Poluvodiči su materijali koji su u normalnim uvjetima izolatori, ali s porastom temperature postaju vodiči. To jest, u poluvodičima, kako temperatura raste, otpor se smanjuje.

Struktura poluvodiča na primjeru kristala silicija

Razmotrite strukturu poluvodiča i glavne vrste vodljivosti u njima. Kao primjer, razmotrite kristal silicija.

Silicij je četverovalentni element. Stoga, u njegovom vanjska ljuska Postoje četiri elektrona koji su labavo vezani za jezgru atoma. Svaki od njih ima još četiri atoma u svom susjedstvu.

Atomi međusobno djeluju i stvaraju kovalentne veze. U takvoj vezi sudjeluje po jedan elektron iz svakog atoma. Dijagram silikonskog uređaja prikazan je na sljedećoj slici.

slika

Kovalentne veze su dovoljno jake i niske temperature ne slomiti. Stoga u siliciju nema slobodnih nositelja naboja, a on je dielektrik na niskim temperaturama. Postoje dvije vrste vodljivosti u poluvodičima: elektron i rupa.

Elektronska vodljivost

Kada se silicij zagrije, dodat će mu se dodatna energija. Kinetička energija čestica raste i neke kovalentne veze se prekidaju. Time se stvaraju slobodni elektroni.

U električnom polju ti se elektroni kreću između čvorova kristalna rešetka. U tom slučaju u siliciju će se stvoriti električna struja.

Budući da su glavni nositelji naboja slobodni elektroni, ova vrsta vođenja naziva se elektronička vodljivost. Broj slobodnih elektrona ovisi o temperaturi. Što više zagrijavamo silicij, to više kovalentne vezeće se slomiti, i posljedično će se pojaviti više slobodnih elektrona. To dovodi do smanjenja otpora. I silicij postaje provodnik.

provodljivost rupa

Kada je kovalentna veza prekinuta, na mjestu izbačenog elektrona stvara se slobodno mjesto koje može zauzeti drugi elektron. Ovo mjesto se zove rupa. Rupa ima višak pozitivnog naboja.

Položaj rupe u kristalu se stalno mijenja, bilo koji elektron može zauzeti ovu poziciju, a rupa će se pomaknuti tamo odakle je elektron skočio. Ako je a električno polje ne, tada je kretanje rupa nasumično, pa stoga nema struje.

Ako je prisutan, postoji red u kretanju rupa, a osim struje koju stvaraju slobodni elektroni, postoji i struja koju stvaraju rupe. Rupe će se kretati u smjeru suprotnom od elektrona.

Dakle, u poluvodičima je vodljivost elektron-rupa. Struju stvaraju i elektroni i rupe. Ova vrsta vodljivosti naziva se i intrinzična vodljivost, jer su uključeni elementi samo jednog atoma.

Prijevoz nosača u poluvodičima

Uvod

Nosioci struje u poluvodičima su elektroni i rupe. Nosioci struje kreću se u periodičnom polju kristalnih atoma kao da su slobodne čestice. Učinak periodičnog potencijala utječe samo na masu nosača. Odnosno, pod djelovanjem periodičnog potencijala mijenja se masa nosača. S tim u vezi, fizika čvrstog stanja uvodi koncept efektivne mase elektrona i rupe. Prosječna energija toplinsko kretanje elektrona i rupa je kT/2 za svaki stupanj slobode. Toplinska brzina elektrona i rupe na sobnoj temperaturi je oko 10 7 cm/s.

Ako se na poluvodič primijeni električno polje, tada će to polje uzrokovati drift nositelja struje. U tom slučaju, brzina nositelja će se prvo povećati s povećanjem polja, doći će do prosječne vrijednosti brzine, a zatim će se prestati mijenjati, budući da su nosači raspršeni. Rasipanje je uzrokovano defektima, nečistoćama i emisijom ili apsorpcijom fonona. Glavni razlog raspršenja nositelja su nabijene nečistoće i toplinske vibracije atoma rešetke (apsorpcija/emisija fonona). Interakcija s njima dovodi do nagle promjene brzine nosača i smjera njihova kretanja. Promjena smjera brzine nosača je slučajna. Dodatni mehanizam za raspršivanje nosilaca struje je raspršivanje nosača na površini poluvodiča.

U prisutnosti vanjskog električnog polja, slučajna priroda gibanja nosača u poluvodiču je superponirana usmjerenim kretanjem nosača pod djelovanjem polja u intervalima između sudara. Pa čak i unatoč činjenici da brzina slučajnog kretanja nosača može višestruko premašiti brzinu usmjerenog kretanja nosača pod djelovanjem električnog polja, slučajna komponenta kretanja nosača može se zanemariti, budući da s nasumičnim kretanjem rezultira protok nosioca nula. Ubrzanje nositelja pod djelovanjem vanjskog polja pokorava se zakonima Newtonove dinamike. Rasipanje dovodi do nagle promjene smjera kretanja i veličine brzine, ali nakon raspršenja, ubrzano gibanje čestice pod djelovanjem polja se nastavlja.

Neto učinak sudara je da se čestice ne ubrzavaju, ali čestice brzo postižu konstantnu brzinu kretanja. To je ekvivalentno uvođenju komponente usporavanja u jednadžbu gibanja čestice koju karakterizira vremenska konstanta t. Tijekom tog vremenskog razdoblja, čestica gubi zamah mv određena prosječnom brzinom v. Za česticu koja ima konstantno ubrzanje između sudara, ova vremenska konstanta jednaka je vremenu između dva uzastopna sudara. Razmotrimo detaljnije mehanizme prijenosa nositelja struje u poluvodičima.

plutajućiTrenutno(Struja pomaka)

Pomicanje nosača u poluvodiču pod djelovanjem električnog polja može se ilustrirati slikom XXX. Polje govori prijevoznicima brzinu v.

sl. Kretanje nosača pod djelovanjem polja .

Ako pretpostavimo da se svi nosači u poluvodiču kreću istom brzinom v, tada se struja može izraziti kao omjer ukupnog naboja prenesenog između elektroda i vremena t r prijenos ovog naboja s jedne elektrode na drugu, ili:

gdje L – razmak između elektroda.

Gustoća struje sada se može izraziti u smislu koncentracije nositelja struje n u poluvodiču:

gdje ALI je površina poprečnog presjeka poluvodiča.

Mobilnost

Priroda kretanja nositelja struje u poluvodiču u odsutnosti polja i pod djelovanjem vanjskog električnog polja prikazana je na slici XXX. Kao što je već napomenuto, toplinska brzina elektrona je reda veličine 10 7 cm/s, i mnogo je veća od brzine drifta elektrona.

sl. Slučajna priroda gibanja nosilaca struje u poluvodiču u odsutnosti i prisutnosti vanjskog polja.

Razmotrimo gibanje nosača samo pod djelovanjem električnog polja. Prema Newtonovom zakonu:

gdje sila uključuje dvije komponente - elektrostatičku silu i minus silu koja uzrokuje gubitak zamaha tijekom raspršenja, podijeljenu s vremenom između sudara:

Izjednačavanje ovih izraza i korištenje izraza za Prosječna brzina, dobivamo:

Razmotrimo samo stacionarni slučaj, kada je čestica već ubrzala i dosegnula svoju prosječnu konstantnu brzinu. U ovoj aproksimaciji brzina je proporcionalna jakosti električnog polja. Koeficijent proporcionalnosti između posljednjih vrijednosti definira se kao mobilnost:

Mobilnost je obrnuto proporcionalna masi nosača i izravno proporcionalna srednjem slobodnom putu.

Gustoća struje drifta može se napisati kao funkcija mobilnosti:

Kao što je već napomenuto, u poluvodičima masa nosača nije jednaka masi elektrona u vakuumu, m a formula za mobilnost treba koristiti efektivnu masu, m * :

Difuzija nositelja struje u poluvodičima.

Difuzijska struja

Ako je vanjski električno polje je odsutan u poluvodiču, tada dolazi do nasumičnih kretanja nositelja struje - elektrona i rupa pod djelovanjem toplinske energije. Ovo nasumično kretanje ne dovodi do usmjerenog kretanja nosilaca i stvaranja struje. Uvijek umjesto prijevoznika koji je napustio bilo koje mjesto, na njegovo mjesto dolazi drugi. Dakle, u cijelom volumenu poluvodiča održava se ujednačena gustoća nosača.

Ali situacija se mijenja ako su nosači neravnomjerno raspoređeni po volumenu, t.j. postoji gradijent koncentracije. U tom slučaju pod utjecajem koncentracijskog gradijenta dolazi do usmjerenog kretanja nosača – difuzije iz područja gdje je koncentracija veća u područje s niskom koncentracijom. Smjerno kretanje nabijenih nosača pod djelovanjem difuzije stvara difuzijsku struju. Razmotrimo ovaj učinak detaljnije.

Dobivamo relaciju za difuzijsku struju. Polazit ćemo od činjenice da se usmjereno kretanje nosača pod djelovanjem gradijenta koncentracije događa kao rezultat toplinskog kretanja (na temperaturi
prema Kelvinu, za svaki stupanj slobode čestice postoji energija
), tj. difuzija je odsutna pri nultoj temperaturi (drift nositelja također je moguć pri 0K).

Unatoč činjenici da slučajna priroda kretanja nosača pod djelovanjem topline zahtijeva statistički pristup, izvođenje formule za difuzijsku struju temeljit će se na korištenju prosječnih vrijednosti koje karakteriziraju procese. Rezultat je isti.

Uvedemo prosječne vrijednosti - prosječnu toplinsku brzinu v th, srednje vrijeme između sudara,  , i prosječna dužina slobodno trčanje, l. Prosječna toplinska brzina može biti usmjerena u pozitivnom i negativnom smjeru. Te su veličine međusobno povezane relacijom

Razmotrimo situaciju s nehomogenom raspodjelom elektrona n(x) (vidi sliku XXX).

sl. jedan Profil gustoće nositelja koji se koristi za izvođenje ekspresije strujne difuzije

Razmotrimo tok elektrona kroz ravninu s koordinatom x = 0. Nosači dolaze u ovu ravninu kao s lijeve strane koordinate x = - l, a desno od strane koordinate x = l. Protok elektrona s lijeva na desno je

gdje koeficijent ½ znači da je polovica elektrona u ravnini s koordinatom x = - l pomiče se ulijevo, a druga polovica udesno. Slično, protok elektrona kroz x = 0 dolazi s desne strane x = + l bit će jednako:

Ukupni protok elektrona koji prolaze kroz ravninu x = 0 s lijeva na desno, bit će:

Uz pretpostavku da je srednja slobodna putanja elektrona dovoljno mala, možemo zapisati razliku u koncentracijama elektrona desno i lijevo od koordinate x = 0 kroz omjer razlike koncentracije i udaljenosti između ravnina, t.j. kroz izvedenicu:

Gustoća struje elektrona bit će jednaka:

Obično se proizvod toplinske brzine i srednjeg slobodnog puta zamjenjuje jednim faktorom, koji se naziva koeficijent difuzije elektrona, D n .

Slični odnosi se također mogu napisati za struju difuzije rupa:

Treba samo imati na umu da je naboj rupa pozitivan.

Postoji veza između koeficijenta difuzije i pokretljivosti. Iako se na prvi pogled može činiti da ovi koeficijenti ne bi trebali biti povezani, budući da je difuzija nositelja posljedica toplinskog gibanja, a drift nositelja zbog vanjskog električnog polja. Međutim, jedan od glavnih parametara, vrijeme između sudara, ne bi trebao ovisiti o uzroku zbog kojeg su se nosači pomaknuli.

Koristimo definiciju toplinske brzine kao,

te zaključci termodinamike da za svaki stupanj slobode gibanja elektrona postoji toplinska energija kT/2, jednako kinetičkom:

Iz ovih relacija može se dobiti umnožak toplinske brzine i srednjeg slobodnog puta, izraženog u terminima mobilnosti nosača:

Ali već smo definirali umnožak toplinske brzine i srednjeg slobodnog puta kao koeficijent difuzije. Tada se posljednja relacija za elektrone i rupe može zapisati u sljedećem obliku:

Ti se odnosi nazivaju Einsteinovi odnosi.

Ukupna struja

Ukupna struja kroz poluvodič je zbroj struje drifta i difuzije. Za gustoću struje elektrona možemo napisati:

i slično za rupe:

Ukupna gustoća struje kroz poluvodič jednaka je zbroju struje elektrona i rupe:

Ukupna struja kroz poluvodič jednaka je umnošku gustoće struje i površine poluvodiča:

Struja se također može napisati u sljedećem obliku:

Uvjet ravnoteže za nehomogeno dopirani poluvodič

(uvjet da nema struje kroz poluvodič)

Poluvodiči zauzimaju srednje mjesto u električnoj vodljivosti (ili otpornosti) između vodiča i dielektrika. Međutim, ova podjela svih tvari prema svojstvu električne vodljivosti uvjetovana je, budući da se pod utjecajem niza razloga (nečistoće, zračenje, zagrijavanje) električna vodljivost i otpor mnogih tvari vrlo značajno mijenjaju, posebno za poluvodiče.

U tom smislu, poluvodiči se razlikuju od metala po nizu značajki:

1. Otpornost poluvodiča u normalnim uvjetima mnogo je veća od otpornosti metala;

2. specifični otpor čistih poluvodiča opada s porastom temperature (kod metala raste);

3. kada su poluvodiči osvijetljeni, njihov otpor značajno opada (svjetlost gotovo da nema utjecaja na otpor metala):

4. Neznatna količina nečistoća snažno utječe na otpornost poluvodiča.

Poluvodiči uključuju 12 kemijskih elemenata u srednjem dijelu periodnog sustava (slika 1) - B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, spojeve elemenata treće skupine s elementima pete skupine, mnogim oksidima i sulfidima metala, nizom drugih kemijski spojevi, neke organske tvari. Germanij Ge i silicij Si imaju najveću primjenu u znanosti i tehnologiji.

Poluvodiči mogu biti čisti ili dopirani. Sukladno tome, razlikuju se intrinzična i nečistoća vodljivost poluvodiča. Nečistoće se pak dijele na donore i akceptore.

Vlastita električna vodljivost

Da bismo razumjeli mehanizam električne vodljivosti u poluvodičima, razmotrimo strukturu poluvodičkih kristala i prirodu veza koje drže atome kristala jedan blizu drugog. Kristali germanija i drugih poluvodiča imaju atomsku kristalnu rešetku (slika 2).

Ravni dijagram strukture germanija prikazan je na slici 3.

Germanij je četverovalentni element, u vanjskoj ljusci atoma nalaze se četiri elektrona koji su slabije povezani s jezgrom od ostalih. Broj najbližih susjeda svakog atoma germanija je također 4. Četiri valentna elektrona svakog atoma germanija povezana su s istim elektronima susjednih atoma pomoću kemijskog para elektrona ( kovalentna) veze. U stvaranju ove veze iz svakog atoma sudjeluje po jedan valentni elektron koji se odcijepi od atoma (kolektivizirani kristalom) i tijekom svog kretanja većinu vremena provode u prostoru između susjednih atoma. Njihov negativni naboj drži pozitivne germanijeve ione u blizini. Ovakvu vezu možemo uvjetno opisati s dvije linije koje povezuju jezgre (vidi sliku 3).

Ali putujući par elektrona pripada više od dva atoma. Svaki atom tvori četiri veze sa svojim susjedima, a zadani valentni elektron može se kretati duž bilo koje od njih (slika 4). Došavši do susjednog atoma, može prijeći na sljedeći, a zatim dalje duž cijelog kristala. Kolektivizirani valentni elektroni pripadaju cijelom kristalu.

Kovalentne veze germanija su dosta jake i ne pucaju na niskim temperaturama. Stoga germanij ne provodi struju na niskim temperaturama. Valentni elektroni koji sudjeluju u vezivanju atoma čvrsto su vezani za kristalnu rešetku, a vanjsko električno polje nema primjetan učinak na njihovo kretanje. Kristal silicija ima sličnu strukturu.

Električna vodljivost kemijski čistog poluvodiča moguća je kada su kovalentne veze u kristalima prekinute i kada se pojave slobodni elektroni.

Dodatna energija koja se mora potrošiti da se prekine kovalentna veza i oslobodi elektron naziva se aktivacijska energija.

Elektroni mogu dobiti ovu energiju zagrijavanjem kristala, zračenjem ga visokom frekvencijom Elektromagnetski valovi itd.

Čim elektron, nakon što je stekao potrebnu energiju, napusti lokaliziranu vezu, na njemu se formira prazno mjesto. Ovo prazno mjesto može se lako popuniti elektronom iz susjedne veze, na kojoj, dakle, također nastaje prazno mjesto. Dakle, zbog kretanja veznih elektrona, prazna mjesta se pomiču po kristalu. Ovo prazno mjesto ponaša se na potpuno isti način kao i slobodni elektron - slobodno se kreće kroz glavninu poluvodiča. Štoviše, s obzirom na to da su i poluvodič u cjelini i svaki od njegovih atoma električni neutralni s neprekinutim kovalentnim vezama, možemo reći da je izlazak elektrona iz veze i stvaranje slobodnog mjesta zapravo jednako pojavi viška pozitivnog naboja na ovu vezu. Stoga se nastalo prazno mjesto formalno može smatrati nositeljem pozitivnog naboja, što se tzv rupa(slika 5).

Dakle, odlazak elektrona iz lokalizirane veze stvara par slobodnih nositelja naboja - elektron i rupu. Njihova koncentracija u čistom poluvodiču je ista. Na sobna temperatura koncentracija slobodnih nosača u čistim poluvodičima je niska, oko 10 9 ÷ 10 10 puta manja od koncentracije atoma, ali brzo raste s porastom temperature.

• Usporedite s metalima: tamo je koncentracija slobodnih elektrona približno jednaka koncentraciji atoma.

U nedostatku vanjskog električnog polja, ti se slobodni elektroni i rupe nasumično kreću u poluvodičkom kristalu.

U vanjskom električnom polju elektroni se kreću u smjeru suprotnom od smjera jakosti električnog polja. Pozitivne rupe pomiču se u smjeru jakosti električnog polja (slika 6). Proces kretanja elektrona i rupa u vanjskom polju odvija se kroz cijeli volumen poluvodiča.

Ukupna električna vodljivost poluvodiča je zbroj vodljivosti rupa i elektrona. U ovom slučaju, u čistim poluvodičima, broj vodljivih elektrona uvijek je jednak broju rupa. Stoga se kaže da čisti poluvodiči imaju vodljivost elektron-rupa, ili vlastita vodljivost.

S porastom temperature povećava se broj prekida kovalentnih veza i povećava broj slobodnih elektrona i rupa u kristalima čistih poluvodiča, a posljedično se povećava električna vodljivost i smanjuje otpornost čistih poluvodiča. Grafikon ovisnosti otpornosti čistog poluvodiča o temperaturi prikazan je na sl. 7.

Osim zagrijavanja, rasvjeta (fotovodljivost poluvodiča), kao i djelovanjem jakih električnih polja može uzrokovati prekid kovalentnih veza i kao rezultat toga pojavu intrinzične vodljivosti poluvodiča i smanjenje otpora. .

Vodljivost nečistoća poluvodiča

Vodljivost poluvodiča raste s unošenjem nečistoća, kada uz intrinzičnu vodljivost nastaje dodatna nečistoća.

vodljivost nečistoća poluvodiči se nazivaju vodljivost, zbog prisutnosti nečistoća u poluvodiču.

Centri nečistoća mogu biti:

1. atomi ili ioni kemijskih elemenata ugrađeni u poluvodičku rešetku;

2. višak atoma ili iona ugrađenih u međuprostoru rešetke;

3. razni drugi nedostaci i izobličenja u kristalnoj rešetki: prazni čvorovi, pukotine, pomaci koji nastaju tijekom deformacija kristala itd.

Promjenom koncentracije nečistoća može se značajno povećati broj nositelja naboja jednog ili onog predznaka i stvoriti poluvodiči s pretežnom koncentracijom negativno ili pozitivno nabijenih nositelja.

Nečistoće se mogu podijeliti na donor (donator) i akceptor (primatelj).

Nečistoća donora

• Od latinskog "donare" - dati, donirati.

Razmotrimo mehanizam električne vodljivosti poluvodiča s donorskom petovalentnom nečistoćom arsena As, koja se unosi u kristal, na primjer, silicij. Petovalentni atom arsena donira četiri valentna elektrona za formiranje kovalentnih veza, a peti elektron je nezauzet u tim vezama (slika 8).

Energija odvajanja (ionizacijska energija) petog valentnog elektrona arsena u siliciju je 0,05 eV = 0,08⋅10 -19 J, što je 20 puta manje od energije odvajanja elektrona od atoma silicija. Stoga, već na sobnoj temperaturi, gotovo svi atomi arsena gube jedan od svojih elektrona i postaju pozitivni ioni. Pozitivni ioni arsena ne mogu uhvatiti elektrone susjednih atoma, budući da su sve njihove četiri veze već opremljene elektronima. U tom slučaju ne dolazi do pomicanja elektronskog slobodnog prostora – „rupe“ i vodljivost rupe je vrlo niska, t.j. praktički odsutan.

Donatorske nečistoće- to su nečistoće koje lako doniraju elektrone i stoga povećavaju broj slobodnih elektrona. U prisutnosti električnog polja slobodni elektroni dolaze u uređeno gibanje u poluvodičkom kristalu i u njemu nastaje elektronska nečistoća. Kao rezultat, dobivamo poluvodič s pretežno elektronskom vodljivošću, nazvan poluvodič n-tipa. (Od latinskog negativus - negativan).

Budući da je broj elektrona u poluvodiču n-tipa značajan više broja rupe, elektroni su većinski nosioci naboja, a rupe sporedni.

Nečistoća akceptora

• Od latinskog "acceptor" - primatelj.

U slučaju akceptorske nečistoće, na primjer, trovalentnog indija In, atom nečistoće može dati svoja tri elektrona za kovalentnu vezu sa samo tri susjedna atoma silicija, a jedan elektron “nedostaje” (slika 9.). Jedan od elektrona susjednih atoma silicija može ispuniti ovu vezu, tada će atom In postati nepomičan negativni ion, a na mjestu elektrona koji je napustio jedan od atoma silicija stvorit će se rupa. Akceptorske nečistoće, hvatajući elektrone i na taj način stvarajući pokretne rupe, ne povećavaju broj vodljivih elektrona. Glavni nositelji naboja u poluvodiču s akceptorskom nečistoćom su rupe, a manjinski su elektroni.

Nečistoće akceptora su nečistoće koje osiguravaju vodljivost rupa.

Poluvodiči u kojima koncentracija rupa prelazi koncentraciju elektrona vodljivosti nazivaju se poluvodiči p-tipa (od latinskog positivus - pozitivan.).

Treba napomenuti da unošenje nečistoća u poluvodiče, kao i u bilo koje metale, narušava strukturu kristalne rešetke i ometa kretanje elektrona. Međutim, otpor se ne povećava zbog činjenice da povećanje koncentracije nositelja naboja značajno smanjuje otpor. Dakle, uvođenjem nečistoće bora u količini od 1 atoma na sto tisuća atoma silicija smanjuje se specifična električni otpor silicij za oko tisuću puta, a primjesa jednog atoma indija na 10 8 - 10 9 atoma germanija smanjuje električnu otpornost germanija za milijune puta.

Ako se i donorske i akceptorske nečistoće istovremeno unose u poluvodič, tada je priroda vodljivosti poluvodiča (n- ili p-tip) određena nečistoćom s višom koncentracijom nositelja naboja.

Prijelaz elektron-rupa

Prijelaz elektron-rupa (skraćeno p-n-spoj) događa se u poluvodičkom kristalu koji istovremeno ima područja vodljivosti n-tipa (sadrži donorske nečistoće) i p-tipa (s akceptorskim nečistoćama) na granici između ovih područja.

Pretpostavimo da imamo kristal u kojem se s lijeve strane nalazi poluvodičko područje s rupom (p-tip), a s desne strane - s elektronskom (n-tip) vodljivosti (slika 10). Zbog toplinskog gibanja tijekom formiranja kontakta, elektroni iz n-tipa poluvodiča će difundirati u područje p-tipa. U ovom slučaju, nekompenzirani pozitivni donorski ion ostat će u području n-tipa. Prešavši u područje s vodljivošću rupa, elektron se vrlo brzo rekombinira s rupom, a u području p-tipa nastaje nekompenzirani akceptorski ion.

Poput elektrona, rupe iz područja p-tipa difundiraju u elektronsko područje, ostavljajući nekompenzirani negativno nabijeni akceptorski ion u području rupa. Prešavši u elektroničko područje, rupa se rekombinira s elektronom. Kao rezultat toga, u elektroničkom području nastaje nekompenzirani pozitivni donorski ion.

Kao rezultat difuzije, na granici između ovih područja nastaje dvostruki električni sloj suprotno nabijenih iona, debljine l koji ne prelazi dijelove mikrometra.

Između slojeva iona snage nastaje električno polje Ei. Električno polje spoja elektron-rupa (p-n-spoj) sprječava daljnji prijelaz elektrona i rupa kroz sučelje između dva poluvodiča. Blokirajući sloj ima povećanu otpornost u usporedbi s ostalim volumenima poluvodiča.

Eksterno električno polje s intenzitetom E utječe na otpor blokirajućeg električnog polja. Ako je n-poluvodič spojen na negativni pol izvora, a plus izvora spojen na p-poluvodič, tada pod djelovanjem električnog polja elektroni u n-poluvodiču i rupe u p-poluvodiči će se kretati jedan prema drugome do sučelja poluvodiča (slika 11). Elektroni, prelazeći granicu, "ispune" rupe. S takvima smjer naprijed vanjsko električno polje, debljina sloja barijere i njegov otpor kontinuirano se smanjuju. U tom smjeru električna struja prolazi kroz p-n spoj.

Razmatrani smjer p-n-spoja se zove direktno. Ovisnost struje o naponu, t.j. volt-amper karakteristike izravni prijelaz, prikazan na sl. 12 kao puna linija.

Ako je n-poluvodič spojen na pozitivni pol izvora, a p-poluvodič na negativni, tada će se elektroni u n-poluvodiču i rupe u p-poluvodiču pod djelovanjem električnog polja kretati od sučelja u suprotnim smjerovima (slika 13). To dovodi do zadebljanja sloja barijere i povećanja njegove otpornosti. Smjer vanjskog električnog polja koji širi sloj barijere naziva se zaključavanje (obrnuto). S ovim smjerom vanjskog polja električna struja glavnih nositelja naboja ne prolazi kroz kontakt dva p- i p-poluvodiča.

Struja kroz p-n spoj sada je posljedica elektrona koji se nalaze u poluvodiču p-tipa i rupa iz n-tipa poluvodiča. No, manjinskih nositelja naboja je vrlo malo, pa se vodljivost prijelaza pokazuje beznačajnom, a otpor je velik. Razmatrani smjer p-n-spoja se zove obrnuto, njegova strujno-naponska karakteristika prikazana je na sl. 12 isprekidana linija.

Imajte na umu da se trenutna mjerna skala za prijelaze naprijed i natrag razlikuju tisuću puta.

Imajte na umu da pri određenom naponu primijenjenom u suprotnom smjeru postoji slom(tj. uništenje) p-n spoja.

Poluvodiči

Termistori

Električni otpor poluvodiča uvelike ovisi o temperaturi. Ovo svojstvo se koristi za mjerenje temperature po jakosti struje u krugu s poluvodičem. Takvi se uređaji nazivaju termistori ili termistori. Poluvodička tvar je smještena u metal zaštitna torbica, u kojem se nalaze izolirani vodovi za uključivanje termistora u električni krug.

Promjena otpora termistora pri zagrijavanju ili hlađenju omogućuje im upotrebu u instrumentima za mjerenje temperature za održavanje stalne temperature u automatski uređaji- u zatvorenim komorama-termostatima, kako bi se osiguralo protupožarni alarm itd. Termistori postoje za mjerenje oba vrlo visokih ( T≈ 1300 K) i vrlo niska ( T≈ 4 - 80 K) temperature.

Shematski prikaz (slika a) i fotografija (sl. b) termistora prikazani su na slici 14.

Riža. četrnaest

Fotootpornici

Električna vodljivost poluvodiča povećava se ne samo kada se zagrijavaju, već i kada su osvijetljeni. Električna vodljivost raste zbog kidanja veza i stvaranja slobodnih elektrona i rupa zbog energije svjetlosti koja upada na poluvodič.

Uređaji koji uzimaju u obzir ovisnost električne vodljivosti poluvodiča o osvjetljenju nazivaju se fotootpornici.

Materijali za izradu fotootpornika su spojevi kao što su CdS, CdSe, PbS i niz drugih.

Mala veličina i visoka osjetljivost fotootpornika omogućuju njihovo korištenje za snimanje i mjerenje slabih svjetlosnih tokova. Uz pomoć fotootpornika utvrđuje se kvaliteta površina, kontroliraju dimenzije proizvoda itd.

Shematski prikaz (slika a) i fotografija (slika b) fotootpornika prikazani su na slici 15.

Riža. petnaest

poluvodička dioda

Sposobnost p-n spoja da propušta struju u jednom smjeru koristi se u poluvodičkim uređajima tzv. diode.

Poluvodičke diode izrađuju se od germanija, silicija, selena i drugih tvari.

Spriječiti štetni učinci zraka i svjetlosti, u hermetiku se stavlja kristal germanija metalno kućište. Poluvodičke diode su glavni elementi ispravljača naizmjenična struja(točnije, koriste se za pretvaranje izmjenične struje u pulsirajuću istosmjernu struju.)

Shematski prikaz (slika a) i fotografija (slika b) poluvodičke diode prikazani su na slici 16.

Riža. šesnaest

LED diode

Dioda koja emitira svjetlo ili dioda koja emitira svjetlo- poluvodički uređaj s p-n spojem koji stvara optičko zračenje kada se kroz njega propušta električna struja.

Emitirana svjetlost nalazi se u uskom rasponu spektra, njezine spektralne karakteristike ovise, između ostalog, o kemijski sastav poluvodiči koji se u njemu koriste.

Književnost

1. Aksenovich L. A. Fizika u Srednja škola: Teorija. Zadaci. Testovi: Proc. doplatak za ustanove koje pružaju opću. okruženja, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 300-308.
2. Burov L.I., Strelchenya V.M. Fizika od A do Ž: za studente, pristupnike, nastavnike. - Minsk: Paradox, 2000. - S. 219-228.
3. Myakishev G. Ya. Fizika: Elektrodinamika. 10 - 11 ćelija: udžbenik za dubinsko proučavanje fizike / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. - M.: Drfa, 2005. - S. 309-320.
4. Yavorsky BM, Seleznev Yu. A. Referentni vodič za fiziku za one koji ulaze na sveučilišta i samoobrazovanje. - M.: Nauka, 1984. - S. 165-169.

Poluvodiči zauzimaju srednje mjesto u električnoj vodljivosti između vodiča i nevodiča električne struje. Skupina poluvodiča uključuje mnogo više tvari nego skupine vodiča i nevodiča zajedno. Najkarakterističniji predstavnici poluvodiča koji su pronašli praktična upotreba u tehnologiji su germanij, silicij, selen, telurij, arsen, bakrov oksid i ogroman broj legura i kemijskih spojeva. Gotovo sve anorganske tvari svijet oko nas su poluvodiči. Najčešći poluvodič u prirodi je silicij, koji čini oko 30% zemljine kore.

Kvalitativna razlika između poluvodiča i metala očituje se prvenstveno u ovisnosti otpora o temperaturi. S padom temperature, otpor metala opada. U poluvodičima, naprotiv, s padom temperature, otpor raste i blizu apsolutne nule praktički postaju izolatori.

U poluvodičima koncentracija slobodnih nositelja naboja raste s porastom temperature. Mehanizam električne struje u poluvodičima ne može se objasniti unutar modela plina slobodnih elektrona.

Atomi germanija imaju četiri labavo vezana elektrona u svojoj vanjskoj ljusci. Zovu se valentni elektroni. U kristalnoj rešetki svaki atom je okružen s četiri najbliža susjeda. Veza između atoma u kristalu germanija je kovalentna, odnosno provode je parovi valentnih elektrona. Svaki valentni elektron pripada dvama atomima. Valentni elektroni u kristalu germanija mnogo su jače vezani za atome nego u metalima; stoga je koncentracija vodljivih elektrona na sobnoj temperaturi u poluvodičima mnogo redova veličine niža nego u metalima. Temperatura blizu apsolutne nule u kristalu germanija, svi elektroni sudjeluju u stvaranju veza. Takav kristal ne provodi elektricitet.

Kako temperatura raste, neki od valentnih elektrona mogu dobiti dovoljno energije da razbiju kovalentne veze. Tada će se u kristalu pojaviti slobodni elektroni (elektroni vodljivosti). Istodobno, na mjestima kidanja veze nastaju slobodna mjesta koja nisu zauzeta elektronima. Ova slobodna mjesta nazivaju se "rupama".

Pri određenoj temperaturi poluvodiča u jedinici vremena nastaje određeni broj parova elektron-rupa. Istodobno se odvija i obrnuti proces – kada slobodni elektron naiđe na rupu, obnavlja se elektronička veza između atoma germanija. Taj se proces naziva rekombinacija. Parovi elektron-rupa također se mogu proizvesti kada je poluvodič osvijetljen zbog energije elektromagnetskog zračenja.

Ako se poluvodič stavi u električno polje, tada u uređeno kretanje ne sudjeluju samo slobodni elektroni, već i rupe, koje se ponašaju kao pozitivno nabijene čestice. Stoga je struja I u poluvodiču zbroj elektronskih struja I n i rupe I p: I = I n + I p.

Koncentracija elektrona vodljivosti u poluvodiču jednaka je koncentraciji rupa: n n = n p . Mehanizam vodljivosti elektron-rupa očituje se samo u čistim (tj. bez nečistoća) poluvodičima. Zove se intrinzična električna vodljivost poluvodiča.

U prisutnosti nečistoća, električna vodljivost poluvodiča se jako mijenja. Na primjer, dodavanjem nečistoća fosfor u kristal silicij u iznosu od 0,001 atomskog postotka smanjuje otpornost za više od pet redova veličine.

Poluvodič u koji je uvedena nečistoća (tj. dio atoma jedne vrste zamijenjen je atomima druge vrste) naziva se dopirana ili dopirana.

Postoje dvije vrste vodljivosti nečistoća, elektronska i provodljivost kroz šupljine.

Dakle, kod dopinga četverovalentnog germanij (Ge) ili silicij (Si) petovalentan - fosfor (P), antimon (Sb), arsen (As) na mjestu atoma nečistoće pojavljuje se dodatni slobodni elektron. U ovom slučaju, nečistoća se zove donator .

Pri dopiranju četverovalentnog germanija (Ge) ili silicija (Si) trovalentnog - aluminij (Al), indij (Jn), bor (B), galij (Ga) - postoji rupa za liniju. Takve se nečistoće nazivaju akceptor .

U istom uzorku poluvodičkog materijala jedan dio može imati p-vodljivost, a drugi n-vodljivost. Takav uređaj naziva se poluvodička dioda.

Prefiks "di" u riječi "dioda" znači "dva", označava da uređaj ima dva glavna "detalja", dva poluvodička kristala usko jedan uz drugi: jedan s p-vodljivošću (ovo je zona R), drugi - s n - vodljivošću (ovo je zona P). Zapravo, poluvodička dioda je jedan kristal, u čiji je jedan dio uvedena donorska nečistoća (zona P), u drugu - akceptor (zonu R).

Ako se od baterije dovede konstantni napon na diodu "plus" na zonu R i "minus" na zonu P, tada će slobodni naboji - elektroni i rupe - juriti na granicu, juriti na pn spoj. Ovdje će se međusobno neutralizirati, novi naboji će se približiti granici, a a D.C.. To je takozvana izravna veza diode - naboji se intenzivno kreću kroz nju, u krugu teče relativno velika struja naprijed.

Sada ćemo promijeniti polaritet napona na diodi, izvršit ćemo, kako kažu, njegovo obrnuto uključivanje - spojit ćemo "plus" baterije na zonu P,"minus" - u zonu R. Slobodni naboji će se povući s granice, elektroni će ići u "plus", rupe - u "minus" i, kao rezultat toga, pn - spoj će se pretvoriti u zonu bez slobodnih naboja, u čisti izolator. To znači da će se krug prekinuti, struja u njemu će se zaustaviti.

Neće i dalje proći velika obrnuta struja kroz diodu. Jer, osim glavnih slobodnih naboja (nosača naboja) - elektrona, u zoni P, te rupe u p zoni - u svakoj od zona također postoji neznatna količina naboja suprotnog predznaka. To su njihovi vlastiti manjinski nositelji naboja, postoje u bilo kojem poluvodiču, pojavljuju se u njemu zbog toplinskog kretanja atoma i upravo oni stvaraju obrnutu struju kroz diodu. Takvih je naboja relativno malo, a reverzna struja je višestruko manja od izravne. Veličina obrnute struje jako ovisi o: temperaturi okoliš, poluvodički materijal i područje pn tranzicija. S povećanjem prijelaznog područja, njegov volumen se povećava, a posljedično i broj manjinskih nositelja koji se pojavljuju kao rezultat toplinske proizvodnje i povećanja toplinske struje. Često se CVC, radi jasnoće, prikazuje u obliku grafikona.

Mnogi poluvodiči su kemijski elementi(germanij, silicij, selen, telurij, arsen itd.), ogroman broj legura i kemijskih spojeva. Gotovo sve anorganske tvari svijeta oko nas su poluvodiči. Najčešći poluvodič u prirodi je silicij, koji čini oko 30% zemljine kore.

Kvalitativna razlika između poluvodiča i metala očituje se u temperaturna ovisnost otpora(sl.9.3)

Tračni model vodljivosti elektron-rupa poluvodiča

U obrazovanju čvrste tvari moguća je situacija kada se energetski pojas koji je nastao iz energetskih razina valentnih elektrona početnih atoma ispostavi da je potpuno ispunjen elektronima, a najbliži dostupni za punjenje elektronima razine energije odvojen od valentni pojas E V interval nerazriješenih energetskih stanja – tzv zabranjena zona npr.Iznad pojasa je zona energetskih stanja dopuštenih za elektrone - vodljivi pojas E c .

Vodljivi pojas pri 0 K je potpuno slobodan, dok je valentni pojas potpuno zauzet. Slične trakaste strukture karakteristične su za silicij, germanij, galijev arsenid (GaAs), indijev fosfid (InP) i mnoge druge poluvodičke čvrste tvari.

S povećanjem temperature poluvodiča i dielektrika, elektroni mogu primiti dodatnu energiju povezanu s toplinskim gibanjem. kT. Nekim elektronima za prijelaz je dovoljna energija toplinskog gibanja od valentnog pojasa do vodljivog pojasa, gdje se elektroni pod djelovanjem vanjskog električnog polja mogu kretati gotovo slobodno.

U ovom slučaju, u krugu s poluvodičkim materijalom, kako temperatura poluvodiča raste, električna struja će se povećati. Ova struja povezana je ne samo s kretanjem elektrona u vodljivom pojasu, već i s izgledom slobodna mjesta od elektrona koji su otišli u vodljivi pojas u valentnom pojasu tzv rupe . Slobodno mjesto može zauzeti valentni elektron iz susjednog para, tada će se rupa pomaknuti na novo mjesto u kristalu.

Ako se poluvodič stavi u električno polje, tada u uređeno kretanje ne sudjeluju samo slobodni elektroni, već i rupe, koje se ponašaju kao pozitivno nabijene čestice. Stoga, struja ja u poluvodiču se sastoji od elektronike I n i rupa Ip struje: ja= I n+ Ip.

Mehanizam vodljivosti elektron-rupa očituje se samo u čistim (tj. bez nečistoća) poluvodičima. To se zove vlastitu električnu vodljivost poluvodiči. Elektroni se bacaju u vodljivi pojas sa Fermijeva razina, za koji se ispostavilo da se nalazi u vlastitom poluvodiču usred zabranjene zone(slika 9.4).

Moguće je značajno promijeniti vodljivost poluvodiča unošenjem vrlo malih količina nečistoća u njih. U metalima, nečistoća uvijek smanjuje vodljivost. Dakle, dodavanje 3% atoma fosfora čistom siliciju povećava električnu vodljivost kristala za faktor 105.

Lagani dodatak dopanta u poluvodič zove doping.

Neophodan uvjet oštro smanjenje otpornosti poluvodiča s uvođenjem nečistoća je razlika u valentnosti atoma nečistoće od valencije glavnih atoma kristala. Vodljivost poluvodiča u prisutnosti nečistoća naziva se vodljivost nečistoća .

Razlikovati dvije vrste provođenja nečistoća – elektronički i rupa provodljivost. Elektronska vodljivost nastaje kada se petovalentni atomi (na primjer, arsen, As) uvedu u kristal germanija s četverovalentnim atomima (slika 9.5).

Četiri valentna elektrona atoma arsena sudjeluju u stvaranju kovalentnih veza s četiri susjedna atoma germanija. Peti valentni elektron pokazao se suvišnim. Lako se odvaja od atoma arsena i postaje slobodan. Atom koji je izgubio elektron pretvara se u pozitivan ion koji se nalazi na mjestu u kristalnoj rešetki.

Smjesa atoma čija je valenca veća od valencije glavnih atoma poluvodičkog kristala naziva se donorska nečistoća . Kao rezultat njegovog uvođenja, u kristalu se pojavljuje značajan broj slobodnih elektrona. To dovodi do oštrog smanjenja otpornosti poluvodiča - tisućama, pa čak i milijunima puta.

Otpornost vodiča s izvrstan sadržaj nečistoće se mogu približiti otpornosti metalnog vodiča. Takvu vodljivost, zbog slobodnih elektrona, nazivamo elektronskom, a poluvodič s elektronskom vodljivošću nazivamo poluvodič n-tipa.

provodljivost rupa nastaje kada se trovalentni atomi uvedu u kristal germanija, na primjer atomi indija (slika 9.5)

Slika 6 prikazuje atom indija koji je stvorio kovalentne veze sa samo tri susjedna atoma germanija koristeći svoje valentne elektrone. Atom indija nema elektron za stvaranje veze s četvrtim atomom germanija. Ovaj elektron koji nedostaje može se uhvatiti atomom indija iz kovalentne veze susjednih atoma germanija. U tom slučaju, atom indija se pretvara u negativni ion koji se nalazi na mjestu kristalne rešetke, a u kovalentnoj vezi susjednih atoma nastaje prazno mjesto.

Mješavina atoma koja je sposobna uhvatiti elektrone naziva se akceptorska nečistoća . Kao rezultat uvođenja akceptorske nečistoće, u kristalu se prekidaju mnoge kovalentne veze i nastaju prazna mjesta (rupe). Na ta mjesta elektroni mogu skočiti iz susjednih kovalentnih veza, što dovodi do nasumičnih lutanja rupa oko kristala.

Koncentracija rupa u poluvodiču s akceptorskom nečistoćom značajno premašuje koncentraciju elektrona koji su nastali zbog mehanizma intrinzične električne vodljivosti poluvodiča: np>> n n. Ova vrsta provođenja tzv vodljivost rupa . Nečistoća poluvodiča s vodljivošću rupa naziva se poluvodič p-tipa . Glavni slobodni nosioci naboja u poluvodičima str-vrsta su rupe.

Prijelaz elektron-rupa. Diode i tranzistori

U suvremenoj elektroničkoj tehnologiji poluvodički uređaji imaju iznimnu ulogu. Tijekom protekla tri desetljeća gotovo su u potpunosti zamijenili elektrovakuumske uređaje.

Svaki poluvodički uređaj ima jedan ili više spojeva elektron-rupa. . Prijelaz elektron-rupa (ili n–str-tranzicija) - je kontaktna površina dvaju poluvodiča s različiti tipovi provodljivost.

Na granici poluvodiča (slika 9.7) nastaje dvostruki električni sloj čije električno polje sprječava proces difuzije elektrona i rupa jedna prema drugoj.

Sposobnost n–str-prijelaz za prolaz struje u gotovo samo jednom smjeru koristi se u uređajima tzv poluvodičke diode. Poluvodičke diode izrađuju se od kristala silicija ili germanija. Tijekom njihove izrade, nečistoća se topi u kristal s određenom vrstom vodljivosti, što daje drugu vrstu vodljivosti.

Slika 9.8 prikazuje tipičnu volt-ampersku karakteristiku silikonske diode.

Poluvodički uređaji s ne jednim nego dva n-p spoja nazivaju se tranzistori . Tranzistori su dvije vrste: str–n–str-tranzistori i n–str–n-tranzistori. u tranzistoru n–str–n-tip temeljne germanijske ploče je vodljiva str-tip, a dvije regije stvorene na njemu - vodljivošću n-tip (slika 9.9).

u tranzistoru p–n–str- to je nekako suprotno. Ploča tranzistora se zove baza(B), jedna od regija sa suprotnim tipom vodljivosti - kolektor(K), a drugi - odašiljač(E).