>>Fizyka: Elektryczność w półprzewodnikach
Jaka jest główna różnica między półprzewodnikami a przewodnikami? Jakie cechy strukturalne półprzewodników zapewniły im dostęp do wszystkich urządzeń radiowych, telewizorów i komputerów?
Różnica między przewodnikami i półprzewodnikami jest szczególnie widoczna, gdy analizuje się zależność ich przewodności elektrycznej od temperatury. Badania pokazują, że w przypadku wielu pierwiastków (krzem, german, selen itp.) i związków (PbS, CdS, GaAs itp.) rezystywność nie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, np. w przypadku metali ( Ryc.16.3), ale wręcz przeciwnie, maleje niezwykle gwałtownie ( Ryc.16.4). Takie substancje nazywane są półprzewodniki.
Z wykresu pokazanego na rysunku jasno wynika, że w temperaturach bliskich zera absolutnego rezystywność półprzewodników jest bardzo wysoka. Oznacza to, że w niskich temperaturach półprzewodnik zachowuje się jak izolator. Wraz ze wzrostem temperatury jego rezystywność gwałtownie maleje.
Struktura półprzewodników. Aby włączyć odbiornik tranzystorowy, nie musisz nic wiedzieć. Ale żeby to stworzyć, trzeba było dużo wiedzieć i mieć niezwykły talent. Zrozum w Ogólny zarys jak działa tranzystor, nie jest takie trudne. Najpierw musisz zapoznać się z mechanizmem przewodzenia w półprzewodnikach. I w tym celu będziesz musiał się zagłębić charakter połączeń, utrzymując atomy kryształu półprzewodnika blisko siebie.
Rozważmy na przykład kryształ krzemu.
Krzem jest pierwiastkiem czterowartościowym. Oznacza to, że w zewnętrznej powłoce jego atomu znajdują się cztery elektrony, które są stosunkowo słabo związane z jądrem. Liczba najbliższych sąsiadów każdego atomu krzemu również wynosi cztery. Schemat struktury kryształu krzemu pokazano na rysunku 16.5.
Oddziaływanie pary sąsiednich atomów odbywa się za pomocą wiązania para-elektronowego zwanego wiązanie kowalencyjne. W tworzeniu tego wiązania z każdego atomu bierze udział jeden elektron walencyjny, który oddziela się od atomu, do którego należy (zebrany przez kryształ) i podczas swojego ruchu większość czasu spędza w przestrzeni pomiędzy sąsiednimi atomami. Ich ładunek ujemny utrzymuje dodatnie jony krzemu blisko siebie.
Nie należy myśleć, że zbiorowa para elektronów należy tylko do dwóch atomów. Każdy atom tworzy cztery wiązania ze swoimi sąsiadami, a każdy elektron walencyjny może poruszać się wzdłuż jednego z nich. Po dotarciu do sąsiedniego atomu może przejść do następnego, a potem dalej wzdłuż całego kryształu. Elektrony walencyjne należą do całego kryształu.
Wiązania para-elektron w krysztale krzemu są dość mocne i nie pękają w niskich temperaturach. Dlatego krzem w niskich temperaturach nie przewodzi prądu elektrycznego. Elektrony walencyjne biorące udział w wiązaniu atomów przypominają „roztwór cementujący”, który utrzymuje sieć krystaliczną, a zewnętrzne pole elektryczne nie ma zauważalnego wpływu na ich ruch. Kryształ germanu ma podobną strukturę.
Przewodność elektronowa. Po podgrzaniu krzemu energia kinetyczna cząstek wzrasta, a poszczególne wiązania ulegają rozerwaniu. Niektóre elektrony opuszczają swoje „utarte ścieżki” i stają się wolne, jak elektrony w metalu. W polu elektrycznym poruszają się pomiędzy węzłami sieci, tworząc prąd elektryczny ( Ryc.16.6).
Nazywa się przewodnością półprzewodników, wynikającą z obecności w nich wolnych elektronów przewodność elektronowa. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta liczba uszkodzonych wiązań, a co za tym idzie, wolnych elektronów. Po podgrzaniu od 300 do 700 K liczba wolnych nośników ładunku wzrasta z 10 17 do 10 24 1/m 3. Prowadzi to do zmniejszenia oporu.
Przewodność otworu. Kiedy wiązanie między atomami półprzewodnika zostaje zerwane, powstaje wolne miejsce z brakującym elektronem. Jest on nazywany otwór. Dziura ma nadmiar ładunku dodatniego w porównaniu z innymi nieprzerwanymi wiązaniami (patrz ryc. 16.6).
Położenie dziury w krysztale nie jest stałe. Poniższy proces zachodzi w sposób ciągły. Jeden z elektronów zapewniający połączenie atomów wskakuje w miejsce utworzonej dziury i przywraca tutaj wiązanie para-elektron, a tam, skąd ten elektron wyskoczył, powstaje nowa dziura. W ten sposób dziura może poruszać się po krysztale.
Jeśli natężenie pola elektrycznego w próbce wynosi zero, wówczas ruch dziur, równoważny ruchowi ładunków dodatnich, zachodzi losowo i dlatego nie wytwarza prądu elektrycznego. W obecności pola elektrycznego następuje uporządkowany ruch dziur, w wyniku czego prąd elektryczny związany z ruchem dziur dodaje się do prądu elektrycznego wolnych elektronów. Kierunek ruchu dziur jest przeciwny do kierunku ruchu elektronów ( Ryc.16.7).
W przypadku braku pola zewnętrznego na każdy wolny elektron (-) przypada jedna dziura (+). Po przyłożeniu pola wolny elektron jest przemieszczany w stosunku do natężenia pola. Jeden ze związanych elektronów również porusza się w tym kierunku. Wygląda to na przesunięcie dziury w kierunku pola.
Zatem w półprzewodnikach występują dwa rodzaje nośników ładunku: elektrony i dziury. Dlatego półprzewodniki mają nie tylko elektronikę, ale także przewodność dziury.
Zbadaliśmy mechanizm przewodzenia czystych półprzewodników. Nazywa się przewodnością w tych warunkach własną przewodność półprzewodniki.
Przewodnictwo czystych półprzewodników (przewodnictwo wewnętrzne) odbywa się poprzez ruch wolnych elektronów (przewodność elektronowa) i ruch związanych elektronów do wolnych miejsc wiązań parowo-elektronowych (przewodnictwo dziurowe).
???
1. Jakie wiązanie nazywa się kowalencyjnym?
2. Jaka jest różnica w zależności rezystancji półprzewodników i metali od temperatury?
3. Jakie nośniki ładunku ruchomego występują w czystym półprzewodniku?
4. Co się stanie, gdy elektron napotka dziurę?
G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fizyka 10. klasa
Treść lekcji notatki z lekcji ramka wspomagająca prezentację lekcji metody przyspieszania technologie interaktywne Ćwiczyć zadania i ćwiczenia autotest warsztaty, szkolenia, case'y, zadania prace domowe dyskusja pytania retoryczne pytania uczniów Ilustracje pliki audio, wideo i multimedia fotografie, obrazy, grafiki, tabele, diagramy, humor, anegdoty, dowcipy, komiksy, przypowieści, powiedzenia, krzyżówki, cytaty Dodatki streszczenia artykuły sztuczki dla ciekawskich szopki podręczniki podstawowy i dodatkowy słownik terminów inne Udoskonalanie podręczników i lekcjipoprawianie błędów w podręczniku aktualizacja fragmentu podręcznika, elementy innowacji na lekcji, wymiana przestarzałej wiedzy na nową Tylko dla nauczycieli doskonałe lekcje plan kalendarza na dany rok wytyczne programy dyskusyjne Zintegrowane LekcjeJeżeli masz uwagi lub sugestie dotyczące tej lekcji,
Półprzewodniki to klasa substancji, których przewodność wzrasta, a opór elektryczny maleje wraz ze wzrostem temperatury. Tym właśnie zasadniczo różnią się półprzewodniki od metali.
Typowymi półprzewodnikami są kryształy germanu i krzemu, w których atomy są połączone wiązaniem kowalencyjnym. W dowolnej temperaturze półprzewodniki zawierają wolne elektrony. Swobodne elektrony pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego mogą poruszać się w krysztale, tworząc prąd przewodzenia elektronów. Usunięcie elektronu z zewnętrznej powłoki jednego z atomów sieci krystalicznej prowadzi do przekształcenia tego atomu w jon dodatni. Jon ten może się zneutralizować, przechwytując elektron z jednego z sąsiednich atomów. Ponadto w wyniku przejść elektronów z atomów do jony dodatnie w krysztale miejsca z brakującym elektronem zachodzi proces chaotycznego ruchu. Zewnętrznie proces ten jest postrzegany jako ruch pozytywny ładunek elektryczny zwany otwór.
Kiedy kryształ zostanie umieszczony w polu elektrycznym, następuje uporządkowany ruch dziur - prąd przewodzenia dziury.
W idealnym krysztale półprzewodnikowym prąd elektryczny powstaje w wyniku ruchu kwota równa ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane dziury. Przewodnictwo w idealnych półprzewodnikach nazywa się przewodnictwem wewnętrznym.
Właściwości półprzewodników w dużym stopniu zależą od zawartości zanieczyszczeń. Istnieją dwa rodzaje zanieczyszczeń – donor i akceptor.
Zanieczyszczenia, które oddają elektrony i tworzą przewodność elektronową, nazywane są dawca(zanieczyszczenia o wartościowości większej niż główny półprzewodnik). Półprzewodniki, w których stężenie elektronów przekracza stężenie dziur, nazywane są półprzewodnikami typu n.
Nazywa się zanieczyszczenia, które wychwytują elektrony i w ten sposób tworzą ruchome dziury bez zwiększania liczby elektronów przewodzących akceptor(zanieczyszczenia o wartościowości mniejszej niż główny półprzewodnik).
W niskich temperaturach głównymi nośnikami prądu w krysztale półprzewodnika z domieszką akceptorową są dziury, a nie głównymi nośnikami - elektrony. Półprzewodniki, w których stężenie dziur przekracza stężenie elektronów przewodzących, nazywane są półprzewodnikami dziurowymi lub półprzewodnikami typu p. Rozważmy kontakt dwóch półprzewodników różne rodzaje przewodność.
Wzajemna dyfuzja nośników większościowych zachodzi na granicy tych półprzewodników: elektrony z n-półprzewodnika dyfundują do p-półprzewodnika, a dziury z p-półprzewodnika do n-półprzewodnika. W rezultacie obszar n-półprzewodnika sąsiadujący ze stykiem zostanie pozbawiony elektronów i utworzy się w nim nadmiar ładunku dodatniego z powodu obecności gołych jonów zanieczyszczeń. Ruch dziur z półprzewodnika p do półprzewodnika n prowadzi do pojawienia się nadmiernego ładunku ujemnego w obszarze granicznym półprzewodnika p. W rezultacie powstaje podwójna warstwa elektryczna i powstaje kontaktowe pole elektryczne, które zapobiega dalszej dyfuzji głównych nośników ładunku. Ta warstwa nazywa się zamykający.
Zewnętrzne pole elektryczne wpływa na przewodność elektryczną warstwy barierowej. Jeżeli półprzewodniki są podłączone do źródła w sposób pokazany na ryc. 55, wówczas pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego główne nośniki ładunku – wolne elektrony w półprzewodniku p i dziury w półprzewodniku p – będą przesuwać się ku sobie w kierunku granicy półprzewodników, natomiast grubość złącza p-n maleje, zatem jego opór maleje. W tym przypadku natężenie prądu jest ograniczone przez opór zewnętrzny. Ten kierunek zewnętrznego pola elektrycznego nazywa się bezpośrednim. Bezpośrednie podłączenie złącza p-n odpowiada rozdziałowi 1 charakterystyki prądowo-napięciowej (patrz rys. 57).
Nośniki prądu elektrycznego w różnych środowiskach i charakterystykach prądowo-napięciowych podsumowano w tabeli. 1.
Jeżeli półprzewodniki są podłączone do źródła w sposób pokazany na ryc. 56, wówczas elektrony w półprzewodniku n i dziury w półprzewodniku p będą przemieszczać się pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego od granicy w przeciwnych kierunkach. Zwiększa się grubość warstwy barierowej, a co za tym idzie jej odporność. Przy takim kierunku zewnętrznego pola elektrycznego - odwrotnym (blokującym), przez interfejs przechodzą tylko nośniki ładunku mniejszościowego, których stężenie jest znacznie mniejsze niż większościowe, a prąd jest praktycznie równy zeru. Odwrotne włączenie złącza pn odpowiada rozdziałowi 2 dotyczącemu charakterystyki prądowo-napięciowej (ryc. 57).
Półprzewodniki zajmują pośrednie miejsce w przewodności elektrycznej pomiędzy przewodnikami i nieprzewodnikami prądu elektrycznego. Grupa półprzewodników obejmuje znacznie więcej substancji niż grupy przewodników i nieprzewodników razem wzięte. Bardzo charakterystyczni przedstawiciele półprzewodników, którzy znaleźli praktyczne użycie w technologii są german, krzem, selen, tellur, arsen, tlenek miedziawy oraz ogromna liczba stopów i związków chemicznych. Prawie wszystkie substancje nieorganiczne w otaczającym nas świecie są półprzewodnikami. Najpopularniejszym półprzewodnikiem w przyrodzie jest krzem, który stanowi około 30% skorupy ziemskiej.
Różnica jakościowa między półprzewodnikami a metalami objawia się przede wszystkim w zależności rezystywności od temperatury. Wraz ze spadkiem temperatury rezystancja metali maleje. Przeciwnie, w półprzewodnikach rezystancja wzrasta wraz ze spadkiem temperatury i w pobliżu zera absolutnego praktycznie stają się izolatorami.
W półprzewodnikach stężenie wolnych nośników ładunku wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Mechanizmu prądu elektrycznego w półprzewodnikach nie da się wyjaśnić w ramach modelu gazu na swobodnych elektronach.
Atomy germanu mają cztery słabo związane elektrony na swojej zewnętrznej powłoce. Nazywa się je elektronami walencyjnymi. W sieci krystalicznej każdy atom jest otoczony przez czterech najbliższych sąsiadów. Wiązanie między atomami w krysztale germanu jest kowalencyjne, to znaczy jest realizowane przez pary elektronów walencyjnych. Każdy elektron walencyjny należy do dwóch atomów. Elektrony walencyjne w krysztale germanu są znacznie silniej związane z atomami niż w metalach; Dlatego stężenie elektronów przewodzących w temperaturze pokojowej w półprzewodnikach jest o wiele rzędów wielkości mniejsze niż w metalach. W temperaturze bliskiej zera absolutnego w krysztale germanu wszystkie elektrony są zajęte w tworzeniu wiązań. Taki kryształ nie przewodzi prądu elektrycznego.
Wraz ze wzrostem temperatury niektóre elektrony walencyjne mogą zyskać energię wystarczającą do rozerwania wiązań kowalencyjnych. Wtedy w krysztale pojawią się wolne elektrony (elektrony przewodzące). Jednocześnie w miejscach zerwania wiązań powstają wakaty, które nie są zajęte przez elektrony. Te wolne miejsca pracy nazywane są „dziurami”.
W danej temperaturze półprzewodnika w jednostce czasu powstaje pewna liczba par elektron-dziura. W tym samym czas ucieka proces odwrotny – gdy wolny elektron spotyka dziurę, przywracane jest wiązanie elektronowe pomiędzy atomami germanu. Proces ten nazywa się rekombinacją. Pary elektron-dziura mogą powstawać również podczas oświetlania półprzewodnika energią promieniowania elektromagnetycznego.
Jeśli półprzewodnik zostanie umieszczony w polu elektrycznym, w uporządkowanym ruchu biorą udział nie tylko swobodne elektrony, ale także dziury, które zachowują się jak cząstki naładowane dodatnio. Dlatego prąd I w półprzewodniku składa się z prądów elektronu I n i dziur I p: ja = ja n + ja p.
Stężenie elektronów przewodzących w półprzewodniku jest równe stężeniu dziur: n n = n p. Mechanizm przewodnictwa elektron-dziura objawia się tylko w czystych (tj. Bez zanieczyszczeń) półprzewodnikach. Nazywa się to wewnętrzną przewodnością elektryczną półprzewodników.
W obecności zanieczyszczeń przewodność elektryczna półprzewodników ulega znacznym zmianom. Na przykład dodanie zanieczyszczeń fosfor w kryształ krzem w ilości 0,001 procent atomowych zmniejsza rezystywność o więcej niż pięć rzędów wielkości.
Półprzewodnik, do którego wprowadza się domieszkę (tzn. część atomów jednego typu zostaje zastąpiona atomami innego typu) nazywa się półprzewodnikiem zanieczyszczony lub domieszkowany.
Istnieją dwa rodzaje przewodnictwa zanieczyszczeń - przewodnictwo elektroniczne i przewodnictwo dziurowe.
Zatem podczas dopingu czterowartościowego german (Ge) lub krzem (Si) pięciowartościowy - fosfor (P), antymon (Sb), arsen (As) Dodatkowy wolny elektron pojawia się w miejscu atomu domieszki. W tym przypadku nazywa się to zanieczyszczeniem dawca .
Podczas domieszkowania czterowartościowego germanu (Ge) lub krzemu (Si) trójwartościowym - aluminium (Al), ind (Jn), bor (B), gal (Ga)
- pojawia się dziura w linii. Takie zanieczyszczenia nazywane są akceptor
.
W tej samej próbce materiału półprzewodnikowego jedna sekcja może mieć przewodność p, a inna przewodność n. Takie urządzenie nazywa się diodą półprzewodnikową.
Przedrostek „di” w słowie „dioda” oznacza „dwa”, wskazuje, że urządzenie składa się z dwóch głównych „części”, dwóch ściśle przylegających do siebie kryształów półprzewodników: jednego o przewodności p (jest to strefa R), drugi - z n - przewodnością (jest to strefa P). W rzeczywistości dioda półprzewodnikowa to jeden kryształ, do którego jednej części wprowadza się domieszkę donora (strefa P), do drugiego - akceptora (strefa R).
Jeśli przyłożysz stałe napięcie „plus” do strefy od akumulatora do diody R i „minus” do strefy P, wówczas wolne ładunki - elektrony i dziury - popędzą do granicy i pędzą do złącza pn. Tutaj zneutralizują się, nowe ładunki zbliżą się do granicy, a w obwodzie diody zostanie ustalony prąd stały. Jest to tak zwane bezpośrednie podłączenie diody - ładunki przemieszczają się przez nią intensywnie, a w obwodzie płynie stosunkowo duży prąd stały.
Teraz zmieńmy polaryzację napięcia na diodzie i, jak mówią, włączmy ją odwrotnie - podłącz akumulator „plus” do strefy P,„minus” - do strefy R.Ładunki swobodne zostaną odciągnięte od granicy, elektrony przesuną się na „plus”, dziury na „minus” i w efekcie złącze pn zamieni się w strefę pozbawioną wolnych ładunków, w czysty izolator. Oznacza to, że obwód zostanie przerwany, a prąd w nim ustanie.
Mały prąd wsteczny będzie nadal płynął przez diodę. Ponieważ oprócz głównych wolnych ładunków (nośników ładunku) - elektronów, w strefie P, oraz dziury w strefie p – w każdej ze stref znajduje się także niewielka ilość ładunków o znaku przeciwnym. Są to własne nośniki ładunku mniejszościowego, istnieją w każdym półprzewodniku, pojawiają się w nim w wyniku termicznych ruchów atomów i to one wytwarzają prąd wsteczny przez diodę. Ładunki te są stosunkowo małe, a prąd wsteczny jest wielokrotnie mniejszy niż prąd przewodzenia. Ilość prądu wstecznego silnie zależy od temperatury środowisko, materiał półprzewodnikowy i powierzchnia p-n przemiana. Wraz ze wzrostem powierzchni złącza zwiększa się jego objętość, a co za tym idzie, wzrasta liczba nośników mniejszościowych pojawiających się w wyniku generacji ciepła i prądu cieplnego. Często charakterystyki prądowo-napięciowe są przedstawiane w formie wykresów dla przejrzystości.
W półprzewodnikach swobodne elektrony i dziury znajdują się w stanie ruchu chaotycznego. Dlatego jeśli wybierzesz dowolny przekrój wewnątrz objętości półprzewodnika i policzysz liczbę nośników ładunku przechodzących przez ten przekrój w jednostce czasu od lewej do prawej i od prawej do lewej, wartości tych liczb będą To samo. Oznacza to, że w danej objętości półprzewodnika nie ma prądu elektrycznego. Kiedy półprzewodnik zostanie umieszczony w polu elektrycznym o natężeniu E, na chaotyczny ruch nośników ładunku nakłada się składowa ruchu skierowanego. Kierunkowy ruch nośników ładunku w polu elektrycznym powoduje pojawienie się prądu zwanego dryftem (rys. 1.5)
W wysokich temperaturach stężenie elektronów i dziur znacznie wzrasta na skutek rozrywania wiązań kowalencyjnych i pomimo spadku ich ruchliwości, przewodność elektryczna półprzewodnika wzrasta wykładniczo.
Rysunek 1.5 Prąd dryftowy w półprzewodniku
1.2.2 Prąd dyfuzyjny
Oprócz wzbudzenia termicznego, które prowadzi do pojawienia się równowagowego stężenia ładunków równomiernie rozmieszczonych w całej objętości półprzewodnika, wzbogacenie półprzewodnika w elektrony do stężenia n p i dziury do stężenia p n można przeprowadzić poprzez oświetlenie, naświetlanie strumieniem naładowanych cząstek, ich wprowadzanie przez kontakt (wtrysk) itp. W tym przypadku energia wzbudnicy przekazywana jest bezpośrednio do nośników ładunku, a energia cieplna sieci krystalicznej pozostaje prawie stała. W związku z tym nadmiarowe nośniki ładunku nie znajdują się w równowadze termicznej z siecią i dlatego nazywane są nierównowagowymi. W przeciwieństwie do równowagowych, mogą być nierównomiernie rozmieszczone w całej objętości półprzewodnika (ryc. 1.6) 
Po ustaniu działania patogenu w wyniku rekombinacji elektronów i dziur stężenie nadmiarowych nośników szybko maleje i osiąga wartość równowagi.
Nośniki ładunku ulegają rekombinacji w większości półprzewodnika i na jego powierzchni. Nierównomiernemu rozmieszczeniu nierównowagowych nośników ładunku towarzyszy ich dyfuzja w kierunku niższych stężeń. Ten ruch nośników ładunku powoduje przepływ prądu elektrycznego, zwany dyfuzją (ryc. 1.6).
Rysunek 1.6 Prąd dyfuzyjny w półprzewodniku
1.3 Zjawiska kontaktowe
Przejście elektron-dziura w stanie równowagi
Zasada działania większości urządzeń półprzewodnikowych opiera się na zjawiskach fizycznych zachodzących w obszarze kontaktu ciał stałych. W tym przypadku stosuje się głównie styki: półprzewodnik-półprzewodnik; metal półprzewodnikowy; metal-dielektryk-półprzewodnik.
Jeśli pomiędzy półprzewodnikami typu n i typu p powstaje złącze, wówczas nazywa się je złączem elektron-dziura lub złączem p-n.
Złącze elektron-dziura tworzone jest w pojedynczym krysztale półprzewodnika przy użyciu złożonych i różnorodnych operacji technologicznych.
Rozważmy przejście p-n, w którym stężenia dawców N d i akceptorów N a zmieniają się gwałtownie na granicy faz (ryc. 1.7, a). Takie przejście pn nazywa się nagłym. Równowagowe stężenie dziur w obszarze p () znacznie przekracza ich stężenie w obszarze n (). Podobnie dla elektronów warunek> jest spełniony. Nierównomierny rozkład stężeń podobnych nośników ładunku w krysztale (ryc. 1.7, b) prowadzi do dyfuzji elektronów z obszaru n do obszaru p i dziur z obszaru p do obszaru n. Ten ruch ładunków wytwarza prąd dyfuzyjny elektronów i dziur.
Elektrony i dziury, przechodząc przez kontakt ku sobie (w wyniku dyfuzji), rekombinują i w obszarze bliskim kontaktu półprzewodnika dziurowego powstaje nieskompensowany ładunek jonów ujemnych zanieczyszczeń akceptorowych, a nieskompensowany ładunek dodatnich jonów donorowych w półprzewodnik elektroniczny (ryc. 1.6, c). Zatem półprzewodnik elektroniczny jest naładowany dodatnio, a półprzewodnik dziurkowy jest naładowany ujemnie. Pomiędzy obszarami o różnych rodzajach przewodności elektrycznej powstaje własne pole elektryczne o natężeniu E ja (ryc. 1.7, a), utworzone przez dwie warstwy ładunków kosmicznych.
Wewnętrzne pole elektryczne maleje w przypadku większości nośników ładunku i przyspiesza w przypadku nośników mniejszościowych. Elektrony obszaru p i dziury obszaru n, wykonując ruch termiczny, wpadają w granice dyfuzyjnego pola elektrycznego, są przez nie porywane i przenoszone do przeciwległych obszarów, tworząc prąd dryfowy, czyli prąd przewodzenia.
Rysunek 1.7 Stan równowagi złącza p-n
Nazywa się obszarem bliskiego kontaktu, w którym występuje własne pole elektryczne P- Nprzemiana. W tym obszarze półprzewodnik charakteryzuje się własną przewodnością elektryczną i ma zwiększoną rezystancję w porównaniu z resztą objętości. W związku z tym nazywa się to warstwą barierową lub obszarem ładunku kosmicznego.
Na szerokość warstwy blokującej istotny wpływ ma stężenie atomów zanieczyszczeń. Wzrost stężenia atomów zanieczyszczeń zwęża warstwę barierową, a spadek ją rozszerza. Jest to często stosowane w celu nadania pożądanych właściwości urządzeniom półprzewodnikowym.
Lekcja nr 41-169 Prąd elektryczny w półprzewodnikach. Dioda półprzewodnikowa. Urządzenia półprzewodnikowe.
Półprzewodnik to substancja, której rezystywność może zmieniać się w szerokim zakresie i bardzo szybko maleje wraz ze wzrostem temperatury, co oznacza, że wzrasta przewodność elektryczna. Występuje w krzemie, germanie, selenie i niektórych związkach.
Mechanizm przewodzenia w półprzewodnikach
Kryształy półprzewodników mają atomową sieć krystaliczną, w której zewnętrzne elektrony są związane z sąsiednimi atomami wiązaniami kowalencyjnymi. W niskich temperaturach czyste półprzewodniki nie mają wolnych elektronów i zachowują się jak izolator. Jeśli półprzewodnik jest czysty (bez zanieczyszczeń), to ma własną przewodność (małą).
Istnieją dwa rodzaje przewodnictwa wewnętrznego:
1) elektroniczny (przewodność „ P typ „) W niskich temperaturach w półprzewodnikach wszystkie elektrony są powiązane z jądrami i rezystancja jest wysoka; Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia kinetyczna cząstek, wiązania rozpadają się i pojawiają się wolne elektrony – opór maleje.
Swobodne elektrony poruszają się przeciwnie do wektora natężenia pola elektrycznego. Przewodnictwo elektronowe półprzewodników wynika z obecności wolnych elektronów.
2) dziura (przewodność typu p). Wraz ze wzrostem temperatury wiązania kowalencyjne między elektronami walencyjnymi zostają zerwane i powstają przestrzenie z brakującym elektronem – „dziura”. Może poruszać się po krysztale, ponieważ jego miejsce można zastąpić elektronami walencyjnymi. Przesunięcie „dziury” jest równoznaczne z przesunięciem ładunek dodatni. Otwór porusza się w kierunku wektora natężenia pola elektrycznego.
Zerwanie wiązań kowalencyjnych i pojawienie się przewodnictwa wewnętrznego w półprzewodnikach może być spowodowane ciepłem, światłem (fotoprzewodnictwem) i działaniem silnych pól elektrycznych.
Zależność R od oświetlenia: Fotorezystor - przekaźnik fotograficzny - wyłączniki awaryjne |
Całkowita przewodność czystego półprzewodnika jest sumą przewodności typu „p” i „n” i nazywana jest przewodnością elektronowo-dziurową.
Półprzewodniki z zanieczyszczeniami
Mają przewodność wewnętrzną i domieszkową. Obecność zanieczyszczeń znacznie zwiększa przewodność. Kiedy zmienia się stężenie zanieczyszczeń, zmienia się liczba nośników prądu elektrycznego – elektronów i dziur. Podstawą jest możliwość kontrolowania prądu szerokie zastosowanie półprzewodniki. Istnieją następujące zanieczyszczenia:
1) zanieczyszczenia dawcy (oddawanie) – są dodatkowe
dostawcy elektronów do kryształów półprzewodników, łatwo oddają elektrony i zwiększają liczbę wolnych elektronów w półprzewodniku. Są to przewodniki typu „n”, tj. półprzewodniki z domieszkami donorowymi, w których większościowym nośnikiem ładunku są elektrony, a mniejszościowym nośnikiem ładunku są dziury. Taki półprzewodnik ma przewodność zanieczyszczeń elektronicznych (na przykład arsenu).
2) zanieczyszczenia akceptorowe (odbiorniki) tworzą „dziury”, przyjmując do siebie elektrony. Są to półprzewodniki typu „p”, tj. półprzewodniki z domieszkami akceptorowymi, w których znajduje się główny nośnik ładunku
dziury, a mniejszość - elektrony. Taki półprzewodnik ma
przewodność zanieczyszczeń dziurowych (przykład - ind).
Właściwości elektryczne „p-N » przejścia.
Złącze „pn” (lub złącze elektron-dziura) to obszar styku dwóch półprzewodników, w którym przewodnictwo zmienia się z elektronicznego na dziurowe (lub odwrotnie).
Takie obszary można utworzyć w krysztale półprzewodnika poprzez wprowadzenie zanieczyszczeń. W strefie styku dwóch półprzewodników o różnej przewodności nastąpi wzajemna dyfuzja elektronów i dziur oraz powstanie bariera blokująca.
warstwa elektryczna. Pole elektryczne warstwy barierowej zapobiega
dalsze przejście elektronów i dziur przez granicę. Warstwa blokująca ma zwiększoną rezystancję w porównaniu do innych obszarów półprzewodnika.
Zewnętrzne pole elektryczne wpływa na rezystancję warstwy barierowej. W kierunku do przodu (przez) zewnętrznego pola elektrycznego prąd przepływa przez granicę dwóch półprzewodników. Ponieważ elektrony i dziury zbliżają się do siebie w kierunku granicy faz, następnie elektrony
przekraczając granicę, zapełniają dziury. Grubość warstwy barierowej i jej opór stale maleją.
Przy blokowaniu (odwrotnym kierunku zewnętrznego pola elektrycznego) prąd nie przejdzie przez powierzchnię styku dwóch półprzewodników. Ponieważ elektrony i dziury przemieszczają się od granicy w przeciwnych kierunkach, a następnie warstwa blokująca
gęstnieje, zwiększa się jego opór.
Zatem przejście elektron-dziura ma przewodnictwo jednokierunkowe.
Dioda półprzewodnikowa- półprzewodnik z jednym złączem „p-n”.
Diody półprzewodnikowe są głównymi elementami prostowników prądu przemiennego.
Kiedy przyłożone jest pole elektryczne: w jednym kierunku rezystancja półprzewodnika jest wysoka, w przeciwnym kierunku rezystancja jest niska.
Tranzystory.(z angielskie słowa transfer - transfer, rezystor - rezystancja)
Rozważmy jeden z typów tranzystorów wykonanych z germanu lub krzemu z wprowadzonymi do nich zanieczyszczeniami donorami i akceptorami. Rozkład zanieczyszczeń jest taki, że pomiędzy dwiema warstwami półprzewodnika typu p tworzy się bardzo cienka (rzędu kilku mikrometrów) warstwa półprzewodnika typu n (patrz rysunek).
Ta cienka warstwa nazywa się podstawa Lub baza. W krysztale powstają dwa R-n skrzyżowań, których bezpośrednie kierunki są przeciwne. Trzy zaciski z obszarów o różnej przewodności pozwalają na włączenie tranzystora do obwodu pokazanego na rysunku. Przy włączonym przełączniku, w lewo R-n -przejście jest bezpośredni i oddziela bazę od obszaru o przewodnictwie typu p, tzw emiter. Gdyby nie było prawa R-n złącze, w obwodzie emiter - baza będzie płynął prąd zależny od napięcia źródeł (akumulatorów B1 i źródło napięcia przemiennego) oraz rezystancję obwodu, w tym niską rezystancję bezpośredniego złącza emiter-baza.
Bateria B2 włączony tak, aby prawo R Złącze -n w obwodzie (patrz rysunek) to odwracać. Oddziela bazę od prawego obszaru przewodnictwem typu p, tzw kolektor. Gdyby nie zostało R-n złącze, prąd w obwodzie kolektora będzie bliski zeru, ponieważ
Rezystancja złącza odwrotnego jest bardzo wysoka. Jeśli po lewej stronie jest prąd R-n złącze, w obwodzie kolektora pojawia się prąd, a prąd w kolektorze jest tylko nieznacznie mniejszy niż prąd w emiterze (jeśli do emitera zostanie przyłożone napięcie ujemne, wówczas lewy R-n-złącze będzie odwrotne i praktycznie nie będzie prądu w obwodzie emitera i obwodzie kolektora). Kiedy pomiędzy emiterem a bazą powstaje napięcie, nośniki większościowe półprzewodnika typu p - dziury - wnikają do bazy, gdzie są już nośnikami mniejszościowymi. Ponieważ grubość podstawy jest bardzo mała, a liczba w niej większości nośników (elektronów) jest niewielka, dziury, które do niej dostają się, prawie nie łączą się (nie łączą) z elektronami podstawy i wnikają do kolektora z powodu do dyfuzji. Prawidłowy R Złącze -n jest zamknięte dla głównych nośników ładunku bazy - elektronów, ale nie dla dziur. W kolektorze dziury są porywane przez pole elektryczne i zamykają obwód. Siła prądu rozgałęziającego się do obwodu emitera z podstawy jest bardzo mała, ponieważ pole przekroju podstawy w płaszczyźnie poziomej (patrz rysunek powyżej) jest znacznie mniejsze niż przekrój w płaszczyźnie pionowej.
Prąd w kolektorze, który jest prawie równy prądowi w emiterze, zmienia się wraz z prądem w emiterze. Rezystor R ma niewielki wpływ na prąd kolektora, a rezystancja ta może być dość duża. Kontrolując prąd emitera za pomocą źródła napięcia przemiennego podłączonego do jego obwodu, uzyskujemy synchroniczną zmianę napięcia na rezystorze R .
Przy dużej rezystancji rezystora zmiana napięcia na nim może być dziesiątki tysięcy razy większa niż zmiana napięcia sygnału w obwodzie emitera. Oznacza to zwiększone napięcie. Dlatego przy obciążeniu R możliwe jest uzyskanie sygnałów elektrycznych, których moc jest wielokrotnie większa niż moc wchodząca do obwodu emitera.
Zastosowanie tranzystorów Nieruchomości R Złącza -n w półprzewodnikach służą do wzmacniania i generowania oscylacji elektrycznych.
