Les semi-conducteurs sont des matériaux qui, dans des conditions normales, sont des isolants, mais qui, avec l'augmentation de la température, deviennent des conducteurs. Autrement dit, dans les semi-conducteurs, lorsque la température augmente, la résistance diminue.

La structure d'un semi-conducteur sur l'exemple d'un cristal de silicium

Considérez la structure des semi-conducteurs et les principaux types de conductivité qu'ils contiennent. A titre d'exemple, considérons un cristal de silicium.

Le silicium est un élément tétravalent. Par conséquent, dans son coque extérieure Il y a quatre électrons qui sont faiblement liés au noyau d'un atome. Chacun a quatre atomes de plus dans son voisinage.

Les atomes interagissent entre eux et forment des liaisons covalentes. Un électron de chaque atome participe à une telle liaison. Le schéma du dispositif au silicium est illustré dans la figure suivante.

image

Les liaisons covalentes sont assez fortes et basses températures ne pas casser. Par conséquent, il n'y a pas de porteurs de charge libres dans le silicium et c'est un diélectrique à basse température. Il existe deux types de conduction dans les semi-conducteurs : électron et trou.

Conductivité électronique

Lorsque le silicium est chauffé, une énergie supplémentaire lui sera transmise. L'énergie cinétique des particules augmente et certaines liaisons covalentes sont rompues. Cela crée des électrons libres.

Dans un champ électrique, ces électrons se déplacent entre les nœuds réseau cristallin. Dans ce cas, un courant électrique sera créé dans le silicium.

Les électrons libres étant les principaux porteurs de charge, ce type de conduction est appelé conduction électronique. Le nombre d'électrons libres dépend de la température. Plus on chauffe du silicium, plus des liaisons covalentes se cassera, et par conséquent, plus d'électrons libres apparaîtront. Cela entraîne une diminution de la résistance. Et le silicium devient conducteur.

conduction du trou

Lorsqu'une liaison covalente est rompue, une lacune se forme à la place de l'électron éjecté, qui peut être occupé par un autre électron. Cet endroit s'appelle un trou. Le trou a une charge positive en excès.

La position d'un trou dans un cristal change constamment, n'importe quel électron peut prendre cette position et le trou se déplacera vers l'endroit d'où l'électron a sauté. Si champ électrique non, alors le mouvement des trous est aléatoire, et donc aucun courant ne se produit.

S'il est présent, il y a un ordre dans le mouvement des trous, et en plus du courant créé par les électrons libres, il y a aussi un courant créé par les trous. Les trous se déplaceront dans la direction opposée aux électrons.

Ainsi, dans les semi-conducteurs, la conductivité est électron-trou. Le courant est généré à la fois par les électrons et par les trous. Ce type de conduction est également appelé conduction intrinsèque, puisque les éléments d'un seul atome sont impliqués.

Transport de porteurs dans les semi-conducteurs

introduction

Les porteurs de courant dans les semi-conducteurs sont les électrons et les trous. Les porteurs de courant se déplacent dans le champ périodique des atomes de cristal comme s'ils étaient des particules libres. L'effet du potentiel périodique n'affecte que la masse du porteur. C'est-à-dire que sous l'action du potentiel périodique, la masse du porteur change. À cet égard, la physique du solide introduit le concept de masse effective d'un électron et d'un trou. Énergie moyenne mouvement thermiqueélectrons et trous est kT/2 pour chaque degré de liberté. La vitesse thermique d'un électron et d'un trou à température ambiante est d'environ 10 7 cm/s.

Si un champ électrique est appliqué à un semi-conducteur, alors ce champ provoquera la dérive des porteurs de courant. Dans ce cas, la vitesse des porteurs augmentera d'abord avec une augmentation du champ, atteindra la valeur moyenne de la vitesse, puis cessera de changer, car les porteurs sont dispersés. La diffusion est causée par des défauts, des impuretés et l'émission ou l'absorption de phonons. La principale raison de la diffusion des porteurs est les impuretés chargées et les vibrations thermiques des atomes du réseau (absorption/émission de phonons). L'interaction avec eux entraîne un changement brusque de la vitesse des porteurs et de la direction de leur mouvement. Le changement de direction de la vitesse du porteur est aléatoire. Un mécanisme supplémentaire de diffusion des porteurs de courant est la diffusion des porteurs à la surface d'un semi-conducteur.

En présence d'un champ électrique extérieur, le caractère aléatoire du mouvement des porteurs dans un semi-conducteur se superpose au mouvement dirigé des porteurs sous l'action du champ dans les intervalles entre collisions. Et même malgré le fait que la vitesse de mouvement aléatoire des porteurs peut être plusieurs fois supérieure à la vitesse de mouvement directionnel des porteurs sous l'action d'un champ électrique, la composante aléatoire du mouvement des porteurs peut être négligée, car avec un mouvement aléatoire le flux porteur résultant zéro. L'accélération des porteurs sous l'action d'un champ extérieur obéit aux lois de la dynamique de Newton. La diffusion entraîne un changement brusque de la direction du mouvement et de l'amplitude de la vitesse, mais après la diffusion, le mouvement accéléré de la particule sous l'action du champ reprend.

L'effet net des collisions est que les particules n'accélèrent pas, mais les particules atteignent rapidement une vitesse de mouvement constante. Cela équivaut à introduire une composante de décélération dans l'équation du mouvement d'une particule caractérisée par une constante de temps t. Pendant ce laps de temps, la particule perd de son élan m.v. déterminé par la vitesse moyenne v. Pour une particule qui a une accélération constante entre collisions, cette constante de temps est égale au temps entre deux collisions successives. Considérons plus en détail les mécanismes de transport des porteurs de courant dans les semi-conducteurs.

dérivecourant(Courant de dérive)

Le mouvement de dérive des porteurs dans un semi-conducteur sous l'action d'un champ électrique peut être illustré par la figure XXX. Le champ indique aux transporteurs la vitesse v.

Figure. Mouvement des porteurs sous l'action du terrain .

Si nous supposons que tous les porteurs d'un semi-conducteur se déplacent à la même vitesse v, alors le courant peut être exprimé comme le rapport de la charge totale transférée entre les électrodes au temps t r faire passer cette charge d'une électrode à l'autre, soit :

où L – distance entre les électrodes.

La densité de courant peut maintenant être exprimée en termes de concentration de porteurs de courant n en semi-conducteur :

où MAIS est la section transversale du semi-conducteur.

Mobilité

La nature du mouvement des porteurs de courant dans un semi-conducteur en l'absence de champ et sous l'action d'un champ électrique extérieur est représentée sur la figure XXX. Comme déjà noté, la vitesse thermique des électrons est de l'ordre de 10 7 cm/s, et elle est bien supérieure à la vitesse de dérive des électrons.

Figure. Nature aléatoire du mouvement des porteurs de courant dans un semi-conducteur en l'absence et en présence d'un champ extérieur.

Considérons le mouvement des porteurs uniquement sous l'action d'un champ électrique. D'après la loi de Newton :

où la force comprend deux composantes - la force électrostatique et moins la force qui provoque la perte de quantité de mouvement lors de la diffusion, divisée par le temps entre les collisions :

En assimilant ces expressions et en utilisant l'expression pour vitesse moyenne, on a:

Considérons seulement le cas stationnaire, lorsque la particule a déjà accéléré et atteint sa vitesse moyenne constante. Dans cette approximation, la vitesse est proportionnelle à l'intensité du champ électrique. Le coefficient de proportionnalité entre les dernières valeurs est défini comme la mobilité :

La mobilité est inversement proportionnelle à la masse du porteur et directement proportionnelle au libre parcours moyen.

La densité de courant de dérive peut s'écrire en fonction de la mobilité :

Comme déjà noté, dans les semi-conducteurs, la masse des porteurs n'est pas égale à la masse d'un électron dans le vide, m et la formule de mobilité devrait utiliser la masse effective, m * :

Diffusion des porteurs de courant dans les semi-conducteurs.

Courant de diffusion

Si externe champ électrique est absent dans un semi-conducteur, il y a alors un mouvement aléatoire des porteurs de courant - électrons et trous sous l'action de l'énergie thermique. Ce mouvement aléatoire n'entraîne pas de mouvement directionnel des porteurs et la formation de courant. Toujours à la place du porteur qui a quitté n'importe quel endroit, un autre viendra à sa place. Ainsi, une densité de porteurs uniforme est maintenue dans tout le volume du semi-conducteur.

Mais la situation change si les porteurs sont inégalement répartis sur le volume, c'est-à-dire il y a un gradient de concentration. Dans ce cas, sous l'action du gradient de concentration, il se produit un mouvement dirigé des porteurs - diffusion de la région où la concentration est la plus élevée vers la région à faible concentration. Le mouvement directionnel des porteurs chargés sous l'action de la diffusion crée un courant de diffusion. Considérons cet effet plus en détail.

Nous obtenons une relation pour le courant de diffusion. Nous partirons du fait que le mouvement directionnel des porteurs sous l'action du gradient de concentration se produit à la suite d'un mouvement thermique (à une température
selon Kelvin, pour chaque degré de liberté d'une particule, il existe une énergie
), c'est à dire. la diffusion est absente à température nulle (la dérive des porteurs est également possible à 0K).

Malgré le fait que la nature aléatoire du mouvement des porteurs sous l'action de la chaleur nécessite une approche statistique, la dérivation d'une formule pour le courant de diffusion sera basée sur l'utilisation de valeurs moyennes caractérisant les processus. Le résultat est le même.

Introduisons les valeurs moyennes - la vitesse thermique moyenne v e, temps moyen entre collisions,  , Et longueur moyenne course libre, je. La vitesse thermique moyenne peut être dirigée à la fois dans le sens positif et dans le sens négatif. Ces grandeurs sont reliées entre elles par la relation

Considérons la situation avec une distribution inhomogène d'électrons n(X) (voir Figure XXX).

Figure. une Profil de densité de porteurs utilisé pour dériver l'expression de diffusion actuelle

Considérons le flux d'électrons à travers un plan de coordonnées X = 0. Les porteurs viennent à ce plan à partir du côté gauche de la coordonnée X = - je, et à droite du côté de la coordonnée X = je. Le flux d'électrons de gauche à droite est

où le coefficient ½ signifie que la moitié des électrons sont dans le plan de coordonnée X = - je se déplace vers la gauche et l'autre moitié se déplace vers la droite. De même, le flux d'électrons à travers X = 0 venant du côté droit X = + je sera égal à :

Le flux total d'électrons traversant le plan X = 0 de gauche à droite, sera :

En supposant que le libre parcours moyen des électrons est suffisamment petit, nous pouvons noter la différence de concentration d'électrons à droite et à gauche de la coordonnée X = 0 par le rapport de la différence de concentration à la distance entre les plans, c'est-à-dire par la dérivée :

La densité de courant électronique sera égale à :

Habituellement, le produit de la vitesse thermique et du libre parcours moyen est remplacé par un facteur unique, appelé coefficient de diffusion des électrons, ré n .

Des relations similaires peuvent également être écrites pour le courant de diffusion des trous :

Il faut seulement rappeler que la charge des trous est positive.

Il existe une relation entre le coefficient de diffusion et la mobilité. Bien qu'à première vue, il puisse sembler que ces coefficients ne devraient pas être liés, car la diffusion des porteurs est due au mouvement thermique et la dérive des porteurs est due à un champ électrique externe. Cependant, l'un des principaux paramètres, le temps entre les collisions, ne devrait pas dépendre de la cause qui a provoqué le déplacement des porteurs.

Nous utilisons la définition de la vitesse thermique comme,

et les conclusions de la thermodynamique selon lesquelles pour chaque degré de liberté du mouvement des électrons, il existe une énergie thermique kT/2, égal à la cinétique :

A partir de ces relations, on peut obtenir le produit de la vitesse thermique et du libre parcours moyen, exprimé en fonction de la mobilité du porteur :

Mais nous avons déjà défini le produit de la vitesse thermique et du libre parcours moyen comme coefficient de diffusion. Alors la dernière relation pour les électrons et les trous peut être écrite sous la forme suivante :

Ces relations sont appelées les relations d'Einstein.

Courant total

Le courant total à travers un semi-conducteur est la somme du courant de dérive et de diffusion. Pour la densité de courant électronique, on peut écrire :

et de même pour les trous :

La densité de courant totale à travers le semi-conducteur est égale à la somme des courants d'électrons et de trous :

Le courant total à travers le semi-conducteur est égal au produit de la densité de courant et de la surface du semi-conducteur :

Le courant peut aussi s'écrire sous la forme suivante :

Condition d'équilibre pour un semi-conducteur dopé de manière inhomogène

(condition d'absence de courant à travers le semi-conducteur)

Les semi-conducteurs occupent une position intermédiaire en conductivité électrique (ou résistivité) entre les conducteurs et les diélectriques. Cependant, cette division de toutes les substances en fonction de leur propriété de conductivité électrique est conditionnelle, car sous l'influence d'un certain nombre de raisons (impuretés, irradiation, chauffage), la conductivité électrique et la résistivité de nombreuses substances changent de manière très significative, en particulier pour les semi-conducteurs.

À cet égard, les semi-conducteurs se distinguent des métaux par un certain nombre de caractéristiques :

1. La résistivité des semi-conducteurs dans des conditions normales est bien supérieure à celle des métaux ;

2. la résistance spécifique des semi-conducteurs purs diminue avec l'augmentation de la température (pour les métaux, elle augmente) ;

3. lorsque les semi-conducteurs sont éclairés, leur résistance diminue considérablement (la lumière n'a presque aucun effet sur la résistance des métaux) :

4. Une quantité insignifiante d'impuretés a un effet important sur la résistance des semi-conducteurs.

12 éléments chimiques appartiennent aux semi-conducteurs dans la partie médiane du tableau périodique (Fig. 1) - B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, composés d'éléments du troisième groupe avec des éléments du cinquième groupe, de nombreux oxydes et sulfures de métaux, un certain nombre d'autres composants chimiques, certaines substances organiques. Le germanium Ge et le silicium Si ont la plus grande application pour la science et la technologie.

Les semi-conducteurs peuvent être purs ou dopés. En conséquence, la conductivité intrinsèque et la conductivité des impuretés des semi-conducteurs sont distinguées. Les impuretés, à leur tour, sont divisées en donneur et accepteur.

Auto conductivité électrique

Pour comprendre le mécanisme de la conductivité électrique dans les semi-conducteurs, considérons la structure des cristaux semi-conducteurs et la nature des liaisons qui maintiennent les atomes de cristal les uns près des autres. Les cristaux de germanium et d'autres semi-conducteurs ont un réseau cristallin atomique (Fig. 2).

Un schéma plat de la structure du germanium est illustré à la figure 3.

Le germanium est un élément tétravalent, dans la coque externe de l'atome, il y a quatre électrons qui sont plus faiblement connectés au noyau que les autres. Le nombre de voisins les plus proches de chaque atome de germanium est également de 4. Quatre électrons de valence de chaque atome de germanium sont connectés aux mêmes électrons des atomes voisins par des électrons de la paire chimique ( covalent) Connexions. Dans la formation de cette liaison, un électron de valence participe de chaque atome, qui sont séparés des atomes (collectivisés par le cristal) et, lors de leur mouvement, passent la plupart de leur temps dans l'espace entre les atomes voisins. Leur charge négative maintient les ions germanium positifs les uns près des autres. Ce type de connexion peut être représenté conditionnellement par deux lignes reliant les noyaux (voir Fig. 3).

Mais la paire d'électrons itinérants appartient à plus que deux atomes. Chaque atome forme quatre liaisons avec ses voisins, et un électron de valence donné peut se déplacer le long de n'importe lequel d'entre eux (Fig. 4). Ayant atteint l'atome voisin, il peut passer au suivant, puis plus loin sur tout le cristal. Les électrons de valence collectivisés appartiennent au cristal entier.

Les liaisons covalentes du germanium sont assez fortes et ne se cassent pas à basse température. Par conséquent, le germanium ne conduit pas l'électricité à basse température. Les électrons de valence participant à la liaison des atomes sont fermement attachés au réseau cristallin et le champ électrique externe n'a pas d'effet notable sur leur mouvement. Un cristal de silicium a une structure similaire.

La conductivité électrique d'un semi-conducteur chimiquement pur est possible lorsque les liaisons covalentes dans les cristaux sont rompues et que des électrons libres apparaissent.

L'énergie supplémentaire qui doit être dépensée pour rompre la liaison covalente et libérer l'électron est appelée énergie d'activation.

Les électrons peuvent obtenir cette énergie en chauffant le cristal, en l'irradiant avec des hautes fréquences ondes électromagnétiques etc.

Dès que l'électron, ayant acquis l'énergie nécessaire, quitte la liaison localisée, une lacune se forme sur celle-ci. Cette lacune peut être facilement comblée par un électron de la liaison voisine, sur laquelle, par conséquent, une lacune se forme également. Ainsi, en raison du mouvement des électrons de liaison, les lacunes se déplacent dans tout le cristal. Cette vacance se comporte exactement de la même manière qu'un électron libre - elle se déplace librement à travers la masse du semi-conducteur. De plus, étant donné que le semi-conducteur dans son ensemble et chacun de ses atomes sont électriquement neutres avec des liaisons covalentes ininterrompues, on peut dire qu'un électron quittant une liaison et la formation d'une lacune équivaut en fait à l'apparition d'une charge positive en excès sur ce lien. Par conséquent, la lacune qui en résulte peut être formellement considérée comme un porteur de charge positif, appelé trou(Fig. 5).

Ainsi, le départ d'un électron d'une liaison localisée génère une paire de porteurs de charge libres - un électron et un trou. Leur concentration dans un semi-conducteur pur est la même. À température ambiante la concentration de porteurs libres dans les semi-conducteurs purs est faible, environ 10 9 ÷ 10 10 fois inférieure à la concentration d'atomes, mais elle augmente rapidement avec l'augmentation de la température.

• Comparez avec les métaux: là, la concentration d'électrons libres est approximativement égale à la concentration d'atomes.

En l'absence de champ électrique extérieur, ces électrons libres et ces trous se déplacent de manière aléatoire dans un cristal semi-conducteur.

Dans un champ électrique externe, les électrons se déplacent dans la direction opposée à la direction de l'intensité du champ électrique. Les trous positifs se déplacent dans le sens de l'intensité du champ électrique (Fig. 6). Le processus de mouvement des électrons et des trous dans un champ externe se produit dans tout le volume du semi-conducteur.

La conductivité électrique totale d'un semi-conducteur est la somme des conductivités des trous et des électrons. Dans ce cas, dans les semi-conducteurs purs, le nombre d'électrons de conduction est toujours égal au nombre de trous. Par conséquent, on dit que les semi-conducteurs purs ont conductivité électron-trou, ou propre conductivité.

Avec une augmentation de la température, le nombre de ruptures de liaisons covalentes augmente et le nombre d'électrons libres et de trous dans les cristaux de semi-conducteurs purs augmente, et, par conséquent, la conductivité électrique augmente et la résistivité des semi-conducteurs purs diminue. Un graphique de la dépendance de la résistivité d'un semi-conducteur pur à la température est illustré à la fig. 7.

En plus du chauffage, la rupture des liaisons covalentes et, par conséquent, l'apparition de la conductivité intrinsèque des semi-conducteurs et une diminution de la résistivité peuvent être causées par l'illumination (photoconductivité d'un semi-conducteur), ainsi que par l'action de champs électriques puissants .

Conductivité des impuretés des semi-conducteurs

La conductivité des semi-conducteurs augmente avec l'introduction d'impuretés, lorsque, parallèlement à la conductivité intrinsèque, une conductivité d'impureté supplémentaire apparaît.

conductivité des impuretés semi-conducteurs est appelée conductivité, en raison de la présence d'impuretés dans le semi-conducteur.

Les centres d'impuretés peuvent être :

1. atomes ou ions d'éléments chimiques intégrés dans un réseau semi-conducteur;

2. excès d'atomes ou d'ions intégrés dans les interstices du réseau ;

3. divers autres défauts et distorsions du réseau cristallin : nœuds vides, fissures, décalages qui se produisent lors des déformations cristallines, etc.

En modifiant la concentration d'impuretés, on peut augmenter considérablement le nombre de porteurs de charge d'un signe ou d'un autre et créer des semi-conducteurs avec une concentration prédominante de porteurs chargés négativement ou positivement.

Les impuretés peuvent être divisées en donneur (donateur) et accepteur (récepteur).

Impureté du donneur

• Du latin "donare" - donner, faire un don.

Considérons le mécanisme de conductivité électrique d'un semi-conducteur avec une impureté pentavalente donneuse d'arsenic As, qui est introduite dans un cristal, par exemple du silicium. L'atome d'arsenic pentavalent donne quatre électrons de valence pour former des liaisons covalentes, et le cinquième électron est inoccupé dans ces liaisons (Fig. 8).

L'énergie de détachement (énergie d'ionisation) du cinquième électron de valence de l'arsenic dans le silicium est de 0,05 eV = 0,08⋅10 -19 J, soit 20 fois moins que l'énergie de détachement d'un électron d'un atome de silicium. Par conséquent, déjà à température ambiante, presque tous les atomes d'arsenic perdent un de leurs électrons et deviennent des ions positifs. Les ions arsenic positifs ne peuvent pas capturer les électrons des atomes voisins, car leurs quatre liaisons sont déjà équipées d'électrons. Dans ce cas, le mouvement de la lacune électronique - "trou" ne se produit pas et la conductivité du trou est très faible, c'est-à-dire pratiquement absent.

Impuretés du donneur- ce sont des impuretés qui donnent facilement des électrons et, par conséquent, augmentent le nombre d'électrons libres. En présence d'un champ électrique, des électrons libres entrent en mouvement ordonné dans un cristal semi-conducteur et une conduction d'impuretés électroniques y apparaît. En conséquence, nous obtenons un semi-conducteur à conductivité principalement électronique, appelé semi-conducteur de type n. (Du latin negativus - négatif).

Étant donné que le nombre d'électrons dans un semi-conducteur de type n est significativement plus de nombre trous, les électrons sont les porteurs de charge majoritaires et les trous sont les mineurs.

Impureté de l'accepteur

• Du latin "accepteur" - récepteur.

Dans le cas d'une impureté acceptrice, par exemple l'indium trivalent In, l'atome d'impureté peut donner ses trois électrons pour une liaison covalente avec seulement trois atomes de silicium voisins, et un électron est "manquant" (Fig. 9). L'un des électrons des atomes de silicium voisins peut remplir cette liaison, puis l'atome In deviendra un ion négatif immobile, et un trou se formera à la place de l'électron qui a quitté l'un des atomes de silicium. Les impuretés acceptrices, capturant les électrons et créant ainsi des trous mobiles, n'augmentent pas le nombre d'électrons de conduction. Les principaux porteurs de charge dans un semi-conducteur avec une impureté acceptrice sont des trous et les porteurs minoritaires sont des électrons.

Impuretés de l'accepteur sont des impuretés qui fournissent la conductivité des trous.

Les semi-conducteurs dans lesquels la concentration de trous dépasse la concentration d'électrons de conduction sont appelés semi-conducteurs de type p (du latin positivus - positif.).

Il convient de noter que l'introduction d'impuretés dans les semi-conducteurs, comme dans tous les métaux, perturbe la structure du réseau cristallin et entrave le mouvement des électrons. Cependant, la résistance n'augmente pas du fait que l'augmentation de la concentration de porteurs de charge réduit considérablement la résistance. Ainsi, l'introduction d'une impureté de bore à raison de 1 atome pour cent mille atomes de silicium réduit la résistance électrique silicium d'environ mille fois, et le mélange d'un atome d'indium pour 10 8 - 10 9 atomes de germanium réduit la résistivité électrique du germanium de millions de fois.

Si des impuretés donneuses et acceptrices sont introduites simultanément dans un semi-conducteur, alors la nature de la conductivité du semi-conducteur (type n ou p) est déterminée par une impureté avec une concentration plus élevée de porteurs de charge.

Transition électron-trou

Une transition électron-trou (jonction pn abrégée) se produit dans un cristal semi-conducteur qui a simultanément des régions avec des conductivités de type n (contient des impuretés donneuses) et de type p (avec des impuretés acceptrices) à la frontière entre ces régions.

Supposons que nous ayons un cristal dans lequel à gauche se trouve une région semi-conductrice avec trou (type p) et à droite - avec conductivité électronique (type n) (Fig. 10). En raison du mouvement thermique lors de la formation d'un contact, les électrons d'un semi-conducteur de type n se diffusent dans la région de type p. Dans ce cas, un ion donneur positif non compensé restera dans la région de type n. Passé dans la région de conductivité du trou, l'électron se recombine très rapidement avec le trou et un ion accepteur non compensé se forme dans la région de type p.

Comme les électrons, les trous de la région de type p diffusent dans la région électronique, laissant un ion accepteur chargé négativement non compensé dans la région du trou. Passé dans la région électronique, le trou se recombine avec l'électron. En conséquence, un ion donneur positif non compensé est formé dans la région électronique.

À la suite de la diffusion, une double couche électrique d'ions de charges opposées se forme à la frontière entre ces régions, l'épaisseur je qui ne dépasse pas des fractions de micromètre.

Un champ électrique apparaît entre les couches d'ions avec une force E je. Le champ électrique de la jonction électron-trou (jonction p-n) empêche la poursuite de la transition des électrons et des trous à travers l'interface entre deux semi-conducteurs. La couche de blocage a une résistance accrue par rapport au reste des volumes de semi-conducteurs.

Champ électrique externe avec intensité E affecte la résistance du champ électrique de blocage. Si le semi-conducteur n est connecté au pôle négatif de la source et que le plus de la source est connecté au semi-conducteur p, alors sous l'action d'un champ électrique, les électrons du semi-conducteur n et les trous du Les semi-conducteurs p se déplaceront l'un vers l'autre jusqu'à l'interface semi-conductrice (Fig. 11). Les électrons, traversant la frontière, "remplissent" les trous. Avec un tel direction vers l'avant champ électrique externe, l'épaisseur de la couche barrière et sa résistance diminuent continuellement. Dans cette direction, le courant électrique traverse la jonction p-n.

La direction considérée de la p-n-jonction est appelée direct. La dépendance du courant à la tension, c'est-à-dire caractéristiques volt-ampère transition directe, illustrée à la Fig. 12 en trait plein.

Si le semi-conducteur n est connecté au pôle positif de la source et que le semi-conducteur p est connecté au négatif, les électrons du semi-conducteur n et les trous du semi-conducteur p sous l'action d'un champ électrique se déplaceront de l'interface dans des directions opposées (Fig. 13). Ceci conduit à un épaississement de la couche barrière et à une augmentation de sa résistance. La direction du champ électrique externe qui dilate la couche barrière est appelée verrouillage (inverser). Avec cette direction du champ externe, le courant électrique des principaux porteurs de charge ne passe pas par le contact de deux semi-conducteurs p et p.

Le courant à travers la jonction p-n est maintenant dû aux électrons qui se trouvent dans le semi-conducteur de type p et aux trous du semi-conducteur de type n. Mais il y a très peu de porteurs de charge minoritaires, donc la conductivité de la transition s'avère insignifiante et sa résistance est grande. La direction considérée de la p-n-jonction est appelée inverser, sa caractéristique courant-tension est représentée sur la Fig. 12 ligne pointillée.

Veuillez noter que l'échelle de mesure actuelle pour les transitions avant et arrière diffère mille fois.

Notez qu'à une certaine tension appliquée dans le sens opposé, il y a panne(c'est-à-dire la destruction) de la jonction p-n.

Semi-conducteurs

Thermistances

La résistance électrique des semi-conducteurs dépend fortement de la température. Cette propriété est utilisée pour mesurer la température par l'intensité du courant dans un circuit avec un semi-conducteur. De tels appareils sont appelés thermistances ou thermistances. Une substance semi-conductrice est placée dans un métal étui de protection, dans lequel se trouvent des conducteurs isolés pour inclure la thermistance dans un circuit électrique.

La variation de la résistance des thermistances lorsqu'elles sont chauffées ou refroidies leur permet d'être utilisées dans des instruments de mesure de la température pour maintenir une température constante dans appareils automatiques- dans des chambres fermées-thermostats, pour assurer alarme incendie etc. Il existe des thermistances pour mesurer à la fois très haut ( J≈ 1300 K) et très faible ( J≈ 4 - 80 K) températures.

Une représentation schématique (Fig. a) et une photographie (Fig. b) de la thermistance sont présentées à la Figure 14.

Riz. Quatorze

Photorésistances

La conductivité électrique des semi-conducteurs augmente non seulement lorsqu'ils sont chauffés, mais également lorsqu'ils sont éclairés. La conductivité électrique augmente en raison de la rupture des liaisons et de la formation d'électrons libres et de trous dus à l'énergie de la lumière incidente sur le semi-conducteur.

Les dispositifs qui prennent en compte la dépendance de la conductivité électrique des semi-conducteurs à l'éclairage sont appelés photorésistances.

Les matériaux pour la fabrication de photorésistances sont des composés tels que CdS, CdSe, PbS et un certain nombre d'autres.

La petite taille et la haute sensibilité des photorésistances permettent de les utiliser pour l'enregistrement et la mesure de faibles flux lumineux. À l'aide de photorésistances, la qualité des surfaces est déterminée, les dimensions des produits sont contrôlées, etc.

Une représentation schématique (Fig. a) et une photographie (Fig. b) de la photorésistance sont présentées à la Figure 15.

Riz. 15

diode à semi-conducteur

La capacité d'une jonction p-n à faire passer le courant dans une direction est utilisée dans les dispositifs à semi-conducteurs appelés diodes.

Les diodes semi-conductrices sont fabriquées à partir de germanium, de silicium, de sélénium et d'autres substances.

Pour prévenir effets nuisibles l'air et la lumière, un cristal de germanium est placé dans une enceinte hermétique corps en métal. Les diodes semi-conductrices sont les principaux éléments des redresseurs courant alternatif(plus précisément, ils sont utilisés pour convertir le courant alternatif en un courant continu pulsé.)

Une représentation schématique (Fig. a) et une photographie (Fig. b) d'une diode à semi-conducteur sont présentées à la Figure 16.

Riz. 16

LED

Diode électro-luminescente ou diode électro-luminescente- un dispositif semi-conducteur avec une jonction p-n qui crée un rayonnement optique lorsqu'un courant électrique le traverse.

La lumière émise se situe dans une plage étroite du spectre, ses caractéristiques spectrales dépendent, entre autres, de composition chimique semi-conducteurs qui y sont utilisés.

Littérature

1. Aksenovich L. A. Physique dans lycée: Théorie. Tâches. Essais : Proc. Allocation pour les établissements offrant des services généraux. environnements, éducation / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Éd. K. S. Farino. - Mn. : Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 300-308.
2. Burov L.I., Strelchenya V.M. Physique de A à Z : pour étudiants, candidats, tuteurs. - Minsk : Paradoxe, 2000. - S. 219-228.
3. Myakishev G. Ya Physique : Électrodynamique. 10 - 11 cellules : un manuel pour une étude approfondie de la physique / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. - M. : Outarde, 2005. - S. 309-320.
4. Yavorsky BM, Seleznev Yu. A. Un guide de référence sur la physique pour ceux qui entrent dans les universités et l'auto-éducation. - M. : Nauka, 1984. - S. 165-169.

Les semi-conducteurs occupent une place intermédiaire dans la conductivité électrique entre les conducteurs et les non-conducteurs du courant électrique. Le groupe des semi-conducteurs comprend beaucoup plus de substances que les groupes de conducteurs et de non-conducteurs pris ensemble. Les représentants les plus caractéristiques des semi-conducteurs qui ont trouvé utilisation pratique en technologie, sont le germanium, le silicium, le sélénium, le tellure, l'arsenic, l'oxyde cuivreux et un grand nombre d'alliages et de composés chimiques. Presque toutes substances inorganiques le monde qui nous entoure sont des semi-conducteurs. Le semi-conducteur le plus courant dans la nature est le silicium, qui représente environ 30 % de la croûte terrestre.

La différence qualitative entre les semi-conducteurs et les métaux se manifeste principalement dans la dépendance de la résistivité à la température. Lorsque la température diminue, la résistance des métaux diminue. Dans les semi-conducteurs, au contraire, avec une température décroissante, la résistance augmente et près du zéro absolu, ils deviennent pratiquement des isolants.

Dans les semi-conducteurs, la concentration de porteurs de charge libres augmente avec l'augmentation de la température. Le mécanisme du courant électrique dans les semi-conducteurs ne peut pas être expliqué dans le modèle de gaz à électrons libres.

Les atomes de germanium ont quatre électrons faiblement liés dans leur enveloppe externe. Ils sont appelés électrons de valence. Dans un réseau cristallin, chaque atome est entouré de quatre plus proches voisins. La liaison entre les atomes dans un cristal de germanium est covalente, c'est-à-dire qu'elle est réalisée par des paires d'électrons de valence. Chaque électron de valence appartient à deux atomes. Les électrons de valence dans un cristal de germanium sont beaucoup plus fortement liés aux atomes que dans les métaux; par conséquent, la concentration d'électrons de conduction à température ambiante dans les semi-conducteurs est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des métaux. Près de la température zéro absolu dans un cristal de germanium, tous les électrons sont engagés dans la formation de liaisons. Un tel cristal ne conduit pas l'électricité.

À mesure que la température augmente, certains des électrons de valence peuvent acquérir suffisamment d'énergie pour rompre les liaisons covalentes. Ensuite, des électrons libres (électrons de conduction) apparaîtront dans le cristal. Dans le même temps, des lacunes non occupées par des électrons se forment aux sites de rupture de liaison. Ces postes vacants sont appelés "trous".

A une température de semi-conducteur donnée, un certain nombre de paires électron-trou se forment par unité de temps. Dans le même temps, le processus inverse se produit - lorsqu'un électron libre rencontre un trou, la liaison électronique entre les atomes de germanium est restaurée. Ce processus est appelé recombinaison. Des paires électron-trou peuvent également être produites lorsqu'un semi-conducteur est éclairé en raison de l'énergie du rayonnement électromagnétique.

Si un semi-conducteur est placé dans un champ électrique, non seulement des électrons libres sont impliqués dans le mouvement ordonné, mais également des trous, qui se comportent comme des particules chargées positivement. Par conséquent, le courant I dans un semi-conducteur est la somme des courants électroniques I n et trou I p : je = je n + je p.

La concentration d'électrons de conduction dans un semi-conducteur est égale à la concentration de trous : n n = n p . Le mécanisme de conduction électron-trou ne se manifeste que dans les semi-conducteurs purs (c'est-à-dire sans impuretés). C'est ce qu'on appelle la conductivité électrique intrinsèque des semi-conducteurs.

En présence d'impuretés, la conductivité électrique des semi-conducteurs change fortement. Par exemple, ajouter des impuretés phosphore en cristal siliciumà raison de 0,001 % atomique réduit la résistivité de plus de cinq ordres de grandeur.

Un semi-conducteur dans lequel une impureté est introduite (c'est-à-dire qu'une partie des atomes d'un type est remplacée par des atomes d'un autre type) est appelé dopé ou dopé.

Il existe deux types de conduction des impuretés, la conduction des électrons et la conduction des trous.

Ainsi, lors du dopage d'un quadrivalent germanium (Ge) ou silicium (Si) pentavalent - phosphore (P), antimoine (Sb), arsenic (As) un électron libre supplémentaire apparaît à l'emplacement de l'atome d'impureté. Dans ce cas, l'impureté est appelée donneur .

Lors du dopage du germanium quadrivalent (Ge) ou du silicium (Si) trivalent - aluminium (Al), indium (Jn), bore (B), gallium (Ga) - il y a un trou de ligne. Ces impuretés sont appelées accepteur .

Dans le même échantillon d'un matériau semi-conducteur, une section peut avoir une conductivité p et l'autre une conductivité n. Un tel dispositif est appelé une diode à semi-conducteur.

Le préfixe "di" dans le mot "diode" signifie "deux", il indique que l'appareil a deux "détails" principaux, deux cristaux semi-conducteurs étroitement adjacents l'un à l'autre : l'un avec une conductivité p (c'est la zone R), l'autre - avec n - conductivité (c'est la zone P). En fait, une diode semi-conductrice est un cristal, dans une partie duquel une impureté donneuse est introduite (zone P), dans un autre - accepteur (zone R).

Si une tension constante est appliquée de la batterie à la diode "plus" de la zone R et "moins" à la zone P, puis des charges libres - électrons et trous - se précipiteront vers la frontière, se précipiteront vers la jonction pn. Ici, ils se neutraliseront, de nouvelles charges approcheront de la frontière et un DC. C'est ce qu'on appelle la connexion directe de la diode - les charges la traversent intensément, un courant direct relativement important circule dans le circuit.

Maintenant, nous allons changer la polarité de la tension sur la diode, nous effectuerons, comme on dit, son inclusion inverse - nous connecterons le «plus» de la batterie à la zone P,"moins" - à la zone R Les charges libres seront éloignées de la frontière, les électrons iront vers le "plus", les trous - vers le "moins" et par conséquent, la jonction pn - se transformera en une zone sans charges libres, en un isolant pur. Cela signifie que le circuit se cassera, le courant s'y arrêtera.

Pas un grand courant inverse à travers la diode ne passera toujours. Car, en plus des principales charges libres (porteurs de charge) - électrons, dans la zone P, et des trous dans la zone p - dans chacune des zones, il existe également une quantité insignifiante de charges de signe opposé. Ce sont leurs propres porteurs de charge minoritaires, ils existent dans tout semi-conducteur, y apparaissent en raison des mouvements thermiques des atomes, et ce sont eux qui créent le courant inverse à travers la diode. Il y a relativement peu de ces charges et le courant inverse est plusieurs fois inférieur au courant direct. L'amplitude du courant inverse dépend fortement de : la température environnement, matériau semi-conducteur et surface pn transition. Avec une augmentation de la zone de transition, son volume augmente et, par conséquent, le nombre de porteurs minoritaires apparaissant à la suite de la génération thermique et de l'augmentation du courant thermique. Souvent, le CVC, pour plus de clarté, est présenté sous forme de graphiques.

De nombreux semi-conducteurs sont éléments chimiques(germanium, silicium, sélénium, tellure, arsenic, etc.), un grand nombre d'alliages et de composés chimiques. Presque toutes les substances inorganiques du monde qui nous entoure sont des semi-conducteurs. Le semi-conducteur le plus courant dans la nature est le silicium, qui représente environ 30 % de la croûte terrestre.

La différence qualitative entre les semi-conducteurs et les métaux se manifeste dans dépendance à la température de la résistivité(fig.9.3)

Modèle de bande de la conductivité électron-trou des semi-conducteurs

À l'éducation solides une situation est possible lorsque la bande d'énergie issue des niveaux d'énergie des électrons de valence des atomes initiaux s'avère être complètement remplie d'électrons, et les plus proches disponibles pour le remplissage d'électrons niveaux d'énergie séparé de bande de valence E V un intervalle d'états d'énergie non résolus - le soi-disant zone interdite Par exemple.Au-dessus de la bande interdite se trouve la zone d'états d'énergie autorisés pour les électrons - bande de conduction Ec.

La bande de conduction à 0 K est complètement libre, tandis que la bande de valence est complètement occupée. Des structures de bande similaires sont caractéristiques du silicium, du germanium, de l'arséniure de gallium (GaAs), du phosphure d'indium (InP) et de nombreux autres solides semi-conducteurs.

Avec une augmentation de la température des semi-conducteurs et des diélectriques, les électrons peuvent recevoir une énergie supplémentaire associée au mouvement thermique. kT. Pour certains électrons, l'énergie du mouvement thermique est suffisante pour la transition de la bande de valence à la bande de conduction, où les électrons sous l'action d'un champ électrique externe peuvent se déplacer presque librement.

Dans ce cas, dans un circuit avec un matériau semi-conducteur, à mesure que la température du semi-conducteur augmente, un courant électrique augmente. Ce courant est associé non seulement au mouvement des électrons dans la bande de conduction, mais aussi à l'apparition les lacunes des électrons qui sont entrés dans la bande de conduction dans la bande de valence, le soi-disant des trous . Une place vacante peut être occupée par un électron de valence d'une paire voisine, alors le trou se déplacera vers une nouvelle place dans le cristal.

Si un semi-conducteur est placé dans un champ électrique, non seulement des électrons libres sont impliqués dans le mouvement ordonné, mais également des trous, qui se comportent comme des particules chargées positivement. Par conséquent, le courant je dans un semi-conducteur est constitué d'une électronique Dans et trou IP courants : je= Dans+ IP.

Le mécanisme de conduction électron-trou ne se manifeste que dans les semi-conducteurs purs (c'est-à-dire sans impuretés). On l'appelle propre conductivité électrique semi-conducteurs. Les électrons sont projetés dans la bande de conduction avec Niveau de Fermi, qui s'avère être situé dans son propre semi-conducteur au milieu de la zone interdite(Fig. 9.4).

Il est possible de modifier considérablement la conductivité des semi-conducteurs en y introduisant de très petites quantités d'impuretés. Dans les métaux, une impureté réduit toujours la conductivité. Ainsi, l'ajout de 3% d'atomes de phosphore au silicium pur augmente la conductivité électrique du cristal d'un facteur 105.

Léger ajout de dopant au semi-conducteur appelé dopage.

Condition nécessaire Une forte diminution de la résistivité d'un semi-conducteur avec l'introduction d'impuretés est la différence de valence des atomes d'impuretés par rapport à la valence des atomes principaux du cristal. La conductivité des semi-conducteurs en présence d'impuretés est appelée conductivité des impuretés .

Distinguer deux types de conduction des impuretés – électronique Et trou conductivité. Conductivité électronique se produit lorsque des atomes pentavalents (par exemple, l'arsenic, As) sont introduits dans un cristal de germanium avec des atomes tétravalents (Fig. 9.5).

Les quatre électrons de valence de l'atome d'arsenic sont impliqués dans la formation de liaisons covalentes avec quatre atomes de germanium voisins. Le cinquième électron de valence s'est avéré être redondant. Il se détache facilement de l'atome d'arsenic et devient libre. Un atome qui a perdu un électron se transforme en un ion positif situé à un endroit du réseau cristallin.

Un mélange d'atomes avec une valence supérieure à la valence des atomes principaux d'un cristal semi-conducteur est appelé impureté du donneur . À la suite de son introduction, un nombre important d'électrons libres apparaissent dans le cristal. Cela conduit à une forte diminution de la résistivité du semi-conducteur - par des milliers, voire des millions de fois.

Résistivité du conducteur avec excellent contenu les impuretés peuvent approcher la résistivité d'un conducteur métallique. Une telle conductivité, due aux électrons libres, est appelée électronique, et un semi-conducteur à conductivité électronique est appelé semi-conducteur de type n.

conduction du trou se produit lorsque des atomes trivalents sont introduits dans un cristal de germanium, par exemple des atomes d'indium (Fig. 9.5)

La figure 6 montre un atome d'indium qui a créé des liaisons covalentes avec seulement trois atomes de germanium voisins en utilisant ses électrons de valence. L'atome d'indium n'a pas d'électron pour former une liaison avec le quatrième atome de germanium. Cet électron manquant peut être capturé par un atome d'indium à partir d'une liaison covalente d'atomes de germanium voisins. Dans ce cas, l'atome d'indium se transforme en un ion négatif situé sur un site du réseau cristallin et une lacune se forme dans la liaison covalente des atomes voisins.

Un mélange d'atomes capables de capturer des électrons est appelé impureté de l'accepteur . Suite à l'introduction d'une impureté acceptrice dans le cristal, de nombreuses liaisons covalentes sont rompues et des sites vacants (trous) se forment. Les électrons peuvent sauter vers ces endroits à partir de liaisons covalentes voisines, ce qui entraîne une errance aléatoire des trous autour du cristal.

La concentration de trous dans un semi-conducteur avec une impureté acceptrice dépasse de manière significative la concentration d'électrons résultant du mécanisme de conductivité électrique intrinsèque du semi-conducteur: np>> n n. Ce type de conduction est appelé conductivité du trou . Un semi-conducteur d'impureté avec une conductivité de trou est appelé semi-conducteur de type p . Principaux porteurs de charge libres dans les semi-conducteurs p-type sont des trous.

Transition électron-trou. Diodes et transistors

Dans la technologie électronique moderne, les dispositifs à semi-conducteurs jouent un rôle exceptionnel. Au cours des trois dernières décennies, ils ont presque complètement remplacé les appareils à électrovide.

Tout dispositif à semi-conducteur possède une ou plusieurs jonctions électron-trou. . Transition électron-trou (ou n–p-transition) - est la surface de contact de deux semi-conducteurs avec différents types conductivité.

À la frontière des semi-conducteurs (Fig. 9.7), une double couche électrique se forme, dont le champ électrique empêche le processus de diffusion des électrons et des trous les uns vers les autres.

Capacité n–p-la transition pour faire passer le courant dans presque une seule direction est utilisée dans les appareils appelés diodes semi-conductrices. Les diodes semi-conductrices sont constituées de cristaux de silicium ou de germanium. Lors de leur fabrication, une impureté est fondue en un cristal avec un certain type de conductivité, qui fournit un type de conductivité différent.

La figure 9.8 montre une caractéristique volt-ampère typique d'une diode au silicium.

Les dispositifs semi-conducteurs avec non pas une mais deux jonctions n-p sont appelés transistors . Les transistors sont de deux types : p–n–p-transistors et n–p–n-transistors. en transistor n–p–n-la plaque de base en germanium est conductrice p-type, et les deux régions créées dessus - par conductivité n-type (Figure 9.9).

en transistor p–n–p- c'est un peu le contraire. La plaque d'un transistor s'appelle base(B), l'une des régions avec le type de conductivité opposé - collectionneur(K), et le second - émetteur(E).