Prąd elektryczny w przykładach półprzewodników. Prąd elektryczny w półprzewodnikach. Dioda półprzewodnikowa. Urządzenia półprzewodnikowe

Według wartości oporu elektrycznego półprzewodniki zajmują pozycję pośrednią pomiędzy dobrymi przewodnikami i dielektrykami. Półprzewodniki obejmują wiele pierwiastków chemicznych (german, krzem, selen, tellur, arsen itp.), Ogromną liczbę stopów i związków chemicznych. Prawie wszystko substancje nieorganiczne otaczający nas świat - półprzewodniki. Najpopularniejszym półprzewodnikiem w przyrodzie jest krzem, który stanowi około 30% skorupy ziemskiej.

Różnica jakościowa między półprzewodnikami a metalami objawia się przede wszystkim w zależności rezystywności od temperatury. Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się opór metali (rysunek 1.12.4). Natomiast w półprzewodnikach rezystancja rośnie wraz ze spadkiem temperatury i w pobliżu zera absolutnego stają się one praktycznie izolatorami (ryc. 1.13.1).

Taki przebieg zależności ρ ( T) pokazuje, że w półprzewodnikach stężenie wolnych nośników ładunku nie pozostaje stałe, lecz wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Mechanizmu prądu elektrycznego w półprzewodnikach nie da się wyjaśnić w ramach modelu gazu na swobodnych elektronach. Rozważmy jakościowo ten mechanizm na przykładzie germanu (Ge). W krysztale krzemu (Si) mechanizm jest podobny.

Atomy germanu mają cztery słabo związane elektrony na swojej zewnętrznej powłoce. Nazywa się je elektrony walencyjne . W sieci krystalicznej każdy atom jest otoczony przez czterech najbliższych sąsiadów. Wiązanie między atomami w krysztale germanu jest kowalencyjny , tj. jest przeprowadzana przez pary elektronów walencyjnych. Każdy elektron walencyjny należy do dwóch atomów (ryc. 1.13.2). Elektrony walencyjne w krysztale germanu są znacznie silniej związane z atomami niż w metalach; Dlatego stężenie elektronów przewodzących w temperaturze pokojowej w półprzewodnikach jest o wiele rzędów wielkości mniejsze niż w metalach. W temperaturze bliskiej zera absolutnego w krysztale germanu wszystkie elektrony są zajęte w tworzeniu wiązań. Taki kryształ nie przewodzi prądu elektrycznego.

Wraz ze wzrostem temperatury niektóre elektrony walencyjne mogą zyskać energię wystarczającą do rozerwania wiązań kowalencyjnych. Wtedy w krysztale pojawią się wolne elektrony (elektrony przewodzące). Jednocześnie powstają wakaty w miejscach zerwania wiązań, które nie są zajęte przez elektrony. Te wolne miejsca pracy nazywane są dziury . Wolne miejsce może zająć elektron walencyjny z sąsiedniej pary, wówczas dziura przesunie się w nowe miejsce w krysztale. W danej temperaturze półprzewodnika w jednostce czasu powstaje pewna liczba par elektron-dziura. Naraz czas mija proces odwrotny - kiedy wolny elektron napotyka dziurę, zostaje przywrócony komunikacja elektroniczna pomiędzy atomami germanu. Proces ten nazywa się rekombinacja . Pary elektron-dziura można również utworzyć podczas oświetlania półprzewodnika pod wpływem energii promieniowanie elektromagnetyczne. W przypadku braku pola elektrycznego elektrony i dziury przewodzące uczestniczą w chaotycznym ruchu termicznym.

Jeśli włożymy półprzewodnik pole elektryczne, wówczas w uporządkowanym ruchu biorą udział nie tylko swobodne elektrony, ale także dziury, które zachowują się jak cząstki naładowane dodatnio. Dlatego prąd I w półprzewodniku składa się z elektronu IN i dziura IP prądy:

I = IN + IP.

Stężenie elektronów przewodzących w półprzewodniku jest równe stężeniu dziur: NN = NP. Mechanizm przewodnictwa elektron-dziura objawia się tylko w czystych (tj. Bez zanieczyszczeń) półprzewodnikach. To się nazywa własną przewodność elektryczną półprzewodniki.

Jeśli są zanieczyszczenia przewodność elektryczna półprzewodniki bardzo się zmieniają. Na przykład dodanie zanieczyszczeń fosforowych w ilości 0,001 procenta atomowego do kryształu krzemu zmniejsza rezystywność o ponad pięć rzędów wielkości. Ten silny wpływ zanieczyszczenia można wyjaśnić na podstawie powyższych pomysłów na temat struktury półprzewodników.

Warunkiem koniecznym gwałtownego spadku rezystywności półprzewodnika po wprowadzeniu zanieczyszczeń jest różnica wartościowości atomów domieszki od wartościowości głównych atomów kryształu.

Nazywa się przewodnością półprzewodników w obecności zanieczyszczeń przewodność zanieczyszczeń . Istnieją dwa rodzaje przewodności zanieczyszczeń - elektroniczny I otwór.

Przewodność elektronowa występuje, gdy atomy pięciowartościowe (na przykład atomy arsenu, As) są wprowadzane do kryształu germanu z atomami czterowartościowymi.

Na ryc. Rysunek 1.13.3 przedstawia pięciowartościowy atom arsenu znaleziony w miejscu sieci krystalicznej germanu. Cztery elektrony walencyjne atomu arsenu biorą udział w tworzeniu wiązań kowalencyjnych z czterema sąsiadującymi atomami germanu. Piąty elektron walencyjny okazał się zbędny; łatwo oddziela się od atomu arsenu i staje się wolny. Atom, który utracił elektron, staje się jonem dodatnim zlokalizowanym w odpowiednim miejscu sieci krystalicznej. Domieszka atomów o wartościowości przekraczającej wartościowość głównych atomów kryształu półprzewodnika nazywa się nieczystość dawcy . W wyniku jego wprowadzenia w krysztale pojawia się znaczna liczba wolnych elektronów. Prowadzi to do gwałtownego spadku rezystywności półprzewodnika - tysiące, a nawet miliony razy. Rezystywność przewodnika o dużej zawartości zanieczyszczeń może być zbliżona do przewodnika metalowego.

W krysztale germanu z domieszką arsenu znajdują się elektrony i dziury odpowiedzialne za przewodnictwo własne kryształu. Jednak głównym typem nośników ładunku swobodnego są elektrony oderwane od atomów arsenu. W takim krysztale NN >> NP. To przewodnictwo nazywa się elektroniczny i nazywa się półprzewodnik o przewodności elektronicznej półprzewodnik typu n .

Przewodność otworu zachodzi, gdy atomy trójwartościowe (na przykład atomy indu, In) są wprowadzane do kryształu germanu. Na ryc. Rysunek 1.13.4 przedstawia atom indu, który za pomocą elektronów walencyjnych utworzył wiązania kowalencyjne tylko z trzema sąsiadującymi atomami germanu. Atom indu nie ma elektronu, który mógłby utworzyć wiązanie z czwartym atomem germanu. Ten brakujący elektron może zostać wychwycony przez atom indu z wiązania kowalencyjnego sąsiadujących atomów germanu. W tym przypadku atom indu zamienia się w jon ujemny znajdujący się w miejscu sieci krystalicznej, a w wiązaniu kowalencyjnym sąsiadujących atomów powstaje wakat. Nazywa się mieszaniną atomów zdolnych do wychwytywania elektronów zanieczyszczenie akceptorowe . W wyniku wprowadzenia domieszki akceptorowej w krysztale rozrywa się wiele wiązań kowalencyjnych i powstają wakaty (dziury). Elektrony z sąsiednich wiązań kowalencyjnych mogą przeskakiwać do tych miejsc, co prowadzi do chaotycznej wędrówki dziur po całym krysztale.

Obecność zanieczyszczenia akceptorowego gwałtownie zmniejsza rezystywność półprzewodnika ze względu na wygląd duża liczba wolne dziury. Koncentracja dziur w półprzewodniku z domieszką akceptorową znacznie przewyższa koncentrację elektronów powstałych w wyniku mechanizmu własnej przewodności elektrycznej półprzewodnika: NP >> NN. Ten rodzaj przewodnictwa nazywa się przewodność dziury. Półprzewodnik domieszkowy z przewodnością dziurową nazywa się półprzewodnik typu p . Główne wolne nośniki ładunku w półprzewodnikach P-typem są dziury.

Należy podkreślić, że przewodnictwo dziurowe wynika w rzeczywistości z przekaźnikowego ruchu elektronów przez wakaty z jednego atomu germanu do drugiego, które tworzą wiązanie kowalencyjne.

Do półprzewodników N- I P-typy, prawo Ohma jest spełnione w pewnych zakresach prądu i napięcia, pod warunkiem, że stężenia wolnych nośników są stałe.

Różnica między przewodnikami i półprzewodnikami jest szczególnie widoczna, gdy analizuje się zależność ich przewodności elektrycznej od temperatury. Badania pokazują, że w przypadku wielu pierwiastków (krzem, german, selen, ind, arsen itp.) i związków (PbS, CdS, GaAs itp.) rezystywność nie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, jak w przypadku metali (patrz ryc. 16.3 ), ale wręcz przeciwnie, maleje niezwykle gwałtownie (ryc. 16.4). Ta właściwość jest charakterystyczna dla półprzewodników.

Z wykresu pokazanego na rysunku jasno wynika, że w temperaturach bliskich zera absolutnego rezystywność półprzewodników jest bardzo wysoka. Oznacza to, że kiedy niskie temperatury półprzewodnik zachowuje się jak dielektryk. Wraz ze wzrostem temperatury jego rezystywność gwałtownie maleje.

Struktura półprzewodników. Aby włączyć odbiornik tranzystorowy, nie musisz nic wiedzieć. Ale żeby go stworzyć, trzeba było dużo wiedzieć i mieć niezwykły talent. Ogólne zrozumienie działania tranzystora nie jest takie trudne. Najpierw musisz zapoznać się z mechanizmem przewodzenia w półprzewodnikach. I w tym celu będziesz musiał się zagłębić charakter połączeń, utrzymując atomy kryształu półprzewodnika blisko siebie.

Rozważmy na przykład kryształ krzemu.

Krzem jest pierwiastkiem czterowartościowym. Oznacza to, że w zewnętrznej powłoce jego atomu znajdują się cztery elektrony, które są stosunkowo słabo związane z jądrem. Liczba najbliższych sąsiadów każdego atomu krzemu również wynosi cztery. Schemat budowy kryształu krzemu pokazano na rysunku (16.5).

Oddziaływanie pary sąsiednich atomów odbywa się za pomocą wiązania para-elektronowego zwanego wiązanie kowalencyjne. W tworzeniu tego wiązania bierze udział jeden elektron walencyjny z każdego atomu, elektrony są oddzielone od atomu, do którego należą (zebrane przez kryształ), a podczas swojego ruchu spędzają większość czasu w przestrzeni pomiędzy sąsiednimi atomami. Ich ładunek ujemny utrzymuje dodatnie jony krzemu blisko siebie.

Nie należy myśleć, że zbiorcza para elektronów należy tylko do dwóch atomów. Każdy atom tworzy cztery wiązania ze swoimi sąsiadami, a każdy elektron walencyjny może poruszać się wzdłuż jednego z nich. Po dotarciu do sąsiedniego atomu może przejść do następnego, a potem dalej wzdłuż całego kryształu. Elektrony walencyjne należą do całego kryształu.

Wiązania para-elektron w krysztale krzemu są dość mocne i nie pękają w niskich temperaturach. Dlatego krzem w niskich temperaturach nie przewodzi prądu elektrycznego. Elektrony walencyjne biorące udział w wiązaniu atomów są jak roztwór cementujący, który utrzymuje sieć krystaliczną, a zewnętrzne pole elektryczne nie ma zauważalnego wpływu na ich ruch. Kryształ germanu ma podobną strukturę.

Przewodność elektronowa. Po podgrzaniu krzemu energia kinetyczna cząstek wzrasta, a poszczególne wiązania ulegają rozerwaniu. Niektóre elektrony opuszczają swoje „utarte ścieżki” i stają się wolne, jak elektrony w metalu. W polu elektrycznym przemieszczają się pomiędzy węzłami sieci, tworząc prąd elektryczny (ryc. 16.6).

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta liczba uszkodzonych wiązań, a co za tym idzie, wolnych elektronów. Po podgrzaniu od 300 do 700 K liczba wolnych nośników ładunku wzrasta z 10 17 do 10 24 1/ml 3. Prowadzi to do zmniejszenia oporu.

Przewodność otworu.

Dziura ma nadmiar ładunku dodatniego w porównaniu z innymi nieprzerwanymi wiązaniami (patrz ryc. 16.6).

Położenie dziury w krysztale nie jest stałe. Poniższy proces zachodzi w sposób ciągły. Jeden z elektronów zapewniający połączenie atomów wskakuje w miejsce utworzonej dziury i przywraca tutaj wiązanie para-elektron, a tam, skąd ten elektron wyskoczył, powstaje nowa dziura. W ten sposób dziura może poruszać się po krysztale.

Jeśli natężenie pola elektrycznego w próbce wynosi zero, wówczas dziury poruszają się losowo i dlatego nie wytwarzają prądu elektrycznego. W obecności pola elektrycznego następuje uporządkowany ruch otworów.

W przypadku braku pola zewnętrznego na każdy wolny elektron (-) przypada jedna dziura (+). Po przyłożeniu pola wolny elektron jest przemieszczany w stosunku do natężenia pola. Jeden ze związanych elektronów również porusza się w tym kierunku. Wygląda to na przesunięcie dziury w kierunku pola.

Zatem w półprzewodnikach występują dwa rodzaje nośników ładunku: elektrony i dziury.

Zbadaliśmy mechanizm przewodzenia czystych półprzewodników.

Eryutkin Jewgienij Siergiejewicz
Nauczyciel fizyki najwyższej kategorii kwalifikacyjnej, Państwowe Liceum Oświatowe nr 1360, Moskwa

Jeśli wykonasz bezpośrednie połączenie, pole zewnętrzne zneutralizuje pole blokujące, a prąd będzie przenoszony przez główne nośniki ładunku.

Ryż. 9. złącze p-n z bezpośrednim połączeniem ()

W tym przypadku prąd nośnej mniejszości jest znikomy, praktycznie nie istnieje. Dlatego złącze p-n zapewnia jednokierunkowe przewodzenie prądu elektrycznego.

Ryż. 10. Budowa atomowa krzemu wraz ze wzrostem temperatury

Przewodnictwo półprzewodników to dziura elektronowa i takie przewodnictwo nazywa się przewodnictwem wewnętrznym. I w przeciwieństwie do metali przewodzących, wraz ze wzrostem temperatury wzrasta liczba swobodnych ładunków (w pierwszym przypadku się nie zmienia), dlatego przewodność półprzewodników wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, a rezystancja maleje

Bardzo ważnym zagadnieniem w badaniu półprzewodników jest obecność w nich zanieczyszczeń. A w przypadku obecności zanieczyszczeń należy mówić o przewodności zanieczyszczeń.

Niewielkie rozmiary i bardzo wysoka jakość przesyłanych sygnałów sprawiły, że urządzenia półprzewodnikowe są bardzo powszechne we współczesnej technice elektronicznej. W składzie takich urządzeń może znajdować się nie tylko wspomniany krzem z zanieczyszczeniami, ale także np. german.

Jednym z takich urządzeń jest dioda – urządzenie, które może przepuszczać prąd w jednym kierunku i zapobiegać jego przepływowi w innym. Uzyskuje się go poprzez wszczepienie półprzewodnika innego typu do kryształu półprzewodnika typu p lub n.

Ryż. 11. Oznaczenie diody odpowiednio na schemacie i schemacie jej urządzenia

Kolejne urządzenie, teraz z dwoma złącze p-n Nazywamy to tranzystorem. Służy nie tylko do wyboru kierunku przesyłu prądu, ale także do jego transformacji.

Ryż. 12. Schemat budowy tranzystora i jego oznaczenie schemat elektryczny odpowiednio ()

Należy zauważyć, że nowoczesne mikroukłady wykorzystują wiele kombinacji diod, tranzystorów i innych urządzeń elektrycznych.

Na następnej lekcji przyjrzymy się propagacji prądu elektrycznego w próżni.

Tikhomirova SA, Yavorsky B.M. Fizyka ( poziom podstawowy) M.: Mnemosyne. 2012
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizyka, klasa 10. M.: Ilexa. 2005
Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizyka. Elektrodynamika M.: 2010

Zasady działania urządzeń ().
Encyklopedia fizyki i technologii ().

Co powoduje pojawienie się elektronów przewodzących w półprzewodniku?
Jakie jest przewodnictwo wewnętrzne półprzewodnika?
Jak przewodność półprzewodnika zależy od temperatury?
Czym domieszka donorowa różni się od domieszki akceptorowej?
*Jaka jest przewodność krzemu z domieszką a) galu, b) indu, c) fosforu, d) antymonu?

W pracy tej autorka bada, czym są półprzewodniki, do czego służą i gdzie są stosowane. Szybki postęp i miniaturyzacja elektroniki powszechnie stosowanej w komputerach, radiu, telewizji i innych środkach komunikacji stały się możliwe dzięki zastosowaniu półprzewodników. układy scalone. Obwodów tych nie można sobie wyobrazić bez urządzeń półprzewodnikowych. treść

Spis treści 1. Po pierwsze 2. Półprzewodniki w przyrodzie Półprzewodniki w przyrodzie 3. Właściwości fizyczne półprzewodnikiWłaściwości fizyczne półprzewodników 4. Przewodnictwo wewnętrzne półprzewodnikówPrzewodnictwo wewnętrzne półprzewodników 5. Przewodnictwo zanieczyszczeń półprzewodnikówPrzewodnictwo zanieczyszczeń półprzewodników 6. Złącze p – n i jego właściwości elektryczne Złącze p – n i jego właściwości elektryczne 7. Zastosowanie półprzewodnikówZastosowanie półprzewodników 8. TestTest

Półprzewodniki w przyrodzie Wszystkie substancje w przyrodzie można podzielić na przewodniki ładunku elektrycznego, dielektryki (nieprzewodniki) i substancje zajmujące między nimi pozycję pośrednią. Substancje te nazywane są półprzewodnikami. W normalnych warunkach nie przewodzą ładunku elektrycznego, jednak gdy te warunki się zmieniają, mogą zamienić się w przewodniki. Półprzewodniki obejmują wiele pierwiastków chemicznych (german, krzem, selen, tellur, arsen i inne), ogromną liczbę stopów i związków chemicznych (arsenek galu itp.). Prawie wszystkie substancje nieorganiczne w otaczającym nas świecie są półprzewodnikami. Najpopularniejszym półprzewodnikiem w przyrodzie jest krzem, który stanowi około 30% skorupy ziemskiej. treść

Właściwości fizyczne półprzewodników Półprzewodniki to materiały, które pod względem przewodności właściwej zajmują pozycję pośrednią pomiędzy przewodnikami a dielektrykami i różnią się od przewodników silną zależnością przewodności właściwej od stężenia zanieczyszczeń, temperatury i różne typy promieniowanie. Główną właściwością tych materiałów jest wzrost przewodności elektrycznej wraz ze wzrostem temperatury. Właściwości elektryczne substancje Przewodniki Półprzewodniki Dielektryki Dobrze przewodzą prąd elektryczny Należą do nich metale, elektrolity, plazma... Najczęściej używanymi przewodnikami są Au, Ag, Cu, Al, Fe... Dobrze przewodzą prąd elektryczny Należą do nich metale, elektrolity, plazma... Najczęściej stosowanymi przewodnikami są Au, Ag, Cu, Al, Fe... Praktycznie nie przewodzą prądu elektrycznego. Należą do nich tworzywa sztuczne, guma, szkło, porcelana, suche drzewo, papier... Praktycznie nie przewodzą prądu elektrycznego Należą do nich tworzywa sztuczne, guma, szkło, porcelana, suche drewno, papier... Zajmują pozycję pośrednią w przewodnictwie pomiędzy przewodnikami i dielektrykami Si, Ge, Se, In, As Zajmują pozycję pośrednią pozycja w przewodności pomiędzy przewodnikami i dielektrykami Si, Ge, Se, In, As

Właściwości fizyczne półprzewodników Przewodność półprzewodników zależy od temperatury. W przeciwieństwie do przewodników, których rezystancja rośnie wraz z temperaturą, opór półprzewodników maleje po podgrzaniu. W temperaturze bliskiej zera absolutnego półprzewodniki mają właściwości dielektryków. Dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury wzrasta liczba wolnych nośników ładunku, wzrasta przewodność półprzewodników, a rezystancja maleje R (Ohm) t (0 C) R0R0 zawartość metalowych półprzewodników

Przewodnictwo wewnętrzne półprzewodników W normalnych warunkach (niskie temperatury) w półprzewodnikach nie ma swobodnych naładowanych cząstek, dlatego półprzewodnik nie przewodzi prądu elektrycznego. Spójrzmy na to na przykładzie krzemu. Si Krzem – 4 wartościowość pierwiastek chemiczny. Każdy atom ma w swojej zewnętrznej warstwie elektronowej 4 elektrony, które służą do tworzenia wiązań parowo-elektronowych (kowalencyjnych) z 4 sąsiednimi atomami. Jednocześnie bezpłatne ładunki elektryczne brak treści

„Dziura” Po podgrzaniu energia kinetyczna elektronów wzrasta i najszybszy z nich opuszcza swoją orbitę. Kiedy wiązanie między elektronem a jądrem zostaje zerwane, pojawia się wolna przestrzeń powłoka elektronowa atom. W tym miejscu powstaje warunkowy ładunek dodatni, zwany „dziurą”. Si hole + + zawartość wolnych elektronów

Wewnętrzne przewodnictwo półprzewodników Elektron walencyjny sąsiedniego atomu, przyciągnięty do dziury, może do niej wskoczyć (rekombinować). W tym przypadku w pierwotnym miejscu powstaje nowa „dziura”, która może następnie w podobny sposób przemieszczać się po krysztale. treść

Wewnętrzna przewodność półprzewodników Jeśli natężenie pola elektrycznego w próbce wynosi zero, wówczas ruch uwolnionych elektronów i „dziur” zachodzi losowo i dlatego nie wytwarza prądu elektrycznego. Pod wpływem pola elektrycznego elektrony i dziury rozpoczynają uporządkowany (przeciwny) ruch, tworząc prąd elektryczny. Przewodnictwo w tych warunkach nazywa się przewodnością wewnętrzną półprzewodników. W tym przypadku ruch elektronów tworzy przewodnictwo elektroniczne, a ruch dziur tworzy przewodnictwo dziur. treść

Przewodnictwo zanieczyszczeń w półprzewodnikach Dozowane wprowadzenie zanieczyszczeń do czystego przewodnika pozwala na celową zmianę jego przewodności. Dlatego w celu zwiększenia przewodności do czystych półprzewodników wprowadza się zanieczyszczenia (domieszkowane), którymi są zanieczyszczenia donorowe i akceptorowe AkceptorDonor Półprzewodniki typu p Zawartość półprzewodników typu n

Półprzewodniki elektroniczne (typ n) Termin „typ n” pochodzi od słowa „ujemny”, które odnosi się do ładunku ujemnego większości nośników. Ten typ półprzewodnika ma charakter zanieczyszczeń. Półprzewodnik pięciowartościowy (taki jak arsen) dodaje się do półprzewodnika czterowartościowego (takiego jak krzem). Podczas domieszkowania 4-wartościowego krzemu Si 5-wartościowym arsenem As, jeden z 5 elektronów arsenu staje się wolny. W tym przypadku przenoszenie ładunku odbywa się głównie przez elektrony, ponieważ ich stężenie jest większe niż dziur. To przewodnictwo nazywa się elektronicznym. Zanieczyszczenia dodawane do półprzewodników, powodując, że stają się półprzewodnikami typu n, nazywane są zanieczyszczeniami donorowymi. Przewodność N-półprzewodników jest w przybliżeniu równa: As. Zatem zmieniając stężenie arsenu, można zmieniać przewodność krzemu w szerokim zakresie. Treść

Półprzewodniki dziurkowe (typ p) Termin „typ p” pochodzi od słowa „dodatni”, które oznacza ładunek dodatni większości nośników. Niewielką ilość atomów pierwiastka trójwartościowego (takiego jak ind) dodaje się do czterowartościowego półprzewodnika (takiego jak krzem). Zanieczyszczenia dodawane w tym przypadku nazywane są zanieczyszczeniami akceptorowymi. Jeśli krzem jest domieszkowany trójwartościowym indem, wówczas indowi brakuje jednego elektronu, aby utworzyć wiązania z krzemem, tj. powstaje dodatkowy otwór. W takim półprzewodniku głównymi nośnikami ładunku są dziury, a przewodność nazywa się przewodnością dziurową. Przewodność półprzewodników P jest w przybliżeniu równa: In + Zmieniając stężenie indu, można zmieniać przewodność krzemu w szerokim zakresie, tworząc półprzewodnik o określonych właściwościach elektrycznych. Treść

Rozważmy styk elektryczny dwóch półprzewodników typu p i n, zwany złączem p – n + _ 1. Połączenie bezpośrednie Prąd płynący przez złącze p – n przenoszony jest przez główne nośniki ładunku (dziury przesuwają się w prawo, elektrony przemieszczają się do po lewej) Rezystancja złącza jest niska, prąd jest wysoki. Połączenie to nazywa się bezpośrednim; w kierunku do przodu złącze p – n dobrze przewodzi prąd elektryczny. zawartość pn

2. Przełączanie zwrotne Większość nośników ładunku nie przechodzi przez złącze p–n. Rezystancja złącza jest wysoka, prąd jest praktycznie nieobecny. To połączenie nazywa się odwrotnym; w przeciwnym kierunku złącze p-n praktycznie nie przewodzi prądu elektrycznego. đn Zawartość warstwy barierowej

Dioda Dioda półprzewodnikowa składa się z dwóch rodzajów półprzewodników: dziurkowego i elektronicznego. Podczas kontaktu tych obszarów elektrony przechodzą z obszaru z półprzewodnikiem typu n do obszaru z półprzewodnikiem typu p, które następnie łączą się z dziurami. W rezultacie pomiędzy obydwoma obszarami powstaje pole elektryczne, które wyznacza granicę podziału półprzewodników, tzw. złącze p-n. W rezultacie w obszarze półprzewodnika typu p pojawia się nieskompensowany ładunek jonów ujemnych, a w obszarze półprzewodnika typu n pojawia się nieskompensowany ładunek jonów dodatnich. Różnica potencjałów sięga 0,3-0,6 V. Zależność pomiędzy różnicą potencjałów a stężeniem zanieczyszczeń wyraża się następującym wzorem: gdzie VT to napięcie termodynamiczne, Nn to stężenie elektronów, Np to stężenie dziur, ni to koncentracja wewnętrzna. treść

Tranzystor Tranzystor to urządzenie półprzewodnikowe składające się z dwóch obszarów z półprzewodnikami typu p lub n, pomiędzy którymi znajduje się obszar z półprzewodnikiem typu n lub p. Zatem tranzystor ma dwa obszary p-n przemiana. Obszar kryształu pomiędzy dwoma złączami nazywany jest podstawą, a obszary zewnętrzne nazywane są emiterem i kolektorem. Najczęściej stosowanym obwodem przyłączeniowym tranzystora jest obwód połączeniowy ze wspólnym emiterem, w którym prąd rozchodzi się przez bazę i emiter do kolektora. Tranzystor bipolarny służy do wzmacniania prądu elektrycznego. treść

Lekcja nr 41-169 Prąd elektryczny w półprzewodnikach. Dioda półprzewodnikowa. Urządzenia półprzewodnikowe.

Półprzewodnik to substancja, której rezystywność może zmieniać się w szerokim zakresie i bardzo szybko maleje wraz ze wzrostem temperatury, co oznacza, że wzrasta przewodność elektryczna. Występuje w krzemie, germanie, selenie i niektórych związkach. Mechanizm przewodzenia w półprzewodnikach Kryształy półprzewodników mają atomową sieć krystaliczną, w której zewnętrzne elektrony są związane z sąsiednimi atomami wiązaniami kowalencyjnymi. W niskich temperaturach czyste półprzewodniki nie mają wolnych elektronów i zachowują się jak izolator. Jeśli półprzewodnik jest czysty (bez zanieczyszczeń), to ma własną przewodność (małą). Wewnętrzna przewodność jest dwojakiego rodzaju: 1) elektroniczna (przewodność „ N"-typ) W niskich temperaturach w półprzewodnikach wszystkie elektrony są skojarzone z jądrami i rezystancja jest wysoka; wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia kinetyczna cząstek, rozpadają się wiązania i pojawiają się wolne elektrony - opór maleje. Wolne elektrony poruszają się przeciwnie do wektora natężenia pola elektrycznego. Przewodność elektronowa półprzewodników wynika z obecności wolnych elektronów. 2) dziury (przewodnictwo typu p). Wraz ze wzrostem temperatury wiązania kowalencyjne między elektronami walencyjnymi ulegają zniszczeniu, a miejsca z brakującym elektronem powstała - „dziura”, jej miejsce można zastąpić elektronami walencyjnymi. Ruch „dziury” jest równoznaczny z ruchem ładunku dodatniego. Ruch dziury następuje w kierunku wektora natężenia pola elektrycznego zerwanie wiązań kowalencyjnych i pojawienie się przewodnictwa wewnętrznego półprzewodników może być spowodowane nagrzewaniem, oświetleniem (fotoprzewodnictwem) i działaniem silnych pól elektrycznych. Całkowita przewodność czystego półprzewodnika składa się z przewodnictwa typu „p” i „n” i nazywa się przewodnością elektronowo-dziurową. Półprzewodniki z zanieczyszczeniami Mają przewodność wewnętrzną i domieszkową. Obecność zanieczyszczeń znacznie zwiększa przewodność. Kiedy zmienia się stężenie zanieczyszczeń, zmienia się liczba nośników prądu elektrycznego - elektronów i dziur. Podstawą jest możliwość kontrolowania prądu szerokie zastosowanie półprzewodniki. Istnieją następujące zanieczyszczenia: 1) zanieczyszczenia dawcy (oddawanie) – są dodatkowe dostawcy elektronów do kryształów półprzewodników, łatwo oddają elektrony i zwiększają liczbę wolnych elektronów w półprzewodniku. To są przewodnicy” typu n ", tj. półprzewodniki z zanieczyszczeniami donorowymi, w których głównym nośnikiem ładunku są elektrony, a nośnikiem ładunku mniejszościowego są dziury. Taki półprzewodnik ma przewodność zanieczyszczeń elektronicznych (na przykład arsenu). 2) zanieczyszczenia akceptorowe (odbiorniki) tworzą „dziury”, przyjmując do siebie elektrony. Są to półprzewodniki typu „p”, tj. półprzewodniki z domieszkami akceptorowymi, w których znajduje się główny nośnik ładunku dziury, a mniejszość - elektrony. Taki półprzewodnik ma przewodność zanieczyszczeń dziurowych (przykład - ind). Właściwości elektryczne „p- N„przejścia.Złącze „pn” (lub złącze elektron-dziura) to obszar styku dwóch półprzewodników, w którym przewodnictwo zmienia się z elektronicznego na dziurowe (lub odwrotnie). W Takie obszary można utworzyć w krysztale półprzewodnika poprzez wprowadzenie zanieczyszczeń. W strefie styku dwóch półprzewodników o różnej przewodności nastąpi wzajemna dyfuzja elektronów i dziur oraz powstanie bariera blokująca. warstwa elektryczna. Pole elektryczne warstwy barierowej zapobiegadalsze przejście elektronów i dziur przez granicę. Warstwa blokująca ma zwiększoną rezystancję w porównaniu do innych obszarów półprzewodnika. W Zewnętrzne pole elektryczne wpływa na rezystancję warstwy barierowej. W kierunku do przodu (przez) zewnętrznego pola elektrycznego prąd przepływa przez granicę dwóch półprzewodników. Ponieważ elektrony i dziury zbliżają się do siebie w kierunku granicy faz, następnie elektrony przekraczając granicę, zapełniają dziury. Grubość warstwy barierowej i jej opór stale maleją.

P W przypadku blokady (odwrotnego kierunku zewnętrznego pola elektrycznego) prąd nie przepływa przez powierzchnię styku dwóch półprzewodników. Ponieważ elektrony i dziury przemieszczają się od granicy w przeciwnych kierunkach, a następnie warstwa blokująca gęstnieje, zwiększa się jego opór. Zatem przejście elektron-dziura ma przewodnictwo jednokierunkowe.

Dioda półprzewodnikowa- półprzewodnik z jednym złączem pn.P

Diody półprzewodnikowe są głównymi elementami prostowników prądu przemiennego.
Kiedy przyłożone jest pole elektryczne: w jednym kierunku rezystancja półprzewodnika jest wysoka, w przeciwnym kierunku rezystancja jest niska.
Tranzystory.(z Angielskie słowa transfer - transfer, rezystor - rezystancja) Rozważmy jeden z typów tranzystorów wykonanych z germanu lub krzemu z wprowadzonymi do nich zanieczyszczeniami donora i akceptora. Rozkład zanieczyszczeń jest taki, że pomiędzy dwiema warstwami półprzewodnika typu p tworzy się bardzo cienka (rzędu kilku mikrometrów) warstwa półprzewodnika typu n (patrz rysunek). Ta cienka warstwa nazywa się podstawa Lub opierać. W krysztale powstają dwa R-n skrzyżowań, których kierunki do przodu są przeciwne. Trzy wyjścia z obszarów z różne typy przewodnictwo pozwala na włączenie tranzystora do obwodu pokazanego na rysunku. Na to włączenie lewy R-n-przejście jest bezpośredni i oddziela bazę od obszaru o przewodnictwie typu p, tzw emiter. Gdyby nie było prawa R-n-złącze, w obwodzie podstawy emitera będzie płynął prąd zależny od napięcia źródeł (baterie B1 i źródło Napięcie prądu przemiennego) i rezystancję obwodu, w tym niską rezystancję bezpośredniego złącza emiter-baza. Bateria B2 włączony tak, aby prawo R Złącze -n w obwodzie (patrz rysunek) to odwracać Oddziela bazę od prawego obszaru przewodnictwem typu p, tzw kolektor. Gdyby nie zostało R-n złącze, prąd w obwodzie kolektora byłby bliski zeru, ponieważ rezystancja złącza zwrotnego jest bardzo wysoka. Jeśli po lewej stronie jest prąd R-n złącze, w obwodzie kolektora pojawia się prąd, a prąd w kolektorze jest tylko nieznacznie mniejszy niż prąd w emiterze (jeśli do emitera zostanie przyłożone napięcie ujemne, wówczas lewy R-n-złącze będzie odwrotne i praktycznie nie będzie prądu w obwodzie emitera i obwodzie kolektora). Kiedy pomiędzy emiterem a bazą powstaje napięcie, nośniki większościowe półprzewodnika typu p - dziury - wnikają do bazy, gdzie są już nośnikami mniejszościowymi. Ponieważ grubość podstawy jest bardzo mała, a liczba w niej większości nośników (elektronów) jest niewielka, dziury, które do niej dostają się, prawie nie łączą się (nie łączą) z elektronami podstawy i wnikają do kolektora z powodu do dyfuzji. Prawidłowy R Złącze -n jest zamknięte dla głównych nośników ładunku bazy - elektronów, ale nie dla dziur. Dziury w kolektorze się zacierają pole elektryczne i zamknąć obwód. Siła prądu rozgałęziającego się do obwodu emitera z podstawy jest bardzo mała, ponieważ pole przekroju podstawy w płaszczyźnie poziomej (patrz rysunek powyżej) jest znacznie mniejsze niż przekrój w płaszczyźnie pionowej.

Prąd w kolektorze, który jest prawie równy prądowi w emiterze, zmienia się w zależności od prądu w emiterze. Rezystor R ma niewielki wpływ na prąd kolektora, a rezystancja ta może być dość duża. Kontrolując prąd emitera za pomocą źródła napięcia przemiennego podłączonego do jego obwodu, uzyskujemy synchroniczną zmianę napięcia na rezystorze R .

Przy dużej rezystancji rezystora zmiana napięcia na nim może być dziesiątki tysięcy razy większa niż zmiana napięcia sygnału w obwodzie emitera. Oznacza to zwiększone napięcie. Dlatego przy obciążeniu R możliwe jest uzyskanie sygnałów elektrycznych, których moc jest wielokrotnie większa od mocy wchodzącej do obwodu emitera.

Zastosowanie tranzystorów Właściwości R Złącza -n w półprzewodnikach służą do wzmacniania i generowania oscylacji elektrycznych.