Yarimo'tkazgichlar - normal sharoitda izolyator bo'lib, harorat oshishi bilan o'tkazgichga aylanadigan materiallar. Ya'ni, yarimo'tkazgichlarda harorat oshishi bilan qarshilik kamayadi.

Kremniy kristalli misolida yarim o'tkazgichning tuzilishi

Yarimo'tkazgichlarning tuzilishini va ulardagi asosiy o'tkazuvchanlik turlarini ko'rib chiqing. Misol sifatida, kremniy kristalini ko'rib chiqing.

Kremniy tetravalent element hisoblanadi. Shuning uchun, uning ichida tashqi qobiq Atom yadrosi bilan erkin bog'langan to'rtta elektron mavjud. Har birining o'z atrofida yana to'rtta atomi bor.

Atomlar bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi va kovalent bog'lanish hosil qiladi. Bunday bog'lanishda har bir atomdan bitta elektron ishtirok etadi. Silikon qurilma diagrammasi quyidagi rasmda ko'rsatilgan.

rasm

Kovalent bog'lanishlar etarlicha kuchli va past haroratlar buzmang. Shuning uchun kremniyda erkin zaryad tashuvchilar yo'q va u past haroratlarda dielektrikdir. Yarimo'tkazgichlarda ikki turdagi o'tkazuvchanlik mavjud: elektron va teshik.

Elektron o'tkazuvchanlik

Kremniy qizdirilganda unga qo'shimcha energiya beriladi. Zarrachalarning kinetik energiyasi ortadi va ba'zi kovalent bog'lanishlar buziladi. Bu erkin elektronlarni hosil qiladi.

Elektr maydonida bu elektronlar tugunlar orasida harakatlanadi kristall panjara. Bunday holda, kremniyda elektr toki hosil bo'ladi.

Erkin elektronlar asosiy zaryad tashuvchisi bo'lganligi sababli, bunday o'tkazuvchanlik elektron o'tkazuvchanlik deb ataladi. Erkin elektronlar soni haroratga bog'liq. Biz kremniyni qanchalik ko'p isitsak, shuncha ko'p kovalent aloqalar sinadi va natijada ko'proq erkin elektronlar paydo bo'ladi. Bu qarshilikning pasayishiga olib keladi. Va silikon o'tkazgichga aylanadi.

teshik o'tkazuvchanligi

Kovalent aloqa uzilganda, chiqarilgan elektron o'rnida boshqa elektron egallashi mumkin bo'lgan vakansiya hosil bo'ladi. Bu joy teshik deb ataladi. Teshik ortiqcha musbat zaryadga ega.

Kristaldagi teshikning holati doimo o'zgarib turadi, har qanday elektron bu pozitsiyani egallashi mumkin va teshik elektron sakrab chiqqan joyga o'tadi. Agar elektr maydoni yo'q, u holda teshiklarning harakati tasodifiydir va shuning uchun oqim paydo bo'lmaydi.

Agar u mavjud bo'lsa, teshiklar harakatida tartiblilik mavjud va erkin elektronlar tomonidan yaratilgan oqimdan tashqari, teshiklar tomonidan yaratilgan oqim ham mavjud. Teshiklar elektronlarga teskari yo'nalishda harakat qiladi.

Shunday qilib, yarim o'tkazgichlarda o'tkazuvchanlik elektron-teshikdir. Oqim ham elektronlar, ham teshiklar orqali hosil bo'ladi. Ushbu turdagi o'tkazuvchanlik ichki o'tkazuvchanlik deb ham ataladi, chunki faqat bitta atomning elementlari ishtirok etadi.

Yarimo'tkazgichlarda tashuvchi transport

Kirish

Yarimo'tkazgichlarda oqim tashuvchilar elektronlar va teshiklardir. Tok tashuvchilar kristal atomlarining davriy maydonida xuddi erkin zarrachalar kabi harakat qiladilar. Davriy potentsialning ta'siri faqat tashuvchining massasiga ta'sir qiladi. Ya'ni davriy potentsial ta'sirida tashuvchining massasi o'zgaradi. Shu munosabat bilan qattiq jismlar fizikasi elektron va teshikning samarali massasi tushunchasini kiritadi. O'rtacha energiya termal harakat elektronlar va teshiklardir kT Har bir erkinlik darajasi uchun /2. Xona haroratida elektron va teshikning issiqlik tezligi taxminan 10 7 sm/s ni tashkil qiladi.

Agar yarimo'tkazgichga elektr maydoni qo'llanilsa, u holda bu maydon oqim tashuvchilarning siljishiga olib keladi. Bunday holda, tashuvchining tezligi birinchi navbatda maydonning ortishi bilan ortadi, tezlikning o'rtacha qiymatiga etadi va keyin o'zgarishni to'xtatadi, chunki tashuvchilar tarqalgan. Tarqalish nuqsonlar, aralashmalar va fononlarning emissiyasi yoki yutilishi natijasida yuzaga keladi. Tashuvchining tarqalishining asosiy sababi zaryadlangan aralashmalar va panjara atomlarining termal tebranishlari (fononlarning yutilishi/emissiyasi). Ular bilan o'zaro ta'sir tashuvchilarning tezligini va ularning harakat yo'nalishini keskin o'zgarishiga olib keladi. Tashuvchining tezligi yo'nalishining o'zgarishi tasodifiydir. Tok tashuvchilarning tarqalishining qo'shimcha mexanizmi yarimo'tkazgich yuzasida tashuvchilarning tarqalishidir.

Tashqi elektr maydoni mavjud bo'lganda, yarimo'tkazgichdagi tashuvchilar harakatining tasodifiy tabiati to'qnashuvlar orasidagi intervallarda maydon ta'sirida tashuvchilarning yo'naltirilgan harakati bilan qoplanadi. Va hatto tashuvchilarning tasodifiy harakati tezligi elektr maydoni ta'sirida tashuvchilarning yo'nalishli harakati tezligidan ko'p marta oshib ketishiga qaramay, tashuvchilar harakatining tasodifiy komponentini e'tiborsiz qoldirish mumkin, chunki tasodifiy harakat natijasida hosil bo'ladi. tashuvchi oqimi nol. Tashqi maydon ta'sirida tashuvchilarning tezlashishi Nyuton dinamikasi qonunlariga bo'ysunadi. Tarqalish harakat yo'nalishi va tezlik kattaligining keskin o'zgarishiga olib keladi, lekin tarqalishdan keyin maydon ta'sirida zarrachaning tezlashtirilgan harakati qayta boshlanadi.

To'qnashuvlarning aniq ta'siri shundaki, zarralar tezlashmaydi, lekin zarrachalar tezda doimiy harakat tezligiga etadi. Bu vaqt doimiysi bilan tavsiflangan zarracha harakat tenglamasiga sekinlashtiruvchi komponentni kiritish bilan tengdir. t. Bu vaqt oralig'ida zarracha harakat tezligini yo'qotadi mv o'rtacha tezlik bilan aniqlanadi v. To'qnashuvlar orasida doimiy tezlanishga ega bo'lgan zarra uchun bu vaqt doimiysi ketma-ket ikkita to'qnashuv orasidagi vaqtga teng. Keling, yarimo'tkazgichlarda oqim tashuvchisi tashish mexanizmlarini batafsil ko'rib chiqaylik.

suzuvchijoriy(Drift oqimi)

Yarimo'tkazgichdagi elektr maydon ta'sirida tashuvchilarning drift harakatini XXX-rasmda tasvirlash mumkin. Maydon tashuvchilarga tezlikni aytadi v.

Anjir. Dala harakati ostida tashuvchilarning harakati .

Agar yarimo'tkazgichdagi barcha tashuvchilar bir xil tezlikda harakat qiladi deb faraz qilsak v, keyin oqim elektrodlar o'rtasida o'tkaziladigan umumiy zaryadning vaqtga nisbati sifatida ifodalanishi mumkin t r bu zaryadni bir elektroddan ikkinchisiga o'tkazish yoki:

qayerda L – elektrodlar orasidagi masofa.

Hozirgi zichlikni hozirgi vaqtda oqim tashuvchilarning kontsentratsiyasi bilan ifodalash mumkin n yarimo'tkazgichda:

qayerda LEKIN yarimo'tkazgichning ko'ndalang kesimi maydonidir.

Mobillik

Yarimo'tkazgichda maydon bo'lmaganda va tashqi elektr maydon ta'sirida tok tashuvchilar harakatining tabiati XXX-rasmda ko'rsatilgan. Yuqorida aytib o'tilganidek, elektronlarning issiqlik tezligi 10 7 sm / s ni tashkil qiladi va u elektronlarning siljish tezligidan ancha yuqori.

Anjir. Yarimo'tkazgichdagi tok tashuvchilarning tashqi maydon yo'qligi va mavjudligidagi harakatining tasodifiy tabiati.

Tashuvchilarning harakatini faqat elektr maydoni ta'sirida ko'rib chiqing. Nyuton qonuniga ko'ra:

Bu erda kuch ikkita komponentni o'z ichiga oladi - elektrostatik kuch va tarqalish paytida impulsning yo'qolishiga olib keladigan minus kuch, to'qnashuvlar orasidagi vaqtga bo'linadi:

Bu ifodalarni tenglashtirish va for ifodasini qo‘llash o'rtacha tezlik, biz olamiz:

Keling, faqat zarracha tezlashgan va o'rtacha doimiy tezligiga etgan statsionar holatni ko'rib chiqaylik. Ushbu yaqinlikda tezlik elektr maydon kuchiga proportsionaldir. Oxirgi qiymatlar orasidagi mutanosiblik koeffitsienti harakatchanlik sifatida aniqlanadi:

Mobillik tashuvchining massasiga teskari proportsional va o'rtacha erkin yo'lga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir.

Drift oqimining zichligi harakatchanlik funktsiyasi sifatida yozilishi mumkin:

Yuqorida aytib o'tilganidek, yarim o'tkazgichlarda tashuvchilarning massasi vakuumdagi elektronning massasiga teng emas, m va harakatchanlik formulasi samarali massadan foydalanishi kerak, m * :

Yarimo'tkazgichlarda tok tashuvchilarning tarqalishi.

Diffuziya oqimi

Agar tashqi bo'lsa elektr maydoni yarimo'tkazgichda yo'q, keyin issiqlik energiyasi ta'sirida oqim tashuvchilar - elektronlar va teshiklarning tasodifiy harakati mavjud. Bu tasodifiy harakat tashuvchilarning yo'nalishli harakatiga va oqimning shakllanishiga olib kelmaydi. Har doim istalgan joyni tark etgan tashuvchining o'rniga uning o'rniga boshqasi keladi. Shunday qilib, yarimo'tkazgichning butun hajmida bir xil tashuvchining zichligi saqlanadi.

Ammo tashuvchilar hajmi bo'yicha notekis taqsimlangan bo'lsa, vaziyat o'zgaradi, ya'ni. konsentratsiya gradienti mavjud. Bunday holda, kontsentratsiya gradienti ta'sirida tashuvchilarning yo'naltirilgan harakati sodir bo'ladi - kontsentratsiya yuqori bo'lgan hududdan past konsentratsiyali mintaqaga diffuziya. Diffuziya ta'sirida zaryadlangan tashuvchilarning yo'nalishli harakati diffuziya oqimini hosil qiladi. Keling, ushbu ta'sirni batafsil ko'rib chiqaylik.

Biz diffuziya oqimi uchun munosabatni olamiz. Konsentratsiya gradienti ta'sirida tashuvchilarning yo'nalishli harakati issiqlik harakati natijasida (haroratda) sodir bo'lishidan kelib chiqamiz.
Kelvinning fikricha, zarrachaning har bir erkinlik darajasi uchun energiya mavjud
), ya'ni. nol haroratda diffuziya yo'q (tashuvchining drifti 0K da ham mumkin).

Issiqlik ta'sirida tashuvchilar harakatining tasodifiy tabiati statistik yondashuvni talab qilishiga qaramay, diffuziya oqimi uchun formulani olish jarayonlarni tavsiflovchi o'rtacha qiymatlardan foydalanishga asoslanadi. Natija bir xil.

Keling, o'rtacha qiymatlarni kiritamiz - o'rtacha issiqlik tezligi v th, to'qnashuvlar orasidagi o'rtacha vaqt,  , Va o'rtacha uzunlik erkin yugurish, l. O'rtacha issiqlik tezligi ham ijobiy, ham salbiy yo'nalishlarga yo'naltirilishi mumkin. Bu miqdorlar o'zaro munosabat bilan bog'langan

Elektronlarning bir hil bo'lmagan taqsimlanishi bilan bog'liq vaziyatni ko'rib chiqing n(x) (XXX rasmga qarang).

Anjir. bitta Joriy diffuziya ifodasini olish uchun ishlatiladigan tashuvchining zichligi profili

Koordinatali tekislik orqali elektronlar oqimini ko'rib chiqing x = 0. Tashuvchilar bu tekislikka koordinataning chap tomonidan keladi x = - l, va koordinata tomondan o'ngga x = l. Chapdan o'ngga elektronlar oqimi

Bu erda ½ koeffitsienti elektronlarning yarmi koordinatali tekislikda ekanligini anglatadi x = - l chapga, ikkinchi yarmi esa o'ngga siljiydi. Xuddi shunday, elektronlar oqimi orqali x = 0 o'ng tomondan keladi x = + l teng bo'ladi:

Tekislikdan o'tadigan elektronlarning umumiy oqimi x = 0 chapdan o'ngga bo'ladi:

Elektronlarning o'rtacha erkin yo'li etarlicha kichik deb faraz qilsak, elektron kontsentratsiyasidagi farqni koordinataning o'ng va chap tomoniga yozishimiz mumkin. x = 0 konsentratsiyalar farqining tekisliklar orasidagi masofaga nisbati orqali, ya'ni. hosila orqali:

Elektron oqimining zichligi quyidagilarga teng bo'ladi:

Odatda, issiqlik tezligi va o'rtacha erkin yo'lning mahsuloti elektron diffuziya koeffitsienti deb ataladigan bitta omil bilan almashtiriladi, D n .

Shunga o'xshash munosabatlar teshik diffuziya oqimi uchun ham yozilishi mumkin:

Faqat teshiklarning zaryadi ijobiy ekanligini esga olish kerak.

Diffuziya koeffitsienti va harakatchanlik o'rtasida bog'liqlik mavjud. Bir qarashda, bu koeffitsientlar bir-biriga bog'liq bo'lmasligi kerakdek tuyulishi mumkin, chunki tashuvchilarning tarqalishi issiqlik harakati bilan bog'liq va tashuvchilarning siljishi tashqi elektr maydoniga bog'liq. Biroq, asosiy parametrlardan biri, to'qnashuvlar orasidagi vaqt, tashuvchilarning harakatlanishiga sabab bo'lgan sababga bog'liq bo'lmasligi kerak.

Biz issiqlik tezligining ta'rifidan foydalanamiz:

va termodinamikaning elektron harakatining har bir erkinlik darajasi uchun issiqlik energiyasi borligi haqidagi xulosalari. kT/2, kinetikga teng:

Ushbu munosabatlardan tashuvchining harakatchanligi bilan ifodalangan issiqlik tezligi va o'rtacha erkin yo'lning mahsulotini olish mumkin:

Ammo biz allaqachon issiqlik tezligi va o'rtacha erkin yo'lning mahsulotini diffuziya koeffitsienti sifatida aniqladik. Keyin elektronlar va teshiklar uchun oxirgi munosabat quyidagi shaklda yozilishi mumkin:

Bu munosabatlar Eynshteyn munosabatlari deb ataladi.

Umumiy oqim

Yarimo'tkazgich orqali o'tadigan umumiy oqim drift va diffuziya oqimining yig'indisidir. Elektron oqimining zichligi uchun biz yozishimiz mumkin:

va xuddi shunday teshiklar uchun:

Yarimo'tkazgich orqali o'tadigan umumiy oqim zichligi elektron va teshik oqimining yig'indisiga teng:

Yarimo'tkazgich orqali o'tadigan umumiy oqim oqim zichligi va yarimo'tkazgich maydonining mahsulotiga teng:

Oqim quyidagi shaklda ham yozilishi mumkin:

Bir hil bo'lmagan qo'shilgan yarimo'tkazgich uchun muvozanat sharti

(yarim o'tkazgich orqali oqim yo'qligi holati)

Yarimo'tkazgichlar o'tkazgichlar va dielektriklar orasidagi elektr o'tkazuvchanligi (yoki qarshilik) bo'yicha oraliq pozitsiyani egallaydi. Biroq, barcha moddalarning elektr o'tkazuvchanlik xususiyatiga ko'ra bunday bo'linishi shartli, chunki bir qator sabablar (ifloslar, nurlanish, isitish) ta'siri ostida ko'plab moddalarning elektr o'tkazuvchanligi va qarshiligi juda sezilarli darajada o'zgaradi, ayniqsa yarim o'tkazgichlar uchun.

Shu munosabat bilan yarimo'tkazgichlar metallardan bir qator xususiyatlar bilan ajralib turadi:

1. Oddiy sharoitda yarim o'tkazgichlarning qarshiligi metallarnikidan ancha katta;

2. toza yarimo'tkazgichlarning solishtirma qarshiligi harorat oshishi bilan kamayadi (metalllar uchun u ortadi);

3. yarimo'tkazgichlar yoritilganda ularning qarshiligi sezilarli darajada kamayadi (yorug'lik metallarning qarshiligiga deyarli ta'sir qilmaydi):

4. Kam miqdordagi aralashmalar yarim o'tkazgichlarning qarshiligiga kuchli ta'sir qiladi.

Davriy sistemaning oʻrta qismidagi yarimoʻtkazgichlarga 12 ta kimyoviy element kiradi (1-rasm) - B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, uchinchi elementlarning birikmalari beshinchi guruh elementlari, metallarning ko'plab oksidlari va sulfidlari, bir qator boshqalar bilan guruh kimyoviy birikmalar, ba'zi organik moddalar. Germanium Ge va silikon Si ilm-fan va texnologiya uchun eng katta qo'llaniladi.

Yarimo'tkazgichlar sof yoki doplangan bo'lishi mumkin. Shunga ko'ra, yarim o'tkazgichlarning ichki va nopoklik o'tkazuvchanligi farqlanadi. Nopokliklar, o'z navbatida, donor va qabul qiluvchiga bo'linadi.

O'z-o'zidan elektr o'tkazuvchanligi

Yarimo'tkazgichlarda elektr o'tkazuvchanlik mexanizmini tushunish uchun yarim o'tkazgich kristallarining tuzilishini va kristal atomlarini bir-biriga yaqin tutadigan bog'lanishlarning tabiatini ko'rib chiqaylik. Germaniy va boshqa yarim o'tkazgichlarning kristallari atom kristall panjarasiga ega (2-rasm).

Germaniy tuzilishining tekis diagrammasi 3-rasmda ko'rsatilgan.

Germaniy to'rt valentli element bo'lib, atomning tashqi qobig'ida qolganlarga qaraganda yadro bilan zaifroq bog'langan to'rtta elektron mavjud. Har bir germaniy atomining eng yaqin qo'shnilari soni ham 4 ta. Har bir germaniy atomining to'rtta valentlik elektronlari qo'shni atomlarning bir xil elektronlari bilan kimyoviy juft elektronlar ( kovalent) ulanishlar. Bu bog'lanishning hosil bo'lishida har bir atomdan bitta valentlik elektron ishtirok etadi, ular atomlardan ajralib chiqadi (kristal tomonidan yig'iladi) va ularning harakati davomida ko'p vaqtini qo'shni atomlar orasidagi bo'shliqda o'tkazadi. Ularning manfiy zaryadi musbat germaniy ionlarini bir-biriga yaqin tutadi. Bunday aloqani shartli ravishda yadrolarni bog'laydigan ikkita chiziq bilan tasvirlash mumkin (3-rasmga qarang).

Ammo sayohatchi elektronlar juftligi ikkita atomdan ko'proqqa tegishli. Har bir atom oʻz qoʻshnilari bilan toʻrtta bogʻ hosil qiladi va berilgan valentlik elektron ularning istalgani boʻylab harakatlanishi mumkin (4-rasm). Qo'shni atomga etib borgach, u keyingisiga, keyin esa butun kristall bo'ylab o'tishi mumkin. Kollektivlashgan valentlik elektronlar butun kristallga tegishli.

Germaniyning kovalent bog'lari ancha kuchli va past haroratlarda buzilmaydi. Shuning uchun germaniy past haroratlarda elektr tokini o'tkazmaydi. Atomlarning bogʻlanishida ishtirok etuvchi valentlik elektronlar kristall panjaraga mustahkam bogʻlangan boʻlib, tashqi elektr maydoni ularning harakatiga sezilarli taʼsir koʻrsatmaydi. Kremniy kristalli ham xuddi shunday tuzilishga ega.

Kimyoviy toza yarimo'tkazgichning elektr o'tkazuvchanligi kristallardagi kovalent bog'lanishlar buzilganda va erkin elektronlar paydo bo'lganda mumkin.

Kovalent bog'lanishni uzish va elektronni ozod qilish uchun sarflanishi kerak bo'lgan qo'shimcha energiya deyiladi faollashtirish energiyasi.

Elektronlar bu energiyani kristallni isitish, yuqori chastotali nurlanish orqali olishlari mumkin. elektromagnit to'lqinlar va hokazo.

Elektron kerakli energiyani olgandan so'ng, mahalliylashtirilgan aloqani tark etishi bilan, unda bo'sh joy hosil bo'ladi. Ushbu bo'sh joy qo'shni bog'lanishdan elektron tomonidan osongina to'ldirilishi mumkin, shuning uchun bo'sh joy ham hosil bo'ladi. Shunday qilib, bog'lanish elektronlarining harakati tufayli bo'sh joylar kristall bo'ylab harakatlanadi. Bu bo'sh joy xuddi erkin elektron kabi harakat qiladi - u yarimo'tkazgichning asosiy qismi bo'ylab erkin harakatlanadi. Bundan tashqari, butun yarimo'tkazgich ham, uning har bir atomi ham uzilmagan kovalent bog'lar bilan elektr neytral ekanligini hisobga olsak, biz shuni aytishimiz mumkinki, elektron bog'ni tark etishi va bo'sh joy paydo bo'lishi aslida ortiqcha musbat zaryadning paydo bo'lishiga tengdir. bu rishta. Shuning uchun, hosil bo'lgan vakansiyani rasmiy ravishda ijobiy zaryad tashuvchisi deb hisoblash mumkin teshik(5-rasm).

Shunday qilib, elektronning mahalliylashtirilgan bog'lanishdan chiqib ketishi bir juft erkin zaryad tashuvchilarni - elektron va teshikni hosil qiladi. Ularning sof yarimo'tkazgichdagi konsentratsiyasi bir xil. Da xona harorati sof yarimo'tkazgichlarda erkin tashuvchilarning konsentratsiyasi past, atomlar konsentratsiyasidan taxminan 10 9 ÷ 10 10 marta kam, lekin harorat oshishi bilan u tez ortadi.

• Metalllar bilan solishtiring: u erda erkin elektronlarning kontsentratsiyasi atomlar kontsentratsiyasiga teng.

Tashqi elektr maydoni bo'lmaganda, bu erkin elektronlar va teshiklar yarim o'tkazgich kristalida tasodifiy harakat qiladi.

Tashqi elektr maydonida elektronlar elektr maydon kuchining yo'nalishiga teskari yo'nalishda harakat qiladi. Ijobiy tuynuklar elektr maydon kuchiga qarab harakatlanadi (6-rasm). Tashqi maydondagi elektronlar va teshiklarning harakatlanish jarayoni yarimo'tkazgichning butun hajmida sodir bo'ladi.

Yarimo'tkazgichning umumiy elektr o'tkazuvchanligi teshik va elektron o'tkazuvchanliklarining yig'indisidir. Bunday holda, sof yarim o'tkazgichlarda o'tkazuvchan elektronlar soni doimo teshiklar soniga teng bo'ladi. Shuning uchun, sof yarim o'tkazgichlar mavjud deyiladi elektron teshik o'tkazuvchanligi, yoki o'z o'tkazuvchanligi.

Haroratning oshishi bilan kovalent bog'lanishlarning uzilishlari soni ortadi va sof yarim o'tkazgichlar kristallaridagi erkin elektronlar va teshiklar soni ortadi va natijada elektr o'tkazuvchanligi ortadi va sof yarim o'tkazgichlarning qarshiligi pasayadi. Sof yarimo'tkazgich qarshiligining haroratga bog'liqligi grafigi shaklda ko'rsatilgan. 7.

Isitishdan tashqari, kovalent bog'lanishlarning uzilishi va natijada yarim o'tkazgichlarning ichki o'tkazuvchanligining paydo bo'lishi va qarshilikning pasayishi yorug'lik (yarim o'tkazgichning fotoo'tkazuvchanligi), shuningdek kuchli elektr maydonlarining ta'siri natijasida yuzaga kelishi mumkin. .

Yarimo'tkazgichlarning nopoklik o'tkazuvchanligi

Yarimo'tkazgichlarning o'tkazuvchanligi, ichki o'tkazuvchanlik bilan birga, qo'shimcha nopoklik o'tkazuvchanligi paydo bo'lganda, aralashmalarning kiritilishi bilan ortadi.

nopoklik o'tkazuvchanligi yarimo'tkazgichlarda aralashmalar mavjudligi sababli o'tkazuvchanlik deb ataladi.

Nopoklik markazlari quyidagilar bo'lishi mumkin:

1. yarimo'tkazgichli panjara ichiga o'rnatilgan kimyoviy elementlarning atomlari yoki ionlari;

2. panjara oraliqlariga singib ketgan ortiqcha atomlar yoki ionlar;

3. kristall panjaradagi boshqa turli nuqsonlar va buzilishlar: bo'sh tugunlar, yoriqlar, kristall deformatsiyalari paytida yuzaga keladigan siljishlar va boshqalar.

Nopokliklar kontsentratsiyasini o'zgartirish orqali u yoki bu belgining zaryad tashuvchilari sonini sezilarli darajada oshirish va salbiy yoki musbat zaryadlangan tashuvchilarning ustun konsentratsiyasi bo'lgan yarim o'tkazgichlarni yaratish mumkin.

Nopoklarni donor (donor) va qabul qiluvchi (qabul qiluvchi) ga bo'lish mumkin.

Donor nopokligi

• Lotin tilidan "donare" - berish, berish.

Kristalga, masalan, kremniyga kiritilgan mishyak Asning donor besh valentli nopokligi bilan yarim o'tkazgichning elektr o'tkazuvchanligi mexanizmini ko'rib chiqaylik. Besh valentli mishyak atomi kovalent bog'lanish hosil qilish uchun to'rtta valentlik elektronini beradi va beshinchi elektron bu bog'larda band bo'lmaydi (8-rasm).

Kremniydagi mishyakning beshinchi valentlik elektronining ajralish energiyasi (ionlanish energiyasi) 0,05 eV = 0,08⋅10 -19 J ni tashkil qiladi, bu elektronning kremniy atomidan ajralish energiyasidan 20 marta kam. Shuning uchun xona haroratida deyarli barcha mishyak atomlari elektronlaridan birini yo'qotib, ijobiy ionlarga aylanadi. Musbat mishyak ionlari qo'shni atomlarning elektronlarini ushlay olmaydi, chunki ularning to'rtta aloqasi allaqachon elektronlar bilan jihozlangan. Bunday holda, elektron vakansiyaning harakati - "teshik" sodir bo'lmaydi va teshik o'tkazuvchanligi juda past, ya'ni. amalda yo'q.

Donor aralashmalari- bu elektronlarni osonlik bilan beradigan va natijada erkin elektronlar sonini ko'paytiradigan aralashmalar. Elektr maydoni mavjud bo'lganda, erkin elektronlar yarim o'tkazgich kristalida tartibli harakatga keladi va unda elektron nopoklik o'tkazuvchanligi paydo bo'ladi. Natijada, biz asosan elektron o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan yarim o'tkazgichni olamiz, n-tipli yarimo'tkazgich deb ataladi. (Lotin negativusdan - salbiy).

Chunki n-tipli yarimo'tkazgichdagi elektronlar soni sezilarli darajada ko'proq raqam teshiklar, elektronlar ko'pchilik zaryad tashuvchilardir va teshiklar kichikdir.

Qabul qiluvchi nopoklik

• Lotincha "qabul qiluvchi" - qabul qiluvchi.

Akseptor nopokligida, masalan, trivalent indiy In, nopoklik atomi faqat uchta qo'shni kremniy atomlari bilan kovalent bog'lanish uchun o'zining uchta elektronini berishi mumkin va bitta elektron "etishmaydi" (9-rasm). Qo'shni kremniy atomlarining elektronlaridan biri bu bog'ni to'ldirishi mumkin, keyin In atomi harakatsiz manfiy ionga aylanadi va kremniy atomlaridan birini qoldirgan elektron o'rnida teshik hosil bo'ladi. Qabul qiluvchi aralashmalar, elektronlarni ushlaydi va shu bilan mobil teshiklarni hosil qiladi, o'tkazuvchan elektronlar sonini ko'paytirmaydi. Akseptor nopokligi bo'lgan yarimo'tkazgichdagi asosiy zaryad tashuvchilar teshiklar, ozchilik tashuvchilar esa elektronlardir.

Qabul qiluvchi aralashmalar teshik o'tkazuvchanligini ta'minlovchi aralashmalardir.

Teshiklari konsentratsiyasi o'tkazuvchanlik elektronlari konsentratsiyasidan oshib ketadigan yarimo'tkazgichlar p-tipli yarimo'tkazgichlar deb ataladi (lotincha pozitivusdan - musbat.).

Shuni ta'kidlash kerakki, yarim o'tkazgichlarga aralashmalarning kiritilishi, har qanday metallarda bo'lgani kabi, kristall panjaraning tuzilishini buzadi va elektronlarning harakatiga to'sqinlik qiladi. Biroq, zaryad tashuvchilarning kontsentratsiyasini oshirish qarshilikni sezilarli darajada kamaytiradiganligi sababli qarshilik kuchaymaydi. Shunday qilib, yuz ming kremniy atomiga 1 atom miqdorida bor aralashmaning kiritilishi o'ziga xoslikni pasaytiradi. elektr qarshilik kremniy taxminan ming marta, 10 8 - 10 9 germaniy atomiga bitta indiy atomining qo'shilishi germaniyning elektr qarshiligini millionlab marta kamaytiradi.

Agar yarim o'tkazgichga donor va qabul qiluvchi aralashmalar bir vaqtning o'zida kiritilsa, yarim o'tkazgichning o'tkazuvchanligi (n- yoki p-tipi) zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi yuqori bo'lgan aralashma bilan aniqlanadi.

Elektron teshikka o'tish

Yarimo'tkazgich kristalida elektron-teshik o'tishi (qisqartirilgan p-n-o'tish) sodir bo'ladi, bu mintaqalar orasidagi chegarada bir vaqtning o'zida n-tipli (donor aralashmalari mavjud) va p-tipli (akseptor aralashmalari bilan) o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan hududlarga ega.

Faraz qilaylik, bizda kristall bor bo'lib, uning chap tomonida teshik (p-tip), o'ng tomonda esa elektron (n-tip) o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan yarimo'tkazgich mintaqasi mavjud (10-rasm). Kontakt hosil bo'lishida issiqlik harakati tufayli n-tipli yarimo'tkazgichdan elektronlar p-tipli hududga tarqaladi. Bunday holda, n-tipli mintaqada kompensatsiyalanmagan ijobiy donor ioni qoladi. Teshik o'tkazuvchanligi bilan mintaqaga o'tib, elektron juda tez teshik bilan qayta birlashadi va p-tipli mintaqada kompensatsiyalanmagan akseptor ioni hosil bo'ladi.

Elektronlar singari, p-tipli hududdagi teshiklar elektron hududga tarqalib, teshik hududida kompensatsiyalanmagan manfiy zaryadlangan akseptor ionini qoldiradi. Elektron hududga o'tib, teshik elektron bilan qayta birlashadi. Natijada elektron mintaqada kompensatsiyalanmagan ijobiy donor ioni hosil bo'ladi.

Diffuziya natijasida bu hududlar orasidagi chegarada qarama-qarshi zaryadlangan ionlarning qo'sh elektr qatlami hosil bo'ladi, qalinligi. l mikrometrning fraktsiyalaridan oshmaydi.

Kuchli ionlar qatlamlari orasida elektr maydoni paydo bo'ladi Ei. Elektron-teshik birikmasining elektr maydoni (p-n-o'tish) elektronlar va teshiklarning ikkita yarim o'tkazgich orasidagi interfeys orqali keyingi o'tishini oldini oladi. Bloklash qatlami yarimo'tkazgichlarning qolgan hajmlariga nisbatan yuqori qarshilikka ega.

Intensivlik bilan tashqi elektr maydoni E blokirovka qiluvchi elektr maydonining qarshiligiga ta'sir qiladi. Agar n-yarimo'tkazgich manbaning manfiy qutbiga, manbaning plyus qismi esa p-yarimo'tkazgichga ulangan bo'lsa, u holda elektr maydoni ta'sirida n-yarimo'tkazgichdagi elektronlar va teshiklar. p-yarimo'tkazgich yarimo'tkazgich interfeysiga bir-biriga qarab harakat qiladi (11-rasm). Chegarani kesib o'tgan elektronlar teshiklarni "to'ldiradi". Bunday bilan oldinga yo'nalish tashqi elektr maydoni, to'siq qatlamining qalinligi va uning qarshiligi doimiy ravishda kamayadi. Ushbu yo'nalishda elektr toki p-n o'tish joyidan o'tadi.

p-n-o'tishning ko'rib chiqilgan yo'nalishi deyiladi bevosita. Oqimning kuchlanishga bog'liqligi, ya'ni. volt-amper xarakteristikalari to'g'ridan-to'g'ri o'tish, rasmda ko'rsatilgan. 12 qattiq chiziq sifatida.

Agar n-yarimo'tkazgich manbaning musbat qutbiga, p-yarimo'tkazgich esa manfiyga ulangan bo'lsa, u holda elektr maydoni ta'sirida n-yarimo'tkazgichdagi elektronlar va p-yarimo'tkazgichdagi teshiklar harakatlanadi. qarama-qarshi yo'nalishdagi interfeysdan (13-rasm). Bu to'siq qatlamining qalinlashishiga va uning qarshiligining oshishiga olib keladi. To'siq qatlamini kengaytiradigan tashqi elektr maydonining yo'nalishi deyiladi qulflash (teskari). Tashqi maydonning bu yo'nalishi bilan asosiy zaryad tashuvchilarning elektr toki ikkita p- va p-yarimo'tkazgichlarning kontaktidan o'tmaydi.

P-n-o'tkazgich orqali oqim endi p-tipli yarimo'tkazgichdagi elektronlar va n-tipli yarimo'tkazgichning teshiklari tufayli yuzaga keladi. Ammo ozchilikning zaryad tashuvchilari juda oz, shuning uchun o'tishning o'tkazuvchanligi ahamiyatsiz bo'lib chiqadi va uning qarshiligi katta. p-n-o'tishning ko'rib chiqilgan yo'nalishi deyiladi teskari, uning joriy kuchlanish xarakteristikasi shaklda ko'rsatilgan. 12 qirrali chiziq.

Iltimos, to'g'ridan-to'g'ri va teskari o'tishlar uchun joriy o'lchov shkalasi ming marta farq qilishini unutmang.

Qarama-qarshi yo'nalishda qo'llaniladigan ma'lum bir kuchlanishda mavjudligini unutmang buzilmoq p-n birikmasining (ya'ni, yo'q qilinishi).

Yarimo'tkazgichlar

Termistorlar

Yarimo'tkazgichlarning elektr qarshiligi haroratga juda bog'liq. Bu xususiyat yarimo'tkazgichli kontaktlarning zanglashiga olib keladigan oqim kuchi bo'yicha haroratni o'lchash uchun ishlatiladi. Bunday qurilmalar deyiladi termistorlar yoki termistorlar. Yarimo'tkazgichli modda metallga joylashtirilgan himoya sumkasi, unda termistorni elektr pallasiga kiritish uchun ajratilgan simlar mavjud.

Termistorlar qizdirilganda yoki sovutilganda qarshiligining o'zgarishi ularni haroratni doimiy ravishda ushlab turish uchun haroratni o'lchash asboblarida ishlatishga imkon beradi. avtomatik qurilmalar- yopiq kameralarda-termostatlarda, ta'minlash uchun yong'in signalizatsiyasi va hokazo. Termistorlar ikkalasini ham juda yuqori o'lchash uchun mavjud ( T≈ 1300 K) va juda past ( T≈ 4 - 80 K) haroratlarda.

Termistorning sxematik ko'rinishi (a-rasm) va fotosurati (b-rasm) 14-rasmda ko'rsatilgan.

Guruch. o'n to'rt

Fotorezistorlar

Yarimo'tkazgichlarning elektr o'tkazuvchanligi nafaqat qizdirilganda, balki yoritilganda ham ortadi. Yarimo'tkazgichga tushadigan yorug'lik energiyasi tufayli bog'larning uzilishi va erkin elektronlar va teshiklarning paydo bo'lishi tufayli elektr o'tkazuvchanligi ortadi.

Yarimo'tkazgichlarning elektr o'tkazuvchanligining yorug'likka bog'liqligini hisobga oladigan qurilmalar deyiladi. fotorezistorlar.

Fotorezistorlar ishlab chiqarish uchun materiallar CdS, CdSe, PbS va boshqalar kabi birikmalardir.

Fotorezistorlarning kichik o'lchamlari va yuqori sezuvchanligi ularni zaif yorug'lik oqimlarini qayd etish va o'lchash uchun ishlatish imkonini beradi. Fotorezistorlar yordamida sirtlarning sifati aniqlanadi, mahsulotlarning o'lchamlari nazorat qilinadi va hokazo.

Fotorezistorning sxematik ko'rinishi (a-rasm) va fotosurati (b-rasm) 15-rasmda ko'rsatilgan.

Guruch. 15

yarimo'tkazgichli diod

P-n o'tishning bir yo'nalishda oqim o'tkazish qobiliyati deb ataladigan yarimo'tkazgichli qurilmalarda qo'llaniladi diodlar.

Yarimo'tkazgichli diodlar germaniy, kremniy, selen va boshqa moddalardan tayyorlanadi.

Oldini olish uchun zararli ta'sirlar havo va yorug'lik, germaniy kristalli germetikga joylashtiriladi metall korpus. Yarimo'tkazgichli diodlar rektifikatorlarning asosiy elementlari hisoblanadi o'zgaruvchan tok(aniqrog'i, ular o'zgaruvchan tokni pulsatsiyalanuvchi to'g'ridan-to'g'ri oqimga aylantirish uchun ishlatiladi.)

Yarimo'tkazgichli diodaning sxematik ko'rinishi (a-rasm) va fotosurati (b-rasm) 16-rasmda ko'rsatilgan.

Guruch. 16

LEDlar

Yorug'lik chiqaradigan diod yoki yorug'lik chiqaradigan diod- elektr toki o'tganda optik nurlanish hosil qiluvchi p-n o'tish joyi bo'lgan yarim o'tkazgichli qurilma.

Chiqarilgan yorug'lik spektrning tor diapazonida joylashgan bo'lib, uning spektral xarakteristikalari, jumladan, boshqa narsalarga bog'liq. kimyoviy tarkibi unda ishlatiladigan yarimo'tkazgichlar.

Adabiyot

1. Aksenovich L.A. Fizika o'rta maktab: Nazariya. Vazifalar. Sinovlar: Proc. umumiy ta'lim muassasalari uchun nafaqa. muhitlar, ta'lim / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 300-308.
2. Burov L.I., Strelchenya V.M. Fizika A dan Z gacha: talabalar, abituriyentlar, repetitorlar uchun. - Minsk: Paradoks, 2000. - S. 219-228.
3. Myakishev G. Ya. Fizika: Elektrodinamika. 10 - 11 hujayralar: fizikani chuqur o'rganish uchun darslik / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. - M.: Bustard, 2005. - S. 309-320.
4. Yavorskiy BM, Seleznev Yu. A. Universitetlarga kirish va o'z-o'zini o'qitish uchun fizika bo'yicha ma'lumotnoma. - M.: Nauka, 1984. - S. 165-169.

Yarimo'tkazgichlar o'tkazgichlar va elektr tokini o'tkazmaydiganlar o'rtasida elektr o'tkazuvchanligida oraliq o'rinni egallaydi. Yarimo'tkazgichlar guruhiga o'tkazgichlar va o'tkazmaydiganlar guruhlariga qaraganda ko'proq moddalar kiradi. Topilgan yarimo'tkazgichlarning eng xarakterli vakillari amaliy foydalanish texnologiyada germaniy, kremniy, selen, tellur, mishyak, mis oksidi va juda ko'p miqdordagi qotishmalar va kimyoviy birikmalar mavjud. Deyarli hammasi noorganik moddalar Atrofimizdagi dunyo yarim o'tkazgichlardir. Tabiatda eng keng tarqalgan yarimo'tkazgich kremniy bo'lib, u yer qobig'ining taxminan 30% ni tashkil qiladi.

Yarimo'tkazgichlar va metallar o'rtasidagi sifat farqi, birinchi navbatda, qarshilikning haroratga bog'liqligida namoyon bo'ladi. Haroratning pasayishi bilan metallarning qarshiligi pasayadi. Yarimo'tkazgichlarda, aksincha, haroratning pasayishi bilan qarshilik kuchayadi va mutlaq nolga yaqin ular amalda izolyatorga aylanadi.

Yarimo'tkazgichlarda erkin zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi harorat oshishi bilan ortadi. Yarimo'tkazgichlarda elektr tokining mexanizmini erkin elektron gaz modeli doirasida tushuntirib bo'lmaydi.

Germaniy atomlarining tashqi qobig'ida to'rtta erkin bog'langan elektron mavjud. Ular valent elektronlar deb ataladi. Kristal panjarada har bir atom eng yaqin to'rtta qo'shni bilan o'ralgan. Germaniy kristalidagi atomlar orasidagi bog'lanish kovalentdir, ya'ni u juft valent elektronlar orqali amalga oshiriladi. Har bir valentlik elektron ikkita atomga tegishli. Germaniy kristalidagi valentlik elektronlari metallarga qaraganda atomlar bilan ancha kuchli bog'langan; shuning uchun yarimo'tkazgichlarda xona haroratida o'tkazuvchanlik elektronlarining konsentratsiyasi metallarga qaraganda ko'p marta pastroqdir. Germaniy kristalida mutlaq nolga yaqin haroratda barcha elektronlar bog'lanish hosil bo'lishi bilan shug'ullanadi. Bunday kristall elektr tokini o'tkazmaydi.

Harorat ko'tarilgach, valent elektronlarning bir qismi kovalent bog'lanishni buzish uchun etarli energiya olishi mumkin. Keyin kristallda erkin elektronlar (o'tkazuvchan elektronlar) paydo bo'ladi. Shu bilan birga, bog'lanishning uzilish joylarida elektronlar bilan band bo'lmagan bo'sh joylar hosil bo'ladi. Ushbu bo'sh ish o'rinlari "teshiklar" deb ataladi.

Berilgan yarimo'tkazgich haroratida vaqt birligida ma'lum miqdordagi elektron-teshik juftlari hosil bo'ladi. Shu bilan birga, teskari jarayon davom etmoqda - erkin elektron teshikka duch kelganida, germaniy atomlari orasidagi elektron aloqa tiklanadi. Bu jarayon rekombinatsiya deb ataladi. Elektromagnit nurlanish energiyasi tufayli yarimo'tkazgich yoritilganda ham elektron-teshik juftlari hosil bo'lishi mumkin.

Agar yarimo'tkazgich elektr maydoniga joylashtirilsa, unda tartiblangan harakatda nafaqat erkin elektronlar, balki musbat zaryadlangan zarrachalar kabi harakat qiladigan teshiklar ham ishtirok etadi. Shuning uchun yarimo'tkazgichdagi I tok elektron I n va teshik I p oqimlarining yig'indisiga teng: I = I n + I p.

Yarimo'tkazgichdagi o'tkazuvchanlik elektronlarining kontsentratsiyasi teshiklarning kontsentratsiyasiga teng: n n = n p. O'tkazuvchanlikning elektron-teshik mexanizmi faqat toza (ya'ni, aralashmalarsiz) yarim o'tkazgichlarda o'zini namoyon qiladi. Yarimo'tkazgichlarning ichki elektr o'tkazuvchanligi deyiladi.

Nopokliklar mavjud bo'lganda, yarim o'tkazgichlarning elektr o'tkazuvchanligi sezilarli darajada o'zgaradi. Masalan, aralashmalarni qo'shish fosfor kristallga aylanadi kremniy 0,001 atom foiz miqdorida qarshilikni besh martadan ortiq kattalik bilan kamaytiradi.

Nopoklik kiritilgan yarimo'tkazgich (ya'ni, bir turdagi atomlarning bir qismi boshqa turdagi atomlar bilan almashtiriladi) deyiladi. doping yoki doping.

Nopoklik o'tkazuvchanligining ikki turi mavjud, elektron va teshik o'tkazuvchanligi.

Shunday qilib, to'rt valentli doping paytida germaniy (Ge) yoki kremniy (Si) besh valentli - fosfor (P), surma (Sb), mishyak (As) nopoklik atomi joylashgan joyda qo'shimcha erkin elektron paydo bo'ladi. Bunday holda, nopoklik deyiladi donor .

To'rt valentli germaniy (Ge) yoki uch valentli kremniy (Si) ni doping qilishda - alyuminiy (Al), indiy (Jn), bor (B), galiy (Ga) - chiziqli teshik bor. Bunday aralashmalar deyiladi qabul qiluvchi .

Yarimo'tkazgich materialining bir xil namunasida bir qism p-o'tkazuvchanlikka, ikkinchisi esa n-o'tkazuvchanlikka ega bo'lishi mumkin. Bunday qurilma yarimo'tkazgichli diod deb ataladi.

"Diod" so'zidagi "di" prefiksi "ikki" degan ma'noni anglatadi, bu qurilmaning ikkita asosiy "tafsiloti", bir-biriga yaqin joylashgan ikkita yarim o'tkazgich kristaliga ega ekanligini ko'rsatadi: biri p-o'tkazuvchanlikka ega (bu zona R), ikkinchisi - n - o'tkazuvchanlik bilan (bu zona P). Aslida, yarimo'tkazgichli diod - bu bitta kristall bo'lib, uning bir qismida donor nopokligi (zonasi) kiritilgan. P), boshqasiga - qabul qiluvchiga (zona R).

Batareyadan diyotga "ortiqcha" zonaga doimiy kuchlanish qo'llanilsa R va zonaga "minus" P, keyin erkin zaryadlar - elektronlar va teshiklar - chegaraga shoshiladi, pn birikmasiga shoshiladi. Bu yerda ular bir-birini neytrallashtiradi, yangi zaryadlar chegaraga yaqinlashadi va a D.C.. Bu diodaning to'g'ridan-to'g'ri ulanishi deb ataladi - zaryadlar u orqali intensiv ravishda harakatlanadi, kontaktlarning zanglashiga olib keladigan nisbatan katta oqim oqimi.

Endi biz dioddagi kuchlanishning polaritesini o'zgartiramiz, ular aytganidek, uni teskari kiritishni amalga oshiramiz - biz batareyaning "plyus" qismini zonaga ulaymiz. P,"minus" - zonaga R. Erkin zaryadlar chegaradan uzoqlashadi, elektronlar "ortiqcha" ga, teshiklar - "minus" ga o'tadi va natijada pn - birikmasi erkin zaryadsiz zonaga, sof izolyatorga aylanadi. Bu kontaktlarning zanglashiga olib kelishini anglatadi, undagi oqim to'xtaydi.

Diyot orqali katta teskari oqim hali ham o'tmaydi. Chunki, asosiy erkin zaryadlardan (zaryad tashuvchilardan) tashqari - elektronlar, zonada P, va p zonasidagi teshiklar - zonalarning har birida qarama-qarshi belgining arzimas miqdordagi zaryadlari ham mavjud. Bular o'zlarining kichik zaryad tashuvchilari bo'lib, ular har qanday yarimo'tkazgichda mavjud bo'lib, unda atomlarning termal harakati tufayli paydo bo'ladi va aynan ular diod orqali teskari oqim hosil qiladi. Bu zaryadlarning nisbatan kamligi bor va teskari oqim to'g'ridan-to'g'ri zaryaddan ko'p marta kamroq. Teskari oqimning kattaligi juda bog'liq: harorat muhit, yarimo'tkazgich materiali va maydoni pn o'tish. O'tish maydonining oshishi bilan uning hajmi oshadi va natijada termal hosil bo'lishi va termal oqim natijasida paydo bo'ladigan ozchilik tashuvchilar soni ortadi. Ko'pincha CVC, aniqlik uchun, grafiklar shaklida taqdim etiladi.

Ko'pgina yarimo'tkazgichlar mavjud kimyoviy elementlar(germaniy, kremniy, selen, tellur, mishyak va boshqalar), juda ko'p miqdordagi qotishmalar va kimyoviy birikmalar. Atrofimizdagi dunyoning deyarli barcha noorganik moddalari yarim o'tkazgichlardir. Tabiatda eng keng tarqalgan yarimo'tkazgich kremniy bo'lib, u yer qobig'ining taxminan 30% ni tashkil qiladi.

Yarimo'tkazgichlar va metallar o'rtasidagi sifat farqi quyidagicha namoyon bo'ladi qarshilikning haroratga bog'liqligi(9.3-rasm)

Yarimo'tkazgichlarning elektron-teshik o'tkazuvchanligining tarmoqli modeli

Ta'lim sohasida qattiq moddalar Vaziyat, boshlang'ich atomlarning valentlik elektronlarining energiya darajalaridan kelib chiqadigan energiya diapazoni elektronlar bilan to'liq to'ldirilgan va elektronlar bilan to'ldirish uchun mavjud bo'lgan eng yaqinlari bo'lganda mumkin. energiya darajalari dan ajratilgan valentlik bandi E V hal qilinmagan energiya holatlari oralig'i - deb ataladigan taqiqlangan zona Masalan, g.Transa oralig'idan yuqorida elektronlar uchun ruxsat etilgan energiya holatlari zonasi - o'tkazuvchanlik bandi E c.

0 K da o'tkazuvchanlik zonasi butunlay erkin, valentlik zonasi esa to'liq band. Shunga o'xshash tarmoqli tuzilmalar kremniy, germaniy, galliy arsenid (GaAs), indiy fosfidi (InP) va boshqa ko'plab yarim o'tkazgichli qattiq moddalarga xosdir.

Yarimo'tkazgichlar va dielektriklarning harorati oshishi bilan elektronlar issiqlik harakati bilan bog'liq qo'shimcha energiya olish imkoniyatiga ega. kT. Ba'zi elektronlar uchun issiqlik harakatining energiyasi o'tish uchun etarli valentlik zonasidan o'tkazuvchanlik zonasiga, bu erda tashqi elektr maydon ta'sirida elektronlar deyarli erkin harakatlanishi mumkin.

Ushbu holatda, yarimo'tkazgichli materialga ega bo'lgan sxemada yarimo'tkazgichning harorati ko'tarilishi bilan elektr toki kuchayadi. Bu oqim faqat o'tkazuvchanlik zonasidagi elektronlarning harakati bilan emas, balki tashqi ko'rinishi bilan ham bog'liq o'tkazuvchanlik zonasiga kirgan elektronlardan bo'sh joylar valentlik zonasida, deb ataladigan teshiklar . Bo'sh joyni qo'shni juftlikdan valentlik elektroni egallashi mumkin, keyin teshik kristallning yangi joyiga o'tadi.

Agar yarimo'tkazgich elektr maydoniga joylashtirilsa, unda tartiblangan harakatda nafaqat erkin elektronlar, balki musbat zaryadlangan zarrachalar kabi harakat qiladigan teshiklar ham ishtirok etadi. Shuning uchun, oqim I yarimo'tkazgichda elektrondan iborat men n va teshik Ip oqimlari: I= men n+ Ip.

O'tkazuvchanlikning elektron-teshik mexanizmi faqat toza (ya'ni, aralashmalarsiz) yarim o'tkazgichlarda o'zini namoyon qiladi. U deyiladi o'z elektr o'tkazuvchanligi yarimo'tkazgichlar. bilan elektronlar o'tkazuvchanlik zonasiga tashlanadi Fermi darajasi, bu o'zining yarimo'tkazgichida joylashganligi ma'lum bo'ldi taqiqlangan zonaning o'rtasida(9.4-rasm).

Yarimo'tkazgichlarning o'tkazuvchanligini sezilarli darajada o'zgartirish, ularga juda oz miqdordagi aralashmalarni kiritish mumkin. Metallarda nopoklik har doim o'tkazuvchanlikni pasaytiradi. Shunday qilib, sof kremniyga 3% li fosfor atomlarining qo‘shilishi kristalning elektr o‘tkazuvchanligini 105 marta oshiradi.

Yarimo'tkazgichga ozgina dopant qo'shilishi doping deb ataladi.

Kerakli holat Nopoklarning kiritilishi bilan yarim o'tkazgichning qarshiligining keskin pasayishi, nopoklik atomlarining valentligining kristalning asosiy atomlari valentligidan farqidir. Yarimo'tkazgichlarning aralashmalar mavjudligidagi o'tkazuvchanligi deyiladi nopoklik o'tkazuvchanligi .

Farqlash nopoklikni o'tkazishning ikki turi – elektron va teshik o'tkazuvchanlik. Elektron o'tkazuvchanlik tetravalent atomli germaniy kristaliga besh valentli atomlar (masalan, mishyak, As) kiritilganda yuzaga keladi (9.5-rasm).

Mishyak atomining to'rtta valent elektronlari to'rtta qo'shni germaniy atomlari bilan kovalent bog'lanish hosil bo'lishida ishtirok etadi. Beshinchi valentlik elektron ortiqcha bo'lib chiqdi. U mishyak atomidan osongina ajralib chiqadi va erkin bo'ladi. Elektronni yo'qotgan atom kristall panjaraning joyida joylashgan musbat ionga aylanadi.

Yarimo'tkazgich kristalining valentligi asosiy atomlarining valentligidan katta bo'lgan atomlarning aralashmasi deyiladi. donor nopokligi . Uning kiritilishi natijasida kristallda sezilarli miqdordagi erkin elektronlar paydo bo'ladi. Bu yarimo'tkazgichning qarshiligining keskin pasayishiga olib keladi - minglab va hatto millionlab marta.

Supero'tkazuvchilar qarshiligi bilan ajoyib tarkib aralashmalar metall o'tkazgichning qarshiligiga yaqinlashishi mumkin. Erkin elektronlar tufayli bunday o'tkazuvchanlik elektron deb ataladi va elektron o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan yarimo'tkazgich deyiladi n tipidagi yarimo'tkazgich.

teshik o'tkazuvchanligi germaniy kristaliga uch valentli atomlar kiritilganda yuzaga keladi, masalan, indiy atomlari (9.5-rasm).

6-rasmda valentlik elektronlari yordamida faqat uchta qo'shni germaniy atomlari bilan kovalent bog'langan indiy atomi ko'rsatilgan. Indiy atomida toʻrtinchi germaniy atomi bilan bogʻlanish uchun elektron yoʻq. Ushbu etishmayotgan elektronni qo'shni germaniy atomlarining kovalent aloqasidan indiy atomi olishi mumkin. Bunday holda, indiy atomi kristall panjara joyida joylashgan manfiy ionga aylanadi va qo'shni atomlarning kovalent bog'lanishida bo'sh joy hosil bo'ladi.

Elektronlarni ushlay oladigan atomlar aralashmasi deyiladi qabul qiluvchi nopoklik . Kristalga akseptor nopokligi kiritilishi natijasida ko'plab kovalent bog'lar uzilib, bo'sh joylar (teshiklar) hosil bo'ladi. Elektronlar qo'shni kovalent aloqalardan bu joylarga sakrashi mumkin, bu esa kristall atrofidagi teshiklarning tasodifiy aylanishiga olib keladi.

Akseptor nopokligi bo'lgan yarimo'tkazgichdagi teshiklarning kontsentratsiyasi yarimo'tkazgichning ichki elektr o'tkazuvchanligi mexanizmi tufayli paydo bo'lgan elektronlar kontsentratsiyasidan sezilarli darajada oshadi: np>> n n. Ushbu turdagi o'tkazuvchanlik deyiladi teshik o'tkazuvchanligi . Teshik o'tkazuvchanligiga ega bo'lgan nopoklik yarimo'tkazgich deyiladi p tipidagi yarimo'tkazgich . Yarimo'tkazgichlarda asosiy bepul zaryad tashuvchilar p- turi teshiklardir.

Elektron teshikka o'tish. Diodlar va tranzistorlar

Zamonaviy elektron texnologiyada yarimo'tkazgichli qurilmalar alohida rol o'ynaydi. So'nggi o'ttiz yil ichida ular elektrovakuum qurilmalarini deyarli butunlay almashtirdilar.

Har qanday yarimo'tkazgichli qurilma bir yoki bir nechta elektron-teshik birikmalariga ega. . Elektron teshikka o'tish (yoki n–p-o'tish) - bilan ikkita yarimo'tkazgichning aloqa maydoni turli xil turlari o'tkazuvchanlik.

Yarimo'tkazgichlar chegarasida (9.7-rasm) qo'sh elektr qatlami hosil bo'ladi, uning elektr maydoni elektronlar va teshiklarning bir-biriga qarab tarqalishi jarayonini oldini oladi.

Qobiliyat n–p-deyarli faqat bitta yo'nalishdagi oqimga o'tish deb nomlangan qurilmalarda qo'llaniladi yarimo'tkazgichli diodlar. Yarimo'tkazgichli diodlar kremniy yoki germaniy kristallaridan tayyorlanadi. Ularni ishlab chiqarish jarayonida nopoklik boshqa turdagi o'tkazuvchanlikni ta'minlaydigan ma'lum turdagi o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan kristallga eritiladi.

9.8-rasmda silikon diodaning tipik volt-amper xarakteristikasi ko'rsatilgan.

Bir emas, balki ikkita n-p o'tish joyi bo'lgan yarimo'tkazgichli qurilmalar deyiladi tranzistorlar . Transistorlar ikki xil bo'ladi: p–n–p-tranzistorlar va n–p–n- tranzistorlar. tranzistorda n–p–n-tipdagi asosiy germaniy plitasi o'tkazuvchan p-turi va uning ustida yaratilgan ikkita mintaqa - o'tkazuvchanlik bo'yicha n-turi (9.9-rasm).

tranzistorda p–n–p- buning aksi. Transistorning plastinkasi deyiladi asos(B), qarama-qarshi turdagi o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan hududlardan biri - kollektor(K) va ikkinchisi - emitent(E).