ელექტრული დენი ნახევარგამტარებში არის საკუთარი. ნახევარგამტარები

გაკვეთილის მიზანი: თავისუფალი იდეის ჩამოყალიბება
მატარებლები ელექტრული მუხტინახევარგამტარებში და
ელექტრული დენის ბუნება ნახევარგამტარებში.
გაკვეთილის ტიპი: გაკვეთილი ახალი მასალის შესწავლაზე.
ᲒᲐᲙᲕᲔᲗᲘᲚᲘᲡ ᲒᲔᲒᲛᲐ
ცოდნის შემოწმება 5 წთ. 1. Ელექტროობალითონებში.
2. ელექტრო დენი ელექტროლიტებში.
3. ფარადეის კანონი ელექტროლიზისთვის.
4. ელექტრული დენი გაზებში
დემონსტრაციები
5 წუთი. ფრაგმენტები ვიდეოფილმის „ელექტრული დენი ში
ნახევარგამტარები"
ახლის სწავლა
მასალა
28
წთ.
1. მუხტის მატარებლები ნახევარგამტარებში.
2. ნახევარგამტარების მინარევის გამტარობა.
3. ელექტრონულ ხვრელში გადასვლა.
4. ნახევარგამტარული დიოდები და ტრანზისტორები.
5. ინტეგრირებული სქემები
კონსოლიდაცია
შეისწავლა
მასალა
7 წთ. 1. ხარისხობრივი კითხვები.
2. პრობლემების გადაჭრის სწავლა

ახალი მასალის სწავლა
1. მუხტების ტარება ნახევარგამტარებში

ნახევარგამტარების სპეციფიკური წინააღმდეგობები ოთახში
ტემპერატურას აქვს მნიშვნელობები, რომლებიც ფართოდ მერყეობს
ინტერვალი, ე.ი. 10-3-დან 107 Ohm m-მდე და დაიკავეთ
შუალედური პოზიცია ლითონებსა და დიელექტრიკებს შორის.
ნახევარგამტარები არის ნივთიერებები, რომელთა წინაღობაც
ტემპერატურის მატებასთან ერთად ძალიან სწრაფად იკლებს.
ნახევარგამტარები მოიცავს ბევრს ქიმიური ელემენტები
(ბორი, სილიციუმი, გერმანიუმი, ფოსფორი, დარიშხანი, სელენი, ტელურუმი და ა.შ.),
დიდი რაოდენობით მინერალები, შენადნობები და ქიმიკატები
კავშირები. თითქმის ყველაფერი არ არის ორგანული ნივთიერებებიმიმდებარე
სამყარო - ნახევარგამტარები.
საკმარისად დაბალი ტემპერატურისა და გარე არარსებობისთვის
ზემოქმედებები
განათება ან გათბობა)
ნახევარგამტარები არ ატარებენ ელექტრულ დენს: ამით
პირობები, ყველა ელექტრონი ნახევარგამტარებში არის
დაკავშირებულია.
თუმცა, ელექტრონების კავშირი მათ ატომებთან
ნახევარგამტარებში არ არის ისეთი ძლიერი, როგორც დიელექტრიკებში. Და ში
ტემპერატურის მომატების შემთხვევაში, ასევე კაშკაშა განათებისას
ზოგიერთი ელექტრონი იშლება მათი ატომებიდან და ხდება
უფასო გადასახადი, ანუ მათ შეუძლიათ ყველგან გადაადგილება
ნიმუში.
ამის გამო ჩნდება ნახევარგამტარები
უარყოფითი მუხტის მატარებლები თავისუფალი ელექტრონებია.

როდესაც ელექტრონი ამოღებულია ატომიდან, დადებითი მუხტი
ამ ატომის ხდება არაკომპენსირებული, ე.ი. ამ ადგილას
არის დამატებითი დადებითი
ეს
დადებით მუხტს "ხვრელი" ეწოდება. ატომი, დახურე
რომელიც ხვრელი ჩამოყალიბდა შეიძლება წაართვან შეერთებულმა
ელექტრონი მეზობელი ატომიდან და ხვრელი გადავა
მეზობელ ატომს და ამ ატომს, თავის მხრივ, შეუძლია "გადაცემა"
ხვრელი შემდგომი.
შეკრული ელექტრონების ეს „რელეური რასის“ მოძრაობა შეიძლება იყოს
ჩათვალეთ ეს, როგორც ხვრელების მოძრაობა,
ანუ
დადებითი მუხტები.
(Მაგალითად,
დააკისროს.

ნახევარგამტარის გამტარობა მოძრაობის გამო

ხვრელებს ხვრელების ფორმას უწოდებენ.
განსხვავება ხვრელების გამტარობასა და
ამრიგად,
ელექტრონული არის ელექტრონული გამტარობა
გამოწვეულია თავისუფალი მოლეკულების მოძრაობით ნახევარგამტარებში
ელექტრონები, ხოლო ხვრელი - შეკრული ელექტრონების მოძრაობით.
სუფთა ნახევარგამტარში (მინარევების გარეშე), ელექტრული დენი
ქმნის თანაბარი რაოდენობის თავისუფალ ელექტრონებსა და ხვრელებს.
ამ გამტარობას ეწოდება შინაგანი გამტარობა
ნახევარგამტარები.
2. ნახევარგამტარების მინარევის გამტარობა
თუ დაემატება სუფთა გამდნარ სილიკონს
მცირე რაოდენობით დარიშხანი (დაახლოებით 10-5%), შემდეგ
გამკვრივება, იქმნება რეგულარული ბროლის გისოსი
სილიციუმი, მაგრამ ზოგიერთ გისოსებზე სილიციუმის ატომების ნაცვლად
იქნება დარიშხანის ატომები.
ცნობილია, რომ დარიშხანი ხუთვალენტიანი ელემენტია. ჭოტივალენტნი
ელექტრონები ქმნიან დაწყვილებულ ელექტრონულ ბმებს მეზობელთან
სილიციუმის ატომები. ბმის მეხუთე ვალენტური ელექტრონი არ არის
საკმარისია და ის სუსტად იქნება მიბმული დარიშხანის ატომთან,
რომელიც ადვილად ხდება თავისუფალი. შედეგად, ყველას
მინარევების ატომი მისცემს ერთ თავისუფალ ელექტრონს.

მინარევები, რომელთა ატომები ადვილად თმობენ ელექტრონებს, ეწოდება
დონორი.
სილიციუმის ატომების ელექტრონები შეიძლება გახდეს თავისუფალი,
ქმნის ხვრელს, ამიტომ კრისტალში მათ შეუძლიათ ერთდროულად

მინარევები, რომლებიც "იჭერენ" ელექტრონებს ატომებიდან
უწოდებენ
არსებობს თავისუფალი ელექტრონები და ხვრელები. თუმცა
ბევრჯერ მეტი თავისუფალი ელექტრონი იქნება ვიდრე ხვრელები.
ნახევარგამტარები, რომლებშიც არის მუხტის ძირითადი მატარებლები

თუ სილიკონს დაუმატებთ მცირე რაოდენობას
სამვალენტიანი ინდიუმი,
შემდეგ გამტარობის ბუნება
ნახევარგამტარი შეიცვლება. ვინაიდან ინდიუმს აქვს სამი
ვალენტური ელექტრონი, მაშინ მას შეუძლია დაადგინოს კოვალენტური
კავშირი მხოლოდ სამ მეზობელ ატომთან. დასამკვიდრებლად
არ იქნება საკმარისი კავშირი მეოთხე ელექტრონის ატომთან. ინდიუმი
„ისესხება“ ელექტრონი მეზობელი ატომებიდან, რის შედეგადაც თითოეული
ინდოეთის ატომი ქმნის ერთ ვაკანტურ ადგილს - ხვრელს.

მიმღები.
აქცეპტორის მინარევების შემთხვევაში, ძირითადი მუხტის მატარებლები
ელექტრო დენის გავლის დროს
ნახევარგამტარს აქვს ხვრელები. ნახევარგამტარები რომლებშიც
ძირითადი მუხტის მატარებლები ხვრელებია, ე.წ
p-ტიპის ნახევარგამტარები.
თითქმის ყველა ნახევარგამტარი შეიცავს როგორც დონორს, ასევე
მიმღები მინარევები. ნახევარგამტარული გამტარობის ტიპი
აღმოაჩენს მინარევებს უფრო მაღალი მატარებლის კონცენტრაციით
მუხტი - ელექტრონები და ხვრელები.
3. ელექტრონულ ხვრელში გადასვლა
მათ შორის ფიზიკური თვისებებინახევარგამტარებში თანდაყოლილი,
კონტაქტების თვისებები (p-n-
გარდამავალი) ნახევარგამტარებს შორის განსხვავებული ტიპები
გამტარობა.
n ტიპის ნახევარგამტარებში ელექტრონები მონაწილეობენ თერმულში
მოძრაობა და დიფუზია საზღვრის გასწვრივ ნახევარგამტარში p-
ტიპი, სადაც მათი კონცენტრაცია გაცილებით დაბალია. Მსგავსი
ხვრელები გავრცელდება p-ტიპის ნახევარგამტარებიდან
n ტიპის ნახევარგამტარი. ეს ხდება ისე, როგორც
გამხსნელი ნივთიერების ატომები იშლება მყარიდან
გადაწყვეტა სუსტში მათი შეჯახების შემთხვევაში.
დიფუზიის შედეგად, კონტაქტის მახლობლად მდებარე ტერიტორია მცირდება
ძირითადი მუხტის მატარებლები: n ტიპის ნახევარგამტარში

ელექტრონის კონცენტრაცია მცირდება და ნახევარგამტარში p-
ტიპი - ხვრელების კონცენტრაცია.
ამიტომ წინააღმდეგობა
საკონტაქტო ზონა აღმოჩნდება ძალიან მნიშვნელოვანი.
ელექტრონებისა და ხვრელების დიფუზია pn შეერთების მეშვეობით იწვევს
რადგან ნახევარგამტარი არის n ტიპის, საიდანაც მოდის ელექტრონები,
დამუხტულია დადებითად, ხოლო p-ტიპი - უარყოფითად. ჩნდება
ორმაგი ელექტრული ფენა, რომელიც ქმნის ელექტრულ ველს,
რაც ხელს უშლის თავისუფალის შემდგომ გავრცელებას
დენის მატარებლები ნახევარგამტარული კონტაქტების მეშვეობით. ზოგიერთის აზრით
ძაბვა ორმაგ დამუხტულ ფენას შორის შემდგომი
მთავარ მატარებლებთან კონტაქტის ზონის გაღატაკება
აჩერებს.
თუ ახლა ნახევარგამტარს დავუკავშირებთ დენის წყაროს
რათა მისი ელექტრონული რეგიონი იყოს დაკავშირებული
წყაროს უარყოფითი პოლუსი, ხოლო ხვრელი ერთი - თან
დადებითი, შემდეგ წყაროს მიერ შექმნილი ელექტრული ველი
დენი იქნება მიმართული ისე, რომ მოძრაობს მთავარი
დენის მატარებლები ნახევარგამტარის თითოეულ მონაკვეთში p-n-
გარდამავალი.
კონტაქტის შემთხვევაში ტერიტორია გამდიდრდება საბაზისო
მიმდინარე მატარებლები და მისი წინააღმდეგობა შემცირდება. მეშვეობით
კონტაქტს ექნება შესამჩნევი დენი. დენის მიმართულება შიგნით
ეს საქმე იწოდება პირდაპირ, ან პირდაპირ.
თუ n ტიპის ნახევარგამტარს დავუკავშირებთ
დადებითი და p-ტიპი წყაროს უარყოფით პოლუსამდე,
შემდეგ კონტაქტის არე ფართოვდება. არეალის წინააღმდეგობა
მნიშვნელოვნად იზრდება. დენი გარდამავალი ფენის გავლით იქნება
ძალიან პატარა. დენის ამ მიმართულებას ეწოდება დახურვა, ან
საპირისპირო.
4. ნახევარგამტარული დიოდები და ტრანზისტორები
ამიტომ, n ტიპის ნახევარგამტარული ინტერფეისის მასშტაბით
და p ტიპის ელექტრული დენი მიედინება მხოლოდ ერთი მიმართულებით -
p-ტიპის ნახევარგამტარიდან n-ტიპის ნახევარგამტარამდე.
იგი გამოიყენება მოწყობილობებში, რომლებსაც დიოდები ეწოდება.
ნახევარგამტარული დიოდები გამოიყენება დენის გასასწორებლად
ალტერნატიული მიმართულება (ასეთ დენს ცვლადი ეწოდება) და
ასევე LED-ების წარმოებისთვის. ნახევარგამტარი
გამსწორებლებს აქვთ მაღალი საიმედოობა და ხანგრძლივი მომსახურების ვადა
გამოყენება.

მოწყობილობები:
ნახევარგამტარული დიოდები ფართოდ გამოიყენება
რადიოინჟინერია
რადიოები,
VCR, ტელევიზორები, კომპიუტერები.
ნახევარგამტარების კიდევ უფრო მნიშვნელოვანი გამოყენება გახდა
ტრანზისტორი. იგი შედგება ნახევარგამტარების სამი ფენისგან:
იმავე ტიპის ნახევარგამტარები განლაგებულია კიდეებზე და მათ შორის
ისინი წარმოადგენენ სხვადასხვა ტიპის ნახევარგამტარის თხელ ფენას. Ფართო
ტრანზისტორების გამოყენება განპირობებულია იმით, რომ მათი დახმარებით
ელექტრული სიგნალები შეიძლება გაძლიერდეს. ამიტომ ტრანზისტორი
გახდა მრავალი ნახევარგამტარის მთავარი ელემენტი
მოწყობილობები.
5. ინტეგრირებული სქემები
ნახევარგამტარული დიოდები და ტრანზისტორებია
ძალიან რთული მოწყობილობების "სამშენებლო ბლოკები" ე.წ
ინტეგრირებული სქემები.
მიკროჩიპები დღეს მუშაობს კომპიუტერებსა და ტელევიზორებში,
მობილური ტელეფონები და ხელოვნური თანამგზავრები,
ვ
მანქანები, თვითმფრინავები და სარეცხი მანქანებიც კი.
ინტეგრირებული წრე მზადდება სილიკონის ვაფლზე.
ფირფიტის ზომა არის მილიმეტრიდან სანტიმეტრამდე და
ერთ ასეთ ფირფიტას შეუძლია მილიონამდე მოთავსება
კომპონენტები - პაწაწინა დიოდები, ტრანზისტორები, რეზისტორები და
და ა.შ.
ინტეგრირებული სქემების მნიშვნელოვანი უპირატესობებია
მაღალი შესრულება და საიმედოობა, ასევე დაბალი
ფასი. სწორედ ამის წყალობით, ინტეგრალზე დაფუძნებული
სქემები და მოახერხა რთული, მაგრამ ბევრი მოწყობილობა ხელმისაწვდომი,
კომპიუტერები და თანამედროვე საყოფაცხოვრებო ტექნიკა.

კითხვები სტუდენტებისთვის ახალი მასალის პრეზენტაციის დროს
პირველი დონე
1. რა ნივთიერებები შეიძლება კლასიფიცირდეს ნახევარგამტარებად?
2. რომლის მოძრაობაც დამუხტული ნაწილაკები ქმნის დენს
ნახევარგამტარები?
3. რატომ არის ნახევარგამტარების წინააღმდეგობა ასე მაღალი?
დამოკიდებულია მინარევების არსებობაზე?

4. როგორ იქმნება pn შეერთება? რა თვისებას აქვს p-n-
გარდამავალი?
5. რატომ ვერ გადიან უფასო გადამზიდები
ნახევარგამტარის p-n შეერთების მეშვეობით?
მეორე დონე
1. დარიშხანის მინარევების გერმანიუმში შეყვანის შემდეგ კონცენტრაცია

ეს არის ხვრელების კონცენტრაცია?
2. რა გამოცდილების დახმარებით შეიძლება ცალმხრივში დარწმუნდეს
ნახევარგამტარული დიოდის გამტარობა?
3. შესაძლებელია თუ არა პ-ნ შეერთების მიღება თუნუქის დნობით
გერმანიუმს თუ სილიკონს?

ნასწავლი მასალის მშენებლობა
1). ხარისხობრივი კითხვები
1.
რატომ არის მოთხოვნები ნახევარგამტარების სისუფთავეზე
მასალები ძალიან მაღალია (ზოგიერთ შემთხვევაში დაუშვებელია
თუნდაც ერთი მინარევის ატომის არსებობა მილიონ ატომზე)?
2. დარიშხანის მინარევების გერმანიუმში შეყვანის შემდეგ კონცენტრაცია
გაიზარდა გამტარობის ელექტრონები. როგორ შეიცვალა როდის
ეს არის ხვრელების კონცენტრაცია?
3. რა ხდება ორი ნახევარგამტარის n- და p- შეხებაში
მოსწონს?
4. დახურული ყუთი შეიცავს ნახევარგამტარ დიოდს და
რეოსტატი. მოწყობილობების ბოლოები გამოყვანილია და უკავშირდება
ტერმინალები. როგორ განვსაზღვროთ რომელი ტერმინალები ეკუთვნის დიოდს?
2). პრობლემების გადაჭრის სწავლა
1. როგორი გამტარობა (ელექტრონული თუ ხვრელი) აქვს?
სილიციუმი გალიუმის ნაზავით? ინდოეთი? ფოსფორი? ანტიმონი?
2. როგორი გამტარობა (ელექტრონული თუ ხვრელი) იქნება
სილიციუმი თუ მას ფოსფორი დაემატება? ბორი? ალუმინის?
დარიშხანი?

3. როგორ შეიცვლება სილიციუმის ნიმუშის წინააღმდეგობა მინარევით?
ფოსფორი, თუ შეიტანეთ მასში გალიუმის ნაზავი? კონცენტრაცია
ფოსფორისა და გალიუმის ატომები იგივეა. (პასუხი: გაიზრდება)

რაც ვისწავლეთ გაკვეთილზე
ნახევარგამტარები არის ნივთიერებები, რომელთა წინაღობაც
ტემპერატურის მატებასთან ერთად ძალიან სწრაფად იკლებს.

ელექტრონებს ელექტრონი ეწოდება.
ნახევარგამტარის გამტარობა მოძრაობის გამო
ხვრელებს ხვრელების ფორმას უწოდებენ.
მინარევები, რომელთა ატომები ადვილად თმობენ ელექტრონებს, ეწოდება
დონორი.

არის ელექტრონები, რომლებსაც n ტიპის ნახევარგამტარები უწოდებენ.
მინარევები, რომლებიც "იჭერენ" ატომების ელექტრონებს
ნახევარგამტარების კრისტალური ბადე,
უწოდებენ
მიმღები.
· ნახევარგამტარები, რომლებშიც არის მუხტის ძირითადი მატარებლები
არის ხვრელები, რომლებსაც p-ტიპის ნახევარგამტარები ეწოდება.
ორი ნახევარგამტარის შეხება სხვადასხვა ტიპთან
გამტარობას აქვს დენის გამტარობის თვისებები ერთში
მიმართულებით და ბევრად უარესი საპირისპირო მიმართულებით
მიმართულება, ე.ი. აქვს ცალმხრივი გამტარობა.

Საშინაო დავალება
1. §§ 11, 12.

ნახევარგამტარებს იკავებს შუალედური პოზიცია ელექტროგამტარობის (ან წინაღობის) გამტარებსა და დიელექტრიკებს შორის. ამასთან, ყველა ნივთიერების ეს დაყოფა ელექტრული გამტარობის თვისების მიხედვით პირობითია, რადგან მრავალი მიზეზის გავლენის ქვეშ (მინარევები, დასხივება, გათბობა) საკმაოდ მნიშვნელოვნად იცვლება მრავალი ნივთიერების ელექტრული გამტარობა და წინააღმდეგობა, განსაკუთრებით ნახევარგამტარებში.

ამასთან დაკავშირებით, ნახევარგამტარები გამოირჩევიან ლითონებისგან მთელი რიგი მახასიათებლებით:

1. ნახევარგამტარების წინაღობა ნორმალურ პირობებში გაცილებით მეტია, ვიდრე ლითონებისა;

2. სუფთა ნახევარგამტარების წინაღობა ტემპერატურის მატებასთან ერთად მცირდება (ლითონებისთვის ის იზრდება);

3. როდესაც ნახევარგამტარები განათებულია, მათი წინააღმდეგობა მნიშვნელოვნად მცირდება (სინათლე თითქმის არ მოქმედებს ლითონების წინააღმდეგობაზე):

4. მინარევების მცირე რაოდენობა ძლიერ გავლენას ახდენს ნახევარგამტარების წინააღმდეგობაზე.

ნახევარგამტარები მოიცავს 12 ქიმიურ ელემენტს პერიოდული ცხრილის შუა ნაწილში (ნახ. 1) - B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, მესამე ჯგუფის ელემენტების ნაერთები. მეხუთე ჯგუფის ელემენტებით, ბევრი ლითონის ოქსიდი და სულფიდი, რიგი სხვა ქიმიური ნაერთები, ზოგიერთი ორგანული ნივთიერება. აპლიკაციების უმეტესობამეცნიერებისა და ტექნოლოგიებისთვის აქვს გერმანიუმი Ge და სილიციუმი Si.

ნახევარგამტარები შეიძლება იყოს სუფთა ან მინარევებით. შესაბამისად, განასხვავებენ ნახევარგამტარების შინაგან და მინარევის გამტარობას. მინარევები, თავის მხრივ, იყოფა დონორად და მიმღებად.

შინაგანი ელექტრული გამტარობა

ნახევარგამტარებში ელექტრული გამტარობის მექანიზმის გასაგებად განვიხილოთ ნახევარგამტარული კრისტალების აგებულება და ობლიგაციების ბუნება, რომლებიც ატარებენ ბროლის ატომებს ერთმანეთთან ახლოს. გერმანიუმის და სხვა ნახევარგამტარების კრისტალებს აქვთ ატომური კრისტალური ბადე (ნახ. 2).

გერმანიუმის სტრუქტურის გეგმური დიაგრამა ნაჩვენებია სურათზე 3.

გერმანიუმი არის ოთხვალენტიანი ელემენტი ატომის გარე გარსში არის ოთხი ელექტრონი, რომლებიც უფრო სუსტია დაკავშირებული ბირთვთან, ვიდრე დანარჩენი. გერმანიუმის თითოეული ატომის უახლოესი მეზობლების რაოდენობა ასევე არის 4. გერმანიუმის თითოეული ატომის ოთხი ვალენტური ელექტრონი დაკავშირებულია მეზობელი ატომების იმავე ელექტრონებთან ქიმიური წყვილი ელექტრონებით ( კოვალენტური) კავშირები. ამ ბმის ფორმირებაში მონაწილეობს თითო ატომიდან თითო ვალენტური ელექტრონი, რომლებიც იშლება ატომებიდან (კრისტალით კოლექტივირდება) და მათი მოძრაობის დროს უმეტეს დროს ატარებს მეზობელ ატომებს შორის სივრცეში. მათი უარყოფითი მუხტი აკავებს დადებით გერმანიუმის იონებს ერთმანეთთან ახლოს. ამ სახის კავშირი პირობითად შეიძლება გამოისახოს ბირთვების დამაკავშირებელი ორი ხაზით (იხ. სურ. 3).

მაგრამ ელექტრონების მოძრავი წყვილი მხოლოდ ორ ატომს არ ეკუთვნის. თითოეული ატომი აყალიბებს ოთხ კავშირს მეზობლებთან და მოცემული ვალენტური ელექტრონი შეიძლება გადაადგილდეს რომელიმე მათგანის გასწვრივ (ნახ. 4). მიაღწია მეზობელ ატომს, მას შეუძლია გადავიდეს შემდეგზე, შემდეგ კი მთელი ბროლის გასწვრივ. კოლექტივიზებული ვალენტური ელექტრონები ეკუთვნის მთელ კრისტალს.

გერმანიუმის კოვალენტური ბმები საკმაოდ ძლიერია და არ იშლება დაბალ ტემპერატურაზე. ამიტომ, გერმანიუმი არ ატარებს ელექტრო დენს დაბალ ტემპერატურაზე. ატომების შეერთებაში ჩართული ვალენტური ელექტრონები მყარად არის მიბმული ბროლის ბადეზე და გარე ელექტრული ველი არ ახდენს შესამჩნევ გავლენას მათ მოძრაობაზე. სილიციუმის კრისტალს მსგავსი სტრუქტურა აქვს.

ქიმიურად სუფთა ნახევარგამტარის ელექტრული გამტარობა შესაძლებელია, როდესაც კრისტალებში კოვალენტური ბმები გატეხილია და თავისუფალი ელექტრონები ჩნდება.

დამატებით ენერგიას, რომელიც უნდა დაიხარჯოს კოვალენტური ბმის გასაწყვეტად და ელექტრონისაგან თავისუფალი გახდეს, ეწოდება აქტივაციის ენერგია.

ელექტრონებს შეუძლიათ მიიღონ ეს ენერგია კრისტალის გაცხელებით, მაღალი სიხშირის ელექტრომაგნიტური ტალღებით დასხივებით და ა.შ.

როგორც კი ელექტრონი, რომელმაც შეიძინა საჭირო ენერგია, ტოვებს ლოკალიზებულ კავშირს, მასზე ვაკანსია იქმნება. ეს ვაკანსია ადვილად შეიძლება შეივსოს მეზობელი ბმის ელექტრონით, რაც ასევე ქმნის ვაკანსიას. ამრიგად, შემაკავშირებელ ელექტრონების მოძრაობის გამო, ვაკანსიები მოძრაობს მთელ ბროლში. ეს ვაკანსია ზუსტად ისე იქცევა, როგორც თავისუფალი ელექტრონი - ის თავისუფლად მოძრაობს ნახევარგამტარის მთელ მოცულობაში. უფრო მეტიც, იმის გათვალისწინებით, რომ როგორც მთლიანი ნახევარგამტარი, ისე მისი თითოეული ატომი ელექტრულად ნეიტრალურია უწყვეტი კოვალენტური ბმებით, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ბმიდან ელექტრონის გასვლა და ვაკანსიის წარმოქმნა რეალურად ექვივალენტურია. ჭარბი ენერგია ამ კავშირზე. დადებითი მუხტი. აქედან გამომდინარე, წარმოქმნილი ვაკანსია ფორმალურად შეიძლება მივიჩნიოთ დადებითი მუხტის მატარებლად, რომელსაც ე.წ ხვრელი(ნახ. 5).

ამრიგად, ელექტრონის გამგზავრება ლოკალიზებული ბმიდან წარმოქმნის თავისუფალი მუხტის მატარებლების წყვილს - ელექტრონს და ხვრელს. მათი კონცენტრაცია სუფთა ნახევარგამტარში იგივეა. ოთახის ტემპერატურაზე თავისუფალი მატარებლების კონცენტრაცია სუფთა ნახევარგამტარებში დაბალია, დაახლოებით 10 9 ÷ 10 10-ჯერ ნაკლები ატომების კონცენტრაციაზე, მაგრამ ის სწრაფად იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად.

• შეადარეთ ლითონებს: იქ თავისუფალი ელექტრონების კონცენტრაცია დაახლოებით ტოლია ატომების კონცენტრაციას.

გარე ელექტრული ველის არარსებობის შემთხვევაში, ეს თავისუფალი ელექტრონები და ხვრელები ქაოტურად მოძრაობენ ნახევარგამტარ კრისტალში.

გარე ელექტრულ ველში ელექტრონები მოძრაობენ ელექტრული ველის სიძლიერის მიმართულების საპირისპირო მიმართულებით. დადებითი ხვრელები მოძრაობენ ელექტრული ველის სიძლიერის მიმართულებით (სურ. 6). გარე ველში ელექტრონებისა და ხვრელების გადაადგილების პროცესი ხდება ნახევარგამტარის მთელ მოცულობაში.

ნახევარგამტარის მთლიანი ელექტრული გამტარობა შედგება ხვრელებისა და ელექტრონების გამტარებლობისგან. უფრო მეტიც, სუფთა ნახევარგამტარებში გამტარ ელექტრონების რაოდენობა ყოველთვის ტოლია ხვრელების რაოდენობას. ამიტომ, ისინი ამბობენ, რომ სუფთა ნახევარგამტარებს აქვთ ელექტრონის ხვრელის გამტარობა, ან საკუთარი გამტარობა.

ტემპერატურის მატებასთან ერთად იზრდება კოვალენტური ბმების რღვევების რაოდენობა და იზრდება თავისუფალი ელექტრონების და ხვრელების რაოდენობა სუფთა ნახევარგამტარების კრისტალებში და, შესაბამისად, იზრდება ელექტრული გამტარობა და მცირდება სუფთა ნახევარგამტარების წინაღობა. სუფთა ნახევარგამტარის წინაღობის გრაფიკი ტემპერატურის მიმართ ნაჩვენებია ნახ. 7.

გათბობის გარდა, კოვალენტური ბმების გაწყვეტა და, შედეგად, ნახევარგამტარების შინაგანი გამტარობის გაჩენა და წინაღობის დაქვეითება შეიძლება გამოწვეული იყოს განათებით (ნახევარგამტარის ფოტოგამტარობა), ასევე ძლიერი ელექტრული ველების მოქმედებით. .

ნახევარგამტარების მინარევის გამტარობა

ნახევარგამტარების გამტარობა მატულობს მინარევების შეყვანისას, როდესაც საკუთარ გამტარობასთან ერთად ჩნდება დამატებითი მინარევის გამტარობა.

მინარევების გამტარობანახევარგამტარებს უწოდებენ გამტარობას ნახევარგამტარში მინარევების არსებობის გამო.

დაბინძურების ცენტრები შეიძლება იყოს:

1. ნახევარგამტარის გისოსებში ჩასმული ქიმიური ელემენტების ატომები ან იონები;

2. ჭარბი ატომები ან იონები ჩადგმული გისოსების შუალედებში;

3. ბროლის გისოსის სხვადასხვა დეფექტები და დამახინჯებები: ცარიელი კვანძები, ბზარები, ძვრები, რომლებიც წარმოიქმნება კრისტალების დეფორმაციის დროს და ა.შ.

მინარევების კონცენტრაციის შეცვლით, შეგიძლიათ მნიშვნელოვნად გაზარდოთ ამა თუ იმ ნიშნის მუხტის მატარებლების რაოდენობა და შექმნათ ნახევარგამტარები უარყოფითი ან დადებითად დამუხტული მატარებლების უპირატესი კონცენტრაციით.

მინარევები შეიძლება დაიყოს დონორად (გაცემად) და მიმღებად (მიმღები).

დონორის მინარევები

• ლათინურიდან "დონარე" - გაცემა, მსხვერპლშეწირვა.

განვიხილოთ ნახევარგამტარის ელექტრული გამტარობის მექანიზმი დარიშხანის As-ის ხუთვალენტიანი დონორის მინარევით, რომელიც შეყვანილია კრისტალში, მაგალითად, სილიციუმში. ხუთვალენტიანი დარიშხანის ატომი აძლევს ოთხ ვალენტურ ელექტრონს კოვალენტური ბმების შესაქმნელად, ხოლო მეხუთე ელექტრონი არ არის დაკავებული ამ ობლიგაციებში (ნახ. 8).

სილიციუმში დარიშხანის მეხუთე ვალენტური ელექტრონის აბსტრაქციის ენერგია (იონიზაციის ენერგია) არის 0,05 eV = 0,08⋅10 -19 J, რაც 20-ჯერ ნაკლებია სილიციუმის ატომიდან ელექტრონის აბსტრაქციის ენერგიაზე. ამიტომ, უკვე ოთახის ტემპერატურაზე, დარიშხანის თითქმის ყველა ატომი კარგავს ერთ ელექტრონს და დადებით იონებად იქცევა. დარიშხანის დადებით იონებს არ შეუძლიათ მეზობელი ატომების ელექტრონების დაჭერა, რადგან ოთხივე ბმა უკვე აღჭურვილია ელექტრონებით. ამ შემთხვევაში, ელექტრონის ვაკანსიის მოძრაობა არ ხდება - "ხვრელი" და ხვრელის გამტარობა ძალიან მცირეა, ე.ი. პრაქტიკულად არ არსებობს.

დონორის მინარევები- ეს არის მინარევები, რომლებიც ადვილად თმობენ ელექტრონებს და, შესაბამისად, ზრდის თავისუფალი ელექტრონების რაოდენობას. ელექტრული ველის თანდასწრებით, თავისუფალი ელექტრონები მოდიან მოწესრიგებულ მოძრაობაში ნახევარგამტარულ კრისტალში და მასში ჩნდება ელექტრონული მინარევების გამტარობა. შედეგი არის ნახევარგამტარი უპირატესად ელექტრონული გამტარობით, რომელსაც n-ტიპის ნახევარგამტარი ეწოდება. (ლათინურიდან negativus - უარყოფითი).

ვინაიდან n ტიპის ნახევარგამტარში ელექტრონების რაოდენობა მნიშვნელოვანია მეტი ნომერიხვრელები, მაშინ ელექტრონები არიან ყველაზე მუხტის მატარებლები, ხოლო ხვრელები უმცირესობის მუხტის მატარებლები არიან.

მიმღები მინარევები

• ლათინური "მიმღები" - მიმღები.

მიმღები მინარევის შემთხვევაში, მაგალითად, სამვალენტიანი ინდიუმი, მინარევების ატომს შეუძლია მისცეს თავისი სამი ელექტრონი კოვალენტური კავშირის განსახორციელებლად მხოლოდ სამი მეზობელი სილიციუმის ატომით და ერთი ელექტრონი „აკლდება“ (ნახ. 9). მეზობელი სილიციუმის ატომების ერთ-ერთ ელექტრონს შეუძლია შეავსოს ეს ბმა, მაშინ In ატომი გახდება სტაციონარული უარყოფითი იონი და წარმოიქმნება ხვრელი იმ ელექტრონის ადგილას, რომელმაც დატოვა სილიციუმის ერთ-ერთი ატომი. მიმღები მინარევები, რომლებიც იჭერენ ელექტრონებს და ამით ქმნიან მოძრავ ხვრელებს, არ ზრდის გამტარ ელექტრონების რაოდენობას. ნახევარგამტარებში დამუხტვის უმეტესი ნაწილი, რომელსაც აქვს მიმღები მინარევები, არის ხვრელები, ხოლო უმცირესობის მუხტის მატარებლები ელექტრონები.

მიმღები მინარევები- ეს არის მინარევები, რომლებიც უზრუნველყოფენ ხვრელების გამტარობას.

ნახევარგამტარებს, რომლებშიც ხვრელების კონცენტრაცია აღემატება გამტარ ელექტრონების კონცენტრაციას, ეწოდება p-ტიპის ნახევარგამტარები (ლათინურიდან positivus - დადებითი.).

უნდა აღინიშნოს, რომ მინარევების შეყვანა ნახევარგამტარებში, ისევე როგორც ნებისმიერ ლითონში, არღვევს კრისტალური ბადის სტრუქტურას და აფერხებს ელექტრონების მოძრაობას. თუმცა, წინააღმდეგობა არ იზრდება იმის გამო, რომ მუხტის მატარებლების კონცენტრაციის გაზრდა მნიშვნელოვნად ამცირებს წინააღმდეგობას. ამრიგად, ბორის მინარევის შეყვანა 1 ატომის ოდენობით ასი ათასი სილიციუმის ატომზე ამცირებს სილიციუმის ელექტრულ წინაღობას დაახლოებით ათასჯერ, ხოლო ერთი ინდიუმის ატომის შერევა 10 8 - 10 9 გერმანიუმის ატომზე ამცირებს ელექტრულ წინააღმდეგობას. გერმანიუმი მილიონჯერ.

თუ დონორი და მიმღები მინარევები ერთდროულად შეჰყავთ ნახევარგამტარში, მაშინ ნახევარგამტარის გამტარობის ბუნება (n- ან p-ტიპი) განისაზღვრება მინარევით მუხტის მატარებლების უფრო მაღალი კონცენტრაციით.

ელექტრონულ ხვრელში გადასვლა

ელექტრონის ხვრელის შეერთება (შემოკლებით p-n შეერთება) ხდება ნახევარგამტარულ კრისტალში, რომელსაც ერთდროულად აქვს n-ტიპის (შეიცავს დონორის მინარევებს) და p-ტიპის (მიმღები მინარევებით) გამტარობის რეგიონები ამ რეგიონებს შორის საზღვარზე.

ვთქვათ, გვაქვს კრისტალი, რომელშიც არის ნახევარგამტარული უბანი ხვრელების (p-ტიპის) გამტარობით მარცხნივ, ხოლო ელექტრონული (n-ტიპის) გამტარობით მარჯვნივ (სურ. 10). თერმული მოძრაობის გამო, როდესაც იქმნება კონტაქტი, ელექტრონები n-ტიპის ნახევარგამტარიდან გავრცელდება p-ტიპის რეგიონში. ამ შემთხვევაში, n ტიპის რეგიონში დარჩება აუნაზღაურებელი დადებითი იონიდონორი. ხვრელების გამტარობის მქონე რეგიონში გადასვლის შემდეგ, ელექტრონი ძალიან სწრაფად უერთდება ხვრელს და p-ტიპის რეგიონში წარმოიქმნება არაკომპენსირებული მიმღები იონი.

ელექტრონების მსგავსად, პ-ტიპის რეგიონიდან ხვრელები დიფუზირდება ელექტრონულ რეგიონში და ტოვებს არაკომპენსირებულ უარყოფითად დამუხტულ მიმღებ იონს ხვრელის რეგიონში. ელექტრონულ რეგიონში გადასვლის შემდეგ, ხვრელი ხელახლა აერთიანებს ელექტრონს. შედეგად, ელექტრონულ რეგიონში წარმოიქმნება არაკომპენსირებული დადებითი დონორი იონი.

დიფუზიის შედეგად, ამ რეგიონებს შორის საზღვარზე წარმოიქმნება საპირისპიროდ დამუხტული იონების ორმაგი ელექტრული ფენა, სისქე. ლრომელიც არ აღემატება მიკრომეტრის ფრაქციებს.

ელექტრული ველი სიძლიერით ე ი. ელექტრონ-ხვრელის შეერთების ელექტრული ველი (pn შეერთება) ხელს უშლის ელექტრონებსა და ხვრელებს ორ ნახევარგამტარს შორის ინტერფეისის შემდგომ გადაადგილებაში. ბლოკირების ფენას აქვს გაზრდილი წინააღმდეგობა ნახევარგამტარების სხვა მოცულობებთან შედარებით.

გარე ელექტრული ველი ინტენსივობით ეგავლენას ახდენს ბლოკირების ელექტრული ველის წინააღმდეგობაზე. თუ n-ნახევარგამტარი დაკავშირებულია წყაროს უარყოფით პოლუსთან, ხოლო წყაროს პლუსი დაკავშირებულია p- ნახევარგამტართან, მაშინ ელექტრული ველის გავლენით ელექტრონები n-ნახევარგამტარში და ხვრელები p-ში. ნახევარგამტარი ერთმანეთისკენ მოძრაობს ნახევარგამტარების ინტერფეისისკენ (ნახ. 11). ელექტრონები, რომლებიც კვეთენ საზღვარს, "ავსებენ" ხვრელებს. გარე ელექტრული ველის ასეთი წინა მიმართულებით, ბლოკირების ფენის სისქე და მისი წინააღმდეგობა მუდმივად მცირდება. ამ მიმართულებით ელექტრული დენი გადის pn შეერთებაზე.

pn შეერთების განხილულ მიმართულებას უწოდებენ პირდაპირი. დენის დამოკიდებულება ძაბვაზე, ე.ი. ვოლტ-ამპერის მახასიათებლებიპირდაპირი გადასვლა, ნაჩვენებია ნახ. 12 მყარი ხაზით.

თუ n-ნახევარგამტარი უკავშირდება წყაროს დადებით პოლუსს, ხოლო p- ნახევარგამტარი უარყოფითს, მაშინ ელექტრონები n-ნახევარგამტარში და ხვრელები p-ნახევარგამტარში ელექტრული ველის გავლენით გადაადგილდებიან ინტერფეისიდან. საპირისპირო მიმართულებით (სურ. 13). ეს იწვევს ბარიერის ფენის გასქელებას და მისი წინააღმდეგობის მატებას. გარე ელექტრული ველის მიმართულებას, რომელიც აფართოებს ბლოკირების ფენას, ეწოდება ჩაკეტვა (საპირისპირო). გარე ველის ამ მიმართულებით, მთავარი მუხტის მატარებლების ელექტრული დენი არ გადის ორი p- და p- ნახევარგამტარის კონტაქტში.

pn შეერთების დენი ახლა გამოწვეულია p-ტიპის ნახევარგამტარში არსებული ელექტრონების და n-ტიპის ნახევარგამტარის ხვრელების გამო. მაგრამ ძალიან ცოტაა უმცირესობის მუხტის მატარებლები, ამიტომ შეერთების გამტარობა უმნიშვნელოა და მისი წინააღმდეგობა დიდია. pn შეერთების განხილულ მიმართულებას უწოდებენ საპირისპირო, მისი მიმდინარე-ძაბვის მახასიათებელი ნაჩვენებია ნახ. 12 წყვეტილი ხაზი.

გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ წინა და უკანა გადასვლებისთვის დენის გაზომვის მასშტაბები განსხვავდება ათასჯერ.

გაითვალისწინეთ, რომ საპირისპირო მიმართულებით გამოყენებული გარკვეული ძაბვის დროს, ავარია(ანუ განადგურება) p-n შეერთების.

ნახევარგამტარული მოწყობილობები

თერმისტორები

ნახევარგამტარების ელექტრული წინააღმდეგობა დიდად არის დამოკიდებული ტემპერატურაზე. ეს თვისება გამოიყენება ტემპერატურის გასაზომად ნახევარგამტარის წრეში დენის სიძლიერით. ასეთ მოწყობილობებს ე.წ თერმისტორებიან თერმისტორები. ნახევარგამტარული ნივთიერება მოთავსებულია ლითონის დამცავ კორპუსში, რომელიც შეიცავს იზოლირებულ მილებს თერმისტორის ელექტრულ წრედთან შესაერთებლად.

გათბობის ან გაგრილების დროს თერმისტორების წინააღმდეგობის შეცვლა საშუალებას აძლევს მათ გამოიყენონ ტემპერატურის საზომ ინსტრუმენტებში, შეინარჩუნონ მუდმივი ტემპერატურა ავტომატურ მოწყობილობებში - დახურულ თერმოსტატის კამერებში, უზრუნველყონ ხანძარსაწინააღმდეგო სიგნალიზაცია და ა.შ. არის თერმისტორები ორივე ძალიან მაღალის გასაზომად ( თ≈ 1300 K) და ძალიან დაბალი ( თ≈ 4 - 80 კ) ტემპერატურა.

თერმისტორის სქემატური გამოსახულება (ნახ. ა) და ფოტოსურათი (ნახ. ბ) ნაჩვენებია სურათზე 14.

ფოტორეზისტორები

ნახევარგამტარების ელექტრული გამტარობა იზრდება არა მხოლოდ გაცხელებისას, არამედ განათების დროსაც. ელექტრული გამტარობა იზრდება ობლიგაციების გაწყვეტისა და თავისუფალი ელექტრონებისა და ხვრელების წარმოქმნის გამო ნახევარგამტარზე სინათლის ინციდენტის ენერგიის გამო.

მოწყობილობები, რომლებიც ითვალისწინებენ ნახევარგამტარების ელექტრული გამტარობის დამოკიდებულებას განათებაზე ე.წ. ფოტორეზისტორები.

ფოტორეზისტორების წარმოების მასალებია ისეთი ნაერთები, როგორიცაა CdS, CdSe, PbS და მრავალი სხვა.

ფოტორეზისტორების მინიატურული ზომა და მაღალი მგრძნობელობა საშუალებას აძლევს მათ გამოიყენონ სუსტი სინათლის ნაკადების ჩაწერისა და გაზომვისთვის. ფოტორეზისტორები გამოიყენება ზედაპირების ხარისხის დასადგენად, პროდუქციის ზომების გასაკონტროლებლად და ა.შ.

ფოტორეზისტორის სქემატური გამოსახულება (ნახ. ა) და ფოტო (ნახ. ბ) ნაჩვენებია სურათზე 15.

ნახევარგამტარული დიოდი

pn შეერთების უნარი, გაატაროს დენი ერთი მიმართულებით, გამოიყენება ნახევარგამტარულ მოწყობილობებში ე.წ დიოდები.

ნახევარგამტარული დიოდები მზადდება გერმანიუმის, სილიციუმის, სელენისა და სხვა ნივთიერებებისგან.

ჰაერისა და სინათლის მავნე ზემოქმედების თავიდან ასაცილებლად, გერმანიუმის კრისტალი მოთავსებულია დალუქულ ლითონის ყუთში. ნახევარგამტარული დიოდები არის AC გამომსწორებლების ძირითადი ელემენტები (უფრო ზუსტად, ისინი ემსახურებიან ალტერნატიული დენის გადაქცევას პულსირებულ პირდაპირ დენად).

ნახევარგამტარული დიოდის სქემატური გამოსახულება (ნახ. ა) და ფოტოსურათი (ნახ. ბ) ნაჩვენებია სურათზე 16.

LED-ები

სინათლის დიოდიან სინათლის დიოდი- ნახევარგამტარული მოწყობილობა p-n შეერთებით, რომელიც ქმნის ოპტიკურ გამოსხივებას მასში ელექტრული დენის გავლისას.

გამოსხივებული სინათლე დევს სპექტრის ვიწრო დიაპაზონში, მისი სპექტრული მახასიათებლები, სხვა საკითხებთან ერთად, დამოკიდებულია ქიმიური შემადგენლობამასში გამოყენებული ნახევარგამტარები.

ლიტერატურა

1. აქსენოვიჩ L.A. ფიზიკაში უმაღლესი სკოლა: თეორია. Დავალებები. ტესტები: სახელმძღვანელო. ზოგადსაგანმანათლებლო დაწესებულებების შემწეობა. გარემო, განათლება / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; რედ. კ.ს.ფარინო. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - გვ. 300-308.
2. ბუროვი L.I., Strelchenya V.M. ფიზიკა A-დან Z-მდე: სტუდენტებისთვის, აპლიკანტებისთვის, მასწავლებლებისთვის. - მნ.: პარადოქსი, 2000. - გვ. 219-228.
3. Myakishev G. Ya. ფიზიკა: ელექტროდინამიკა. 10 – 11 კლასები: სახელმძღვანელო ფიზიკის სიღრმისეული შესწავლისთვის / გ.ია. მიაკიშევი, ა.ზ. სინიაკოვი, ბ.ა. სლობოდკოვი. - M.: Bustard, 2005. - P. 309-320.
4. Yavorsky B. M., Seleznev Yu A. საცნობარო გზამკვლევი ფიზიკაში მათთვის, ვინც შედის უნივერსიტეტებში და თვითგანათლებაში. - მ.: ნაუკა, 1984. - გვ 165-169.

TO ნახევარგამტარები ეს მოიცავს გამტარ მასალებს, რომლებიც უფრო დიდია ვიდრე დიელექტრიკები და ნაკლებია ვიდრე გამტარები. ნახევარგამტარებს მიეკუთვნება სილიციუმი (Si), ფოსფორი (P), გერმანიუმი (Ge), ინდიუმი (In), დარიშხანი (As).

ნახევარგამტარებს აქვთ მრავალი მახასიათებელი:

ნახევარგამტარებში ელექტრული დენი გამოწვეულია როგორც თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობით, ასევე შეკრული ელექტრონების მოძრაობით, ე.წ. აქედან გამომდინარე, განასხვავებენ ელექტრონისა და ხვრელების გამტარობას. ელექტრონების დატოვებული ადგილი პირობითად დადებითად არის დამუხტული – ხვრელი. ნახევარგამტარებს, რომლებსაც აქვთ უპირატესად ელექტრონული გამტარობა, ეწოდება (-)n ტიპის ნახევარგამტარები. ნახევარგამტარებს, რომლებსაც აქვთ უპირატესად ხვრელების გამტარობა, ეწოდება (+)p ტიპის ნახევარგამტარები.

ნახევარგამტარების გამტარობა ძალიან ძლიერ არის დამოკიდებული ტემპერატურაზე, ეს დამოკიდებულება ათჯერ მეტია, ვიდრე ლითონების. ტემპერატურის მატებასთან ერთად, ნახევარგამტარების გამტარობა იზრდება და წინააღმდეგობა მცირდება, რადგან მუხტის მატარებლების ē და ხვრელების რაოდენობა იზრდება.

ნახევარგამტარების გამტარობა დიდად არის დამოკიდებული მინარევებისაგან და ეწოდება მინარევების გამტარობა. სუფთა ნახევარგამტარების გამტარობა ძალიან მცირეა გამტარობის გასაზრდელად, სუფთა ნახევარგამტარს უმატებენ მინარევებს.

მინარევები შეიძლება ბევრჯერ გაიზარდოს თავისუფალი ელექტრონების ან ხვრელების რაოდენობაზე. პირველ შემთხვევაში (სურ. 44(ა)) მინარევები დონორის როლს ასრულებს (დონორს ელექტრონებს) - n-ტიპის გამტარობა, ხოლო მეორეში (ნახ. 44(ბ)) - მიმღების როლს ( იღებს ელექტრონებს) - p-ტიპის გამტარობა.

ნახევარგამტარული დიოდური p-n შეერთება.

ნახევარგამტარული მოწყობილობა ცალმხრივი გამტარობით, რომელიც ეფუძნება p-n შეერთების მუშაობას. დიოდის მეშვეობით დენი შეიძლება გადიოდეს მხოლოდ ერთი მიმართულებით.

სხვადასხვა გამტარობის მქონე ორ ნახევარგამტარს შორის, ელექტრონებისა და ხვრელების სხვადასხვა კონცენტრაციის გამო, ხდება დიფუზია, რის შედეგადაც წარმოიქმნება პოტენციური განსხვავება ((+) მუხტი ჩნდება n ტიპის რეგიონში, ხოლო (- ) მუხტი გამოჩნდება p ტიპის რეგიონში). არის ველის სიძლიერე E-ში

თუ გარე ველს E 0 გამოვიყენებთ p–n– შეერთებაზე, მაშინ მისი მიმართულებიდან გამომდინარე, მოხდება შემდეგი:

1. E 0 ემთხვევა მიმართულებით E in-ს; E = E 0 + E in, ზომები ℓ გაიზრდება და არ იქნება დენი

2. თუ E 0 ეწინააღმდეგება E in-ს, მაშინ E = E in – E 0; E in = E 0; E = 0 ელექტრული დენი შემოვა შეერთების მეშვეობით.

ნახევარგამტარული დიოდის დენის ძაბვის მახასიათებელი.

ნახევარგამტარული ტრიოდი

ნახევარგამტარული ტრიოდი შედგება ერთი ტიპის გამტარობის ორი ნახევარგამტარისგან, რომლებიც გამოყოფილია სხვა ტიპის გამტარობის (p-n-p) ან (n-p-n) ნახევარგამტარის თხელი ფენით.

ამ სისტემაში დენი რეგულირდება ძაბვით ფუძესა და ემიტერს შორის, ემიტერის წრეში დენის ცვლილება გამოიწვევს დენის ცვლილებას კოლექტორის წრეში და ძაბვის ცვლილება მნიშვნელოვანი იქნება (ძაბვის მომატება) . P/ntriodes (ტრანზისტორები), ისევე როგორც ვაკუუმის მილები, ტრიოდები გამოიყენება ელექტრული რხევების გასაძლიერებლად და წარმოქმნისთვის. ტრანზისტორებს აქვთ მთელი რიგი უპირატესობები ვაკუუმურ მილებთან შედარებით - მათ არ სჭირდებათ ენერგია კათოდის გასათბობად, ვიბრაციისადმი მდგრადია, მცირე ზომის და ა.შ., მაგრამ მათი მახასიათებლები დამოკიდებულია ტემპერატურაზე.

ნახევარგამტარები არის მასალები, რომლებიც დიელექტრიკულები არიან ნორმალურ პირობებში, მაგრამ გახდებიან გამტარები ტემპერატურის მატებასთან ერთად. ანუ ნახევარგამტარებში ტემპერატურის მატებასთან ერთად წინააღმდეგობა მცირდება.

ნახევარგამტარის სტრუქტურა სილიციუმის კრისტალის მაგალითის გამოყენებით

განვიხილოთ ნახევარგამტარების სტრუქტურა და მათში გამტარობის ძირითადი ტიპები. მაგალითად, განვიხილოთ სილიციუმის კრისტალი.

სილიციუმი ოთხვალენტიანი ელემენტია. შესაბამისად, მის გარე გარსში არის ოთხი ელექტრონი, რომლებიც სუსტად არიან მიბმული ატომის ბირთვთან. თითოეულ მათგანს აქვს კიდევ ოთხი ატომი თავის მეზობლად.

ატომები ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან და ქმნიან კოვალენტურ ბმებს. ასეთ კავშირში მონაწილეობს თითო ელექტრონი თითოეული ატომიდან. სილიკონის მოწყობილობის დიაგრამა ნაჩვენებია შემდეგ სურათზე.

სურათი

კოვალენტური ბმები საკმაოდ ძლიერია და არ იშლება დაბალ ტემპერატურაზე. მაშასადამე, სილიკონში არ არსებობს უფასო დამუხტვის მატარებლები და დაბალ ტემპერატურაზე ეს არის დიელექტრიკი. ნახევარგამტარებში არსებობს გამტარობის ორი ტიპი: ელექტრონი და ხვრელი.

ელექტრონული გამტარობა

როდესაც სილიკონი გაცხელდება, მას დამატებითი ენერგია გადაეცემა. ნაწილაკების კინეტიკური ენერგია იზრდება და ზოგიერთი კოვალენტური ბმა იშლება. ეს ქმნის თავისუფალ ელექტრონებს.

ელექტრულ ველში ეს ელექტრონები მოძრაობენ კრისტალური მედის კვანძებს შორის. ამ შემთხვევაში, სილიკონში შეიქმნება ელექტრული დენი.

ვინაიდან ძირითადი მუხტის მატარებლები თავისუფალი ელექტრონებია, ამ ტიპის გამტარობას ელექტრონული გამტარობა ეწოდება. თავისუფალი ელექტრონების რაოდენობა დამოკიდებულია ტემპერატურაზე. რაც უფრო მეტად ვაცხელებთ სილიკონს, მით მეტი კოვალენტური ბმა დაირღვევა და, შესაბამისად, მეტი თავისუფალი ელექტრონი გამოჩნდება. ეს იწვევს წინააღმდეგობის შემცირებას. და სილიციუმი ხდება გამტარი.

ხვრელის გამტარობა

როდესაც კოვალენტური ბმა იშლება, გამოქცეული ელექტრონის ადგილას იქმნება ვაკანტური პოზიცია, რომელიც შეიძლება დაიკავოს სხვა ელექტრონმა. ამ ადგილს ხვრელი ჰქვია. ხვრელს აქვს ჭარბი დადებითი მუხტი.

კრისტალში ხვრელის პოზიცია მუდმივად იცვლება, ნებისმიერ ელექტრონს შეუძლია დაიკავოს ეს პოზიცია და ხვრელი გადავა იმ ადგილას, საიდანაც ელექტრონი გადმოხტა. თუ არ არის ელექტრული ველი, მაშინ ხვრელების მოძრაობა შემთხვევითია და, შესაბამისად, დენი არ ხდება.

როდესაც ის არსებობს, წარმოიქმნება ხვრელების მოწესრიგებული მოძრაობა და გარდა დენისა, რომელსაც ქმნიან თავისუფალი ელექტრონები, არის დენიც, რომელიც იქმნება ხვრელების მიერ. ხვრელები გადაადგილდებიან ელექტრონების საპირისპირო მიმართულებით.

ამრიგად, ნახევარგამტარებში გამტარობა არის ელექტრონულ ხვრელი. დენი იქმნება როგორც ელექტრონებით, ასევე ხვრელებით. ამ ტიპის გამტარობას ასევე უწოდებენ შინაგან გამტარობას, რადგან ჩართულია მხოლოდ ერთი ატომის ელემენტები.

ნახევარგამტარებში შედის მრავალი ქიმიური ელემენტი (გერმანიუმი, სილიციუმი, სელენი, ტელურუმი, დარიშხანი და ა.შ.), შენადნობების და ქიმიური ნაერთების უზარმაზარი რაოდენობა. ჩვენს ირგვლივ სამყაროში თითქმის ყველა არაორგანული ნივთიერება ნახევარგამტარია. ბუნებაში ყველაზე გავრცელებული ნახევარგამტარია სილიციუმი, რომელიც შეადგენს დედამიწის ქერქის დაახლოებით 30%-ს.

ხარისხობრივი განსხვავება ნახევარგამტარებსა და ლითონებს შორის ვლინდება წინააღმდეგობის დამოკიდებულება ტემპერატურაზე(ნახ.9.3)

ნახევარგამტარების ელექტრონ-ხვრელების გამტარობის ზოლიანი მოდელი

მყარი ნივთიერებების წარმოქმნის დროს შესაძლებელია სიტუაცია, როდესაც ენერგეტიკული ზოლი, რომელიც წარმოიქმნება საწყისი ატომების ვალენტური ელექტრონების ენერგეტიკული დონეებიდან, აღმოჩნდება, რომ მთლიანად ივსება ელექტრონებით, ხოლო ელექტრონებით შევსებისთვის ხელმისაწვდომი უახლოესი ენერგიის დონეები გამოყოფილია. ვალენტობის ზოლი გადაუჭრელი ენერგეტიკული მდგომარეობების E V ინტერვალი - ე.წ აკრძალული ტერიტორია Მაგალითადზოლის უფსკრულის ზემოთ არის ელექტრონებისთვის დაშვებული ენერგეტიკული მდგომარეობების ზონა - გამტარობის ზოლი ე გ .

გამტარობის ზოლი 0 K-ზე სრულიად თავისუფალია, ხოლო ვალენტობის ზოლი მთლიანად დაკავებულია. მსგავსი ზოლის სტრუქტურა დამახასიათებელია სილიციუმის, გერმანიუმის, გალიუმის არსენიდის (GaAs), ინდიუმის ფოსფიდის (InP) და მრავალი სხვა ნახევარგამტარული მყარისთვის.

ნახევარგამტარებისა და დიელექტრიკების ტემპერატურის მატებასთან ერთად ელექტრონებს შეუძლიათ მიიღონ დამატებითი ენერგია, რომელიც დაკავშირებულია თერმულ მოძრაობასთან. კტ. ზოგიერთი ელექტრონისთვის თერმული მოძრაობის ენერგია საკმარისია გადასვლისთვის ვალენტურობის ზოლიდან გამტარ ზოლამდე,სადაც ელექტრონებს გარე ელექტრული ველის გავლენით თითქმის თავისუფლად შეუძლიათ მოძრაობა.

Ამ შემთხვევაში, ნახევარგამტარული მასალის მქონე წრედში, ნახევარგამტარის ტემპერატურის მატებასთან ერთად, ელექტრული დენი გაიზრდება.ეს დენი დაკავშირებულია არა მხოლოდ ელექტრონების მოძრაობასთან გამტარობის ზოლში, არამედ გარეგნობასთან ვაკანტური ადგილები ელექტრონებისგან, რომლებიც ტოვებენ გამტარობის ზოლსვალენტობის ზოლში ე.წ ხვრელები . ვაკანტური ადგილი შეიძლება დაიკავოს ვალენტურმა ელექტრონმა მეზობელი წყვილიდან, შემდეგ ხვრელი გადადის კრისტალში ახალ ადგილზე.

თუ ნახევარგამტარი მოთავსებულია ელექტრულ ველში, მაშინ მოწესრიგებულ მოძრაობაში ჩართულია არა მხოლოდ თავისუფალი ელექტრონები, არამედ ხვრელებიც, რომლებიც დადებითად დამუხტული ნაწილაკების მსგავსად იქცევიან. ამიტომ მიმდინარე მენახევარგამტარში იგი შედგება ელექტრონისაგან მე ნდა ხვრელი იპდენები: მე= მე ნ+ იპ.

ელექტრონის ხვრელის გამტარობის მექანიზმი ჩნდება მხოლოდ სუფთა (ანუ მინარევების გარეშე) ნახევარგამტარებში. მას ეძახიან საკუთარი ელექტრული გამტარობა ნახევარგამტარები. ელექტრონები ჩაყრიან გამტარ ზოლში ფერმის დონე, რომელიც თურმე საკუთარ ნახევარგამტარში მდებარეობს ბანდის შუაგულში(ნახ. 9.4).

ნახევარგამტარების გამტარობა შეიძლება მნიშვნელოვნად შეიცვალოს მათში მინარევების ძალიან მცირე რაოდენობით შეყვანით. ლითონებში, მინარევები ყოველთვის ამცირებს გამტარობას. ამრიგად, სუფთა სილიკონში 3% ფოსფორის ატომების დამატება კრისტალის ელექტრულ გამტარობას 10 5-ჯერ ზრდის.

დოპანტის მცირე დამატება ნახევარგამტარში დოპინგი ეწოდება.

აუცილებელი პირობანახევარგამტარის წინააღმდეგობის მკვეთრი დაქვეითება მინარევების შეყვანით არის მინარევების ატომების ვალენტობის განსხვავება ბროლის ძირითადი ატომების ვალენტობიდან. ნახევარგამტარების გამტარობა მინარევების არსებობისას ე.წ მინარევების გამტარობა .

გამოარჩევენ მინარევების გამტარობის ორი ტიპი – ელექტრონული და ხვრელი გამტარობა. ელექტრონული გამტარობახდება მაშინ, როდესაც ხუთვალენტიანი ატომები (მაგალითად, დარიშხანის ატომები, As) შეჰყავთ გერმანიუმის კრისტალში ოთხვალენტიანი ატომებით (ნახ. 9.5).

დარიშხანის ატომის ოთხი ვალენტური ელექტრონი შედის კოვალენტური ბმების წარმოქმნაში ოთხ მეზობელ გერმანიუმის ატომთან. მეხუთე ვალენტური ელექტრონი ზედმეტი აღმოჩნდა. ის ადვილად იშლება დარიშხანის ატომიდან და ხდება თავისუფალი. ატომი, რომელმაც დაკარგა ელექტრონი, იქცევა დადებით იონად, რომელიც მდებარეობს ბროლის ბადის ადგილზე.

ატომების მინარევები, რომელთა ვალენტობა აღემატება ნახევარგამტარული ბროლის ძირითადი ატომების ვალენტობას, ეწოდება დონორის ნაზავი . მისი დანერგვის შედეგად კრისტალში ჩნდება თავისუფალი ელექტრონების მნიშვნელოვანი რაოდენობა. ეს იწვევს ნახევარგამტარის წინაღობის მკვეთრ შემცირებას - ათასობით და თუნდაც მილიონჯერ.

მინარევების მაღალი შემცველობის მქონე გამტარის წინაღობა შეიძლება მიუახლოვდეს ლითონის გამტარს. თავისუფალი ელექტრონების გამო ასეთ გამტარობას ელექტრონული ეწოდება, ხოლო ელექტრონული გამტარობის მქონე ნახევარგამტარს ეწოდება n ტიპის ნახევარგამტარი.

ხვრელის გამტარობა ხდება მაშინ, როდესაც სამვალენტიანი ატომები შედის გერმანიუმის კრისტალში, მაგალითად, ინდიუმის ატომებში (ნახ. 9.5)

სურათი 6 გვიჩვენებს ინდიუმის ატომს, რომელმაც შექმნა კოვალენტური ბმები მხოლოდ სამ მეზობელ გერმანიუმის ატომთან მისი ვალენტური ელექტრონების გამოყენებით. ინდიუმის ატომს არ აქვს ელექტრონი, რომ შექმნას კავშირი გერმანიუმის მეოთხე ატომთან. ეს დაკარგული ელექტრონი შეიძლება დაიჭიროს ინდიუმის ატომმა მეზობელი გერმანიუმის ატომების კოვალენტური ბმადან. ამ შემთხვევაში, ინდიუმის ატომი გადაიქცევა უარყოფით იონად, რომელიც მდებარეობს ბროლის ბადის ადგილზე და იქმნება ვაკანსია მეზობელი ატომების კოვალენტურ კავშირში.

ატომების ნარევს, რომელსაც შეუძლია ელექტრონების დაჭერა, ეწოდება მიმღების მინარევი . აქცეპტორის მინარევის შეყვანის შედეგად კრისტალში იშლება მრავალი კოვალენტური ბმა და წარმოიქმნება ვაკანსიები (ხვრელები). მეზობელი კოვალენტური ბმებიდან ელექტრონებს შეუძლიათ ამ ადგილებზე გადახტომა, რაც იწვევს ხვრელების ქაოტურ ხეტიალს მთელ ბროლში.

ნახევარგამტარში ხვრელების კონცენტრაცია მიმღების მინარევებით მნიშვნელოვნად აღემატება ელექტრონების კონცენტრაციას, რომელიც წარმოიშვა ნახევარგამტარის საკუთარი ელექტრული გამტარობის მექანიზმის გამო: n გვ>> n n. ამ ტიპის გამტარობას ე.წ ხვრელის გამტარობა . მინარევის ნახევარგამტარს ხვრელების გამტარობით ეწოდება p-ტიპის ნახევარგამტარი . ძირითადი უფასო დამუხტვის მატარებლები ნახევარგამტარებში გვ- ტიპი არის ხვრელები.

ელექტრონულ ხვრელში გადასვლა. დიოდები და ტრანზისტორები

თანამედროვე ელექტრონულ ტექნოლოგიაში ნახევარგამტარული მოწყობილობები განსაკუთრებულ როლს ასრულებენ. ბოლო სამი ათწლეულის განმავლობაში მათ თითქმის მთლიანად შეცვალეს ელექტრო ვაკუუმური მოწყობილობები.

ნებისმიერ ნახევარგამტარ მოწყობილობას აქვს ერთი ან მეტი ელექტრონის ხვრელის შეერთება . ელექტრონულ ხვრელში გადასვლა (ან ნ–გვ-გარდამავალი) - ეს არის კონტაქტის არეალი ორ ნახევარგამტარს შორის სხვადასხვა ტიპის გამტარობით.

ნახევარგამტარების საზღვარზე (სურ. 9.7) წარმოიქმნება ორმაგი ელექტრული ფენა, რომლის ელექტრული ველი ხელს უშლის ელექტრონებისა და ხვრელების ერთმანეთის მიმართ დიფუზიის პროცესს.

უნარი ნ–გვ- გადასვლები საშუალებას აძლევს დენს გაიაროს პრაქტიკულად მხოლოდ ერთი მიმართულებით, რომელიც გამოიყენება მოწყობილობებში ე.წ ნახევარგამტარული დიოდები. ნახევარგამტარული დიოდები მზადდება სილიციუმის ან გერმანიუმის კრისტალებისგან. მათი წარმოების დროს, მინარევები ერწყმის კრისტალს გარკვეული ტიპის გამტარობით, რაც უზრუნველყოფს სხვადასხვა ტიპის გამტარობას.

ნახაზი 9.8 გვიჩვენებს სილიკონის დიოდის ტიპიური დენის ძაბვის მახასიათებელს.

ნახევარგამტარულ მოწყობილობებს არა ერთი, არამედ ორი n-p შეერთებით ეწოდება ტრანზისტორები . ტრანზისტორები ორი ტიპისაა: გვ–ნ–გვ-ტრანზისტორები და ნ–გვ–ნ- ტრანზისტორები. ტრანზისტორში ნ–გვ–ნ- ძირითადი ტიპის გერმანიუმის ფირფიტას აქვს გამტარობა გვ-ტიპი და მასზე შექმნილი ორი რეგიონი გამტარია ნ-ტიპი (სურ.9.9).

ტრანზისტორში p–n–p- ეს რაღაც პირიქითაა. ტრანზისტორი ფირფიტა ე.წ ბაზა(B), საპირისპირო ტიპის გამტარობის ერთ-ერთი უბანი - კოლექციონერი(K) და მეორე - გამომცემელი(E).