I semiconduttori sono materiali che, in condizioni normali, sono isolanti, ma con l'aumentare della temperatura diventano conduttori. Cioè, nei semiconduttori, all'aumentare della temperatura, la resistenza diminuisce.

La struttura di un semiconduttore sull'esempio di un cristallo di silicio

Considera la struttura dei semiconduttori e i principali tipi di conduttività in essi contenuti. Ad esempio, considera un cristallo di silicio.

Il silicio è un elemento tetravalente. Pertanto, nel suo guscio esterno Ci sono quattro elettroni che sono legati vagamente al nucleo di un atomo. Ognuno ha altri quattro atomi nelle sue vicinanze.

Gli atomi interagiscono tra loro e formano legami covalenti. Un elettrone per ogni atomo partecipa a tale legame. Il diagramma del dispositivo al silicio è mostrato nella figura seguente.

foto

I legami covalenti sono abbastanza forti e basse temperature Non rompere. Pertanto, non ci sono portatori di carica liberi nel silicio, ed è un dielettrico a basse temperature. Esistono due tipi di conduzione nei semiconduttori: elettrone e lacuna.

Conducibilità elettronica

Quando il silicio viene riscaldato, gli verrà impartita ulteriore energia. L'energia cinetica delle particelle aumenta e alcuni legami covalenti si rompono. Questo crea elettroni liberi.

In un campo elettrico, questi elettroni si muovono tra i nodi reticolo cristallino. In questo caso si creerà una corrente elettrica in silicio.

Poiché gli elettroni liberi sono i principali portatori di carica, questo tipo di conduzione è chiamato conduzione elettronica. Il numero di elettroni liberi dipende dalla temperatura. Più riscaldiamo il silicio, più legami covalenti si romperà e, di conseguenza, appariranno più elettroni liberi. Questo porta ad una diminuzione della resistenza. E il silicio diventa un conduttore.

conduzione del foro

Quando un legame covalente si rompe, si forma un posto vacante al posto dell'elettrone espulso, che può essere occupato da un altro elettrone. Questo posto si chiama buco. Il buco ha una carica positiva in eccesso.

La posizione di un foro in un cristallo cambia costantemente, qualsiasi elettrone può prendere questa posizione e il foro si sposterà nel punto da cui è saltato l'elettrone. Se un campo elettrico no, allora il moto dei fori è casuale, e quindi non c'è corrente.

Se è presente, c'è un ordine nel movimento dei buchi, e oltre alla corrente che viene creata dagli elettroni liberi, c'è anche una corrente che viene creata dai buchi. I buchi si sposteranno nella direzione opposta agli elettroni.

Pertanto, nei semiconduttori, la conduttività è elettrone-lacuna. La corrente è generata sia dagli elettroni che dalle lacune. Questo tipo di conduzione è anche chiamato conduzione intrinseca, poiché sono coinvolti gli elementi di un solo atomo.

Trasporto di vettore nei semiconduttori

introduzione

I portatori di corrente nei semiconduttori sono elettroni e lacune. I portatori di corrente si muovono nel campo periodico degli atomi di cristallo come se fossero particelle libere. L'effetto del potenziale periodico interessa solo la massa portante. Cioè, sotto l'azione del potenziale periodico, la massa del vettore cambia. A questo proposito, la fisica dello stato solido introduce il concetto di massa effettiva di un elettrone e di una lacuna. Energia media moto termico gli elettroni e le lacune lo sono kT/2 per ogni grado di libertà. La velocità termica di un elettrone e di una lacuna a temperatura ambiente è di circa 10,7 cm/s.

Se un campo elettrico viene applicato a un semiconduttore, questo campo causerà la deriva dei portatori di corrente. In questo caso, la velocità della portante aumenterà prima con un aumento del campo, raggiungerà il valore medio della velocità e quindi smetterà di cambiare, poiché le portanti sono sparse. La dispersione è causata da difetti, impurità ed emissione o assorbimento di fononi. Il motivo principale della diffusione del vettore sono le impurità cariche e le vibrazioni termiche degli atomi del reticolo (assorbimento/emissione di fononi). L'interazione con loro porta a un brusco cambiamento nella velocità dei vettori e nella direzione del loro movimento. Il cambiamento nella direzione della velocità portante è casuale. Un ulteriore meccanismo per la dispersione dei portatori di corrente è la dispersione dei portatori sulla superficie di un semiconduttore.

In presenza di un campo elettrico esterno, la natura casuale del movimento dei portatori in un semiconduttore è sovrapposta al movimento diretto dei portatori sotto l'azione del campo negli intervalli tra le collisioni. E anche nonostante il fatto che la velocità del movimento casuale dei portatori possa superare molte volte la velocità del movimento direzionale dei portatori sotto l'azione di un campo elettrico, la componente casuale del movimento dei portatori può essere trascurata, poiché con il movimento casuale il risultante flusso portante zero. L'accelerazione dei vettori sotto l'azione di un campo esterno obbedisce alle leggi della dinamica di Newton. Lo scattering porta a un brusco cambiamento nella direzione del movimento e nell'entità della velocità, ma dopo lo scattering, il movimento accelerato della particella sotto l'azione del campo riprende.

L'effetto netto delle collisioni è che le particelle non accelerano, ma le particelle raggiungono rapidamente una velocità di movimento costante. Ciò equivale a introdurre una componente decelerante nell'equazione del moto di una particella caratterizzata da una costante di tempo t. Durante questo periodo di tempo, la particella perde slancio mv determinata dalla velocità media v. Per una particella che ha un'accelerazione costante tra le collisioni, questa costante di tempo è uguale al tempo tra due collisioni successive. Consideriamo più in dettaglio i meccanismi dell'attuale trasporto del vettore nei semiconduttori.

alla derivaattuale(corrente di deriva)

Il movimento di deriva dei portatori in un semiconduttore sotto l'azione di un campo elettrico può essere illustrato dalla Figura XXX. Il campo dice ai vettori la velocità v.

Figura. Movimento dei vettori sotto l'azione del campo .

Se assumiamo che tutte le portanti in un semiconduttore si muovano alla stessa velocità v, allora la corrente può essere espressa come rapporto tra la carica totale trasferita tra gli elettrodi e il tempo t r passando questa carica da un elettrodo all'altro, oppure:

dove l – distanza tra gli elettrodi.

La densità di corrente può ora essere espressa in termini di concentrazione di portatori di corrente n in semiconduttore:

dove MA è l'area della sezione trasversale del semiconduttore.

Mobilità

La natura del movimento dei portatori di corrente in un semiconduttore in assenza di un campo e sotto l'azione di un campo elettrico esterno è mostrata nella Figura XXX. Come già notato, la velocità termica degli elettroni è dell'ordine di 10 7 cm/s, ed è molto più alta della velocità di deriva degli elettroni.

Figura. Natura casuale del moto dei portatori di corrente in un semiconduttore in assenza e presenza di un campo esterno.

Considera il movimento dei portatori solo sotto l'azione di un campo elettrico. Secondo la legge di Newton:

dove la forza include due componenti: la forza elettrostatica e meno la forza che causa la perdita di quantità di moto durante la dispersione, divisa per il tempo tra le collisioni:

Uguagliando queste espressioni e usando l'espressione per velocità media, noi abbiamo:

Consideriamo solo il caso stazionario, quando la particella ha già accelerato e ha raggiunto la sua velocità media costante. In questa approssimazione, la velocità è proporzionale all'intensità del campo elettrico. Il coefficiente di proporzionalità tra gli ultimi valori è definito come la mobilità:

La mobilità è inversamente proporzionale alla massa del vettore e direttamente proporzionale alla traiettoria libera media.

La densità di corrente di deriva può essere scritta in funzione della mobilità:

Come già notato, nei semiconduttori la massa dei portatori non è uguale alla massa di un elettrone nel vuoto, m e la formula per la mobilità dovrebbe utilizzare la massa effettiva, m * :

Diffusione dei portatori di corrente nei semiconduttori.

Corrente di diffusione

Se esterno campo elettricoè assente in un semiconduttore, quindi c'è un movimento casuale di portatori di corrente: elettroni e lacune sotto l'azione dell'energia termica. Questo movimento casuale non porta al movimento direzionale dei portatori e alla formazione di corrente. Sempre al posto del corriere che ha lasciato un posto, ne verrà un altro al suo posto. Pertanto, viene mantenuta una densità di portante uniforme per tutto il volume del semiconduttore.

Ma la situazione cambia se i vettori sono distribuiti in modo non uniforme sul volume, ad es. c'è un gradiente di concentrazione. In questo caso, sotto l'influenza del gradiente di concentrazione, si verifica un movimento diretto dei portatori: diffusione dalla regione in cui la concentrazione è maggiore alla regione con una bassa concentrazione. Il movimento direzionale dei portatori carichi sotto l'azione della diffusione crea una corrente di diffusione. Consideriamo questo effetto in modo più dettagliato.

Otteniamo una relazione per la corrente di diffusione. Procederemo dal fatto che il movimento direzionale dei portatori sotto l'azione del gradiente di concentrazione avviene come risultato del movimento termico (a una temperatura
secondo Kelvin, per ogni grado di libertà di una particella esiste un'energia
), cioè. la diffusione è assente a temperatura zero (la deriva del vettore è possibile anche a 0 K).

Nonostante la natura casuale del movimento dei vettori sotto l'azione del calore richieda un approccio statistico, la derivazione di una formula per la corrente di diffusione sarà basata sull'uso di valori medi che caratterizzano i processi. Il risultato è lo stesso.

Introduciamo i valori medi: la velocità termica media v th, tempo medio tra le collisioni,  , e lunghezza media corsa libera, l. La velocità termica media può essere diretta sia in direzione positiva che negativa. Queste quantità sono interconnesse dalla relazione

Considera la situazione con una distribuzione disomogenea di elettroni n(X) (vedi figura XXX).

Figura. uno Profilo di densità portante utilizzato per derivare l'espressione di diffusione corrente

Considera il flusso di elettroni attraverso un piano con coordinate X = 0. I vettori arrivano su questo piano come dal lato sinistro della coordinata X = - l, ea destra dal lato della coordinata X = l. Il flusso di elettroni da sinistra a destra è

dove il coefficiente ½ significa che metà degli elettroni sono nel piano con la coordinata X = - l si sposta a sinistra e l'altra metà si sposta a destra. Allo stesso modo, il flusso di elettroni attraverso X = 0 proveniente da destra X = + l sarà uguale a:

Il flusso totale di elettroni che passano attraverso il piano X = 0 da sinistra a destra, sarà:

Supponendo che il cammino libero medio degli elettroni sia sufficientemente piccolo, possiamo scrivere la differenza nelle concentrazioni di elettroni a destra e a sinistra della coordinata X = 0 attraverso il rapporto tra la differenza di concentrazione e la distanza tra i piani, cioè attraverso la derivata:

La densità di corrente dell'elettrone sarà uguale a:

Solitamente, il prodotto della velocità termica e del cammino libero medio è sostituito da un unico fattore, chiamato coefficiente di diffusione degli elettroni, D n .

Relazioni simili possono essere scritte anche per la corrente di diffusione del foro:

Va solo ricordato che la carica dei buchi è positiva.

Esiste una relazione tra il coefficiente di diffusione e la mobilità. Anche se a prima vista può sembrare che questi coefficienti non debbano essere correlati, poiché la diffusione dei portatori è dovuta al moto termico e la deriva dei portatori è dovuta a un campo elettrico esterno. Tuttavia, uno dei parametri principali, il tempo tra le collisioni, non dovrebbe dipendere dalla causa che ha causato lo spostamento dei vettori.

Usiamo la definizione di velocità termica come,

e le conclusioni della termodinamica che per ogni grado di libertà del moto degli elettroni c'è energia termica kT/2, uguale alla cinetica:

Da queste relazioni si ottiene il prodotto della velocità termica e del cammino libero medio, espresso in termini di mobilità del vettore:

Ma abbiamo già definito come coefficiente di diffusione il prodotto della velocità termica e del cammino libero medio. Quindi l'ultima relazione per elettroni e lacune può essere scritta nella forma seguente:

Queste relazioni sono chiamate relazioni di Einstein.

Corrente totale

La corrente totale attraverso un semiconduttore è la somma della corrente di deriva e di diffusione. Per la densità di corrente dell'elettrone, possiamo scrivere:

e allo stesso modo per i fori:

La densità di corrente totale attraverso il semiconduttore è uguale alla somma dell'elettrone e della corrente della lacuna:

La corrente totale attraverso il semiconduttore è uguale al prodotto della densità di corrente e dell'area del semiconduttore:

La corrente può anche essere scritta nella forma seguente:

Condizione di equilibrio per un semiconduttore drogato in modo non omogeneo

(condizione di assenza di corrente attraverso il semiconduttore)

I semiconduttori occupano una posizione intermedia nella conduttività elettrica (o resistività) tra conduttori e dielettrici. Tuttavia, questa divisione di tutte le sostanze in base alla loro proprietà di conducibilità elettrica è condizionale, poiché sotto l'influenza di una serie di motivi (impurità, irraggiamento, riscaldamento), la conduttività elettrica e la resistività di molte sostanze cambiano in modo molto significativo, specialmente per i semiconduttori.

A questo proposito, i semiconduttori si distinguono dai metalli per una serie di caratteristiche:

1. La resistività dei semiconduttori in condizioni normali è molto maggiore di quella dei metalli;

2. la resistenza specifica dei semiconduttori puri diminuisce all'aumentare della temperatura (per i metalli aumenta);

3. quando i semiconduttori sono illuminati, la loro resistenza diminuisce notevolmente (la luce non ha quasi alcun effetto sulla resistenza dei metalli):

4. Una quantità insignificante di impurità ha un forte effetto sulla resistenza dei semiconduttori.

I semiconduttori includono 12 elementi chimici nella parte centrale della tavola periodica (Fig. 1) - B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, composti di elementi del terzo gruppo con elementi del quinto gruppo, molti ossidi e solfuri di metalli, molti altri composti chimici, alcune sostanze organiche. Il germanio Ge e il silicio Si hanno la più grande applicazione per la scienza e la tecnologia.

I semiconduttori possono essere puri o drogati. Di conseguenza, si distinguono la conduttività intrinseca e quella delle impurità dei semiconduttori. Le impurità, a loro volta, sono divise in donatore e accettore.

Autoconduttività elettrica

Per comprendere il meccanismo della conduzione elettrica nei semiconduttori, consideriamo la struttura dei cristalli semiconduttori e la natura dei legami che tengono vicini gli atomi di cristallo. I cristalli di germanio e altri semiconduttori hanno un reticolo cristallino atomico (Fig. 2).

Un diagramma piatto della struttura del germanio è mostrato in Figura 3.

Il germanio è un elemento tetravalente, nel guscio esterno dell'atomo ci sono quattro elettroni più deboli collegati al nucleo rispetto al resto. Anche il numero dei vicini più vicini di ciascun atomo di germanio è 4. Quattro elettroni di valenza di ciascun atomo di germanio sono collegati con gli stessi elettroni di atomi vicini da coppie di elettroni chimici ( covalente) connessioni. Alla formazione di questo legame partecipa un elettrone di valenza per ogni atomo, che viene separato dagli atomi (collettivizzati dal cristallo) e, durante il loro movimento, trascorrono la maggior parte del loro tempo nello spazio tra atomi vicini. La loro carica negativa mantiene vicini gli ioni germanio positivi. Questo tipo di connessione può essere condizionatamente rappresentato da due linee che collegano i nuclei (vedi Fig. 3).

Ma la coppia itinerante di elettroni appartiene a più di due atomi. Ogni atomo forma quattro legami con i suoi vicini e un dato elettrone di valenza può muoversi lungo uno qualsiasi di essi (Fig. 4). Dopo aver raggiunto l'atomo vicino, può passare a quello successivo e poi più avanti lungo l'intero cristallo. Gli elettroni di valenza collettivizzati appartengono all'intero cristallo.

I legami covalenti del germanio sono abbastanza forti e non si rompono alle basse temperature. Pertanto, il germanio non conduce elettricità a basse temperature. Gli elettroni di valenza che partecipano al legame degli atomi sono saldamente attaccati al reticolo cristallino e il campo elettrico esterno non ha un effetto evidente sul loro movimento. Un cristallo di silicio ha una struttura simile.

La conduttività elettrica di un semiconduttore chimicamente puro è possibile quando i legami covalenti nei cristalli vengono rotti e compaiono elettroni liberi.

Viene chiamata l'energia extra che deve essere spesa per rompere il legame covalente e rendere l'elettrone libero energia di attivazione.

Gli elettroni possono ottenere questa energia riscaldando il cristallo, irradiandolo ad alta frequenza onde elettromagnetiche eccetera.

Non appena l'elettrone, dopo aver acquisito l'energia necessaria, lascia il legame localizzato, si forma su di esso un posto vacante. Questo posto vacante può essere facilmente riempito da un elettrone dal legame vicino, sul quale, quindi, si forma anche un posto vacante. Pertanto, a causa del movimento degli elettroni di legame, i posti vacanti si spostano in tutto il cristallo. Questa vacanza si comporta esattamente allo stesso modo di un elettrone libero: si muove liberamente attraverso la maggior parte del semiconduttore. Inoltre, dato che sia il semiconduttore nel suo insieme che ciascuno dei suoi atomi sono elettricamente neutri con legami covalenti ininterrotti, possiamo dire che un elettrone che lascia un legame e la formazione di una vacanza è in realtà equivalente alla comparsa di una carica positiva in eccesso su questo legame. Pertanto, il posto vacante risultante può essere formalmente considerato come un portatore di carica positiva, che viene chiamato Foro(Fig. 5).

Pertanto, la partenza di un elettrone da un legame localizzato genera una coppia di portatori di carica liberi: un elettrone e una lacuna. La loro concentrazione in un semiconduttore puro è la stessa. In temperatura ambiente la concentrazione di vettori liberi nei semiconduttori puri è bassa, circa 10 9 ÷ 10 10 volte inferiore alla concentrazione di atomi, ma aumenta rapidamente all'aumentare della temperatura.

• Confronta con i metalli: lì la concentrazione di elettroni liberi è approssimativamente uguale alla concentrazione di atomi.

In assenza di un campo elettrico esterno, questi elettroni liberi e le lacune si muovono casualmente in un cristallo semiconduttore.

In un campo elettrico esterno, gli elettroni si muovono nella direzione opposta alla direzione dell'intensità del campo elettrico. I fori positivi si muovono nella direzione dell'intensità del campo elettrico (Fig. 6). Il processo di movimento di elettroni e lacune in un campo esterno avviene per l'intero volume del semiconduttore.

La conduttività elettrica totale di un semiconduttore è la somma delle conducibilità del foro e degli elettroni. In questo caso, nei semiconduttori puri, il numero di elettroni di conduzione è sempre uguale al numero di lacune. Pertanto, si dice che i semiconduttori puri abbiano conducibilità elettrone-lacuna, o propria conducibilità.

Con l'aumento della temperatura, aumenta il numero di rotture nei legami covalenti e aumenta il numero di elettroni liberi e buchi nei cristalli dei semiconduttori puri e, di conseguenza, aumenta la conduttività elettrica e diminuisce la resistività dei semiconduttori puri. Un grafico della dipendenza della resistività di un semiconduttore puro dalla temperatura è mostrato in fig. 7.

Oltre al riscaldamento, la rottura dei legami covalenti e, di conseguenza, la comparsa della conduttività intrinseca dei semiconduttori e una diminuzione della resistività possono essere causati dall'illuminazione (fotoconduttività di un semiconduttore), nonché dall'azione di forti campi elettrici .

Conducibilità delle impurità dei semiconduttori

La conduttività dei semiconduttori aumenta con l'introduzione di impurità, quando, insieme alla conduttività intrinseca, si verifica un'ulteriore conduttività delle impurità.

conducibilità delle impurità semiconduttori è chiamato conducibilità, a causa della presenza di impurità nel semiconduttore.

I centri di impurità possono essere:

1. atomi o ioni di elementi chimici incorporati in un reticolo semiconduttore;

2. atomi o ioni in eccesso incorporati in interstizi reticolari;

3. vari altri difetti e distorsioni nel reticolo cristallino: nodi vuoti, crepe, spostamenti che si verificano durante le deformazioni cristalline, ecc.

Modificando la concentrazione di impurità, si può aumentare significativamente il numero di portatori di carica di un segno o di un altro e creare semiconduttori con una concentrazione predominante di portatori di carica negativa o positiva.

Le impurità possono essere suddivise in donatore (donatore) e accettore (ricevente).

Impurità del donatore

• Dal latino "donare" - dare, donare.

Consideriamo il meccanismo della conduttività elettrica di un semiconduttore con un'impurità pentavalente donatrice di arsenico As, che viene introdotta in un cristallo, ad esempio il silicio. L'atomo di arsenico pentavalente dona quattro elettroni di valenza per formare legami covalenti e il quinto elettrone non è occupato in questi legami (Fig. 8).

L'energia di distacco (energia di ionizzazione) del quinto elettrone di valenza dell'arsenico nel silicio è 0,05 eV = 0,08⋅10 -19 J, che è 20 volte inferiore all'energia di distacco di un elettrone da un atomo di silicio. Pertanto, già a temperatura ambiente, quasi tutti gli atomi di arsenico perdono uno dei loro elettroni e diventano ioni positivi. Gli ioni positivi di arsenico non possono catturare gli elettroni degli atomi vicini, poiché tutti e quattro i loro legami sono già dotati di elettroni. In questo caso, il movimento della vacanza di elettroni - "buco" non si verifica e la conduttività del foro è molto bassa, ad es. praticamente assente.

Impurità dei donatori- si tratta di impurità che donano facilmente elettroni e, di conseguenza, aumentano il numero di elettroni liberi. In presenza di un campo elettrico, gli elettroni liberi entrano in movimento ordinato in un cristallo semiconduttore e in esso si verifica la conduzione elettronica delle impurità. Di conseguenza, otteniamo un semiconduttore con conduttività prevalentemente elettronica, chiamato semiconduttore di tipo n. (Dal latino negativus - negativo).

Poiché il numero di elettroni in un semiconduttore di tipo n è significativo più numero buchi, gli elettroni sono i portatori di carica maggioritari e i buchi sono quelli minori.

Impurità accettore

• Dal latino "accettore" - ricevitore.

Nel caso di un'impurità accettore, ad esempio l'indio trivalente In, l'atomo di impurità può fornire i suoi tre elettroni per il legame covalente con solo tre atomi di silicio vicini e un elettrone è "mancante" (Fig. 9). Uno degli elettroni degli atomi di silicio vicini può riempire questo legame, quindi l'atomo In diventerà uno ione negativo immobile e si formerà un buco al posto dell'elettrone che ha lasciato uno degli atomi di silicio. Le impurità dell'accettore, che catturano gli elettroni e quindi creano buchi mobili, non aumentano il numero di elettroni di conduzione. I principali portatori di carica in un semiconduttore con un'impurità accettore sono lacune e i portatori minoritari sono elettroni.

Impurità dell'accettore sono impurità che forniscono conducibilità al foro.

I semiconduttori in cui la concentrazione di lacune supera la concentrazione di elettroni di conduzione sono chiamati semiconduttori di tipo p (dal latino positivus - positivo.).

Va notato che l'introduzione di impurità nei semiconduttori, come in qualsiasi metallo, interrompe la struttura del reticolo cristallino e ostacola il movimento degli elettroni. Tuttavia, la resistenza non aumenta a causa del fatto che l'aumento della concentrazione di portatori di carica riduce significativamente la resistenza. Pertanto, l'introduzione di un'impurità di boro nella quantità di 1 atomo per centomila atomi di silicio riduce la specifica resistenza elettrica silicio di circa mille volte e la miscela di un atomo di indio per 10 8 - 10 9 atomi di germanio riduce la resistività elettrica del germanio di milioni di volte.

Se entrambe le impurità del donatore e dell'accettore vengono introdotte contemporaneamente in un semiconduttore, la natura della conduttività del semiconduttore (tipo n o p) è determinata da un'impurità con una maggiore concentrazione di portatori di carica.

Transizione elettrone-lacuna

Una transizione elettrone-lacuna (abbreviata p-n-giunzione) si verifica in un cristallo semiconduttore che ha simultaneamente regioni con conduttività di tipo n (contiene impurità del donatore) e di tipo p (con impurità dell'accettore) al confine tra queste regioni.

Supponiamo di avere un cristallo in cui a sinistra c'è una regione semiconduttrice con foro (tipo p) ea destra - con conduttività elettronica (tipo n) (Fig. 10). A causa del movimento termico durante la formazione di un contatto, gli elettroni di un semiconduttore di tipo n si diffonderanno nella regione di tipo p. In questo caso, uno ione donatore positivo non compensato rimarrà nella regione di tipo n. Essendo passato nella regione con conduttività del foro, l'elettrone si ricombina molto rapidamente con il foro e nella regione di tipo p si forma uno ione accettore non compensato.

Come gli elettroni, le lacune della regione di tipo p si diffondono nella regione elettronica, lasciando uno ione accettore caricato negativamente non compensato nella regione della lacuna. Dopo essere passato nella regione elettronica, la lacuna si ricombina con l'elettrone. Di conseguenza, nella regione elettronica si forma uno ione donatore positivo non compensato.

Come risultato della diffusione, al confine tra queste regioni si forma un doppio strato elettrico di ioni di carica opposta, lo spessore l che non supera le frazioni di micrometro.

Un campo elettrico sorge tra gli strati di ioni con una forza Ei. Il campo elettrico della giunzione elettrone-lacuna (giunzione p-n) impedisce l'ulteriore transizione di elettroni e lacune attraverso l'interfaccia tra due semiconduttori. Lo strato di blocco ha una resistenza maggiore rispetto al resto dei volumi dei semiconduttori.

Campo elettrico esterno con intensità e influenza la resistenza del campo elettrico di blocco. Se l'n-semiconduttore è collegato al polo negativo della sorgente e il più della sorgente è collegato al semiconduttore p, allora sotto l'azione di un campo elettrico, gli elettroni nel semiconduttore n e i buchi nel semiconduttore p-semiconductor si muoverà l'uno verso l'altro verso l'interfaccia del semiconduttore (Fig. 11). Gli elettroni, attraversando il confine, "riempiono" i buchi. Con così direzione in avanti campo elettrico esterno, lo spessore dello strato barriera e la sua resistenza diminuiscono continuamente. In questa direzione, la corrente elettrica passa attraverso la giunzione p-n.

Viene chiamata la direzione considerata della giunzione p-n diretto. La dipendenza della corrente dalla tensione, ad es. caratteristiche volt-ampere transizione diretta, mostrata in Fig. 12 come una linea continua.

Se il semiconduttore n è collegato al polo positivo della sorgente e il semiconduttore p è collegato al negativo, gli elettroni nel semiconduttore n e le lacune nel semiconduttore p sotto l'azione di un campo elettrico si sposteranno dall'interfaccia in direzioni opposte (Fig. 13). Ciò comporta un ispessimento dello strato barriera e un aumento della sua resistenza. Viene chiamata la direzione del campo elettrico esterno che espande lo strato barriera bloccaggio (inversione). Con questa direzione del campo esterno, la corrente elettrica dei principali portatori di carica non passa attraverso il contatto di due semiconduttori p e p.

La corrente attraverso la giunzione p-n è ora dovuta agli elettroni che si trovano nel semiconduttore di tipo p e ai buchi del semiconduttore di tipo n. Ma ci sono pochissimi portatori di carica di minoranza, quindi la conduttività della transizione risulta insignificante e la sua resistenza è grande. Viene chiamata la direzione considerata della giunzione p-n inversione, la sua caratteristica corrente-tensione è mostrata in Fig. 12 linee tratteggiate.

Si noti che la scala di misurazione corrente per le transizioni avanti e indietro differisce di mille volte.

Si noti che a una certa tensione applicata nella direzione opposta, c'è guasto(cioè, distruzione) della giunzione p-n.

Semiconduttori

Termistori

La resistenza elettrica dei semiconduttori dipende fortemente dalla temperatura. Questa proprietà viene utilizzata per misurare la temperatura in base all'intensità della corrente in un circuito con un semiconduttore. Tali dispositivi sono chiamati termistori o termistori. Una sostanza semiconduttrice è posta in un metallo custodia protettiva, in cui sono presenti conduttori isolati per l'inclusione del termistore in un circuito elettrico.

La variazione della resistenza dei termistori quando riscaldati o raffreddati consente loro di essere utilizzati negli strumenti di misura della temperatura per mantenere una temperatura costante in dispositivi automatici- in camere-termostati chiusi, per garantire allarme antincendio eccetera. Esistono termistori per misurare entrambi molto alti ( T≈ 1300 K) e molto basso ( T≈ 4 - 80 K) temperature.

Una rappresentazione schematica (Fig. a) e una fotografia (Fig. b) del termistore sono mostrate in Figura 14.

Riso. quattordici

Fotoresistenze

La conduttività elettrica dei semiconduttori aumenta non solo quando sono riscaldati, ma anche quando sono illuminati. La conduttività elettrica aumenta a causa della rottura dei legami e della formazione di elettroni liberi e lacune dovute all'energia della luce incidente sul semiconduttore.

Vengono chiamati dispositivi che tengono conto della dipendenza della conduttività elettrica dei semiconduttori dall'illuminazione fotoresistenze.

I materiali per la produzione di fotoresistenze sono composti come CdS, CdSe, PbS e molti altri.

Le dimensioni ridotte e l'elevata sensibilità delle fotoresistenze ne consentono l'utilizzo per la registrazione e la misurazione di deboli flussi luminosi. Con l'aiuto di fotoresistenze, viene determinata la qualità delle superfici, vengono controllate le dimensioni dei prodotti, ecc.

Una rappresentazione schematica (Fig. a) e una fotografia (Fig. b) del fotoresistenza sono mostrate in Figura 15.

Riso. quindici

diodo a semiconduttore

La capacità di una giunzione p-n di far passare la corrente in una direzione viene utilizzata nei dispositivi a semiconduttore chiamati diodi.

I diodi a semiconduttore sono costituiti da germanio, silicio, selenio e altre sostanze.

Impedire effetti dannosi aria e luce, un cristallo di germanio è posto in un ermetico corpo in metallo. I diodi a semiconduttore sono gli elementi principali dei raddrizzatori corrente alternata(più precisamente, sono usati per convertire la corrente alternata in una corrente continua pulsante.)

Una rappresentazione schematica (Fig. a) e una fotografia (Fig. b) di un diodo a semiconduttore sono mostrate in Figura 16.

Riso. sedici

LED

Diodo ad emissione luminosa o diodo ad emissione luminosa- un dispositivo a semiconduttore con una giunzione p-n che crea radiazione ottica quando viene attraversata da una corrente elettrica.

La luce emessa si trova in un intervallo ristretto dello spettro, da cui dipendono, tra le altre cose, le sue caratteristiche spettrali Composizione chimica semiconduttori in esso utilizzati.

Letteratura

1. Aksenovich LA Fisica in Scuola superiore: Teoria. Compiti. Prove: Proc. indennità per gli enti erogatori di carattere generale. ambienti, istruzione / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 300-308.
2. Burov LI, Strelchenya VM Fisica dalla A alla Z: per studenti, candidati, tutor. - Minsk: Paradosso, 2000. - S. 219-228.
3. Myakishev G. Ya. Fisica: elettrodinamica. 10 - 11 celle: un libro di testo per lo studio approfondito della fisica / G.Ya. Myakishev, AZ Sinyakov, BA Slobodskov. - M.: Otarda, 2005. - S. 309-320.
4. Yavorsky BM, Seleznev Yu. A. Una guida di riferimento alla fisica per coloro che entrano nelle università e nell'autodidattica. - M.: Nauka, 1984. - S. 165-169.

I semiconduttori occupano un posto intermedio nella conduttività elettrica tra conduttori e non conduttori di corrente elettrica. Il gruppo dei semiconduttori comprende molte più sostanze rispetto ai gruppi di conduttori e non conduttori presi insieme. I rappresentanti più caratteristici dei semiconduttori che hanno trovato uso pratico nella tecnologia, sono germanio, silicio, selenio, tellurio, arsenico, ossido rameoso e un numero enorme di leghe e composti chimici. Quasi tutto sostanze inorganiche il mondo che ci circonda sono semiconduttori. Il semiconduttore più comune in natura è il silicio, che costituisce circa il 30% della crosta terrestre.

La differenza qualitativa tra semiconduttori e metalli si manifesta principalmente nella dipendenza della resistività dalla temperatura. Al diminuire della temperatura, la resistenza dei metalli diminuisce. Nei semiconduttori, invece, al diminuire della temperatura, la resistenza aumenta e in prossimità dello zero assoluto diventano praticamente isolanti.

Nei semiconduttori, la concentrazione di portatori di carica libera aumenta all'aumentare della temperatura. Il meccanismo della corrente elettrica nei semiconduttori non può essere spiegato all'interno del modello del gas di elettroni liberi.

Gli atomi di germanio hanno quattro elettroni debolmente legati nel loro guscio esterno. Sono chiamati elettroni di valenza. In un reticolo cristallino, ogni atomo è circondato da quattro vicini più vicini. Il legame tra gli atomi in un cristallo di germanio è covalente, cioè è svolto da coppie di elettroni di valenza. Ogni elettrone di valenza appartiene a due atomi. Gli elettroni di valenza in un cristallo di germanio sono molto più fortemente legati agli atomi che ai metalli; pertanto, la concentrazione di elettroni di conduzione a temperatura ambiente nei semiconduttori è di molti ordini di grandezza inferiore a quella dei metalli. Quasi lo zero assoluto in un cristallo di germanio, tutti gli elettroni sono impegnati nella formazione di legami. Un tale cristallo non conduce elettricità.

Quando la temperatura aumenta, alcuni degli elettroni di valenza possono guadagnare energia sufficiente per rompere i legami covalenti. Quindi gli elettroni liberi (elettroni di conduzione) appariranno nel cristallo. Allo stesso tempo, nei siti di rottura del legame si formano posti vacanti che non sono occupati da elettroni. Questi posti vacanti sono chiamati "buchi".

Ad una data temperatura del semiconduttore, si forma un certo numero di coppie elettrone-lacuna per unità di tempo. Allo stesso tempo, sta accadendo il processo inverso: quando un elettrone libero incontra una lacuna, il legame elettronico tra gli atomi di germanio viene ripristinato. Questo processo è chiamato ricombinazione. Le coppie elettrone-lacuna possono anche essere prodotte quando un semiconduttore viene illuminato a causa dell'energia della radiazione elettromagnetica.

Se un semiconduttore viene posto in un campo elettrico, non solo gli elettroni liberi sono coinvolti nel movimento ordinato, ma anche le lacune, che si comportano come particelle cariche positivamente. Pertanto, la corrente I in un semiconduttore è la somma delle correnti elettroniche I n e del buco I p: io = io n + io p.

La concentrazione di elettroni di conduzione in un semiconduttore è uguale alla concentrazione di lacune: n n = n p . Il meccanismo di conduzione elettrone-lacuna si manifesta solo nei semiconduttori puri (cioè senza impurità). Si chiama conducibilità elettrica intrinseca dei semiconduttori.

In presenza di impurità, la conduttività elettrica dei semiconduttori cambia notevolmente. Ad esempio, l'aggiunta di impurità fosforo in cristallo silicio nella quantità di 0,001 percento atomico riduce la resistività di oltre cinque ordini di grandezza.

Un semiconduttore in cui viene introdotta un'impurità (cioè, parte degli atomi di un tipo è sostituita da atomi di un altro tipo) è chiamato drogato o drogato.

Esistono due tipi di conduzione delle impurità, conduzione di elettroni e lacune.

Così, quando si dopa un quadrivalente germanio (Ge) o silicio (Si) pentavalente - fosforo (P), antimonio (Sb), arsenico (As) un elettrone libero extra appare nella posizione dell'atomo di impurità. In questo caso, viene chiamata l'impurità donatore .

Quando si drogano trivalente germanio quattrovalente (Ge) o silicio (Si) - alluminio (Al), indio (Jn), boro (B), gallio (Ga) - c'è un foro di linea. Tali impurità sono chiamate accettore .

Nello stesso campione di un materiale semiconduttore, una sezione può avere conduttività p e l'altra conduttività n. Tale dispositivo è chiamato diodo a semiconduttore.

Il prefisso "di" nella parola "diodo" significa "due", indica che il dispositivo ha due "dettagli" principali, due cristalli semiconduttori strettamente adiacenti tra loro: uno con conducibilità p (questa è la zona R), l'altro - con n - conducibilità (questa è la zona P). Infatti, un diodo a semiconduttore è un cristallo, in una parte del quale viene introdotta un'impurità donatrice (zona P), in un altro - accettore (zona R).

Se viene applicata una tensione costante dalla batteria al diodo "più" alla zona R e "meno" alla zona P, quindi le cariche libere - elettroni e lacune - si precipiteranno al confine, si precipiteranno alla giunzione pn. Qui si neutralizzeranno a vicenda, nuove cariche si avvicineranno al confine e a DC. Questa è la cosiddetta connessione diretta del diodo: le cariche si muovono intensamente attraverso di esso, una corrente diretta relativamente grande scorre nel circuito.

Ora cambieremo la polarità della tensione sul diodo, eseguiremo, come si suol dire, la sua inclusione inversa: collegheremo il "più" della batteria alla zona P,"meno" - alla zona R. Le cariche libere verranno allontanate dal confine, gli elettroni andranno al "più", i buchi - al "meno" e, di conseguenza, la giunzione pn si trasformerà in una zona senza cariche libere, in un puro isolante. Ciò significa che il circuito si interromperà, la corrente al suo interno si fermerà.

Non passerà ancora una grande corrente inversa attraverso il diodo. Perché, oltre alle principali spese gratuite (portatori di carica) - elettroni, nella zona P, e buchi nella zona p - in ciascuna delle zone c'è anche una quantità insignificante di cariche del segno opposto. Questi sono i loro stessi portatori di carica di minoranza, esistono in qualsiasi semiconduttore, compaiono in esso a causa dei movimenti termici degli atomi e sono loro che creano la corrente inversa attraverso il diodo. Ci sono relativamente poche di queste cariche e la corrente inversa è molte volte inferiore a quella diretta. L'entità della corrente inversa dipende fortemente da: temperatura ambiente, materiale semiconduttore e area pag transizione. Con l'aumento dell'area di transizione, il suo volume aumenta e, di conseguenza, il numero di portatori minoritari che compaiono a seguito della produzione termoelettrica e dell'aumento della corrente termica. Spesso CVC, per chiarezza, è presentato sotto forma di grafici.

Molti semiconduttori lo sono elementi chimici(germanio, silicio, selenio, tellurio, arsenico, ecc.), un numero enorme di leghe e composti chimici. Quasi tutte le sostanze inorganiche del mondo che ci circonda sono semiconduttori. Il semiconduttore più comune in natura è il silicio, che costituisce circa il 30% della crosta terrestre.

La differenza qualitativa tra semiconduttori e metalli si manifesta in dipendenza dalla temperatura della resistività(fig.9.3)

Modello a bande della conducibilità elettrone-lacuna di semiconduttori

All'istruzione solidi una situazione è possibile in cui la banda di energia che è sorta dai livelli di energia degli elettroni di valenza degli atomi iniziali risulta essere completamente riempita di elettroni e quelli più vicini disponibili per il riempimento di elettroni livelli di energia separato da banda di valenza EV un intervallo di stati energetici irrisolti - il cosiddetto zona proibita Per esempio.Al di sopra del gap di banda c'è la zona degli stati energetici consentiti per gli elettroni - banda di conduzione Ec.

La banda di conduzione a 0 K è completamente libera, mentre la banda di valenza è completamente occupata. Strutture a bande simili sono caratteristiche di silicio, germanio, arseniuro di gallio (GaAs), fosfuro di indio (InP) e molti altri solidi semiconduttori.

Con un aumento della temperatura dei semiconduttori e dei dielettrici, gli elettroni sono in grado di ricevere energia aggiuntiva associata al movimento termico. kT. Per alcuni elettroni, l'energia del moto termico è sufficiente per la transizione dalla banda di valenza alla banda di conduzione, dove gli elettroni sotto l'azione di un campo elettrico esterno possono muoversi quasi liberamente.

In questo caso, in un circuito con un materiale semiconduttore, all'aumentare della temperatura del semiconduttore, aumenterà una corrente elettrica. Questa corrente è associata non solo al movimento degli elettroni nella banda di conduzione, ma anche all'aspetto posti vacanti da elettroni che sono entrati nella banda di conduzione nella banda di valenza, i cosiddetti buchi . Il posto vacante può essere occupato da un elettrone di valenza di una coppia vicina, quindi il buco si sposterà in un nuovo posto nel cristallo.

Se un semiconduttore viene posto in un campo elettrico, non solo gli elettroni liberi sono coinvolti nel movimento ordinato, ma anche le lacune, che si comportano come particelle cariche positivamente. Pertanto, la corrente io in un semiconduttore è costituito da un elettronico In e buco Ip correnti: io= In+ Ip.

Il meccanismo di conduzione elettrone-lacuna si manifesta solo nei semiconduttori puri (cioè senza impurità). È chiamato propria conducibilità elettrica semiconduttori. Gli elettroni vengono lanciati nella banda di conduzione con Livello Fermi, che risulta essere situato nel proprio semiconduttore nel mezzo della zona proibita(Fig. 9.4).

È possibile modificare in modo significativo la conduttività dei semiconduttori introducendo al loro interno quantità molto piccole di impurità. Nei metalli, un'impurità riduce sempre la conduttività. Pertanto, l'aggiunta del 3% di atomi di fosforo al silicio puro aumenta la conduttività elettrica del cristallo di un fattore 105.

Leggera aggiunta di drogante al semiconduttore chiamato doping.

Condizione necessaria Una forte diminuzione della resistività di un semiconduttore con l'introduzione di impurità è la differenza nella valenza degli atomi di impurità dalla valenza degli atomi principali del cristallo. Viene chiamata la conducibilità dei semiconduttori in presenza di impurità conducibilità delle impurità .

Distinguere due tipi di conduzione delle impurità – elettronico e Foro conducibilità. Conducibilità elettronica si verifica quando atomi pentavalenti (ad esempio arsenico, As) vengono introdotti in un cristallo di germanio con atomi tetravalenti (Fig. 9.5).

I quattro elettroni di valenza dell'atomo di arsenico sono coinvolti nella formazione di legami covalenti con quattro atomi di germanio vicini. Il quinto elettrone di valenza si è rivelato ridondante. Si stacca facilmente dall'atomo di arsenico e si libera. Un atomo che ha perso un elettrone si trasforma in uno ione positivo situato in un sito nel reticolo cristallino.

Viene chiamata una miscela di atomi con una valenza maggiore della valenza degli atomi principali di un cristallo semiconduttore impurità del donatore . Come risultato della sua introduzione, nel cristallo appare un numero significativo di elettroni liberi. Ciò porta a una forte diminuzione della resistività del semiconduttore, di migliaia e persino milioni di volte.

Resistività del conduttore con ottimo contenuto le impurità possono avvicinarsi alla resistività di un conduttore metallico. Tale conduttività, dovuta agli elettroni liberi, è chiamata elettronica e viene chiamato un semiconduttore con conduttività elettronica semiconduttore di tipo n.

conduzione del foro si verifica quando gli atomi trivalenti vengono introdotti in un cristallo di germanio, ad esempio atomi di indio (Fig. 9.5)

La Figura 6 mostra un atomo di indio che ha creato legami covalenti con solo tre atomi di germanio vicini usando i suoi elettroni di valenza. L'atomo di indio non ha un elettrone per formare un legame con il quarto atomo di germanio. Questo elettrone mancante può essere catturato da un atomo di indio da un legame covalente di atomi di germanio vicini. In questo caso, l'atomo di indio si trasforma in uno ione negativo situato in un sito del reticolo cristallino e si forma un posto vacante nel legame covalente degli atomi vicini.

Viene chiamata una miscela di atomi in grado di catturare elettroni impurità dell'accettore . Come risultato dell'introduzione di un'impurità accettore nel cristallo, molti legami covalenti vengono rotti e si formano siti vuoti (fori). Gli elettroni possono saltare in questi luoghi da legami covalenti vicini, il che porta a vagare casualmente di buchi attorno al cristallo.

La concentrazione di lacune in un semiconduttore con un'impurità accettore supera significativamente la concentrazione di elettroni sorta a causa del meccanismo di conduttività elettrica intrinseca del semiconduttore: np>> n n. Questo tipo di conduzione è chiamato conducibilità del foro . Viene chiamato un semiconduttore di impurità con conducibilità del foro semiconduttore di tipo p . Principali vettori di carica gratuita nei semiconduttori p-tipo sono buchi.

Transizione elettrone-lacuna. Diodi e transistor

Nella moderna tecnologia elettronica, i dispositivi a semiconduttore svolgono un ruolo eccezionale. Negli ultimi tre decenni, hanno quasi completamente sostituito i dispositivi a elettrovuoto.

Qualsiasi dispositivo a semiconduttore ha una o più giunzioni elettrone-lacuna. . Transizione elettrone-lacuna (o n–p-transizione) - è l'area di contatto di due semiconduttori con tipi diversi conducibilità.

Al confine dei semiconduttori (Fig. 9.7) si forma un doppio strato elettrico, il cui campo elettrico impedisce il processo di diffusione di elettroni e lacune l'uno verso l'altro.

Capacità n–p-la transizione per far passare la corrente in quasi una sola direzione viene utilizzata nei dispositivi chiamati diodi a semiconduttore. I diodi semiconduttori sono realizzati con cristalli di silicio o germanio. Durante la loro fabbricazione, un'impurità viene fusa in un cristallo con un certo tipo di conducibilità, che fornisce un diverso tipo di conducibilità.

La Figura 9.8 mostra una tipica caratteristica volt-ampere di un diodo al silicio.

Vengono chiamati dispositivi a semiconduttore con non una ma due giunzioni n-p transistor . I transistor sono di due tipi: p–n–p-transistori e n–p–n-transistori. nel transistor n–p–n- la piastra di base al germanio di tipo è conduttiva p-tipo e le due regioni create su di esso - dalla conduttività n-tipo (Figura 9.9).

nel transistor p–n–p- è un po' il contrario. Viene chiamata la piastra di un transistor base(B), una delle regioni con conducibilità di tipo opposto - collettore(K), e il secondo - emettitore(E).