Što je električna struja u definiciji poluvodiča. Poluvodiči

Poluvodiči su tvari koje su srednje u električnoj vodljivosti između dobrih vodiča i dobrih izolatora (dielektrika).

Poluvodiči su također kemijski elementi (germanij Ge, silicij Si, selen Se, telurij Te) i spojevi kemijski elementi(PbS, CdS, itd.).

Priroda nositelja struje u različitim poluvodičima je različita. U nekima od njih nosioci naboja su ioni; u drugima su nosioci naboja elektroni.

Intrinzična vodljivost poluvodiča

Postoje dvije vrste intrinzične vodljivosti u poluvodičima: elektronska vodljivost i vodljivost kroz šupljine u poluvodičima.

1. Elektronska vodljivost poluvodiča.

Elektronska vodljivost se provodi usmjerenim kretanjem u međuatomskom prostoru slobodnih elektrona koji su napustili valentnu ljusku atoma kao rezultat vanjskih utjecaja.

2. Vodljivost rupa poluvodiča.

Provođenje kroz otvore provodi se usmjerenim kretanjem valentnih elektrona na slobodna mjesta u par-elektronskim vezama – rupama. Valentni elektron neutralnog atoma koji se nalazi u neposrednoj blizini pozitivnog iona (rupa) privlači rupu i skače u nju. U tom slučaju umjesto neutralnog atoma nastaje pozitivni ion (rupa), a umjesto pozitivnog iona (rupa) nastaje neutralni atom.

U idealno čistom poluvodiču bez ikakvih stranih nečistoća svaki slobodni elektron odgovara nastanku jedne rupe, t.j. broj elektrona i rupa uključenih u stvaranje struje je isti.

Vodljivost pri kojoj isti broj nositelji naboja (elektroni i rupe) naziva se intrinzična vodljivost poluvodiča.

Intrinzična vodljivost poluvodiča je obično mala, budući da je broj slobodnih elektrona mali. Najmanji tragovi nečistoća radikalno mijenjaju svojstva poluvodiča.

Električna vodljivost poluvodiča u prisutnosti nečistoća

Nečistoće u poluvodiču su atomi stranih kemijskih elemenata koji se ne nalaze u glavnom poluvodiču.

Vodljivost nečistoća- to je vodljivost poluvodiča, zbog unošenja nečistoća u njihove kristalne rešetke.

U nekim slučajevima, utjecaj nečistoća očituje se u činjenici da "rupa" mehanizam vodljivosti postaje praktički nemoguć, a struja u poluvodiču provodi se uglavnom kretanjem slobodnih elektrona. Takvi poluvodiči nazivaju se elektronički poluvodiči ili poluvodiči n-tipa(iz latinska riječ negativus – negativan). Glavni nosioci naboja su elektroni, a ne glavni su rupe. Poluvodiči n-tipa su poluvodiči s donorskim nečistoćama.

1. Donorske nečistoće.

Donatorske nečistoće su one koje lako doniraju elektrone i, posljedično, povećavaju broj slobodnih elektrona. Donorske nečistoće opskrbljuju elektrone vodljivosti bez pojave istog broja rupa.

Tipičan primjer Donatorske nečistoće u tetravalentnom germaniju Ge su petovalentni atomi arsena As.

U drugim slučajevima, kretanje slobodnih elektrona postaje praktički nemoguće, a struja se provodi samo kretanjem rupa. Ti se poluvodiči tzv poluvodiči s rupama ili poluvodiči p-tipa(od latinske riječi positivus - pozitivan). Glavni nosioci naboja su rupe, a ne glavni - elektroni. . Poluvodiči p-tipa su poluvodiči s akceptorskim nečistoćama.

Akceptorske nečistoće su nečistoće u kojima nema dovoljno elektrona za stvaranje normalnih par-elektronskih veza.

Primjer akceptorske nečistoće u germaniju Ge su trovalentni atomi galija Ga

Električna struja kroz kontakt poluvodiča p-tipa i n-tipa p-n spoja je kontaktni sloj dvaju nečistoća poluvodiča p-tipa i n-tipa; P-n spoj je granica koja razdvaja područja s vodljivošću kroz rupe (p) i elektronskom (n) vođenjem u istom monokristalu.

izravni p-n spoj

Ako je n-poluvodič spojen na negativni pol izvora napajanja, a pozitivni pol izvora napajanja spojen na p-poluvodič, tada pod djelovanjem električno polje elektroni u n-poluvodiču i rupe u p-poluvodiču kretat će se jedan prema drugome do sučelja između poluvodiča. Elektroni, prelazeći granicu, "ispune" rupe, struju kroz pn spoj provode glavni nositelji naboja. Kao rezultat, povećava se vodljivost cijelog uzorka. S takvim izravnim (propusnim) smjerom vanjskog električnog polja smanjuje se debljina sloja barijere i njegov otpor.

U tom smjeru struja prolazi kroz granicu dvaju poluvodiča.

Obrnuti pn spoj

Ako je n-poluvodič spojen na pozitivni pol izvora napajanja, a p-poluvodič je spojen na negativni pol izvora energije, tada će elektroni u n-poluvodiču i rupe u p-poluvodiču pod djelovanjem električnog polja kretat će se od sučelja u suprotnim smjerovima, struju kroz p -n-prijelaz provode manji nosioci naboja. To dovodi do zadebljanja sloja barijere i povećanja njegove otpornosti. Kao rezultat toga, vodljivost uzorka je neznatna, a otpor je velik.

Nastaje takozvani sloj barijere. S ovim smjerom vanjskog polja struja praktički ne prolazi kroz kontakt p- i n-poluvodiča.

Dakle, prijelaz elektron-rupa ima jednostrano vođenje.

Ovisnost jakosti struje o karakteristici napon - volt - amper p-n prijelaz prikazano na slici (volt - amperska karakteristika ravno p-n prikazan je prijelaz puna linija, volt-amper karakteristike obrnuti p-n prijelaz je prikazan kao točkasta linija).

poluvodiči:

Poluvodička dioda - za ispravljanje naizmjenična struja, koristi jedan p - n - spoj s različitim otporima: in smjer naprijed otpor p - n - prijelaza je mnogo manji nego u obrnutom.

Fotootpornici - za registraciju i mjerenje slabih svjetlosnih tokova. Uz njihovu pomoć, odrediti kvalitetu površina, kontrolirati dimenzije proizvoda.

Termistori - za daljinsko mjerenje temperature, požarni alarmi.

U ovoj lekciji razmotrit ćemo takav medij za prolaz električne struje kao poluvodiči. Razmotrit ćemo princip njihove vodljivosti, ovisnost ove vodljivosti o temperaturi i prisutnosti nečistoća, razmotriti takav koncept kao što je p-n spoj i osnovni poluvodički uređaji.

Ako napravite izravnu vezu, tada će vanjsko polje neutralizirati ono za zaključavanje, a struju će stvarati glavni nositelji naboja (slika 9.).

Riža. 9. p-n spoj s izravnom vezom ()

U ovom slučaju, struja manjinskih nositelja je zanemariva, praktički je nema. Stoga p-n spoj osigurava jednosmjerno provođenje električne struje.

Riža. 10. Atomska struktura silicija s porastom temperature

Vodljivost poluvodiča je elektron-rupa, a takva se vodljivost naziva intrinzična vodljivost. I za razliku od vodljivih metala, s povećanjem temperature, broj slobodnih naboja samo raste (u prvom slučaju se ne mijenja), dakle, vodljivost poluvodiča raste s povećanjem temperature, a otpor se smanjuje (slika 10.).

Vrlo važno pitanje u proučavanju poluvodiča je prisutnost nečistoća u njima. A u slučaju prisutnosti nečistoća, treba govoriti o vodljivosti nečistoća.

Poluvodiči

Mala veličina i vrlo visoka kvaliteta odašiljanih signala učinili su poluvodičke uređaje vrlo čestim u modernoj elektroničkoj tehnologiji. Sastav takvih uređaja može uključivati ne samo gore spomenuti silicij s nečistoćama, već i, na primjer, germanij.

Jedan od tih uređaja je dioda - uređaj sposoban propuštati struju u jednom smjeru i spriječiti njezin prolaz u drugom. Dobiva se implantacijom druge vrste poluvodiča u kristal poluvodiča p- ili n-tipa (slika 11.).

Riža. 11. Oznaka diode na dijagramu i dijagramu njezinog uređaja, respektivno

Još jedan uređaj, sada s dva pn spojevi naziva se tranzistor. Služi ne samo za odabir smjera strujanja, već i za njegovu pretvorbu (slika 12).

Riža. 12. Shema strukture tranzistora i njegova oznaka na dijagram ožičenja odnosno ()

Treba napomenuti da moderni mikro krugovi koriste mnoge kombinacije dioda, tranzistora i drugih električnih uređaja.

U sljedećoj lekciji ćemo se osvrnuti na širenje električne struje u vakuumu.

Bibliografija

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (osnovna razina) - M.: Mnemozina, 2012.
Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10 razred. - M.: Ileksa, 2005.
Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizika. Elektrodinamika. - M.: 2010.

Načela rada uređaja ().
Enciklopedija fizike i tehnologije ().

Domaća zadaća

Što uzrokuje elektrone vodljivosti u poluvodiču?
Što se dogodilo vlastita vodljivost poluvodič?
Kako vodljivost poluvodiča ovisi o temperaturi?
Koja je razlika između donorske i akceptorske nečistoće?
* Kolika je vodljivost silicija s primjesom a) galija, b) indija, c) fosfora, d) antimona?

Lekcija br. 41-169 Električna struja u poluvodičima. poluvodička dioda. Poluvodički uređaji.

Poluvodič je tvar čija otpornost može varirati u širokom rasponu i vrlo brzo opada s porastom temperature, što znači da raste i električna vodljivost. Uočava se u siliciju, germaniju, selenu i u nekim spojevima. Mehanizam vodljivosti u poluvodičima Poluvodički kristali imaju atomsku kristalna rešetka, gdje su vanjski elektroni vezani za susjedne atome kovalentnim vezama. Na niske temperatureČisti poluvodiči nemaju slobodne elektrone i ponašaju se kao dielektrik. Ako je poluvodič čist (bez nečistoća), onda ima svoju vodljivost (malu). Postoje dvije vrste intrinzične vodljivosti: 1) elektronska (vodljivost " P"-tip) Na niskim temperaturama u poluvodičima svi su elektroni povezani s jezgrama i otpor je velik; Kako temperatura raste, kinetička energija čestica raste, veze pucaju i pojavljuju se slobodni elektroni - otpor se smanjuje. Slobodni elektroni se kreću suprotno na vektor jakosti električnog polja. Elektronska vodljivost poluvodiča je posljedica prisutnosti slobodnih elektrona. 2) rupa (vodljivost "p"-tipa). Kako temperatura raste, kovalentne veze koje provode valentni elektroni između atoma se uništavaju i nastaju mjesta s nedostajućim elektronom - "rupa". njeno mjesto može se zamijeniti valentnim elektronima. Kretanje "rupe" je ekvivalentno kretanju pozitivnog naboja. Kretanje rupe događa se u smjeru vektor jakosti električnog polja. Puknuće kovalentnih veza i pojava intrinzične vodljivosti poluvodiča može biti uzrokovana zagrijavanjem, osvjetljenjem m (fotovodljivost) i djelovanje jakih električnih polja. R(t) ovisnost: termistor
- daljinsko mjerenje t; - protupožarni alarm

Ukupna vodljivost čistog poluvodiča je zbroj vodljivosti tipa "p" i "n" i naziva se vodljivost elektron-rupa. Poluvodiči u prisutnosti nečistoća Imaju vlastitu i nečistoću vodljivost. Prisutnost nečistoća uvelike povećava vodljivost. Promjenom koncentracije nečistoća mijenja se i broj nositelja električne struje – elektrona i rupa. Sposobnost upravljanja strujom temelji se na raširenoj upotrebi poluvodiča. Postoje sljedeće nečistoće:

1) donorske nečistoće (doniranje) - dodatne su dobavljači elektrona poluvodičkim kristalima, lako doniraju elektrone i povećavaju broj slobodnih elektrona u poluvodiču. Ovo su kondukteri n "- tip, tj. poluvodiči s donorskim nečistoćama, gdje su glavni nositelji naboja elektroni, a manji naboj su rupe. Takav poluvodič ima elektronsku vodljivost nečistoća (primjer je arsen). 2

) akceptorske nečistoće (primanje) stvaraju "rupe", uzimajući elektrone u sebe. To su poluvodiči "p" tipa, t.j. poluvodiči s akceptorskim nečistoćama, gdje je glavni nositelj naboja rupe, a manjina - elektroni. Takav poluvodič ima vodljivost nečistoća rupa (primjer je indij). Električna svojstva "p- n"prijelazi."p-n" prijelaz (ili prijelaz elektron-rupa) - kontaktna površina dva poluvodiča, gdje se vodljivost mijenja iz elektronske u rupu (ili obrnuto). U

Moguće je stvoriti takva područja u poluvodičkom kristalu uvođenjem nečistoća. U zoni kontakta dvaju poluvodiča različite vodljivosti odvijat će se međusobna difuzija elektrona i rupa te će nastati blokirajuća barijera. električni sloj. Električno polje sloja barijere sprječavadaljnji prijelaz elektrona i rupa kroz granicu. Sloj barijere ima povećanu otpornost u usporedbi s drugim područjima poluvodiča. U

Vanjsko električno polje utječe na otpor sloja barijere. U izravnom (prijenosnom) smjeru vanjskog električnog polja struja prolazi kroz granicu dvaju poluvodiča. Jer elektroni i rupe kreću se jedni prema drugima do sučelja, zatim elektroni, prelazeći granicu, ispunite rupe. Debljina sloja barijere i njegov otpor kontinuirano se smanjuju.

P Uz blokiranje (obrnuti smjer vanjskog električnog polja), struja neće proći kroz kontaktno područje dvaju poluvodiča. Jer elektroni i rupe pomiču se s granice u suprotnim smjerovima, zatim sloj koji blokira zgušnjava, povećava mu se otpor. Dakle, prijelaz elektron-rupa ima jednostrano vođenje.

poluvodička dioda- poluvodič s jednim "rn" spojem.P
Poluvodičke diode su glavni elementi AC ispravljača.
Kada se primjenjuje električno polje: u jednom smjeru otpor poluvodiča je visok, u suprotnom smjeru otpor je nizak.
Tranzistori.(iz engleske riječi prijenos - prijenos, otpornik - otpor) Razmotrimo jednu od vrsta tranzistora izrađenih od germanija ili silicija u koje su unesene donorske i akceptorske nečistoće. Raspodjela nečistoća je takva da se između dva poluvodička sloja p-tipa stvara vrlo tanak (reda nekoliko mikrometara) poluvodički sloj n-tipa (vidi sliku). Ovaj tanki sloj se zove osnovu ili baza. Kristal ima dva R-n-spojevi, čiji su izravni smjerovi suprotni. Tri igle iz područja sa različite vrste vodljivosti omogućuju vam da uključite tranzistor u krug prikazan na slici. Na ovo uključivanje lijevo R-n-skok je direktno i odvaja bazu od regije p-tipa tzv odašiljač. Da nije bilo prava R-n-spoj, u krugu emiter-baza postojala bi struja ovisno o naponu izvora (baterije B1 i izvor izmjeničnog napona) i otpor kruga, uključujući niski otpor izravnog spoja emiter-baza. Baterija B2 uključen tako da desno R-n-spoj u krugu (vidi sl.) je obrnuto. Odvaja bazu od desne regije p-tipa tzv kolektor. Da nije ostalo R-n-spoj, struja u krugu kolektora bi bila blizu nule, budući da je otpor obrnutog spoja vrlo velik. U prisutnosti struje u lijevoj R-n-spojna struja se također pojavljuje u kolektorskom krugu, a struja u kolektoru je tek nešto manja od struje u emiteru (ako se na emiter dovede negativan napon, onda lijevi R-n-spoj će biti obrnut i praktički neće biti struje u krugu emitera i u krugu kolektora). Kada se između emitera i baze stvori napon, glavni nosioci poluvodiča p-tipa - rupe prodiru u bazu, gdje su već sporedni nosioci. Budući da je debljina baze vrlo mala, a broj većinskih nositelja (elektrona) u njoj mali, rupe koje su u nju pale teško se spajaju (ne rekombiniraju) s baznim elektronima i difuzijom prodiru u kolektor. Pravo R-n-spoj je zatvoren za glavne nositelje naboja baze - elektrone, ali ne i za rupe. U kolektoru, rupe se odnose električnim poljem i zatvaraju krug. Snaga grananja struje u emiterski krug od baze je vrlo mala, budući da je površina poprečnog presjeka baze u horizontalnoj (vidi sliku iznad) mnogo manja od poprečnog presjeka u vertikalna ravnina.

Struja kolektora, praktički jednaka snazi struja u emiteru, varira sa strujom u emiteru. Otpor otpornika R ima mali utjecaj na struju u kolektoru, a ovaj otpor se može učiniti dovoljno velikim. Kontrolom struje emitera s izvorom izmjeničnog napona uključenim u njegov krug, dobivamo sinkronu promjenu napona na otporniku R .

Uz veliki otpor otpornika, promjena napona na njemu može biti desetke tisuća puta veća od promjene napona signala u krugu emitera. To znači povećan napon. Dakle, na opterećenju R moguće je dobiti električne signale čija je snaga višestruko veća od snage koja ulazi u emiterski krug.

Primjena tranzistora Svojstva R-n-spojevi u poluvodičima se koriste za pojačavanje i stvaranje električnih oscilacija.

>>Fizika: Električna struja u poluvodičima

Koja je glavna razlika između poluvodiča i vodiča? Koje su strukturne značajke poluvodiča omogućile pristup svim radijskim uređajima, televizorima i računalima?
Razlika između vodiča i poluvodiča posebno je vidljiva kada se analizira ovisnost njihove električne vodljivosti o temperaturi. Istraživanja pokazuju da za niz elemenata (silicij, germanij, selen, itd.) i spojeva (PbS, CdS, GaAs, itd.) otpornost ne raste s porastom temperature, kao u metalima ( sl.16.3), ali, naprotiv, izuzetno naglo opada ( sl.16.4). Takve tvari se nazivaju poluvodiči.

Iz grafikona prikazanog na slici može se vidjeti da je pri temperaturama blizu apsolutne nule otpornost poluvodiča vrlo visoka. To znači da se pri niskim temperaturama poluvodič ponaša kao izolator. Kako temperatura raste, njegova otpornost brzo opada.
Struktura poluvodiča. Da biste uključili tranzistorski prijemnik, ne morate ništa znati. Ali da bi ga stvorio, trebalo je puno znati i imati nesvakidašnji talent. Razumjeti u općenito govoreći kako tranzistor radi nije tako teško. Najprije se morate upoznati s mehanizmom vodljivosti u poluvodičima. A za ovo morate proniknuti priroda veza držeći atome poluvodičkog kristala jedan do drugog.
Na primjer, razmislite o kristalu silicija.
Silicij je četverovalentni element. To znači da u vanjska ljuska njegov atom ima četiri elektrona relativno slabo vezana za jezgru. Broj najbližih susjeda svakog atoma silicija je također četiri. Dijagram strukture kristala silicija prikazan je na slici 16.5.

Interakcija para susjednih atoma provodi se pomoću veze par-elektron, tzv kovalentna veza . U stvaranju ove veze iz svakog atoma sudjeluje po jedan valentni elektron, koji su odvojeni od atoma kojem pripadaju (sakupljeni kristalom) i tijekom svog kretanja većinu vremena provode u prostoru između susjednih atoma. Njihov negativni naboj drži pozitivne ione silicija u blizini.
Ne treba misliti da kolektivizirani par elektrona pripada samo dvaju atoma. Svaki atom tvori četiri veze sa svojim susjedima, a bilo koji valentni elektron može se kretati duž jedne od njih. Došavši do susjednog atoma, može prijeći na sljedeći, a zatim dalje duž cijelog kristala. Valentni elektroni pripadaju cijelom kristalu.
Veze par-elektron u kristalu silicija dovoljno su jake i ne pucaju na niskim temperaturama. Stoga silicij ne provodi struju na niskim temperaturama. Valentni elektroni koji sudjeluju u vezivanju atoma su, takoreći, "cementirajuća otopina" koja drži kristalnu rešetku, a vanjsko električno polje nema primjetan učinak na njihovo kretanje. Kristal germanija ima sličnu strukturu.
elektronska vodljivost. Kada se silicij zagrijava, kinetička energija čestica se povećava, a pojedinačne veze pucaju. Neki elektroni napuštaju svoje "utabane staze" i postaju slobodni, poput elektrona u metalu. U električno polje kreću se između mjesta rešetke, stvarajući električnu struju ( sl.16.6).

Vodljivost poluvodiča zbog prisutnosti slobodnih elektrona u njima naziva se elektronska vodljivost. Kako temperatura raste, broj prekinutih veza, a time i broj slobodnih elektrona, raste. Pri zagrijavanju od 300 do 700 K broj slobodnih nositelja naboja raste sa 10 17 na 10 24 1/m 3 . To dovodi do smanjenja otpora.
provodljivost rupa. Kada je veza prekinuta između atoma poluvodiča, nastaje prazno mjesto s nedostajućim elektronom. On je pozvan rupa. Rupa ima višak pozitivnog naboja u usporedbi s ostatkom neprekinutih veza (vidi sliku 16.6).
Položaj rupe u kristalu nije fiksiran. Sljedeći proces se kontinuirano odvija. Jedan od elektrona koji osiguravaju vezu između atoma skače na mjesto formirane rupe i ovdje obnavlja vezu par-elektron, a tamo odakle je ovaj elektron skočio nastaje nova rupa. Tako se rupa može pomicati kroz kristal.
Ako je jakost električnog polja u uzorku nula, tada se pomicanje rupa, ekvivalentno kretanju pozitivnih naboja, događa nasumično i stoga ne stvara električnu struju. U prisutnosti električnog polja dolazi do uređenog kretanja rupa, pa se električna struja povezana s kretanjem rupa dodaje električnoj struji slobodnih elektrona. Smjer kretanja rupa suprotan je smjeru kretanja elektrona ( sl.16.7).

U nedostatku vanjskog polja, postoji jedna rupa (+) za jedan slobodni elektron (-). Kada se primijeni polje, slobodni elektron se pomiče u odnosu na snagu polja. U tom se smjeru kreće i jedan od vezanih elektrona. Čini se da se rupa pomiče u smjeru polja.
Dakle, u poluvodičima postoje dvije vrste nositelja naboja: elektroni i rupe. Stoga, poluvodiči imaju ne samo elektroničke, već i vodljivost rupa.
Razmotrili smo mehanizam vodljivosti u čistim poluvodičima. Vodljivost u tim uvjetima naziva se vlastita vodljivost poluvodiči.
Vodljivost čistih poluvodiča (intrinzična vodljivost) ostvaruje se kretanjem slobodnih elektrona (elektronička vodljivost) i gibanjem vezanih elektrona na slobodna mjesta veza par-elektron (vodljivost kroz rupe).

???
1. Koja se veza naziva kovalentna?
2. Koja je razlika između ovisnosti otpora poluvodiča i metala o temperaturi?
3. Koji mobilni nosioci naboja postoje u čistom poluvodiču?
4. Što se događa kada se elektron susretne s rupom?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fizika 10. razred

Sadržaj lekcije sažetak lekcije podrška okvir predavanja prezentacija akceleratorske metode interaktivne tehnologije Praksa zadaci i vježbe samoispitivanje radionice, treninzi, slučajevi, potrage domaća zadaća rasprava pitanja retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video isječke i multimediju fotografije, slike grafike, tablice, sheme humor, anegdote, vicevi, stripovi, parabole, izreke, križaljke, citati Dodaci sažetakačlanci čipovi za znatiželjne cheat sheets udžbenici osnovni i dodatni glosar pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i lekcijaispravljanje pogrešaka u udžbeniku ažuriranje ulomka u udžbeniku elementi inovacije u lekciji zamjena zastarjelih znanja novima Samo za učitelje savršene lekcije kalendarski plan za godinu smjernice raspravni programi Integrirane lekcije

Ako imate ispravke ili prijedloge za ovu lekciju,

U poluvodičima su slobodni elektroni i rupe u stanju kaotičnog kretanja. Stoga, ako odaberemo proizvoljan dio unutar volumena poluvodiča i izbrojimo broj nositelja naboja koji prolaze kroz ovaj odjeljak u jedinici vremena s lijeva na desno i s desna na lijevo, vrijednosti ovih brojeva će biti iste. To znači da u ovom volumenu poluvodiča nema električne struje. Kada se poluvodič smjesti u električno polje jakosti E, komponenta usmjerenog gibanja se superponira na kaotično kretanje nositelja naboja. Usmjereno kretanje nositelja naboja u električnom polju uzrokuje pojavu struje zvane drift (slika 1.5)

Pri visokim temperaturama koncentracija elektrona i rupa značajno raste zbog kidanja kovalentnih veza i, unatoč smanjenju njihove mobilnosti, električna vodljivost poluvodiča raste eksponencijalno.

Slika 1.5 Struja drifta u poluvodiču

1.2.2 Difuzijska struja

Osim toplinske pobude, koja dovodi do pojave ravnotežne koncentracije naboja jednoliko raspoređenih po volumenu poluvodiča, poluvodič se može obogatiti elektronima do koncentracije np i rupama do koncentracije pn osvjetljavanjem, zračenjem to sa strujom nabijenih čestica, uvodeći ih kroz kontakt (injektiranje) itd. U tom slučaju energija pobudnika se prenosi izravno na nositelje naboja i Termalna energija kristalna rešetka ostaje gotovo konstantna. Posljedično, suvišni nosioci naboja nisu u toplinskoj ravnoteži s rešetkom i stoga se nazivaju neravnotežni. Za razliku od ravnotežnih, mogu biti neravnomjerno raspoređeni po volumenu poluvodiča (slika 1.6)

Nakon prestanka djelovanja uzbuđivača uslijed rekombinacije elektrona i rupa, koncentracija viška nosača brzo opada i postiže ravnotežnu vrijednost.

Nosači naboja rekombiniraju se u masi poluvodiča i na njegovoj površini. Neravnomjerna raspodjela neravnotežnih nositelja naboja popraćena je njihovom difuzijom prema nižoj koncentraciji. Ovo kretanje nositelja naboja uzrokuje prolazak električne struje, nazvan difuzija (slika 1.6).

Slika 1.6 Difuzijska struja u poluvodiču

1.3 Kontaktni fenomeni

Prijelaz elektron-rupa u stanje ravnoteže

Princip rada većine poluvodičkih uređaja temelji se na fizičkim pojavama koje se javljaju u području dodira čvrstih tijela. U ovom slučaju uglavnom se koriste kontakti: poluvodič-poluvodič; poluvodički metal; metal-izolator-poluvodič.

Ako se stvori spoj između poluvodiča n-tipa i p-tipa, tada se naziva elektron-rupa ili p-n spoj.

Prijelaz elektron-rupa stvara se u jednom poluvodičkom kristalu korištenjem složenih i raznolikih tehnoloških operacija.

Razmotrimo p-n prijelaz, u kojem se koncentracije donora N d i akceptora N a naglo mijenjaju na granici (slika 1.7, a). Takav p-n prijelaz naziva se oštar. Ravnotežna koncentracija rupa u p-području () značajno premašuje njihovu koncentraciju u n-području (). Slično, za elektrone je uvjet> zadovoljen. Neravnomjerna raspodjela koncentracija istih nositelja naboja u kristalu (slika 1.7, b) dovodi do difuzije elektrona iz n-područja u p-područje i rupa iz p-područja u n-područje. Ovo kretanje naboja stvara difuzijsku struju elektrona i rupa.

Elektroni i rupe, prolazeći kroz kontakt jedni prema drugima (zbog difuzije), rekombiniraju se i nastaje nekompenzirani naboj negativnih iona akceptorskih nečistoća u području blizu kontakta poluvodiča rupe, a u elektroničkom poluvodiču nekompenzirani naboj od pozitivni ioni donora (slika 1.6, c). Dakle, elektronički poluvodič je nabijen pozitivno, a poluvodič s rupama negativno. Između područja s različitim vrstama električne vodljivosti nalazi se vlastito električno polje jačine E inc (slika 1.7, a), stvoreno od dva sloja svemirskih naboja.

Intrinzično električno polje usporava za većinu nositelja naboja i ubrzava za manje. Elektroni p-područja i rupe n-područja, izrada toplinsko kretanje, spadaju u granice difuzijskog električnog polja, odnose se njime i prenose u suprotna područja, tvoreći struju drifta ili struju vodljivosti.

Slika 1.7 Ravnotežno stanje p-n spoja

Područje blizu kontakta, gdje postoji vlastito električno polje, naziva se str- ntranzicija. U tom području poluvodič se odlikuje vlastitom električnom vodljivošću i ima povećan otpor u odnosu na ostatak volumena. U tom smislu, naziva se sloj barijere ili područje prostornog naboja.

Na širinu sloja barijere značajno utječe koncentracija atoma nečistoća. Povećanje koncentracije atoma nečistoće sužava sloj barijere, a smanjenjem ga širi. Ovo se često koristi kako bi se poluvodičkim uređajima dala potrebna svojstva.