Halvledare är material som under normala förhållanden är isolatorer, men med ökande temperatur blir ledare. Det vill säga, i halvledare, när temperaturen ökar, minskar motståndet.

Strukturen av en halvledare på exemplet med en kiselkristall

Tänk på strukturen av halvledare och huvudtyperna av konduktivitet i dem. Som ett exempel, överväga en kiselkristall.

Kisel är ett fyrvärt grundämne. Därför i hans yttre skal Det finns fyra elektroner som är löst bundna till kärnan i en atom. Var och en har ytterligare fyra atomer i sitt grannskap.

Atomer interagerar med varandra och bildar kovalenta bindningar. En elektron från varje atom deltar i en sådan bindning. Silikonenhetsdiagrammet visas i följande figur.

bild

Kovalenta bindningar är tillräckligt starka och låga temperaturer gå inte sönder. Därför finns det inga gratis laddningsbärare i kisel, och det är ett dielektrikum vid låga temperaturer. Det finns två typer av ledning i halvledare: elektron och hål.

Elektronisk ledningsförmåga

När kisel värms upp kommer ytterligare energi att tillföras det. Den kinetiska energin hos partiklarna ökar och vissa kovalenta bindningar bryts. Detta skapar fria elektroner.

I ett elektriskt fält rör sig dessa elektroner mellan noder kristallgitter. I detta fall kommer en elektrisk ström att skapas i kisel.

Eftersom fria elektroner är de huvudsakliga laddningsbärarna kallas denna typ av ledning elektronisk ledning. Antalet fria elektroner beror på temperaturen. Ju mer vi värmer kisel, desto mer kovalenta bindningar kommer att gå sönder, och följaktligen kommer fler fria elektroner att dyka upp. Detta leder till en minskning av motståndet. Och kisel blir en ledare.

hålledning

När en kovalent bindning bryts bildas en tomhet i stället för den utstötta elektronen, som kan upptas av en annan elektron. Denna plats kallas ett hål. Hålet har en överdriven positiv laddning.

Positionen för ett hål i en kristall förändras ständigt, vilken elektron som helst kan ta denna position, och hålet kommer att flytta sig dit elektronen hoppade ifrån. Om en elektriskt fält nej, då är hålens rörelse slumpmässig, och därför uppstår ingen ström.

Om det finns finns det en ordning i hålens rörelse, och förutom den ström som skapas av fria elektroner finns det också en ström som skapas av hål. Hålen kommer att röra sig i motsatt riktning mot elektronerna.

I halvledare är konduktiviteten således elektronhål. Ström genereras både av elektroner och av hål. Denna typ av ledning kallas också för inre ledning, eftersom elementen i endast en atom är inblandade.

Bärartransport i halvledare

Introduktion

Strömbärare i halvledare är elektroner och hål. Strömbärare rör sig i det periodiska fältet av kristallatomer som om de vore fria partiklar. Effekten av den periodiska potentialen påverkar endast bärarmassan. Det vill säga under inverkan av den periodiska potentialen förändras bärarens massa. I detta avseende introducerar fasta tillståndets fysik konceptet med den effektiva massan av en elektron och ett hål. Genomsnittlig energi termisk rörelse elektroner och hål är kT/2 för varje frihetsgrad. Den termiska hastigheten för en elektron och ett hål vid rumstemperatur är cirka 10 7 cm/s.

Om ett elektriskt fält appliceras på en halvledare, kommer detta fält att orsaka drift av strömbärare. I detta fall kommer bärarhastigheten först att öka med ökande fält, nå medelvärdet för hastigheten och sedan sluta förändras, eftersom bärarna är spridda. Spridning orsakas av defekter, föroreningar och emission eller absorption av fononer. Den främsta orsaken till bärarspridning är laddade föroreningar och termiska vibrationer av gitteratomer (absorption/emission av fononer). Interaktion med dem leder till en kraftig förändring i bärarnas hastighet och riktningen för deras rörelse. Förändringen i riktningen för bärarhastigheten är slumpmässig. En ytterligare mekanism för spridning av strömbärare är spridningen av bärare på ytan av en halvledare.

I närvaro av ett externt elektriskt fält överlagras den slumpmässiga karaktären av rörelsen av bärare i en halvledare av den riktade rörelsen av bärare under inverkan av fältet i intervallen mellan kollisioner. Och även trots att hastigheten för slumpmässig rörelse av bärare kan vara många gånger högre än hastigheten för riktningsrörelse för bärare under inverkan av ett elektriskt fält, kan den slumpmässiga komponenten av rörelsen av bärare försummas, eftersom med slumpmässig rörelse det resulterande bärarflödet noll-. Accelerationen av bärare under verkan av ett yttre fält lyder lagarna för Newtons dynamik. Spridning leder till en kraftig förändring av rörelseriktningen och storleken på hastigheten, men efter spridningen återupptas partikelns accelererade rörelse under fältets inverkan.

Nettoeffekten av kollisionerna är att partiklarna inte accelererar utan partiklarna når snabbt en konstant rörelsehastighet. Detta motsvarar att införa en bromsande komponent i rörelseekvationen för en partikel som kännetecknas av en tidskonstant t. Under denna tidsperiod tappar partikeln fart mv bestäms av medelhastigheten v. För en partikel som har en konstant acceleration mellan kollisioner är denna tidskonstant lika med tiden mellan två på varandra följande kollisioner. Låt oss överväga mer detaljerat mekanismerna för nuvarande bärartransport i halvledare.

drivandenuvarande(Driftström)

Drivrörelsen hos bärare i en halvledare under inverkan av ett elektriskt fält kan illustreras av figur XXX. Fältet talar om för transportörerna hastigheten v.

Fikon. Förflyttning av bärare under fältets inverkan .

Om vi ​​antar att alla bärare i en halvledare rör sig med samma hastighet v, då kan strömmen uttryckas som förhållandet mellan den totala laddningen som överförs mellan elektroderna och tiden t röverföra denna laddning från en elektrod till en annan, eller:

var L – avstånd mellan elektroderna.

Strömtätheten kan nu uttryckas i termer av koncentrationen av strömbärare n i halvledare:

var MEN är halvledarens tvärsnittsarea.

Rörlighet

Arten av strömbärarnas rörelse i en halvledare i frånvaro av ett fält och under inverkan av ett externt elektriskt fält visas i figur XXX. Som redan noterats är den termiska hastigheten för elektroner i storleksordningen 10 7 cm/s, och den är mycket högre än elektronernas drifthastighet.

Fikon. Slumpmässig karaktär av rörelsen av strömbärare i en halvledare i frånvaro och närvaro av ett externt fält.

Betrakta rörelsen av bärare endast under inverkan av ett elektriskt fält. Enligt Newtons lag:

där kraften inkluderar två komponenter - den elektrostatiska kraften och minus kraften som orsakar förlusten av momentum under spridningen, dividerat med tiden mellan kollisioner:

Att likställa dessa uttryck och använda uttrycket för medelhastighet, vi får:

Låt oss bara betrakta det stationära fallet, när partikeln redan har accelererat och nått sin genomsnittliga konstanta hastighet. I denna approximation är hastigheten proportionell mot den elektriska fältstyrkan. Proportionalitetskoefficienten mellan de sista värdena definieras som rörligheten:

Rörligheten är omvänt proportionell mot bärarens massa och direkt proportionell mot den genomsnittliga fria vägen.

Driftströmtätheten kan skrivas som en funktion av rörlighet:

Som redan nämnts, i halvledare, är massan av bärare inte lika med massan av en elektron i vakuum, m och formeln för rörlighet bör använda den effektiva massan, m * :

Diffusion av strömbärare i halvledare.

Diffusionsström

Om extern elektriskt fältär frånvarande i en halvledare, då sker en slumpmässig rörelse av strömbärare - elektroner och hål under inverkan av termisk energi. Denna slumpmässiga rörelse leder inte till riktad rörelse av bärare och bildandet av ström. Alltid i stället för transportören som lämnat någon plats, kommer en annan i hans ställe. Således upprätthålls en enhetlig bärartäthet genom hela halvledarens volym.

Men situationen förändras om bärarna fördelas ojämnt över volymen, d.v.s. det finns en koncentrationsgradient. I detta fall, under inverkan av koncentrationsgradienten, sker en riktad rörelse av bärare - diffusion från regionen där koncentrationen är högre till regionen med låg koncentration. Riktningsrörelse av laddade bärare under inverkan av diffusion skapar en diffusionsström. Låt oss överväga denna effekt mer i detalj.

Vi får en relation för diffusionsströmmen. Vi kommer att utgå från det faktum att den riktade rörelsen av bärare under inverkan av koncentrationsgradienten uppstår som ett resultat av termisk rörelse (vid en temperatur
enligt Kelvin finns det en energi för varje frihetsgrad för en partikel
), dvs. diffusion saknas vid nolltemperatur (bärardrift är också möjlig vid 0K).

Trots det faktum att den slumpmässiga karaktären av rörelsen av bärare under inverkan av värme kräver ett statistiskt tillvägagångssätt, kommer härledningen av en formel för diffusionsström att baseras på användningen av medelvärden som kännetecknar processerna. Resultatet är detsamma.

Låt oss presentera medelvärdena - den genomsnittliga termiska hastigheten v th, medeltiden mellan kollisioner,  , och Genomsnittslängd fritt lopp, l. Den genomsnittliga termiska hastigheten kan riktas i både positiva och negativa riktningar. Dessa storheter är sammankopplade av relationen

Betrakta situationen med en inhomogen fördelning av elektroner n(x) (se figur XXX).

Fikon. ett Bärardensitetsprofil som används för att härleda det aktuella diffusionsuttrycket

Betrakta flödet av elektroner genom ett plan med koordinat x = 0. Bärare kommer till detta plan från vänster sida av koordinaten x = - l, och till höger från sidan av koordinaten x = l. Flödet av elektroner från vänster till höger är

där koefficienten ½ betyder att hälften av elektronerna är i planet med koordinaten x = - l flyttas till vänster och den andra halvan flyttas till höger. Likaså flödet av elektroner genom x = 0 kommer från höger sida x = + l kommer att vara lika med:

Det totala flödet av elektroner som passerar genom planet x = 0 från vänster till höger blir:

Om vi ​​antar att den fria medelvägen för elektroner är tillräckligt liten kan vi skriva ner skillnaden i elektronkoncentrationer till höger och vänster om koordinaten x = 0 genom förhållandet mellan koncentrationsskillnaden och avståndet mellan planen, d.v.s. genom derivatan:

Elektronströmtätheten kommer att vara lika med:

Vanligtvis ersätts produkten av den termiska hastigheten och den fria medelvägen med en enda faktor, kallad elektrondiffusionskoefficienten, D n .

Liknande samband kan också skrivas för håldiffusionsströmmen:

Man bör bara komma ihåg att laddningen av hål är positiv.

Det finns ett samband mellan diffusionskoefficienten och mobilitet. Även om det vid första anblicken kan tyckas att dessa koefficienter inte borde vara relaterade, eftersom diffusionen av bärare beror på termisk rörelse och avdriften av bärare beror på ett externt elektriskt fält. En av huvudparametrarna, tiden mellan kollisioner, bör dock inte bero på orsaken som fick bärarna att röra sig.

Vi använder definitionen av termisk hastighet som,

och termodynamikens slutsatser att det finns termisk energi för varje grad av frihet för elektronrörelser kT/2, lika med kinetiken:

Från dessa relationer kan man få produkten av den termiska hastigheten och den genomsnittliga fria vägen, uttryckt i termer av bärarens rörlighet:

Men vi har redan definierat produkten av den termiska hastigheten och den fria medelvägen som diffusionskoefficienten. Då kan den sista relationen för elektroner och hål skrivas i följande form:

Dessa relationer kallas Einstein-relationer.

Total ström

Den totala strömmen genom en halvledare är summan av drift- och diffusionsströmmen. För elektronströmtätheten kan vi skriva:

och liknande för hål:

Den totala strömtätheten genom halvledaren är lika med summan av elektron- och hålströmmen:

Den totala strömmen genom halvledaren är lika med produkten av strömdensiteten och halvledarens yta:

Den aktuella kan också skrivas i följande form:

Jämviktsvillkor för en inhomogent dopad halvledare

(tillstånd av ingen ström genom halvledaren)

Halvledare upptar en mellanposition i elektrisk konduktivitet (eller resistivitet) mellan ledare och dielektrikum. Denna uppdelning av alla ämnen enligt deras elektriska konduktivitetsegenskap är emellertid villkorad, eftersom under påverkan av ett antal skäl (föroreningar, bestrålning, uppvärmning) förändras den elektriska ledningsförmågan och resistiviteten hos många ämnen mycket signifikant, särskilt för halvledare.

I detta avseende skiljer sig halvledare från metaller genom ett antal funktioner:

1. Resistiviteten hos halvledare under normala förhållanden är mycket högre än för metaller;

2. den specifika resistansen för rena halvledare minskar med ökande temperatur (för metaller ökar den);

3. när halvledare är belysta minskar deras motstånd avsevärt (ljus har nästan ingen effekt på metallernas motstånd):

4. En obetydlig mängd föroreningar har en stark effekt på resistansen hos halvledare.

12 kemiska grundämnen tillhör halvledare i den mellersta delen av det periodiska systemet (Fig. 1) - B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, föreningar av grundämnen i den tredje grupp med element från den femte gruppen, många oxider och sulfider av metaller, ett antal andra kemiska föreningar, vissa organiska ämnen. Germanium Ge och silicon Si har den största tillämpningen för vetenskap och teknik.

Halvledare kan vara rena eller dopade. Följaktligen särskiljs halvledares inneboende och föroreningskonduktivitet. Föroreningar delas i sin tur in i donator och acceptor.

Själv elektrisk ledningsförmåga

För att förstå mekanismen för elektrisk ledningsförmåga i halvledare, låt oss överväga strukturen hos halvledarkristaller och arten av de bindningar som håller kristallatomer nära varandra. Kristaller av germanium och andra halvledare har ett atomärt kristallgitter (fig. 2).

Ett platt diagram över strukturen hos germanium visas i figur 3.

Germanium är ett fyrvärt grundämne, i atomens yttre skal finns fyra elektroner som är svagare kopplade till kärnan än resten. Antalet närmaste grannar till varje germaniumatom är också 4. Fyra valenselektroner av varje germaniumatom är anslutna till samma elektroner hos angränsande atomer genom kemiska parelektroner ( kovalent) anslutningar. I bildningen av denna bindning deltar en valenselektron från varje atom, som delas av från atomerna (kollektiviseras av kristallen) och, under deras rörelse, tillbringar den största delen av sin tid i utrymmet mellan närliggande atomer. Deras negativa laddning håller de positiva germaniumjonerna nära varandra. Denna typ av anslutning kan villkorligt avbildas av två linjer som förbinder kärnorna (se fig. 3).

Men det ambulerande elektronparet tillhör mer än bara två atomer. Varje atom bildar fyra bindningar med sina grannar, och en given valenselektron kan röra sig längs vilken som helst av dem (fig. 4). Efter att ha nått den närliggande atomen kan den gå vidare till nästa och sedan vidare längs hela kristallen. Kollektiviserade valenselektroner tillhör hela kristallen.

De kovalenta bindningarna av germanium är ganska starka och bryts inte vid låga temperaturer. Därför leder germanium inte elektricitet vid låga temperaturer. Valenselektronerna som deltar i bindningen av atomer är fast fästa vid kristallgittret, och det externa elektriska fältet har ingen märkbar effekt på deras rörelse. En kiselkristall har en liknande struktur.

Den elektriska ledningsförmågan hos en kemiskt ren halvledare är möjlig när kovalenta bindningar i kristaller bryts och fria elektroner uppstår.

Den extra energi som måste spenderas för att bryta den kovalenta bindningen och göra elektronen fri kallas aktiverings energi.

Elektroner kan få denna energi genom att värma kristallen, genom att bestråla den med hög frekvens elektromagnetiska vågor etc.

Så snart elektronen, efter att ha förvärvat den nödvändiga energin, lämnar den lokaliserade bindningen, bildas en tomhet på den. Denna vakans kan lätt fyllas med en elektron från grannbindningen, på vilken det därför också bildas en vakans. Sålunda, på grund av rörelsen av bindningselektroner, rör sig vakanser genom hela kristallen. Denna vakans beter sig på exakt samma sätt som en fri elektron - den rör sig fritt genom huvuddelen av halvledaren. Dessutom, givet att både halvledaren som helhet och var och en av dess atomer är elektriskt neutrala med obrutna kovalenta bindningar, kan vi säga att en elektron som lämnar en bindning och bildandet av en tomhet faktiskt är ekvivalent med uppkomsten av en överdriven positiv laddning på detta band. Därför kan den resulterande vakansen formellt betraktas som en positiv laddningsbärare, vilket kallas hål(Fig. 5).

Således genererar en elektrons avgång från en lokal bindning ett par fria laddningsbärare - en elektron och ett hål. Deras koncentration i en ren halvledare är densamma. På rumstemperatur koncentrationen av fria bärare i rena halvledare är låg, cirka 10 9 ÷ 10 10 gånger mindre än koncentrationen av atomer, men den ökar snabbt med ökande temperatur.

• Jämför med metaller: där är koncentrationen av fria elektroner ungefär lika med koncentrationen av atomer.

I frånvaro av ett externt elektriskt fält rör sig dessa fria elektroner och hål slumpmässigt i en halvledarkristall.

I ett externt elektriskt fält rör sig elektroner i motsatt riktning mot riktningen för det elektriska fältets styrka. Positiva hål rör sig i riktning mot den elektriska fältstyrkan (fig. 6). Processen för rörelse av elektroner och hål i ett externt fält sker genom hela halvledarens volym.

Den totala elektriska ledningsförmågan för en halvledare är summan av hålet och elektronledningsförmågan. I det här fallet, i rena halvledare, är antalet ledningselektroner alltid lika med antalet hål. Därför sägs rena halvledare ha elektron-håls ledningsförmåga, eller egen ledningsförmåga.

Med en temperaturökning ökar antalet brott i kovalenta bindningar och antalet fria elektroner och hål i kristallerna av rena halvledare ökar, och följaktligen ökar den elektriska ledningsförmågan och resistiviteten hos rena halvledare minskar. En graf över beroendet av resistiviteten hos en ren halvledare på temperaturen visas i fig. 7.

Förutom uppvärmning kan brytningen av kovalenta bindningar och, som ett resultat, uppkomsten av inneboende ledningsförmåga hos halvledare och en minskning av resistiviteten orsakas av belysning (fotokonduktivitet hos en halvledare), såväl som av verkan av starka elektriska fält .

Föroreningskonduktivitet hos halvledare

Halvledares konduktivitet ökar med införandet av föroreningar, när, tillsammans med inneboende konduktivitet, en ytterligare föroreningskonduktivitet uppstår.

föroreningsledningsförmåga halvledare kallas konduktivitet, på grund av närvaron av föroreningar i halvledaren.

Orenhetscentra kan vara:

1. atomer eller joner av kemiska element inbäddade i ett halvledargitter;

2. överskott av atomer eller joner inbäddade i gittermellanrum;

3. diverse andra defekter och förvrängningar i kristallgittret: tomma noder, sprickor, förskjutningar som uppstår vid kristalldeformationer osv.

Genom att ändra koncentrationen av föroreningar kan man avsevärt öka antalet laddningsbärare av ett eller annat tecken och skapa halvledare med en övervägande koncentration av antingen negativt eller positivt laddade bärare.

Föroreningar kan delas in i donator (donerande) och acceptor (mottagande).

Donator orenhet

• Från latinets "donare" - att ge, donera.

Låt oss överväga mekanismen för elektrisk ledningsförmåga hos en halvledare med en donator femvärdig förorening av arsenik As, som införs i en kristall, till exempel kisel. Den femvärda arsenikatomen donerar fyra valenselektroner för att bilda kovalenta bindningar, och den femte elektronen är ledig i dessa bindningar (fig. 8).

Frigöringsenergin (joniseringsenergin) för den femte valenselektronen av arsenik i kisel är 0,05 eV = 0,08⋅10 -19 J, vilket är 20 gånger mindre än energin för lösgöring av en elektron från en kiselatom. Därför, redan vid rumstemperatur, förlorar nästan alla arsenikatomer en av sina elektroner och blir positiva joner. Positiva arsenikjoner kan inte fånga elektronerna från angränsande atomer, eftersom alla fyra av deras bindningar redan är utrustade med elektroner. I detta fall uppstår inte rörelsen av elektronvakansen - "hål" och hålets konduktivitet är mycket låg, d.v.s. praktiskt taget frånvarande.

Donatorföroreningar- dessa är föroreningar som lätt donerar elektroner och följaktligen ökar antalet fria elektroner. I närvaro av ett elektriskt fält kommer fria elektroner i ordnad rörelse i en halvledarkristall, och elektronisk föroreningsledning uppstår i den. Som ett resultat får vi en halvledare med övervägande elektronisk konduktivitet, kallad en halvledare av n-typ. (Från latin negativus - negativ).

Eftersom antalet elektroner i en halvledare av n-typ är signifikant mer antal hål, elektronerna är de flesta laddningsbärare och hålen är de mindre.

Acceptor förorening

• Från latinets "acceptor" - mottagare.

När det gäller en acceptorförorening, till exempel trivalent indium In, kan föroreningsatomen ge sina tre elektroner för kovalent bindning med endast tre närliggande kiselatomer, och en elektron "saknas" (Fig. 9). En av elektronerna i angränsande kiselatomer kan fylla denna bindning, då kommer In-atomen att bli en orörlig negativ jon, och ett hål bildas i stället för elektronen som lämnade en av kiselatomerna. Acceptorföroreningar, som fångar elektroner och därigenom skapar rörliga hål, ökar inte antalet ledningselektroner. Huvudladdningsbärare i en halvledare med en acceptorförorening är hål och minoritetsbärare är elektroner.

Acceptorföroreningarär föroreningar som ger hålets ledningsförmåga.

Halvledare där koncentrationen av hål överstiger koncentrationen av ledningselektroner kallas halvledare av p-typ (från latin positivus - positiv.).

Det bör noteras att införandet av föroreningar i halvledare, som i alla metaller, stör strukturen hos kristallgittret och hindrar elektronernas rörelse. Resistansen ökar dock inte på grund av att en ökning av koncentrationen av laddningsbärare minskar motståndet avsevärt. Således minskar införandet av en borförorening i mängden 1 atom per hundra tusen kiselatomer den specifika elektrisk resistans kisel med ungefär tusen gånger, och inblandningen av en indiumatom per 10 8 - 10 9 germaniumatomer minskar den elektriska resistiviteten hos germanium med miljontals gånger.

Om både donator- och acceptorföroreningar samtidigt införs i en halvledare, så bestäms typen av halvledarkonduktivitet (n- eller p-typ) av en förorening med en högre koncentration av laddningsbärare.

Elektron-hål övergång

En elektron-hålsövergång (förkortad p-n-övergång) sker i en halvledarkristall som samtidigt har regioner med n-typ (innehåller donatorföroreningar) och p-typ (med acceptorföroreningar) ledningsförmåga vid gränsen mellan dessa regioner.

Antag att vi har en kristall i vilken det till vänster finns ett halvledarområde med hål (p-typ), och till höger - med elektronisk (n-typ) konduktivitet (fig. 10). På grund av termisk rörelse under bildandet av en kontakt kommer elektroner från en halvledare av n-typ att diffundera in i området av p-typ. I detta fall kommer en okompenserad positiv donatorjon att stanna kvar i n-typ-regionen. Efter att ha passerat in i området med hålledningsförmåga, rekombinerar elektronen mycket snabbt med hålet, och en okompenserad acceptorjon bildas i området av p-typ.

Liksom elektroner diffunderar hål från p-typområdet in i det elektroniska området och lämnar en okompenserad negativt laddad acceptorjon i hålområdet. Efter att ha passerat in i den elektroniska regionen, rekombinerar hålet med elektronen. Som ett resultat bildas en okompenserad positiv donatorjon i den elektroniska regionen.

Som ett resultat av diffusion bildas ett dubbelt elektriskt lager av motsatt laddade joner vid gränsen mellan dessa regioner, tjockleken l som inte överstiger bråkdelar av en mikrometer.

Ett elektriskt fält uppstår mellan lagren av joner med en styrka Ei. Det elektriska fältet i elektron-hål-övergången (p-n-övergång) förhindrar ytterligare övergång av elektroner och hål genom gränssnittet mellan två halvledare. Blockeringsskiktet har ett ökat motstånd jämfört med resten av volymerna av halvledare.

Externt elektriskt fält med intensitet E påverkar motståndet hos det blockerande elektriska fältet. Om n-halvledaren är ansluten till källans negativa pol och källans plus är ansluten till p-halvledaren, då under inverkan av ett elektriskt fält, elektronerna i n-halvledaren och hålen i p-halvledare kommer att röra sig mot varandra till halvledargränssnittet (fig. 11). Elektroner, som korsar gränsen, "fyller" hålen. Med en sådan riktning framåt externt elektriskt fält, tjockleken på barriärskiktet och dess motstånd minskar kontinuerligt. I denna riktning passerar elektrisk ström genom p-n-övergången.

Den betraktade riktningen för p-n-korsningen kallas direkt. Strömmens beroende av spänningen, dvs. volt-ampere egenskaper direkt övergång, visad i fig. 12 som en heldragen linje.

Om n-halvledaren är ansluten till källans positiva pol och p-halvledaren är ansluten till den negativa, kommer elektronerna i n-halvledaren och hålen i p-halvledaren att röra sig under inverkan av ett elektriskt fält från gränssnittet i motsatta riktningar (fig. 13). Detta leder till en förtjockning av barriärskiktet och en ökning av dess motstånd. Riktningen för det yttre elektriska fältet som expanderar barriärskiktet kallas låsning (omvänd). Med denna riktning av det yttre fältet passerar den elektriska strömmen från huvudladdningsbärarna inte genom kontakten mellan två p- och p-halvledare.

Strömmen genom p-n-övergången beror nu på elektronerna som finns i p-typ-halvledaren och hålen från n-typ-halvledaren. Men det finns väldigt få minoritetsladdningsbärare, så konduktiviteten hos övergången visar sig vara obetydlig, och dess motstånd är stort. Den betraktade riktningen för p-n-korsningen kallas omvänd, dess ström-spänningskarakteristik visas i fig. 12 streckad linje.

Observera att den aktuella mätskalan för övergångar framåt och bakåt skiljer sig tusen gånger.

Observera att vid en viss spänning applicerad i motsatt riktning finns det bryta ner(dvs förstörelse) av p-n-övergången.

Halvledare

Termistorer

Det elektriska motståndet hos halvledare är starkt beroende av temperaturen. Denna egenskap används för att mäta temperatur med strömstyrka i en krets med en halvledare. Sådana enheter kallas termistorer eller termistorer. En halvledarsubstans placeras i en metall Skyddsfodral, i vilka det finns isolerade ledningar för att inkludera termistorn i en elektrisk krets.

Förändringen i motståndet hos termistorer när de värms eller kyls gör att de kan användas i temperaturmätningsinstrument för att hålla en konstant temperatur i automatiska enheter- i slutna kammare-termostater, för att säkerställa brandlarm etc. Termistorer finns för att mäta både mycket höga ( T≈ 1300 K) och mycket låg ( T≈ 4 - 80 K) temperaturer.

En schematisk representation (fig. a) och ett fotografi (fig. b) av termistorn visas i fig. 14.

Ris. fjorton

Fotomotstånd

Den elektriska ledningsförmågan hos halvledare ökar inte bara när de värms upp utan också när de är upplysta. Den elektriska ledningsförmågan ökar på grund av brytning av bindningar och bildandet av fria elektroner och hål på grund av energin från ljus som faller in på halvledaren.

Enheter som tar hänsyn till beroendet av halvledarnas elektriska ledningsförmåga på belysning kallas fotomotstånd.

Material för tillverkning av fotoresistorer är föreningar som CdS, CdSe, PbS och ett antal andra.

Den lilla storleken och höga känsligheten hos fotoresistorer gör det möjligt att använda dem för att registrera och mäta svaga ljusflöden. Med hjälp av fotoresistorer bestäms kvaliteten på ytorna, produkternas dimensioner kontrolleras etc.

En schematisk representation (fig. a) och ett fotografi (fig. b) av fotoresistorn visas i fig. 15.

Ris. femton

halvledardiod

Förmågan hos en p-n-övergång att passera ström i en riktning används i halvledarenheter som kallas dioder.

Halvledardioder är gjorda av germanium, kisel, selen och andra ämnen.

Att förebygga skadliga effekter luft och ljus, en germaniumkristall placeras i en hermetisk metallkropp. Halvledardioder är huvudelementen i likriktare växelström(mer exakt, de används för att omvandla växelström till en pulserande likström.)

En schematisk representation (fig. a) och ett fotografi (fig. b) av en halvledardiod visas i fig. 16.

Ris. 16

lysdioder

Ljusdiod eller ljusdiod- en halvledarenhet med en p-n-övergång som skapar optisk strålning när en elektrisk ström passerar genom den.

Det emitterade ljuset ligger i ett smalt område av spektrumet, dess spektrala egenskaper beror bl.a. kemisk sammansättning halvledare som används i den.

Litteratur

1. Aksenovich L. A. Fysik i gymnasium: Teori. Uppgifter. Tester: Proc. ersättning för institutioner som tillhandahåller allmänt. miljöer, utbildning / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 300-308.
2. Burov L.I., Strelchenya V.M. Fysik från A till Ö: för studenter, sökande, handledare. - Minsk: Paradox, 2000. - S. 219-228.
3. Myakishev G. Ya Fysik: Elektrodynamik. 10 - 11 celler: en lärobok för djupgående studier av fysik / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. - M.: Bustard, 2005. - S. 309-320.
4. Yavorsky BM, Seleznev Yu. A. En referensguide till fysik för dem som går in på universitet och självutbildning. - M.: Nauka, 1984. - S. 165-169.

Halvledare upptar en mellanplats i elektrisk ledningsförmåga mellan ledare och icke-ledare av elektrisk ström. Gruppen av halvledare omfattar många fler ämnen än grupperna av ledare och icke-ledare sammantagna. De mest karakteristiska representanterna för halvledare som har hittat praktisk användning inom teknik är germanium, kisel, selen, tellur, arsenik, kopparoxid och ett stort antal legeringar och kemiska föreningar. Nästan alla oorganiska ämnen världen omkring oss är halvledare. Den vanligaste halvledaren i naturen är kisel, som utgör cirka 30 % av jordskorpan.

Den kvalitativa skillnaden mellan halvledare och metaller manifesteras främst i beroendet av resistivitet på temperatur. Med sjunkande temperatur minskar metallernas motstånd. I halvledare, tvärtom, när temperaturen minskar, ökar motståndet och nära absolut noll blir de praktiskt taget isolatorer.

I halvledare ökar koncentrationen av fria laddningsbärare med ökande temperatur. Mekanismen för elektrisk ström i halvledare kan inte förklaras inom den fria elektrongasmodellen.

Germaniumatomer har fyra löst bundna elektroner i sitt yttre skal. De kallas valenselektroner. I ett kristallgitter är varje atom omgiven av fyra närmaste grannar. Bindningen mellan atomer i en germaniumkristall är kovalent, det vill säga den utförs av par valenselektroner. Varje valenselektron tillhör två atomer. Valenselektronerna i en germaniumkristall är mycket starkare bundna till atomer än i metaller; därför är koncentrationen av ledningselektroner vid rumstemperatur i halvledare många storleksordningar lägre än i metaller. Nära absolut nolltemperatur i en germaniumkristall är alla elektroner engagerade i bildandet av bindningar. En sådan kristall leder inte elektricitet.

När temperaturen stiger kan en del av valenselektronerna få tillräckligt med energi för att bryta kovalenta bindningar. Då kommer fria elektroner (ledningselektroner) att dyka upp i kristallen. Samtidigt bildas vakanser som inte är upptagna av elektroner på platserna för bindningsbrytning. Dessa lediga tjänster kallas "hål".

Vid en given halvledartemperatur bildas ett visst antal elektron-hålpar per tidsenhet. Samtidigt pågår den omvända processen - när en fri elektron möter ett hål återställs den elektroniska bindningen mellan germaniumatomer. Denna process kallas rekombination. Elektronhålspar kan också produceras när en halvledare är upplyst på grund av energin från elektromagnetisk strålning.

Om en halvledare placeras i ett elektriskt fält, är inte bara fria elektroner involverade i den ordnade rörelsen, utan även hål, som beter sig som positivt laddade partiklar. Därför är strömmen I i en halvledare summan av de elektroniska I n- och hål I p-strömmarna: I = I n + I p.

Koncentrationen av ledningselektroner i en halvledare är lika med koncentrationen av hål: n n = n p . Elektronhålsmekanismen för ledning manifesterar sig endast i rena (d.v.s. utan föroreningar) halvledare. Det kallas inre elektrisk ledningsförmåga hos halvledare.

I närvaro av föroreningar förändras den elektriska ledningsförmågan hos halvledare kraftigt. Till exempel att lägga till föroreningar fosfor till kristall kisel i mängden 0,001 atomprocent minskar resistiviteten med mer än fem storleksordningar.

En halvledare i vilken en förorening införs (dvs en del av atomerna av en typ ersätts med atomer av en annan typ) kallas dopad eller dopad.

Det finns två typer av föroreningsledning, elektron- och hålledning.

Alltså när man dopar en fyrvalent germanium (Ge) eller kisel (Si) femvärt - fosfor (P), antimon (Sb), arsenik (As) en extra fri elektron uppträder vid platsen för föroreningsatomen. I det här fallet kallas föroreningen givare .

Vid dopning av fyrvalent germanium (Ge) eller kisel (Si) trivalent - aluminium (Al), indium (Jn), bor (B), gallium (Ga) - det finns ett linjehål. Sådana föroreningar kallas acceptor .

I samma prov av ett halvledarmaterial kan en sektion ha p-konduktivitet och den andra n-konduktivitet. En sådan anordning kallas en halvledardiod.

Prefixet "di" i ordet "diod" betyder "två", det indikerar att enheten har två huvudsakliga "detaljer", två halvledarkristaller tätt intill varandra: en med p-konduktivitet (detta är zonen R), den andra - med n - konduktivitet (detta är zonen P). Faktum är att en halvledardiod är en kristall, i en del av vilken en donatorförorening införs (zon P), in i en annan - acceptor (zon R).

Om en konstant spänning appliceras från batteriet till dioden "plus" till zonen R och "minus" till zonen P, då kommer fria laddningar - elektroner och hål - att rusa till gränsen, rusa till pn-korsningen. Här kommer de att neutralisera varandra, nya laddningar kommer att närma sig gränsen, och en D.C.. Detta är den så kallade direkta anslutningen av dioden - laddningarna rör sig intensivt genom den, en relativt stor framåtström flyter i kretsen.

Nu kommer vi att ändra polariteten för spänningen på dioden, vi kommer att utföra, som de säger, dess omvända inkludering - vi kommer att ansluta batteriets "plus" till zonen P,"minus" - till zonen R. Gratis laddningar kommer att dras bort från gränsen, elektroner kommer att gå till "plus", hål - till "minus" och som ett resultat kommer pn - korsningen att förvandlas till en zon utan fria laddningar, till en ren isolator. Detta innebär att kretsen kommer att bryta, strömmen i den kommer att stanna.

Inte en stor backström genom dioden kommer fortfarande att gå. Eftersom, utöver de viktigaste gratis laddningar (laddningsbärare) - elektroner, i zonen P, och hål i p-zonen - i var och en av zonerna finns det också en obetydlig mängd laddningar av motsatt tecken. Dessa är deras egna minoritetsladdningsbärare, de finns i vilken halvledare som helst, visas i den på grund av atomernas termiska rörelser, och det är de som skapar den omvända strömmen genom dioden. Det finns relativt få av dessa laddningar, och backströmmen är många gånger mindre än den likriktade. Storleken på den omvända strömmen är starkt beroende av: temperatur miljö, halvledarmaterial och area pnövergång. Med en ökning av övergångsområdet ökar dess volym, och följaktligen ökar antalet minoritetsbärare som ett resultat av termisk generering och den termiska strömmen. Ofta presenteras CVC, för tydlighetens skull, i form av grafer.

Många halvledare är det kemiska grundämnen(germanium, kisel, selen, tellur, arsenik, etc.), ett stort antal legeringar och kemiska föreningar. Nästan alla oorganiska ämnen i världen omkring oss är halvledare. Den vanligaste halvledaren i naturen är kisel, som utgör cirka 30 % av jordskorpan.

Den kvalitativa skillnaden mellan halvledare och metaller manifesteras i temperaturberoende av resistivitet(fig.9.3)

Bandmodell av elektron-håls ledningsförmåga hos halvledare

På utbildning fasta ämnen en situation är möjlig när energibandet som har uppstått från energinivåerna för valenselektronerna i de initiala atomerna visar sig vara helt fyllda med elektroner, och de närmaste tillgängliga för fyllning med elektroner energinivåer separerad från valensbandet E V ett intervall av olösta energitillstånd - den sk förbjuden zon T.ex.Ovanför bandgapet är zonen av energitillstånd som tillåts för elektroner - ledningsbandet E c .

Ledningsbandet vid 0 K är helt fritt, medan valensbandet är helt upptaget. Liknande bandstrukturer är karakteristiska för kisel, germanium, galliumarsenid (GaAs), indiumfosfid (InP) och många andra fasta halvledarämnen.

Med en ökning av temperaturen hos halvledare och dielektrikum kan elektroner ta emot ytterligare energi i samband med termisk rörelse. kT. För vissa elektroner är energin från termisk rörelse tillräcklig för övergången från valensbandet till ledningsbandet, där elektroner under inverkan av ett yttre elektriskt fält kan röra sig nästan fritt.

I detta fall, i en krets med ett halvledarmaterial, när temperaturen på halvledaren stiger, kommer en elektrisk ström att öka. Denna ström är associerad inte bara med elektronernas rörelse i ledningsbandet, utan också med utseendet vakanser från elektroner som har gått in i ledningsbandet i valensbandet, det sk hål . En ledig plats kan upptas av en valenselektron från ett angränsande par, då flyttar hålet till en ny plats i kristallen.

Om en halvledare placeras i ett elektriskt fält, är inte bara fria elektroner involverade i den ordnade rörelsen, utan även hål, som beter sig som positivt laddade partiklar. Därför den nuvarande jag i en halvledare består av en elektronisk I och hål Ip strömmar: jag= I+ Ip.

Elektronhålsmekanismen för ledning manifesterar sig endast i rena (d.v.s. utan föroreningar) halvledare. Det kallas egen elektrisk ledningsförmåga halvledare. Elektroner kastas in i ledningsbandet med Fermi nivå, som visar sig vara placerad i sin egen halvledare mitt i den förbjudna zonen(Fig. 9.4).

Det är möjligt att avsevärt ändra konduktiviteten hos halvledare genom att införa mycket små mängder föroreningar i dem. I metaller minskar en förorening alltid konduktiviteten. Således ökar tillsatsen av 3% fosforatomer till rent kisel den elektriska ledningsförmågan hos kristallen med en faktor på 105.

Lite tillsats av dopningsmedel till halvledaren kallas doping.

Nödvändigt skick En kraftig minskning av resistiviteten hos en halvledare med införandet av föroreningar är skillnaden i valensen hos föroreningsatomerna från valensen hos kristallens huvudatomer. Konduktiviteten hos halvledare i närvaro av föroreningar kallas föroreningsledningsförmåga .

Skilja på två typer av föroreningsledning – elektronisk och hål ledningsförmåga. Elektronisk ledningsförmåga uppstår när femvärda atomer (till exempel arsenik, As) införs i en germaniumkristall med fyrvärda atomer (fig. 9.5).

De fyra valenselektronerna i arsenikatomen är involverade i bildandet av kovalenta bindningar med fyra närliggande germaniumatomer. Den femte valenselektronen visade sig vara överflödig. Den lossnar lätt från arsenikatomen och blir fri. En atom som har förlorat en elektron förvandlas till en positiv jon som ligger på en plats i kristallgittret.

En blandning av atomer med en valens som är större än valensen för huvudatomerna i en halvledarkristall kallas givarens orenhet . Som ett resultat av dess introduktion uppträder ett betydande antal fria elektroner i kristallen. Detta leder till en kraftig minskning av halvledarens resistivitet - med tusentals och till och med miljontals gånger.

Ledarresistivitet med bra innehåll föroreningar kan närma sig resistiviteten hos en metallisk ledare. Sådan ledningsförmåga, på grund av fria elektroner, kallas elektronisk, och en halvledare med elektronisk ledningsförmåga kallas n-typ halvledare.

hålledning uppstår när trevärda atomer förs in i en germaniumkristall, till exempel indiumatomer (fig. 9.5)

Figur 6 visar en indiumatom som har skapat kovalenta bindningar med endast tre närliggande germaniumatomer med hjälp av dess valenselektroner. Indiumatomen har ingen elektron för att bilda en bindning med den fjärde germaniumatomen. Denna saknade elektron kan fångas upp av en indiumatom från en kovalent bindning av närliggande germaniumatomer. I det här fallet förvandlas indiumatomen till en negativ jon belägen på en plats för kristallgittret, och en tomhet bildas i den kovalenta bindningen av angränsande atomer.

En blandning av atomer som kan fånga elektroner kallas acceptor förorening . Som ett resultat av införandet av en acceptorförorening bryts många kovalenta bindningar i kristallen och tomma ställen (hål) bildas. Elektroner kan hoppa till dessa platser från närliggande kovalenta bindningar, vilket leder till slumpmässig vandring av hål runt kristallen.

Koncentrationen av hål i en halvledare med en acceptorförorening överstiger betydligt koncentrationen av elektroner som uppstod på grund av mekanismen för halvledarens inneboende elektriska ledningsförmåga: np>> n n. Denna typ av ledning kallas hålets ledningsförmåga . En föroreningshalvledare med hålledningsförmåga kallas p-typ halvledare . Stora gratisladdningsbärare inom halvledare sid-typ är hål.

Elektron-hål övergång. Dioder och transistorer

I modern elektronisk teknik spelar halvledarenheter en exceptionell roll. Under de senaste tre decennierna har de nästan helt ersatt elektrovakuumenheter.

Varje halvledarenhet har en eller flera elektron-hål-övergångar. . Elektron-hål övergång (eller n–sid-övergång) - är kontaktytan för två halvledare med olika typer ledningsförmåga.

Vid gränsen för halvledare (fig. 9.7) bildas ett dubbelt elektriskt skikt, vars elektriska fält förhindrar diffusionsprocessen av elektroner och hål mot varandra.

Förmåga n–sid-övergång till passström i nästan bara en riktning används i enheter som kallas halvledardioder. Halvledardioder är gjorda av kisel- eller germaniumkristaller. Under deras tillverkning smälts en förorening till en kristall med en viss typ av konduktivitet, vilket ger en annan typ av konduktivitet.

Figur 9.8 visar en typisk volt-amperekarakteristik för en kiseldiod.

Halvledarenheter med inte en utan två n-p-övergångar kallas transistorer . Transistorer är av två typer: sid–n–sid-transistorer och n–sid–n-transistorer. i transistorn n–sid–n-typ grundläggande germaniumplatta är ledande sid-typ, och de två regionerna som skapas på den - genom konduktivitet n-typ (Figur 9.9).

i transistor p–n–sid– Det är ungefär tvärtom. Plåten på en transistor kallas bas(B), en av regionerna med motsatt typ av konduktivitet - samlare(K), och den andra - utsändare(E).