반도체의 전류 반도체의 고유 전도도. 반도체의 전류

반도체는 정상적인 조건에서는 절연체이지만 온도가 상승하면 도체가 되는 물질입니다. 즉, 반도체에서는 온도가 증가하면 저항이 감소합니다.

실리콘 결정의 예에 대한 반도체 구조

반도체의 구조와 반도체의 주요 전도성 유형을 고려하십시오. 예를 들어, 실리콘 결정을 고려하십시오.

규소는 4가 원소입니다. 따라서 그의 외부 쉘원자핵에 느슨하게 결합된 4개의 전자가 있습니다. 각각의 이웃에는 4개의 원자가 더 있습니다.

원자는 서로 상호 작용하여 공유 결합을 형성합니다. 각 원자에서 하나의 전자가 그러한 결합에 참여합니다. 실리콘 장치 다이어그램은 다음 그림에 나와 있습니다.

그림

공유 결합은 충분히 강하고 저온끊지 마세요. 따라서 실리콘에는 자유 전하 캐리어가 없으며 저온에서 유전체입니다. 반도체에는 전자와 정공의 두 가지 전도 유형이 있습니다.

전자 전도도

실리콘이 가열되면 추가 에너지가 실리콘에 부여됩니다. 입자의 운동 에너지가 증가하고 일부 공유 결합이 끊어집니다. 이것은 자유 전자를 생성합니다.

전기장에서 이러한 전자는 노드 사이를 이동합니다. 결정 격자. 이 경우 실리콘에 전류가 생성됩니다.

자유 전자가 주요 전하 캐리어이기 때문에 이러한 유형의 전도를 전자 전도라고 합니다. 자유 전자의 수는 온도에 따라 다릅니다. 실리콘을 가열할수록 공유 결합깨지고 결과적으로 더 많은 자유 전자가 나타납니다. 이것은 저항의 감소로 이어집니다. 그리고 실리콘은 도체가 됩니다.

정공 전도

공유 결합이 끊어지면 방출된 전자 자리에 빈 공간이 형성되며, 다른 전자가 이를 차지할 수 있습니다. 이 곳을 구멍이라고 합니다. 구멍에 과도한 양전하가 있습니다.

결정에서 정공의 위치는 끊임없이 변하고 모든 전자가 이 위치를 취할 수 있으며 정공은 전자가 점프한 곳으로 이동합니다. 만약 전기장아니요, 구멍의 움직임은 무작위이므로 전류가 발생하지 않습니다.

존재한다면 정공의 이동에 질서가 있고 자유전자에 의해 생성되는 전류 외에 정공에 의해 생성되는 전류도 존재한다. 정공은 전자와 반대 방향으로 이동할 것입니다.

따라서 반도체에서 전도도는 전자-정공입니다. 전류는 전자와 정공에 의해 생성됩니다. 이러한 유형의 전도는 한 원자의 요소만 포함되기 때문에 고유 전도라고도 합니다.

반도체의 캐리어 수송

소개

반도체의 전류 캐리어는 전자와 정공입니다. 전류 캐리어는 마치 자유 입자인 것처럼 결정 원자의 주기적 장에서 움직입니다. 주기적 전위의 효과는 캐리어 질량에만 영향을 미칩니다. 즉, 주기적 전위의 작용에 따라 캐리어의 질량이 변경됩니다. 이와 관련하여 고체 물리학은 전자와 정공의 유효 질량 개념을 도입합니다. 평균 에너지 열 운동전자와 정공은 kT/2 각 자유도. 상온에서 전자와 정공의 열속도는 약 10 7 cm/s이다.

반도체에 전기장이 가해지면 이 전기장은 전류 캐리어의 드리프트를 유발합니다. 이 경우 캐리어 속도는 필드가 증가함에 따라 먼저 증가하고 속도의 평균값에 도달한 다음 캐리어가 흩어져 있기 때문에 변화를 멈춥니다. 산란은 결함, 불순물 및 포논의 방출 또는 흡수로 인해 발생합니다. 캐리어 산란의 주요 원인은 하전된 불순물과 격자 원자의 열 진동(포논의 흡수/방출)입니다. 그들과의 상호 작용은 캐리어의 속도와 이동 방향의 급격한 변화로 이어집니다. 캐리어 속도 방향의 변화는 무작위입니다. 전류 캐리어의 산란에 대한 추가 메커니즘은 반도체 표면의 캐리어 산란입니다.

외부 전기장이 존재하는 경우 반도체에서 캐리어 이동의 무작위 특성은 충돌 사이의 간격에서 필드의 작용하에 캐리어의 지시된 이동에 의해 중첩됩니다. 그리고 캐리어의 무작위 이동 속도가 전기장의 작용 하에서 캐리어의 방향 이동 속도보다 몇 배나 더 클 수 있다는 사실에도 불구하고 캐리어 이동의 무작위 구성 요소는 무시될 수 있습니다. 결과적인 캐리어 흐름 영. 외부 필드의 작용에 따른 캐리어의 가속은 뉴턴의 역학 법칙을 따릅니다. 산란은 운동 방향과 속도의 크기에 급격한 변화를 가져오지만 산란 후에는 장의 작용하에 입자의 가속된 운동이 재개됩니다.

충돌의 순 효과는 입자가 가속되지 않지만 입자는 빠르게 일정한 운동 속도에 도달한다는 것입니다. 이것은 시간 상수를 특징으로 하는 입자의 운동 방정식에 감속 성분을 도입하는 것과 같습니다. 티. 이 시간 동안 입자는 운동량을 잃습니다. 뮤직비디오평균 속도에 의해 결정 V. 충돌 사이에 일정한 가속도를 갖는 입자의 경우 이 시간 상수는 두 개의 연속 충돌 사이의 시간과 같습니다. 반도체에서 전류 캐리어 수송의 메커니즘을 더 자세히 고려합시다.

표류현재의(드리프트 전류)

전기장의 작용하에 반도체에서 캐리어의 드리프트 운동은 그림 XXX에서 설명할 수 있습니다. 필드는 캐리어에게 속도를 알려줍니다. V.

무화과. 현장의 행동에 따른 캐리어의 움직임 .

반도체의 모든 캐리어가 같은 속도로 움직인다고 가정하면 V, 전류는 시간에 대한 전극 사이에 전달된 총 전하의 비율로 표현될 수 있습니다. 티 아르 자형이 전하를 한 전극에서 다른 전극으로 전달하거나:

어디 엘 – 전극 사이의 거리.

전류 밀도는 이제 전류 캐리어의 농도로 표현될 수 있습니다. N반도체:

어디 하지만 반도체의 단면적입니다.

유동성

자기장이없고 외부 전기장의 작용하에 반도체에서 전류 캐리어의 움직임의 특성은 그림 XXX에 나와 있습니다. 이미 언급했듯이 전자의 열 속도는 10 7 cm/s 정도이며 전자의 드리프트 속도보다 훨씬 빠릅니다.

무화과. 외부 필드가 존재하지 않거나 존재하지 않는 반도체에서 전류 캐리어의 무작위적인 특성.

전기장의 작용 하에서만 캐리어의 움직임을 고려하십시오. 뉴턴의 법칙에 따르면:

여기서 힘은 정전기력과 산란 중 운동량 손실을 유발하는 힘을 충돌 사이의 시간으로 나눈 두 가지 구성 요소를 포함합니다.

이러한 식을 동일시하고 식을 사용하여 평균 속도, 우리는 다음을 얻습니다.

입자가 이미 가속되어 평균 일정한 속도에 도달한 정지된 경우만 고려합시다. 이 근사값에서 속도는 전계 강도에 비례합니다. 마지막 값 사이의 비례 계수는 이동성으로 정의됩니다.

이동성은 캐리어의 질량에 반비례하고 평균 자유 경로에 정비례합니다.

드리프트 전류 밀도는 이동성의 함수로 쓸 수 있습니다.

이미 언급했듯이 반도체에서 캐리어의 질량은 진공에서 전자의 질량과 같지 않습니다. 중이동성에 대한 공식은 유효 질량을 사용해야 합니다. 중 * :

반도체에서 전류 캐리어의 확산.

확산 전류

외부의 경우 전기장반도체에 없으면 열 에너지의 작용하에 전자와 정공과 같은 전류 캐리어가 무작위로 움직입니다. 이 무작위 이동은 캐리어의 방향 이동 및 전류 형성으로 이어지지 않습니다. 항상 자리를 떠난 캐리어 대신에 다른 캐리어가 그의 자리에 올 것입니다. 따라서 반도체 부피 전체에 걸쳐 균일한 캐리어 밀도가 유지됩니다.

그러나 캐리어가 볼륨에 고르지 않게 분포되어 있으면 상황이 바뀝니다. 농도 구배가 있습니다. 이 경우 농도 구배의 영향으로 캐리어의 방향 이동이 발생합니다. 농도가 높은 영역에서 농도가 낮은 영역으로 확산됩니다. 확산 작용하에 대전된 캐리어의 방향성 이동은 확산 전류를 생성합니다. 이 효과를 더 자세히 살펴보겠습니다.

우리는 확산 전류에 대한 관계를 얻습니다. 농도 구배의 작용하에 캐리어의 방향성 운동이 열 운동의 결과로 발생한다는 사실에서 진행할 것입니다 (온도
Kelvin에 따르면 입자의 각 자유도에 대해 에너지가 있습니다.
), 즉. 0도에서는 확산이 없습니다(캐리어 드리프트는 0K에서도 가능합니다).

열 작용에 따른 캐리어 이동의 무작위적인 특성에는 통계적 접근이 필요하지만 확산 전류 공식의 유도는 프로세스를 특징짓는 평균값의 사용을 기반으로 합니다. 결과는 동일합니다.

평균값을 소개하겠습니다 - 평균 열 속도 V 일, 충돌 사이의 평균 시간,  , 그리고 평균 길이자유 실행, 엘. 평균 열 속도는 양의 방향과 음의 방향 모두로 향할 수 있습니다. 이 양은 관계에 의해 상호 연결됩니다.

전자가 불균일하게 분포된 상황을 고려하십시오. N(엑스) (그림 XXX 참조).

무화과. 하나 전류 확산 식을 유도하는 데 사용되는 캐리어 밀도 프로파일

좌표가 있는 평면을 통한 전자의 흐름을 고려하십시오. 엑스 = 0. 캐리어는 좌표의 왼쪽에서 이 평면으로 옵니다. 엑스 = - 엘, 그리고 좌표의 측면에서 오른쪽으로 엑스 = 엘. 전자의 흐름은 왼쪽에서 오른쪽으로

여기서 계수 ½은 전자의 절반이 좌표 평면에 있음을 의미합니다. 엑스 = - 엘왼쪽으로 이동하고 나머지 절반은 오른쪽으로 이동합니다. 마찬가지로 전자의 흐름은 엑스 = 0 오른쪽에서 오는 엑스 = + 엘다음과 같을 것입니다:

평면을 통과하는 전자의 총 흐름 엑스 = 0 왼쪽에서 오른쪽으로:

전자의 평균 자유 경로가 충분히 작다고 가정하면 좌표의 오른쪽과 왼쪽에 전자 농도의 차이를 기록할 수 있습니다. 엑스 = 0 평면 사이의 거리에 대한 농도 차이의 비율, 즉 파생 상품을 통해:

전자 전류 밀도는 다음과 같습니다.

일반적으로 열 속도와 평균 자유 경로의 곱은 전자 확산 계수라고 하는 단일 인자로 대체됩니다. 디 N .

정공 확산 전류에 대해서도 유사한 관계를 작성할 수 있습니다.

구멍의 전하가 양수임을 기억해야 합니다.

확산 계수와 이동도 사이에는 관계가 있습니다. 언뜻 보기에는 이러한 계수가 관련되어서는 안 되는 것처럼 보일 수 있지만, 캐리어의 확산은 열 운동으로 인한 것이고 캐리어의 드리프트는 외부 전기장으로 인한 것이기 때문입니다. 그러나 주요 매개변수 중 하나인 충돌 사이의 시간은 캐리어를 이동시킨 원인에 의존해서는 안 됩니다.

우리는 열 속도의 정의를 다음과 같이 사용합니다.

전자 운동의 각 자유도에 대해 열 에너지가 있다는 열역학의 결론 kT/2, 동역학과 동일:

이러한 관계에서 캐리어 이동도로 표현되는 열 속도와 평균 자유 경로의 곱을 얻을 수 있습니다.

그러나 우리는 이미 열 속도와 평균 자유 경로의 곱을 확산 계수로 정의했습니다. 그런 다음 전자와 정공에 대한 마지막 관계는 다음 형식으로 작성할 수 있습니다.

이러한 관계를 아인슈타인 관계라고 합니다.

총 전류

반도체를 통과하는 총 전류는 드리프트와 확산 전류의 합입니다. 전자 전류 밀도에 대해 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

구멍에 대해서도 유사하게:

반도체를 통한 총 전류 밀도는 전자와 정공 전류의 합과 같습니다.

반도체를 통과하는 총 전류는 전류 밀도와 반도체 면적의 곱과 같습니다.

전류는 다음 형식으로도 쓸 수 있습니다.

불균일하게 도핑된 반도체에 대한 평형 조건

(반도체에 전류가 흐르지 않는 상태)

반도체는 도체와 유전체 사이의 전기 전도도(또는 저항률)에서 중간 위치를 차지합니다. 그러나 여러 가지 이유(불순물, 조사, 가열)의 영향으로 많은 물질의 전기 전도도와 저항률이 특히 반도체의 경우 매우 크게 변하기 때문에 전기 전도도 특성에 따른 모든 물질의 이러한 구분은 조건부입니다.

이와 관련하여 반도체는 다음과 같은 여러 가지 특징으로 금속과 구별됩니다.

1. 정상적인 조건에서 반도체의 저항은 금속의 저항보다 훨씬 큽니다.

2. 순수 반도체의 비저항은 온도가 증가함에 따라 감소합니다(금속의 경우 증가).

3. 반도체가 조명되면 저항이 크게 감소합니다(빛은 금속의 저항에 거의 영향을 미치지 않음).

4. 소량의 불순물은 반도체의 저항에 큰 영향을 미칩니다.

반도체는 주기율표의 중간 부분에 12개의 화학 원소를 포함합니다(그림 1) - B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, 세 번째 족 원소의 화합물 다섯 번째 그룹의 원소, 많은 금속 산화물 및 황화물, 기타 다수 화합물, 일부 유기 물질. 게르마늄 Ge 및 실리콘 Si는 과학 기술 분야에서 가장 큰 응용 분야입니다.

반도체는 순수하거나 도핑될 수 있습니다. 따라서 반도체의 진성 전도성과 불순물 전도성이 구별됩니다. 불순물은 차례로 도너와 억셉터로 나뉩니다.

자기 전기 전도도

반도체의 전기 전도 메커니즘을 이해하기 위해 반도체 결정의 구조와 결정 원자를 서로 가깝게 유지하는 결합의 특성을 고려합시다. 게르마늄 및 기타 반도체의 결정에는 원자 결정 격자가 있습니다(그림 2).

게르마늄 구조의 평면 다이어그램이 그림 3에 나와 있습니다.

게르마늄은 4가 원소이며 원자의 외부 껍질에는 나머지보다 핵에 더 약한 4개의 전자가 있습니다. 각 게르마늄 원자의 가장 가까운 이웃의 수도 4입니다. 각 게르마늄 원자의 4개의 원자가 전자는 화학 쌍 전자( 공유) 연결. 이 결합의 형성에서 하나의 원자가 전자는 각 원자에서 참여하며, 원자에서 분리되고(결정에 의해 집합화됨) 이동하는 동안 대부분의 시간을 인접 원자 사이의 공간에서 보냅니다. 그들의 음전하는 양의 게르마늄 이온을 서로 가깝게 유지합니다. 이러한 종류의 연결은 조건부로 핵을 연결하는 두 개의 선으로 나타낼 수 있습니다(그림 3 참조).

그러나 순회하는 전자 쌍은 두 개 이상의 원자에 속합니다. 각 원자는 이웃과 4개의 결합을 형성하고 주어진 원자가 전자는 그 중 어느 것을 따라 이동할 수 있습니다(그림 4). 이웃 원자에 도달하면 다음 원자로 이동한 다음 전체 결정을 따라 이동할 수 있습니다. 집합화된 원자가 전자는 전체 결정에 속합니다.

게르마늄의 공유 결합은 매우 강하고 저온에서 깨지지 않습니다. 따라서 게르마늄은 저온에서 전기를 전도하지 않습니다. 원자의 결합에 참여하는 원자가 전자는 결정 격자에 단단히 붙어 있으며 외부 전기장은 움직임에 눈에 띄는 영향을 미치지 않습니다. 실리콘 결정도 비슷한 구조를 가지고 있습니다.

화학적으로 순수한 반도체의 전기 전도성은 결정의 공유 결합이 끊어지고 자유 전자가 나타날 때 가능합니다.

공유 결합을 끊고 전자를 자유롭게 하기 위해 소비되어야 하는 여분의 에너지를 활성화 에너지.

전자는 결정을 가열하고 고주파를 조사하여 이 에너지를 얻을 수 있습니다. 전자파등.

필요한 에너지를 얻은 전자가 국부적 결합을 떠나 자마자 그 위에 공석이 형성됩니다. 이 빈자리는 인접 결합의 전자로 쉽게 채워질 수 있으므로 빈자리도 형성됩니다. 따라서 결합 전자의 이동으로 인해 결정 전체에 공석이 이동합니다. 이 공석은 자유 전자와 똑같은 방식으로 행동합니다. 즉, 반도체의 대부분을 자유롭게 이동합니다. 더욱이, 반도체 전체와 각 원자가 모두 끊어지지 않은 공유 결합으로 전기적으로 중성이라는 점을 감안할 때, 전자가 결합을 떠나고 공극을 형성하는 것은 실제로 과량의 양전하가 나타나는 것과 같다고 말할 수 있습니다. 이 채권. 따라서 결과적인 공석은 공식적으로 양전하 캐리어로 간주될 수 있습니다. 구멍(그림 5).

따라서 국부적 결합에서 전자가 이탈하면 한 쌍의 자유 전하 캐리어(전자와 정공)가 생성됩니다. 순수한 반도체에서의 농도는 동일합니다. ~에 실온순수 반도체에서 자유 캐리어의 농도는 원자 농도보다 약 10 9 ÷ 10 10배 낮지만 온도가 증가함에 따라 급격히 증가합니다.

금속과 비교하십시오. 자유 전자의 농도는 원자의 농도와 거의 같습니다.

외부 전기장이 없을 때 이러한 자유 전자와 정공은 반도체 결정에서 무작위로 움직입니다.

외부 전기장에서 전자는 전기장 세기의 방향과 반대 방향으로 움직입니다. 양극은 전계 강도 방향으로 움직입니다(그림 6). 외부 필드에서 전자와 정공의 이동 과정은 반도체의 전체 볼륨에서 발생합니다.

반도체의 총 전기 전도도는 정공 전도도와 전자 전도도의 합입니다. 이 경우 순수한 반도체에서 전도 전자의 수는 항상 정공의 수와 같습니다. 따라서 순수한 반도체는 전자-정공 전도도, 또는 자신의 전도도.

온도가 상승함에 따라 공유 결합의 끊김 수가 증가하고 순수 반도체 결정의 자유 전자와 정공 수가 증가하여 결과적으로 전기 전도도가 증가하고 순수 반도체의 저항률이 감소합니다. 온도에 대한 순수 반도체의 저항률 의존도 그래프가 그림 1에 나와 있습니다. 7.

가열 외에도 공유 결합이 끊어지고 결과적으로 반도체의 고유 전도성이 나타나고 저항률이 감소하는 것은 조명(반도체의 광전도성)과 강한 전기장의 작용으로 인해 발생할 수 있습니다. .

반도체의 불순물 전도도

반도체의 전도도는 고유 전도도와 함께 추가적인 불순물 전도도가 발생하는 경우 불순물의 도입으로 증가합니다.

불순물 전도도반도체에 불순물이 존재하기 때문에 반도체를 전도도라고 합니다.

불순물 센터는 다음과 같습니다.

1. 반도체 격자에 내장된 화학 원소의 원자 또는 이온

2. 격자 간극에 포함된 과잉 원자 또는 이온;

3. 결정 격자의 다양한 기타 결함 및 왜곡: 빈 노드, 균열, 결정 변형 중에 발생하는 이동 등

불순물의 농도를 변경함으로써 하나 또는 다른 부호의 전하 캐리어 수를 크게 증가시키고 음전하 또는 양전하 캐리어의 농도가 우세한 반도체를 생성할 수 있습니다.

불순물은 기증자(기부)와 수용자(받는 사람)로 나눌 수 있습니다.

기증자 불순물

라틴어 "donare"에서-주다, 기부하십시오.

예를 들어, 실리콘과 같은 결정에 도입된 비소 As의 도너 5가 불순물을 갖는 반도체의 전기 전도도 메커니즘을 고려합시다. 5가 비소 원자는 4개의 원자가 전자를 제공하여 공유 결합을 형성하고 다섯 번째 전자는 이 결합에서 비어 있습니다(그림 8).

실리콘 내 비소의 5번째 원자가 전자의 탈착 에너지(이온화 에너지)는 0.05 eV = 0.08⋅10 -19 J로, 이는 실리콘 원자에서 전자가 탈착되는 에너지의 20배에 해당한다. 따라서 이미 실온에서 거의 모든 비소 원자는 전자 중 하나를 잃고 양이온이됩니다. 양의 비소 이온은 4개의 결합 모두에 이미 전자가 장착되어 있기 때문에 인접 원자의 전자를 포착할 수 없습니다. 이 경우 전자 빈자리의 이동 - "정공"이 발생하지 않고 정공 전도도가 매우 낮습니다. 사실상 결석.

기증자 불순물- 이들은 전자를 쉽게 제공하여 결과적으로 자유 전자의 수를 증가시키는 불순물입니다. 전기장이 있으면 반도체 결정에서 자유 전자가 질서 정연하게 움직이고 전자 불순물 전도가 발생합니다. 결과적으로 우리는 n형 반도체라고 하는 주로 전자 전도성을 갖는 반도체를 얻습니다. (라틴어 부정에서 - 부정).

n형 반도체는 전자의 수가 상당히 많기 때문에 더 많은 숫자정공, 전자는 다수 전하 캐리어이고, 정공은 소수 전하 캐리어입니다.

억셉터 불순물

라틴어 "수용자"에서 - 수신기.

억셉터 불순물, 예를 들어 3가 인듐 In의 경우 불순물 원자는 인접 실리콘 원자 3개와의 공유 결합을 위해 전자 3개를 제공할 수 있으며 전자 1개는 "누락"되어 있습니다(그림 9). 인접한 실리콘 원자의 전자 중 하나가 이 결합을 채울 수 있으며 In 원자는 움직이지 않는 음이온이 되고 실리콘 원자 중 하나를 떠난 전자 자리에 정공이 형성됩니다. 전자를 포획하여 이동성 정공을 생성하는 억셉터 불순물은 전도 전자의 수를 증가시키지 않습니다. 억셉터 불순물이 있는 반도체의 주요 전하 캐리어는 정공이고 소수 캐리어는 전자입니다.

수용체 불순물홀 전도성을 제공하는 불순물입니다.

정공의 농도가 전도 전자의 농도를 초과하는 반도체를 p형 반도체라고 합니다(라틴어 positivus-positive에서).

모든 금속과 마찬가지로 반도체에 불순물을 도입하면 결정 격자의 구조가 붕괴되고 전자의 이동이 방해된다는 점에 유의해야 합니다. 그러나 전하 캐리어의 농도를 높이면 저항이 크게 감소하기 때문에 저항이 증가하지 않습니다. 따라서 십만 규소 원자 당 1 원자의 양으로 붕소 불순물의 도입은 특정 전기 저항실리콘은 약 천 배, 그리고 10 8 - 10 9 게르마늄 원자당 하나의 인듐 원자가 혼합되면 게르마늄의 전기 저항이 수백만 배 감소합니다.

도너 불순물과 억셉터 불순물이 동시에 반도체에 도입되면 반도체 전도도(n형 또는 p형)의 특성은 전하 캐리어 농도가 더 높은 불순물에 의해 결정됩니다.

전자-정공 전이

전자-정공 전이(약어 p-n-접합)는 이들 영역 사이의 경계에서 n형(도너 불순물 포함) 및 p형(억셉터 불순물 포함) 전도성을 갖는 영역을 동시에 갖는 반도체 결정에서 발생합니다.

왼쪽에는 정공(p형)이 있는 반도체 영역이 있고 오른쪽에는 전자(n형) 전도성이 있는 결정이 있다고 가정합니다(그림 10). 접촉 형성 중 열 운동으로 인해 n형 반도체의 전자가 p형 영역으로 확산됩니다. 이 경우 보상되지 않은 양의 도너 이온은 n형 영역에 남게 됩니다. 정공 전도성이 있는 영역을 통과한 전자는 매우 빠르게 정공과 재결합하고 보상되지 않은 억셉터 이온이 p형 영역에 형성됩니다.

전자와 마찬가지로 p형 영역의 정공은 전자 영역으로 확산되어 정공 영역에 보상되지 않은 음으로 하전된 수용체 이온을 남깁니다. 전자 영역을 통과한 정공은 전자와 재결합합니다. 그 결과, 전자 영역에 보상되지 않은 양이온 도너 이온이 형성된다.

확산의 결과, 반대 전하를 띤 이온의 이중 전기층이 이들 영역 사이의 경계에 형성되며, 두께는 엘마이크로미터의 분수를 초과하지 않습니다.

강도를 가진 이온층 사이에 전기장이 발생 에이. 전자-정공 접합(p-n-접합)의 전기장은 두 반도체 사이의 계면을 통한 전자와 정공의 추가 전이를 방지합니다. 차단층은 나머지 반도체 부피에 비해 저항이 증가합니다.

강도가 있는 외부 전기장 이자형차단 전기장의 저항에 영향을 미칩니다. n 반도체가 소스의 음극에 연결되고 소스의 플러스가 p 반도체에 연결되면 전기장의 작용하에 n 반도체의 전자와 p-반도체는 서로를 향해 반도체 인터페이스로 이동합니다(그림 11). 경계를 넘는 전자는 구멍을 "채웁니다". 이와 같은 정방향외부 전기장, 장벽 층의 두께와 저항은 지속적으로 감소합니다. 이 방향으로 전류는 pn 접합을 통과합니다.

p-n 접합의 고려된 방향은 직접. 전압에 대한 전류의 의존성, 즉 볼트-암페어 특성직접 전환, 그림 1에 나와 있습니다. 12 실선으로 표시됩니다.

n 반도체가 소스의 양극에 연결되고 p 반도체가 음극에 연결되면 전기장의 작용에 따라 n 반도체의 전자와 p 반도체의 정공이 이동합니다 인터페이스에서 반대 방향으로(그림 13). 이것은 장벽 층이 두꺼워지고 저항이 증가합니다. 장벽층을 확장하는 외부 전기장의 방향을 잠금 (역전). 외부 필드의 이러한 방향으로 주 전하 캐리어의 전류는 두 개의 p- 및 p-반도체의 접점을 통과하지 않습니다.

p-n 접합을 통한 전류는 이제 p-형 반도체에 있는 전자와 n-형 반도체에서 나온 정공 때문입니다. 그러나 소수 전하 캐리어가 거의 없으므로 전이의 전도도가 미미하고 저항이 큽니다. p-n 접합의 고려된 방향은 역전, 전류-전압 특성은 그림 1에 나와 있습니다. 12 점선.

순방향 및 역방향 전환에 대한 현재 측정 스케일은 천 배 다릅니다.

반대 방향으로 인가된 특정 전압에서 고장(즉, 파괴) pn 접합.

반도체

서미스터

반도체의 전기 저항은 온도에 크게 의존합니다. 이 속성은 반도체가 있는 회로에서 전류의 세기로 온도를 측정하는 데 사용됩니다. 이러한 장치를 서미스터또는 서미스터. 금속에 반도체 물질을 넣어 보호 케이스, 전기 회로에 서미스터를 포함하기 위한 절연 리드가 있습니다.

가열 또는 냉각될 때 서미스터의 저항 변화는 온도 측정 기기에 사용되어 온도를 일정하게 유지하는 데 사용할 수 있습니다. 자동 장치- 밀폐된 챔버에서 - 온도 조절기, 보장하기 위해 화재 경보등. 서미스터는 매우 높은( 티≈ 1300K) 및 매우 낮음( 티≈ 4 - 80K) 온도.

서미스터의 개략도(그림 a)와 사진(그림 b)이 그림 14에 나와 있습니다.

쌀. 십사

포토레지스터

반도체의 전기 전도도는 가열될 때뿐만 아니라 조명될 때도 증가합니다. 반도체에 입사되는 빛의 에너지로 인해 결합이 끊어지고 자유 전자와 정공이 형성되어 전기 전도도가 증가합니다.

조명에 대한 반도체의 전기 전도도 의존성을 고려하는 장치 포토레지스터.

포토레지스트 제조용 재료는 CdS, CdSe, PbS 및 기타 여러 화합물과 같은 화합물입니다.

포토레지스터는 크기가 작고 감도가 높기 때문에 약한 광속을 기록하고 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 포토 레지스터의 도움으로 표면 품질이 결정되고 제품 치수가 제어됩니다.

포토레지스터의 개략도(그림 a)와 사진(그림 b)이 그림 15에 나와 있습니다.

쌀. 열 다섯

반도체 다이오드

pn 접합이 한 방향으로 전류를 흐르게 하는 능력은 다이오드.

반도체 다이오드는 게르마늄, 실리콘, 셀레늄 및 기타 물질로 만들어집니다.

을 예방하기 위해 유해한 영향공기와 빛, 게르마늄 결정이 밀폐된 메탈 바디. 반도체 다이오드는 정류기의 주요 요소입니다. 교류(보다 정확하게는 교류를 맥동 직류로 변환하는 데 사용됩니다.)

반도체 다이오드의 개략도(그림 a)와 사진(그림 b)이 그림 16에 나와 있습니다.

쌀. 열여섯

LED

발광 다이오드또는 발광 다이오드- 전류가 통과할 때 광 복사를 생성하는 pn 접합이 있는 반도체 장치.

방출된 빛은 스펙트럼의 좁은 범위에 있으며 스펙트럼 특성은 무엇보다도 다음에 따라 달라집니다. 화학적 구성 요소사용되는 반도체입니다.

문학

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반도체는 전류의 도체와 부도체 사이의 전기 전도도에서 중간 위치를 차지합니다. 반도체 그룹에는 도체와 부도체를 합친 것보다 훨씬 많은 물질이 포함됩니다. 찾아낸 반도체의 가장 특징적인 대표자는 실용기술 분야에는 게르마늄, 규소, 셀레늄, 텔루르, 비소, 산화제1구리 및 수많은 합금 및 화합물이 있습니다. 거의 모든 무기물우리 주변의 세계는 반도체입니다. 자연계에서 가장 흔한 반도체는 지각의 약 30%를 차지하는 실리콘입니다.

반도체와 금속의 질적 차이는 주로 온도에 대한 저항의 의존성으로 나타납니다. 온도가 감소함에 따라 금속의 저항이 감소합니다. 반대로 반도체에서는 온도가 감소함에 따라 저항이 증가하고 절대 영도에 가까워지면 사실상 절연체가 됩니다.

반도체에서 자유 전하 캐리어의 농도는 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 반도체의 전류 메커니즘은 자유 전자 기체 모델 내에서 설명할 수 없습니다.

게르마늄 원자는 외부 껍질에 4개의 느슨하게 결합된 전자가 있습니다.그들은 원자가 전자라고합니다. 결정 격자에서 각 원자는 4개의 가장 가까운 이웃으로 둘러싸여 있습니다. 게르마늄 결정에서 원자 사이의 결합은 공유 결합입니다. 즉, 원자가 전자 쌍에 의해 수행됩니다. 각 원자가 전자는 두 개의 원자에 속합니다. 게르마늄 결정의 원자가 전자는 금속보다 원자에 훨씬 더 강하게 결합됩니다. 따라서 반도체의 실온에서 전도 전자의 농도는 금속보다 수십 배 더 낮습니다. 게르마늄 결정의 절대 0도에 가까운 온도에서 모든 전자는 결합 형성에 관여합니다. 이러한 수정은 전기를 전도하지 않습니다.

온도가 상승함에 따라 일부 원자가 전자는 공유 결합을 끊기에 충분한 에너지를 얻을 수 있습니다. 그러면 자유 전자(전도 전자)가 결정에 나타납니다. 동시에 전자가 차지하지 않는 빈자리가 결합이 끊어진 부위에 형성된다. 이러한 공석을 "구멍"이라고 합니다.

주어진 반도체 온도에서 단위 시간당 일정한 수의 전자-정공 쌍이 형성됩니다. 동시에 자유 전자가 정공을 만나면 게르마늄 원자 사이의 전자 결합이 복원됩니다. 이 과정을 재조합이라고 합니다. 전자-정공 쌍은 반도체가 전자기 복사 에너지로 인해 조명될 때 생성될 수도 있습니다.

반도체가 전기장에 배치되면 자유 전자뿐만 아니라 양전하를 띤 입자처럼 행동하는 정공도 질서 있는 운동에 관여합니다. 따라서 반도체의 전류 I는 전자 I n 및 정공 I p 전류의 합입니다. 나는 = 나는 n + 나는 피.

반도체의 전도 전자 농도는 정공 농도와 같습니다. n n = n p . 전자-정공 전도 메커니즘은 순수한(즉, 불순물이 없는) 반도체에서만 나타납니다. 이것을 반도체의 고유 전기 전도도라고 합니다.

불순물이 있으면 반도체의 전기 전도도가 크게 변합니다. 예를 들어 불순물을 첨가하면 인크리스탈로 규소 0.001 원자 퍼센트의 양으로 저항을 5배 이상 감소시킵니다.

불순물이 도입된 반도체(즉, 한 유형의 원자의 일부가 다른 유형의 원자로 대체됨)라고 합니다. 도핑 또는 도핑.

불순물 전도에는 전자 전도와 정공 전도의 두 가지 유형이 있습니다.

따라서 4가 도핑 시 게르마늄(Ge) 또는 실리콘(Si) 5가 - 인(P), 안티몬(Sb), 비소(As) 불순물 원자의 위치에 여분의 자유 전자가 나타납니다. 이 경우 불순물을 기증자 .

4가 게르마늄(Ge) 또는 규소(Si) 3가를 도핑하는 경우 - 알루미늄(Al), 인듐(Jn), 붕소(B), 갈륨(Ga) - 라인홀이 있다. 이러한 불순물을 수용자 .

반도체 재료의 동일한 샘플에서 한 섹션은 p-전도성을 갖고 다른 섹션은 n-전도성을 가질 수 있습니다. 이러한 장치를 반도체 다이오드라고 합니다.

"다이오드"라는 단어의 접두사 "di"는 "2"를 의미하며, 장치에 두 개의 주요 "세부 사항"이 있음을 나타냅니다. 두 개의 반도체 결정은 서로 밀접하게 인접해 있습니다. 아르 자형),다른 - n - 전도도 (이것은 영역입니다 피).실제로 반도체 다이오드는 하나의 결정체이며, 그 일부에 도너 불순물이 도입됩니다(zone 피),다른 - 수용자(영역 아르 자형).

배터리에서 다이오드 "플러스"영역에 일정한 전압이 가해지면 아르 자형그리고 영역에 "마이너스" 피, 그러면 자유 전하 - 전자와 정공 -이 경계로 돌진하고 pn 접합으로 돌진합니다. 여기서 그들은 서로를 무력화하고 새로운 전하가 경계에 접근하고 DC. 이것은 소위 다이오드의 직접 연결입니다. 전하가 집중적으로 이동하고 회로에 비교적 큰 순방향 전류가 흐릅니다.

이제 우리는 다이오드의 전압 극성을 변경할 것입니다. 그들이 말한 것처럼 역 포함을 수행합니다. 배터리의 "플러스"를 영역에 연결합니다. 피,"빼기"- 영역으로 아르 자형.자유 전하는 경계에서 멀어지고 전자는 "플러스"로, 정공은 "마이너스"로 이동하고 결과적으로 pn 접합은 자유 전하가 없는 영역으로 순수한 절연체로 바뀝니다. 이것은 회로가 끊어지고 전류가 멈 춥니 다.

다이오드를 통한 큰 역전류는 여전히 흐르지 않습니다. 왜냐하면, 주요 자유 전하(전하 캐리어) - 전자 외에도 영역에서 피, 및 p 영역의 구멍 - 각 영역에는 반대 부호의 전하량이 미미합니다. 이들은 자신의 작은 전하 운반체이며 모든 반도체에 존재하며 원자의 열 운동으로 인해 표시되며 다이오드를 통해 역전류를 생성하는 것은 바로 그들입니다. 이러한 전하가 상대적으로 적으며 역전류는 직접 전류보다 몇 배나 적습니다. 역전류의 크기는 다음에 크게 의존합니다. 온도 환경, 반도체 재료 및 영역 pn이행. 전이 영역이 증가함에 따라 부피가 증가하고 결과적으로 열 발생 및 열 전류의 결과로 나타나는 소수 캐리어의 수가 증가합니다. 종종 CVC는 명확성을 위해 그래프 형식으로 표시됩니다.

많은 반도체는 화학 원소(게르마늄, 실리콘, 셀레늄, 텔루륨, 비소 등), 수많은 합금 및 화합물. 우리 주변의 거의 모든 무기 물질은 반도체입니다. 자연계에서 가장 흔한 반도체는 지각의 약 30%를 차지하는 실리콘입니다.

반도체와 금속의 질적 차이는 저항의 온도 의존성(그림 9.3)

반도체의 전자-정공 전도도 밴드 모델

교육에서 고체초기 원자의 원자가 전자의 에너지 준위에서 발생하는 에너지 밴드가 전자로 완전히 채워지고 가장 가까운 에너지 밴드가 전자로 채워질 때 상황이 가능합니다. 에너지 수준에서 분리 원자가 밴드 E V 미해결 에너지 상태의 간격 - 소위 금지 구역 예. 밴드 갭 위에는 전자에 허용되는 에너지 상태 영역이 있습니다. 전도대 전자 .

0K에서의 전도대는 완전히 자유로우며 가전자대는 완전히 채워져 있습니다. 유사한 밴드 구조는 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소(GaAs), 인듐 인화물(InP) 및 기타 많은 반도체 고체의 특징입니다.

반도체 및 유전체의 온도가 증가함에 따라 전자는 열 운동과 관련된 추가 에너지를 받을 수 있습니다. kT. 일부 전자의 경우 열 운동 에너지는 전이에 충분합니다. 가전자대에서 전도대로,외부 전기장의 작용하에 전자가 거의 자유롭게 움직일 수있는 곳.

이 경우, 반도체 재료가 있는 회로에서 반도체의 온도가 상승하면 전류가 증가합니다.이 전류는 전도대에서 전자의 움직임뿐만 아니라 외관과도 관련이 있습니다. 전도대로 들어간 전자의 빈자리가전자대에서 소위 구멍 . 빈 자리는 인접한 쌍의 원자가 전자가 차지할 수 있으며, 그러면 정공은 결정의 새로운 위치로 이동합니다.

반도체가 전기장에 배치되면 자유 전자뿐만 아니라 양전하를 띤 입자처럼 행동하는 정공도 질서 있는 운동에 관여합니다. 따라서 현재 나반도체에서 전자로 구성 에그리고 구멍 아이피전류: 나= 에+ 아이피.

전자-정공 전도 메커니즘은 순수한(즉, 불순물이 없는) 반도체에서만 나타납니다. 그것은이라고 자신의 전기 전도도 반도체. 전자는 전도대로 던져진다. 페르미 준위, 자체 반도체에 있는 것으로 판명 금지 구역 한가운데(그림 9.4).

극소량의 불순물을 도입함으로써 반도체의 전도도를 크게 변화시킬 수 있습니다. 금속에서 불순물은 항상 전도도를 감소시킵니다. 따라서 순수한 실리콘에 3%의 인 원자를 추가하면 결정의 전기 전도도가 105배 증가합니다.

반도체에 약간의 도펀트 첨가 도핑이라고.

필요조건불순물의 도입으로 반도체의 저항률이 급격히 감소하는 것은 결정의 주요 원자가와 불순물 원자의 원자가의 차이입니다. 불순물이 존재하는 반도체의 전도도를 불순물 전도도 .

구별하다 두 가지 유형의 불순물 전도 – 전자 그리고 구멍 전도도. 전자 전도도 5가 원자(예: 비소, As)가 4가 원자를 가진 게르마늄 결정에 도입될 때 발생합니다(그림 9.5).

비소 원자의 4개의 원자가 전자는 4개의 인접한 게르마늄 원자와의 공유 결합 형성에 관여합니다. 다섯 번째 원자가 전자는 중복되는 것으로 판명되었습니다. 그것은 비소 원자에서 쉽게 분리되어 자유로워집니다. 전자를 잃은 원자는 결정격자의 위치에 있는 양이온으로 변한다.

반도체 결정의 주요 원자가보다 원자가가 큰 원자의 혼합물을 기증자 불순물 . 도입의 결과로 상당한 수의 자유 전자가 결정에 나타납니다. 이로 인해 반도체의 저항이 수천 배, 심지어 수백만 배까지 급격히 감소합니다.

도체 저항 훌륭한 콘텐츠불순물은 금속 도체의 저항에 접근할 수 있습니다. 자유전자에 의한 이러한 전도도를 전자라고 하고, 전자가 전도되는 반도체를 전자라고 한다. n형 반도체.

정공 전도 3가 원자가 게르마늄 결정에 도입될 때 발생합니다(예: 인듐 원자(그림 9.5)).

그림 6은 원자가 전자를 사용하여 인접한 게르마늄 원자 3개와 공유 결합을 생성한 인듐 원자를 보여줍니다. 인듐 원자에는 네 번째 게르마늄 원자와 결합을 형성하는 전자가 없습니다. 이 누락된 전자는 이웃하는 게르마늄 원자의 공유 결합에서 인듐 원자에 의해 포착될 수 있습니다. 이 경우, 인듐 원자는 결정격자의 위치에 있는 음이온으로 변하고, 인접 원자들의 공유결합에 빈자리가 형성된다.

전자를 포획할 수 있는 원자의 혼합물을 억셉터 불순물 . 결정에 억셉터 불순물이 도입된 결과 많은 공유 결합이 끊어지고 빈 자리(홀)가 형성됩니다. 전자는 인접한 공유 결합에서 이러한 위치로 점프할 수 있으며, 이로 인해 결정 주위에 구멍이 무작위로 떠돌아다니게 됩니다.

억셉터 불순물이 있는 반도체의 정공 농도는 반도체의 고유 전기 전도도 메커니즘으로 인해 발생하는 전자 농도를 크게 초과합니다. NP>> n n. 이러한 유형의 전도를 구멍 전도도 . 정공 전도성이 있는 불순물 반도체를 p형 반도체 . 반도체의 주요 자유 전하 캐리어 피-유형은 구멍입니다.

전자-정공 전이. 다이오드 및 트랜지스터

현대 전자 기술에서 반도체 장치는 탁월한 역할을 합니다. 지난 30년 동안 전기 진공 장치를 거의 완전히 대체했습니다.

모든 반도체 장치에는 하나 이상의 전자-정공 접합이 있습니다. . 전자-정공 전이 (또는 N–피-이행) - 두 반도체의 접촉 면적은 다른 유형전도도.

반도체의 경계 (그림 9.7)에는 이중 전기 층이 형성되어 전기장이 전자와 정공이 서로 확산되는 과정을 방지합니다.

능력 N–피- 거의 한 방향으로만 전류를 흐르게 하는 천이는 이라는 장치에서 사용됩니다. 반도체 다이오드. 반도체 다이오드는 실리콘 또는 게르마늄 결정으로 만들어집니다. 제조 과정에서 불순물은 특정 유형의 전도성을 가진 결정으로 녹아 다른 유형의 전도성을 제공합니다.

그림 9.8은 실리콘 다이오드의 일반적인 볼트-암페어 특성을 보여줍니다.

하나가 아닌 두 개의 n-p 접합을 가진 반도체 장치를 트랜지스터 . 트랜지스터에는 두 가지 유형이 있습니다. 피–N–피- 트랜지스터 및 N–피–N- 트랜지스터. 트랜지스터에서 N–피–N-형 기본 게르마늄 판은 전도성 피-유형 및 그 위에 생성된 두 영역 - 전도도에 의해 N-유형(그림 9.9).