Կիսահաղորդիչները այն նյութերն են, որոնք նորմալ պայմաններում մեկուսիչ են, բայց ջերմաստիճանի բարձրացմամբ դառնում են հաղորդիչներ: Այսինքն, կիսահաղորդիչներում, երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է, դիմադրությունը նվազում է:

Կիսահաղորդչի կառուցվածքը սիլիցիումի բյուրեղի օրինակով

Դիտարկենք կիսահաղորդիչների կառուցվածքը և դրանցում հաղորդունակության հիմնական տեսակները: Որպես օրինակ, դիտարկենք սիլիցիումի բյուրեղը:

Սիլիցիումը քառավալենտ տարր է։ Հետեւաբար, իր արտաքին ծածկույթԿան չորս էլեկտրոններ, որոնք թույլ կապված են ատոմի միջուկի հետ: Յուրաքանչյուրն իր հարևանությամբ ունի ևս չորս ատոմ:

Ատոմները փոխազդում են միմյանց հետ և ձևավորում են կովալենտային կապեր։ Յուրաքանչյուր ատոմից մեկ էլեկտրոն մասնակցում է նման կապին։ Սիլիկոնային սարքի դիագրամը ներկայացված է հետևյալ նկարում.

նկար

Կովալենտային կապերը բավականաչափ ամուր են և ցածր ջերմաստիճաններմի կոտրեք. Հետևաբար, սիլիցիումում անվճար լիցքավորողներ չկան, և դա դիէլեկտրիկ է ցածր ջերմաստիճանի դեպքում: Կիսահաղորդիչներում հաղորդման երկու տեսակ կա՝ էլեկտրոն և անցք:

Էլեկտրոնային հաղորդունակություն

Երբ սիլիցիումը տաքացվում է, նրան լրացուցիչ էներգիա կփոխանցվի: Մասնիկների կինետիկ էներգիան մեծանում է, և որոշ կովալենտային կապեր կոտրվում են։ Սա ստեղծում է ազատ էլեկտրոններ:

Էլեկտրական դաշտում այս էլեկտրոնները շարժվում են հանգույցների միջև բյուրեղյա վանդակ. Այս դեպքում սիլիցիում կստեղծվի էլեկտրական հոսանք։

Քանի որ ազատ էլեկտրոնները հիմնական լիցքակիրներն են, հաղորդման այս տեսակը կոչվում է էլեկտրոնային հաղորդակցություն: Ազատ էլեկտրոնների թիվը կախված է ջերմաստիճանից։ Որքան շատ ենք տաքացնում սիլիցիումը, այնքան ավելի շատ կովալենտային կապերկկոտրվի, և, հետևաբար, ավելի շատ ազատ էլեկտրոններ կհայտնվեն։ Սա հանգեցնում է դիմադրության նվազմանը: Իսկ սիլիցիումը դառնում է հաղորդիչ։

անցքի անցկացում

Երբ կովալենտային կապը խզվում է, արտանետվող էլեկտրոնի փոխարեն առաջանում է դատարկ տեղ, որը կարող է զբաղեցնել մեկ այլ էլեկտրոն։ Այս վայրը կոչվում է փոս: Անցքը ավելորդ դրական լիցք ունի։

Բյուրեղի մեջ անցքի դիրքը անընդհատ փոխվում է, ցանկացած էլեկտրոն կարող է վերցնել այս դիրքը, և անցքը կտեղափոխվի այնտեղ, որտեղից էլեկտրոնը ցատկել է: Եթե էլեկտրական դաշտոչ, ապա անցքերի շարժումը պատահական է, և, հետևաբար, հոսանք չի առաջանում:

Եթե ​​այն առկա է, ապա անցքերի շարժման կարգ կա, և բացի այն հոսանքից, որը ստեղծում են ազատ էլեկտրոնները, կա նաև հոսանք, որը ստեղծվում է անցքերի միջոցով: Անցքերը կշարժվեն էլեկտրոնների հակառակ ուղղությամբ:

Այսպիսով, կիսահաղորդիչներում հաղորդունակությունը էլեկտրոն-անցք է: Հոսանքն առաջանում է ինչպես էլեկտրոնների, այնպես էլ անցքերի միջոցով: Հաղորդման այս տեսակը կոչվում է նաև ներքին հաղորդում, քանի որ ներգրավված են միայն մեկ ատոմի տարրերը:

Կիսահաղորդիչներում փոխադրող փոխադրում

Ներածություն

Կիսահաղորդիչների հոսանքի կրիչներն են էլեկտրոնները և անցքերը: Ընթացիկ կրիչները բյուրեղային ատոմների պարբերական դաշտում շարժվում են այնպես, կարծես դրանք ազատ մասնիկներ լինեն: Պարբերական ներուժի ազդեցությունը ազդում է միայն կրող զանգվածի վրա: Այսինքն՝ պարբերական պոտենցիալի ազդեցության տակ փոխվում է կրիչի զանգվածը։ Այս առումով պինդ վիճակի ֆիզիկան ներկայացնում է էլեկտրոնի և անցքի արդյունավետ զանգվածի հայեցակարգը։ Միջին էներգիա ջերմային շարժումէլեկտրոններ և անցքեր են կՏ/2 ազատության յուրաքանչյուր աստիճանի համար: Էլեկտրոնի և անցքի ջերմային արագությունը սենյակային ջերմաստիճանում մոտ 10 7 սմ/վ է։

Եթե ​​էլեկտրական դաշտը կիրառվում է կիսահաղորդչի վրա, ապա այս դաշտը կառաջացնի հոսանքի կրիչների շեղում: Այս դեպքում կրիչի արագությունը նախ կաճի դաշտի մեծացման հետ, կհասնի արագության միջին արժեքին, այնուհետև կդադարի փոխվել, քանի որ կրիչները ցրված են: Ցրումը առաջանում է արատների, կեղտերի և ֆոնոնների արտանետման կամ կլանման հետևանքով: Կրիչի ցրման հիմնական պատճառը լիցքավորված կեղտերն են և ցանցի ատոմների ջերմային թրթռումները (ֆոնոնների կլանումը/արտանետումը)։ Նրանց հետ փոխազդեցությունը հանգեցնում է կրիչների արագության և դրանց շարժման ուղղության կտրուկ փոփոխության: Կրիչի արագության ուղղության փոփոխությունը պատահական է: Ընթացիկ կրիչների ցրման լրացուցիչ մեխանիզմը կիսահաղորդչի մակերեսի վրա կրիչների ցրումն է։

Արտաքին էլեկտրական դաշտի առկայության դեպքում կիսահաղորդիչում կրիչների շարժման պատահական բնույթը գերադասում է կրիչների ուղղորդված շարժումը դաշտի գործողության ներքո բախումների միջև ընկած ժամանակահատվածում: Եվ նույնիսկ չնայած այն հանգամանքին, որ կրիչների պատահական շարժման արագությունը կարող է շատ անգամ գերազանցել էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ կրիչների ուղղորդված շարժման արագությունը, կրիչների շարժման պատահական բաղադրիչը կարող է անտեսվել, քանի որ պատահական շարժումով ստացվում է. կրիչի հոսքը զրո. Արտաքին դաշտի ազդեցության տակ կրիչների արագացումը ենթարկվում է Նյուտոնի դինամիկայի օրենքներին։ Ցրումը հանգեցնում է շարժման ուղղության և արագության մեծության կտրուկ փոփոխության, սակայն ցրվելուց հետո դաշտի գործողության տակ գտնվող մասնիկի արագացված շարժումը վերսկսվում է։

Բախումների զուտ ազդեցությունն այն է, որ մասնիկները չեն արագանում, բայց մասնիկները արագորեն հասնում են շարժման հաստատուն արագության: Սա համարժեք է ժամանակի հաստատունով բնութագրվող մասնիկի շարժման հավասարման մեջ դանդաղեցնող բաղադրիչի ներդրմանը տ. Այս ժամանակահատվածում մասնիկը կորցնում է թափը մվորոշվում է միջին արագությամբ v. Բախումների միջև հաստատուն արագացում ունեցող մասնիկի համար այս ժամանակի հաստատունը հավասար է երկու հաջորդական բախումների ժամանակին: Եկեք ավելի մանրամասն քննարկենք կիսահաղորդիչներում ընթացիկ կրիչի փոխադրման մեխանիզմները:

դրեյֆինգընթացիկ(Դրեյֆ հոսանք)

Էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ կիսահաղորդչում կրիչների շեղման շարժումը կարելի է պատկերել Նկար XXX-ով: Դաշտը փոխադրողներին ասում է արագությունը v.

Նկ. Դաշտի գործողության ներքո կրիչների տեղաշարժը .

Եթե ​​ենթադրենք, որ կիսահաղորդիչի բոլոր կրիչները շարժվում են նույն արագությամբ v, ապա հոսանքը կարող է արտահայտվել որպես էլեկտրոդների միջև փոխանցված ընդհանուր լիցքի հարաբերակցությունը ժամանակին տ rփոխանցելով այս լիցքը մի էլեկտրոդից մյուսը, կամ.

որտեղ Լ – էլեկտրոդների միջև հեռավորությունը.

Ընթացիկ խտությունը այժմ կարող է արտահայտվել ընթացիկ կրիչների կոնցենտրացիայի տեսքով nկիսահաղորդիչում.

որտեղ ԲԱՅՑ կիսահաղորդչի խաչմերուկի տարածքն է:

Շարժունակություն

Կիսահաղորդիչում հոսանքի կրիչների շարժման բնույթը դաշտի բացակայության և արտաքին էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ ներկայացված է Նկար XXX-ում: Ինչպես արդեն նշվեց, էլեկտրոնների ջերմային արագությունը 107 սմ/վրկ է և շատ ավելի բարձր է, քան էլեկտրոնների դրեյֆի արագությունը:

Նկ. Կիսահաղորդիչում հոսանքի կրիչների շարժման պատահական բնույթը արտաքին դաշտի բացակայության և առկայության դեպքում:

Դիտարկենք կրիչների շարժումը միայն էլեկտրական դաշտի ազդեցության ներքո: Նյուտոնի օրենքի համաձայն.

որտեղ ուժը ներառում է երկու բաղադրիչ՝ էլեկտրաստատիկ ուժ և հանած ուժը, որն առաջացնում է իմպուլսի կորուստ ցրման ժամանակ՝ բաժանված բախումների միջև եղած ժամանակի վրա.

Հավասարեցնելով այս արտահայտությունները և օգտագործելով for արտահայտությունը Միջին արագությունը, ստանում ենք.

Դիտարկենք միայն անշարժ դեպքը, երբ մասնիկը արդեն արագացել է և հասել է իր միջին հաստատուն արագությանը։ Այս մոտավորությամբ արագությունը համաչափ է էլեկտրական դաշտի ուժգնությանը: Վերջին արժեքների միջև համաչափության գործակիցը սահմանվում է որպես շարժունակություն.

Շարժունակությունը հակադարձ համեմատական ​​է կրիչի զանգվածին և ուղիղ համեմատական ​​է միջին ազատ ճանապարհին:

Դրեյֆ հոսանքի խտությունը կարող է գրվել որպես շարժունակության ֆունկցիա.

Ինչպես արդեն նշվեց, կիսահաղորդիչներում կրիչների զանգվածը հավասար չէ վակուումում գտնվող էլեկտրոնի զանգվածին, միսկ շարժունակության բանաձևը պետք է օգտագործի արդյունավետ զանգվածը, մ * :

Ընթացիկ կրիչների դիֆուզիոն կիսահաղորդիչներում:

Դիֆուզիոն հոսանք

Եթե ​​արտաքին էլեկտրական դաշտբացակայում է կիսահաղորդիչում, այնուհետև տեղի է ունենում հոսանքի կրիչների՝ էլեկտրոնների և անցքերի պատահական շարժում ջերմային էներգիայի ազդեցության տակ։ Այս պատահական շարժումը չի հանգեցնում կրիչների ուղղորդված շարժման և հոսանքի առաջացման։ Միշտ ցանկացած տեղից հեռացած փոխադրողի փոխարեն նրա փոխարեն կգա մեկ ուրիշը։ Այսպիսով, միատեսակ կրիչի խտությունը պահպանվում է կիսահաղորդչի ամբողջ ծավալով:

Բայց իրավիճակը փոխվում է, եթե կրիչները բաշխվում են անհավասարաչափ ծավալի վրա, այսինքն. կա համակենտրոնացման գրադիենտ. Այս դեպքում, կոնցենտրացիայի գրադիենտի գործողության ներքո, տեղի է ունենում կրիչների ուղղորդված շարժում՝ դիֆուզիոն տարածաշրջանից, որտեղ կոնցենտրացիան ավելի բարձր է, դեպի ցածր կոնցենտրացիայով շրջան: Լիցքավորված կրիչների ուղղորդված շարժումը դիֆուզիայի գործողության ներքո ստեղծում է դիֆուզիոն հոսանք։ Դիտարկենք այս ազդեցությունը ավելի մանրամասն:

Մենք կապ ենք ստանում դիֆուզիոն հոսանքի համար: Մենք ելնելու ենք նրանից, որ կոնցենտրացիայի գրադիենտի ազդեցության տակ կրիչների ուղղորդված շարժումը տեղի է ունենում ջերմային շարժման արդյունքում (ջերմաստիճանում
ըստ Քելվինի՝ մասնիկի ազատության յուրաքանչյուր աստիճանի համար կա էներգիա
), այսինքն. Դիֆուզիան բացակայում է զրոյական ջերմաստիճանում (կրիչի շեղումը հնարավոր է նաև 0K-ում):

Չնայած այն հանգամանքին, որ ջերմության ազդեցության տակ կրիչների շարժման պատահական բնույթը պահանջում է վիճակագրական մոտեցում, դիֆուզիոն հոսանքի բանաձևի ստացումը հիմնված կլինի գործընթացները բնութագրող միջին արժեքների օգտագործման վրա: Արդյունքը նույնն է.

Ներկայացնենք միջին արժեքները՝ միջին ջերմային արագությունը v րդ, բախումների միջև միջին ժամանակը,  , և միջին երկարությունըազատ վազք, լ. Միջին ջերմային արագությունը կարող է ուղղվել ինչպես դրական, այնպես էլ բացասական ուղղություններով: Այս մեծությունները փոխկապակցված են կապով

Դիտարկենք էլեկտրոնների անհամասեռ բաշխման իրավիճակը n(x) (տես Գծապատկեր XXX):

Նկ. մեկ Կրիչի խտության պրոֆիլը օգտագործվում է ընթացիկ դիֆուզիոն արտահայտությունը ստանալու համար

Դիտարկենք էլեկտրոնների հոսքը կոորդինատով հարթության միջով x = 0. Այս հարթության վրա փոխադրողները գալիս են կոորդինատի ձախ կողմից x = - լ, իսկ կոորդինատի կողմից աջ կողմում x = լ. Էլեկտրոնների հոսքը ձախից աջ է

որտեղ ½ գործակիցը նշանակում է, որ էլեկտրոնների կեսը գտնվում է կոորդինատով հարթությունում x = - լշարժվում է դեպի ձախ, իսկ մյուս կեսը՝ աջ: Նմանապես, էլեկտրոնների հոսքը միջով x = 0 գալիս է աջ կողմից x = + լհավասար կլինի՝

Հարթության միջով անցնող էլեկտրոնների ընդհանուր հոսքը x = 0 ձախից աջ կլինի.

Ենթադրելով, որ էլեկտրոնների միջին ազատ ուղին բավական փոքր է, մենք կարող ենք գրել էլեկտրոնների կոնցենտրացիաների տարբերությունը կոորդինատից աջ և ձախ: x = 0 համակենտրոնացման տարբերության հարաբերակցության միջոցով հարթությունների միջև հեռավորությանը, այսինքն. ածանցյալի միջոցով.

Էլեկտրոնի հոսանքի խտությունը հավասար կլինի.

Սովորաբար, ջերմային արագության և միջին ազատ ուղու արտադրյալը փոխարինվում է մեկ գործակցով, որը կոչվում է էլեկտրոնների դիֆուզիայի գործակից, Դ n .

Նմանատիպ հարաբերություններ կարող են գրվել նաև անցքի դիֆուզիոն հոսանքի համար.

Պետք է միայն հիշել, որ անցքերի լիցքը դրական է։

Դիֆուզիոն գործակցի և շարժունակության միջև կապ կա։ Թեև առաջին հայացքից կարող է թվալ, որ այդ գործակիցները չպետք է կապված լինեն, քանի որ կրիչների դիֆուզիան պայմանավորված է ջերմային շարժումով, իսկ կրիչների շեղումը` արտաքին էլեկտրական դաշտով: Այնուամենայնիվ, հիմնական պարամետրերից մեկը՝ բախումների միջև ընկած ժամանակահատվածը, չպետք է կախված լինի այն պատճառից, որն առաջացրել է կրիչների շարժը:

Մենք օգտագործում ենք ջերմային արագության սահմանումը որպես.

և թերմոդինամիկայի եզրակացությունները, որ էլեկտրոնների շարժման ազատության յուրաքանչյուր աստիճանի համար կա ջերմային էներգիա կՏ/2, հավասար է կինետիկին.

Այս հարաբերություններից կարելի է ստանալ ջերմային արագության և միջին ազատ ուղու արտադրյալը՝ արտահայտված կրիչի շարժունակությամբ.

Բայց մենք արդեն սահմանել ենք ջերմային արագության և միջին ազատ ուղու արտադրյալը որպես դիֆուզիոն գործակից։ Այնուհետև էլեկտրոնների և անցքերի վերջին կապը կարելի է գրել հետևյալ ձևով.

Այս հարաբերությունները կոչվում են Էյնշտեյնի հարաբերություններ:

Ընդհանուր ընթացիկ

Կիսահաղորդչի միջով անցնող ընդհանուր հոսանքը դրեյֆի և դիֆուզիոն հոսանքի գումարն է: Էլեկտրոնի հոսանքի խտության համար մենք կարող ենք գրել.

և նմանապես անցքերի համար.

Կիսահաղորդչի միջով հոսանքի ընդհանուր խտությունը հավասար է էլեկտրոնի և անցքի հոսանքի գումարին.

Կիսահաղորդչի միջով անցնող ընդհանուր հոսանքը հավասար է ընթացիկ խտության և կիսահաղորդչի մակերեսի արտադրյալին.

Ընթացիկը կարող է գրվել նաև հետևյալ ձևով.

Հավասարակշռության պայման անհամասեռ դոպինգով կիսահաղորդչի համար

(կիսահաղորդչի միջոցով հոսանքի բացակայություն)

Կիսահաղորդիչները միջանկյալ դիրք են զբաղեցնում էլեկտրական հաղորդունակության (կամ դիմադրողականության) հաղորդիչների և դիէլեկտրիկների միջև: Այնուամենայնիվ, բոլոր նյութերի այս բաժանումն ըստ իրենց էլեկտրական հաղորդունակության հատկության պայմանական է, քանի որ մի շարք պատճառների (կեղտեր, ճառագայթում, տաքացում) ազդեցության տակ շատ նյութերի էլեկտրական հաղորդունակությունը և դիմադրողականությունը զգալիորեն փոխվում են, հատկապես կիսահաղորդիչների համար:

Այս առումով կիսահաղորդիչները մետաղներից տարբերվում են մի շարք հատկանիշներով.

1. Կիսահաղորդիչների դիմադրողականությունը նորմալ պայմաններում շատ ավելի մեծ է, քան մետաղներինը;

2. Մաքուր կիսահաղորդիչների տեսակարար դիմադրությունը նվազում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ (մետաղների դեպքում այն ​​մեծանում է);

3. երբ կիսահաղորդիչները լուսավորված են, նրանց դիմադրությունը զգալիորեն նվազում է (լույսը գրեթե չի ազդում մետաղների դիմադրության վրա).

4. Աննշան քանակությամբ կեղտերը ուժեղ ազդեցություն են ունենում կիսահաղորդիչների դիմադրության վրա։

Կիսահաղորդիչները ներառում են 12 քիմիական տարր պարբերական համակարգի միջին մասում (նկ. 1)՝ B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, երրորդ խմբի տարրերի միացություններ։ հինգերորդ խմբի տարրերով, մետաղների բազմաթիվ օքսիդներով և սուլֆիդներով, մի շարք ուրիշներ քիմիական միացություններ, որոշ օրգանական նյութեր. Germanium Ge-ն և սիլիցիումը Si-ն ունեն գիտության և տեխնիկայի ամենամեծ կիրառությունը:

Կիսահաղորդիչները կարող են լինել մաքուր կամ դոպինգ: Ըստ այդմ, առանձնանում են կիսահաղորդիչների ներքին և անմաքրության հաղորդունակությունը: Կեղտերն իրենց հերթին բաժանվում են դոնորի և ընդունողի:

Ինքնաէլեկտրական հաղորդունակություն

Կիսահաղորդիչներում էլեկտրական հաղորդման մեխանիզմը հասկանալու համար դիտարկենք կիսահաղորդչային բյուրեղների կառուցվածքը և բյուրեղների ատոմները միմյանց մոտ պահող կապերի բնույթը։ Գերմանիումի և այլ կիսահաղորդիչների բյուրեղներն ունեն ատոմային բյուրեղային ցանց (նկ. 2):

Գերմանիումի կառուցվածքի հարթ դիագրամը ներկայացված է Նկար 3-ում:

Գերմանիումը քառավալենտ տարր է, ատոմի արտաքին թաղանթում կան չորս էլեկտրոններ, որոնք ավելի թույլ են կապված միջուկի հետ, քան մնացածը։ Գերմանիումի յուրաքանչյուր ատոմի մոտակա հարևանների թիվը նույնպես 4 է: Գերմանիումի յուրաքանչյուր ատոմի չորս վալենտային էլեկտրոնները կապված են հարևան ատոմների նույն էլեկտրոնների հետ քիմիական զույգ էլեկտրոններով ( կովալենտային) կապեր. Այս կապի ձևավորմանը յուրաքանչյուր ատոմից մասնակցում է մեկ վալենտային էլեկտրոն, որոնք բաժանվում են ատոմներից (կոլեկտիվացվում են բյուրեղի կողմից) և իրենց շարժման ընթացքում իրենց ժամանակի մեծ մասն անցկացնում են հարևան ատոմների միջև ընկած տարածության մեջ։ Նրանց բացասական լիցքը պահում է դրական գերմանիումի իոնները միմյանց մոտ։ Այս տեսակի կապը պայմանականորեն կարելի է պատկերել միջուկները միացնող երկու գծերով (տես նկ. 3):

Սակայն էլեկտրոնների շրջագայող զույգը պատկանում է ավելի քան երկու ատոմների: Յուրաքանչյուր ատոմ իր հարեւանների հետ կազմում է չորս կապ, և տրված վալենտային էլեկտրոնը կարող է շարժվել դրանցից որևէ մեկի երկայնքով (նկ. 4): Հասնելով հարևան ատոմին, այն կարող է անցնել հաջորդին, այնուհետև ամբողջ բյուրեղի երկայնքով: Կոլեկտիվացված վալենտային էլեկտրոնները պատկանում են ամբողջ բյուրեղին:

Գերմանիումի կովալենտային կապերը բավականին ամուր են և ցածր ջերմաստիճանի դեպքում չեն կոտրվում։ Հետևաբար, գերմանիումը ցածր ջերմաստիճաններում էլեկտրականություն չի հաղորդում: Ատոմների միացմանը մասնակցող վալենտային էլեկտրոնները ամուր կցված են բյուրեղային ցանցին, և արտաքին էլեկտրական դաշտը նկատելի ազդեցություն չի ունենում դրանց շարժման վրա։ Նմանատիպ կառուցվածք ունի սիլիցիումի բյուրեղը։

Քիմիապես մաքուր կիսահաղորդչի էլեկտրական հաղորդունակությունը հնարավոր է, երբ բյուրեղներում կովալենտային կապերը կոտրվում են և ազատ էլեկտրոններ են հայտնվում։

Լրացուցիչ էներգիան, որը պետք է ծախսվի կովալենտային կապը կոտրելու և էլեկտրոնը ազատ դարձնելու համար կոչվում է ակտիվացման էներգիա.

Էլեկտրոնները կարող են ստանալ այդ էներգիան՝ տաքացնելով բյուրեղը, այն բարձր հաճախականությամբ ճառագայթելով։ էլեկտրամագնիսական ալիքներև այլն:

Հենց որ էլեկտրոնը, ձեռք բերելով անհրաժեշտ էներգիա, դուրս է գալիս տեղայնացված կապից, նրա վրա առաջանում է թափուր տեղ։ Այդ թափուր տեղը հեշտությամբ կարող է լրացվել հարեւան կապի էլեկտրոնի միջոցով, որի վրա, հետևաբար, նույնպես առաջանում է թափուր տեղ։ Այսպիսով, կապի էլեկտրոնների շարժման շնորհիվ թափուր տեղերը շարժվում են բյուրեղով մեկ։ Այս թափուր տեղն իրեն պահում է ճիշտ այնպես, ինչպես ազատ էլեկտրոնը. այն ազատորեն շարժվում է կիսահաղորդչի հիմնական մասով: Ավելին, հաշվի առնելով, որ և՛ կիսահաղորդիչը, որպես ամբողջություն, և՛ նրա յուրաքանչյուր ատոմ էլեկտրականորեն չեզոք են չկոտրված կովալենտային կապերով, կարող ենք ասել, որ էլեկտրոնը, որը թողնում է կապը և թափուր տեղ առաջանում, իրականում համարժեք է ավելցուկային դրական լիցքի առաջացմանը։ այս կապը. Հետեւաբար, առաջացած թափուր աշխատատեղը կարող է պաշտոնապես համարվել որպես դրական լիցքակիր, որը կոչվում է փոս(նկ. 5):

Այսպիսով, տեղայնացված կապից էլեկտրոնի հեռանալը առաջացնում է զույգ անվճար լիցքակիր կրիչներ՝ էլեկտրոն և անցք: Նրանց կոնցենտրացիան մաքուր կիսահաղորդչում նույնն է: ժամը սենյակային ջերմաստիճանՄաքուր կիսահաղորդիչներում ազատ կրիչների կոնցենտրացիան ցածր է, մոտ 10 9 ÷ 10 10 անգամ պակաս, քան ատոմների կոնցենտրացիան, բայց այն արագորեն աճում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ:

• Համեմատեք մետաղների հետ. այնտեղ ազատ էլեկտրոնների կոնցենտրացիան մոտավորապես հավասար է ատոմների կոնցենտրացիային։

Արտաքին էլեկտրական դաշտի բացակայության դեպքում այս ազատ էլեկտրոնները և անցքերը պատահականորեն շարժվում են կիսահաղորդչային բյուրեղի մեջ:

Արտաքին էլեկտրական դաշտում էլեկտրոնները շարժվում են էլեկտրական դաշտի ուժգնության ուղղությամբ հակառակ ուղղությամբ: Դրական անցքերը շարժվում են էլեկտրական դաշտի ուժգնության ուղղությամբ (նկ. 6): Արտաքին դաշտում էլեկտրոնների և անցքերի շարժման գործընթացը տեղի է ունենում կիսահաղորդչի ամբողջ ծավալով:

Կիսահաղորդչի ընդհանուր էլեկտրական հաղորդունակությունը անցքի և էլեկտրոնային հաղորդունակության գումարն է: Այս դեպքում մաքուր կիսահաղորդիչներում հաղորդիչ էլեկտրոնների թիվը միշտ հավասար է անցքերի թվին։ Հետեւաբար, ասում են, որ մաքուր կիսահաղորդիչներն ունեն էլեկտրոնային անցքերի հաղորդունակություն, կամ սեփական հաղորդունակությունը.

Ջերմաստիճանի բարձրացմամբ մեծանում է կովալենտային կապերի ընդմիջումների թիվը և մաքուր կիսահաղորդիչների բյուրեղներում ազատ էլեկտրոնների և անցքերի քանակը, և, հետևաբար, մեծանում է էլեկտրական հաղորդունակությունը և նվազում է մաքուր կիսահաղորդիչների դիմադրողականությունը։ Մաքուր կիսահաղորդչի դիմադրողականության ջերմաստիճանից կախվածության գրաֆիկը ներկայացված է նկ. 7.

Բացի տաքացումից, կովալենտային կապերի խզումը և, որպես հետևանք, կիսահաղորդիչների ներքին հաղորդունակության ի հայտ գալը և դիմադրողականության նվազումը կարող են պայմանավորված լինել լուսավորությամբ (կիսահաղորդչի ֆոտոհաղորդունակությամբ), ինչպես նաև ուժեղ էլեկտրական դաշտերի ազդեցությամբ։ .

Կիսահաղորդիչների անմաքրության հաղորդունակությունը

Կիսահաղորդիչների հաղորդունակությունը մեծանում է կեղտերի ներմուծմամբ, երբ ներքին հաղորդունակության հետ մեկտեղ առաջանում է լրացուցիչ անմաքրության հաղորդունակություն։

անմաքրության հաղորդունակությունկիսահաղորդիչները կոչվում են հաղորդունակություն՝ պայմանավորված կիսահաղորդիչում կեղտերի առկայությամբ:

Անմաքրության կենտրոնները կարող են լինել.

1. կիսահաղորդչային ցանցի մեջ ներկառուցված քիմիական տարրերի ատոմներ կամ իոններ.

2. ավելցուկային ատոմներ կամ իոններ, որոնք ներկառուցված են վանդակավոր միջանցքներում.

3. բյուրեղային ցանցի տարբեր այլ թերություններ և աղավաղումներ՝ դատարկ հանգույցներ, ճեղքեր, տեղաշարժեր, որոնք առաջանում են բյուրեղային դեֆորմացիաների ժամանակ և այլն։

Կեղտերի կոնցենտրացիան փոխելով՝ կարելի է զգալիորեն ավելացնել այս կամ այն ​​նշանի լիցքակիրների թիվը և ստեղծել կիսահաղորդիչներ՝ բացասական կամ դրական լիցքավորված կրիչների գերակշռող կոնցենտրացիայով:

Կեղտերը կարելի է բաժանել դոնորի (նվիրատուի) և ընդունողի (ստացողի):

Դոնորի անմաքրություն

• Լատիներեն «donare» - տալ, նվիրաբերել:

Դիտարկենք կիսահաղորդչի էլեկտրական հաղորդունակության մեխանիզմը մկնդեղի As դոնորային հնգավալենտ կեղտով, որը ներմուծվում է բյուրեղի մեջ, օրինակ՝ սիլիցիում։ Հնգավալենտ մկնդեղի ատոմը նվիրաբերում է չորս վալենտային էլեկտրոն՝ կովալենտային կապեր ձևավորելու համար, իսկ հինգերորդ էլեկտրոնը զբաղված չէ այդ կապերում (նկ. 8):

Սիլիցիումում մկնդեղի հինգերորդ վալենտային էլեկտրոնի անջատման էներգիան (իոնացման էներգիա) կազմում է 0,05 էՎ = 0,08⋅10 -19 Ջ, որը 20 անգամ պակաս է սիլիցիումի ատոմից էլեկտրոնի անջատման էներգիայից։ Ուստի արդեն սենյակային ջերմաստիճանում մկնդեղի գրեթե բոլոր ատոմները կորցնում են իրենց էլեկտրոններից մեկը և դառնում դրական իոններ։ Դրական մկնդեղի իոնները չեն կարող գրավել հարևան ատոմների էլեկտրոնները, քանի որ նրանց բոլոր չորս կապերն արդեն հագեցած են էլեկտրոններով: Այս դեպքում էլեկտրոնի թափուր տեղաշարժը՝ «անցք» չի առաջանում, և անցքի հաղորդունակությունը շատ ցածր է, այսինքն. գործնականում բացակայում է։

Դոնորների կեղտեր- դրանք կեղտեր են, որոնք հեշտությամբ էլեկտրոններ են նվիրում և, հետևաբար, ավելացնում են ազատ էլեկտրոնների քանակը: Էլեկտրական դաշտի առկայության դեպքում ազատ էլեկտրոնները կիսահաղորդչային բյուրեղի մեջ մտնում են կարգավորված շարժման մեջ, և դրանում առաջանում է էլեկտրոնային կեղտոտ հաղորդում։ Արդյունքում մենք ստանում ենք հիմնականում էլեկտրոնային հաղորդունակությամբ կիսահաղորդիչ, որը կոչվում է n տիպի կիսահաղորդիչ։ (Լատիներեն negativus - բացասական):

Քանի որ n-տիպի կիսահաղորդիչում էլեկտրոնների թիվը զգալիորեն մեծ է ավելի շատ համարանցքեր, էլեկտրոնները հիմնական լիցքի կրողներն են, իսկ անցքերը՝ փոքրերը:

Ընդունիչի անմաքրություն

• Լատիներեն «ընդունող» - ստացողից:

Ընդունող անմաքրության դեպքում, օրինակ՝ եռավալենտ ինդիումի, կեղտոտ ատոմը կարող է տալ իր երեք էլեկտրոնները կովալենտային կապի համար միայն երեք հարևան սիլիցիումի ատոմների հետ, և մեկ էլեկտրոն «բացակայում է» (նկ. 9): Հարևան սիլիցիումի ատոմների էլեկտրոններից մեկը կարող է լրացնել այս կապը, այնուհետև In ատոմը կդառնա անշարժ բացասական իոն, և սիլիցիումի ատոմներից մեկը թողած էլեկտրոնի փոխարեն կստեղծվի անցք: Ընդունիչի կեղտերը, գրավելով էլեկտրոնները և դրանով իսկ ստեղծելով շարժական անցքեր, չեն ավելացնում հաղորդման էլեկտրոնների քանակը: Կիսահաղորդիչի հիմնական լիցքի կրիչները ակցեպտորի կեղտով անցքերն են, իսկ փոքրամասնության կրիչները էլեկտրոններն են:

Ընդունիչի կեղտերկեղտեր են, որոնք ապահովում են անցքերի հաղորդունակությունը:

Կիսահաղորդիչները, որոնցում անցքերի կոնցենտրացիան գերազանցում է հաղորդիչ էլեկտրոնների կոնցենտրացիան, կոչվում են p-տիպի կիսահաղորդիչներ (լատիներենից positivus - դրական):

Հարկ է նշել, որ կեղտերի ներմուծումը կիսահաղորդիչների մեջ, ինչպես ցանկացած մետաղում, խաթարում է բյուրեղային ցանցի կառուցվածքը և խոչընդոտում էլեկտրոնների շարժին։ Այնուամենայնիվ, դիմադրությունը չի աճում այն ​​պատճառով, որ լիցքակիրների կոնցենտրացիայի ավելացումը զգալիորեն նվազեցնում է դիմադրությունը: Այսպիսով, բորի խառնուրդի ներմուծումը հարյուր հազար սիլիցիումի ատոմների համար 1 ատոմի չափով նվազեցնում է հատուկ. էլեկտրական դիմադրությունսիլիցիում մոտ հազար անգամ, իսկ 10 8 - 10 9 գերմանիումի մեկ ինդիումի ատոմի խառնուրդը միլիոնավոր անգամներով նվազեցնում է գերմանիումի էլեկտրական դիմադրողականությունը:

Եթե ​​և՛ դոնոր, և՛ ընդունող կեղտերը միաժամանակ ներմուծվում են կիսահաղորդիչ, ապա կիսահաղորդչային հաղորդունակության բնույթը (n- կամ p-տիպ) որոշվում է լիցքի կրիչների ավելի բարձր կոնցենտրացիայով աղտոտվածությամբ:

Էլեկտրոն-անցք անցում

Էլեկտրոնային անցքի անցում (կրճատ՝ p-n-հանգույց) տեղի է ունենում կիսահաղորդչային բյուրեղի մեջ, որը միաժամանակ ունի n-տիպի (պարունակում է դոնորային կեղտեր) և p-տիպի (ընդունիչի կեղտերով) հաղորդունակությամբ շրջաններ այս շրջանների միջև սահմանին:

Ենթադրենք, մենք ունենք բյուրեղ, որի ձախ կողմում կա կիսահաղորդչային հատված՝ անցք (p-տիպ), իսկ աջում՝ էլեկտրոնային (n-տիպ) հաղորդունակությամբ (նկ. 10): Շփման ձևավորման ընթացքում ջերմային շարժման պատճառով n-տիպի կիսահաղորդիչից էլեկտրոնները կցրվեն p-տիպի շրջան: Այս դեպքում չփոխհատուցված դրական դոնոր իոնը կմնա n-տիպի տարածաշրջանում: Անցնելով անցքի հաղորդունակությամբ շրջան՝ էլեկտրոնը շատ արագ վերամիավորվում է անցքի հետ, և p տիպի շրջանում ձևավորվում է չփոխհատուցվող ընդունիչ իոն։

Ինչպես էլեկտրոնները, այնպես էլ p-տիպի շրջանից անցքերը ցրվում են էլեկտրոնային շրջան՝ թողնելով անցքի տարածքում չփոխհատուցված բացասական լիցքավորված ակցեպտոր: Անցնելով էլեկտրոնային շրջան՝ անցքը վերամիավորվում է էլեկտրոնի հետ։ Արդյունքում էլեկտրոնային տարածաշրջանում ձևավորվում է չփոխհատուցված դրական դոնոր իոն։

Դիֆուզիայի արդյունքում այս շրջանների միջև սահմանին ձևավորվում է հակառակ լիցքավորված իոնների կրկնակի էլեկտրական շերտ, հաստությունը. լորը չի գերազանցում միկրոմետրի ֆրակցիաները:

Ուժգնությամբ իոնների շերտերի միջև առաջանում է էլեկտրական դաշտ E i. Էլեկտրոն-անցք հանգույցի էլեկտրական դաշտը (p-n-junction) կանխում է էլեկտրոնների և անցքերի հետագա անցումը երկու կիսահաղորդիչների միջերեսով: Արգելափակման շերտը կիսահաղորդիչների մնացած ծավալների համեմատ ունի բարձր դիմադրություն:

Արտաքին էլեկտրական դաշտը ինտենսիվությամբ Եազդում է արգելափակող էլեկտրական դաշտի դիմադրության վրա: Եթե ​​n կիսահաղորդիչը միացված է աղբյուրի բացասական բևեռին, իսկ աղբյուրի պլյուսը՝ p կիսահաղորդչին, ապա էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ n կիսահաղորդչի էլեկտրոնները և անցքերը՝ p-կիսահաղորդիչը կտեղափոխվի միմյանց դեպի կիսահաղորդչային միջերես (նկ. 11): Էլեկտրոնները, անցնելով սահմանը, «լցնում» են անցքերը։ Նմանի հետ առաջ ուղղությունարտաքին էլեկտրական դաշտը, արգելապատնեշի շերտի հաստությունը և դրա դիմադրությունը շարունակաբար նվազում են։ Այս ուղղությամբ էլեկտրական հոսանքն անցնում է p-n հանգույցով։

p-n-հանգույցի դիտարկված ուղղությունը կոչվում է ուղիղ. Հոսանքի կախվածությունը լարման վրա, այսինքն. վոլտ-ամպերի բնութագրերըուղղակի անցում, ցույց է տրված Նկ. 12 որպես հոծ գիծ:

Եթե ​​n-կիսահաղորդիչը միացված է աղբյուրի դրական բևեռին, իսկ p-կիսահաղորդիչը միացված է բացասականին, ապա n-կիսահաղորդչի էլեկտրոնները և էլեկտրական դաշտի ազդեցությամբ p-կիսահաղորդչի անցքերը կշարժվեն: միջերեսից հակառակ ուղղություններով (նկ. 13): Սա հանգեցնում է պատնեշի շերտի խտացման և դիմադրության բարձրացման: Արտաքին էլեկտրական դաշտի ուղղությունը, որն ընդլայնում է պատնեշի շերտը, կոչվում է կողպում (հակադարձ): Արտաքին դաշտի այս ուղղությամբ հիմնական լիցքակիրների էլեկտրական հոսանքը չի անցնում երկու p- և p- կիսահաղորդիչների շփման միջով:

Այժմ p-n հանգույցով հոսանքը պայմանավորված է էլեկտրոններով, որոնք գտնվում են p-տիպի կիսահաղորդիչում և n-տիպի կիսահաղորդիչի անցքերով: Բայց փոքրամասնության լիցքի կրիչները շատ քիչ են, ուստի անցման հաղորդունակությունը պարզվում է, որ աննշան է, և դրա դիմադրությունը մեծ է: p-n-հանգույցի դիտարկված ուղղությունը կոչվում է հակադարձ, դրա ընթացիկ-լարման բնութագիրը ներկայացված է Նկ. 12 գծիկ.

Խնդրում ենք նկատի ունենալ, որ առաջ և հետադարձ անցումների ընթացիկ չափման սանդղակը տարբերվում է հազար անգամ:

Նշենք, որ հակառակ ուղղությամբ կիրառվող որոշակի լարման դեպքում կա կոտրել(այսինքն, ոչնչացում) p-n հանգույցի:

Կիսահաղորդիչներ

Թերմիստորներ

Կիսահաղորդիչների էլեկտրական դիմադրությունը մեծապես կախված է ջերմաստիճանից: Այս հատկությունն օգտագործվում է կիսահաղորդիչով շղթայում ջերմաստիճանը ընթացիկ ուժով չափելու համար: Նման սարքերը կոչվում են թերմիստորներկամ թերմիստորներ. Մետաղի մեջ տեղադրվում է կիսահաղորդչային նյութ պաշտպանիչ պատյան, որոնցում կան մեկուսացված լարեր՝ թերմիստորն էլեկտրական շղթայում ներառելու համար։

Ջեռուցման կամ սառեցման ժամանակ ջերմիստորների դիմադրության փոփոխությունը թույլ է տալիս դրանք օգտագործել ջերմաստիճանի չափման գործիքներում՝ կայուն ջերմաստիճանը պահպանելու համար: ավտոմատ սարքեր- փակ խցիկներ-թերմոստատներում, ապահովելու համար հրդեհի տագնապև այլն: Ջերմիստորները գոյություն ունեն երկուսն էլ շատ բարձր ( Տ≈ 1300 K) և շատ ցածր ( Տ≈ 4 - 80 K) ջերմաստիճան:

Թերմիստորի սխեմատիկ պատկերը (նկ. ա) և լուսանկարը (նկ. բ) ներկայացված են Նկար 14-ում:

Բրինձ. տասնչորս

Ֆոտոռեզիստորներ

Կիսահաղորդիչների էլեկտրական հաղորդունակությունը մեծանում է ոչ միայն տաքացնելիս, այլև լուսավորվելիս: Էլեկտրական հաղորդունակությունը մեծանում է կապերի խզման և կիսահաղորդչի վրա լույսի անկման էներգիայի պատճառով ազատ էլեկտրոնների և անցքերի առաջացման պատճառով:

Սարքերը, որոնք հաշվի են առնում կիսահաղորդիչների էլեկտրական հաղորդունակության կախվածությունը լուսավորությունից, կոչվում են. ֆոտոռեզիստորներ.

Ֆոտոռեզիստորների արտադրության նյութեր են այնպիսի միացություններ, ինչպիսիք են CdS, CdSe, PbS և մի շարք այլ միացություններ:

Ֆոտոռեզիստորների փոքր չափերը և բարձր զգայունությունը հնարավորություն են տալիս դրանք օգտագործել թույլ լույսի հոսքերը գրանցելու և չափելու համար: Ֆոտոռեզիստորների օգնությամբ որոշվում է մակերեսների որակը, վերահսկվում են արտադրանքի չափերը և այլն։

Նկար 15-ում ներկայացված են ֆոտոռեզիստորի սխեմատիկ պատկերը (նկ. ա) և լուսանկարը (նկ. բ):

Բրինձ. տասնհինգ

կիսահաղորդչային դիոդ

P-n հանգույցի հոսանք անցնելու ունակությունը մեկ ուղղությամբ օգտագործվում է կիսահաղորդչային սարքերում, որոնք կոչվում են դիոդներ.

Կիսահաղորդչային դիոդները պատրաստվում են գերմանից, սիլիցիումից, սելենից և այլ նյութերից։

Կանխել վնասակար ազդեցություններըօդը և լույսը, հերմետիկի մեջ տեղադրվում է գերմանիումի բյուրեղ մետաղյա պատյան. Կիսահաղորդչային դիոդները ուղղիչ սարքերի հիմնական տարրերն են փոփոխական հոսանք(ավելի ճիշտ՝ դրանք օգտագործվում են փոփոխական հոսանքը պուլսացիոն ուղղակի հոսանքի վերածելու համար):

Նկար 16-ում ներկայացված են կիսահաղորդչային դիոդի սխեմատիկ պատկերը (նկ. ա) և լուսանկարը (նկ. բ):

Բրինձ. 16

LED-ներ

Լուսարձակող դիոդկամ լույս արտանետող դիոդ- p-n հանգույցով կիսահաղորդչային սարք, որը ստեղծում է օպտիկական ճառագայթում, երբ դրա միջով էլեկտրական հոսանք է անցնում:

Արտանետվող լույսը գտնվում է սպեկտրի նեղ տիրույթում, նրա սպեկտրային բնութագրերը, ի թիվս այլ բաների, կախված են. քիմիական բաղադրությունըդրա մեջ օգտագործվող կիսահաղորդիչներ.

գրականություն

1. Ակսենովիչ Լ.Ա. Ֆիզիկա ին ավագ դպրոց: Տեսություն. Առաջադրանքներ. Թեստեր՝ Պրոց. նպաստ տրամադրող հաստատություններին ընդհանուր. միջավայրեր, կրթություն / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Էդ. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 300-308:
2. Բուրով Լ.Ի., Ստրելչենյա Վ.Մ. Ֆիզիկա A-ից Z. ուսանողների, դիմորդների, կրկնուսույցների համար: - Մինսկ: Պարադոքս, 2000. - S. 219-228.
3. Myakishev G. Ya. Ֆիզիկա. էլեկտրոդինամիկա. 10 - 11 բջիջներ. Դասագիրք ֆիզիկայի խորը ուսումնասիրության համար / Գ.Յա. Մյակիշև, Ա.Զ. Սինյակովը, Բ.Ա. Սլոբոդսկով. - M.: Bustard, 2005. - S. 309-320:
4. Յավորսկի Բ.Մ., Սելեզնև Յու. Ա. Ֆիզիկայի ուղեցույց համալսարան ընդունողների համար և ինքնակրթություն: - M.: Nauka, 1984. - S. 165-169.

Կիսահաղորդիչները միջանկյալ տեղ են զբաղեցնում էլեկտրական հաղորդունակության մեջ էլեկտրական հոսանքի հաղորդիչների և ոչ հաղորդիչների միջև: Կիսահաղորդիչների խումբը ներառում է շատ ավելի շատ նյութեր, քան հաղորդիչների և ոչ հաղորդիչների խմբերը միասին վերցրած։ Հայտնաբերած կիսահաղորդիչների ամենաբնորոշ ներկայացուցիչները գործնական օգտագործումճարտարագիտության մեջ կան գերմանիում, սիլիցիում, սելեն, թելուր, մկնդեղ, պղնձի օքսիդ և հսկայական քանակությամբ համաձուլվածքներ և քիմիական միացություններ: Գրեթե բոլոր անօրգանական նյութերմեզ շրջապատող աշխարհը կիսահաղորդիչներ են: Բնության մեջ ամենատարածված կիսահաղորդիչը սիլիցիումն է, որը կազմում է երկրակեղևի մոտ 30%-ը։

Կիսահաղորդիչների և մետաղների որակական տարբերությունը դրսևորվում է հիմնականում ջերմաստիճանից դիմադրողականության կախվածությամբ։ Ջերմաստիճանի նվազմամբ մետաղների դիմադրությունը նվազում է։ Կիսահաղորդիչներում, ընդհակառակը, ջերմաստիճանի նվազման դեպքում դիմադրությունը մեծանում է և բացարձակ զրոյի մոտ դրանք գործնականում դառնում են մեկուսիչներ։

Կիսահաղորդիչներում ազատ լիցքակիրների կոնցենտրացիան մեծանում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ։ Կիսահաղորդիչներում էլեկտրական հոսանքի մեխանիզմը չի կարող բացատրվել ազատ էլեկտրոնային գազի մոդելի շրջանակներում:

Գերմանիումի ատոմներն իրենց արտաքին թաղանթում ունեն չորս թույլ կապված էլեկտրոններ:Դրանք կոչվում են վալենտային էլեկտրոններ։ Բյուրեղային ցանցում յուրաքանչյուր ատոմ շրջապատված է չորս ամենամոտ հարևաններով: Գերմանիումի բյուրեղում ատոմների միջև կապը կովալենտ է, այսինքն՝ այն իրականացվում է վալենտային էլեկտրոնների զույգերով։ Յուրաքանչյուր վալենտային էլեկտրոն պատկանում է երկու ատոմի: Գերմանիումի բյուրեղի վալենտային էլեկտրոնները շատ ավելի ուժեղ են կապված ատոմների հետ, քան մետաղներում. հետևաբար, կիսահաղորդիչներում հաղորդիչ էլեկտրոնների կոնցենտրացիան սենյակային ջերմաստիճանում շատ կարգով ավելի ցածր է, քան մետաղներում: Գերմանիումի բյուրեղում բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանի մոտ բոլոր էլեկտրոնները ներգրավված են կապերի ձևավորման մեջ: Նման բյուրեղը էլեկտրական հոսանք չի անցկացնում:

Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է, վալենտային էլեկտրոններից մի քանիսը կարող են բավականաչափ էներգիա ստանալ կովալենտային կապերը կոտրելու համար։ Այնուհետև բյուրեղում կհայտնվեն ազատ էլեկտրոններ (հաղորդական էլեկտրոններ): Միևնույն ժամանակ, կապերի խզման վայրերում ձևավորվում են թափուր տեղեր, որոնք էլեկտրոններով չեն զբաղեցնում։ Այս թափուր աշխատատեղերը կոչվում են «անցքեր»:

Տրված կիսահաղորդչի ջերմաստիճանում միավոր ժամանակում առաջանում են որոշակի թվով էլեկտրոն-անցք զույգեր։ Միևնույն ժամանակ, ընթանում է հակառակ գործընթացը՝ երբ ազատ էլեկտրոնը հանդիպում է անցքին, վերականգնվում է գերմանիումի ատոմների միջև էլեկտրոնային կապը։ Այս գործընթացը կոչվում է ռեկոմբինացիա: Էլեկտրոն-անցք զույգեր կարող են առաջանալ նաև, երբ կիսահաղորդիչը լուսավորվում է էլեկտրամագնիսական ճառագայթման էներգիայի շնորհիվ:

Եթե ​​կիսահաղորդիչը տեղադրվում է էլեկտրական դաշտում, ապա պատվիրված շարժման մեջ ներգրավված են ոչ միայն ազատ էլեկտրոններ, այլ նաև անցքեր, որոնք իրենց դրական լիցքավորված մասնիկների պես են պահում։ Հետևաբար, I հոսանքը կիսահաղորդիչում էլեկտրոնային I n և անցքի I p հոսանքների գումարն է. I = I n + I p.

Հաղորդման էլեկտրոնների կոնցենտրացիան կիսահաղորդիչում հավասար է անցքերի համակենտրոնացմանը՝ n n = n p . Հաղորդման էլեկտրոնային անցքի մեխանիզմը դրսևորվում է միայն մաքուր (այսինքն՝ առանց կեղտերի) կիսահաղորդիչների մեջ։ Այն կոչվում է կիսահաղորդիչների ներքին էլեկտրական հաղորդունակություն:

Կեղտերի առկայության դեպքում կիսահաղորդիչների էլեկտրական հաղորդունակությունը մեծապես փոխվում է: Օրինակ՝ կեղտերի ավելացում ֆոսֆորբյուրեղի մեջ սիլիցիում 0,001 ատոմային տոկոսի չափով նվազեցնում է դիմադրողականությունը ավելի քան հինգ կարգով:

Կիսահաղորդիչը, որի մեջ ներմուծվում է կեղտ (այսինքն՝ մի տեսակի ատոմների մի մասը փոխարինվում է մեկ այլ տեսակի ատոմներով), կոչվում է. դոպինգ կամ դոպինգ:

Գոյություն ունեն աղտոտման հաղորդման երկու տեսակ՝ էլեկտրոններ և անցքեր:

Այսպիսով, երբ դոպինգ է չորս վալենտ գերմանիում (Ge) կամ սիլիցիում (Si) հնգավալենտ - ֆոսֆոր (P), անտիմոն (Sb), մկնդեղ (As) լրացուցիչ ազատ էլեկտրոն հայտնվում է անմաքրության ատոմի տեղում: Այս դեպքում կեղտը կոչվում է դոնոր .

Չորս վալենտ գերմանիումի (Ge) կամ սիլիցիումի (Si) եռավալենտ դոպինգի ժամանակ. ալյումին (Al), ինդիում (Jn), բոր (B), գալիում (Ga) - կա գծի անցք: Նման կեղտերը կոչվում են ընդունող .

Կիսահաղորդչային նյութի նույն նմուշում մի հատվածը կարող է ունենալ p-հաղորդունակություն, իսկ մյուսը՝ n-հաղորդունակություն: Նման սարքը կոչվում է կիսահաղորդչային դիոդ:

«Դիոդ» բառի «di» նախածանցը նշանակում է «երկու», դա ցույց է տալիս, որ սարքն ունի երկու հիմնական «դետալներ», երկու կիսահաղորդչային բյուրեղներ, որոնք սերտորեն հարում են միմյանց. մեկը p-հաղորդունակությամբ (սա գոտին է. Ռ),մյուսը n-ով հաղորդունակությամբ (սա գոտին է Պ).Իրականում կիսահաղորդչային դիոդը մեկ բյուրեղ է, որի մի մասում ներմուծվում է դոնորային կեղտ (զոնա) Պ),մեկ այլ՝ ընդունող (գոտի Ռ).

Եթե ​​մշտական ​​լարումը կիրառվում է մարտկոցից դեպի դիոդ «գումարած» դեպի գոտի Ռև «մինուս» դեպի գոտի Պ, ապա ազատ լիցքերը՝ էլեկտրոններն ու անցքերը, կխուժեն դեպի սահմանը, շտապում են դեպի pn հանգույց։ Այստեղ նրանք կչեզոքացնեն միմյանց, նոր լիցքեր կմոտենան սահմանին, և ա Դ.Կ.. Սա, այսպես կոչված, դիոդի ուղիղ միացումն է. լիցքերը ինտենսիվ շարժվում են դրա միջով, շղթայում հոսում է համեմատաբար մեծ առաջընթաց հոսանք:

Այժմ մենք կփոխենք դիոդի վրա լարման բևեռականությունը, մենք կիրականացնենք, ինչպես ասում են, դրա հակադարձ ներառումը. մենք մարտկոցի «պլյուսը» կմիացնենք գոտուն: Պ,«մինուս» - դեպի գոտի Ռ.Ազատ լիցքերը կքաշվեն սահմանից, էլեկտրոնները կգնան դեպի «պլյուս», անցքերը՝ «մինուս» և արդյունքում pn-հանգույցը կվերածվի առանց ազատ լիցքերի գոտու՝ մաքուր մեկուսիչի։ Սա նշանակում է, որ շղթան կխախտվի, դրա մեջ հոսանքը կդադարի:

Դիոդի միջով մեծ հակադարձ հոսանքը դեռ չի գնա: Քանի որ, բացի հիմնական ազատ լիցքերից (լիցքի կրիչներ)՝ էլեկտրոններից, գոտում Պ, իսկ p գոտում անցքեր - գոտիներից յուրաքանչյուրում կա նաև հակառակ նշանի լիցքերի աննշան քանակություն։ Սրանք իրենց փոքրամասնության լիցքի կրիչներն են, դրանք գոյություն ունեն ցանկացած կիսահաղորդչում, հայտնվում են դրանում ատոմների ջերմային շարժումների շնորհիվ, և հենց նրանք են ստեղծում հակադարձ հոսանքը դիոդի միջոցով: Այս գանձումները համեմատաբար քիչ են, և հակադարձ հոսանքը շատ անգամ ավելի քիչ է, քան ուղիղը: Հակադարձ հոսանքի մեծությունը մեծապես կախված է՝ ջերմաստիճանից միջավայրը, կիսահաղորդչային նյութը եւ մակերեսը pnանցում. Անցումային տարածքի ավելացման հետ մեկտեղ մեծանում է դրա ծավալը, և, հետևաբար, ջերմային առաջացման և ջերմային հոսանքի արդյունքում առաջացող փոքրամասնությունների կրիչների թիվը: Հաճախ CVC-ն, պարզության համար, ներկայացված է գրաֆիկների տեսքով:

Շատ կիսահաղորդիչներ են քիմիական տարրեր(գերմանիում, սիլիցիում, սելեն, թելուր, մկնդեղ և այլն), հսկայական քանակությամբ համաձուլվածքներ և քիմիական միացություններ։ Մեզ շրջապատող աշխարհի գրեթե բոլոր անօրգանական նյութերը կիսահաղորդիչներ են: Բնության մեջ ամենատարածված կիսահաղորդիչը սիլիցիումն է, որը կազմում է երկրակեղևի մոտ 30%-ը։

Կիսահաղորդիչների և մետաղների որակական տարբերությունը դրսևորվում է դիմադրողականության ջերմաստիճանի կախվածությունը(նկ.9.3)

Կիսահաղորդիչների էլեկտրոնային անցքերի հաղորդունակության տիրույթային մոդել

Կրթության ժամանակ պինդ նյութերհնարավոր է իրավիճակ, երբ սկզբնական ատոմների վալենտային էլեկտրոնների էներգիայի մակարդակներից առաջացած էներգիայի գոտին պարզվում է, որ ամբողջովին լցված է էլեկտրոններով, իսկ էլեկտրոններով լցնելու համար հասանելի ամենամոտները։ էներգիայի մակարդակները-ից առանձնացված վալենտային գոտի E V չլուծված էներգետիկ վիճակների միջակայք - այսպես կոչված արգելված գոտի EgԳոտի բացվածքի վերևում էլեկտրոնների համար թույլատրված էներգետիկ վիճակների գոտին է. անցկացման գոտի Ե գ .

Հաղորդման գոտին 0 K-ում լիովին ազատ է, մինչդեռ վալենտական ​​գոտին ամբողջությամբ զբաղված է: Նմանատիպ ժապավենային կառուցվածքները բնորոշ են սիլիցիումի, գերմանիումի, գալիումի արսենիդին (GaAs), ինդիումի ֆոսֆիդին (InP) և շատ այլ կիսահաղորդչային պինդ նյութերին։

Կիսահաղորդիչների և դիէլեկտրիկների ջերմաստիճանի բարձրացմամբ էլեկտրոնները կարողանում են ստանալ ջերմային շարժման հետ կապված լրացուցիչ էներգիա: կՏ. Որոշ էլեկտրոնների համար ջերմային շարժման էներգիան բավարար է անցման համար վալենտական ​​գոտուց մինչև հաղորդման գոտի,որտեղ էլեկտրոնները արտաքին էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ կարող են գրեթե ազատ շարժվել:

Այս դեպքում, կիսահաղորդչային նյութով շղթայում, քանի որ կիսահաղորդչի ջերմաստիճանը բարձրանում է, էլեկտրական հոսանքը կավելանա:Այս հոսանքը կապված է ոչ միայն հաղորդման գոտում էլեկտրոնների շարժման, այլև արտաքին տեսքի հետ թափուր էլեկտրոններից, որոնք անցել են հաղորդման գոտիվալենտական ​​գոտում, այսպես կոչված անցքեր . Թափուր տեղը կարող է զբաղեցնել հարեւան զույգի վալենտային էլեկտրոնը, այնուհետև անցքը կտեղափոխվի բյուրեղի նոր տեղ:

Եթե ​​կիսահաղորդիչը տեղադրվում է էլեկտրական դաշտում, ապա պատվիրված շարժման մեջ ներգրավված են ոչ միայն ազատ էլեկտրոններ, այլ նաև անցքեր, որոնք իրենց դրական լիցքավորված մասնիկների պես են պահում։ Հետեւաբար, ընթացիկ Իկիսահաղորդիչում կազմված է էլեկտրոնայինից Ես nև փոս IPհոսանքներ: Ի= Ես n+ IP.

Հաղորդման էլեկտրոնային անցքի մեխանիզմը դրսևորվում է միայն մաքուր (այսինքն՝ առանց կեղտերի) կիսահաղորդիչների մեջ։ Այն կոչվում է սեփական էլեկտրական հաղորդունակությունը կիսահաղորդիչներ. Էլեկտրոնները նետվում են հաղորդման գոտու մեջ Ֆերմի մակարդակ, որը, պարզվում է, գտնվում է սեփական կիսահաղորդչում արգելված գոտու մեջտեղում(նկ. 9.4):

Հնարավոր է զգալիորեն փոխել կիսահաղորդիչների հաղորդունակությունը՝ դրանց մեջ շատ փոքր քանակությամբ կեղտեր ներմուծելով: Մետաղների մեջ կեղտը միշտ նվազեցնում է հաղորդունակությունը: Այսպիսով, 3% ֆոսֆորի ատոմների ավելացումը մաքուր սիլիցիումին մեծացնում է բյուրեղի էլեկտրական հաղորդունակությունը 105 անգամ։

Կիսահաղորդիչին դոպանտի փոքր ավելացում կոչվում է դոպինգ:

Անհրաժեշտ պայմանԿիսահաղորդչի դիմադրողականության կտրուկ նվազումը կեղտաջրերի ներմուծմամբ կեղտաջրերի ատոմների վալենտության տարբերությունն է բյուրեղի հիմնական ատոմների վալենտությունից: Կիսահաղորդիչների հաղորդունակությունը կեղտերի առկայության դեպքում կոչվում է անմաքրության հաղորդունակություն .

Տարբերել երկու տեսակի կեղտաջրեր – էլեկտրոնային և փոս հաղորդունակություն. Էլեկտրոնային հաղորդունակությունտեղի է ունենում, երբ հնգավալենտ ատոմները (օրինակ՝ մկնդեղ, As) ներմուծվում են քառավալենտ ատոմներով գերմանիումի բյուրեղի մեջ (նկ. 9.5):

Արսենի ատոմի չորս վալենտային էլեկտրոնները մասնակցում են կովալենտային կապերի ձևավորմանը հարևան գերմանիումի չորս ատոմների հետ։ Հինգերորդ վալենտային էլեկտրոնը պարզվեց, որ ավելորդ է: Այն հեշտությամբ անջատվում է մկնդեղի ատոմից և դառնում ազատ։ Էլեկտրոն կորցրած ատոմը վերածվում է դրական իոնի, որը գտնվում է բյուրեղային ցանցի մի տեղամասում:

Կիսահաղորդչային բյուրեղի հիմնական ատոմների վալենտությունից ավելի մեծ վալենտով ատոմների խառնուրդը կոչվում է. դոնորի անմաքրություն . Դրա ներդրման արդյունքում բյուրեղում հայտնվում են զգալի թվով ազատ էլեկտրոններ։ Սա հանգեցնում է կիսահաղորդչի դիմադրողականության կտրուկ նվազմանը` հազարավոր և նույնիսկ միլիոնավոր անգամներով:

Հաղորդավարի դիմադրողականությունը հետ մեծ բովանդակությունկեղտը կարող է մոտենալ մետաղական հաղորդիչի դիմադրողականությանը: Այդպիսի հաղորդունակությունը, ազատ էլեկտրոնների շնորհիվ, կոչվում է էլեկտրոնային, իսկ էլեկտրոնային հաղորդունակությամբ կիսահաղորդիչը n-տիպի կիսահաղորդիչ.

անցքի անցկացում տեղի է ունենում, երբ եռավալենտ ատոմները ներմուծվում են գերմանիումի բյուրեղի մեջ, օրինակ՝ ինդիումի ատոմները (նկ. 9.5)

Նկար 6-ը ցույց է տալիս ինդիումի ատոմը, որը ստեղծել է կովալենտային կապեր միայն երեք հարևան գերմանիումի ատոմների հետ՝ օգտագործելով իր վալենտային էլեկտրոնները: Ինդիումի ատոմը չունի էլեկտրոն՝ չորրորդ գերմանի ատոմի հետ կապ ստեղծելու համար։ Այս բացակայող էլեկտրոնը կարող է գրավել ինդիումի ատոմը հարևան գերմանիումի ատոմների կովալենտային կապից: Այս դեպքում ինդիումի ատոմը վերածվում է բացասական իոնի, որը գտնվում է բյուրեղային ցանցի տեղանքում, և առաջանում է դատարկ տեղ հարևան ատոմների կովալենտային կապում։

Էլեկտրոններ գրավելու ընդունակ ատոմների խառնուրդը կոչվում է ընդունող անմաքրություն . Բյուրեղում ակցեպտորային կեղտ ներմուծելու արդյունքում բազմաթիվ կովալենտային կապեր կոտրվում են և առաջանում են դատարկ տեղամասեր (անցքեր)։ Էլեկտրոնները կարող են ցատկել դեպի այդ վայրերը հարևան կովալենտային կապերից, ինչը հանգեցնում է բյուրեղի շուրջ անցքերի պատահական թափառմանը:

Կիսահաղորդիչում անցքերի կոնցենտրացիան ընդունիչ կեղտով զգալիորեն գերազանցում է էլեկտրոնների կոնցենտրացիան, որն առաջացել է կիսահաղորդչի ներքին էլեկտրական հաղորդունակության մեխանիզմի պատճառով. np>> n n. Այս տեսակի անցկացումը կոչվում է անցքերի հաղորդունակություն . Անմաքրության կիսահաղորդիչը կոչվում է անցքի հաղորդունակություն p-տիպի կիսահաղորդիչ . Կիսահաղորդիչներում անվճար լիցքավորման հիմնական կրիչներ էջ- տիպը անցքեր են:

Էլեկտրոն-անցք անցում. Դիոդներ և տրանզիստորներ

Ժամանակակից էլեկտրոնային տեխնոլոգիաներում կիսահաղորդչային սարքերը բացառիկ դեր են խաղում: Վերջին երեք տասնամյակների ընթացքում նրանք գրեթե ամբողջությամբ փոխարինել են էլեկտրավակուումային սարքերը:

Ցանկացած կիսահաղորդչային սարք ունի մեկ կամ մի քանի էլեկտրոն-անցք հանգույցներ: . Էլեկտրոն-անցք անցում (կամ n–էջ- անցում) - երկու կիսահաղորդիչների շփման տարածքն է տարբեր տեսակներհաղորդունակություն.

Կիսահաղորդիչների սահմանին (նկ. 9.7) առաջանում է կրկնակի էլեկտրական շերտ, որի էլեկտրական դաշտը խոչընդոտում է էլեկտրոնների և անցքերի տարածման գործընթացը դեպի միմյանց։

Կարողություն n–էջ- անցում դեպի անցում հոսանք գրեթե միայն մեկ ուղղությամբ օգտագործվում է սարքերում, որոնք կոչվում են կիսահաղորդչային դիոդներ. Կիսահաղորդչային դիոդները պատրաստված են սիլիցիումի կամ գերմանիումի բյուրեղներից: Դրանց պատրաստման ընթացքում կեղտը հալվում է որոշակի տեսակի հաղորդունակությամբ բյուրեղի մեջ, որն ապահովում է տարբեր տեսակի հաղորդունակություն։

Նկար 9.8-ը ցույց է տալիս սիլիկոնային դիոդի բնորոշ վոլտ-ամպերի բնութագրիչը:

Կիսահաղորդչային սարքերը կոչվում են ոչ թե մեկ, այլ երկու n-p հանգույցներով տրանզիստորներ . Տրանզիստորները երկու տեսակի են. էջ–n–էջ- տրանզիստորներ և n–էջ–n- տրանզիստորներ. տրանզիստորի մեջ n–էջ–n- տիպի հիմնական գերմանական ափսեը հաղորդիչ է էջ-տեսակը, իսկ դրա վրա ստեղծված երկու շրջանները՝ հաղորդունակությամբ n-տեսակ (Նկար 9.9):

տրանզիստորի մեջ p–n–p- մի տեսակ հակառակն է: Տրանզիստորի թիթեղը կոչվում է բազան(B), հակառակ տեսակի հաղորդունակությամբ շրջաններից մեկը. կոլեկցիոներ(K), իսկ երկրորդը - արտանետող(E).