أشباه الموصلات هي فئة واسعة من المواد تتميز بقيم التوصيل الكهربائي الواقعة في النطاق بين التوصيل الكهربائي للمعادن والعوازل الكهربائية الجيدة ، أي لا يمكن تصنيف هذه المواد على أنها عوازل كهربائية (لأنها ليست عوازل جيدة) أو معادن ( ليسوا موصلين جيدين للكهرباء). تشمل أشباه الموصلات ، على سبيل المثال ، مواد مثل الجرمانيوم والسيليكون والسيلينيوم والتيلوريوم ، وكذلك بعض الأكاسيد والكبريتيدات والسبائك المعدنية.

الخصائص:

1) مع ارتفاع درجة الحرارة المقاومة النوعيةتتناقص أشباه الموصلات ، على عكس المعادن ، حيث تزداد المقاومة مع زيادة درجة الحرارة. علاوة على ذلك ، كقاعدة عامة ، في نطاق درجات الحرارة الواسع ، تحدث هذه الزيادة أضعافا مضاعفة. يمكن أيضًا أن تنخفض مقاومة بلورات أشباه الموصلات عند تعرضها للضوء أو المجالات الإلكترونية القوية.

2) خاصية التوصيل أحادي الجانب لتلامس اثنين من أشباه الموصلات. تُستخدم هذه الخاصية لإنشاء مجموعة متنوعة من أجهزة أشباه الموصلات: الثنائيات ، والترانزستورات ، والثايرستور ، إلخ.

3) جهات الاتصال لأشباه الموصلات المختلفة في ظل ظروف معينة ، عند إضاءة أو تسخين ، هي مصادر للصور الإلكترونية. د. أو ، على التوالي ، الحرارية الإلكترونية. د.

تختلف أشباه الموصلات عن الفئات الأخرى المواد الصلبةعديدة مواصفات خاصةومن أهمها:

1) معامل درجة الحرارة الإيجابية للتوصيل الكهربائي ، أي مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات ؛

2) الموصلية النوعية لأشباه الموصلات أقل من تلك الخاصة بالمعادن ، ولكنها أكثر من تلك الخاصة بالعوازل ؛

3) القيم الكبيرة للقوة الحرارية مقارنة بالمعادن ؛

4) حساسية عالية لخصائص أشباه الموصلات للإشعاع المؤين ؛

5) القدرة تغيير مفاجئ الخصائص الفيزيائيةتحت تأثير تركيزات صغيرة بشكل مهمل من الشوائب ؛

6) تأثير التصحيح الحالي أو السلوك غير الأومي على جهات الاتصال.

3. العمليات الفيزيائيةفي p-n - الانتقال.

العنصر الرئيسي لمعظم أجهزة أشباه الموصلات هو تقاطع ثقب الإلكترون ( منطقةتقاطع) ، وهي طبقة انتقالية بين منطقتين من أشباه الموصلات ، إحداهما لها موصلية كهربائية إلكترونية ، والأخرى بها موصلية ثقب.

تعليم صانتقال. Pnانتقال التوازن

دعونا نلقي نظرة فاحصة على عملية التعليم صانتقال. تسمى حالة التوازن هذه الحالة الانتقالية عندما لا يكون هناك جهد خارجي. أذكر ذلك في ص- يوجد في المنطقة نوعان من ناقلات الشحنة الرئيسية: أيونات سالبة الشحنة ثابتة من ذرات الشوائب المستقبلة وثقوب حرة موجبة الشحنة ؛ و في ن-المنطقة هناك نوعان من ناقلات الشحنة الرئيسية: الأيونات غير المتحركة ذات الشحنة الموجبة لذرات الشوائب المستقبلة والإلكترونات الحرة سالبة الشحنة.

قبل اللمس صو نيتم توزيع المناطق والإلكترونات والثقوب وأيونات الشوائب بشكل موحد. عند الاتصال على الحدود صو نالمناطق ، ينشأ تدرج تركيز لحاملات الشحن المجانية والانتشار. تحت تأثير انتشار الإلكترونات من ن-منطقة صويعاد توحيده مع الثقوب. ثقوب من ص-مناطق الذهاب إلى نالمنطقة وإعادة الاتحاد مع الإلكترونات هناك. نتيجة لمثل هذه الحركة لحاملات الشحن المجاني في المنطقة الحدودية ، ينخفض ​​تركيزها تقريبًا إلى الصفر ، وفي نفس الوقت ، صالمنطقة ، يتم تشكيل شحنة فضاء سالبة لأيونات الشوائب المستقبلة ، وفي ن- الشحنة الفضائية الموجبة للمنطقة من أيونات الشوائب المانحة. بين هذه الرسوم هناك فرق محتمل للاتصال φ إلىوالمجال الكهربائي من E إلى، مما يمنع انتشار ناقلات الشحن المجاني من العمق ص-و ن-من خلال المناطق ص-ن-انتقال. وهكذا ، فإن المنطقة المتحدة بواسطة ناقلات الشحن المجاني مع مجالها الكهربائي تسمى ص-ن-انتقال.

Pnيتميز الانتقال بمعلمتين رئيسيتين:

1. ارتفاع الحاجز المحتمل. إنه يساوي فرق جهد الاتصال φ إلى. هذا هو الفرق المحتمل في الانتقال بسبب تدرج تركيز حاملات الشحنة. هذه هي الطاقة التي يجب أن يمتلكها الشحن المجاني للتغلب على الحاجز المحتمل:

أين كهو ثابت بولتزمان. ههي شحنة الإلكترون تي- درجة الحرارة؛ لاو اختصار الثانيهي تركيزات المتقبلات والمانحين في مناطق الثقب والإلكترون ، على التوالي ؛ ص صو ص نهي تركيزات الثقوب في ص-و ن-المناطق على التوالي ن أنا -التركيز الخاص لناقلات الشحنة في أشباه الموصلات غير المشغولة ،  t \ u003d kT / e- درجة الحرارة المحتملة. عند درجة حرارة تي= 27 0 درجة مئوية  ر= 0.025 فولت ، لانتقال الجرمانيوم  إلى= 0.6 فولت ، لتقاطع السيليكون  إلى= 0.8 فولت.

2. عرض تقاطع pn(الشكل 1) هي منطقة حدودية مستنفدة في ناقلات الشحن ، والتي تقع فيها صو نالمناطق: ل ف ن = ل ص + ل ن:

من هنا،

أين ε هي السماحية النسبية لمادة أشباه الموصلات ؛ ε 0 هو ثابت العزل الكهربائي للمساحة الحرة.

سمك انتقالات ثقب الإلكترون من رتبة (0.1-10) ميكرومتر. إذا ، ثم و ص-الانتقال يسمى متماثل ، إذا ، ثم و ص- يسمى الانتقال غير المتماثل ، ويقع بشكل أساسي في منطقة أشباه الموصلات ذات تركيز أقل من الشوائب.

في حالة التوازن (بدون جهد خارجي) من خلال منطقةالانتقال ، يتحرك تياران متعاكسان من الشحنات (يتدفق تياران). هذه هي تيار الانجراف لحاملات شحن الأقلية وتيار الانتشار ، المرتبط بحاملات شحن الأغلبية. نظرًا لعدم وجود جهد خارجي وعدم وجود تيار في الدائرة الخارجية ، فإن تيار الانجراف وتيار الانتشار متوازنان بشكل متبادل ويكون التيار الناتج صفرًا

أنا dr + I فرق = 0.

تسمى هذه العلاقة بحالة التوازن الديناميكي لعمليات الانتشار والانجراف في حالة (توازن) معزولة. ص-انتقال.

السطح الذي هم على اتصال به صو نالمنطقة تسمى الحدود المعدنية. في الواقع ، لها سمك محدود - δ م. اذا كان δ م<< l p-n ، ومن بعد صيسمى الانتقال بالانتقال الحاد. إذا δ م >> ليرة لبنانية ن، ومن بعد صالانتقال يسمى سلس.

Р-nالانتقال بجهد خارجي مطبق عليه

الجهد الخارجي يخل بالتوازن الديناميكي للتيارات في ص-انتقال. Pn- الانتقال إلى حالة عدم توازن. اعتمادًا على قطبية الجهد المطبق على المناطق الموجودة فيها ص-الانتقال ممكن طريقتين للعملية.

1) التحيز إلى الأمامص انتقال. R-n-يعتبر التقاطع متحيزًا للأمام إذا كان القطب الموجب لمصدر الطاقة متصلاً به ص-المنطقة ، وسالب ل ن- مناطق (الشكل 1.2)

مع التحيز الأمامي ، يتم توجيه الفولتية  إلى و U بشكل معاكس ، والجهد الناتج يعمل ص- ينخفض ​​الانتقال إلى القيمة  إلى - يو. وهذا يؤدي إلى حقيقة أن شدة المجال الكهربائي تتناقص وتستأنف عملية انتشار حاملات الشحنة الرئيسية. بالإضافة إلى ذلك ، تقلل الإزاحة الأمامية من العرض صالانتقال ، لأن lp-n ≈(من  إلى - U) 1/2. يصبح تيار الانتشار ، تيار ناقلات الشحنة الرئيسية ، أكبر بكثير من تيار الانجراف. خلال ص- انتقال التدفقات الحالية المباشرة

أنا p-n \ u003d I pr \ u003d I diff + I dr أنا التفاضل .

عندما يتدفق التيار المباشر ، تمر ناقلات الشحنة الأغلبية في المنطقة p إلى المنطقة n ، حيث تصبح ثانوية. تسمى عملية الانتشار لإدخال ناقلات شحن الأغلبية في منطقة تصبح فيها أقلية حقنة، والتيار المباشر - تيار الانتشار أو تيار الحقن. للتعويض عن ناقلات شحن الأقلية المتراكمة في منطقتي p و n ، يتم إنشاء تيار إلكتروني في الدائرة الخارجية من مصدر جهد ، أي يتم الحفاظ على مبدأ الحياد الإلكتروني.

مع زيادة يويزيد التيار بشكل حاد - درجة الحرارة المحتملة ، ويمكن أن تصل إلى قيم كبيرة. المرتبطة بالناقلات الرئيسية ، والتي يكون تركيزها مرتفعًا.

2) عكس التحيز، يحدث عندما ص-يتم تطبيق علامة ناقص و إلى ن- منطقة زائد ، مصدر جهد خارجي (الشكل 1.3).

هذا التوتر الخارجي يوالمدرجة وفقا ل  إلى. هو: يزيد من ارتفاع الحاجز المحتمل إلى قيمة  إلى + يو؛ تزداد شدة المجال الكهربائي ؛ العرض صيزيد الانتقال ، لأن ل ص ن ≈ ( إلى + ش) 1/2؛ تتوقف عملية الانتشار تمامًا وبعد ذلك صتدفقات الانتقال الانجراف الحالي ، تيار ناقل الأقلية. مثل هذا التيار ص- يسمى الانتقال العكسي ، وبما أنه مرتبط بحاملات الشحنة الثانوية التي تنشأ بسبب التوليد الحراري ، فإنه يطلق عليه التيار الحراري ويشار إليه - أنا 0، بمعنى آخر.

أنا p-n \ u003d I arr \ u003d I diff + I dr  أنا دكتور \ u003d أنا 0.

هذا التيار صغير الحجم. المرتبطة بحاملات شحن الأقلية ، والتي يكون تركيزها منخفضًا. في هذا الطريق، صالانتقال له الموصلية من جانب واحد.

مع التحيز العكسي ، ينخفض ​​تركيز ناقلات الشحنة الأقلية عند حدود الانتقال إلى حد ما مقارنةً بالتوازن. هذا يؤدي إلى انتشار ناقلات شحن الأقلية من العمق صو ن-مناطق على الحدود صانتقال. بعد الوصول إليها ، تقع ناقلات الأقلية في مجال كهربائي قوي ويتم نقلها من خلالها صالانتقال ، حيث يصبحون ناقلات الشحن الأغلبية. انتشار ناقلات الشحنة الصغيرة إلى الحدود صالانتقال والانجراف من خلاله إلى المنطقة حيث يتم استدعاء ناقلات الشحن الرئيسية اِستِخلاص. استخراج وإنشاء تيار عكسي صالانتقال هو تيار ناقلات الشحنة الثانوية.

يعتمد حجم التيار العكسي بشكل كبير على: درجة الحرارة بيئةومواد ومساحة أشباه الموصلات صانتقال.

يتم تحديد اعتماد درجة الحرارة للتيار العكسي من خلال التعبير ، حيث درجة الحرارة الاسمية ، هي درجة الحرارة الفعلية ، هي درجة حرارة مضاعفة للتيار الحراري.

التيار الحراري لتقاطع السيليكون أقل بكثير من التيار الحراري للوصلة القائمة على الجرمانيوم (بمقدار 3-4 مرات من حيث الحجم). إنه مرتبط بـ  إلىمواد.

مع زيادة منطقة الانتقال ، يزداد حجمها ، وبالتالي ، عدد ناقلات الأقلية التي تظهر نتيجة التوليد الحراري وزيادة التيار الحراري.

لذا فإن الخاصية الرئيسية ص-الانتقال هو التوصيل أحادي الاتجاه.

4. خاصية الجهد الحالي p-n - الانتقال.

نحصل على فولت أمبير مميزة ص نانتقال. للقيام بذلك ، نكتب معادلة الاستمرارية في نظرة عامة:

سننظر في الحالة الثابتة dp / dt = 0.

ضع في اعتبارك التيار في الحجم شبه المحايد لأشباه الموصلات من النوع n على يمين منطقة النضوب السندات الإذنية تقاطع(x> 0). معدل التوليد G في حجم شبه محايد هو صفر: G = 0. المجال الكهربائي E هو أيضًا صفر: E = 0. مكون الانجراف للتيار هو أيضًا صفر: I E = 0 ، وبالتالي ، فإن التيار هو الانتشار. يتم وصف معدل إعادة التركيب R عند مستوى حقن منخفض بالعلاقة:

دعونا نستخدم العلاقة التالية المتعلقة بمعامل الانتشار وطول الانتشار وعمر الناقل الأقلية: Dτ = L p 2.

مع الأخذ في الاعتبار الافتراضات المذكورة أعلاه ، فإن معادلة الاستمرارية لها الشكل:

الشروط الحدودية لمعادلة الانتشار في تقاطع pn هي:

المحلول المعادلة التفاضلية(2.58) بشروط حدية (*) لها الشكل:

العلاقة (2.59) تصف قانون توزيع الثقوب المحقونة في الحجم شبه المحايد لأشباه الموصلات من النوع n لانتقال ثقب الإلكترون (الشكل 2.15). تشارك جميع الناقلات التي عبرت حدود SCR بحجم شبه محايد لتقاطع pn في تيار الوصلة pn. نظرًا لأن التيار بأكمله هو انتشار ، واستبدال (2.59) في التعبير عن التيار ، نحصل على (الشكل 2.16):

تصف العلاقة (2.60) مكون الانتشار لتيار ثقب الوصلة pn ، والذي ينشأ أثناء حقن ناقلات الأقلية تحت التحيز الأمامي. بالنسبة للمكون الإلكتروني لتيار الوصلة pn ، نحصل بالمثل على:

عند V G = 0 ، يتوازن عنصر الانجراف والانتشار مع بعضهما البعض. بالتالي، .

ممتلئ ص ن الحاليالوصلة هي مجموع المكونات الأربعة لتيار الوصلة pn:

التعبير الموجود بين قوسين له المعنى المادي للتيار العكسي لتقاطع pn. في الواقع ، عند الفولتية السالبة V G< 0 ток дрейфовый и обусловлен неосновными носителями. Все эти носители уходят из цилиндра длиной L n со скоростью L n /τ p . Тогда для дрейфовой компоненты тока получаем:

أرز. 2.15. توزيع المواد الحاملة غير المتوازنة المحقونة من الباعث على الحجم شبه المحايد قواعد ص نانتقال

من السهل أن نرى أن هذه العلاقة تعادل تلك التي تم الحصول عليها سابقًا في تحليل معادلة الاستمرارية.

إذا كان مطلوبًا لتحقيق حالة الحقن من جانب واحد (على سبيل المثال ، حقن الثقوب فقط) ، فإنه يتبع من العلاقة (2.61) أن القيمة الصغيرة لتركيز ناقلات الأقلية n p0 في المنطقة p يجب أن تكون اختيار. ويترتب على ذلك أن أشباه الموصلات من النوع p يجب أن تكون مخدرة بشدة مقارنة بأشباه الموصلات من النوع n: N A >> N D. في هذه الحالة ، سيسود مكون الثقب في تيار الوصلة pn (الشكل 2.16).

أرز. 2.16. التيارات في تقاطع pn أحادي الطرف مع تحيز للأمام

وبالتالي ، فإن الخاصية I-V للتقاطع p-n لها الشكل:

كثافة تيار التشبع J s هي:

يظهر انتقال CVC p-n ، الموصوف بالعلاقة (2.62) ، في الشكل 2.17.

أرز. 2.17. خصائص فولت أمبير الكمال p-nانتقال

على النحو التالي من العلاقة (2.16) والشكل 2.17 ، فإن خاصية الجهد الحالي لتقاطع pn المثالي لها شكل غير متماثل واضح. في منطقة الفولتية المباشرة ، يكون تيار الوصلة pn هو الانتشار ويزداد أضعافًا مضاعفة مع زيادة الجهد المطبق. في منطقة الفولتية السالبة ، يكون تيار الوصلة pn هو الانجراف ولا يعتمد على الجهد المطبق.

5. السعة p-n - مفرق.

أي نظام تتغير فيه الشحنة الكهربائية Q عندما يتغير الجهد له سعة. يتم تحديد قيمة السعة C من خلال النسبة:.

بالنسبة إلى الوصلة pn ، يمكن التمييز بين نوعين من الشحنات: الشحنة في منطقة الشحنة الفضائية للمانحين المتأينين والمتقبلين Q B وشحنة الحاملات المحقونة في القاعدة من الباعث Q p. مع وجود تحيزات مختلفة على تقاطع p-n ، ستهيمن شحنة أو أخرى عند حساب السعة. في هذا الصدد ، من أجل سعة تقاطع pn ، يتم تمييز سعة الحاجز C B وسعة الانتشار C D.

سعة الحاجز C B هي السعة ص نالانتقال تحت التحيز العكسي V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

قيمة الشحن للمانحين المتأينين والمقبلين Q B لكل وحدة مساحة لتقاطع pn غير المتماثل هي:

عند التفريق بين التعبير (2.65) نحصل على:

ويترتب على المعادلة (2.66) أن سعة الحاجز C B هي سعة مكثف مسطح ، والمسافة بين الألواح التي تساوي عرض منطقة شحنة الفضاء W. نظرًا لأن عرض SCR يعتمد على الجهد المطبق V G ، تعتمد سعة الحاجز أيضًا على الجهد المطبق. تظهر التقديرات العددية لسعة الحاجز أن قيمتها عشرات أو مئات البيكوفاراد.

سعة الانتشار C D هي سعة تقاطع pn عند انحياز أمامي V G> 0 ، بسبب تغير في الشحنة Q p للحاملات المحقونة إلى القاعدة من الباعث Q p.

يتم استخدام اعتماد سعة الحاجز C B على الجهد العكسي المطبق V G لتنفيذ الأدوات. يسمى الصمام الثنائي أشباه الموصلات الذي يطبق هذا الاعتماد بـ varicap. الحد الأقصى لقيمة السعة من varicap عند الصفر الجهد V G. مع زيادة التحيز العكسي ، تقل سعة varicap. يتم تحديد الاعتماد الوظيفي لسعة varicap على الجهد من خلال ملف تعريف المنشطات لقاعدة varicap. في حالة المنشطات المنتظمة ، تتناسب السعة عكسياً مع جذر الجهد المطبق V G. من خلال ضبط ملف تعريف المنشطات في قاعدة varicap N D (x) ، يمكن للمرء الحصول عليها تبعيات مختلفةسعات varicap على الجهد C (V G) - تناقص خطي ، تناقص أضعافا مضاعفة.

6. الثنائيات شبه الموصلة: التصنيف ، ميزات التصميم ، الاتفاقياتووضع العلامات.

الصمام الثنائي أشباه الموصلات- جهاز أشباه الموصلات مع تقاطع كهربائي واحد وسلكين (إلكترودات). على عكس الأنواع الأخرى من الثنائيات ، يعتمد مبدأ تشغيل الصمام الثنائي أشباه الموصلات على الظاهرة ص-انتقال.

أضف الموقع إلى الإشارات المرجعية

ما هي الخصائص الرئيسية لأشباه الموصلات؟

من حيث المقاومة الكهربائية ، تحتل أشباه الموصلات موقعًا وسيطًا بين الموصلات والعوازل. تتمتع الثنائيات والثنائيات شبه الموصلة بعدد من المزايا: انخفاض الوزن والحجم ، وعمر خدمة أطول بشكل ملحوظ ، وقوة ميكانيكية عالية.

ضع في اعتبارك الخصائص والخصائص الأساسية لأشباه الموصلات. فيما يتعلق بالتوصيل الكهربائي ، تنقسم أشباه الموصلات إلى نوعين: مع الموصلية الإلكترونية والفتحة.

تحتوي أشباه الموصلات ذات الموصلية الإلكترونية على ما يسمى بالإلكترونات الحرة ، والتي ترتبط ارتباطًا ضعيفًا بنوى الذرات. إذا تم تطبيق فرق جهد على هذا أشباه الموصلات ، فإن الإلكترونات الحرة ستتحرك للأمام - في اتجاه معين ، وبالتالي تخلق تيارًا كهربائيًا. منذ في هذه الأنواع من أشباه الموصلات كهرباءتمثل حركة الجسيمات سالبة الشحنة ، وتسمى الموصلات من النوع n (من كلمة سالب - سلبي).

تسمى أشباه الموصلات ذات الموصلية الكهربية بأشباه الموصلات من النوع p (من كلمة موجبة - موجبة). يمكن اعتبار مرور التيار الكهربائي في هذه الأنواع من أشباه الموصلات بمثابة حركة لشحنات موجبة. لا تحتوي أشباه الموصلات ذات الموصلية p على إلكترونات حرة ؛ إذا فقدت ذرة من أشباه الموصلات إلكترونًا واحدًا تحت تأثير أي سبب ، فسيتم شحنها إيجابيًا.

كان عدم وجود إلكترون واحد في الذرة ، مما تسبب في شحنة موجبة لذرة أشباه الموصلات ، يسمى ثقبًا (وهذا يعني أن الفضاء الحر قد تشكل في الذرة). تظهر النظرية والخبرة أن الثقوب تتصرف مثل الشحنات الأولية الموجبة.

تتكون موصلية الثقب من حقيقة أنه ، تحت تأثير فرق الجهد المطبق ، تتحرك الثقوب ، وهو ما يعادل حركة الشحنات الموجبة.

في الواقع ، يحدث ما يلي في حالة توصيل الثقب. لنفترض أن هناك ذرتين ، إحداهما مجهزة بفتحة (ينقصها إلكترون واحد في المدار الخارجي) ، والأخرى ، الموجودة على اليمين ، بها كل الإلكترونات في أماكنها (دعنا نسميها ذرة محايدة). إذا تم تطبيق فرق جهد على أشباه الموصلات ، فعندها تحت تأثير مجال كهربائي ، ينتقل إلكترون من ذرة محايدة ، حيث توجد جميع الإلكترونات في أماكنها ، إلى اليسار إلى ذرة مجهزة بفتحة.

نتيجة لذلك ، تصبح الذرة التي بها ثقب محايدة ، وانتقل الثقب إلى اليمين إلى الذرة التي غادر منها الإلكترون. في أجهزة أشباه الموصلات ، تسمى عملية "ملء" الثقب بالإلكترون الحر إعادة التركيب. نتيجة لإعادة التركيب ، يختفي كل من الإلكترون الحر والثقب ، ويتم تكوين ذرة محايدة. وهكذا تحدث حركة الثقوب في الاتجاه المعاكس لحركة الإلكترونات.

في شبه موصل نقي تمامًا (جوهري) ، وتحت تأثير الحرارة أو الضوء ، تولد الإلكترونات والثقوب في أزواج ، وبالتالي فإن عدد الإلكترونات والثقوب في أشباه الموصلات الجوهرية هو نفسه.

لإنشاء أشباه موصلات ذات تركيزات واضحة من الإلكترونات أو الثقوب ، يتم تزويد أشباه الموصلات النقية بالشوائب ، وتشكيل أشباه الموصلات الشائبة. الشوائب هي مانحة ، تعطي إلكترونات ، وقابلة ، وتشكل ثقوبًا (أي تمزيق الإلكترونات من الذرات). وبالتالي ، في أشباه الموصلات مع شوائب مانحة ، ستكون الموصلية الإلكترونية في الغالب ، أو n - الموصلية. في هذه أشباه الموصلات ، الإلكترونات هي حاملات الشحنة الأغلبية ، والثقوب هي ناقلات أقلية. على العكس من ذلك ، في أشباه الموصلات ذات الشوائب المستقبلة ، تكون الثقوب هي ناقلات الشحنة الرئيسية ، والإلكترونات هي الناقلات الثانوية ؛ هذه هي أشباه الموصلات ذات الموصلية P.

المواد الرئيسية لتصنيع الثنائيات والثنائيات شبه الموصلة هي الجرمانيوم والسيليكون. بالنسبة لهم ، فإن الأنتيمون والفوسفور والزرنيخ هم المانحون ؛ المتقبلون - الإنديوم والغاليوم والألمنيوم والبورون.

الشكل 1. موقع الشحنات الكهربائية في أشباه الموصلات.

الشوائب ، التي تضاف عادة إلى أشباه الموصلات البلورية ، تغير بشكل كبير النمط الفيزيائي لمرور التيار الكهربائي.

عندما يتم تكوين أشباه الموصلات ذات الموصلية n ، تتم إضافة شوائب مانحة إلى أشباه الموصلات: على سبيل المثال ، يتم إضافة شوائب الأنتيمون إلى أشباه الموصلات الجرمانيوم. تنقل ذرات الأنتيمون ، والتي يتم التبرع بها ، العديد من الإلكترونات الحرة إلى الجرمانيوم ، بينما تكون موجبة الشحنة.

وهكذا ، في أشباه الموصلات n المتكونة من الشوائب ، توجد الأنواع التالية من الشحنات الكهربائية:

• الشحنات السالبة المتنقلة (الإلكترونات) ، وهي الناقلات الرئيسية (سواء من الشوائب المانحة أو من الموصلية الذاتية) ؛
• شحنات موجبة متنقلة (ثقوب) - ناقلات أقلية ناشئة عن التوصيل الداخلي ؛
• الشحنات الموجبة الثابتة - أيونات الشوائب المانحة.

عندما يتم تكوين أشباه الموصلات ذات الموصلية p ، تتم إضافة شوائب متقبل إلى أشباه الموصلات: على سبيل المثال ، يتم إضافة شوائب الإنديوم إلى أشباه الموصلات الجرمانيوم. تقوم ذرات الإنديوم ، والتي تعتبر مستقبلًا ، بفصل الإلكترونات عن ذرات الجرمانيوم ، وتشكل ثقوبًا. ذرات الإنديوم نفسها تصبح سالبة الشحنة.

لذلك ، في أشباه الموصلات p ، هناك الأنواع التالية من الشحنات الكهربائية:

• الشحنات الموجبة المتنقلة (الثقوب) - الناقلات الرئيسية الناشئة عن الشوائب المستقبلة والتوصيل الداخلي ؛
• الشحنات السالبة المتنقلة (الإلكترونات) - ناقلات الأقلية الناشئة عن الموصلية الخاصة بها ؛
• الشحنات السالبة غير المتحركة - أيونات الشوائب المقبولة.

على التين. يُظهر الشكل 1 لوحات من الجرمانيوم (أ) ون-الجرمانيوم (ب) مع ترتيب الشحنات الكهربائية.

مرحبا أعزائي قراء الموقع. يحتوي الموقع على قسم مخصص لهواة الراديو المبتدئين ، ولكن حتى الآن لم أكتب أي شيء حقًا للمبتدئين الذين يخطوون خطواتهم الأولى في عالم الإلكترونيات. أقوم بسد هذه الفجوة ، ومن هذه المقالة نبدأ في التعرف على الجهاز وتشغيل مكونات الراديو (مكونات الراديو).

لنبدأ بأجهزة أشباه الموصلات. ولكن من أجل فهم كيفية عمل الصمام الثنائي أو الثايرستور أو الترانزستور ، يجب على المرء أن يفهم ماذا أشباه الموصلات. لذلك ، سوف ندرس أولاً بنية وخصائص أشباه الموصلات على المستوى الجزيئي ، ثم سنتعامل مع تشغيل وتصميم مكونات الراديو لأشباه الموصلات.

المفاهيم العامة.

لماذا بالضبط أشباه الموصلاتالصمام الثنائي أو الترانزستور أو الثايرستور؟ لأن أساس مكونات الراديو هذه هو أشباه الموصلاتمواد قادرة على توصيل التيار الكهربائي ومنع مروره.

هو - هي مجموعة كبيرةالمواد المستخدمة في الهندسة الراديوية (الجرمانيوم ، والسيليكون ، والسيلينيوم ، وأكسيد النحاس) ، ولكن لتصنيع أجهزة أشباه الموصلات ، فهي تستخدم بشكل أساسي فقط السيليكون(سي) و الجرمانيوم(جي).

وفقًا لخصائصها الكهربائية ، تحتل أشباه الموصلات مكانًا متوسطًا بين الموصلات وغير الموصلة للتيار الكهربائي.

خصائص أشباه الموصلات.

تعتمد الموصلية الكهربائية بشكل كبير على درجة الحرارة المحيطة.
جدا قليلدرجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية) ، أشباه الموصلات لا تنفذالتيار الكهربائي و ترقية وظيفيةدرجة الحرارة ومقاومتها للتيار النقصان.

إذا كنت تشير إلى أشباه الموصلات خفيفة، ثم تبدأ الموصلية الكهربائية في الزيادة. باستخدام هذه الخاصية من أشباه الموصلات ، تم إنشاؤها الكهروضوئيةالأجهزة. أشباه الموصلات قادرة أيضًا على تحويل الطاقة الضوئية إلى تيار كهربائي ، على سبيل المثال ، الألواح الشمسية. وعند إدخالها في أشباه الموصلات الشوائببعض المواد ، فإن توصيلها الكهربائي يزيد بشكل كبير.

هيكل ذرات أشباه الموصلات.

الجرمانيوم والسيليكون هما المادتان الرئيسيتان للعديد من أجهزة أشباه الموصلات ولهما أربعة التكافؤ الإلكتروني.

ذرة ألمانيايتكون من 32 إلكترونًا وذرة السيليكونمن أصل 14. لكن فقط 28 إلكترونات ذرة الجرمانيوم و 10 إلكترونات ذرة السيليكون ، الموجودة في الطبقات الداخلية لقذائفها ، ممسكة بقوة بالنواة ولا تنفصل عنها أبدًا. فقط أربعةيمكن أن تصبح إلكترونات التكافؤ لذرات هذه الموصلات حرة ، وحتى مع ذلك ليس دائمًا. وإذا فقدت ذرة أشباه الموصلات إلكترونًا واحدًا على الأقل ، فإنها تصبح كذلك أيون موجب.

في أشباه الموصلات ، يتم ترتيب الذرات في ترتيب صارم: كل ​​ذرة محاطة أربعةنفس الذرات. علاوة على ذلك ، فهي تقع بالقرب من بعضها البعض لدرجة أن إلكترونات التكافؤ الخاصة بها تشكل مدارات مفردة تمر حول الذرات المجاورة ، وبالتالي تربط الذرات في مادة واحدة كاملة.

دعونا نمثل الترابط بين الذرات في بلورة أشباه الموصلات في شكل مخطط مسطح.
في الرسم البياني ، تشير الكرات الحمراء ذات علامة الجمع ، تقليديًا نوى الذرات(أيونات موجبة) ، والكرات الزرقاء إلكترونات التكافؤ.

هنا يمكنك أن ترى أنه يوجد حول كل ذرة أربعةبالضبط نفس الذرات ، ولكل من هذه الأربعة صلة بأربع ذرات أخرى ، وهكذا. كل ذرة متصلة بكل مجاورة اثنينإلكترونات التكافؤ ، وإلكترون واحد خاص به ، والآخر مستعار من ذرة مجاورة. تسمى هذه الرابطة برابطة ثنائية الإلكترون. تساهمية.

بدورها ، تحتوي الطبقة الخارجية من غلاف الإلكترون لكل ذرة ثمانيةالإلكترونات: أربعةالخاصة بهم ، و وحدهاقترضت من أربعة المجاورةذرات. هنا لم يعد من الممكن تمييز أي من إلكترونات التكافؤ في الذرة هو "خاص به" وأي إلكترون "غريب" ، حيث أصبحا شائعين. مع مثل هذه الرابطة من الذرات في الكتلة الكاملة لجرمانيوم أو بلورة السيليكون ، يمكننا أن نفترض أن بلورة أشباه الموصلات كبيرة مركب. في الشكل ، تظهر الدوائر الوردية والصفراء العلاقة بين الطبقات الخارجية لقذائف ذرتين متجاورتين.

الموصلية الكهربائية أشباه الموصلات.

ضع في اعتبارك رسمًا مبسطًا لبلورة أشباه الموصلات ، حيث يتم الإشارة إلى الذرات بواسطة كرة حمراء ذات علامة موجبة ، ويتم إظهار الروابط بين الذرية بخطين يرمزان إلى إلكترونات التكافؤ.

عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق ، يكون أشباه الموصلات لا تجريالحالي ، لأنه لا يحتوي على الإلكترونات الحرة. ولكن مع زيادة درجة الحرارة ، فإن رابطة إلكترونات التكافؤ مع نوى الذرات يضعفوبعض الإلكترونات ، بسبب الحركة الحرارية ، قد تترك ذراتها. يصبح الإلكترون الهارب من الرابطة بين الذرات " مجانا"، وحيث كانت من قبل ، تتشكل مكان فارغ، وهو ما يسمى تقليديا الفجوة.

كيف في الاعلىدرجة حرارة أشباه الموصلات أكثريصبح الإلكترونات والثقوب الحرة. نتيجة لذلك ، اتضح أن تكوين "الثقب" يرتبط بخروج إلكترون التكافؤ من غلاف الذرة ، ويصبح الثقب نفسه إيجابيشحنة كهربائية تساوي نفيشحنة الإلكترون.

الآن دعونا نلقي نظرة على الشكل الذي يظهر بشكل تخطيطي ظاهرة حدوث التيار في أشباه الموصلات.

إذا قمت بتطبيق بعض الجهد على أشباه الموصلات ، واتصالات "+" و "-" ، فسيظهر تيار فيه.
بسبب الظواهر الحرارية، في بلورة أشباه الموصلات من الروابط بين الذرية ستبدأ يتم الافراجعدد من الإلكترونات (كرات زرقاء مع أسهم). تنجذب الإلكترونات إيجابيسيكون قطب مصدر الجهد يتحركتجاهه ، تاركين وراءهم ثقوب، والتي سيتم ملؤها من قبل الآخرين أطلق الإلكترونات. بمعنى ، تحت تأثير مجال كهربائي خارجي ، تكتسب حاملات الشحنة سرعة معينة للحركة الاتجاهية وبالتالي تخلق كهرباء.

على سبيل المثال: الإلكترون المحرر الأقرب إلى القطب الموجب لمصدر الجهد ينجذبهذا القطب. كسر الرابطة بين الذرية وترك الإلكترون اوراق اشجاربعد نفسي الفجوة. إلكترون آخر محرّر يقع على البعض إزالةمن القطب الموجب أيضًا ينجذبالقطب و متحركتجاهه ، ولكن بعد أن التقىفجوة في طريقها ، تنجذب إليها جوهرالذرة ، واستعادة الرابطة بين الذرات.

النتيجة الجديدثقب بعد الإلكترون الثاني ، يملأالإلكترون الثالث المحرر ، الموجود بجوار هذه الفتحة (الشكل رقم 1). بدوره ثقوب، والتي هي الأقرب إلى نفيقطب مليء بالآخر أطلق الإلكترونات(الشكل رقم 2). وهكذا ، ينشأ تيار كهربائي في أشباه الموصلات.

طالما أن أشباه الموصلات تعمل الحقل الكهربائي، هذه العملية مستمر: الروابط بين الذرية مكسورة - تظهر الإلكترونات الحرة - تتشكل الثقوب. تمتلئ الثقوب بالإلكترونات المحررة - يتم استعادة الروابط بين الذرية ، بينما يتم كسر الروابط بين الذرية الأخرى ، والتي تغادر منها الإلكترونات وتملأ الثقوب التالية (الشكل رقم 2-4).

من هذا نستنتج: تتحرك الإلكترونات من القطب السالب لمصدر الجهد إلى القطب الموجب ، وتتحرك الثقوب من القطب الموجب إلى السالب.

موصلية ثقب الإلكترون.

في بلورة "نقية" أشباه الموصلات ، العدد صدرفي هذه اللحظةالإلكترونات يساوي العدد المستجدةفي هذه الحالة ، هناك ثقوب ، وبالتالي فإن التوصيل الكهربائي لمثل هذا أشباه الموصلات صغير، لأنه يوفر تيارًا كهربائيًا كبيرالمقاومة ، وهذا التوصيل الكهربائي يسمى ملك.

ولكن إذا أضفنا إلى أشباه الموصلات في الشكل الشوائبعددًا معينًا من ذرات العناصر الأخرى ، ستزداد الموصلية الكهربائية بشكل كبير ، اعتمادًا على الهياكلذرات عناصر الشوائب ، فإن الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات ستكون الكترونيأو مثقب.

الموصلية الإلكترونية.

لنفترض ، في بلورة أشباه الموصلات ، حيث تحتوي الذرات على أربعة إلكترونات تكافؤ ، استبدلنا ذرة واحدة بذرة فيها خمسةإلكترونات التكافؤ. هذه الذرة أربعةسوف ترتبط الإلكترونات بأربع ذرات مجاورة لأشباه الموصلات ، و الخامسسيبقى إلكترون التكافؤ لا لزوم لها"تعني مجاني. و بعد أكثر أكثرستكون إلكترونات حرة ، مما يعني أن مثل هذا أشباه الموصلات سيقترب من معدن في خواصه ، ولكي يمر تيار كهربائي عبره ، لا يجب تدمير الروابط بين الذرية.

تسمى أشباه الموصلات التي لها مثل هذه الخصائص بأشباه الموصلات ذات الموصلية من النوع " ن"، أو أشباه الموصلات ن-يكتب. هنا حرف لاتينييأتي n من كلمة "سلبي" (سلبي) - أي "سلبي". يتبع ذلك في أشباه الموصلات ن-يكتب رئيسيحاملات الشحن هي - الإلكترونات، وليس الثغرات الرئيسية - الثقوب.

توصيل الثقب.

دعونا نأخذ نفس البلورة ، ولكن الآن سنستبدل ذرتها بذرة فيها فقط ثلاثةالإلكترون الحر. مع إلكتروناتها الثلاثة ، سوف تترابط فقط مع ثلاثةالجوار ، ولن يكون لديه ما يكفي من الذرات للارتباط بالذرة الرابعة واحدإلكترون. نتيجة لذلك ، تتشكل الفجوة. وبطبيعة الحال ، سيتم ملؤها بأي إلكترون حر آخر قريب ، ولكن ، على أي حال ، لن يكون هناك مثل هذا النوع من أشباه الموصلات في البلورة. إختطافالإلكترونات لملء الثقوب. و بعد أكثرسيكون هناك مثل هذه الذرات في البلورة ، لذلك أكثرستكون هناك ثقوب.

من أجل إطلاق الإلكترونات الحرة والتحرك في مثل هذا أشباه الموصلات ، يجب تدمير روابط التكافؤ بين الذرات. لكن الإلكترونات ستظل غير كافية ، لأن عدد الثقوب سيكون دائمًا أكثرعدد الإلكترونات في أي وقت.

تسمى هذه أشباه الموصلات أشباه الموصلات مع مثقبالموصلية أو الموصلات ص-type ، والتي تعني "إيجابي" في اللاتينية "إيجابي". وبالتالي ، فإن ظاهرة التيار الكهربائي في بلورة أشباه الموصلات من النوع p تكون مصحوبة باستمرار ظهورو اختفاءالشحنات الموجبة ثقوب. وهذا يعني أنه في أشباه الموصلات ص-يكتب رئيسيناقلات الشحن ثقوب، وليس الأساسي - الإلكترونات.

الآن بعد أن أصبح لديك بعض الفهم للظواهر التي تحدث في أشباه الموصلات ، لن يكون من الصعب عليك فهم مبدأ تشغيل مكونات الراديو لأشباه الموصلات.

دعنا نتوقف عند هذا ، وسننظر في الجهاز ، مبدأ تشغيل الصمام الثنائي ، سنقوم بتحليل خصائص الجهد الحالي ودوائر التبديل.
حظا طيبا وفقك الله!

مصدر:

1 . بوريسوف ف. - شاب هواة راديو. 1985
2 . موقع Academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

موضوعات مبرمج الاستخدام: أشباه الموصلات ، الموصلية الجوهرية والخارجية لأشباه الموصلات.

حتى الآن ، عند الحديث عن قدرة المواد على توصيل التيار الكهربائي ، قمنا بتقسيمها إلى موصلات وعوازل كهربائية. المقاومة المحددة للموصلات العادية في نطاق أوم م ؛ تتجاوز مقاومة العوازل هذه القيم في المتوسط ​​بأوامر من حيث الحجم: أوم م.

ولكن هناك أيضًا مواد تحتل ، في توصيلها الكهربائي ، موقعًا وسيطًا بين الموصلات والعوازل الكهربائية. هو - هي أشباه الموصلات: يمكن لمقاومتها في درجة حرارة الغرفة أن تأخذ قيمًا في نطاق واسع جدًا من أوم م. تشمل أشباه الموصلات السيليكون والجرمانيوم والسيلينيوم وبعض الأنواع الأخرى. العناصر الكيميائيةوالمركبات (أشباه الموصلات شائعة جدًا في الطبيعة ، على سبيل المثال ، حوالي 80٪ من الكتلة قشرة الأرضهي مواد من أشباه الموصلات). السيليكون والجرمانيوم هما الأكثر استخدامًا.

الميزة الأساسيةأشباه الموصلات هي أن توصيلها الكهربائي يزداد بشكل حاد مع زيادة درجة الحرارة. تتناقص مقاومة أشباه الموصلات مع زيادة درجة الحرارة تقريبًا كما هو موضح في الشكل. واحد .

أرز. 1. الاعتماد على أشباه الموصلات

بعبارة أخرى ، في درجات الحرارة المنخفضة ، تتصرف أشباه الموصلات مثل المواد العازلة ، وفي درجات الحرارة المرتفعة ، تتصرف مثل الموصلات الجيدة إلى حد ما. هذا هو الفرق بين أشباه الموصلات والمعادن: مقاومة المعدن ، كما تتذكر ، تزداد خطيًا مع زيادة درجة الحرارة.

هناك اختلافات أخرى بين أشباه الموصلات والمعادن. وبالتالي ، فإن إضاءة أحد أشباه الموصلات تتسبب في انخفاض مقاومته (والضوء ليس له أي تأثير تقريبًا على مقاومة المعدن). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تتغير الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات بشدة مع إدخال كمية ضئيلة من الشوائب.

تظهر التجربة أنه ، كما في حالة المعادن ، عندما يتدفق التيار عبر أشباه الموصلات ، لا يوجد نقل للمادة. لذلك ، فإن التيار الكهربائي في أشباه الموصلات يرجع إلى حركة الإلكترونات.

يشير الانخفاض في مقاومة أشباه الموصلات عند تسخينه إلى أن الزيادة في درجة الحرارة تؤدي إلى زيادة عدد الشحنات المجانية في أشباه الموصلات. لا شيء من هذا القبيل يحدث في المعادن. لذلك ، فإن لأشباه الموصلات آلية مختلفة للتوصيل الكهربائي عن المعادن. والسبب في ذلك هو اختلاف طبيعة الرابطة الكيميائية بين ذرات المعادن وأشباه الموصلات.

الرابطة التساهمية

تذكر أن الرابطة المعدنية يتم توفيرها من خلال غاز من الإلكترونات الحرة ، والتي ، مثل الغراء ، تحمل الأيونات الموجبة في مواقع الشبكة. يتم ترتيب أشباه الموصلات بشكل مختلف - تتماسك ذراتها معًا الرابطة التساهمية. دعونا نتذكر ما هو عليه.

تقع الإلكترونات في المستوى الإلكتروني الخارجي وتسمى التكافؤ، أضعف من ارتباطها بالذرة من بقية الإلكترونات القريبة من النواة. في عملية تكوين الرابطة التساهمية ، تساهم ذرتان "في السبب المشترك" في أحد إلكترونات التكافؤ. يتم دمج هذين الإلكترونين في المجتمع ، أي أنهما ينتميان الآن إلى كلتا الذرتين ، وبالتالي يتم استدعاؤهما زوج الإلكترون المشترك(الصورة 2).

أرز. 2. الرابطة التساهمية

يمسك زوج الإلكترونات الاجتماعي الذرات بالقرب من بعضها البعض (بمساعدة قوى الجذب الكهربائية). الرابطة التساهمية هي رابطة موجودة بين الذرات بسبب أزواج الإلكترونات الشائعة.. لهذا السبب ، تسمى الرابطة التساهمية أيضًا زوج إلكترون.

التركيب البلوري للسيليكون

نحن الآن على استعداد لإلقاء نظرة فاحصة على الأجزاء الداخلية لأشباه الموصلات. على سبيل المثال ، فكر في أشباه الموصلات الأكثر شيوعًا في الطبيعة - السيليكون. ثاني أهم أشباه الموصلات ، الجرمانيوم ، له هيكل مماثل.

يظهر التركيب المكاني للسيليكون في الشكل. 3 (صورة بن ميلز). تُصوَّر ذرات السيليكون على شكل كرات ، والأنابيب التي تربط بينها قنوات من الترابط التساهمي بين الذرات.

أرز. 3. التركيب البلوري للسيليكون

لاحظ أن كل ذرة سيليكون مرتبطة بها أربعةالذرات المجاورة. لماذا هو كذلك؟

الحقيقة هي أن السيليكون رباعي التكافؤ - يوجد على الغلاف الإلكتروني الخارجي لذرة السيليكون أربعة إلكترونات تكافؤ. كل من هذه الإلكترونات الأربعة جاهز لتكوين زوج إلكترون مشترك مع إلكترون التكافؤ لذرة أخرى. وهذا يحدث! نتيجة لذلك ، تُحاط ذرة السيليكون بأربع ذرات راسية ، يساهم كل منها بإلكترون تكافؤ واحد. وفقًا لذلك ، هناك ثمانية إلكترونات حول كل ذرة (أربعة خاصة وأربعة كائنات فضائية).

نرى هذا بمزيد من التفصيل في رسم تخطيطي مسطح للشبكة البلورية السيليكونية (الشكل 4).

أرز. 4. شعرية بلورية من السيليكون

تظهر الروابط التساهمية كأزواج من الخطوط التي تربط الذرات ؛ تشترك هذه الخطوط في أزواج الإلكترون. يقضي كل إلكترون تكافؤ يقع على مثل هذا الخط معظم وقته في الفراغ بين ذرتين متجاورتين.

ومع ذلك ، فإن إلكترونات التكافؤ ليست بأي حال من الأحوال "مرتبطة بإحكام" بأزواج الذرات المقابلة. تتداخل قذائف الإلكترون الكلالذرات المجاورة ، بحيث يكون أي إلكترون تكافؤ ملكية مشتركة لجميع الذرات المجاورة. من بعض الذرة 1 ، يمكن لمثل هذا الإلكترون أن ينتقل إلى الذرة المجاورة له 2 ، ثم إلى الذرة المجاورة له 3 ، وهكذا. يمكن أن تتحرك إلكترونات التكافؤ في جميع أنحاء مساحة البلورة - يقال عنها تنتمي إلى البلورة بأكملها(بدلاً من أي زوج ذري واحد).

ومع ذلك ، فإن إلكترونات التكافؤ في السيليكون ليست حرة (كما هو الحال في المعدن). في أشباه الموصلات ، تكون الرابطة بين إلكترونات التكافؤ والذرات أقوى بكثير منها في المعدن ؛ الروابط التساهمية السيليكونية لا تنكسر عند درجات حرارة منخفضة. لا تكفي طاقة الإلكترونات لبدء حركة منظمة من جهد أقل إلى جهد أعلى تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. لذلك ، بما يكفي درجات الحرارة المنخفضةأشباه الموصلات قريبة من المواد العازلة - فهي لا توصل الكهرباء.

الموصلية الخاصة

إذا قمت بتضمين عنصر أشباه الموصلات في دائرة كهربائية وبدأت في تسخينه ، فإن القوة الحالية في الدائرة تزداد. لذلك ، مقاومة أشباه الموصلات النقصانمع ارتفاع درجة الحرارة. لماذا يحدث هذا؟

مع ارتفاع درجة الحرارة ، تصبح الاهتزازات الحرارية لذرات السيليكون أكثر كثافة ، وتزداد طاقة إلكترونات التكافؤ. بالنسبة لبعض الإلكترونات ، تصل الطاقة إلى قيم كافية لكسر الروابط التساهمية. هذه الإلكترونات تترك ذراتها وتصبح مجانا(أو إلكترونات التوصيل) هو نفسه تمامًا كما هو الحال في المعدن. في مجال كهربائي خارجي ، تبدأ الإلكترونات الحرة بحركة منظمة ، وتشكل تيارًا كهربائيًا.

كلما ارتفعت درجة حرارة السيليكون ، زادت طاقة الإلكترونات ، و كمية كبيرةالروابط التساهمية لا تصمد وتنكسر. يزداد عدد الإلكترونات الحرة في بلورة السيليكون ، مما يؤدي إلى انخفاض مقاومتها.

يظهر كسر الروابط التساهمية وظهور الإلكترونات الحرة في الشكل. 5. في موقع رابطة تساهمية مكسورة ، أ الفجوةهو شاغر للإلكترون. الثقب له إيجابيالشحنة ، لأنه مع رحيل إلكترون سالب الشحنة ، تبقى شحنة موجبة غير معوضة لنواة ذرة السيليكون.

أرز. 5. تشكيل الإلكترونات الحرة والثقوب

الثقوب لا تبقى في مكانها - يمكن أن تتجول حول البلورة. الحقيقة هي أن أحد إلكترونات التكافؤ المجاورة ، "يسافر" بين الذرات ، يمكنه القفز إلى الفراغ المتشكل ، وملء الحفرة ؛ ثم ستختفي الحفرة الموجودة في هذا المكان ، لكنها ستظهر في المكان الذي جاء منه الإلكترون.

في حالة عدم وجود مجال كهربائي خارجي ، تكون حركة الثقوب عشوائية ، لأن إلكترونات التكافؤ تتجول بين الذرات بشكل عشوائي. ومع ذلك ، في مجال كهربائي توجهحركة الفتحة. لماذا ا؟ من السهل فهمها.

على التين. يوضح الشكل 6 أشباه الموصلات الموضوعة في مجال كهربائي. على الجانب الأيسر من الشكل هو الموضع الأولي للفتحة.

أرز. 6. حركة ثقب في مجال كهربائي

أين ستذهب الحفرة؟ من الواضح أن الأكثر احتمالا هي قفزات "إلكترون> ثقب" في الاتجاه ضدخطوط الحقل (أي إلى "الإيجابيات" التي تنشئ الحقل). تظهر إحدى هذه القفزات في الجزء الأوسط من الشكل: قفز الإلكترون إلى اليسار ، وملأ الفراغ ، وبالتالي انتقلت الفتحة إلى اليمين. تظهر القفزة المحتملة التالية للإلكترون الناتجة عن مجال كهربائي على الجانب الأيمن من الشكل ؛ نتيجة لهذه القفزة ، أخذت الحفرة مكانًا جديدًا ، تقع أكثر على اليمين.

نرى أن الحفرة ككل تتحرك من اتجاهخطوط المجال - أي حيث من المفترض أن تتحرك الشحنات الموجبة. نؤكد مرة أخرى أن الحركة الموجهة للثقب على طول الحقل ناتجة عن قفزات إلكترونات التكافؤ من ذرة إلى ذرة ، والتي تحدث في الغالب في الاتجاه مقابل المجال.

وبالتالي ، هناك نوعان من ناقلات الشحن في بلورة السيليكون: الإلكترونات الحرة والثقوب. عندما يتم تطبيق مجال كهربائي خارجي ، يظهر تيار كهربائي ، ناتج عن حركتها المضادة المنظمة: تتحرك الإلكترونات الحرة عكس متجه شدة المجال ، وتتحرك الثقوب في اتجاه المتجه.

يسمى حدوث التيار بسبب حركة الإلكترونات الحرة الموصلية الإلكترونية، أو ن-نوع الموصلية. تسمى عملية الحركة المنظمة للثقوب موصلية الثقب،أو الموصلية من النوع p(من الأحرف الأولى من الكلمات اللاتينية Negativus (سلبي) و Positivus (إيجابي)). تسمى كلتا الموصلات - الإلكترون والفتحة - معًا الموصلية الخاصةأشباه الموصلات.

كل خروج إلكترون من رابطة تساهمية مكسورة يولد زوجًا من "ثقب الإلكترون الحر". لذلك ، فإن تركيز الإلكترونات الحرة في بلورة السيليكون النقي يساوي تركيز الثقوب. وفقًا لذلك ، عندما يتم تسخين البلورة ، لا يزداد تركيز الإلكترونات الحرة فحسب ، بل يزداد أيضًا الثقوب ، مما يؤدي إلى زيادة الموصلية الجوهرية لأشباه الموصلات بسبب زيادة الموصلية الإلكترونية والفتحة.

جنبًا إلى جنب مع تكوين أزواج "ثقب الإلكترون الحر" ، تحدث العملية العكسية أيضًا: إعادة التركيبالإلكترونات والثقوب الحرة. أي أن الإلكترون الحر ، الذي يلتقي بفتحة ، يملأ هذا الشاغر ، ويعيد الرابطة التساهمية المكسورة ويتحول إلى إلكترون تكافؤ. وهكذا ، في أشباه الموصلات ، توازن ديناميكي: متوسط ​​عدد فواصل الروابط التساهمية وأزواج ثقب الإلكترون الناتجة لكل وحدة زمنية تساوي متوسط ​​عدد الإلكترونات والثقوب التي تم تجميعها. تحدد حالة التوازن الديناميكي هذه تركيز التوازن للإلكترونات الحرة والثقوب في أشباه الموصلات في ظل ظروف معينة.

يؤدي التغيير في الظروف الخارجية إلى تغيير حالة التوازن الديناميكي في اتجاه أو آخر. تتغير قيمة توازن تركيز حاملات الشحنة بشكل طبيعي في هذه الحالة. على سبيل المثال ، يزداد عدد الإلكترونات والثقوب الحرة عند تسخين أو إضاءة أحد أشباه الموصلات.

في درجة حرارة الغرفة ، تركيز الإلكترونات الحرة والثقوب في السيليكون يساوي تقريبًا سم ، وتركيز ذرات السيليكون حوالي سم ، وبعبارة أخرى ، يوجد إلكترون حر واحد فقط لكل ذرة سيليكون! هذا قليل جدا. في المعادن ، على سبيل المثال ، يكون تركيز الإلكترونات الحرة مساويًا تقريبًا لتركيز الذرات. على التوالى، الموصلية الجوهرية للسيليكون وأشباه الموصلات الأخرى في الظروف الطبيعيةصغير مقارنة بموصلية المعادن.

الموصلية النجاسة

الميزة الأكثر أهمية لأشباه الموصلات هي أنه يمكن تقليل مقاومتها بعدة أوامر من حيث الحجم عن طريق إدخال كمية صغيرة جدًا من الشوائب. بالإضافة إلى الموصلية الخاصة به ، فإن أشباه الموصلات لها السائدة الموصلية النجاسة. يرجع هذا إلى حقيقة أن أجهزة أشباه الموصلات قد وجدت مثل هذا التطبيق الواسع في العلوم والتكنولوجيا.
لنفترض ، على سبيل المثال ، أن القليل من الزرنيخ خماسي التكافؤ يضاف إلى ذوبان السيليكون. بعد تبلور الذوبان ، اتضح أن ذرات الزرنيخ تحتل أماكن في بعض مواقع الشبكة البلورية السيليكونية المتكونة.

يحتوي المستوى الإلكتروني الخارجي لذرة الزرنيخ على خمسة إلكترونات. أربعة منهم يشكلون روابط تساهمية مع أقرب الجيران - ذرات السيليكون (الشكل 7). ما هو مصير الإلكترون الخامس الذي لا يشغل هذه الروابط؟

أرز. 7. N- نوع أشباه الموصلات

ويصبح الإلكترون الخامس حرا! الحقيقة هي أن طاقة الربط لهذا الإلكترون "الإضافي" مع ذرة الزرنيخ الموجودة في بلورة السيليكون أقل بكثير من طاقة الربط لإلكترونات التكافؤ مع ذرات السيليكون. لذلك ، في درجة حرارة الغرفة ، تظل جميع ذرات الزرنيخ تقريبًا ، نتيجة للحركة الحرارية ، بدون إلكترون خامس ، وتتحول إلى أيونات موجبة. وبلورة السيليكون ، على التوالي ، مملوءة بالإلكترونات الحرة ، التي يتم فكها من ذرات الزرنيخ.

إن ملء بلورة بالإلكترونات الحرة ليس جديدًا بالنسبة لنا: لقد رأيناها أعلاه عندما تم تسخينها ينظفالسيليكون (بدون أي شوائب). لكن الوضع يختلف الآن اختلافًا جوهريًا: ظهور إلكترون حر يخرج من ذرة الزرنيخ لا يترافق مع ظهور ثقب متحرك. لماذا ا؟ والسبب هو نفسه - رابطة إلكترونات التكافؤ مع ذرات السيليكون أقوى بكثير من رابطة إلكترونات التكافؤ مع ذرة الزرنيخ في المنصب الخامس ، وبالتالي فإن إلكترونات ذرات السيليكون المجاورة لا تميل إلى ملء هذا الشاغر. وهكذا ، يبقى الشاغر في مكانه ؛ فهو ، كما كان ، "متجمد" لذرة الزرنيخ ولا يشارك في تكوين التيار.

في هذا الطريق، يؤدي إدخال ذرات الزرنيخ الخماسي التكافؤ في الشبكة البلورية السيليكونية إلى إنشاء الموصلية الإلكترونية ، ولكنه لا يؤدي إلى المظهر المتماثل لموصلية الثقب. الدور الرئيسي في إنشاء التيار ينتمي الآن إلى الإلكترونات الحرة ، والتي تسمى في هذه الحالة الناقلات الرئيسيةتكلفة.

تستمر آلية التوصيل الجوهرية ، بالطبع ، في العمل حتى في وجود شوائب: لا تزال الروابط التساهمية مكسورة بسبب الحركة الحرارية ، وتولد إلكترونات وثقوبًا حرة. ولكن الآن هناك ثقوب أقل بكثير من الإلكترونات الحرة ، والتي فيها بأعداد كبيرةمن ذرات الزرنيخ. لذلك ، ستكون الثقوب في هذه الحالة ناقلات الأقلياتتكلفة.

تسمى الشوائب التي تتبرع ذراتها بالإلكترونات الحرة دون ظهور عدد متساوٍ من الثقوب المتنقلة جهات مانحة. على سبيل المثال ، الزرنيخ خماسي التكافؤ هو شائبة مانحة. في حالة وجود شوائب مانحة في أشباه الموصلات ، فإن الإلكترونات الحرة هي ناقلات الشحنة الرئيسية ، والثقوب هي الثقوب الصغيرة ؛ بمعنى آخر ، تركيز الإلكترونات الحرة أعلى بكثير من تركيز الثقوب. لذلك ، يتم استدعاء أشباه الموصلات ذات الشوائب المانحة أشباه الموصلات الإلكترونية، أو ن نوع أشباه الموصلات(أو ببساطة ن- أشباه الموصلات).

وإلى أي مدى ، من المثير للاهتمام ، يمكن أن يتجاوز تركيز الإلكترونات الحرة تركيز الثقوب في n-semiconductor؟ لنقم بحساب بسيط.

افترض أن النجاسة هي وجود ذرة زرنيخ واحدة لكل ألف ذرة سيليكون. تركيز ذرات السيليكون ، كما نتذكر ، هو في حدود سم.

سيكون تركيز ذرات الزرنيخ ، على التوالي ، أقل بألف مرة: سم ، كما سيتحول تركيز الإلكترونات الحرة التي تبرع بها الشوائب إلى نفس المستوى - فبعد كل شيء ، تعطي كل ذرة زرنيخ إلكترونًا. والآن دعونا نتذكر أن تركيز أزواج الثقوب الإلكترونية التي تظهر عندما تنكسر الروابط التساهمية السيليكونية في درجة حرارة الغرفة تساوي تقريبًا سم ، هل تشعر بالفرق؟ تركيز الإلكترونات الحرة في هذه الحالة أكبر من تركيز الثقوب بأعداد كبيرة ، أي مليار مرة! وفقًا لذلك ، تقل مقاومة أشباه الموصلات السليكونية بمعامل مليار عندما يتم إدخال مثل هذه الكمية الصغيرة من الشوائب.

يوضح الحساب أعلاه أنه في أشباه الموصلات من النوع n ، يتم لعب الدور الرئيسي بالفعل عن طريق التوصيل الإلكتروني. على خلفية مثل هذا التفوق الهائل في عدد الإلكترونات الحرة ، فإن مساهمة حركة الثقوب في الموصلية الكلية صغيرة بشكل مهم.

من الممكن ، على العكس من ذلك ، إنشاء شبه موصل له غلبة في توصيل الثقب. سيحدث هذا إذا تم إدخال شوائب ثلاثية التكافؤ في بلورة السيليكون - على سبيل المثال ، الإنديوم. تظهر نتيجة هذا التنفيذ في الشكل. ثمانية .

أرز. 8. ف نوع أشباه الموصلات

ما يحدث في هذه الحالة؟ يحتوي المستوى الإلكتروني الخارجي لذرة الإنديوم على ثلاثة إلكترونات تشكل روابط تساهمية مع ذرات السيليكون الثلاث المحيطة. بالنسبة لذرة السيليكون المجاورة الرابعة ، لم تعد ذرة الإنديوم تحتوي على إلكترون كافٍ ، ويظهر ثقب في هذا المكان.

وهذا الثقب ليس بسيطًا ، ولكنه خاص - بطاقة ربط عالية جدًا. عندما يدخله إلكترون من ذرة سيليكون مجاورة ، فإنه "يظل عالقًا إلى الأبد" فيه ، لأن انجذاب الإلكترون إلى ذرة الإنديوم كبير جدًا - أكثر من ذرات السيليكون. سوف تتحول ذرة الإنديوم إلى أيون سالب ، وفي المكان الذي جاء منه الإلكترون ، سيظهر ثقب - ولكن الآن ثقب متحرك عادي على شكل رابطة تساهمية مكسورة في شبكة بلورية السيليكون. سيبدأ هذا الثقب بالطريقة المعتادة بالتجول حول البلورة بسبب انتقال "التتابع" لإلكترونات التكافؤ من ذرة سيليكون إلى أخرى.

وهكذا ، فإن كل ذرة شائبة من الإنديوم تولد ثقبًا ، لكنها لا تؤدي إلى المظهر المتماثل للإلكترون الحر. تسمى هذه الشوائب ، التي تلتقط ذراتها الإلكترونات "بإحكام" وبالتالي تخلق ثقبًا متحركًا في البلورة ، متقبل.

إنديوم ثلاثي التكافؤ هو مثال على شوائب متقبل.

إذا تم إدخال شوائب متقبل في بلورة من السيليكون النقي ، فإن عدد الثقوب الناتجة عن الشوائب سيكون أكبر بكثير من عدد الإلكترونات الحرة التي نشأت بسبب كسر الروابط التساهمية بين ذرات السيليكون. أشباه الموصلات مع متقبل هو dopant ثقب أشباه الموصلات، أو ف نوع أشباه الموصلات(أو ببساطة ف أشباه الموصلات).

تلعب الثقوب دورًا رئيسيًا في توليد التيار في أشباه الموصلات p ؛ ثقوب - ناقلات الشحن الرئيسية. الإلكترونات الحرة - ناقلات طفيفةتهمة في p- أشباه الموصلات. لا تقدم حركة الإلكترونات الحرة في هذه الحالة مساهمة كبيرة: يتم توفير التيار الكهربائي بشكل أساسي عن طريق توصيل الثقب.

السندات الإذنية تقاطع

نقطة الاتصال لاثنين من أشباه الموصلات مع أنواع مختلفةالموصلية (الإلكترونية والفتحة) تسمى انتقال ثقب الإلكترون، أو السندات الإذنية تقاطع. في منطقة تقاطع p-n ، تظهر ظاهرة مثيرة للاهتمام ومهمة للغاية - التوصيل أحادي الاتجاه.

على التين. 9 يوضح جهة اتصال المناطق من النوع p و n ؛ الدوائر الملونة عبارة عن ثقوب وإلكترونات حرة ، والتي تمثل غالبية (أو ثانوية) ناقلات الشحنة في المناطق المعنية.

أرز. 9. سد تقاطع طبقة p – n

من خلال أداء الحركة الحرارية ، تخترق حاملات الشحنة من خلال الواجهة بين المناطق.

تمر الإلكترونات الحرة من المنطقة n إلى المنطقة p وتعيد اتحادها مع الثقوب ؛ تنتشر الثقوب من المنطقة p إلى المنطقة n وتعيد اتحادها مع الإلكترونات.

نتيجة لهذه العمليات ، تبقى شحنة غير معوضة من الأيونات الموجبة للشوائب المانحة في أشباه الموصلات الإلكترونية بالقرب من حدود التلامس ، بينما في أشباه الموصلات في الفتحة (أيضًا بالقرب من الحدود) ، تنشأ شحنة سالبة غير معوضة من أيونات الشوائب المستقبلة . تشكل هذه الشحنات الفضائية غير المعوضة ما يسمى ب طبقة الحاجز، التي يمنع مجالها الكهربائي الداخلي انتشار الإلكترونات الحرة والثقوب عبر حدود التلامس.

دعونا الآن نربط المصدر الحالي بعنصر أشباه الموصلات من خلال تطبيق "زائد" المصدر على n-semiconductor ، و "ناقص" على p-semiconductor (الشكل 10).

أرز. 10. التضمين في غير إتجاه: لا يوجد تيار

نرى أن المجال الكهربائي الخارجي يأخذ حاملات الشحنة الأغلبية بعيدًا عن حدود التلامس. يزداد عرض الطبقة الحاجزة ويزداد مجالها الكهربائي. مقاومة الطبقة الحاجزة عالية ، والحاملات الرئيسية غير قادرة على التغلب على تقاطع p n. يسمح المجال الكهربائي لحاملات الأقلية فقط بعبور الحدود ، ومع ذلك ، نظرًا للتركيز المنخفض جدًا لحاملات الأقلية ، فإن التيار الذي تخلقه لا يكاد يذكر.

يسمى المخطط المدروس تشغيل تقاطع p – n في الاتجاه المعاكس. لا يوجد تيار كهربائي للحوامل الرئيسية ؛ لا يوجد سوى تيار ناقل أقلية ضئيل. في هذه الحالة ، يتم إغلاق التقاطع p – n.

الآن دعونا نغير قطبية الاتصال ونطبق "زائد" على أشباه الموصلات p ، و "ناقص" على n-semiconductor (الشكل 11). هذا المخطط يسمى التحول في الاتجاه الأمامي.

أرز. 11. التحويل إلى الأمام: التدفقات الحالية

في هذه الحالة ، يتم توجيه المجال الكهربائي الخارجي ضد مجال الحجب ويفتح الطريق أمام الموجات الحاملة الرئيسية عبر تقاطع p-n. تصبح الطبقة الحاجزة أرق ، وتقل مقاومتها.

هناك حركة جماعية للإلكترونات الحرة من المنطقة n إلى المنطقة p ، وتندفع الثقوب بدورها معًا من المنطقة p إلى المنطقة n.

ينشأ تيار في الدائرة ناتج عن حركة ناقلات الشحنة الرئيسية (الآن ، ومع ذلك ، فإن المجال الكهربائي يمنع تيار ناقلات الأقلية ، ولكن هذا العامل المهمل ليس له تأثير ملحوظ على الموصلية الكلية).

يتم استخدام التوصيل أحادي الجانب لتقاطع p – n في الثنائيات أشباه الموصلات. الصمام الثنائي هو جهاز ينقل التيار في اتجاه واحد فقط ؛ في الاتجاه المعاكس ، لا يمر أي تيار عبر الصمام الثنائي (يقال إن الصمام الثنائي مغلق). يظهر التمثيل التخطيطي للديود في الشكل. 12.

أرز. 12. الصمام الثنائي

في هذه الحالة ، يكون الصمام الثنائي مفتوحًا في الاتجاه من اليسار إلى اليمين: يبدو أن الشحنات تتدفق على طول السهم (انظر في الشكل؟). في الاتجاه من اليمين إلى اليسار ، يبدو أن الشحنات تستقر على الحائط - الصمام الثنائي مغلق.

خصائص أشباه الموصلات - خاصية الكهرمان ، بعد الاحتكاك بالصوف ، لجذب الأشياء الصغيرة إلى نفسها ، تمت ملاحظتها منذ وقت طويل جدًا. لكن الظواهر الكهربائية ، غير الدائمة والعابرة ، لطالما طغت عليها الظواهر المغناطيسية ، التي أصبحت أكثر استقرارًا بمرور الوقت.

في القرنين السابع عشر والثامن عشر ، أصبحت التجارب الكهربائية متاحة على نطاق واسع ، وتم إجراء عدد من الاكتشافات الجديدة. في عام 1729 ، اكتشف الإنجليزي ستيفن جراي أن جميع المواد مقسمة إلى فئتين: العوازل التي لا يمكنها حمل شحنة كهربائية (تسمى "الأجسام الكهربائية" لأنها يمكن أن تكون كهربائية بالاحتكاك) ، والموصلات التي يمكن أن تحمل شحنة (تسمى "غير الهيئات الكهربائية ").

أفكار حديثة حول الخواص الكهربائية للمواد

مع تطوير المزيد من الأفكار ، بدأت خصائص المواد لإجراء تيار كهربائي تتميز كميًا - بقيمة التوصيل الكهربائي ، مقاسة بالسيمنز لكل متر (S / m). في درجة حرارة الغرفة ، تكمن موصلية الموصلات في النطاق من 10 6 إلى 10 8 S / m ، وبالنسبة للعوازل (العوازل) فهي أقل من 10 -8 S / m.

المواد التي تحتل موقعًا وسيطًا من حيث الموصلية يمكن أن تسمى منطقيًا أشباه الموصلات أو شبه العوازل. تم إصلاح الاسم الأول تاريخيًا. تقع موصلية أشباه الموصلات في النطاق من 10 -8 إلى 10 6 S / m. لا توجد حدود حادة بين هذه الأنواع الثلاثة من المواد ، يتم تحديد الاختلافات النوعية من خلال الاختلاف في الخصائص الكمية.

من المعروف من الفيزياء أن الإلكترون في الجسم الصلب لا يمكن أن يكون لديه طاقة عشوائية ، هذه الطاقة يمكن أن تأخذ فقط قيمًا معينة ، تسمى مستويات الطاقة. كلما اقترب الإلكترون في الذرة من النواة ، انخفضت طاقته. يحتوي الإلكترون الأبعد على أعلى طاقة. في الكهرباء و العمليات الكيميائيةفقط إلكترونات الغلاف الخارجي للذرة تشارك (إلكترونات ما يسمى بفرقة التكافؤ).

تنتمي الإلكترونات ذات الطاقة الأعلى من إلكترونات نطاق التكافؤ إلى إلكترونات نطاق التوصيل. لا ترتبط هذه الإلكترونات بالذرات الفردية ، وتتحرك بشكل عشوائي داخل الجسم ، مما يوفر التوصيل.

تعتبر ذرات المادة التي تبرعت بإلكترون إلى نطاق التوصيل أيونات موجبة الشحنة ، فهي غير متحركة وتشكل شبكة بلورية لمادة ، تتحرك داخلها إلكترونات التوصيل. في الموصلات (المعادن) ، يكون شريط التوصيل مجاورًا لنطاق التكافؤ ، وكل ذرة معدنية بدون تداخل تعطي إلكترونًا واحدًا أو أكثر إلى نطاق التوصيل ، مما يوفر للمعادن خاصية التوصيل الكهربائي.

يتم تحديد خصائص أشباه الموصلات من خلال فجوة النطاق

في أشباه الموصلات والعوازل ، بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل ، هناك ما يسمى. منطقة ممنوعة. لا يمكن أن تمتلك الإلكترونات طاقة تقابل طاقة المستويات في هذا النطاق. تنقسم المواد إلى عوازل كهربائية وأشباه موصلات حسب فجوة النطاق. مع وجود فجوة في النطاق من بضعة إلكترونات فولت (eV) ، هناك فرصة ضئيلة للإلكترونات في نطاق التكافؤ لدخول نطاق التوصيل ، مما يجعل هذه المواد غير موصلة. على سبيل المثال ، الماس به فجوة نطاق تبلغ 5.6 فولت. ومع ذلك ، مع ارتفاع درجة الحرارة ، تزيد إلكترونات نطاق التكافؤ من طاقتها ، ويدخل بعضها في نطاق التوصيل ، مما يؤدي إلى تفاقم خصائص العزل للعوازل الكهربائية.

من ناحية أخرى ، إذا كانت فجوة النطاق في حدود إلكترون واحد فولت ، فإن المادة تكتسب موصلية ملحوظة بالفعل في درجة حرارة الغرفة ، وتصبح أكثر موصلة مع زيادة درجة الحرارة. نشير إلى مواد مثل أشباه الموصلات ، ويتم تحديد خصائص أشباه الموصلات من خلال فجوة النطاق.

في درجة حرارة الغرفة ، تكون فجوة النطاق في أشباه الموصلات أقل من 2.5-3 فولت. على سبيل المثال ، تبلغ فجوة نطاق الجرمانيوم 0.72 فولت ، بينما تبلغ فجوة السليكون 1.12 فولت. تشتمل أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة على أشباه موصلات ذات فجوة نطاق تزيد عن 2 فولت. بشكل عام ، كلما زادت فجوة النطاق لأشباه الموصلات ، زادت نقطة انصهارها. لذلك ، بالنسبة للجرمانيوم ، تكون نقطة الانصهار 936 درجة مئوية ، وللسيليكون 1414 درجة مئوية.

نوعان من موصلية أشباه الموصلات - الإلكترونية والثقب

عند درجة حرارة الصفر المطلق (-273 درجة مئوية) ، في شبه موصل نقي (شبه موصل جوهري ، أو شبه موصل أنا-type) جميع الإلكترونات في تكوين الذرات ، وأشباه الموصلات هي عازل. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تسقط بعض الإلكترونات في نطاق التكافؤ في نطاق التوصيل ، ويحدث التوصيل الإلكتروني. ولكن عندما تفقد الذرة إلكترونًا ، فإنها تصبح موجبة الشحنة.

للتحرك تحت تأثير مجال كهربائي ، تحتل الذرة مكانًا فيها شعرية الكريستال، لا تستطيع ، لكنها قادرة على جذب إلكترون من ذرة مجاورة ، وملء "ثقب" في شريط التكافؤ الخاص بها. سوف تبحث الذرة التي فقدت إلكترونًا بدورها عن فرصة لملء "الفتحة" المتكونة في الغلاف الخارجي. يحتوي الثقب على كل شيء وخصائص الشحنة الموجبة ، ويمكننا افتراض وجود نوعين من الموجات الحاملة في أشباه الموصلات - إلكترونات سالبة الشحنة وثقوب موجبة الشحنة.

يمكن أن تحتل إلكترونات التوصيل أماكن خالية في نطاق التكافؤ ، أي تواصل مع الثقوب. تسمى هذه العملية إعادة التركيب ، وبما أن توليد وإعادة تركيب الحاملات يحدثان في وقت واحد ، عند درجة حرارة معينة ، يكون عدد أزواج الناقلات في حالة توازن ديناميكي - تتم مقارنة عدد الأزواج الناشئة بعدد الأزواج المعاد تجميعها .

الموصلية الجوهرية لأشباه الموصلات أنا-النوع يتكون من توصيل الإلكترون والثقوب ، مع تسود التوصيل الإلكتروني ، لأن الإلكترونات أكثر قدرة على الحركة من الثقوب. تعتمد الموصلية الكهربائية المحددة للمعادن أو أشباه الموصلات على عدد حاملات الشحنة في 1 متر مكعب. سم ، أو على تركيز الإلكترونات والثقوب.

إذا كان عدد الذرات في 1 متر مكعب. سم من المواد بترتيب 10 22 ، ثم في درجة حرارة الغرفة في المعادن لا يقل عدد إلكترونات التوصيل عن عدد الذرات ، أي أيضًا بترتيب 10 22 ، بينما في الجرمانيوم النقي ، يكون تركيز حاملات الشحنة من 10 13 سم -3 ، وفي السيليكون 10 10 سم -3 ، وهو أقل بكثير من تركيز المعدن ، وهذا هو السبب موصلية أشباه الموصلات أسوأ بملايين ومليارات المرات من تلك المعادن.

كل شيء عن الشوائب

عندما يتم تطبيق جهد على أشباه الموصلات ، فإن المجال الكهربائي الذي ينشأ فيه يسرع الإلكترونات والثقوب ، وتصبح حركتها مرتبة ، وينشأ تيار كهربائي - تيار التوصيل. بالإضافة إلى الموصلية الجوهرية ، يوجد أيضًا في أشباه الموصلات موصلية الشوائب ، والتي ، كما قد تتخيل من الاسم ، ترجع إلى وجود شوائب في أشباه الموصلات.

إذا تمت إضافة كمية ضئيلة من الأنتيمون خماسي التكافؤ أو الزرنيخ أو الفوسفور إلى الجرمانيوم رباعي التكافؤ ، فإن ذرات الشوائب تستخدم 4 إلكترونات لتتحد مع ذرات الجرمانيوم ، والخامس سيكون في نطاق التوصيل ، مما يحسن بشكل كبير موصلية أشباه الموصلات. الشوائب التي تتبرع ذراتها بالإلكترونات تسمى المتبرعين. نظرًا لأن الموصلية الإلكترونية تسود في مثل هذه أشباه الموصلات ، فإنها تسمى أشباه الموصلات. ن-type (من الكلمة الإنجليزية نفي- نفي). لكي تتبرع جميع الذرات المانحة بإلكترون إلى نطاق التوصيل ، يجب وضع نطاق الطاقة لذرات المتبرع في أقرب مكان ممكن من نطاق التوصيل لأشباه الموصلات ، أسفله إلى حد ما.

عند إضافة شوائب من البورون أو الإنديوم أو الألومنيوم ثلاثي التكافؤ إلى الجرمانيوم رباعي التكافؤ ، فإن ذرات الشوائب تأخذ الإلكترونات من ذرات الجرمانيوم ، ويكتسب الجرمانيوم موصلية الثقب ، ويصبح أشباه موصلات ص-type (من الكلمة الإنجليزية إيجابي- إيجابي). تسمى الشوائب التي تخلق موصلية الثقب بالمقبلات.

لكي يتمكن المتقبلون من التقاط الإلكترونات بسهولة ، يجب أن تكون مستويات طاقة الذرات المستقبلة مجاورة لمستويات نطاق التكافؤ لأشباه الموصلات ، الموجودة فوقها مباشرة.

عادةً ما تتجاوز موصلية الشوائب الموصلية الجوهرية بشكل كبير ، نظرًا لأن تركيز الذرات المانحة أو المستقبلة يتجاوز بشكل كبير تركيز الحاملات الجوهرية. من الصعب جدًا الحصول على أشباه الموصلات بكمية محددة من الشوائب ، كما يجب أن يكون شبه الموصل الأولي نقيًا جدًا. لذلك ، بالنسبة إلى الجرمانيوم ، لا يُسمح بأكثر من ذرة واحدة من شوائب دخيلة (أي لا مانح ولا متقبل) لكل 10 مليار ذرة جرمانيوم ، وبالنسبة للسيليكون ، فإن متطلبات النقاء أعلى 1000 مرة.

تقاطع المعادن مع أشباه الموصلات

في أجهزة أشباه الموصلات ، يصبح من الضروري استخدام ملامسات أشباه الموصلات للمعادن. تتميز المادة (المعدن أو أشباه الموصلات) بالطاقة المطلوبة لإلكترون لترك المادة - وظيفة العمل. دعونا نشير إلى وظيفة العمل من المعدن A m ومن أشباه الموصلات A p.

اتصالات أومية

إذا كان من الضروري إنشاء اتصال أومي (أي عدم التصحيح ، عندما تكون مقاومة التلامس منخفضة لأي قطبية للجهد المطبق) ، فهذا يكفي لضمان اتصال المعدن بأشباه الموصلات عند إنشاء الشروط التالية :

• على اتصال مع n-semiconductor: A m< A п;
• على اتصال مع أشباه الموصلات p: A m> A p .

يتم تفسير هذه الخصائص لأشباه الموصلات من خلال حقيقة أن ناقلات الأغلبية تتراكم في الطبقة الحدودية لأشباه الموصلات ، مما يضمن مقاومتها المنخفضة. يتم ضمان تراكم ناقلات الأغلبية من خلال حقيقة أن الإلكترونات تنتقل دائمًا من مادة ذات وظيفة عمل أقل إلى مادة ذات وظيفة عمل أعلى.

تصحيح الاتصالات

ولكن إذا كان مع أشباه الموصلات ن- المعدن من النوع يتلامس مع A m> A p ، ثم تنتقل الإلكترونات من أشباه الموصلات إلى المعدن ، وتتشكل في الطبقة الحدودية منطقة مستنفدة في الناقلات الأساسية ذات الموصلية المنخفضة. للتغلب على الحاجز الذي تم إنشاؤه ، من الضروري تطبيق جهد قطبي معين وحجم كافٍ على جهة الاتصال. عندما يتم تطبيق القطبية العكسية ، فإن موصلية التلامس سوف تتدهور أكثر - مثل هذا التلامس له خصائص تصحيح. من السهل أن نرى أن تلامس المعدن بأشباه الموصلات له خصائص مماثلة لأشباه الموصلات أحادية الجانب. ص-نوع في أ م< A п.

تاريخ كاشف أشباه الموصلات

اكتشف الفيزيائي الألماني فرديناند براون خصائص مماثلة لأشباه الموصلات المعدنية في عام 1874. ظهرت أول الثنائيات القائمة على تلامس أشباه الموصلات المعدنية حوالي عام 1900 ، عندما بدأ استخدام أجهزة الكشف المكونة من سلك تنجستن مضغوط على سطح بلورة غالينا (كبريتيد الرصاص) في مستقبلات الراديو. صنع هواة الراديو أجهزة الكشف الخاصة بهم عن طريق صهر الرصاص بالكبريت.

في عام 1906 ، صمم العالم الفرنسي جي. تسمى الأجهزة الإلكترونية القائمة على التلامس مع أشباه الموصلات المعدنية ثنائيات شوتكي نسبة إلى الفيزيائي الألماني والتر شوتكي الذي درس مثل هذه الاتصالات.

في عام 1926 ، ظهرت عناصر مقوم cuprox القوية ، وهي عبارة عن صفيحة نحاسية مع طبقة من أكسيد النحاس المطبق ، والتي تستخدم على نطاق واسع في وحدات الطاقة.

انتقال ثقب الإلكترون

انتقال ثقب الإلكترون ، أو ن صالتقاطع هو منطقة على حدود اثنين من أشباه الموصلات. نوع مختلفيعتمد الموصلية وتشغيل أجهزة أشباه الموصلات على استخدام خصائص هذه التحولات. في حالة عدم وجود جهد مطبق على التقاطع ، تنتقل حاملات الشحنة من مناطق ذات تركيز أعلى إلى مناطق ذات تركيز أقل - خارج أشباه الموصلات ن-نوع لأشباه الموصلات ص- تتحرك الإلكترونات من النوع ، وتتحرك الثقوب في الاتجاه المعاكس.

نتيجة لهذه الحركات ، تظهر مناطق بها شحنة فضائية على جانبي الواجهة ، وينشأ فرق جهد الاتصال بين هذه المناطق. يشكل فرق الجهد هذا حاجزًا محتملاً ، مما يمنع المزيد من انتقال الموجات الحاملة عبر الحاجز. يعتمد ارتفاع الحاجز (فرق جهد التلامس) على تركيز الشوائب ، وعادة ما يكون الجرمانيوم 0.3-0.4 فولت ، ويصل إلى 0.7 فولت في الحالة المستقرة ، لا يوجد تيار من خلال التقاطع ، منذ ذلك الحين ص- للوصلة مقاومة عالية مقارنة بالمناطق الأخرى من أشباه الموصلات ، وتسمى الطبقة الناتجة بالحجب.

لو ل ن ص- الانتقال لتطبيق جهد خارجي ، إذن ، اعتمادًا على قطبيته ، سوف يتصرف الانتقال بشكل مختلف.

التدفق من خلال تقاطع تيار مباشر

إذا كان لأشباه الموصلات ص- نوع لتطبيق "موجب" لمصدر الجهد ، ثم يعمل الحقل الذي تم إنشاؤه بواسطة المصدر عكس مجال فرق جهد التلامس ، وينخفض ​​إجمالي المجال ، ويقل ارتفاع الحاجز المحتمل ، ويتغلب عليه المزيد من الموجات الحاملة. يبدأ تيار ، يسمى التيار المباشر ، بالتدفق خلال الانتقال. في نفس الوقت ، ينخفض ​​سمك الطبقة الواقية ويقلل المقاومة الكهربائية.

لتوليد تيار أمامي كبير ، يكفي تطبيق جهد على الوصلة يمكن مقارنته بارتفاع الحاجز في حالة عدم وجود جهد مطبق ، أي بعشر فولت ، وعند جهد أعلى ، ستصبح مقاومة الطبقة الحاجزة قريبة من الصفر.

التدفق خلال تقاطع عودة التيار

إذا تم "عكس" الجهد الخارجي ، أي يرفق الى ص- أشباه الموصلات "ناقص" مصدر الجهد ، سيتم إضافة مجال الجهد الخارجي إلى مجال فرق جهد التلامس. يزداد ارتفاع الحاجز المحتمل ، مما يجعل من الصعب على ناقلات الأغلبية أن تنتشر عبر التقاطع ، ويكون التيار خلال التقاطع ، المسمى "عكسي" ، صغيرًا. تصبح الطبقة الحاجزة أكثر سمكًا ، وتزداد مقاومتها الكهربائية.

تُستخدم خصائص تصحيح وصلات ثقب الإلكترون في الثنائيات ذات الطاقة والغرض المختلفين - لتصحيح التيار المتردد في إمدادات الطاقة والإشارات الضعيفة في الأجهزة لأغراض مختلفة.

تطبيقات أخرى لممتلكات أشباه الموصلات

يتصرف تقاطع ثقب الإلكترون بجهد عكسي بشكل مشابه للمكثف الكهربائي المشحون بسعة من الوحدات إلى مئات البيكوفاراد. تعتمد هذه السعة على الجهد المطبق على التقاطع ، مما يسمح باستخدام بعض أنواع أجهزة أشباه الموصلات كمكثفات متغيرة يتحكم فيها الجهد المطبق.

الخصائص ن ص- تعتمد الانتقالات أيضًا بشكل كبير على درجة حرارة الوسط ، مما يجعل من الممكن تطبيقه أنواع معينةأجهزة أشباه الموصلات كأجهزة استشعار درجة الحرارة. الأجهزة التي تحتوي على ثلاث مناطق ذات موصلية مختلفة ، مثل ن ص ن، يسمح لك بإنشاء أجهزة لها خصائص تضخيم الإشارات الكهربائية ، وكذلك توليدها.