Primjeri električne struje u poluvodičima. Električna struja u poluvodičima. Poluvodička dioda. Poluvodički uređaji
Prema vrijednosti električnog otpora poluvodiči zauzimaju srednji položaj između dobrih vodiča i dielektrika. Poluvodiči uključuju mnoge kemijske elemente (germanij, silicij, selen, telur, arsen itd.), ogroman broj legura i kemijskih spojeva. Gotovo sve anorganske tvari svijet oko nas – poluvodiči. Najrašireniji poluvodič u prirodi je silicij, koji čini oko 30% zemljine kore.
Kvalitativna razlika između poluvodiča i metala očituje se prvenstveno u ovisnosti otpora o temperaturi. Snižavanjem temperature smanjuje se otpor metala (slika 1.12.4). U poluvodičima, naprotiv, otpor raste s padom temperature i blizu apsolutne nule oni praktički postaju izolatori (slika 1.13.1).
Takav tijek ovisnosti ρ ( T) pokazuje da u poluvodičima koncentracija slobodnih nositelja naboja ne ostaje konstantna, već raste s porastom temperature. Mehanizam električne struje u poluvodičima ne može se objasniti u okviru modela plina slobodnih elektrona. Razmotrimo kvalitativno ovaj mehanizam na primjeru germanija (Ge). U kristalu silicija (Si) mehanizam je sličan.
Atomi germanija imaju četiri slabo vezana elektrona u svojoj vanjskoj ljusci. Zovu se valentni elektroni . U kristalnoj rešetki, svaki atom je okružen sa svoja četiri najbliža susjeda. Veza između atoma u kristalu germanija je kovalentni , tj. provode ga parovi valentnih elektrona. Svaki valentni elektron pripada dvama atomima (sl. 1.13.2). Valentni elektroni u kristalu germanija mnogo su jače vezani za atome nego u metalima; Stoga je koncentracija elektrona vodljivosti na sobnoj temperaturi u poluvodičima mnogo redova veličine niža nego u metalima. Blizu temperature apsolutne nule u kristalu germanija, svi elektroni su zauzeti u formiranju veza. Takav kristal ne provodi električnu struju.
Kako se temperatura povećava, neki od valentnih elektrona mogu dobiti dovoljno energije da raskinu kovalentne veze. Tada će se u kristalu pojaviti slobodni elektroni (elektroni vodljivosti). Istodobno se stvaraju prazna mjesta na mjestima gdje su veze prekinute, a koja nisu zauzeta elektronima. Ova slobodna radna mjesta su tzv rupe . Upražnjeno mjesto može zauzeti valentni elektron iz susjednog para, tada će se rupa pomaknuti na novo mjesto u kristalu. Pri određenoj temperaturi poluvodiča u jedinici vremena nastaje određeni broj parova elektron-šupljina. Na isti vrijeme teče obrnuti proces - kada slobodni elektron susretne šupljinu, elektronska veza između atoma germanija se obnavlja. Ovaj proces se zove rekombinacija . Parovi elektron-šupljina također se mogu stvoriti pri osvjetljavanju poluvodiča zbog energije elektromagnetska radijacija. U nedostatku električnog polja, vodljivi elektroni i šupljine sudjeluju u kaotičnom toplinskom gibanju.
Ako se ubaci poluvodič električno polje, onda u uređenom gibanju nisu uključeni samo slobodni elektroni, već i šupljine, koje se ponašaju kao pozitivno nabijene čestice. Stoga struja ja u poluvodiču se sastoji od elektrona jan i rupa jastr struje:
ja = jan + jastr. |
Koncentracija elektrona vodljivosti u poluvodiču jednaka je koncentraciji šupljina: nn = nstr. Mehanizam vodljivosti elektron-rupa očituje se samo u čistim (tj. bez nečistoća) poluvodičima. To se zove vlastitu električnu vodljivost poluvodiči.
Ako ima nečistoća električna provodljivost poluvodiča uvelike mijenja. Na primjer, dodavanje fosfornih nečistoća u količini od 0,001 atomskog postotka kristalu silicija smanjuje otpornost za više od pet redova veličine. Tako jak utjecaj nečistoća može se objasniti na temelju gornjih ideja o strukturi poluvodiča.
Nužan uvjet za oštro smanjenje otpora poluvodiča pri uvođenju nečistoća je razlika u valenciji atoma nečistoća od valencije glavnih atoma kristala.
Vodljivost poluvodiča u prisutnosti nečistoća naziva se nečistoća vodljivost . Postoje dvije vrste provodljivosti nečistoća - elektronička I rupa.
Elektronska vodljivost nastaje kada se peterovalentni atomi (na primjer, atomi arsena, As) uvedu u kristal germanija s četverovalentnim atomima.
Na sl. Slika 1.13.3 prikazuje peterovalentni atom arsena koji se nalazi na mjestu kristalne rešetke germanija. Četiri valentna elektrona atoma arsena uključena su u stvaranje kovalentnih veza s četiri susjedna atoma germanija. Pokazalo se da je peti valentni elektron suvišan; lako se odvaja od atoma arsena i postaje slobodan. Atom koji je izgubio elektron postaje pozitivan ion smješten na mjestu u kristalnoj rešetki. Nečistoća atoma čija je valencija veća od valencije glavnih atoma poluvodičkog kristala naziva se donor nečistoća . Kao rezultat njegovog uvođenja, u kristalu se pojavljuje značajan broj slobodnih elektrona. To dovodi do oštrog smanjenja otpora poluvodiča - tisućama, pa čak i milijunima puta. Otpornost vodiča s visokim sadržajem nečistoća može se približiti metalnom vodiču.
U kristalu germanija s primjesom arsena postoje elektroni i rupe odgovorni za vlastitu vodljivost kristala. Ali glavni tip slobodnih nositelja naboja su elektroni odvojeni od atoma arsena. U takvom kristalu nn >> nstr. Ova vodljivost se zove elektronička, a naziva se poluvodič s elektronskom vodljivošću poluvodič n-tipa .
Vodljivost rupa nastaje kada se trovalentni atomi (na primjer, atomi indija, In) uvedu u kristal germanija. Na sl. Na slici 1.13.4 prikazan je atom indija koji je uz pomoć svojih valentnih elektrona stvorio kovalentne veze sa samo tri susjedna atoma germanija. Atom indija nema elektron za stvaranje veze s četvrtim atomom germanija. Taj nedostajući elektron atom indija može uhvatiti iz kovalentne veze susjednih atoma germanija. U tom se slučaju atom indija pretvara u negativni ion smješten na mjestu kristalne rešetke, a u kovalentnoj vezi susjednih atoma nastaje prazno mjesto. Smjesa atoma sposobna uhvatiti elektrone naziva se akceptorska primjesa . Kao rezultat uvođenja akceptorske nečistoće, mnoge kovalentne veze se prekidaju u kristalu i stvaraju se prazna mjesta (rupe). Elektroni iz susjednih kovalentnih veza mogu skočiti na ta mjesta, što dovodi do kaotičnog lutanja rupa po kristalu.
Prisutnost akceptorske nečistoće naglo smanjuje otpornost poluvodiča zbog pojave veliki broj slobodne rupe. Koncentracija rupa u poluvodiču s akceptorskom nečistoćom znatno premašuje koncentraciju elektrona koji su nastali zbog mehanizma vlastite električne vodljivosti poluvodiča: nstr >> nn. Ova vrsta vodljivosti naziva se vodljivost otvora. Poluvodič s primjesom s šupljikom vodljivošću naziva se p-tip poluvodiča . Glavni slobodni nositelji naboja u poluvodičima str-vrsta su rupe.
Treba naglasiti da je vodljivost šupljina zapravo posljedica relejnog kretanja elektrona kroz prazna mjesta od jednog atoma germanija do drugog, koji ostvaruju kovalentnu vezu.
Za poluvodiče n- I str-vrste, Ohmov zakon je zadovoljen u određenim područjima struje i napona, uz uvjet da su koncentracije slobodnih nositelja konstantne.
Razlika između vodiča i poluvodiča posebno dolazi do izražaja kada se analizira ovisnost njihove električne vodljivosti o temperaturi. Istraživanja pokazuju da za niz elemenata (silicij, germanij, selen, indij, arsen itd.) i spojeva (PbS, CdS, GaAs itd.) otpornost ne raste s porastom temperature, kao kod metala (vidi sl. 16.3 ), ali, naprotiv, izuzetno naglo opada (Sl. 16.4). Ovo svojstvo je svojstveno posebno poluvodičima.
Iz grafikona prikazanog na slici jasno je da je na temperaturama blizu apsolutne nule otpor poluvodiča vrlo visok. To znači da kada niske temperature poluvodič se ponaša kao dielektrik. Kako temperatura raste, njegov otpor se brzo smanjuje.
Struktura poluvodiča. Da biste uključili tranzistorski prijemnik, ne morate ništa znati. Ali da biste ga stvorili, morali ste puno znati i imati nesvakidašnji talent. Općenito razumjeti kako tranzistor radi nije tako teško. Prvo se morate upoznati s mehanizmom provođenja u poluvodičima. A za ovo ćete se morati udubiti prirodu veza, držeći atome poluvodičkog kristala jedan blizu drugoga.
Na primjer, razmotrite kristal silicija.
Silicij je četverovalentni element. To znači da se u vanjskoj ljusci njegovog atoma nalaze četiri elektrona koji su relativno slabo vezani za jezgru. Broj najbližih susjeda svakog atoma silicija također je četiri. Dijagram strukture kristala silicija prikazan je na slici (16.5).
Međudjelovanje para susjednih atoma provodi se pomoću parne elektroničke veze tzv kovalentna veza. U stvaranju ove veze sudjeluje po jedan valentni elektron iz svakog atoma, elektroni su odvojeni od atoma kojem pripadaju (prikuplja ih kristal), a tijekom svog kretanja najveći dio vremena provode u prostoru između susjednih atoma. Njihov negativni naboj drži pozitivne ione silicija jedan blizu drugoga.
Ne treba misliti da skupni par elektrona pripada samo dvama atomima. Svaki atom tvori četiri veze sa svojim susjedima, a svaki valentni elektron može se kretati duž jedne od njih. Došavši do susjednog atoma, može prijeći na sljedeći, a zatim dalje po cijelom kristalu. Valentni elektroni pripadaju cijelom kristalu.
Parno-elektronske veze u kristalu silicija su prilično jake i ne pucaju na niskim temperaturama. Stoga silicij pri niskim temperaturama ne provodi električnu struju. Valentni elektroni uključeni u vezivanje atoma su poput cementne otopine koja drži kristalnu rešetku, a vanjsko električno polje nema zamjetan učinak na njihovo kretanje. Kristal germanija ima sličnu strukturu.
Elektronska vodljivost. Kada se silicij zagrijava, kinetička energija čestica se povećava i pojedinačne veze pucaju. Neki elektroni napuštaju svoje "utabane staze" i postaju slobodni, poput elektrona u metalu. U električnom polju oni se kreću između čvorova rešetke, stvarajući električnu struju (sl. 16.6).
S porastom temperature povećava se broj prekinutih veza, a time i slobodnih elektrona. Zagrijavanjem od 300 do 700 K broj slobodnih nositelja naboja raste s 10 17 na 10 24 1/ml 3. To dovodi do smanjenja otpora.
Vodljivost rupa.
Rupa ima višak pozitivnog naboja u usporedbi s drugim neprekinutim vezama (vidi sl. 16.6).
Položaj otvora u kristalu nije konstantan. Sljedeći proces se odvija kontinuirano. Jedan od elektrona koji osigurava spajanje atoma skače na mjesto nastale rupe i ovdje obnavlja par-elektronsku vezu, a tamo gdje je taj elektron iskočio nastaje nova rupa. Dakle, rupa se može kretati po kristalu.
Ako je jakost električnog polja u uzorku nula, tada se rupe pomiču nasumično i stoga ne stvaraju električnu struju. U prisutnosti električnog polja dolazi do uređenog kretanja rupa.
U nedostatku vanjskog polja, postoji jedna šupljina (+) po slobodnom elektronu (-). Kada se polje primijeni, slobodni elektron se pomiče u odnosu na jakost polja. U tom se smjeru kreće i jedan od vezanih elektrona. Ovo izgleda kao pomicanje rupe u smjeru polja.
Dakle, u poluvodičima postoje dvije vrste nositelja naboja: elektroni i šupljine.
Ispitali smo mehanizam provođenja čistih poluvodiča.
Erjutkin Evgenij Sergejevič
Učitelj fizike najviše kvalifikacijske kategorije, Državna obrazovna ustanova Srednja škola br. 1360, Moskva
Ako napravite izravnu vezu, tada će vanjsko polje neutralizirati blokirajuće polje, a struju će nositi glavni nositelji naboja.
Riža. 9. p-n spoj s izravnim spojem ()
U ovom slučaju struja manjinskih nositelja je zanemariva, praktički nepostojeća. Stoga p-n spoj osigurava jednosmjerno provođenje električne struje.
Riža. 10. Atomska struktura silicija s porastom temperature
Vodljivost poluvodiča je elektron-šupljina, a takva se vodljivost naziva vlastita vodljivost. I za razliku od metala vodiča, s povećanjem temperature povećava se broj slobodnih naboja (u prvom slučaju se ne mijenja), stoga vodljivost poluvodiča raste s porastom temperature, a otpor se smanjuje
Vrlo važno pitanje u proučavanju poluvodiča je prisutnost nečistoća u njima. A u slučaju prisutnosti nečistoća, treba govoriti o vodljivosti nečistoća.
Mala veličina i vrlo visoka kvaliteta odaslanih signala učinili su poluvodičke elemente vrlo čestima u suvremenoj elektroničkoj tehnologiji. Sastav takvih uređaja može uključivati ne samo gore spomenuti silicij s nečistoćama, već i, na primjer, germanij.
Jedan takav uređaj je dioda - uređaj koji može propustiti struju u jednom smjeru i spriječiti njezin prolaz u drugom. Dobiva se implantiranjem poluvodiča druge vrste u kristal poluvodiča p- ili n-tipa.
Riža. 11. Oznaka diode na dijagramu i dijagramu njegovog uređaja, respektivno
Još jedan uređaj, sada s dva p-n spoj Zovemo ga tranzistor. Služi ne samo za odabir smjera prijenosa struje, već i za njegovu transformaciju.
Riža. 12. Dijagram strukture tranzistora i njegova oznaka na električni dijagram odnosno ()
Treba napomenuti da moderni mikro krugovi koriste mnoge kombinacije dioda, tranzistora i drugih električnih uređaja.
U sljedećoj lekciji ćemo pogledati širenje električne struje u vakuumu.
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (osnovna razina) M.: Mnemosyne. 2012
- Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. razred. M.: Ilexa. 2005. godine
- Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizika. Elektrodinamika M.: 2010
- Načela rada uređaja ().
- Enciklopedija fizike i tehnologije ().
- Što uzrokuje pojavu elektrona vodljivosti u poluvodiču?
- Što je intrinzična vodljivost poluvodiča?
- Kako vodljivost poluvodiča ovisi o temperaturi?
- Po čemu se donorska nečistoća razlikuje od akceptorske?
- *Kolika je vodljivost silicija s primjesom a) galija, b) indija, c) fosfora, d) antimona?
U ovom radu autor ispituje što su poluvodiči, čemu su namijenjeni i gdje se koriste.Brzi napredak i minijaturizacija elektronike, koja se obično koristi u računalima, radiju, televiziji i drugim komunikacijama, omogućena je korištenjem integrirani krugovi. Ovi sklopovi se ne mogu zamisliti bez poluvodičkih elemenata. sadržaj
Sadržaj 1. Prvo Prvo 2. Poluvodiči u prirodi Poluvodiči u prirodi 3. Fizička svojstva poluvodičiFizička svojstva poluvodiča 4. Vlastita vodljivost poluvodiča Vlastita vodljivost poluvodiča 5. Vodljivost poluvodiča nečistoćom Vodljivost poluvodiča nečistoćom 6.p – n spoj i njegova električna svojstvap – n spoj i njegova električna svojstva 7. Primjena poluvodičaPrimjena poluvodiča 8. TestTest
Poluvodiči u prirodi Sve tvari u prirodi mogu se podijeliti na vodiče električnog naboja, dielektrike (nevodiče) i tvari koje zauzimaju srednji položaj između njih. Te se tvari nazivaju poluvodičima. U normalnim uvjetima ne provode električni naboj, ali kada se ti uvjeti promijene mogu se pretvoriti u vodiče. Poluvodiči uključuju mnoge kemijske elemente (germanij, silicij, selen, telur, arsen i druge), veliki broj legura i kemijskih spojeva (galijev arsenid, itd.). Gotovo sve anorganske tvari u svijetu oko nas su poluvodiči. Najrašireniji poluvodič u prirodi je silicij, koji čini oko 30% zemljine kore. sadržaj
Fizikalna svojstva poluvodiča Poluvodiči su materijali koji po specifičnoj vodljivosti zauzimaju srednji položaj između vodiča i dielektrika i razlikuju se od vodiča po jakoj ovisnosti specifične vodljivosti o koncentraciji nečistoća, temperaturi i različite vrste radijacija. Glavno svojstvo ovih materijala je povećanje električne vodljivosti s porastom temperature. Električna svojstva tvari Vodiči Poluvodiči Dielektrici Dobro provode električnu struju Tu spadaju metali, elektroliti, plazma ... Vodiči koji se najviše koriste su Au, Ag, Cu, Al, Fe ... Dobro provode električnu struju Tu spadaju metali, elektroliti, plazma ... Najčešće korišteni vodiči su Au, Ag, Cu, Al, Fe... Praktički ne provode električnu struju.To su plastika, guma, staklo, porculan, suho drvo, papir ... Praktički ne provode električnu struju Tu spadaju plastika, guma, staklo, porculan, suho drvo, papir ... Zauzimaju srednji položaj u vodljivosti između vodiča i dielektrika Si, Ge, Se, In, As Zauzimaju međuprodukt položaj u vodljivosti između vodiča i dielektrika Sadržaj Si, Ge, Se, In, As
Fizikalna svojstva poluvodiča Vodljivost poluvodiča ovisi o temperaturi. Za razliku od vodiča, čiji otpor raste s temperaturom, otpor poluvodiča se smanjuje zagrijavanjem. U blizini temperature apsolutne nule, poluvodiči imaju svojstva dielektrika. To se događa jer se s povećanjem temperature povećava broj slobodnih nositelja naboja, povećava se vodljivost poluvodiča, a smanjuje otpor R (Ohm) t (0 C) R0R0 sadržaj metalnih poluvodiča
Vlastita vodljivost poluvodiča U normalnim uvjetima (niske temperature) u poluvodičima nema slobodnih nabijenih čestica, pa poluvodič ne provodi električnu struju. Pogledajmo ovo na primjeru silicija. Si silicij – 4 valencije kemijski element. Svaki atom ima 4 elektrona u svom vanjskom elektronskom sloju, koji se koriste za stvaranje parnih elektroničkih (kovalentnih) veza sa 4 susjedna atoma. U isto vrijeme besplatno električni naboji nema sadržaja
“Rupa” Kada se zagrijava, kinetička energija elektrona raste i najbrži od njih napuštaju svoju orbitu. Kada se veza između elektrona i jezgre prekine, pojavljuje se slobodan prostor elektronska ljuska atom. Na ovom mjestu formira se uvjetni pozitivni naboj, koji se naziva "rupa". Si rupa + + sadržaj slobodnih elektrona
Vlastita vodljivost poluvodiča Valentni elektron susjednog atoma, privučen šupljinom, može skočiti u nju (rekombinirati). U tom slučaju na svom izvornom mjestu nastaje nova "rupa" koja se zatim na sličan način može kretati po kristalu. sadržaj
Vlastita vodljivost poluvodiča Ako je jakost električnog polja u uzorku jednaka nuli, tada se kretanje oslobođenih elektrona i "rupa" događa nasumično i stoga ne stvara električnu struju. Pod utjecajem električnog polja, elektroni i šupljine započinju uređeno (protu) kretanje, tvoreći električnu struju. Vodljivost u tim uvjetima naziva se vlastita vodljivost poluvodiča. U ovom slučaju kretanje elektrona stvara elektronsku vodljivost, a kretanje šupljina stvara vodljivost šupljina. sadržaj
Vodljivost nečistoća poluvodiča Dozirano unošenje nečistoća u čisti vodič omogućuje vam namjernu promjenu njegove vodljivosti. Stoga se za povećanje vodljivosti nečistoće uvode u čiste poluvodiče (dopirane), a to su donorske i akceptorske nečistoće AkceptorDonor p-tip poluvodiča n-tip poluvodiča sadržaj
Elektronički poluvodiči (n-tip) Pojam "n-tip" dolazi od riječi "negativan", što se odnosi na negativni naboj većinskih nositelja. Ova vrsta poluvodiča ima nečistoću. Pentavalentni poluvodič (kao što je arsen) dodaje se četverovalentnom poluvodiču (kao što je silicij). Kada se 4-valentni silicij Si dopira 5-valentnim arsenom As, jedan od 5 elektrona arsena postaje slobodan. U ovom slučaju, prijenos naboja obavljaju uglavnom elektroni, jer njihova koncentracija je veća od rupa. Ova se vodljivost naziva elektroničkom. Nečistoće koje se dodaju poluvodičima, zbog čega oni postaju poluvodiči n-tipa, nazivaju se donorske nečistoće. Vodljivost N-poluvodiča približno je jednaka: Kao Dakle, promjenom koncentracije arsena moguće je promijeniti vodljivost silicija u širokom rasponu. Si sadržaj
Rupčasti poluvodiči (p-tip) Pojam “p-tip” dolazi od riječi “positive” koja označava pozitivan naboj većinskih nositelja. Mala količina atoma trovalentnog elementa (kao što je indij) dodaje se četverovalentnom poluvodiču (kao što je silicij). Nečistoće koje se u tom slučaju dodaju nazivaju se akceptorske nečistoće. Ako je silicij dopiran trovalentnim indijem, tada indiju nedostaje jedan elektron za stvaranje veze sa silicijem, tj. nastaje dodatna rupa. U takvom poluvodiču glavni nositelji naboja su šupljine, a vodljivost se naziva šupljinska vodljivost. Vodljivost P-poluvodiča približno je jednaka: In + Promjenom koncentracije indija moguće je promijeniti vodljivost silicija u širokom rasponu, stvarajući poluvodič sa zadanim električnim svojstvima. Si sadržaj
Razmotrimo električni kontakt dva poluvodiča p i n tipa, nazvan p – n spoj + _ 1. Izravna veza Struju kroz p – n spoj nose glavni nositelji naboja (rupe se pomiču udesno, elektroni se pomiču prema lijevo) Otpor spoja je nizak, struja je velika. Ova veza se naziva izravna; u smjeru prema naprijed, p–n spoj dobro provodi električnu struju. pn sadržaj
2. Obrnuto prebacivanje Većinski nositelji naboja ne prolaze kroz p–n spoj. Otpor spoja je visok, struje praktički nema. Ova veza se naziva obrnutom; u suprotnom smjeru, p-n spoj praktički ne provodi električnu struju. rn Sadržaj sloja barijere
Dioda Poluvodička dioda sastoji se od dvije vrste poluvodiča: rupičastog i elektronskog. Tijekom kontakta između ovih područja, elektroni prelaze iz područja s poluvodičem n-tipa u područje s poluvodičem p-tipa, koji se zatim rekombiniraju s rupama. Kao rezultat, između dva područja nastaje električno polje, koje postavlja granicu za podjelu poluvodiča, tzv. p-n spoj. Kao rezultat toga, nekompenzirani naboj negativnih iona pojavljuje se u području s p-tipom poluvodiča, a nekompenzirani naboj pozitivnih iona pojavljuje se u području s n-tipom poluvodiča. Razlika između potencijala doseže 0,3-0,6 V. Odnos između razlike potencijala i koncentracije nečistoća izražava se sljedećom formulom: gdje je VT termodinamički napon, Nn koncentracija elektrona, Np koncentracija šupljina, ni je intrinzična koncentracija. sadržaj
Tranzistor Tranzistor je poluvodički element koji se sastoji od dva područja s poluvodičima p- ili n-tipa, između kojih se nalazi područje s poluvodičem n- ili p-tipa. Dakle, tranzistor ima dva p-n područja tranzicija. Područje kristala između dvaju spojeva naziva se baza, a vanjska područja nazivaju se emiter i kolektor. Najčešće korišten spojni sklop tranzistora je spojni sklop sa zajedničkim emiterom, u kojem se struja širi kroz bazu i emiter do kolektora. Za pojačanje električne struje koristi se bipolarni tranzistor. sadržaj
Lekcija broj 41-169 Struja u poluvodičima. Poluvodička dioda. Poluvodički uređaji.
Poluvodič je tvar u kojoj otpor može varirati u širokom rasponu i vrlo brzo opada s porastom temperature, što znači da se električna vodljivost povećava. Primjećuje se u siliciju, germaniju, selenu iu nekim spojevima. Mehanizam provođenja u poluvodičima
Poluvodički kristali imaju atomsku kristalnu rešetku u kojoj su vanjski elektroni povezani sa susjednim atomima kovalentnim vezama. Na niskim temperaturama čisti poluvodiči nemaju slobodnih elektrona i ponašaju se kao izolator. Ako je poluvodič čist (bez primjesa), tada ima vlastitu vodljivost (malu). Unutarnja vodljivost je dvije vrste: 1) elektronska (vodljivost " P"-tip) Pri niskim temperaturama u poluvodičima svi elektroni su povezani s jezgrama i otpor je visok; Kako temperatura raste, kinetička energija čestica raste, veze se raspadaju i pojavljuju se slobodni elektroni - otpor se smanjuje. Slobodni elektroni kreću se suprotno od vektora jakosti električnog polja. Elektronska vodljivost poluvodiča je posljedica prisutnosti slobodnih elektrona. 2) rupa ("p"-tip vodljivosti). S povećanjem temperature, kovalentne veze između valentnih elektrona se uništavaju između atoma i mjesta s nastaje nedostajući elektron - "rupa". Može se kretati po kristalu, jer njegovo mjesto mogu zamijeniti valentni elektroni. Kretanje "rupe" je ekvivalentno kretanju pozitivnog naboja. Kretanje rupe događa se u smjeru vektora jakosti električnog polja.Pucanje kovalentnih veza i pojava intrinzične vodljivosti poluvodiča može biti uzrokovano zagrijavanjem, osvjetljenjem (fotovodljivost) i djelovanjem jakih električnih polja. Ukupna vodljivostčistog poluvodiča sastoji se od vodljivosti “p” i “n” tipa i naziva se elektron-rupna vodljivost. Poluvodiči s primjesama
Imaju vlastitu i nečistoću vodljivost. Prisutnost nečistoća uvelike povećava vodljivost. Promjenom koncentracije nečistoća mijenja se i broj nositelja električne struje - elektrona i šupljina. Sposobnost kontrole struje je u srži široka primjena poluvodiči. Postoje sljedeće nečistoće: 1) nečistoće donatora (doniranje) - su dodatne dobavljači elektrona poluvodičkim kristalima, lako doniraju elektrone i povećavaju broj slobodnih elektrona u poluvodiču. Ovo su dirigenti" n "-tip, tj. poluvodiči s nečistoćama donora, gdje su glavni nositelji naboja elektroni, a manjinski nositelji naboja su rupe. Takav poluvodič ima elektronsku vodljivost nečistoća (na primjer, arsen). 2
) akceptorske nečistoće (prijemnici) stvaraju “rupe” uzimajući elektrone u sebe. To su poluvodiči "p" tipa, tj. poluvodiči s akceptorskim primjesama, gdje je glavni nositelj naboja rupe, a manjina - elektroni. Takav poluvodič ima hole nečistoća vodljivost (primjer - indij). Električna svojstva "p-
n"prijelazi."pn" spoj (ili spoj elektron-rupa) je područje kontakta dvaju poluvodiča gdje se vodljivost mijenja iz elektronske u šupljinu (ili obrnuto). U
Takva područja mogu se stvoriti u poluvodičkom kristalu uvođenjem nečistoća. U kontaktnoj zoni dvaju poluvodiča različite vodljivosti odvijat će se međusobna difuzija elektrona i šupljina i formirat će se blokadna barijera. električni sloj. Električno polje barijernog sloja sprječavadaljnji prijelaz elektrona i šupljina preko granice. Blokirajući sloj ima povećan otpor u usporedbi s drugim područjima poluvodiča. U
Vanjsko električno polje utječe na otpor sloja barijere. U smjeru prema naprijed (kroz) vanjskog električnog polja struja prolazi kroz granicu dvaju poluvodiča. Jer elektroni i šupljine se kreću jedni prema drugima prema sučelju, zatim elektroni prelazeći granicu, popunjavaju rupe. Debljina zaštitnog sloja i njegova otpornost stalno se smanjuju.
P S blokadom (obrnutim smjerom vanjskog električnog polja) struja neće proći kroz područje kontakta dvaju poluvodiča. Jer elektroni i šupljine kreću se od granice u suprotnim smjerovima, zatim blokirajući sloj zgušnjava, povećava mu se otpor. Dakle, prijelaz elektron-rupa ima jednosmjernu vodljivost.
Poluvodička dioda- poluvodič s jednim p-n spojem.P Poluvodičke diode su glavni elementi AC ispravljača.
Kada se primjenjuje električno polje: u jednom smjeru otpor poluvodiča je visok, u suprotnom smjeru otpor je nizak.
Tranzistori.(iz engleske riječi prijenos - prijenos, otpornik - otpor) Razmotrimo jednu od vrsta tranzistora izrađenih od germanija ili silicija s unesenim donorskim i akceptorskim nečistoćama. Raspodjela nečistoća je takva da se između dva sloja poluvodiča p-tipa stvara vrlo tanak (reda nekoliko mikrometara) sloj poluvodiča n-tipa (vidi sliku). Ovaj tanki sloj tzv osnova ili baza. Dva se formiraju u kristalu R-n čvorišta čiji su prednji smjerovi suprotni. Tri izlaza iz područja s različite vrste vodljivosti omogućuju uključivanje tranzistora u krug prikazan na slici. Na ovo uključivanje lijevo R-n-prijelaz je direktno i odvaja bazu od regije s p-tipom vodljivosti, tzv odašiljač. Ako nije bilo prava R-n-spoj, u krugu emiter-baza postojala bi struja ovisno o naponu izvora (baterije B1 i izvor izmjenični napon) i otpor kruga, uključujući mali otpor izravnog spoja emiter-baza. Baterija B2 uključen tako da desna R-n spoj u krugu (vidi sliku) je obrnuti Odvaja bazu od desnog područja s p-tipom vodljivosti, tzv kolektor. Ako nije bilo lijeve R-n spoj, struja u kolektorskom krugu bila bi blizu nule, jer je otpor obrnutog spoja vrlo visok. Ako postoji struja u lijevoj R-n spoj, u krugu kolektora pojavljuje se struja, a struja u kolektoru je samo malo manja od struje u emiteru (ako se na emiter dovede negativan napon, onda lijevo R-n-spoj će biti obrnut i praktički neće biti struje u emiterskom krugu i u kolektorskom krugu). Kada se stvori napon između emitera i baze, većinski nositelji p-tipa poluvodiča - rupe - prodiru u bazu, gdje su već manjinski nositelji. Budući da je debljina baze vrlo mala, a broj većinskih nositelja (elektrona) u njoj malen, šupljine koje dospiju u nju gotovo se ne spajaju (ne rekombiniraju) s elektronima baze i prodiru u kolektor zbog do difuzije. Pravo R-n spoj je zatvoren za glavne nositelje naboja baze - elektrone, ali ne i za šupljine. Rupe u razvodniku se odnesu električno polje i zatvoriti krug. Snaga struje koja se grana u krug emitera iz baze je vrlo mala, budući da je površina poprečnog presjeka baze u vodoravnoj (vidi gornju sliku) ravnini mnogo manja od poprečnog presjeka u okomitoj ravnini.
Struja u kolektoru, koja je gotovo jednaka struji u emiteru, mijenja se zajedno sa strujom u emiteru. Otpornik R ima mali utjecaj na struju kolektora, a taj se otpor može učiniti prilično velikim. Kontroliranjem struje emitera pomoću izvora izmjeničnog napona spojenog na njegov krug, dobivamo sinkronu promjenu napona na otporniku R .
Uz veliki otpor otpornika, promjena napona na njemu može biti desetke tisuća puta veća od promjene napona signala u krugu emitera. To znači povećanu napetost. Dakle, pri opterećenju R Moguće je dobiti električne signale čija je snaga višestruko veća od snage koja ulazi u krug emitera.
Primjena tranzistora Svojstva R-n spojevi u poluvodičima koriste se za pojačanje i generiranje električnih oscilacija.