιαγωγό αλλάζει την ηλεκτρική του αντίσταση (η επίδραση είναι ισχυρότερη από ό,τι στα μέταλλα), η οποία ήταν η βάση του μετρητή καταπόνησης ημιαγωγών.

Οι συσκευές ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ευρέως στην παγκόσμια πρακτική, φέρνοντας επανάσταση στα ηλεκτρονικά, χρησιμεύουν ως βάση για την ανάπτυξη και την παραγωγή:

εξοπλισμός μέτρησης, υπολογιστές,

εξοπλισμός για όλους τους τύπους επικοινωνιών και μεταφορών,

για την αυτοματοποίηση διαδικασιών στη βιομηχανία,

συσκευές για επιστημονική έρευνα,

τεχνολογία πυραύλων,

ιατρικός εξοπλισμός

άλλες ηλεκτρονικές συσκευές και συσκευές.

Η χρήση συσκευών ημιαγωγών σάς επιτρέπει να δημιουργήσετε νέο εξοπλισμό και να βελτιώσετε τον παλιό, πράγμα που σημαίνει ότι οδηγεί σε μείωση των διαστάσεων, του βάρους, της κατανάλωσης ενέργειας και επομένως μείωση της παραγωγής θερμότητας στο κύκλωμα, σε αύξηση της αντοχής , στην άμεση ετοιμότητα για δράση, σας επιτρέπει να αυξήσετε τη διάρκεια ζωής και την αξιοπιστία των ηλεκτρονικών συσκευών.

Θέματα του κωδικοποιητή USE: ημιαγωγοί, εσωτερική και εξωτερική αγωγιμότητα ημιαγωγών.

Μέχρι τώρα, μιλώντας για την ικανότητα των ουσιών να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα, τις χωρίζαμε σε αγωγούς και διηλεκτρικά. Η ειδική αντίσταση των συνηθισμένων αγωγών είναι στην περιοχή των Ohm m. η ειδική αντίσταση των διηλεκτρικών υπερβαίνει αυτές τις τιμές κατά μέσο όρο κατά τάξεις μεγέθους: Ohm m.

Υπάρχουν όμως και ουσίες που, στην ηλεκτρική τους αγωγιμότητα, καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ αγωγών και διηλεκτρικών. το ημιαγωγών: η ειδική αντίστασή τους σε θερμοκρασία δωματίου μπορεί να λάβει τιμές σε πολύ μεγάλο εύρος ohm m. Οι ημιαγωγοί περιλαμβάνουν πυρίτιο, γερμάνιο, σελήνιο και ορισμένα άλλα χημικά στοιχεία και ενώσεις (Οι ημιαγωγοί είναι εξαιρετικά συνηθισμένοι στη φύση. Για παράδειγμα, περίπου το 80% της μάζας του φλοιού της γης πέφτει σε ουσίες που είναι ημιαγωγοί). Το πυρίτιο και το γερμάνιο είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα.

Το κύριο χαρακτηριστικό των ημιαγωγών είναι ότι η ηλεκτρική τους αγωγιμότητα αυξάνεται απότομα με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική αντίσταση ενός ημιαγωγού μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας περίπου όπως φαίνεται στο Σχ. ένας .

Ρύζι. 1. Εξάρτηση για ημιαγωγό

Με άλλα λόγια, σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι ημιαγωγοί συμπεριφέρονται σαν διηλεκτρικοί, και σε υψηλές θερμοκρασίες συμπεριφέρονται σαν αρκετά καλοί αγωγοί. Αυτή είναι η διαφορά μεταξύ ημιαγωγών και μετάλλων: η ειδική αντίσταση του μετάλλου, όπως θυμάστε, αυξάνεται γραμμικά με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Υπάρχουν και άλλες διαφορές μεταξύ ημιαγωγών και μετάλλων. Έτσι, ο φωτισμός ενός ημιαγωγού προκαλεί μείωση της αντίστασής του (και το φως δεν έχει σχεδόν καμία επίδραση στην αντίσταση ενός μετάλλου). Επιπλέον, η ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών μπορεί να αλλάξει πολύ έντονα με την εισαγωγή ακόμη και αμελητέας ποσότητας ακαθαρσιών.

Η εμπειρία δείχνει ότι, όπως και στην περίπτωση των μετάλλων, όταν το ρεύμα ρέει μέσω ενός ημιαγωγού, δεν υπάρχει μεταφορά ύλης. Επομένως, το ηλεκτρικό ρεύμα στους ημιαγωγούς οφείλεται στην κίνηση των ηλεκτρονίων.

Η μείωση της αντίστασης ενός ημιαγωγού όταν θερμαίνεται δείχνει ότι η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε αύξηση του αριθμού των ελεύθερων φορτίων στον ημιαγωγό. Τίποτα τέτοιο δεν συμβαίνει στα μέταλλα. Επομένως, οι ημιαγωγοί έχουν διαφορετικό μηχανισμό ηλεκτρικής αγωγιμότητας από τα μέταλλα. Και ο λόγος για αυτό είναι η διαφορετική φύση του χημικού δεσμού μεταξύ των ατόμων των μετάλλων και των ημιαγωγών.

ομοιοπολικό δεσμό

Ο μεταλλικός δεσμός, θυμηθείτε, παρέχεται από ένα αέριο ελεύθερων ηλεκτρονίων, το οποίο, όπως η κόλλα, συγκρατεί τα θετικά ιόντα στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος. Οι ημιαγωγοί είναι διατεταγμένοι διαφορετικά - τα άτομα τους συγκρατούνται μεταξύ τους ομοιοπολικό δεσμό. Ας θυμηθούμε τι είναι.

Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στο εξωτερικό ηλεκτρονικό επίπεδο και καλούνται σθένος, είναι ασθενέστερα συνδεδεμένα με το άτομο από τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια, τα οποία βρίσκονται πιο κοντά στον πυρήνα. Στη διαδικασία σχηματισμού ενός ομοιοπολικού δεσμού, δύο άτομα συμβάλλουν «στην κοινή αιτία» ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους τους. Αυτά τα δύο ηλεκτρόνια κοινωνικοποιούνται, δηλαδή ανήκουν πλέον και στα δύο άτομα, και επομένως ονομάζονται κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων(Εικ. 2).

Ρύζι. 2. Ομοιοπολικός δεσμός

Το κοινωνικοποιημένο ζεύγος ηλεκτρονίων απλώς κρατά τα άτομα το ένα κοντά στο άλλο (με τη βοήθεια ηλεκτρικών δυνάμεων έλξης). Ο ομοιοπολικός δεσμός είναι ένας δεσμός που υπάρχει μεταξύ ατόμων λόγω κοινών ζευγών ηλεκτρονίων.. Για το λόγο αυτό ονομάζεται και ομοιοπολικός δεσμός ζεύγος-ηλεκτρόνιο.

Κρυσταλλική δομή πυριτίου

Τώρα είμαστε έτοιμοι να ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στα εσωτερικά των ημιαγωγών. Ως παράδειγμα, εξετάστε τον πιο κοινό ημιαγωγό στη φύση - το πυρίτιο. Ο δεύτερος πιο σημαντικός ημιαγωγός, το γερμάνιο, έχει παρόμοια δομή.

Η χωρική δομή του πυριτίου φαίνεται στο σχ. 3 (εικόνα από τον Ben Mills). Τα άτομα πυριτίου απεικονίζονται ως μπάλες και οι σωλήνες που τα συνδέουν είναι κανάλια ομοιοπολικού δεσμού μεταξύ των ατόμων.

Ρύζι. 3. Κρυσταλλική δομή πυριτίου

Σημειώστε ότι κάθε άτομο πυριτίου είναι συνδεδεμένο με τέσσεριςγειτονικά άτομα. Γιατί έτσι?

Το γεγονός είναι ότι το πυρίτιο είναι τετρασθενές - στο εξωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων του ατόμου του πυριτίου υπάρχουν τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους. Καθένα από αυτά τα τέσσερα ηλεκτρόνια είναι έτοιμο να σχηματίσει ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων με το ηλεκτρόνιο σθένους ενός άλλου ατόμου. Και έτσι γίνεται! Ως αποτέλεσμα, το άτομο πυριτίου περιβάλλεται από τέσσερα συνδεδεμένα άτομα, καθένα από τα οποία συνεισφέρει ένα ηλεκτρόνιο σθένους. Αντίστοιχα, υπάρχουν οκτώ ηλεκτρόνια γύρω από κάθε άτομο (τέσσερα δικά και τέσσερα εξωγήινα).

Αυτό το βλέπουμε με περισσότερες λεπτομέρειες σε ένα επίπεδο διάγραμμα του κρυσταλλικού πλέγματος πυριτίου (Εικ. 4).

Ρύζι. 4. Κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου

Οι ομοιοπολικοί δεσμοί παρουσιάζονται ως ζεύγη γραμμών που συνδέουν άτομα. αυτές οι γραμμές μοιράζονται ζεύγη ηλεκτρονίων. Κάθε ηλεκτρόνιο σθένους που βρίσκεται σε μια τέτοια γραμμή περνά τον περισσότερο χρόνο του στο χώρο μεταξύ δύο γειτονικών ατόμων.

Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια σθένους δεν είναι σε καμία περίπτωση «στενά δεμένα» με τα αντίστοιχα ζεύγη ατόμων. Τα κελύφη ηλεκτρονίων επικαλύπτονται όλαγειτονικά άτομα, έτσι ώστε οποιοδήποτε ηλεκτρόνιο σθένους είναι η κοινή ιδιότητα όλων των γειτονικών ατόμων. Από κάποιο άτομο 1, ένα τέτοιο ηλεκτρόνιο μπορεί να πάει στο γειτονικό του άτομο 2, μετά στο γειτονικό του άτομο 3, και ούτω καθεξής. Τα ηλεκτρόνια σθένους μπορούν να κινηθούν σε όλο τον χώρο του κρυστάλλου - λέγεται ότι ανήκουν σε όλο το κρύσταλλο(αντί για οποιοδήποτε ατομικό ζεύγος).

Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια σθένους του πυριτίου δεν είναι ελεύθερα (όπως συμβαίνει στο μέταλλο). Σε έναν ημιαγωγό, ο δεσμός μεταξύ ηλεκτρονίων σθένους και ατόμων είναι πολύ ισχυρότερος από ό,τι σε ένα μέταλλο. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί πυριτίου δεν σπάνε σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων δεν είναι αρκετή για να ξεκινήσει μια ομαλή κίνηση από ένα χαμηλότερο δυναμικό σε ένα υψηλότερο υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Επομένως, σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες, οι ημιαγωγοί είναι κοντά στα διηλεκτρικά - δεν μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα.

Δική αγωγιμότητα

Εάν συμπεριλάβετε ένα στοιχείο ημιαγωγού σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα και αρχίσετε να το θερμάνετε, τότε η ισχύς του ρεύματος στο κύκλωμα αυξάνεται. Επομένως, η αντίσταση ημιαγωγών μειώνεταιμε αύξηση της θερμοκρασίας. Γιατί συμβαίνει αυτό?

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, οι θερμικές δονήσεις των ατόμων πυριτίου γίνονται πιο έντονες και η ενέργεια των ηλεκτρονίων σθένους αυξάνεται. Για ορισμένα ηλεκτρόνια, η ενέργεια φτάνει σε τιμές επαρκείς για τη διάσπαση των ομοιοπολικών δεσμών. Τέτοια ηλεκτρόνια αφήνουν τα άτομα τους και γίνονται Ελεύθερος(ή ηλεκτρόνια αγωγιμότητας) είναι ακριβώς το ίδιο με το μέταλλο. Σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ξεκινούν μια διατεταγμένη κίνηση, σχηματίζοντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα.

Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του πυριτίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια των ηλεκτρονίων, και τόσο μεγαλύτερος ο αριθμός των ομοιοπολικών δεσμών δεν αντέχει και σπάει. Ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε έναν κρύσταλλο πυριτίου αυξάνεται, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της αντίστασής του.

Το σπάσιμο των ομοιοπολικών δεσμών και η εμφάνιση ελεύθερων ηλεκτρονίων φαίνεται στο σχ. 5 . Στη θέση ενός σπασμένου ομοιοπολικού δεσμού, α τρύπαείναι μια κενή θέση για ένα ηλεκτρόνιο. Η τρύπα έχει θετικόςφορτίο, αφού με την αποχώρηση ενός αρνητικά φορτισμένου ηλεκτρονίου, παραμένει ένα μη αντισταθμισμένο θετικό φορτίο του πυρήνα του ατόμου του πυριτίου.

Ρύζι. 5. Σχηματισμός ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών

Οι τρύπες δεν μένουν στη θέση τους - μπορούν να περιπλανηθούν γύρω από τον κρύσταλλο. Το γεγονός είναι ότι ένα από τα γειτονικά ηλεκτρόνια σθένους, που "ταξιδεύουν" μεταξύ των ατόμων, μπορεί να μεταπηδήσει στο σχηματισμένο κενό, γεμίζοντας την τρύπα. τότε η οπή σε αυτό το μέρος θα εξαφανιστεί, αλλά θα εμφανιστεί στο μέρος από όπου προήλθε το ηλεκτρόνιο.

Ελλείψει εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, η κίνηση των οπών είναι τυχαία, επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους περιφέρονται μεταξύ των ατόμων τυχαία. Ωστόσο, σε ένα ηλεκτρικό πεδίο σκηνοθετημένοςκίνηση της τρύπας. Γιατί; Είναι εύκολο να το καταλάβεις.

Στο σχ. Το σχήμα 6 δείχνει έναν ημιαγωγό τοποθετημένο σε ηλεκτρικό πεδίο. Στην αριστερή πλευρά του σχήματος είναι η αρχική θέση της τρύπας.

Ρύζι. 6. Κίνηση οπής σε ηλεκτρικό πεδίο

Πού θα πάει η τρύπα; Είναι σαφές ότι τα πιο πιθανά είναι λυκίσκου "ηλεκτρόνιο > τρύπα" στην κατεύθυνση κατάγραμμές πεδίου (δηλαδή στα «συν» που δημιουργούν το πεδίο). Ένα από αυτά τα άλματα φαίνεται στο μεσαίο τμήμα του σχήματος: το ηλεκτρόνιο πήδηξε προς τα αριστερά, γεμίζοντας το κενό και η τρύπα, κατά συνέπεια, μετατοπίστηκε προς τα δεξιά. Το επόμενο πιθανό άλμα ενός ηλεκτρονίου που προκαλείται από ηλεκτρικό πεδίο φαίνεται στη δεξιά πλευρά του σχήματος. Ως αποτέλεσμα αυτού του άλματος, η τρύπα πήρε μια νέα θέση, που βρίσκεται ακόμη πιο δεξιά.

Βλέπουμε ότι η τρύπα ως σύνολο κινείται προςγραμμές πεδίου - δηλαδή εκεί που υποτίθεται ότι κινούνται θετικά φορτία. Τονίζουμε για άλλη μια φορά ότι η κατευθυνόμενη κίνηση μιας οπής κατά μήκος του πεδίου προκαλείται από πηδήματα ηλεκτρονίων σθένους από άτομο σε άτομο, που εμφανίζονται κυρίως προς την αντίθετη κατεύθυνση του πεδίου.

Έτσι, υπάρχουν δύο τύποι φορέων φορτίου σε έναν κρύσταλλο πυριτίου: ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές. Όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό ρεύμα, που προκαλείται από τη διατεταγμένη αντίστροφη κίνησή τους: τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται αντίθετα από το διάνυσμα έντασης πεδίου και οι οπές κινούνται προς την κατεύθυνση του διανύσματος.

Η εμφάνιση ρεύματος λόγω της κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων ονομάζεται ηλεκτρονική αγωγιμότητα, ή αγωγιμότητα τύπου n. Η διαδικασία της εύρυθμης κίνησης των οπών ονομάζεται αγωγιμότητα οπών,ή αγωγιμότητα τύπου p(από τα πρώτα γράμματα των λατινικών λέξεων negativus (αρνητικό) και positivus (θετικό)). Και οι δύο αγωγιμότητα - ηλεκτρόνιο και οπή - μαζί ονομάζονται δική της αγωγιμότηταημιαγωγός.

Κάθε αναχώρηση ενός ηλεκτρονίου από έναν σπασμένο ομοιοπολικό δεσμό δημιουργεί ένα ζεύγος «ελεύθερων ηλεκτρονίων-οπών». Επομένως, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε έναν καθαρό κρύσταλλο πυριτίου είναι ίση με τη συγκέντρωση των οπών. Κατά συνέπεια, όταν ο κρύσταλλος θερμαίνεται, η συγκέντρωση όχι μόνο των ελεύθερων ηλεκτρονίων, αλλά και των οπών αυξάνεται, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της εγγενούς αγωγιμότητας του ημιαγωγού λόγω αύξησης τόσο της ηλεκτρονικής όσο και της αγωγιμότητας της οπής.

Μαζί με το σχηματισμό ζευγών «ελεύθερων ηλεκτρονίων-οπών», λαμβάνει χώρα και η αντίστροφη διαδικασία: ανασυνδυασμόςελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές. Δηλαδή, ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο, που συναντιέται με μια τρύπα, γεμίζει αυτό το κενό, αποκαθιστώντας τον σπασμένο ομοιοπολικό δεσμό και μετατρέποντας σε ηλεκτρόνιο σθένους. Έτσι, σε έναν ημιαγωγό, δυναμική ισορροπία: ο μέσος αριθμός διακοπής των ομοιοπολικών δεσμών και των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που προκύπτουν ανά μονάδα χρόνου είναι ίσος με τον μέσο αριθμό ανασυνδυαζόμενων ηλεκτρονίων και οπών. Αυτή η κατάσταση δυναμικής ισορροπίας καθορίζει τη συγκέντρωση ισορροπίας των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών σε έναν ημιαγωγό υπό δεδομένες συνθήκες.

Μια αλλαγή στις εξωτερικές συνθήκες μετατοπίζει την κατάσταση της δυναμικής ισορροπίας προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση. Η τιμή ισορροπίας της συγκέντρωσης των φορέων φορτίου αλλάζει φυσικά σε αυτή την περίπτωση. Για παράδειγμα, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών αυξάνεται όταν ένας ημιαγωγός θερμαίνεται ή φωτίζεται.

Σε θερμοκρασία δωματίου, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών στο πυρίτιο είναι περίπου ίση με εκ. Η συγκέντρωση των ατόμων πυριτίου είναι περίπου εκ. Με άλλα λόγια, υπάρχει μόνο ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο ανά άτομο πυριτίου! Αυτό είναι πολύ λίγο. Στα μέταλλα, για παράδειγμα, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι περίπου ίση με τη συγκέντρωση των ατόμων. Αντίστοιχα, η εγγενής αγωγιμότητα του πυριτίου και άλλων ημιαγωγών υπό κανονικές συνθήκες είναι μικρή σε σύγκριση με την αγωγιμότητα των μετάλλων.

Αγωγιμότητα ακαθαρσιών

Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό των ημιαγωγών είναι ότι η ειδική αντίστασή τους μπορεί να μειωθεί κατά αρκετές τάξεις μεγέθους εισάγοντας ακόμη και μια πολύ μικρή ποσότητα ακαθαρσιών. Εκτός από τη δική του αγωγιμότητα, ένας ημιαγωγός έχει μια κυρίαρχη αγωγιμότητα ακαθαρσιών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι συσκευές ημιαγωγών έχουν βρει τόσο ευρεία εφαρμογή στην επιστήμη και την τεχνολογία.
Ας υποθέσουμε, για παράδειγμα, ότι στο τήγμα του πυριτίου προστίθεται λίγο πεντασθενές αρσενικό. Μετά την κρυστάλλωση του τήγματος, αποδεικνύεται ότι άτομα αρσενικού καταλαμβάνουν θέσεις σε ορισμένες θέσεις του σχηματισμένου κρυσταλλικού πλέγματος πυριτίου.

Το εξωτερικό ηλεκτρονικό επίπεδο ενός ατόμου αρσενικού έχει πέντε ηλεκτρόνια. Τέσσερα από αυτά σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τους πλησιέστερους γείτονες - άτομα πυριτίου (Εικ. 7). Ποια είναι η μοίρα του πέμπτου ηλεκτρονίου που δεν καταλαμβάνεται σε αυτούς τους δεσμούς;

Ρύζι. 7. Ημιαγωγός τύπου Ν

Και το πέμπτο ηλεκτρόνιο γίνεται ελεύθερο! Το γεγονός είναι ότι η ενέργεια δέσμευσης αυτού του "επιπλέον" ηλεκτρονίου με ένα άτομο αρσενικού που βρίσκεται σε έναν κρύσταλλο πυριτίου είναι πολύ μικρότερη από την ενέργεια δέσμευσης των ηλεκτρονίων σθένους με άτομα πυριτίου. Επομένως, ήδη σε θερμοκρασία δωματίου, σχεδόν όλα τα άτομα αρσενικού, ως αποτέλεσμα θερμικής κίνησης, παραμένουν χωρίς πέμπτο ηλεκτρόνιο, μετατρέποντας σε θετικά ιόντα. Και ο κρύσταλλος του πυριτίου, αντίστοιχα, είναι γεμάτος με ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία απαγκιστρώνονται από τα άτομα αρσενικού.

Το γέμισμα ενός κρυστάλλου με ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν είναι καινούργιο για εμάς: το είδαμε παραπάνω όταν θερμάνθηκε ΚΑΘΑΡΗπυρίτιο (χωρίς ακαθαρσίες). Αλλά τώρα η κατάσταση είναι ριζικά διαφορετική: η εμφάνιση ελεύθερου ηλεκτρονίου που φεύγει από το άτομο αρσενικού δεν συνοδεύεται από την εμφάνιση κινητής οπής. Γιατί; Ο λόγος είναι ο ίδιος - ο δεσμός των ηλεκτρονίων σθένους με τα άτομα πυριτίου είναι πολύ ισχυρότερος από ό,τι με το άτομο αρσενικού στο πέμπτο κενό, επομένως τα ηλεκτρόνια των γειτονικών ατόμων πυριτίου δεν τείνουν να καλύψουν αυτό το κενό. Έτσι, το κενό παραμένει στη θέση του· είναι, σαν να λέγαμε, «παγωμένο» στο άτομο αρσενικού και δεν συμμετέχει στη δημιουργία του ρεύματος.

Με αυτόν τον τρόπο, η εισαγωγή πεντασθενών ατόμων αρσενικού στο κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου δημιουργεί ηλεκτρονική αγωγιμότητα, αλλά δεν οδηγεί στη συμμετρική εμφάνιση της αγωγιμότητας της οπής. Ο κύριος ρόλος στη δημιουργία του ρεύματος ανήκει πλέον στα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία σε αυτή την περίπτωση ονομάζονται κύριοι μεταφορείςχρέωση.

Ο εγγενής μηχανισμός αγωγιμότητας, φυσικά, συνεχίζει να λειτουργεί ακόμη και με την παρουσία μιας ακαθαρσίας: οι ομοιοπολικοί δεσμοί εξακολουθούν να είναι σπασμένοι λόγω θερμικής κίνησης, δημιουργώντας ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές. Αλλά τώρα υπάρχουν πολύ λιγότερες οπές από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία παρέχονται σε μεγάλες ποσότητες από άτομα αρσενικού. Επομένως, οι τρύπες σε αυτή την περίπτωση θα είναι μεταφορείς μειοψηφίαςχρέωση.

Οι προσμίξεις των οποίων τα άτομα δίνουν ελεύθερα ηλεκτρόνια χωρίς την εμφάνιση ίσου αριθμού κινητών οπών ονομάζονται δότης. Για παράδειγμα, το πεντασθενές αρσενικό είναι μια ακαθαρσία δότη. Με την παρουσία μιας ακαθαρσίας δότη στον ημιαγωγό, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι οι κύριοι φορείς φορτίου και οι οπές είναι οι δευτερεύοντες. Με άλλα λόγια, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι πολύ μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση των οπών. Επομένως, ονομάζονται ημιαγωγοί με ακαθαρσίες δότη ηλεκτρονικών ημιαγωγών, ή ημιαγωγοί τύπου n(ή απλά n-ημιαγωγοί).

Και πόσο, ενδιαφέροντα, μπορεί η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων να υπερβαίνει τη συγκέντρωση των οπών σε έναν n-ημιαγωγό; Ας κάνουμε έναν απλό υπολογισμό.

Ας υποθέσουμε ότι η ακαθαρσία είναι , δηλαδή υπάρχει ένα άτομο αρσενικού ανά χίλια άτομα πυριτίου. Η συγκέντρωση των ατόμων πυριτίου, όπως θυμόμαστε, είναι της τάξης των cm.

Η συγκέντρωση των ατόμων αρσενικού, αντίστοιχα, θα είναι χίλιες φορές μικρότερη: εκ. Η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων που δίνει η ακαθαρσία θα αποδειχθεί επίσης η ίδια - άλλωστε, κάθε άτομο αρσενικού εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο. Και τώρα ας θυμηθούμε ότι η συγκέντρωση των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που εμφανίζονται όταν σπάσουν οι ομοιοπολικοί δεσμοί του πυριτίου σε θερμοκρασία δωματίου είναι περίπου ίση με cm. Αισθάνεστε τη διαφορά; Η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε αυτή την περίπτωση είναι μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση των οπών κατά τάξεις μεγέθους, δηλαδή ένα δισεκατομμύριο φορές! Κατά συνέπεια, η ειδική αντίσταση ενός ημιαγωγού πυριτίου μειώνεται κατά ένα δισεκατομμύριο όταν εισάγεται μια τόσο μικρή ποσότητα ακαθαρσίας.

Ο παραπάνω υπολογισμός δείχνει ότι στους ημιαγωγούς τύπου n, τον κύριο ρόλο όντως παίζει η ηλεκτρονική αγωγιμότητα. Στο πλαίσιο μιας τέτοιας κολοσσιαίας υπεροχής στον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων, η συμβολή της κίνησης των οπών στη συνολική αγωγιμότητα είναι αμελητέα μικρή.

Είναι δυνατό, αντίθετα, να δημιουργηθεί ένας ημιαγωγός με υπεροχή της αγωγιμότητας των οπών. Αυτό θα συμβεί εάν μια τρισθενής ακαθαρσία εισαχθεί σε έναν κρύσταλλο πυριτίου - για παράδειγμα, ίνδιο. Το αποτέλεσμα μιας τέτοιας υλοποίησης φαίνεται στο Σχ. οκτώ.

Ρύζι. 8. ημιαγωγός τύπου p

Τι συμβαίνει σε αυτή την περίπτωση; Το εξωτερικό ηλεκτρονικό επίπεδο του ατόμου του ινδίου έχει τρία ηλεκτρόνια που σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τα τρία γύρω άτομα πυριτίου. Για το τέταρτο γειτονικό άτομο πυριτίου, το άτομο του ινδίου δεν έχει πλέον αρκετό ηλεκτρόνιο και εμφανίζεται μια τρύπα σε αυτό το μέρος.

Και αυτή η τρύπα δεν είναι απλή, αλλά ιδιαίτερη - με πολύ υψηλή δεσμευτική ενέργεια. Όταν ένα ηλεκτρόνιο από ένα γειτονικό άτομο πυριτίου εισέλθει σε αυτό, θα «κολλήσει για πάντα» σε αυτό, επειδή η έλξη ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο ινδίου είναι πολύ μεγάλη - περισσότερο από ό, τι σε άτομα πυριτίου. Το άτομο του ινδίου θα μετατραπεί σε αρνητικό ιόν και στο μέρος από όπου προήλθε το ηλεκτρόνιο, θα εμφανιστεί μια οπή - αλλά τώρα είναι μια συνηθισμένη κινητή οπή με τη μορφή ενός σπασμένου ομοιοπολικού δεσμού στο κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου. Αυτή η τρύπα με τον συνηθισμένο τρόπο θα αρχίσει να περιφέρεται γύρω από τον κρύσταλλο λόγω της μεταφοράς «αναμετάδοσης» ηλεκτρονίων σθένους από το ένα άτομο πυριτίου στο άλλο.

Και έτσι, κάθε άτομο ακαθαρσίας του ινδίου δημιουργεί μια οπή, αλλά δεν οδηγεί στη συμμετρική εμφάνιση ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου. Τέτοιες ακαθαρσίες, τα άτομα των οποίων συλλαμβάνουν «σφιχτά» ηλεκτρόνια και έτσι δημιουργούν μια κινητή οπή στον κρύσταλλο, ονομάζονται αποδέκτης.

Το τρισθενές ίνδιο είναι ένα παράδειγμα ακαθαρσίας δέκτη.

Εάν μια ακαθαρσία δέκτη εισάγεται σε έναν καθαρό κρύσταλλο πυριτίου, τότε ο αριθμός των οπών που δημιουργούνται από την ακαθαρσία θα είναι πολύ μεγαλύτερος από τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων που έχουν προκύψει λόγω της θραύσης των ομοιοπολικών δεσμών μεταξύ των ατόμων πυριτίου. Ένας ημιαγωγός με προσμίκτη δέκτη είναι οπή ημιαγωγού, ή ημιαγωγός τύπου p(ή απλά p-ημιαγωγός).

Οι οπές παίζουν σημαντικό ρόλο στη δημιουργία ρεύματος σε έναν ημιαγωγό p. τρύπες - κύριοι φορείς φόρτισης. Ελεύθερα ηλεκτρόνια - δευτερεύοντες μεταφορείςφορτίο σε ημιαγωγό p. Η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε αυτή την περίπτωση δεν συμβάλλει σημαντικά: το ηλεκτρικό ρεύμα παρέχεται κυρίως από την αγωγιμότητα της οπής.

διασταύρωση p–n

Το σημείο επαφής δύο ημιαγωγών με διαφορετικούς τύπους αγωγιμότητας (ηλεκτρόνιο και οπή) ονομάζεται μετάβαση ηλεκτρονίου-οπής, ή διασταύρωση p–n. Στην περιοχή της διασταύρωσης p–n, εμφανίζεται ένα ενδιαφέρον και πολύ σημαντικό φαινόμενο - αγωγιμότητα μονής κατεύθυνσης.

Στο σχ. 9 δείχνει την επαφή των περιοχών τύπου p και n. Οι έγχρωμοι κύκλοι είναι οπές και ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία είναι οι περισσότεροι (ή δευτερεύοντες) φορείς φορτίου στις αντίστοιχες περιοχές.

Ρύζι. 9. Διασταύρωση p–n στρώσης αποκλεισμού

Εκτελώντας θερμική κίνηση, οι φορείς φορτίου διεισδύουν μέσω της διεπαφής μεταξύ των περιοχών.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια περνούν από την περιοχή n στην περιοχή p και ανασυνδυάζονται εκεί με οπές. Οι οπές διαχέονται από την περιοχή p στην περιοχή n και ανασυνδυάζονται εκεί με ηλεκτρόνια.

Ως αποτέλεσμα αυτών των διεργασιών, ένα μη αντισταθμισμένο φορτίο των θετικών ιόντων της ακαθαρσίας του δότη παραμένει στον ηλεκτρονικό ημιαγωγό κοντά στο όριο επαφής, ενώ στον ημιαγωγό οπής (επίσης κοντά στο όριο) προκύπτει ένα μη αντισταθμισμένο αρνητικό φορτίο των ιόντων ακαθαρσίας δέκτη. Αυτές οι μη αντισταθμισμένες διαστημικές χρεώσεις σχηματίζουν τα λεγόμενα στρώμα φραγμού, του οποίου το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών μέσω του ορίου επαφής.

Ας συνδέσουμε τώρα μια πηγή ρεύματος στο στοιχείο ημιαγωγού μας εφαρμόζοντας το «συν» της πηγής στον n-ημιαγωγό και το «μείον» στον p-ημιαγωγό (Εικ. 10).

Ρύζι. 10. Ενεργοποιήστε αντίστροφα: δεν υπάρχει ρεύμα

Βλέπουμε ότι το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο απομακρύνει τους περισσότερους φορείς φορτίου από το όριο επαφής. Το πλάτος του στρώματος φραγμού αυξάνεται και το ηλεκτρικό του πεδίο αυξάνεται. Η αντίσταση του στρώματος φραγμού είναι υψηλή και οι κύριοι φορείς δεν μπορούν να ξεπεράσουν τη διασταύρωση p–n. Το ηλεκτρικό πεδίο επιτρέπει μόνο σε φορείς μειοψηφίας να περάσουν τα όρια, ωστόσο, λόγω της πολύ χαμηλής συγκέντρωσης των φορέων μειοψηφίας, το ρεύμα που δημιουργούν είναι αμελητέο.

Το υπό εξέταση σχήμα ονομάζεται ενεργοποίηση της διασταύρωσης p–n προς την αντίθετη κατεύθυνση. Δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα από τους κύριους φορείς. υπάρχει μόνο ένα αμελητέο ρεύμα μειοψηφίας φορέα. Σε αυτήν την περίπτωση, η διασταύρωση p–n είναι κλειστή.

Τώρα ας αλλάξουμε την πολικότητα της σύνδεσης και ας εφαρμόσουμε "συν" στον p-ημιαγωγό και "μείον" στον n-ημιαγωγό (Εικ. 11). Αυτό το σχήμα ονομάζεται μεταγωγή προς τα εμπρός.

Ρύζι. 11. Μπροστινή μεταγωγή: ρέει ρεύμα

Σε αυτή την περίπτωση, το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο κατευθύνεται ενάντια στο πεδίο μπλοκαρίσματος και ανοίγει το δρόμο για τους κύριους φορείς μέσω της διασταύρωσης p–n. Το στρώμα φραγμού γίνεται πιο λεπτό, η αντίστασή του μειώνεται.

Υπάρχει μια μαζική κίνηση ελεύθερων ηλεκτρονίων από την περιοχή n προς την περιοχή p και οι οπές, με τη σειρά τους, ορμούν μαζί από την περιοχή p στην περιοχή n.

Ένα ρεύμα προκύπτει στο κύκλωμα, που προκαλείται από την κίνηση των κύριων φορέων φορτίου (Τώρα, ωστόσο, το ηλεκτρικό πεδίο αποτρέπει το ρεύμα των φορέων μειοψηφίας, αλλά αυτός ο αμελητέος παράγοντας δεν έχει αξιοσημείωτη επίδραση στη συνολική αγωγιμότητα).

Χρησιμοποιείται μονόπλευρη αγωγιμότητα της σύνδεσης p–n διόδους ημιαγωγών. Μια δίοδος είναι μια συσκευή που μεταφέρει ρεύμα μόνο σε μία κατεύθυνση. στην αντίθετη κατεύθυνση, δεν περνά ρεύμα από τη δίοδο (η δίοδος λέγεται ότι είναι κλειστή). Μια σχηματική αναπαράσταση της διόδου φαίνεται στο σχ. 12 .

Ρύζι. 12. Δίοδος

Σε αυτή την περίπτωση, η δίοδος είναι ανοιχτή προς την κατεύθυνση από αριστερά προς τα δεξιά: τα φορτία φαίνεται να ρέουν κατά μήκος του βέλους (το βλέπετε στο σχήμα;). Στην κατεύθυνση από δεξιά προς τα αριστερά, τα φορτία φαίνεται να ακουμπούν στον τοίχο - η δίοδος είναι κλειστή.

Οι ημιαγωγοί είναι μια ευρεία κατηγορία ουσιών που χαρακτηρίζονται από τιμές ηλεκτρικής αγωγιμότητας που βρίσκονται στο εύρος μεταξύ της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των μετάλλων και των καλών διηλεκτρικών, δηλαδή, αυτές οι ουσίες δεν μπορούν να ταξινομηθούν ούτε ως διηλεκτρικά (καθώς δεν είναι καλοί μονωτές) ούτε ως μέταλλα. (δεν είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού). Οι ημιαγωγοί, για παράδειγμα, περιλαμβάνουν ουσίες όπως το γερμάνιο, το πυρίτιο, το σελήνιο, το τελλούριο, καθώς και ορισμένα οξείδια, σουλφίδια και κράματα μετάλλων.

Ιδιότητες:

1) Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η ειδική αντίσταση των ημιαγωγών μειώνεται, σε αντίθεση με τα μέταλλα, στα οποία η ειδική αντίσταση αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Επιπλέον, κατά κανόνα, σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, αυτή η αύξηση εμφανίζεται εκθετικά. Η ειδική αντίσταση των κρυστάλλων ημιαγωγών μπορεί επίσης να μειωθεί όταν εκτίθενται σε φως ή ισχυρά ηλεκτρονικά πεδία.

2) Η ιδιότητα της μονόπλευρης αγωγιμότητας της επαφής δύο ημιαγωγών. Είναι αυτή η ιδιότητα που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μιας ποικιλίας συσκευών ημιαγωγών: διόδους, τρανζίστορ, θυρίστορ κ.λπ.

3) Οι επαφές διαφόρων ημιαγωγών υπό ορισμένες συνθήκες, όταν φωτίζονται ή θερμαίνονται, είναι πηγές φωτο-ε. δ.σ. ή, αντίστοιχα, θερμο-ε. δ.σ.

Οι ημιαγωγοί διαφέρουν από άλλες κατηγορίες στερεών σε πολλά ειδικά χαρακτηριστικά, τα πιο σημαντικά από τα οποία είναι:

1) θετικός συντελεστής θερμοκρασίας ηλεκτρικής αγωγιμότητας, δηλαδή, με την αύξηση της θερμοκρασίας, η ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών αυξάνεται.

2) η ειδική αγωγιμότητα των ημιαγωγών είναι μικρότερη από αυτή των μετάλλων, αλλά μεγαλύτερη από αυτή των μονωτών.

3) μεγάλες τιμές θερμοηλεκτρικής δύναμης σε σύγκριση με μέταλλα.

4) υψηλή ευαισθησία των ιδιοτήτων ημιαγωγών στην ιονίζουσα ακτινοβολία.

5) την ικανότητα μιας απότομης αλλαγής στις φυσικές ιδιότητες υπό την επίδραση αμελητέων συγκεντρώσεων ακαθαρσιών.

6) η επίδραση της ανόρθωσης ρεύματος ή της μη ωμικής συμπεριφοράς στις επαφές.

3. Φυσικές διεργασίες σε p-n - μετάβαση.

Το κύριο στοιχείο των περισσότερων συσκευών ημιαγωγών είναι η διασταύρωση ηλεκτρονίου-οπής ( περιοχήδιασταύρωση), που είναι ένα στρώμα μετάβασης μεταξύ δύο περιοχών ενός ημιαγωγού, η μία από τις οποίες έχει ηλεκτρονική ηλεκτρική αγωγιμότητα και η άλλη έχει αγωγιμότητα οπής.

Εκπαίδευση pnμετάβαση. Πνμετάβαση ισορροπίας

Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στη διαδικασία της εκπαίδευσης pnμετάβαση. Η κατάσταση ισορροπίας ονομάζεται τέτοια κατάσταση μετάβασης όταν δεν υπάρχει εξωτερική τάση. Θυμηθείτε ότι σε R- περιοχή υπάρχουν δύο τύποι κύριων φορέων φορτίου: ακίνητα αρνητικά φορτισμένα ιόντα ατόμων ακαθαρσιών δέκτη και ελεύθερες θετικά φορτισμένες οπές. και στο n-περιοχή υπάρχουν επίσης δύο τύποι κύριων φορέων φορτίου: ακίνητα θετικά φορτισμένα ιόντα ατόμων ακαθαρσίας δέκτη και ελεύθερα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια.

Πριν την αφή Πκαι nπεριοχές, ηλεκτρόνια, οπές και ιόντα ακαθαρσίας κατανέμονται ομοιόμορφα. Σε επαφή στα σύνορα Πκαι nπεριοχές, προκύπτει μια κλίση συγκέντρωσης ελεύθερων φορέων φορτίου και διάχυσης. Κάτω από τη δράση της διάχυσης, τα ηλεκτρόνια από n- η περιοχή μπαίνει Πκαι ανασυνδυάζεται εκεί με τρύπες. τρύπες από R-περιοχές πηγαίνουν σε nπεριοχή και ανασυνδυάζονται με ηλεκτρόνια εκεί. Ως αποτέλεσμα μιας τέτοιας κίνησης φορέων ελεύθερου φορτίου στην οριακή περιοχή, η συγκέντρωσή τους μειώνεται σχεδόν στο μηδέν και, ταυτόχρονα, Rπεριοχή, σχηματίζεται ένα αρνητικό διαστημικό φορτίο ιόντων ακαθαρσίας δέκτη, και σε n-περιοχή θετικό διαστημικό φορτίο ιόντων ακαθαρσίας δότη. Μεταξύ αυτών των χρεώσεων υπάρχει μια διαφορά δυναμικού επαφής φ νακαι ηλεκτρικό πεδίο Ε προς, που εμποδίζει τη διάχυση των ελεύθερων φορέων φορτίου από το βάθος R-και n-περιοχές μέσω p-n-μετάβαση. Έτσι, ονομάζεται η περιοχή που ενώνεται με ελεύθερους φορείς φορτίου με το ηλεκτρικό της πεδίο p-n-μετάβαση.

ΠνΗ μετάβαση χαρακτηρίζεται από δύο κύριες παραμέτρους:

1. Πιθανό ύψος φράγματος. Είναι ίσο με τη διαφορά δυναμικού επαφής φ να. Αυτή είναι η διαφορά δυναμικού στη μετάβαση λόγω της κλίσης συγκέντρωσης των φορέων φορτίου. Αυτή είναι η ενέργεια που πρέπει να έχει μια δωρεάν χρέωση για να ξεπεραστεί το πιθανό εμπόδιο:

όπου κείναι η σταθερά Boltzmann. μιείναι το φορτίο ηλεκτρονίων. Τ- θερμοκρασία Ν ακαι Ν Δείναι οι συγκεντρώσεις δεκτών και δοτών στις περιοχές οπής και ηλεκτρονίων, αντίστοιχα. σελ σελκαι p nείναι οι συγκεντρώσεις των οπών μέσα R-και n-περιοχές αντίστοιχα? n i -δική συγκέντρωση φορέων φορτίου σε ημιαγωγό χωρίς επικάλυψη,  t \u003d kT / e- δυναμικό θερμοκρασίας. Σε θερμοκρασία Τ\u003d 27 0 С  τ=0,025V, για μετάβαση γερμανίου  να=0,6V, για διασταύρωση πυριτίου  να\u003d 0,8V.

2. p-n πλάτος διασταύρωσης(Εικ. 1) είναι μια συνοριακή περιοχή εξαντλημένη σε φορείς φόρτισης, η οποία βρίσκεται σε Πκαι nπεριοχές: l p-n = l p + l n:

Από εδώ,

όπου ε είναι η σχετική διαπερατότητα του ημιαγωγού υλικού. ε 0 είναι η διηλεκτρική σταθερά του ελεύθερου χώρου.

Το πάχος των μεταπτώσεων ηλεκτρονίου-οπής είναι της τάξης των (0,1-10) μm. Αν , τότε και pn-η μετάβαση ονομάζεται συμμετρική, αν , τότε και pn- η μετάπτωση ονομάζεται ασύμμετρη και εντοπίζεται κυρίως στην περιοχή του ημιαγωγού με χαμηλότερη συγκέντρωση ακαθαρσιών.

Σε κατάσταση ισορροπίας (χωρίς εξωτερική τάση) διαμπερ περιοχήμετάβαση, κινούνται δύο αντίθετα ρεύματα φορτίων (δύο ρεύματα ρέουν). Αυτά είναι το ρεύμα μετατόπισης των φορέων φορτίου μειοψηφίας και το ρεύμα διάχυσης, το οποίο σχετίζεται με τους πλειοψηφικούς φορείς φορτίου. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει εξωτερική τάση και δεν υπάρχει ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα, το ρεύμα μετατόπισης και το ρεύμα διάχυσης εξισορροπούνται αμοιβαία και το ρεύμα που προκύπτει είναι μηδέν

I dr + I diff = 0.

Αυτή η σχέση ονομάζεται συνθήκη δυναμικής ισορροπίας διεργασιών διάχυσης και μετατόπισης σε μια απομονωμένη (ισορροπία) pn-μετάβαση.

Η επιφάνεια στην οποία έρχονται σε επαφή Πκαι nπεριοχή ονομάζεται μεταλλουργικό όριο. Στην πραγματικότητα, έχει ένα πεπερασμένο πάχος - δ m. Αν ένα δ m<< l p-n , έπειτα pnΗ μετάβαση ονομάζεται απότομη. Αν δ m >> lp-n, έπειτα pnΗ μετάβαση ονομάζεται ομαλή.

Р-nμετάβαση σε εξωτερική τάση που εφαρμόζεται σε αυτό

Η εξωτερική τάση διαταράσσει τη δυναμική ισορροπία των ρευμάτων μέσα pn-μετάβαση. Πν- η μετάβαση πηγαίνει σε κατάσταση μη ισορροπίας. Ανάλογα με την πολικότητα της τάσης που εφαρμόζεται στις περιοχές pn- δυνατότητα μετάβασης σε δύο τρόπους λειτουργίας.

1) Προκαταλήψεις προς τα εμπρόςpn μετάβαση. R-n-η διασταύρωση θεωρείται ότι έχει πόλωση προς τα εμπρός εάν είναι συνδεδεμένος ο θετικός πόλος του τροφοδοτικού R-περιοχή, και αρνητική προς n- περιοχές (Εικ. 1.2)

Με μπροστινή πόλωση, οι τάσεις  προς και U κατευθύνονται αντίθετα, η προκύπτουσα τάση στο pn-η μετάβαση μειώνεται στην τιμή  να - U. Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μειώνεται και η διαδικασία διάχυσης των κύριων φορέων φορτίου συνεχίζει. Επιπλέον, η μετατόπιση προς τα εμπρός μειώνει το πλάτος pnμετάβαση, γιατί lp-n ≈( έως - U) 1/2. Το ρεύμα διάχυσης, το ρεύμα των κύριων φορέων φορτίου, γίνεται πολύ μεγαλύτερο από το ρεύμα μετατόπισης. Διά μέσου pn-μεταβατικές ροές συνεχούς ρεύματος

I p-n \u003d I pr \u003d Διαφέρω + I dr Ι διαφορικό .

Όταν ρέει συνεχές ρεύμα, οι περισσότεροι φορείς φορτίου στην περιοχή p περνούν στην περιοχή n, όπου γίνονται ελάσσονες. Η διαδικασία διάχυσης της εισαγωγής πλειοψηφικών φορέων φορτίου σε μια περιοχή όπου γίνονται μειοψηφία ονομάζεται ένεση, και συνεχές ρεύμα - ρεύμα διάχυσης ή ρεύμα έγχυσης. Για να αντισταθμιστεί η μειοψηφία των φορέων φορτίου που συσσωρεύονται στις περιοχές p και n, ένα ρεύμα ηλεκτρονίων προκύπτει στο εξωτερικό κύκλωμα από μια πηγή τάσης, δηλ. διατηρείται η αρχή της ηλεκτροουδετερότητας.

Με αύξηση Uτο ρεύμα αυξάνεται απότομα, - το δυναμικό θερμοκρασίας και μπορεί να φτάσει σε μεγάλες τιμές. σχετίζεται με τους κύριους φορείς, η συγκέντρωση των οποίων είναι υψηλή.

2) αντίστροφη προκατάληψη, εμφανίζεται όταν R-Η περιοχή εφαρμόζεται μείον, και σε n-περιοχή συν, μια εξωτερική πηγή τάσης (Εικ. 1.3).

Αυτή η εξωτερική ένταση Uπεριλαμβάνονται σύμφωνα με  να. Αυτό: αυξάνει το ύψος του φραγμού δυναμικού σε μια τιμή  να + U; η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου αυξάνεται. πλάτος pnη μετάβαση αυξάνεται, γιατί l p-n ≈( έως + U) 1/2; η διαδικασία διάχυσης σταματά εντελώς και μετά pnροές μετάβασης ρεύμα μετατόπισης, ρεύμα μειοψηφίας φορέα. Τέτοιο ρεύμα pn-η μετάβαση ονομάζεται αντίστροφη και δεδομένου ότι σχετίζεται με δευτερεύοντες φορείς φορτίου που προκύπτουν λόγω θερμικής παραγωγής, ονομάζεται θερμικό ρεύμα και συμβολίζεται - Εγώ 0, δηλ.

I p-n \u003d I arr \u003d I diff + I dr I dr \u003d I 0.

Αυτό το ρεύμα είναι μικρό σε μέγεθος. σχετίζεται με μειοψηφικούς φορείς φορτίου, η συγκέντρωση των οποίων είναι χαμηλή. Με αυτόν τον τρόπο, pnη μετάβαση έχει μονόπλευρη αγωγιμότητα.

Με μια αντίστροφη προκατάληψη, η συγκέντρωση των φορέων μειοψηφίας φορτίου στο μεταβατικό όριο μειώνεται κάπως σε σύγκριση με το όριο ισορροπίας. Αυτό οδηγεί στη διάχυση των μειοψηφικών φορέων φορτίου από το βάθος Πκαι n-περιοχές μέχρι τα σύνορα pnμετάβαση. Έχοντας φτάσει σε αυτό, οι φορείς μειοψηφίας πέφτουν σε ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο και μεταφέρονται μέσω pnμετάβασης, όπου γίνονται οι πλειοψηφικοί φορείς τελών. Διάχυση δευτερευόντων φορέων φορτίου στο όριο pnμετάβαση και ολίσθηση μέσω αυτού στην περιοχή όπου γίνονται οι κύριοι φορείς φορτίου ονομάζεται εξαγωγή. Εξαγωγή και δημιουργεί αντίστροφο ρεύμα pnμετάβαση είναι το ρεύμα των δευτερευόντων φορέων φόρτισης.

Το μέγεθος του αντίστροφου ρεύματος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από: τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, το υλικό ημιαγωγών και την περιοχή pnμετάβαση.

Η εξάρτηση από τη θερμοκρασία του αντίστροφου ρεύματος καθορίζεται από την έκφραση , όπου είναι η ονομαστική θερμοκρασία, είναι η πραγματική θερμοκρασία, είναι η θερμοκρασία διπλασιασμού του θερμικού ρεύματος.

Το θερμικό ρεύμα της ένωσης πυριτίου είναι πολύ μικρότερο από το θερμικό ρεύμα της ένωσης με βάση το γερμάνιο (κατά 3-4 τάξεις μεγέθους). Συνδέεται με  ναυλικό.

Με την αύξηση της περιοχής μετάβασης, ο όγκος της αυξάνεται και, κατά συνέπεια, ο αριθμός των μειοψηφικών φορέων που εμφανίζονται ως αποτέλεσμα της θερμικής παραγωγής και του θερμικού ρεύματος αυξάνεται.

Η κύρια ιδιοκτησία λοιπόν pn-μετάβαση είναι η μονόδρομη αγωγή του.

4. Χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης p-n - μετάβαση.

Παίρνουμε το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης της διασταύρωσης p-n. Για να γίνει αυτό, γράφουμε την εξίσωση συνέχειας σε γενική μορφή:

Θα εξετάσουμε τη στατική περίπτωση dp/dt = 0.

Θεωρήστε το ρεύμα στον οιονεί ουδέτερο όγκο ενός ημιαγωγού τύπου n στα δεξιά της εξαντλημένης περιοχής της διασταύρωσης p-n (x > 0). Ο ρυθμός παραγωγής G σε έναν οιονεί ουδέτερο όγκο είναι μηδέν: G = 0. Το ηλεκτρικό πεδίο E είναι επίσης μηδέν: E = 0. Η συνιστώσα μετατόπισης του ρεύματος είναι επίσης μηδέν: I E = 0, επομένως, το ρεύμα είναι διάχυση. Ο ρυθμός ανασυνδυασμού R σε χαμηλό επίπεδο έγχυσης περιγράφεται από τη σχέση:

Ας χρησιμοποιήσουμε την ακόλουθη σχέση που σχετίζεται με τον συντελεστή διάχυσης, το μήκος διάχυσης και τη διάρκεια ζωής του φορέα μειοψηφίας: Dτ = L p 2 .

Λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω παραδοχές, η εξίσωση συνέχειας έχει τη μορφή:

Οι οριακές συνθήκες για την εξίσωση διάχυσης στη διασταύρωση p-n είναι:

Η λύση της διαφορικής εξίσωσης (2.58) με συνοριακές συνθήκες (*) έχει τη μορφή:

Η σχέση (2.59) περιγράφει τον νόμο κατανομής των εγχυόμενων οπών στον οιονεί ουδέτερο όγκο ενός ημιαγωγού τύπου n για μετάβαση ηλεκτρονίου-οπής (Εικ. 2.15). Όλοι οι φορείς που έχουν διασχίσει το όριο SCR με έναν οιονεί ουδέτερο όγκο της διασταύρωσης p-n συμμετέχουν στο ρεύμα σύνδεσης p-n. Δεδομένου ότι ολόκληρο το ρεύμα είναι διάχυση, αντικαθιστώντας το (2.59) στην έκφραση για το ρεύμα, λαμβάνουμε (Εικ. 2.16):

Η σχέση (2.60) περιγράφει τη συνιστώσα διάχυσης του ρεύματος οπής σύνδεσης p-n, η οποία προκύπτει κατά την έγχυση των φερόντων μειοψηφίας υπό μπροστινή πόλωση. Για την ηλεκτρονική συνιστώσα του ρεύματος σύνδεσης p-n, λαμβάνουμε ομοίως:

Στο V G = 0, τα στοιχεία μετατόπισης και διάχυσης ισορροπούν μεταξύ τους. Συνεπώς, .

Το συνολικό ρεύμα σύνδεσης p-n είναι το άθροισμα και των τεσσάρων συνιστωσών του ρεύματος διασταύρωσης p-n:

Η έκφραση σε αγκύλες έχει τη φυσική σημασία του αντίστροφου ρεύματος της σύνδεσης p-n. Πράγματι, σε αρνητικές τάσεις V G< 0 ток дрейфовый и обусловлен неосновными носителями. Все эти носители уходят из цилиндра длиной L n со скоростью L n /τ p . Тогда для дрейфовой компоненты тока получаем:

Ρύζι. 2.15. Κατανομή φορέων μη ισορροπίας που εγχέονται από τον πομπό στον σχεδόν ουδέτερο όγκο της βάσης σύνδεσης p-n

Είναι εύκολο να δούμε ότι αυτή η σχέση είναι ισοδύναμη με αυτή που λήφθηκε νωρίτερα στην ανάλυση της εξίσωσης συνέχειας.

Εάν απαιτείται η εφαρμογή της συνθήκης της μονόπλευρης έγχυσης (για παράδειγμα, μόνο έγχυση οπών), τότε από τη σχέση (2.61) προκύπτει ότι μια μικρή τιμή της συγκέντρωσης των φορέων μειοψηφίας n p0 στην περιοχή p θα πρέπει να είναι εκλεκτός. Από αυτό προκύπτει ότι ο ημιαγωγός τύπου p πρέπει να είναι πολύ ντοπαρισμένος σε σύγκριση με τον ημιαγωγό τύπου n: N A >> N D . Σε αυτή την περίπτωση, η συνιστώσα της οπής θα κυριαρχεί στο ρεύμα σύνδεσης p-n (Εικ. 2.16).

Ρύζι. 2.16. Ρεύματα σε μια μονοάκρα διασταύρωση p-n με πόλωση προς τα εμπρός

Έτσι, το χαρακτηριστικό I–V της διασταύρωσης p-n έχει τη μορφή:

Η πυκνότητα του ρεύματος κορεσμού J s είναι:

Η μετάβαση CVC p-n, που περιγράφεται από τη σχέση (2.62), φαίνεται στο Σχήμα 2.17.

Ρύζι. 2.17. Χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας ιδανικής διασταύρωσης p-n

Όπως προκύπτει από τη σχέση (2.16) και το σχήμα 2.17, το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας ιδανικής σύνδεσης p-n έχει έντονη ασύμμετρη μορφή. Στην περιοχή των άμεσων τάσεων, το ρεύμα της διασταύρωσης p-n είναι διάχυτο και αυξάνεται εκθετικά με την αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης. Στην περιοχή των αρνητικών τάσεων, το ρεύμα σύνδεσης p-n είναι μετατόπιση και δεν εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη τάση.

5. Χωρητικότητα p-n - διασταύρωση.

Κάθε σύστημα στο οποίο το ηλεκτρικό φορτίο Q μεταβάλλεται όταν αλλάζει το δυναμικό φ έχει χωρητικότητα. Η τιμή χωρητικότητας C προσδιορίζεται από τον λόγο: .

Για τη διασταύρωση p-n, μπορούν να διακριθούν δύο τύποι φορτίων: το φορτίο στην περιοχή του φορτίου χώρου των ιονισμένων δοτών και δεκτών Q B και το φορτίο των εγχυόμενων φορέων στη βάση από τον πομπό Q p . Με διαφορετικές προκαταλήψεις στη διασταύρωση p-n, το ένα ή το άλλο φορτίο θα κυριαρχεί κατά τον υπολογισμό της χωρητικότητας. Από αυτή την άποψη, για την χωρητικότητα της σύνδεσης p-n, διακρίνονται η χωρητικότητα φραγμού C B και η χωρητικότητα διάχυσης C D.

Η χωρητικότητα φραγμού C B είναι η χωρητικότητα της διασταύρωσης p-n σε αντίστροφη πόλωση V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

Η τιμή φόρτισης των ιονισμένων δοτών και αποδεκτών Q B ανά μονάδα επιφάνειας για μια ασύμμετρη διασταύρωση p-n είναι:

Διαφοροποιώντας την έκφραση (2.65), λαμβάνουμε:

Από την εξίσωση (2.66) προκύπτει ότι η χωρητικότητα φραγμού C B είναι η χωρητικότητα ενός επίπεδου πυκνωτή, η απόσταση μεταξύ των πλακών του οποίου είναι ίση με το πλάτος της περιοχής φορτίου χώρου W. Δεδομένου ότι το πλάτος του SCR εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη τάση V G, η χωρητικότητα φραγμού εξαρτάται επίσης από την εφαρμοζόμενη τάση. Αριθμητικές εκτιμήσεις της χωρητικότητας φραγμού δείχνουν ότι η τιμή της είναι δεκάδες ή εκατοντάδες picofarads.

Η χωρητικότητα διάχυσης C D είναι η χωρητικότητα μιας σύνδεσης p-n σε μια μπροστινή πόλωση V G > 0, λόγω μιας αλλαγής στο φορτίο Q p των εγχυόμενων φορέων στη βάση από τον πομπό Q p .

Η εξάρτηση της χωρητικότητας φραγμού C B από την εφαρμοζόμενη αντίστροφη τάση V G χρησιμοποιείται για την υλοποίηση οργάνων. Μια δίοδος ημιαγωγών που υλοποιεί αυτή την εξάρτηση ονομάζεται varicap. Η μέγιστη τιμή χωρητικότητας του varicap είναι στη μηδενική τάση V G . Καθώς αυξάνεται η αντίστροφη προκατάληψη, η χωρητικότητα του varicap μειώνεται. Η λειτουργική εξάρτηση της χωρητικότητας varicap από την τάση προσδιορίζεται από το προφίλ ντόπινγκ της βάσης varicap. Στην περίπτωση ομοιόμορφου ντόπινγκ, η χωρητικότητα είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη ρίζα της εφαρμοζόμενης τάσης V G . Ρυθμίζοντας το προφίλ ντόπινγκ στη βάση του varicap N D (x), μπορεί κανείς να αποκτήσει διάφορες εξαρτήσεις της χωρητικότητας varicap από την τάση C(V G) - γραμμικά μειώνεται, εκθετικά μειώνεται.

6. Δίοδοι ημιαγωγών: ταξινόμηση, σχεδιαστικά χαρακτηριστικά, σύμβολα και σήμανση.

δίοδος ημιαγωγών- μια συσκευή ημιαγωγών με μία ηλεκτρική σύνδεση και δύο καλώδια (ηλεκτρόδια). Σε αντίθεση με άλλους τύπους διόδων, η αρχή λειτουργίας μιας διόδου ημιαγωγών βασίζεται στο φαινόμενο pn-μετάβαση.

Ο ημιαγωγός είναι ένα κρυσταλλικό υλικό που δεν μεταφέρει τον ηλεκτρισμό τόσο καλά όσο τα μέταλλα, αλλά όχι τόσο άσχημα όσο οι περισσότεροι μονωτές. Γενικά, τα ηλεκτρόνια στους ημιαγωγούς είναι στενά συνδεδεμένα με τους πυρήνες τους. Ωστόσο, εάν μερικά άτομα αντιμονίου, τα οποία έχουν «πλεόνασμα» ηλεκτρονίων, εισαχθούν σε έναν ημιαγωγό, για παράδειγμα, πυρίτιο, τότε στην περίπτωση αυτή τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του αντιμονίου θα βοηθήσουν το πυρίτιο να μεταφέρει ένα αρνητικό φορτίο.

Όταν πολλά άτομα ενός ημιαγωγού αντικαθίστανται από ίνδιο, το οποίο προσδίδει εύκολα πρόσθετα ηλεκτρόνια στον εαυτό του, δημιουργούνται «ελεύθερες θέσεις» που δεν καταλαμβάνονται από ηλεκτρόνια ή, όπως λένε οι φυσικοί, «τρύπες» στον ημιαγωγό. που φέρουν θετικό φορτίο.

Τέτοιες ιδιότητες των ημιαγωγών οδήγησαν στην ευρεία χρήση τους σε τρανζίστορ - συσκευές για την ενίσχυση του ρεύματος, το μπλοκάρισμα ή τη διέλευση του προς μία μόνο κατεύθυνση. Σε ένα τυπικό τρανζίστορ NPN, ένα θετικό (P) στρώμα ημιαγωγών (βάση) τοποθετείται μεταξύ δύο αρνητικών (Ν) στρωμάτων ημιαγωγών (εκπομπός και συλλέκτης). Όταν ένα αδύναμο σήμα, όπως από μια ενδοεπικοινωνία (ενδοεπικοινωνία), διέρχεται από τη βάση ενός τρανζίστορ NPN, η εκπομπή ηλεκτρονίων ενισχύει αυτό το σήμα.

Η δομή των ημιαγωγών

Οι ημιαγωγοί τύπου Ν περιέχουν πλεονάζουσα ποσότητα ηλεκτρονίων που φέρουν αρνητικό φορτίο. Οι ημιαγωγοί τύπου P στερούνται ηλεκτρονίων, αλλά έχουν περίσσεια οπών (κενά ηλεκτρονίων) που φέρουν θετικό φορτίο.

Διακριτικά χαρακτηριστικά των ημιαγωγών

Σε αντίθεση με τους αγωγούς, που έχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια και τους μονωτές, που πρακτικά δεν τα διαθέτουν, οι ημιαγωγοί περιέχουν μια μικρή ποσότητα ελεύθερων ηλεκτρονίων και τις λεγόμενες οπές (λευκό κύκλο) - κενές θέσεις που αφήνουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τόσο οι οπές όσο και τα ηλεκτρόνια άγουν ηλεκτρισμό.

Τρανζίστορ NPN

Τρανζίστορ PNP

Οι οπές μετακινούνται από τον θετικό πομπό (+) στην αρνητική βάση (στρώμα N) και μέσω του θετικού συλλέκτη στον αρνητικό ακροδέκτη (-), ενισχύοντας το ηλεκτρικό ρεύμα.

Τι είναι μια δίοδος;

Ο ένας τρόπος ναι, ο άλλος όχι. Η είσοδος διόδου δείχνει AC. Μπορείτε να δείτε από το γράφημα στα δεξιά ότι μόνο συνεχές ρεύμα ρέει μέσα από τη δίοδο.

Όταν αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια (μπλε μπάλες) και θετικά φορτισμένες οπές (ροζ μπάλες) ακτινοβολούν από τη σύνδεση των στιβάδων πυριτίου τύπου Ν και τύπου P στη δίοδο, το ηλεκτρικό ρεύμα διακόπτεται. Στο κάτω σχήμα στα δεξιά, τα ηλεκτρόνια και οι οπές κινούνται προς τη διασταύρωση και ως αποτέλεσμα, η δίοδος άγει ρεύμα μόνο προς μία κατεύθυνση, μετατρέποντας το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές ρεύμα.