Poluprovodnici su široka klasa tvari koje karakteriziraju vrijednosti električne vodljivosti koje se nalaze u rasponu između električne provodljivosti metala i dobrih dielektrika, odnosno te tvari se ne mogu klasificirati ni kao dielektrici (pošto nisu dobri izolatori) ni kao metali ( nisu dobri provodnici struje). Poluprovodnici, na primjer, uključuju tvari kao što su germanij, silicijum, selen, telur, kao i neke okside, sulfide i metalne legure.

Svojstva:

1) Sa porastom temperature otpornost poluvodiča se smanjuje, za razliku od metala, kod kojih otpor raste s porastom temperature. Štaviše, u pravilu, u širokom temperaturnom rasponu, ovo povećanje se događa eksponencijalno. Otpornost poluvodičkih kristala takođe može da se smanji kada su izloženi svetlosti ili jakim elektronskim poljima.

2) Svojstvo jednostranog provođenja kontakta dva poluprovodnika. Upravo se ovo svojstvo koristi za stvaranje raznih poluvodičkih uređaja: diode, tranzistori, tiristori itd.

3) Kontakti raznih poluprovodnika pod određenim uslovima, kada su osvetljeni ili zagrejani, su izvori foto-e. d.s. ili, respektivno, termo-e. d.s.

Poluprovodnici se razlikuju od ostalih klasa čvrste materije mnogi specifične karakteristike, od kojih su najvažniji:

1) pozitivni temperaturni koeficijent električne provodljivosti, odnosno sa povećanjem temperature raste i električna provodljivost poluprovodnika;

2) specifična provodljivost poluprovodnika je manja od provodljivosti metala, ali veća od provodljivosti izolatora;

3) velike vrednosti termoelektromotorne sile u poređenju sa metalima;

4) visoka osetljivost svojstava poluprovodnika na jonizujuće zračenje;

5) sposobnost nagla promena fizička svojstva pod uticajem zanemarljivo malih koncentracija nečistoća;

6) uticaj strujnog ispravljanja ili neomskog ponašanja na kontakte.

3. fizički procesi u p-n - prelaz.

Glavni element većine poluvodičkih uređaja je spoj elektron-rupa ( okrug spoj), koji je prelazni sloj između dva regiona poluprovodnika, od kojih jedan ima elektronsku električnu provodljivost, a drugi provodljivost rupa.

Obrazovanje pn tranzicija. Pn ravnotežni prelaz

Pogledajmo detaljnije obrazovni proces pn tranzicija. Stanje ravnoteže naziva se takvo prijelazno stanje kada nema vanjskog napona. Prisjetite se toga u R- u regionu postoje dva tipa glavnih nosilaca naboja: nepokretni negativno nabijeni joni akceptorskih atoma nečistoća i slobodne pozitivno nabijene rupe; i u n-regiji postoje i dvije vrste glavnih nosilaca naboja: nepokretni pozitivno nabijeni joni akceptorskih atoma nečistoća i slobodni negativno nabijeni elektroni.

Prije dodira str I n regioni, elektroni, rupe i ioni nečistoća su jednolično raspoređeni. U kontaktu na granici str I n regionima, nastaje gradijent koncentracije slobodnih nosilaca naboja i difuzija. Pod dejstvom difuzije, elektroni iz n-područje ulazi u str i tamo se rekombinuje sa rupama. rupe od R-područja ići n region i rekombinuju sa elektronima tamo. Kao rezultat takvog kretanja slobodnih nosilaca naboja u graničnom području, njihova koncentracija opada gotovo na nulu, a istovremeno, R području formira se negativni prostorni naboj akceptorskih nečistoća i in n-region pozitivni prostorni naboj donorskih nečistoća jona. Između ovih punjenja postoji kontaktna razlika potencijala φ to i električno polje E to, što sprečava difuziju slobodnih nosilaca naboja iz dubine R- I n- područja kroz p-n- tranzicija. Tako se naziva područje koje spajaju slobodni nosioci naboja sa svojim električnim poljem p-n- tranzicija.

Pn Prijelaz karakteriziraju dva glavna parametra:

1. Potencijalna visina barijere. Jednaka je kontaktnoj potencijalnoj razlici φ to. Ovo je razlika potencijala u prijelazu zbog gradijenta koncentracije nosilaca naboja. Ovo je energija koju besplatno punjenje mora imati da bi prevladalo potencijalnu barijeru:

Gdje k je Boltzmannova konstanta; e je naelektrisanje elektrona; T- temperatura; N / A I N D su koncentracije akceptora i donora u oblastima rupa i elektrona, respektivno; p str I p n su koncentracije rupa u R- I n- oblasti; n i - vlastita koncentracija nosilaca naboja u nedopiranom poluprovodniku,  t \u003d kT / e- temperaturni potencijal. Na temperaturi T\u003d 27 0 S  t=0,025V, za prelaz germanijuma  do=0,6V, za silicijumski spoj  do\u003d 0,8V.

2. širina p-n spoja(Sl. 1) je granična regija osiromašena nosiocima naboja, koja se nalazi u str I n područja: l p-n = l p + l n:

Odavde,

Gdje ε je relativna permitivnost poluvodičkog materijala; ε 0 je dielektrična konstanta slobodnog prostora.

Debljina prijelaza elektron-rupa je reda (0,1-10) µm. Ako , onda i pn-prijelaz se zove simetričan, ako , onda i pn- tranzicija se naziva asimetrična i uglavnom se nalazi u području poluprovodnika sa nižom koncentracijom nečistoća.

U ravnotežnom stanju (bez eksternog napona) kroz okrug prelaza, kreću se dve protivstruje naelektrisanja (teku dve struje). To su struja drifta manjinskih nosilaca naboja i struja difuzije koja je povezana sa većinskim nosiocima naboja. Kako nema vanjskog napona i nema struje u vanjskom kolu, struja drifta i struja difuzije su međusobno uravnotežene i rezultirajuća struja je nula

I dr + I diff = 0.

Ova relacija se naziva uslovom dinamičke ravnoteže procesa difuzije i drifta u izolovanom (ravnotežnom) pn-tranzicija.

Površina na kojoj su u kontaktu str I n područje se naziva metalurška granica. U stvarnosti, ima konačnu debljinu - δ m. Ako δ m<< l p-n , To pn Prijelaz se naziva oštrim. Ako je δ m >> lp-n, To pn Prijelaz se naziva glatkim.

R-n prijelaz na vanjskom naponu primijenjenom na njega

Vanjski napon remeti dinamičku ravnotežu struja u pn-tranzicija. Pn- tranzicija prelazi u neravnotežno stanje. U zavisnosti od polariteta napona primijenjenog na područja u pn-moguć prijelaz na dva načina rada.

1) Predrasudapn tranzicija. R-n- spoj se smatra nagnutim prema naprijed ako je spojen pozitivni pol napajanja R-region, a negativan na n- područja (slika 1.2)

Sa prednagibom, naponi  do i U su usmjereni suprotno, rezultirajući napon uključen pn-prijelaz se smanjuje na vrijednost  do - U. To dovodi do činjenice da se jačina električnog polja smanjuje i nastavlja se proces difuzije glavnih nositelja naboja. Osim toga, pomak naprijed smanjuje širinu pn tranzicija, jer lp-n ≈( do - U) 1/2. Struja difuzije, struja glavnih nosilaca naboja, postaje mnogo veća od struje drifta. Kroz pn-prelazni jednosmjerni tokovi

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

Kada teče jednosmjerna struja, većina nosilaca naboja u p-području prelaze u n-područje, gdje postaju minorni. Proces difuzije uvođenja većinskih nosilaca naboja u područje gdje postaju manjinski naziva se injekcija, a istosmjerna struja - struja difuzije ili struja ubrizgavanja. Da bi se kompenzirali manjinski nosioci naboja akumulirani u p i n regijama, struja elektrona se stvara u vanjskom kolu iz izvora napona, tj. princip elektroneutralnosti je očuvan.

Sa povećanjem U struja naglo raste, - temperaturni potencijal, i može dostići velike vrijednosti. povezan sa glavnim nosiocima, čija je koncentracija visoka.

2) obrnuto pristrasnost, javlja se kada R-područje se primjenjuje minus, a na n-područje plus, vanjski izvor napona (slika 1.3).

Ova spoljna napetost U uključeno prema  do. To: povećava visinu potencijalne barijere na vrijednost  do + U; povećava se jačina električnog polja; širina pn tranzicija se povećava, jer l p-n ≈( do + U) 1/2; proces difuzije potpuno prestaje i nakon toga pn prelazni tokovi struja drifta, struja manjinskog nosioca. Takva struja pn-prijelaz se naziva obrnutim, a budući da je povezan sa manjim nosiocima naboja koji nastaju uslijed termičke generacije, naziva se termička struja i označava se - I 0, tj.

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

Ova struja je male veličine. povezan sa manjinskim nosiocima naboja, čija je koncentracija niska. dakle, pn prelaz ima jednostranu provodljivost.

Uz obrnutu bias, koncentracija manjinskih nosilaca naboja na granici prijelaza donekle opada u odnosu na ravnotežnu. To dovodi do difuzije manjinskih nosilaca naboja iz dubine str I n-područja do granice pn tranzicija. Došavši do njega, manjinski nosioci padaju u jako električno polje i prolaze kroz njega pn tranzicije, gdje postaju većinski nosioci naboja. Difuzija sporednih nosilaca naboja do granice pn tranzicija i drift kroz nju do regije u kojoj postaju glavni nosioci naboja naziva se ekstrakcija. Ekstrakcija i stvara obrnutu struju pn tranzicija je struja sporednih nosilaca naboja.

Veličina reverzne struje u velikoj meri zavisi od: temperature okruženje, poluprovodnički materijal i oblast pn tranzicija.

Temperaturna zavisnost reverzne struje određena je izrazom , gdje je nazivna temperatura, stvarna temperatura, temperatura udvostručavanja toplinske struje.

Toplotna struja silicijumskog spoja je mnogo manja od toplotne struje spoja na bazi germanijuma (za 3-4 reda veličine). To je povezano sa  do materijal.

Sa povećanjem prelaznog područja povećava se njegov volumen, a samim tim i broj manjinskih nosilaca koji se pojavljuju kao rezultat toplinske proizvodnje i povećanja toplinske struje.

Dakle, glavna imovina pn-tranzicija je njegovo jednosmjerno provođenje.

4. Strujno-naponska karakteristika p-n - prijelaz.

Dobijamo volt-amper karakteristika p-n tranzicija. Da bismo to učinili, upisujemo jednačinu kontinuiteta opšti pogled:

Razmotrićemo stacionarni slučaj dp/dt = 0.

Razmotrimo struju u kvazi-neutralnom volumenu poluvodiča n-tipa desno od područja iscrpljivanja p-n spoj(x > 0). Brzina generisanja G u kvazineutralnom volumenu je nula: G = 0. Električno polje E je također nula: E = 0. Komponenta drifta struje je također nula: I E = 0, dakle, struja je difuzija. Brzina rekombinacije R na niskom nivou ubrizgavanja opisana je relacijom:

Koristimo sljedeću vezu koja se odnosi na koeficijent difuzije, dužinu difuzije i životni vijek manjinskog nosioca: Dτ = L p 2 .

Uzimajući u obzir gornje pretpostavke, jednačina kontinuiteta ima oblik:

Granični uslovi za jednačinu difuzije u p-n spoju su:

Rješenje diferencijalna jednadžba(2.58) sa graničnim uslovima (*) ima oblik:

Relacija (2.59) opisuje zakon raspodjele ubrizganih rupa u kvazi-neutralnom volumenu poluvodiča n-tipa za prijelaz elektron-rupa (slika 2.15). Svi nosioci koji su prešli SCR granicu sa kvazi neutralnim volumenom p-n spoja učestvuju u struji p-n spoja. Pošto je cijela struja difuzija, zamjenom (2.59) u izraz za struju dobijamo (slika 2.16):

Relacija (2.60) opisuje difuzijsku komponentu struje rupe p-n spoja, koja nastaje prilikom ubrizgavanja manjinskih nosilaca pod prednagibom. Za elektronsku komponentu struje p-n spoja dobijamo na sličan način:

Kod V G = 0, komponente drifta i difuzije uravnotežuju jedna drugu. Dakle, .

Pun p-n struja spoj je zbir sve četiri komponente struje p-n spoja:

Izraz u zagradama ima fizičko značenje obrnute struje p-n spoja. Zaista, pri negativnim naponima 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:

Rice. 2.15. Distribucija neravnotežnih nosača ubrizganih iz emitera preko kvazineutralnog volumena p-n baze tranzicija

Lako je vidjeti da je ova relacija ekvivalentna onoj dobivenoj ranije u analizi jednačine kontinuiteta.

Ako je potrebno ostvariti uslov jednostranog injektiranja (npr. samo injektiranje rupa), onda iz relacije (2.61) slijedi da bi trebala biti mala vrijednost koncentracije manjinskih nosilaca n p0 u p-području. izabrani. Iz toga slijedi da poluvodič p-tipa mora biti jako dopiran u odnosu na poluvodič n-tipa: N A >> N D . U ovom slučaju, komponenta rupe će dominirati u struji p-n spoja (slika 2.16).

Rice. 2.16. Struje u jednostranom p-n spoju sa prednagibom

Dakle, I-V karakteristika p-n spoja ima oblik:

Gustina struje zasićenja Js je:

CVC p-n prijelaz, opisan relacijom (2.62), prikazan je na slici 2.17.

Rice. 2.17. Volt-amper karakteristike savršen p-n tranzicija

Kao što slijedi iz relacije (2.16) i slike 2.17, strujno-naponska karakteristika idealnog p-n spoja ima izraženu asimetričnu formu. U području jednosmjernih napona, struja p-n spoja je difuzna i eksponencijalno raste s povećanjem primijenjenog napona. U području negativnih napona, struja p-n spoja je drift i ne ovisi o primijenjenom naponu.

5. Kapacitet p-n - spoj.

Svaki sistem u kojem se električni naboj Q mijenja kada se promijeni potencijal φ ima kapacitivnost. Vrijednost kapacitivnosti C određena je omjerom: .

Za p-n spoj mogu se razlikovati dva tipa naelektrisanja: naelektrisanje u oblasti prostornog naboja jonizovanih donora i akceptora Q B i naelektrisanje ubrizganih nosača u bazu iz emitera Q p . Uz različita prednapona na p-n spoju, jedno ili drugo naelektrisanje će dominirati prilikom izračunavanja kapacitivnosti. U tom smislu, za kapacitet p-n spoja razlikuju se kapacitivnost barijere C B i difuziona kapacitivnost C D.

Kapacitivnost barijere C B je kapacitivnost p-n tranzicija pod obrnutim pristrasnošću V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

Vrijednost naboja ioniziranih donora i akceptora Q B po jedinici površine za asimetrični p-n spoj je:

Diferencirajući izraz (2.65), dobijamo:

Iz jednačine (2.66) slijedi da je kapacitivnost barijere C B kapacitivnost ravnog kondenzatora čija je udaljenost između ploča jednaka širini područja prostornog naboja W. Pošto širina SCR zavisi od primijenjenog napona V G, kapacitivnost barijere takođe zavisi od primenjenog napona. Numeričke procjene kapacitivnosti barijere pokazuju da je njegova vrijednost desetine ili stotine pikofarada.

Kapacitivnost difuzije C D je kapacitet p-n spoja pri prednaponu V G > 0, zbog promjene naboja Q p ubrizganih nosača u bazu iz emitera Q p .

Za instrumentalnu implementaciju koristi se ovisnost kapacitivnosti barijere C B od primijenjenog obrnutog napona V G. Poluvodička dioda koja implementira ovu zavisnost naziva se varikap. Maksimalna vrijednost kapacitivnosti varikapa je na nultom naponu V G . Kako se obrnuta pristranost povećava, kapacitivnost varikapa se smanjuje. Funkcionalna ovisnost kapacitivnosti varikapa o naponu određena je profilom dopinga baze varikapa. U slučaju uniformnog dopinga, kapacitivnost je obrnuto proporcionalna korijenu primijenjenog napona V G . Postavljanjem profila dopinga u bazi varikapa N D (x) može se dobiti razne zavisnosti varikap kapacitivnosti na naponu C(V G) - linearno opadajuće, eksponencijalno opadajuće.

6. Poluprovodničke diode: klasifikacija, karakteristike dizajna, konvencije i obeležavanje.

poluvodička dioda- poluprovodnički uređaj sa jednim električnim spojem i dva izvoda (elektrode). Za razliku od drugih vrsta dioda, princip rada poluvodičke diode zasniva se na fenomenu pn-tranzicija.

Dodajte web lokaciju u oznake

Koja su glavna svojstva poluprovodnika?

U smislu električnog otpora, poluvodiči zauzimaju međupoziciju između vodiča i izolatora. Poluvodičke diode i triode imaju niz prednosti: mala težina i veličina, znatno duži vijek trajanja, visoka mehanička čvrstoća.

Razmotrimo osnovna svojstva i karakteristike poluvodiča. S obzirom na njihovu električnu provodljivost, poluvodiči se dijele na 2 tipa: s elektronskom i provodljivošću rupa.

Poluprovodnici sa elektronskom provodljivošću imaju takozvane slobodne elektrone, koji su slabo vezani za jezgra atoma. Ako se na ovaj poluvodič primijeni razlika potencijala, tada će se slobodni elektroni kretati naprijed - u određenom smjeru, stvarajući tako električnu struju. Pošto u ovim tipovima poluprovodnika struja predstavlja kretanje negativno nabijenih čestica, nazivaju se provodnicima tipa n (od riječi negativan - negativan).

Poluprovodnici sa provodljivošću rupa nazivaju se poluvodiči p-tipa (od reči pozitivan - pozitivan). Prolazak električne struje u ovim vrstama poluvodiča može se smatrati kretanjem pozitivnih naboja. Poluprovodnici sa p-provodljivošću nemaju slobodne elektrone; ako atom poluvodiča izgubi 1 elektron pod utjecajem bilo kojeg razloga, tada će biti pozitivno nabijen.

Odsustvo jednog elektrona u atomu, što uzrokuje pozitivan naboj atoma poluvodiča, nazvano je rupom (to znači da je u atomu nastao slobodan prostor). Teorija i iskustvo pokazuju da se rupe ponašaju kao elementarni pozitivni naboji.

Provodljivost rupa se sastoji u tome da se pod uticajem primenjene razlike potencijala rupe pomeraju, što je ekvivalentno kretanju pozitivnih naelektrisanja.

U stvari, sljedeće se događa u slučaju provodljivosti rupa. Pretpostavimo da postoje 2 atoma, od kojih je jedan opremljen rupom (nedostaje 1 elektron u vanjskoj orbiti), a drugi, koji se nalazi desno, ima sve elektrone na svojim mjestima (nazovimo ga neutralnim atomom). Ako se na poluvodič primijeni razlika potencijala, tada će se pod utjecajem električnog polja elektron iz neutralnog atoma, u kojem su svi elektroni na svojim mjestima, pomaknuti ulijevo do atoma opremljenog rupom.

Zbog toga atom koji je imao rupu postaje neutralan, a rupa se pomjerila udesno do atoma iz kojeg je otišao elektron. U poluvodičkim uređajima, proces "punjenja" rupe slobodnim elektronom naziva se rekombinacija. Kao rezultat rekombinacije, nestaju i slobodni elektron i rupa, a stvara se neutralni atom. I tako se kretanje rupa događa u smjeru suprotnom kretanju elektrona.

U apsolutno čistom (intrinzičnom) poluprovodniku, pod dejstvom toplote ili svetlosti, elektroni i rupe se rađaju u parovima, pa je broj elektrona i rupa u unutrašnjem poluprovodniku isti.

Da bi se stvorili poluvodiči sa izraženom koncentracijom elektrona ili rupa, čisti poluprovodnici se snabdevaju nečistoćama, formirajući poluprovodnike nečistoće. Nečistoće su donor, dajući elektrone, i akceptor, koji formira rupe (tj. otkida elektrone od atoma). Shodno tome, u poluprovodniku sa donorskom nečistoćom, provodljivost će biti pretežno elektronska, odnosno n - provodljivost. U ovim poluvodičima, elektroni su glavni nosioci naboja, a rupe su manjinski nosioci. U poluprovodniku sa akceptorskom primesom, naprotiv, rupe su glavni nosioci naboja, a elektroni sporedni; To su poluvodiči sa p-provodljivošću.

Glavni materijali za proizvodnju poluvodičkih dioda i trioda su germanij i silicijum; u odnosu na njih, antimon, fosfor, arsen su donatori; akceptori - indijum, galijum, aluminijum, bor.

Slika 1. Položaj električnih naboja u poluvodiču.

Nečistoće, koje se obično dodaju kristalnom poluprovodniku, dramatično mijenjaju fizički obrazac prolaska električne struje.

Kada se formira poluvodič sa n-provodljivošću, u poluprovodnik se dodaje nečistoća donora: na primer, nečistoća antimona se dodaje germanijumskom poluprovodniku. Atomi antimona, koji su donori, daju mnogo slobodnih elektrona germaniju, dok su pozitivno nabijeni.

Dakle, u poluprovodniku n-provodljivosti formiranom od nečistoće, postoje sljedeće vrste električnih naboja:

• mobilni negativni naboji (elektroni), koji su glavni nosioci (kako od donorske nečistoće tako i od intrinzične provodljivosti);
• mobilni pozitivni naboji (rupe) - manjinski nosioci koji proizlaze iz unutrašnje provodljivosti;
• nepokretni pozitivni naboji - joni donora nečistoće.

Kada se formira poluvodič sa p-provodljivošću, akceptorska nečistoća se dodaje u poluprovodnik: na primer, nečistoća indija se dodaje germanijumskom poluprovodniku. Atomi indija, koji su akceptor, odvajaju elektrone od atoma germanija, formirajući rupe. Sami atomi indija postaju negativno nabijeni.

Dakle, u poluprovodniku p-provodljivosti postoje sljedeće vrste električnih naboja:

• pokretni pozitivni naboji (rupe) - glavni nosioci koji proizlaze iz nečistoće akceptora i intrinzične provodljivosti;
• mobilni negativni naboji (elektroni) - manjinski nosioci koji proizlaze iz sopstvene provodljivosti;
• nepokretni negativni naboji - joni akceptorske nečistoće.

Na sl. Na slici 1 prikazane su ploče p-germanija (a) i n-germanija (b) sa rasporedom električnih naboja.

Pozdrav dragi čitaoci sajta. Na stranici postoji dio posvećen radio-amaterima početnicima, ali do sada nisam napisao ništa za početnike koji prave prve korake u svijetu elektronike. Popunjavam ovu prazninu, a iz ovog članka počinjemo se upoznavati s uređajem i radom radio komponenti (radio komponenti).

Počnimo s poluvodičkim uređajima. Ali da bi se razumjelo kako dioda, tiristor ili tranzistor radi, mora se razumjeti šta poluprovodnik. Stoga ćemo prvo proučavati strukturu i svojstva poluvodiča na molekularnom nivou, a zatim ćemo se baviti radom i dizajnom poluvodičkih radio komponenti.

Opšti koncepti.

Zašto tačno poluprovodnik dioda, tranzistor ili tiristor? Zato što je osnova ovih radio komponenti poluprovodnici Supstance sposobne da provode električnu struju i da spreče njen prolaz.

Ovo velika grupa supstance koje se koriste u radiotehnici (germanijum, silicijum, selen, bakrov oksid), ali za proizvodnju poluprovodničkih uređaja uglavnom koriste samo Silicijum(Si) i germanijum(Ge).

Po svojim električnim svojstvima poluvodiči zauzimaju srednje mjesto između provodnika i neprovodnika električne struje.

Osobine poluprovodnika.

Električna provodljivost vodiča u velikoj mjeri ovisi o temperaturi okoline.
U vrlo nisko temperature blizu apsolutne nule (-273°C), poluprovodnici ne izvoditi električna struja, i promocija temperatura, njihova otpornost na struju smanjuje se.

Ako pokažete na poluvodič svjetlo, tada njegova električna provodljivost počinje rasti. Koristeći ovo svojstvo poluprovodnika, stvoreni su fotonaponski aparati. Poluprovodnici su također sposobni pretvoriti svjetlosnu energiju u električnu struju, na primjer, solarni paneli. I kada se uvede u poluprovodnike nečistoće određenih tvari, njihova električna provodljivost se dramatično povećava.

Struktura atoma poluvodiča.

Germanij i silicijum su glavni materijali mnogih poluvodičkih uređaja i imaju četiri valentni elektron.

Atom Njemačka sastoji se od 32 elektrona i atoma silicijum od 14. Ali samo 28 elektrona atoma germanijuma i 10 Elektroni atoma silicijuma, koji se nalaze u unutrašnjim slojevima njihovih ljuski, čvrsto se drže jezgrima i nikada se ne odvajaju od njih. Samo četiri valentni elektroni atoma ovih provodnika mogu postati slobodni, pa čak i tada ne uvijek. A ako atom poluvodiča izgubi barem jedan elektron, onda to postaje pozitivni ion.

U poluprovodniku atomi su raspoređeni strogi red: svaki atom je okružen četiri istih atoma. Štoviše, oni su smješteni toliko blizu jedan drugom da njihovi valentni elektroni formiraju pojedinačne orbite prolazeći oko susjednih atoma, čime se atomi vezuju u jednu cjelinu.

Predstavimo međusobnu vezu atoma u poluvodičkom kristalu u obliku ravnog dijagrama.
Na dijagramu, crvene kuglice sa plusom, konvencionalno, označavaju jezgra atoma(pozitivni joni), a plave kuglice su valentnih elektrona.

Ovdje možete vidjeti da se oko svakog atoma nalaze četiri potpuno isti atomi, i svaki od ova četiri ima vezu sa četiri druga atoma, i tako dalje. Svaki od atoma je povezan sa svakim susjednim dva valentnih elektrona, a jedan elektron je svoj, a drugi je posuđen od susjednog atoma. Takva veza naziva se veza s dva elektrona. kovalentna.

Zauzvrat, vanjski sloj elektronske ljuske svakog atoma sadrži osam elektroni: četiri svoje, i sam, posuđeno od četiri susjedni atomi. Ovdje više nije moguće razlučiti koji je od valentnih elektrona u atomu "svoj", a koji "strani", jer su postali uobičajeni. Sa takvom vezom atoma u čitavoj masi germanijumskog ili silicijumskog kristala, možemo pretpostaviti da je poluvodički kristal jedan veliki molekula. Na slici ružičasti i žuti krugovi pokazuju vezu između vanjskih slojeva ljuski dva susjedna atoma.

Električna provodljivost poluprovodnika.

Razmotrimo pojednostavljeni crtež poluvodičkog kristala, gdje su atomi označeni crvenom kuglom sa plusom, a međuatomske veze su prikazane s dvije linije koje simboliziraju valentne elektrone.

Na temperaturi blizu apsolutne nule, poluprovodnik ne sprovodi struje, pošto nema slobodnih elektrona. Ali s povećanjem temperature, veza valentnih elektrona s jezgrima atoma slabi a neki od elektrona, zbog termičkog kretanja, mogu napustiti svoje atome. Elektron koji izlazi iz međuatomske veze postaje " besplatno“, a tamo gdje je bio prije, formira se prazno mesto, koji se konvencionalno naziva rupa.

Kako viši temperatura poluprovodnika, više postaje slobodni elektroni i rupe. Kao rezultat toga, ispada da je formiranje "rupe" povezano s odlaskom valentnog elektrona iz ljuske atoma, a sama rupa postaje pozitivno električni naboj jednak negativan naboj elektrona.

Pogledajmo sada sliku koja je shematski prikazana fenomen pojave struje u poluprovodniku.

Ako primijenite neki napon na poluvodič, kontakte "+" i "-", tada će se u njemu pojaviti struja.
Zahvaljujući termalne pojave, u poluvodičkom kristalu od međuatomskih veza će početi biti pušten neki broj elektrona (plave kuglice sa strelicama). Elektroni se privlače pozitivno pol izvora napona će biti pokret prema njemu, ostavljajući iza sebe rupe, koji će popuniti drugi oslobođenih elektrona. Odnosno, pod djelovanjem vanjskog električnog polja, nosioci naboja postižu određenu brzinu usmjerenog kretanja i na taj način stvaraju struja.

Na primjer: oslobođeni elektron najbliži pozitivnom polu izvora napona privučeni ovaj stub. Razbijanje međuatomske veze i napuštanje nje, elektrona listovi posle sebe rupa. Još jedan oslobođeni elektron, koji se nalazi na nekima odstranjivanje sa pozitivnog pola, takođe privučeni stub i kreće se prema njemu, ali upoznavši rupa na svom putu, privlači ga jezgro atom, obnavljajući međuatomsku vezu.

Rezultat novo rupa iza drugog elektrona, puni treći oslobođeni elektron, koji se nalazi pored ove rupe (slika br. 1). Zauzvrat rupe, koji su najbliži negativan stub, ispunjen drugim oslobođenih elektrona(Slika br. 2). Tako nastaje električna struja u poluvodiču.

Sve dok poluvodič radi električno polje, ovaj proces kontinuirano: međuatomske veze su prekinute - pojavljuju se slobodni elektroni - formiraju se rupe. Rupe se popunjavaju oslobođenim elektronima – međuatomske veze se obnavljaju, dok se druge međuatomske veze raskidaju, iz kojih elektroni napuštaju i popunjavaju sljedeće rupe (slika br. 2-4).

Iz ovoga zaključujemo: elektroni se kreću od negativnog pola izvora napona ka pozitivnom, a rupe se kreću od pozitivnog pola ka negativnom.

Elektronska provodljivost.

U "čistom" poluvodičkom kristalu, broj pušten V ovog trenutka elektrona je jednak broju u nastajanju u ovom slučaju postoje rupe, dakle električna provodljivost takvog poluprovodnika mala, jer daje električnu struju veliki otpor, a ova električna provodljivost se zove vlastiti.

Ali ako dodamo poluvodiču u obliku nečistoće određenog broja atoma drugih elemenata, tada će se njegova električna provodljivost značajno povećati, i ovisno o tome strukture atoma nečistoća elemenata, električna provodljivost poluprovodnika će biti elektronski ili perforirani.

elektronska provodljivost.

Pretpostavimo da smo u poluvodičkom kristalu, u kojem atomi imaju četiri valentna elektrona, jedan atom zamijenili atomom u kojem pet valentnih elektrona. Ovaj atom četiri elektroni će se vezati za četiri susjedna atoma poluvodiča, i peti valentni elektron će ostati suvišno' znači besplatno. I onda više višeće biti slobodni elektroni, što znači da će se takav poluprovodnik po svojim svojstvima približiti metalu, a da bi električna struja prošla kroz njega, međuatomske veze ne moraju biti uništene.

Poluprovodnici s takvim svojstvima nazivaju se poluprovodnici s vodljivošću tipa " n“, ili poluprovodnici n-tip. Evo latinično pismo n dolazi od riječi "negativan" (negativan) - odnosno "negativan". Iz toga slijedi da u poluprovodniku n-tip main nosioci punjenja su - elektrona, a ne glavne - rupe.

provodljivost rupa.

Uzmimo isti kristal, ali sada ćemo njegov atom zamijeniti atomom u kojem samo tri slobodni elektron. Sa svoja tri elektrona, on će se vezati samo za tri susjednih atoma, a da se veže sa četvrtim atomom, neće imati dovoljno jedan elektron. Kao rezultat, formira se rupa. Naravno, bit će ispunjen bilo kojim drugim slobodnim elektronom u blizini, ali, u svakom slučaju, takvog poluvodiča u kristalu neće biti. grab elektrona za popunjavanje rupa. I onda više u kristalu će biti takvih atoma, dakle više biće rupa.

Da bi se slobodni elektroni oslobodili i kretali u takvom poluprovodniku, valentne veze između atoma moraju biti uništene. Ali elektroni i dalje neće biti dovoljni, jer će broj rupa uvijek biti više broj elektrona u bilo kom trenutku.

Takvi poluvodiči se nazivaju poluvodiči sa perforirani provodljivosti ili provodnika str-tip, što na latinskom "pozitivan" znači "pozitivan". Dakle, fenomen električne struje u poluvodičkom kristalu p-tipa je praćen kontinuiranim emergence I nestanak pozitivni naboji su rupe. A to znači da u poluprovodniku str-tip main nosioci naboja su rupe, a ne osnovni - elektroni.

Sada kada ste malo razumjeli fenomene koji se dešavaju u poluvodičima, neće vam biti teško razumjeti princip rada poluvodičkih radio komponenti.

Zaustavimo se na ovome, pa ćemo razmotriti uređaj, princip rada diode, analizirat ćemo njegovu strujno-naponsku karakteristiku i sklopne krugove.
Sretno!

Izvor:

1 . Borisov V.G. - Mladi radio amater. 1985
2 . Web stranica academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Teme USE kodifikatora: poluprovodnici, unutrašnja i vanjska provodljivost poluprovodnika.

Do sada, govoreći o sposobnosti tvari da provode električnu struju, dijelili smo ih na provodnike i dielektrike. Specifični otpor običnih vodiča je u rasponu od Ohm m; otpornost dielektrika u prosjeku premašuje ove vrijednosti za redove veličine: Ohm m.

Ali postoje i tvari koje po svojoj električnoj vodljivosti zauzimaju srednju poziciju između vodiča i dielektrika. Ovo poluprovodnici: njihova otpornost na sobnoj temperaturi može poprimiti vrijednosti u vrlo širokom rasponu od ohm m. Poluprovodnici uključuju silicijum, germanijum, selen i neke druge. hemijski elementi i jedinjenja (Poluprovodnici su izuzetno česti u prirodi. Na primer, oko 80% mase zemljine kore su supstance koje su poluprovodnici). Najviše se koriste silicijum i germanijum.

glavna karakteristika poluvodiča je da njihova električna provodljivost naglo raste s porastom temperature. Otpornost poluvodiča opada sa porastom temperature otprilike kao što je prikazano na slici. 1 .

Rice. 1. Zavisnost za poluvodič

Drugim riječima, na niskim temperaturama, poluvodiči se ponašaju kao dielektrici, a na visokim temperaturama ponašaju se kao prilično dobri provodnici. Ovo je razlika između poluvodiča i metala: otpornost metala, kao što se sjećate, raste linearno s povećanjem temperature.

Postoje i druge razlike između poluprovodnika i metala. Dakle, osvjetljenje poluvodiča uzrokuje smanjenje njegovog otpora (a svjetlost gotovo da nema utjecaja na otpornost metala). Osim toga, električna provodljivost poluvodiča može se jako promijeniti unošenjem čak i zanemarljive količine nečistoća.

Iskustvo pokazuje da, kao iu slučaju metala, kada struja teče kroz poluvodič, nema prijenosa materije. Dakle, električna struja u poluvodičima nastaje zbog kretanja elektrona.

Smanjenje otpora poluvodiča kada se zagrije ukazuje na to da povećanje temperature dovodi do povećanja broja slobodnih naboja u poluvodiču. Ništa slično se ne dešava u metalima; stoga, poluprovodnici imaju drugačiji mehanizam električne provodljivosti od metala. A razlog za to je različita priroda kemijske veze između atoma metala i poluvodiča.

kovalentna veza

Zapamtite, metalnu vezu osigurava plin slobodnih elektrona, koji, poput ljepila, drži pozitivne ione na mjestima rešetke. Poluprovodnici su drugačije raspoređeni - njihovi atomi se drže zajedno kovalentna veza. Prisjetimo se šta je to.

Elektroni se nalaze na vanjskom elektronskom nivou i nazivaju se valence, slabije su vezani za atom od ostalih elektrona, koji se nalaze bliže jezgru. U procesu formiranja kovalentne veze, dva atoma doprinose "zajedničkom uzroku" jednog od svojih valentnih elektrona. Ova dva elektrona su socijalizovana, odnosno sada pripadaju oba atoma, pa se stoga i zovu zajednički elektronski par(Sl. 2).

Rice. 2. Kovalentna veza

Socijalizirani par elektrona samo drži atome jedan blizu drugog (uz pomoć električnih sila privlačenja). Kovalentna veza je veza koja postoji između atoma zbog zajedničkih elektronskih parova.. Iz tog razloga se naziva i kovalentna veza par-elektron.

Kristalna struktura silicijuma

Sada smo spremni da bliže pogledamo unutrašnjost poluprovodnika. Kao primjer, razmotrite najčešći poluvodič u prirodi - silicij. Drugi najvažniji poluprovodnik, germanijum, ima sličnu strukturu.

Prostorna struktura silicijuma prikazana je na sl. 3 (slika Ben Mills). Atomi silicijuma su prikazani kao kuglice, a cijevi koje ih povezuju su kanali kovalentne veze između atoma.

Rice. 3. Kristalna struktura silicijuma

Imajte na umu da je svaki atom silicija vezan za četiri susednih atoma. Zašto je tako?

Činjenica je da je silicijum četverovalentan - na vanjskoj elektronskoj ljusci atoma silicija nalaze se četiri valentna elektrona. Svaki od ova četiri elektrona spreman je da formira zajednički elektronski par sa valentnim elektronom drugog atoma. I tako se dešava! Kao rezultat toga, atom silicijuma je okružen sa četiri spojena atoma, od kojih svaki daje jedan valentni elektron. Prema tome, oko svakog atoma ima osam elektrona (četiri vlastita i četiri strana).

To vidimo detaljnije na ravnom dijagramu kristalne rešetke silicijuma (slika 4).

Rice. 4. Kristalna rešetka silicijuma

Kovalentne veze su prikazane kao parovi linija koje povezuju atome; ove linije dijele elektronske parove. Svaki valentni elektron koji se nalazi na takvoj liniji provodi većinu svog vremena u prostoru između dva susjedna atoma.

Međutim, valentni elektroni nikako nisu "čvrsto vezani" za odgovarajuće parove atoma. Elektronske školjke se preklapaju sve susjednih atoma, tako da je svaki valentni elektron zajednička osobina svih susjednih atoma. Od nekog atoma 1, takav elektron može otići do susjednog atoma 2, zatim do susjednog atoma 3, i tako dalje. Valentni elektroni se mogu kretati po čitavom prostoru kristala – kažu da pripadaju cijelom kristalu(a ne bilo koji pojedinačni atomski par).

Međutim, valentni elektroni silicijuma nisu slobodni (kao što je slučaj u metalu). U poluprovodniku, veza između valentnih elektrona i atoma je mnogo jača nego u metalu; silicijumske kovalentne veze ne pucaju na niskim temperaturama. Energija elektrona nije dovoljna da započne uredan pokret od nižeg potencijala ka višem pod dejstvom spoljašnjeg električnog polja. Stoga, sa dovoljno niske temperature Poluprovodnici su bliski dielektricima - ne provode električnu struju.

Vlastita provodljivost

Ako u električni krug uključite poluvodički element i počnete ga zagrijavati, tada se jačina struje u krugu povećava. Dakle, otpor poluprovodnika smanjuje se sa porastom temperature. Zašto se ovo dešava?

Kako temperatura raste, termičke vibracije atoma silicija postaju intenzivnije, a energija valentnih elektrona raste. Za neke elektrone, energija dostiže vrijednosti dovoljne za prekid kovalentnih veza. Takvi elektroni napuštaju svoje atome i postaju besplatno(ili elektrona provodljivosti) je potpuno isto kao i kod metala. U vanjskom električnom polju slobodni elektroni započinju uređeno kretanje, formirajući električnu struju.

Što je temperatura silicijuma viša, to je veća energija elektrona i velika količina kovalentne veze ne izdržavaju i pucaju. Broj slobodnih elektrona u kristalu silicija se povećava, što dovodi do smanjenja njegovog otpora.

Prekid kovalentnih veza i pojava slobodnih elektrona prikazan je na sl. 5 . Na mjestu prekinute kovalentne veze, a rupa je slobodno mjesto za elektron. Rupa ima pozitivno naboj, jer odlaskom negativno nabijenog elektrona ostaje nekompenzirani pozitivni naboj jezgra atoma silicija.

Rice. 5. Formiranje slobodnih elektrona i rupa

Rupe ne ostaju na mjestu - mogu lutati oko kristala. Činjenica je da jedan od susjednih valentnih elektrona, "putujući" između atoma, može skočiti na formirano prazno mjesto, ispunjavajući rupu; tada će rupa na ovom mjestu nestati, ali će se pojaviti na mjestu odakle je došao elektron.

U nedostatku vanjskog električnog polja, kretanje rupa je nasumično, jer valentni elektroni nasumično lutaju između atoma. Međutim, u električnom polju usmjereno kretanje rupe. Zašto? Lako je razumeti.

Na sl. 6 prikazuje poluvodič postavljen u električno polje. Na lijevoj strani slike je početni položaj rupe.

Rice. 6. Kretanje rupe u električnom polju

Gdje će rupa ići? Jasno je da su najvjerovatniji skokovi "elektron > rupa" u pravcu protiv linije polja (odnosno do "pluseva" koji kreiraju polje). Jedan od ovih skokova prikazan je u srednjem dijelu slike: elektron je skočio ulijevo, popunjavajući prazno mjesto, a rupa se, shodno tome, pomaknula udesno. Sljedeći mogući skok elektrona uzrokovan električnim poljem prikazan je na desnoj strani slike; kao rezultat ovog skoka, rupa je zauzela novo mjesto, smješteno još desno.

Vidimo da se rupa kao celina pomera prema poljske linije - to jest, gdje bi se pozitivni naboji trebali kretati. Još jednom naglašavamo da je usmjereno kretanje rupe duž polja uzrokovano skokovima valentnih elektrona od atoma do atoma, koji se odvijaju pretežno u smjeru protiv polja.

Dakle, postoje dvije vrste nosilaca naboja u silicijumskom kristalu: slobodni elektroni i rupe. Kada se primijeni vanjsko električno polje, pojavljuje se električna struja uzrokovana njihovim uređenim protupokretom: slobodni elektroni se kreću suprotno vektoru jačine polja, a rupe se kreću u smjeru vektora.

Pojava struje zbog kretanja slobodnih elektrona naziva se elektronska provodljivost, ili n-tip provodljivosti. Proces pravilnog kretanja rupa naziva se provodljivost rupa,or p-tip provodljivosti(od prvih slova latinskih riječi negativus (negativan) i positivus (pozitivan)). Obje provodljivosti - elektronska i rupa - zajedno se nazivaju vlastitu provodljivost poluprovodnik.

Svaki odlazak elektrona iz prekinute kovalentne veze stvara par "slobodni elektron-rupa". Stoga je koncentracija slobodnih elektrona u čistom kristalu silicija jednaka koncentraciji rupa. U skladu s tim, kada se kristal zagrije, povećava se koncentracija ne samo slobodnih elektrona, već i rupa, što dovodi do povećanja intrinzične vodljivosti poluvodiča zbog povećanja i elektronske i provodljivosti šupljina.

Zajedno sa formiranjem parova „slobodni elektron-rupa“ odvija se i obrnuti proces: rekombinacija slobodnih elektrona i rupa. Naime, slobodni elektron, susrevši se s rupom, popunjava ovo prazno mjesto, obnavljajući prekinutu kovalentnu vezu i pretvarajući se u valentni elektron. Dakle, u poluprovodniku, dinamička ravnoteža: prosječan broj prekida kovalentnih veza i rezultirajućih parova elektron-rupa u jedinici vremena jednak je prosječnom broju rekombinirajućih elektrona i rupa. Ovo stanje dinamičke ravnoteže određuje ravnotežnu koncentraciju slobodnih elektrona i rupa u poluprovodniku pod datim uslovima.

Promjena vanjskih uvjeta pomjera stanje dinamičke ravnoteže u jednom ili drugom smjeru. U ovom slučaju se prirodno mijenja ravnotežna vrijednost koncentracije nosilaca naboja. Na primjer, broj slobodnih elektrona i rupa se povećava kada se poluvodič zagrije ili osvijetli.

Na sobnoj temperaturi koncentracija slobodnih elektrona i rupa u silicijumu je približno jednaka cm.Koncentracija atoma silicijuma je oko cm.Drugim riječima, postoji samo jedan slobodan elektron po atomu silicijuma! Ovo je jako malo. U metalima, na primjer, koncentracija slobodnih elektrona je približno jednaka koncentraciji atoma. odnosno intrinzična provodljivost silicija i drugih poluprovodnika na normalnim uslovima mala u odnosu na provodljivost metala.

Provodljivost nečistoća

Najvažnija karakteristika poluprovodnika je da se njihova otpornost može smanjiti za nekoliko redova veličine uvođenjem čak i vrlo male količine nečistoća. Pored sopstvene provodljivosti, poluprovodnik ima dominantnu ulogu provodljivost nečistoća. Upravo zbog te činjenice da su poluvodički uređaji našli tako široku primjenu u nauci i tehnologiji.
Pretpostavimo, na primjer, da je malo petovalentnog arsena dodano u talog silicijuma. Nakon kristalizacije taline, ispostavlja se da atomi arsena zauzimaju mjesta na nekim mjestima formirane kristalne rešetke silicijuma.

Vanjski elektronski nivo atoma arsena ima pet elektrona. Četiri od njih formiraju kovalentne veze sa najbližim susedima - atomima silicijuma (slika 7). Kakva je sudbina petog elektrona koji nije okupiran u ovim vezama?

Rice. 7. N-tip poluprovodnika

I peti elektron postaje slobodan! Činjenica je da je energija vezivanja ovog "ekstra" elektrona s atomom arsena koji se nalazi u kristalu silicija mnogo manja od energije veze valentnih elektrona s atomima silicija. Stoga, već na sobnoj temperaturi, gotovo svi atomi arsena, kao rezultat toplinskog kretanja, ostaju bez petog elektrona, pretvarajući se u pozitivne ione. I kristal silicijuma je ispunjen slobodnim elektronima, koji su otkačeni od atoma arsena.

Punjenje kristala slobodnim elektronima nije novo za nas: vidjeli smo to iznad kada je bio zagrijan cisto silicijum (bez ikakvih nečistoća). Ali sada je situacija bitno drugačija: pojava slobodnog elektrona koji napušta atom arsena nije praćena pojavom mobilne rupe. Zašto? Razlog je isti - veza valentnih elektrona sa atomima silicijuma je mnogo jača nego sa atomom arsena na petom slobodnom mestu, tako da elektroni susednih atoma silicijuma nemaju tendenciju da popune ovo prazno mesto. Dakle, prazno mjesto ostaje na mjestu; ono je, takoreći, "zamrznuto" na atom arsena i ne učestvuje u stvaranju struje.

dakle, uvođenje petovalentnih atoma arsena u kristalnu rešetku silicijuma stvara elektronsku provodljivost, ali ne dovodi do simetričnog izgleda provodljivosti rupa. Glavna uloga u stvaranju struje sada pripada slobodnim elektronima, koji se u ovom slučaju nazivaju glavni nosioci naplatiti.

Mehanizam unutrašnje provodljivosti, naravno, nastavlja da funkcioniše čak i u prisustvu nečistoće: kovalentne veze su i dalje prekinute usled toplotnog kretanja, stvarajući slobodne elektrone i rupe. Ali sada ima mnogo manje rupa nego slobodnih elektrona, koji su unutra u velikom broju koju obezbjeđuju atomi arsena. Stoga će rupe u ovom slučaju biti manjinski prevoznici naplatiti.

Nečistoće čiji atomi daju slobodne elektrone bez pojave jednakog broja mobilnih rupa nazivaju se donator. Na primjer, petovalentni arsen je donorska nečistoća. U prisustvu donorske nečistoće u poluprovodniku, slobodni elektroni su glavni nosioci naboja, a rupe sporedni; drugim riječima, koncentracija slobodnih elektrona je mnogo veća od koncentracije rupa. Zbog toga se nazivaju poluvodiči sa donorskim nečistoćama elektronskih poluprovodnika, ili poluvodiči n-tipa(ili jednostavno n-poluprovodnici).

I koliko, zanimljivo, koncentracija slobodnih elektrona može premašiti koncentraciju rupa u n-poluprovodniku? Uradimo jednostavnu kalkulaciju.

Pretpostavimo da je nečistoća , odnosno da postoji jedan atom arsena na hiljadu atoma silicijuma. Koncentracija atoma silicija, kao što se sjećamo, je reda veličine cm.

Koncentracija atoma arsena bit će hiljadu puta manja: cm. Koncentracija slobodnih elektrona koje daje nečistoća također će se pokazati istom - na kraju krajeva, svaki atom arsena odaje po jedan elektron. A sada da se prisjetimo da je koncentracija parova elektron-rupa koja se pojavljuje kada se silicijumske kovalentne veze pokidaju na sobnoj temperaturi približno jednaka cm. Da li osjećate razliku? Koncentracija slobodnih elektrona u ovom slučaju je veća od koncentracije rupa za redove veličine, odnosno milijardu puta! Shodno tome, otpornost silicijumskog poluprovodnika smanjuje se za milijardu faktora kada se unese tako mala količina nečistoće.

Gornji proračun pokazuje da u poluvodičima n-tipa, glavnu ulogu zaista ima elektronska provodljivost. Na pozadini tako kolosalne superiornosti u broju slobodnih elektrona, doprinos kretanja rupa ukupnoj provodljivosti je zanemarljivo mali.

Moguće je, naprotiv, stvoriti poluvodič s dominantnom provodljivošću rupa. To će se dogoditi ako se trovalentna nečistoća unese u kristal silicija - na primjer, indij. Rezultat takve implementacije prikazan je na sl. 8 .

Rice. 8. Poluprovodnik p-tipa

Šta se dešava u ovom slučaju? Vanjski elektronski nivo atoma indija ima tri elektrona koji formiraju kovalentne veze sa tri okolna atoma silicijuma. Za četvrti susedni atom silicijuma, atom indija više nema dovoljno elektrona i na ovom mestu se pojavljuje rupa.

A ova rupa nije jednostavna, već posebna - s vrlo visokom energijom vezivanja. Kada u njega uđe elektron iz susjednog atoma silicija, on će se “zauvijek zaglaviti” u njemu, jer je privlačenje elektrona prema atomu indija vrlo veliko – više nego prema atomima silicija. Atom indija će se pretvoriti u negativni ion, a na mjestu odakle je došao elektron pojavit će se rupa - ali sada obična pokretna rupa u obliku prekinute kovalentne veze u kristalnoj rešetki silicija. Ova rupa na uobičajeni način će početi lutati oko kristala zbog "relejnog" prijenosa valentnih elektrona s jednog atoma silicija na drugi.

I tako, svaki atom nečistoće indija stvara rupu, ali ne dovodi do simetričnog izgleda slobodnog elektrona. Takve nečistoće, čiji atomi "čvrsto" hvataju elektrone i time stvaraju pokretnu rupu u kristalu, nazivaju se akceptor.

Trovalentni indijum je primjer akceptorske nečistoće.

Ako se akceptorska nečistoća unese u kristal čistog silicija, tada će broj rupa stvorenih nečistoćom biti mnogo veći od broja slobodnih elektrona koji su nastali zbog prekida kovalentnih veza između atoma silicija. Poluprovodnik sa akceptorskom dopantom je poluprovodnik sa rupom, ili poluvodič p-tipa(ili jednostavno p-poluprovodnik).

Rupe igraju glavnu ulogu u stvaranju struje u p-poluprovodniku; rupe - glavni nosioci naboja. slobodni elektroni - manji nosioci naboj u p-poluprovodniku. Kretanje slobodnih elektrona u ovom slučaju ne daje značajan doprinos: električna struja je prvenstveno obezbeđena provodnošću kroz rupe.

p–n spoj

Kontaktna tačka dva poluprovodnika sa razne vrste provodljivost (elektronska i šupljina) naziva se tranzicija elektron-rupa, ili p–n spoj. U području p–n spoja javlja se zanimljiv i vrlo važan fenomen - jednosmjerna provodljivost.

Na sl. 9 prikazuje kontakt regiona p- i n-tipa; obojeni krugovi su rupe i slobodni elektroni, koji su većinski (ili manji) nosioci naboja u odgovarajućim regijama.

Rice. 9. Blokirajući sloj p–n spoj

Vršeći termičko kretanje, nosioci naboja prodiru kroz interfejs između regiona.

Slobodni elektroni prelaze iz n-područja u p-područje i tamo se rekombinuju s rupama; rupe difundiraju iz p-područja u n-područje i tamo se rekombiniraju s elektronima.

Kao rezultat ovih procesa, u elektronskom poluprovodniku u blizini granice kontakta ostaje nekompenzirani naboj pozitivnih iona donorske nečistoće, dok u poluprovodniku (takođe blizu granice) nastaje nekompenzirani negativni naboj iona akceptorske nečistoće. . Ovi nekompenzirani prostorni naboji formiraju tzv sloj barijere, čije unutrašnje električno polje sprečava dalju difuziju slobodnih elektrona i rupa kroz kontaktnu granicu.

Hajde da sada povežemo izvor struje sa našim poluprovodničkim elementom primenom "plus" izvora na n-poluprovodnik, a "minus" na p-poluprovodnik (slika 10).

Rice. 10. Uključivanje u obrnuti smjer: nema struje

Vidimo da vanjsko električno polje odvodi većinu nosioca naboja dalje od kontaktne granice. Širina sloja barijere se povećava, a njegovo električno polje se povećava. Otpor sloja barijere je visok, a glavni nosioci nisu u stanju da savladaju p–n spoj. Električno polje dozvoljava samo manjinskim nosiocima da pređu granicu, međutim, zbog vrlo niske koncentracije manjinskih nosilaca, struja koju oni stvaraju je zanemarljiva.

Razmatrana shema se zove uključivanje p–n spoja u suprotnom smjeru. Ne postoji električna struja glavnih nosača; postoji samo zanemarljiva struja manjinskog nosioca. U ovom slučaju, p–n spoj je zatvoren.

Sada promijenimo polaritet veze i stavimo "plus" na p-poluprovodnik, a "minus" na n-poluprovodnik (slika 11). Ova šema se zove prebacivanje u smjeru naprijed.

Rice. 11. Prebacivanje naprijed: struja teče

U ovom slučaju, vanjsko električno polje je usmjereno protiv blokirajućeg polja i otvara put glavnim nosiocima kroz p–n spoj. Sloj barijere postaje tanji, njegov otpor se smanjuje.

Postoji masovno kretanje slobodnih elektrona iz n-područja u p-područje, a rupe, zauzvrat, jure zajedno iz p-područja u n-područje.

U strujnom kolu nastaje struja uzrokovana kretanjem glavnih nosilaca naboja (Sada, međutim, električno polje sprječava struju manjinskih nosilaca, ali ovaj zanemarivi faktor nema primjetan utjecaj na ukupnu provodljivost).

Jednostrano provođenje p–n spoja se koristi u poluvodičke diode. Dioda je uređaj koji provodi struju samo u jednom smjeru; u suprotnom smjeru, struja ne prolazi kroz diodu (za diodu se kaže da je zatvorena). Šematski prikaz diode je prikazan na sl. 12 .

Rice. 12. Diode

U ovom slučaju, dioda je otvorena u smjeru s lijeva na desno: čini se da naboji teku duž strelice (vidite to na slici?). U smjeru s desna na lijevo, čini se da su naboji naslonjeni na zid - dioda je zatvorena.

Svojstva poluprovodnika - svojstvo ćilibara, nakon trljanja vunom, da privlači male predmete na sebe, uočeno je davno. Ali električne pojave, nestalne i prolazne, dugo su bile zasjenjene magnetnim pojavama, koje su vremenski stabilnije.

U 17. i 18. stoljeću električni eksperimenti su postali široko dostupni i došlo je do niza novih otkrića. Godine 1729., Englez Stephen Gray otkrio je da se sve supstance dijele u 2 klase: izolatori koji ne mogu nositi električni naboj (nazvani "električna tijela" jer se mogu naelektrizirati trenjem) i provodnici koji mogu nositi naboj (koji se nazivaju "nenaboji"). -električna tijela").

Moderne ideje o električnim svojstvima supstanci

S razvojem daljih ideja, svojstva supstanci da provode električnu struju počela su se kvantitativno karakterizirati - vrijednošću električne provodljivosti, mjerene u simensu po metru (S/m). Na sobnoj temperaturi provodljivost provodnika je u rasponu od 10 6 do 10 8 S/m, a za dielektrike (izolatore) je manja od 10 -8 S/m.

Supstance koje zauzimaju srednju poziciju u pogledu vodljivosti mogu se logično nazvati poluprovodnicima ili poluizolatorima. Prvo ime je istorijski utvrđeno. Vodljivost poluprovodnika je u opsegu od 10 -8 do 10 6 S/m. Ne postoje oštre granice između ove 3 vrste supstanci, kvalitativne razlike su određene razlikom u kvantitativnim svojstvima.

Iz fizike je poznato da elektron u čvrstom tijelu ne može imati proizvoljnu energiju, ta energija može poprimiti samo određene vrijednosti, koje se nazivaju energetski nivoi. Što je elektron u atomu bliži jezgru, to je njegova energija manja. Najudaljeniji elektron ima najveću energiju. U električnim i hemijski procesi učestvuju samo elektroni vanjske ljuske atoma (elektroni tzv. valentnog pojasa).

Elektroni sa većom energijom od elektrona valentnog pojasa pripadaju elektronima provodnog pojasa. Ovi elektroni nisu vezani za pojedinačne atome i kreću se nasumično unutar tijela, osiguravajući provodljivost.

Atomi tvari koja je donirala elektron vodljivom pojasu smatraju se pozitivno nabijenim ionima, nepokretni su i formiraju kristalnu rešetku tvari unutar koje se kreću elektroni provodljivosti. Kod provodnika (metala), pojas provodljivosti je susjedan valentnom pojasu, a svaki atom metala bez smetnji daje jedan ili više elektrona vodljivom pojasu, što metalima daje svojstvo električne provodljivosti.

Osobine poluprovodnika su određene zazorom pojasa

U poluprovodnicima i dielektricima, između valentnog pojasa i pojasa provodljivosti, postoji tzv. zabranjena zona. Elektroni ne mogu imati energiju koja odgovara energiji nivoa u ovom pojasu. Supstance se dijele na dielektrike i poluvodiče ovisno o razmaku pojasa. Sa razmakom od nekoliko elektron volti (eV), male su šanse da elektroni u valentnom pojasu uđu u pojas provodljivosti, što ove supstance čini neprovodnim. Na primjer, dijamant ima pojas od 5,6 eV. Međutim, kako temperatura raste, elektroni valentnog pojasa povećavaju svoju energiju, a neki od njih ulaze u pojas provodljivosti, što pogoršava izolacijska svojstva dielektrika.

Ako je, s druge strane, zaporni razmak reda veličine jednog elektron-volta, tvar poprima značajnu provodljivost već na sobnoj temperaturi, postajući još provodljivija s povećanjem temperature. Takve tvari nazivamo poluvodičima, a svojstva poluvodiča određuju se širinom pojasa.

Na sobnoj temperaturi, pojas u poluprovodnicima je manji od 2,5-3 eV. Na primjer, zaporni razmak germanija je 0,72 eV, a silicijuma 1,12 eV. Poluprovodnici sa širokim razmakom uključuju poluvodiče sa zazorom većeg od 2 eV. Općenito, što je veći raspon pojasa poluprovodnika, to je viša njegova tačka topljenja. Dakle, za germanijum je tačka topljenja 936 ° C, a za silicijum 1414 ° C.

Dvije vrste provodljivosti poluvodiča - elektronska i rupa

Na temperaturi od apsolutne nule (-273 °C), u čistom poluprovodniku (intrinzičnom poluprovodniku ili poluprovodniku i-tip) svi elektroni su u sastavu atoma, a poluvodič je dielektrik. Kako temperatura raste, neki od elektrona u valentnom pojasu padaju u provodni pojas i dolazi do elektronske provodljivosti. Ali kada atom izgubi elektron, on postaje pozitivno nabijen.

Da se kreće pod uticajem električnog polja, atom zauzima mesto u kristalna rešetka, ne može, ali je u stanju da privuče elektron iz susjednog atoma, ispunjavajući "rupu" u njegovom valentnom pojasu. Atom koji je izgubio elektron, zauzvrat će također tražiti priliku da popuni "rupu" formiranu u vanjskoj ljusci. Rupa ima sve i svojstva pozitivnog naboja, a možemo pretpostaviti da postoje 2 vrste nosača u poluvodiču - negativno nabijeni elektroni i pozitivno nabijene rupe.

Elektroni provodljivosti mogu zauzimati slobodna mjesta u valentnom pojasu, tj. spojiti sa rupama. Takav proces se naziva rekombinacija, a budući da se generiranje i rekombinacija nosača odvijaju istovremeno, na datoj temperaturi, broj parova nosača je u stanju dinamičke ravnoteže - broj parova koji se pojavljuju upoređuju se s brojem rekombinirajućih .

Intrinzična provodljivost poluprovodnika i-tip se sastoji od provodljivosti elektrona i rupa, pri čemu preovlađuje elektronska provodljivost, pošto su elektroni pokretljiviji od rupa. Specifična električna provodljivost metala ili poluprovodnika zavisi od broja nosilaca naboja u 1 cu. cm, odnosno na koncentraciju elektrona i rupa.

Ako je broj atoma u 1 cu. cm tvari reda 10 22, tada na sobnoj temperaturi u metalima broj elektrona provodljivosti nije manji od broja atoma, tj. takođe reda 10 22, dok je u čistom germanijumu koncentracija nosioca naboja reda 10 13 cm -3, a u silicijumu 10 10 cm -3, što je mnogo manje od metala, zbog čega provodljivost poluprovodnika je milione i milijarde puta lošija od provodljivosti metala.

Sve je u vezi sa nečistoćama

Kada se napon dovede na poluvodič, električno polje koje nastaje u njemu ubrzava elektrone i rupe, njihovo kretanje postaje uređeno i nastaje električna struja - struja provodljivosti. Osim intrinzične provodljivosti, u poluvodičima postoji i provodljivost nečistoća, koja je, kao što možete pretpostaviti iz naziva, posljedica prisutnosti nečistoća u poluvodiču.

Ako se 4-valentnom germaniju doda beznačajna količina petovalentnog antimona, arsena ili fosfora, atomi nečistoće koriste 4 elektrona da se vežu s atomima germanija, a peti će biti u vodljivom pojasu, što dramatično poboljšava provodljivost poluvodiča. Nečistoće čiji atomi daju elektrone nazivaju se donori. Budući da u takvim poluvodičima prevladava elektronska provodljivost, oni se nazivaju poluvodičima. n-tip (od engleske riječi negativan- negativan). Da bi svi atomi donora donirali elektron vodljivom pojasu, energetski pojas atoma donora treba biti smješten što bliže vodljivom pojasu poluvodiča, nešto ispod njega.

Kada se 4-valentnom germanijumu doda nečistoća 3-valentnog bora, indija ili aluminijuma, atomi nečistoće oduzimaju elektrone atomima germanijuma, a germanijum dobija provodljivost rupa, postaje poluprovodnik. str-tip (od engleske riječi pozitivno- pozitivno). Nečistoće koje stvaraju provodljivost rupa nazivaju se akceptori.

Da bi akceptori lako uhvatili elektrone, energetski nivoi atoma akceptora moraju biti u blizini nivoa valentnog pojasa poluprovodnika, koji se nalazi neposredno iznad njega.

Konduktivnost nečistoća obično značajno premašuje intrinzičnu provodljivost, budući da koncentracija donorskih ili akceptorskih atoma značajno premašuje koncentraciju intrinzičnih nosača. Veoma je teško dobiti poluprovodnik sa strogo doziranom količinom nečistoće, a početni poluprovodnik takođe mora biti veoma čist. Dakle, za germanij nije dozvoljeno više od jednog atoma vanjske nečistoće (tj. ni donora ni akceptora) na 10 milijardi atoma germanija, a za silicijum su zahtjevi za čistoćom čak 1000 puta veći.

Spoj metal-poluprovodnik

U poluvodičkim uređajima postaje neophodno koristiti kontakte poluvodič-metal. Supstancu (metal ili poluvodič) karakteriše energija potrebna da elektron napusti supstancu - radna funkcija. Označimo radnu funkciju iz metala A m, a iz poluvodiča A p.

Ohmski kontakti

Ako je potrebno stvoriti omski kontakt (tj. neispravljajući, kada je kontaktni otpor nizak za bilo koji polaritet primijenjenog napona), dovoljno je osigurati kontakt metala sa poluvodičem kada se stvore sljedeći uvjeti :

• U kontaktu sa n-poluprovodnikom: A m< A п;
• U kontaktu sa p-poluprovodnikom: A m > A p .

Takve osobine poluvodiča se objašnjavaju činjenicom da se većina nosilaca akumulira u graničnom sloju poluvodiča, što osigurava njegov mali otpor. Akumulacija većinskih nosilaca je osigurana činjenicom da elektroni uvijek prelaze iz tvari s nižom radnom radnom funkcijom u supstancu s višom radnom radnjom.

Ispravljanje kontakata

Ali ako sa poluvodičem n-tipa metala je u kontaktu sa A m > A p, tada će elektroni preći iz poluprovodnika u metal, a u graničnom sloju se formira oblast osiromašena osnovnim nosiocima niske provodljivosti. Da bi se prevladala stvorena barijera, potrebno je na kontakt primijeniti napon određenog polariteta i dovoljne veličine. Kada se primijeni obrnuti polaritet, vodljivost kontakta će se još više pogoršati - takav kontakt ima svojstva ispravljanja. Lako je uočiti da kontakt metala sa poluprovodnikom ima slična svojstva kao jednostrani poluprovodnici. str-tip na A m< A п.

Istorija poluvodičkog detektora

Slična svojstva poluvodiča metal-poluvodič otkrio je njemački fizičar Ferdinand Braun 1874. godine. Prve diode bazirane na kontaktu metal-poluvodič pojavile su se oko 1900. godine, kada su se u radio prijemnicima počeli koristiti detektori koji se sastoje od volframove žice pritisnute na površinu kristala galenata (olovnog sulfida). Radio-amateri su napravili svoje detektore spajanjem olova sa sumporom.

Godine 1906. francuski naučnik G. Picard dizajnirao je detektor od silicijumskog kristala i spiralne kontaktne opruge sa vrhom i dobio patent za njega. Elektronski uređaji zasnovani na kontaktu metal-poluprovodnik nazivaju se Šotkijevim diodama po njemačkom fizičaru Walteru Schottkyju koji je proučavao takve kontakte.

Godine 1926. pojavili su se moćni bakroks ispravljački elementi, koji su bakrena ploča sa nanesenim slojem bakrovog oksida, koji se široko koriste u energetskim jedinicama.

Prijelaz elektron-rupa

Prijelaz elektron-rupa, ili n-p Spoj je područje na granici dva poluprovodnika. drugačiji tip provodljivosti, a rad poluvodičkih uređaja zasniva se na korištenju svojstava takvih prijelaza. U nedostatku napona primijenjenog na spoju, nosioci naboja se kreću iz područja veće koncentracije u područja niže koncentracije - izvan poluvodiča n-od tipa do poluprovodnika str-elektroni se kreću, a rupe se kreću u suprotnom smjeru.

Kao rezultat ovih pomjeranja, na obje strane sučelja pojavljuju se regije s prostornim nabojem, a između ovih regija nastaje razlika potencijala kontakta. Ova razlika potencijala formira potencijalnu barijeru, koja sprečava dalji prelaz nosilaca kroz barijeru. Visina barijere (kontaktna razlika potencijala) zavisi od koncentracije nečistoća, a za germanijum je obično 0,3-0,4 V, dostižući do 0,7 V. U stacionarnom stanju nema struje kroz spoj, jer pn-spoj ima visoku otpornost u odnosu na druge oblasti poluprovodnika, a rezultirajući sloj se naziva blokirajući.

Ako da n-p-prijelaz za primjenu vanjskog napona, tada će se, ovisno o njegovom polaritetu, prijelaz ponašati drugačije.

Protok kroz jednosmjerni spoj

Ako na poluprovodnik str-ukucajte da primijenite “plus” izvora napona, tada polje koje stvara izvor djeluje suprotno polju kontaktne potencijalne razlike, ukupno polje se smanjuje, visina potencijalne barijere se smanjuje, a više nosilaca ga savladava. Struja, koja se naziva jednosmjerna struja, počinje teći kroz prijelaz. Istovremeno se smanjuje debljina zaštitnog sloja i njegova električni otpor.

Da bi se stvorila značajna struja naprijed, dovoljno je primijeniti napon na spoj uporediv s visinom barijere u odsustvu primijenjenog napona, tj. u desetinkama volta, a pri još većem naponu, otpor sloja barijere će postati blizu nule.

Protok kroz spoj povratne struje

Ako je vanjski napon „obrnut“, tj. priložiti na str-poluprovodnik "minus" izvor napona, vanjsko naponsko polje će se dodati polju kontaktne potencijalne razlike. Visina potencijalne barijere se povećava, što otežava difuziju većine nosilaca kroz spoj, a struja kroz spoj, nazvana "reverzna", bit će mala. Sloj barijere postaje deblji, povećava se njegov električni otpor.

Ispravljačka svojstva spojeva elektron-rupa koriste se u diodama različite snage i namjene - za ispravljanje naizmjenične struje u izvorima napajanja i slabih signala u uređajima različite namjene.

Druge primjene svojstva poluprovodnika

Spoj elektron-rupa s obrnutim naponom ponaša se slično kao napunjeni električni kondenzator kapaciteta od jedinica do stotina pikofarada. Ovaj kapacitet zavisi od napona primenjenog na spoj, što omogućava da se neki tipovi poluprovodničkih uređaja koriste kao promenljivi kondenzatori kontrolisani primenjenim naponom.

Svojstva n-p-prijelazi značajno zavise i od temperature medija, što omogućava primjenu određene vrste poluvodički uređaji kao temperaturni senzori. Uređaji sa tri područja različite provodljivosti, kao npr n-p-n, omogućavaju vam da kreirate uređaje koji imaju svojstva pojačavanja električnih signala, kao i njihovo stvaranje.