Yarı iletkenler, metallerin elektriksel iletkenliği ile iyi dielektrikler arasındaki aralıkta yer alan elektriksel iletkenlik değerleri ile karakterize edilen geniş bir madde sınıfıdır, yani bu maddeler dielektrikler (iyi yalıtkanlar olmadıkları için) veya metaller olarak sınıflandırılamazlar ( elektriği iyi iletmezler). Örneğin yarı iletkenler arasında germanyum, silikon, selenyum, tellür gibi maddelerin yanı sıra bazı oksitler, sülfürler ve metal alaşımları bulunur.

Özellikler:

1) Artan sıcaklıkla özdirenç yarı iletkenler, direnci artan sıcaklıkla artan metallerin aksine azalır. Üstelik kural olarak geniş bir sıcaklık aralığında bu artış katlanarak gerçekleşir. Yarı iletken kristallerin direnci, hafif veya güçlü elektronik alanlara maruz kaldığında da düşebilir.

2) İki yarı iletkenin temasının tek taraflı iletilmesi özelliği. Çeşitli yarı iletken cihazlar oluşturmak için kullanılan bu özelliktir: diyotlar, transistörler, tristörler, vb.

3) Belirli koşullar altında, aydınlatıldığında veya ısıtıldığında çeşitli yarı iletkenlerin kontakları foto-e kaynaklarıdır. d.s. veya sırasıyla termo-e. d.s.

Yarı iletkenler diğer sınıflardan farklıdır katılar birçok spesifik özellikler, en önemlileri şunlardır:

1) elektriksel iletkenliğin pozitif sıcaklık katsayısı, yani artan sıcaklıkla birlikte yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliği artar;

2) yarı iletkenlerin özgül iletkenliği metallerden daha az, ancak yalıtkanlardan daha fazladır;

3) metallere kıyasla büyük termoelektromotor kuvvet değerleri;

4) yarı iletken özelliklerin iyonlaştırıcı radyasyona karşı yüksek hassasiyeti;

5) yetenek ani değişiklik fiziki ozellikleriönemsiz derecede küçük safsızlık konsantrasyonlarının etkisi altında;

6) akım düzeltmesinin veya omik olmayan davranışın kontaklar üzerindeki etkisi.

3. fiziksel süreçler p-n'de - geçiş.

Çoğu yarı iletken cihazın ana elemanı elektron deliği birleşimidir ( semt bağlantı), bir yarı iletkenin biri elektronik elektriksel iletkenliğe, diğeri delik iletkenliğine sahip iki bölgesi arasındaki geçiş katmanıdır.

Eğitim pn geçiş. pn denge geçişi

Eğitim sürecine daha yakından bakalım. pn geçiş. Denge durumu, harici voltaj olmadığında böyle bir geçiş durumu olarak adlandırılır. Bunu hatırla R- bölge iki tip ana yük taşıyıcıya sahiptir: alıcı safsızlık atomlarının hareketsiz negatif yüklü iyonları ve serbest pozitif yüklü delikler; ve N-bölgede ayrıca iki tür ana yük taşıyıcı vardır: alıcı safsızlık atomlarının hareketsiz pozitif yüklü iyonları ve serbest negatif yüklü elektronlar.

dokunmadan önce P Ve N bölgeler, elektronlar, delikler ve safsızlık iyonları düzgün bir şekilde dağılmıştır. Sınırda temas halinde P Ve N bölgelerde, serbest yük taşıyıcılarının bir konsantrasyon gradyanı ve difüzyon ortaya çıkar. Difüzyon etkisi altında, elektronlar N-alan girer P ve orada deliklerle yeniden birleşir. gelen delikler R-alanlar gitmek N bölge ve oradaki elektronlarla yeniden birleşir. Sınır bölgesindeki serbest yük taşıyıcılarının böyle bir hareketinin bir sonucu olarak, konsantrasyonları neredeyse sıfıra düşer ve aynı zamanda, R bölgede, alıcı safsızlık iyonlarının negatif bir boşluk yükü oluşur ve N donör safsızlık iyonlarının bölge pozitif boşluk yükü. Bu yükler arasında bir temas potansiyeli farkı vardır. φ için ve elektrik alanı e için serbest yük taşıyıcılarının derinlikten difüzyonunu engelleyen R- Ve N- geçen alanlar p-n- geçiş. Böylece, serbest yük taşıyıcılarının elektrik alanı ile birleştiği bölgeye denir. p-n- geçiş.

pn Geçiş iki ana parametre ile karakterize edilir:

1. Potansiyel bariyer yüksekliği. Temas potansiyeli farkına eşittir φ için. Bu, yük taşıyıcıların konsantrasyon gradyanı nedeniyle geçişteki potansiyel farktır. Bu, potansiyel engeli aşmak için serbest bir yükün sahip olması gereken enerjidir:

Nerede k Boltzmann sabitidir; e elektron yüküdür; T- sıcaklık; hayır Ve ND sırasıyla delik ve elektron bölgelerindeki alıcıların ve vericilerin konsantrasyonlarıdır; p p Ve p n içindeki deliklerin konsantrasyonları R- Ve N- sırasıyla alanlar; ben - katkısız bir yarı iletkende kendi yük taşıyıcı konsantrasyonu,  t \u003d kT / e- sıcaklık potansiyeli. bir sıcaklıkta T\u003d 27 0 С  t=0.025V, germanyum geçişi için  için=0,6V, silikon bağlantı için  için\u003d 0,8V.

2. p-n bağlantı genişliği(Şekil 1), içinde yer alan, yük taşıyıcılarında tükenmiş bir sınır bölgesidir. P Ve N alanlar: lp-n = lp + ln:

Buradan,

Nerede ε yarı iletken malzemenin bağıl geçirgenliğidir; ε 0 boş uzayın dielektrik sabitidir.

Elektron deliği geçişlerinin kalınlığı (0.1-10) µm mertebesindedir. Eğer , o zaman ve pn-geçiş simetrik olarak adlandırılır, eğer , o zaman ve pn- geçiş asimetrik olarak adlandırılır ve esas olarak yarı iletken bölgesinde daha düşük safsızlık konsantrasyonu ile bulunur.

Denge durumunda (harici voltaj olmadan) semt geçiş, iki karşı yük akımı hareket eder (iki akım akar). Bunlar, azınlık yük taşıyıcılarının sürüklenme akımı ve çoğunluk yük taşıyıcıları ile ilişkili difüzyon akımıdır. Dış devrede dış gerilim ve akım olmadığından, sürüklenme akımı ve difüzyon akımı karşılıklı olarak dengelenir ve ortaya çıkan akım sıfırdır.

ben dr + ben fark = 0.

Bu ilişki, izole edilmiş (denge) bir ortamda difüzyon ve sürüklenme süreçlerinin dinamik dengesinin koşulu olarak adlandırılır. pn-geçiş.

Temas halinde oldukları yüzey P Ve N alana metalurjik sınır denir. Gerçekte, sınırlı bir kalınlığı vardır - δ m. Eğer δ m<< l p-n , O pn Geçişe keskin geçiş denir. δ m >> ise lp-n, O pn Geçiş pürüzsüz olarak adlandırılır.

Р-n kendisine uygulanan harici bir voltajda geçiş

Harici voltaj, akımların dinamik dengesini bozar. pn-geçiş. pn- geçiş dengesiz bir duruma geçer. Alanlara uygulanan voltajın polaritesine bağlı olarak pn-geçiş mümkün iki çalışma modu.

1) Ön yargıpn geçiş. R-n- güç kaynağının pozitif kutbu şuna bağlıysa, bağlantının ileri taraflı olduğu kabul edilir: R-bölge ve negatif N- alanlar (Şekil 1.2)

İleri polarmada,  ile U arasındaki gerilimler zıt yönlüdür, ortaya çıkan gerilim pn-değere geçiş azalır  için - sen. Bu, elektrik alan kuvvetinin azalmasına ve ana yük taşıyıcılarının difüzyon sürecinin devam etmesine yol açar. Ek olarak, ileri ofset genişliği azaltır pn geçiş, çünkü lp-n ≈( ila - U) 1/2. Ana yük taşıyıcılarının akımı olan difüzyon akımı, sürüklenme akımından çok daha büyük hale gelir. Başından sonuna kadar pn-geçiş doğru akım akışları

ben p-n \u003d ben pr \u003d ben fark + ben dr I diferansiyeli .

Bir doğru akım aktığında, p-bölgesindeki çoğunluk yük taşıyıcıları, küçük hale geldikleri n-bölgesine geçer. Çoğunluk yük taşıyıcılarının azınlık haline geldikleri bir bölgeye sokulması işlemine difüzyon denir. enjeksiyon ve doğru akım - difüzyon akımı veya enjeksiyon akımı. p ve n bölgelerinde biriken azınlık yük taşıyıcılarını telafi etmek için, dış devrede bir voltaj kaynağından, yani bir elektron akımı üretilir. elektronötralite ilkesi korunur.

artış ile sen akım keskin bir şekilde artar, - sıcaklık potansiyeli ve büyük değerlere ulaşabilir. konsantrasyonu yüksek olan ana taşıyıcılarla ilişkilidir.

2) ters önyargı, ne zaman oluşur R-alan eksi uygulanır ve N-alan artı, harici bir voltaj kaynağı (Şekil 1.3).

Bu dış gerilim sen göre dahil  için. O: potansiyel engelin yüksekliğini bir değere yükseltir  için + sen; elektrik alan şiddeti artar; Genişlik pn geçiş artar, çünkü l p-n ≈( için + u) 1/2; difüzyon işlemi tamamen durur ve sonrasında pn geçiş akışları sürüklenme akımı, azınlık taşıyıcı akımı. Böyle bir akım pn-geçiş ters olarak adlandırılır ve termal üretim nedeniyle ortaya çıkan küçük yük taşıyıcıları ile ilişkili olduğundan termal akım olarak adlandırılır ve - ben 0, yani

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

Bu akımın büyüklüğü küçüktür. konsantrasyonu düşük olan azınlık yük taşıyıcıları ile ilişkilidir. Böylece, pn geçiş tek taraflı iletkenliğe sahiptir.

Ters bir önyargı ile, geçiş sınırındaki azınlık yük taşıyıcılarının konsantrasyonu, denge olana kıyasla bir miktar azalır. Bu, azınlık yük taşıyıcılarının derinlikten yayılmasına yol açar. P Ve N-Sınıra yakın alanlar pn geçiş. Ona ulaşan azınlık taşıyıcılar, güçlü bir elektrik alanına düşer ve içinden aktarılır. pnçoğunluk şarj taşıyıcıları haline geldikleri geçiş. Küçük yük taşıyıcıların sınıra difüzyonu pn ana yük taşıyıcıları haline geldikleri bölgeye geçiş ve sürüklenme olarak adlandırılır. çıkarma. Ekstraksiyon ve ters akım oluşturur pn geçiş, küçük yük taşıyıcılarının akımıdır.

Ters akımın büyüklüğü büyük ölçüde şunlara bağlıdır: sıcaklık çevre, yarı iletken malzeme ve alan pn geçiş.

Ters akımın sıcaklığa bağlılığı ifade ile belirlenir, burada nominal sıcaklık gerçek sıcaklıktır, termik akımın iki katına çıkma sıcaklığıdır.

Silikon bağlantısının termal akımı, germanyum bazlı bağlantının termal akımından çok daha azdır (3-4 büyüklük sırasına göre). ile bağlantılı  için malzeme.

Geçiş alanındaki bir artışla, hacmi artar ve sonuç olarak, termal üretim ve termal akımın bir sonucu olarak ortaya çıkan azınlık taşıyıcıların sayısı artar.

Yani ana özellik pn-geçiş onun tek yönlü iletimidir.

4. Akım-gerilim karakteristiği p-n - geçiş.

Volt-amper elde ederiz karakteristik p-n geçiş. Bunu yapmak için süreklilik denklemini yazarız. Genel görünüm:

Durağan durumu dp/dt = 0 olarak ele alacağız.

Tükenme bölgesinin sağındaki n-tipi bir yarı iletkenin yarı-nötr hacmindeki akımı göz önünde bulundurun. Pn kavşağı(x > 0). Nötr benzeri bir hacimde üretim hızı G sıfırdır: G = 0. Elektrik alanı E de sıfırdır: E = 0. Akımın sürüklenme bileşeni de sıfırdır: I E = 0, dolayısıyla akım difüzyondur. Düşük bir enjeksiyon seviyesindeki rekombinasyon oranı R şu ilişki ile tanımlanır:

Difüzyon katsayısı, difüzyon uzunluğu ve azınlık taşıyıcı ömrü ile ilgili aşağıdaki ilişkiyi kullanalım: Dτ = L p 2 .

Yukarıdaki varsayımlar dikkate alındığında, süreklilik denklemi şu şekildedir:

p-n kavşağında difüzyon denklemi için sınır koşulları şunlardır:

Çözüm diferansiyel denklem(2.58) sınır koşulları ile (*) şu şekildedir:

İlişki (2.59), bir elektron deliği geçişi için bir n-tipi yarı iletkenin yarı-nötr hacmindeki enjekte edilen deliklerin dağılım yasasını açıklar (Şekil 2.15). SCR sınırını yarı-nötr bir p-n bağlantısı hacmiyle geçen tüm taşıyıcılar, p-n bağlantı akımında yer alır. Akımın tamamı difüzyon olduğundan, akım ifadesinde (2.59)'u değiştirerek şunu elde ederiz (Şekil 2.16):

İlişki (2.60), ileri öngerilim altında azınlık taşıyıcıların enjeksiyonu sırasında ortaya çıkan p-n bağlantı deliği akımının difüzyon bileşenini tanımlar. p-n bağlantı akımının elektronik bileşeni için benzer şekilde şunu elde ederiz:

V G = 0'da sürüklenme ve difüzyon bileşenleri birbirini dengeler. Buradan, .

Tam dolu p-n akımı bağlantı, p-n bağlantı akımının dört bileşeninin toplamıdır:

Parantez içindeki ifade, p-n bağlantısının ters akımının fiziksel anlamına sahiptir. Aslında, negatif voltajlarda 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:

Pirinç. 2.15. Yayıcıdan enjekte edilen denge dışı taşıyıcıların yarı-nötr hacim üzerinden dağılımı p-n bazlar geçiş

Bu ilişkinin daha önce süreklilik denkleminin analizinde elde edilene eşdeğer olduğunu görmek kolaydır.

Tek taraflı enjeksiyon koşulunun gerçekleştirilmesi gerekiyorsa (örneğin, yalnızca deliklerin enjeksiyonu), o zaman ilişki (2.61)'den, p-bölgesinde azınlık taşıyıcılarının n p0 konsantrasyonunun küçük bir değerinin olması gerektiği sonucu çıkar. seçildi. Buradan p tipi yarı iletkenin, n tipi yarı iletkene kıyasla ağır katkılı olması gerektiği sonucu çıkar: N A >> N D . Bu durumda p-n bağlantı akımında delik bileşeni baskın olacaktır (Şekil 2.16).

Pirinç. 2.16. İleri önyargılı tek uçlu bir p-n bağlantısındaki akımlar

Böylece, p-n bağlantısının I – V özelliği şu şekildedir:

Doyum akım yoğunluğu Js:

İlişki (2.62) ile açıklanan CVC p-n geçişi, Şekil 2.17'de gösterilmiştir.

Pirinç. 2.17. volt-amper özellikleri mükemmel p-n geçiş

İlişki (2.16) ve Şekil 2.17'den aşağıdaki gibi, ideal bir p-n bağlantısının akım-gerilim özelliği belirgin bir asimetrik forma sahiptir. Doğru gerilimler bölgesinde, p-n bağlantısının akımı difüzyondur ve artan uygulanan gerilimle üstel olarak artar. Negatif gerilimlerin olduğu bölgede, p-n bağlantı akımı sürüklenir ve uygulanan gerilime bağlı değildir.

5. Kapasitans p-n - bağlantı.

Potansiyel φ değiştiğinde Q elektrik yükünün değiştiği herhangi bir sistem bir kapasitansa sahiptir. Kapasitans değeri C şu oran tarafından belirlenir: .

P-n bağlantısı için, iki tür yük ayırt edilebilir: iyonize donörlerin ve alıcıların (QB) uzay yükü bölgesindeki yük ve yayıcıdan (Qp) tabana enjekte edilen taşıyıcıların yükü. P-n bağlantısındaki farklı önyargılarla, kapasitans hesaplanırken bir veya başka bir yük baskın olacaktır. Bu bağlamda, p-n bağlantısının kapasitansı için, bariyer kapasitansı C B ve difüzyon kapasitansı C D ayırt edilir.

Bariyer kapasitansı C B kapasitans ters önyargı altında geçiş V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

Asimetrik bir p-n bağlantısı için birim alan başına iyonize donörlerin ve alıcıların QB şarj değeri:

Farklılaşan ifade (2.65), şunu elde ederiz:

Denklem (2.66)'dan, bariyer kapasitansının C B, plakaları arasındaki mesafe uzay yükü bölgesinin W genişliğine eşit olan düz bir kapasitörün kapasitansı olduğu sonucu çıkar. SCR genişliği, uygulanan V G voltajına bağlı olduğundan, bariyer kapasitansı da uygulanan gerilime bağlıdır. Bariyer kapasitansının sayısal tahminleri, değerinin onlarca veya yüzlerce pikofarad olduğunu göstermektedir.

Difüzyon kapasitansı C D, yayıcı Qp'den tabana enjekte edilen taşıyıcıların Qp yükündeki bir değişiklik nedeniyle, VG > 0 ileri öngeriliminde bir p-n bağlantısının kapasitansıdır.

Bariyer kapasitansının (CB) uygulanan ters gerilime (VG) bağlılığı enstrümantal uygulama için kullanılır. Bu bağımlılığı uygulayan bir yarı iletken diyot, bir varikap olarak adlandırılır. Varikapın maksimum kapasitans değeri sıfır voltajda V G'dir. Ters sapma arttıkça, varikapın kapasitansı azalır. Değişken kapasite kapasitansının gerilime fonksiyonel bağımlılığı, varikap tabanının doping profili tarafından belirlenir. Düzgün doping durumunda, kapasitans, uygulanan voltajın (VG) kökü ile ters orantılıdır. Doping profilini N D (x) değişken bazında ayarlayarak, elde edilebilir çeşitli bağımlılıklar C(V G) voltajındaki değişken kapasitanslar - doğrusal olarak azalan, üstel olarak azalan.

6. Yarı iletken diyotlar: sınıflandırma, tasarım özellikleri, sözleşmeler ve işaretleme.

yarı iletken diyot- bir elektrik bağlantısı ve iki uçlu (elektrotlar) bir yarı iletken cihaz. Diğer diyot türlerinin aksine, bir yarı iletken diyotun çalışma prensibi olguya dayanmaktadır. pn-geçiş.

Siteyi yer imlerine ekle

Yarı iletkenlerin temel özellikleri nelerdir?

Elektriksel direnç açısından, yarı iletkenler iletkenler ve yalıtkanlar arasında bir ara konum işgal eder. Yarı iletken diyotlar ve triyotlar bir dizi avantaja sahiptir: düşük ağırlık ve boyut, önemli ölçüde daha uzun hizmet ömrü, yüksek mekanik dayanım.

Yarı iletkenlerin temel özelliklerini ve özelliklerini düşünün. Elektriksel iletkenlikleri ile ilgili olarak, yarı iletkenler 2 türe ayrılır: elektronik ve delik iletkenliği ile.

Elektronik iletkenliğe sahip yarı iletkenler, atomların çekirdeğine zayıf bir şekilde bağlı olan sözde serbest elektronlara sahiptir. Bu yarı iletkene potansiyel bir fark uygulanırsa, serbest elektronlar belirli bir yönde ileri doğru hareket edecek ve böylece bir elektrik akımı yaratacaktır. Çünkü bu tür yarı iletkenlerde elektrik negatif yüklü parçacıkların hareketini temsil eder, bunlara n tipi iletkenler denir (negatif - negatif kelimesinden).

Delik iletkenliğine sahip yarı iletkenlere p-tipi yarı iletkenler denir (pozitif - pozitif kelimesinden). Bu tür yarı iletkenlerde elektrik akımının geçişi, pozitif yüklerin hareketi olarak düşünülebilir. p-iletkenliğine sahip yarı iletkenlerin serbest elektronları yoktur; bir yarı iletken atomu herhangi bir nedenin etkisi altında 1 elektron kaybederse, pozitif olarak yüklenir.

Bir yarı iletken atomun pozitif yüküne neden olan bir atomda bir elektronun bulunmamasına delik adı verildi (bu, atomda boş bir alan oluştuğu anlamına gelir). Teori ve deneyim, deliklerin temel pozitif yükler gibi davrandığını göstermektedir.

Delik iletkenliği, uygulanan potansiyel farkın etkisi altında, pozitif yüklerin hareketine eşdeğer olan deliklerin hareket etmesi gerçeğinden oluşur.

Aslında, delik iletimi durumunda aşağıdakiler gerçekleşir. Biri bir delik ile donatılmış (dış yörüngede 1 elektron eksik) ve sağda bulunan diğerinin tüm elektronları yerlerinde olan (buna nötr atom diyelim) 2 atom olduğunu varsayalım. Bir yarı iletkene potansiyel bir fark uygulanırsa, o zaman bir elektrik alanının etkisi altında, tüm elektronların yerlerinde olduğu nötr bir atomdan gelen bir elektron, bir delik ile donatılmış bir atoma sola hareket edecektir.

Bu nedenle, bir deliği olan atom nötr hale gelir ve delik sağa, elektronun ayrıldığı atoma doğru hareket eder. Yarı iletken cihazlarda, bir deliği serbest elektronla "doldurma" işlemine rekombinasyon denir. Rekombinasyon sonucunda hem serbest elektron hem de boşluk kaybolur ve nötr bir atom oluşur. Ve böylece deliklerin hareketi, elektronların hareketinin tersi yönde gerçekleşir.

Tamamen saf (iç) bir yarı iletkende, ısı veya ışığın etkisi altında, elektronlar ve delikler çiftler halinde doğar, bu nedenle içsel yarı iletkendeki elektronların ve deliklerin sayısı aynıdır.

Belirgin elektron veya delik konsantrasyonlarına sahip yarı iletkenler oluşturmak için, saf yarı iletkenlere safsızlıklar verilir ve bu da safsızlık yarı iletkenleri oluşturur. Safsızlıklar, elektron veren donör ve delikler oluşturan (yani atomlardan elektronları koparan) alıcıdır. Sonuç olarak, verici safsızlığı olan bir yarı iletkende, iletkenlik ağırlıklı olarak elektronik veya n - iletkenlik olacaktır. Bu yarı iletkenlerde, elektronlar çoğunluk yük taşıyıcılarıdır ve delikler azınlık taşıyıcılardır. Alıcı safsızlığı olan bir yarı iletkende, aksine, delikler ana yük taşıyıcılarıdır ve elektronlar küçük olanlardır; Bunlar, p-iletkenliğine sahip yarı iletkenlerdir.

Yarı iletken diyotların ve triyotların üretimi için ana malzemeler germanyum ve silikondur; bunlarla ilgili olarak antimon, fosfor, arsenik donörlerdir; alıcılar - indiyum, galyum, alüminyum, bor.

Şekil 1. Bir yarı iletkende elektrik yüklerinin yeri.

Genellikle bir kristal yarı iletkene eklenen safsızlıklar, bir elektrik akımının geçişinin fiziksel modelini önemli ölçüde değiştirir.

n-iletkenliğe sahip bir yarı iletken oluşturulduğunda, yarı iletkene bir verici safsızlık eklenir: örneğin, germanyum yarı iletkene bir antimon safsızlığı eklenir. Verici olan antimon atomları, pozitif yüklü iken, germanyuma birçok serbest elektron verir.

Bu nedenle, bir safsızlık tarafından oluşturulan bir n-iletkenlik yarı iletkeninde, aşağıdaki elektrik yükü türleri vardır:

• ana taşıyıcılar olan mobil negatif yükler (elektronlar) (hem donör safsızlığından hem de içsel iletkenlikten);
• mobil pozitif yükler (delikler) - içsel iletimden kaynaklanan azınlık taşıyıcıları;
• hareketsiz pozitif yükler - donör safsızlığının iyonları.

p-iletkenliğine sahip bir yarı iletken oluşturulduğunda, yarı iletkene bir alıcı safsızlık eklenir: örneğin, germanyum yarı iletkene bir indiyum safsızlığı eklenir. Alıcı olan indiyum atomları, elektronları germanyum atomlarından ayırarak delikler oluşturur. İndiyum atomlarının kendileri negatif yüklü hale gelir.

Bu nedenle, bir p-iletkenlik yarı iletkeninde, aşağıdaki elektrik yükü türleri vardır:

• mobil pozitif yükler (delikler) - alıcı safsızlığından ve içsel iletkenlikten kaynaklanan ana taşıyıcılar;
• mobil negatif yükler (elektronlar) - kendi iletkenliklerinden kaynaklanan azınlık taşıyıcıları;
• hareketsiz negatif yükler - alıcı safsızlığın iyonları.

Şek. Şekil 1, elektrik yüklerinin düzenlenmesi ile p-germanyum (a) ve n-germanyum (b) plakalarını göstermektedir.

Merhaba sevgili site okuyucuları. Sitede yeni başlayan radyo amatörlerine ayrılmış bir bölüm var, ancak şimdiye kadar elektronik dünyasına ilk adımlarını atan yeni başlayanlar için gerçekten hiçbir şey yazmadım. Bu boşluğu dolduruyorum ve bu makaleden, cihazı ve radyo bileşenlerinin (radyo bileşenleri) çalışmasını tanımaya başlıyoruz.

Yarı iletken cihazlarla başlayalım. Ancak bir diyot, tristör veya transistörün nasıl çalıştığını anlamak için neyin işe yaradığını anlamak gerekir. yarı iletken. Bu nedenle, önce yarı iletkenlerin yapısını ve özelliklerini moleküler düzeyde inceleyeceğiz ve ardından yarı iletken radyo bileşenlerinin işleyişini ve tasarımını ele alacağız.

Genel konseptler.

Neden tam olarak yarı iletken diyot mu, transistör mü, tristör mü? Çünkü bu radyo bileşenlerinin temeli, yarı iletkenler Hem elektrik akımını iletebilen hem de geçişini engelleyebilen maddeler.

Bu büyük grup radyo mühendisliğinde kullanılan maddeler (germanyum, silikon, selenyum, bakır oksit), ancak yarı iletken cihazların imalatı için esas olarak yalnızca Silikon(Si) ve Germanyum(Ge).

Elektriksel özelliklerine göre, yarı iletkenler, elektrik akımının iletkenleri ve iletken olmayanları arasında orta bir yer kaplar.

Yarı iletkenlerin özellikleri.

İletkenlerin elektriksel iletkenliği büyük ölçüde ortam sıcaklığına bağlıdır.
çok Düşük mutlak sıfıra yakın sıcaklıklar (-273°C), yarı iletkenler gerçekleştirme elektrik akımı ve terfi sıcaklık, akıma karşı dirençleri azalır.

Yarı iletkeni işaret ederseniz ışık, daha sonra elektriksel iletkenliği artmaya başlar. Yarı iletkenlerin bu özelliği kullanılarak, oluşturuldu fotovoltaik aletleri. Yarı iletkenler ayrıca, örneğin güneş panelleri gibi ışık enerjisini elektrik akımına dönüştürme yeteneğine de sahiptir. Ve yarı iletkenlere tanıtıldığında safsızlıklar bazı maddeler, elektriksel iletkenlikleri önemli ölçüde artar.

Yarı iletken atomların yapısı.

Germanyum ve silikon, birçok yarı iletken cihazın ana malzemeleridir ve dört taneye sahiptir. değerlik elektronu.

Atom Almanya 32 elektron ve bir atomdan oluşur silikon 14 üzerinden. Ama sadece 28 germanyum atomunun elektronları ve 10 kabuklarının iç katmanlarında bulunan silikon atomunun elektronları çekirdekler tarafından sıkıca tutulur ve onlardan asla ayrılmaz. Sadece dört bu iletkenlerin atomlarının değerlik elektronları serbest kalabilir ve o zaman bile her zaman değil. Ve eğer bir yarı iletken atom en az bir elektron kaybederse, o zaman olur pozitif iyon.

Bir yarı iletkende, atomlar şu şekilde düzenlenmiştir: sıkı düzen: her atom çevrilidir dört aynı atomlar Dahası, birbirlerine o kadar yakın yerleştirilmişlerdir ki, değerlik elektronları komşu atomların etrafından geçerek tek yörüngeler oluşturur ve böylece atomları tek bir bütün madde halinde bağlar.

Bir yarı iletken kristaldeki atomların birbirine bağlanmasını düz bir diyagram şeklinde gösterelim.
Diyagramda, artı işaretli kırmızı toplar geleneksel olarak atom çekirdeği(pozitif iyonlar) ve mavi toplar değerlik elektronları.

Burada her atomun etrafında bulunduğunu görebilirsiniz. dört tam olarak aynı atomlar ve bu dördünün her birinin diğer dört atomla bağlantısı var, vb. Atomların her biri, her bir komşu atoma bağlıdır. iki değerlik elektronları ve bir elektron kendisine aittir ve diğeri komşu bir atomdan ödünç alınmıştır. Böyle bir bağa iki elektronlu bağ denir. kovalent.

Buna karşılık, her atomun elektron kabuğunun dış tabakası şunları içerir: sekiz elektronlar: dört kendi ve yalnız, dörtten ödünç alındı komşu atomlar. Burada artık atomdaki değerlik elektronlarından hangisinin "kendine ait" hangisinin "yabancı" olduğu ayırt edilemez, çünkü bunlar ortak hale geldi. Bir germanyum veya silikon kristalinin tüm kütlesindeki böyle bir atom bağıyla, yarı iletken bir kristalin büyük bir tane olduğunu varsayabiliriz. molekül. Şekilde pembe ve sarı daireler, iki komşu atomun kabuklarının dış katmanları arasındaki bağlantıyı göstermektedir.

Yarı iletken elektriksel iletkenlik.

Atomların artı işaretli kırmızı bir topla gösterildiği ve atomlar arası bağların değerlik elektronlarını simgeleyen iki çizgiyle gösterildiği basitleştirilmiş bir yarı iletken kristal çizimi düşünün.

Mutlak sıfıra yakın bir sıcaklıkta, bir yarı iletken yürütmez olmadığı için akım serbest elektronlar. Ancak sıcaklıktaki bir artışla, değerlik elektronlarının atom çekirdeği ile bağı zayıflar ve elektronların bir kısmı termal hareket nedeniyle atomlarını terk edebilir. Atomlar arası bağdan kaçan elektron " özgür”ve daha önce olduğu yerde, oluşur boş yer geleneksel olarak adlandırılan delik.

Nasıl daha yüksek yarı iletken sıcaklığı, Daha serbest elektronlar ve delikler haline gelir. Sonuç olarak, bir "delik" oluşumunun, bir değerlik elektronunun bir atomun kabuğundan ayrılmasıyla ilişkili olduğu ve deliğin kendisinin hale geldiği ortaya çıktı. pozitif elektrik yükü eşittir olumsuz bir elektronun yükü.

Şimdi şematik olarak gösteren şekle bakalım. bir yarı iletkende akımın meydana gelmesi olgusu.

Yarı iletkene, "+" ve "-" kontaklarına bir miktar voltaj uygularsanız, içinde bir akım görünecektir.
Dolayı termal olaylar, bir yarı iletken kristalde atomlar arası bağlar başlayacak serbest bırakılmak bir miktar elektron (oklu mavi toplar). elektronlar çekilir pozitif gerilim kaynağının kutbu olacak taşınmak geride bırakarak ona doğru delikler, başkaları tarafından doldurulacak salınan elektronlar. Yani, harici bir elektrik alanının etkisi altında, yük taşıyıcıları belirli bir yönlü hareket hızı elde eder ve böylece oluşturur elektrik.

Örneğin: voltaj kaynağının pozitif kutbuna en yakın serbest elektron çekti bu direk Atomlar arası bağı kırarak elektronu terk eder. yapraklar kendimden sonra delik. Bazılarında bulunan başka bir serbest elektron kaldırma pozitif kutuptan da çekti kutup ve hareketli ona doğru ama tanışmak yolundaki bir delik ona doğru çekilir çekirdek atom, atomlar arası bağı geri yükler.

Sonuç yeni ikinci elektrondan sonraki delik, doldurur bu deliğin yanında bulunan üçüncü salınan elektron (Şekil No. 1). sırası gelince delikler, hangisine en yakın olumsuz direk, diğer dolu salınan elektronlar(Şekil No. 2). Böylece yarı iletkende bir elektrik akımı oluşur.

Yarı iletken çalıştığı sürece Elektrik alanı, bu süreç sürekli: atomlar arası bağlar kırılır - serbest elektronlar ortaya çıkar - delikler oluşur. Delikler salınan elektronlarla doldurulur - atomlar arası bağlar geri yüklenirken, diğer atomlar arası bağlar kopar ve elektronlar buradan ayrılır ve sonraki delikleri doldurur (Şekil No. 2-4).

Bundan şu sonuca varıyoruz: elektronlar voltaj kaynağının negatif kutbundan pozitif kutbuna hareket eder ve delikler pozitif kutbundan negatif kutbuna hareket eder.

Elektron deliği iletkenliği.

"Saf" bir yarı iletken kristalde, sayı piyasaya sürülmüş V şu an elektron sayısı eşittir ortaya çıkan bu durumda delikler vardır, bu nedenle böyle bir yarı iletkenin elektriksel iletkenliği küçük elektrik akımı sağladığı için büyük direnç ve bu elektriksel iletkenlik denir sahip olmak.

Ancak formdaki yarı iletkeni eklersek safsızlıklar diğer elementlerin belirli sayıda atomu, daha sonra elektriksel iletkenliği önemli ölçüde artacaktır ve buna bağlı olarak yapılar safsızlık elementlerinin atomları, yarı iletkenin elektriksel iletkenliği olacaktır. elektronik veya delikli.

elektronik iletkenlik

Diyelim ki, atomlarının dört değerlik elektronuna sahip olduğu yarı iletken bir kristalde, bir atomu, içindeki bir atomla değiştirdiğimizi varsayalım. beş değerlik elektronları. bu atom dört elektronlar yarı iletkenin dört komşu atomuyla bağlanacak ve beşinci değerlik elektronu kalacak gereksiz' ücretsiz anlamına gelir. Ve sonra Daha Daha serbest elektronlar olacak, yani böyle bir yarı iletken, özelliklerinde bir metale yaklaşacak ve içinden bir elektrik akımı geçebilmesi için, atomlar arası bağların yok edilmesi gerekmez.

Bu tür özelliklere sahip yarı iletkenler, " tipinde iletkenliğe sahip yarı iletkenler olarak adlandırılır. N" veya yarı iletkenler N-tip. Burada latin harf n, "negatif" (negatif) - yani "negatif" kelimesinden gelir. Buradan bir yarı iletkende N-tip anaşarj taşıyıcıları - elektronlar, ana olanlar değil - delikler.

delik iletimi.

Aynı kristali alalım, ama şimdi onun atomunu sadece içinde bulunan bir atomla değiştireceğiz. üç serbest elektron. Üç elektronu ile sadece üç komşu atomlar ve dördüncü atomla bağ kurmak için yeterli olmayacak bir elektron. Sonuç olarak, oluşur delik. Doğal olarak, yakındaki başka herhangi bir serbest elektronla doldurulacaktır, ancak her durumda kristalde böyle bir yarı iletken olmayacaktır. yakalamak delikleri doldurmak için elektronlar. Ve sonra Daha kristalde böyle atomlar olacak, yani Daha delikler olacaktır.

Böyle bir yarı iletkende serbest elektronların salınabilmesi ve hareket edebilmesi için, atomlar arasındaki değerlik bağları yok edilmelidir. Ancak elektronlar yine de yeterli olmayacaktır, çünkü boşluk sayısı her zaman olacaktır. Daha Herhangi bir zamanda elektron sayısı.

Bu tür yarı iletkenlere yarı iletkenler denir. delikli iletkenlik veya iletkenler P Latince "olumlu", "olumlu" anlamına gelen -tip. Bu nedenle, p-tipi bir yarı iletken kristaldeki elektrik akımı olgusuna sürekli bir akım eşlik eder. ortaya çıkış Ve kaybolma pozitif yükler deliklerdir. Ve bunun anlamı, bir yarı iletkende P-tip anaşarj taşıyıcıları delikler ve temel değil - elektronlar.

Artık yarı iletkenlerde meydana gelen olayları biraz anladığınıza göre, yarı iletken radyo bileşenlerinin çalışma prensibini anlamanız zor olmayacaktır.

Bunun üzerinde duralım ve içinde diyotun çalışma prensibi olan cihazı ele alacağız, akım-gerilim karakteristiğini ve anahtarlama devrelerini analiz edeceğiz.
İyi şanlar!

Kaynak:

1 . Borisov V.G. - Genç bir radyo amatörü. 1985
2 . Academic.ru web sitesi: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

USE kodlayıcısının konuları: yarı iletkenler, yarı iletkenlerin içsel ve dışsal iletkenliği.

Şimdiye kadar, maddelerin elektrik akımını iletme yeteneklerinden bahsetmişken, onları iletkenler ve yalıtkanlar olarak ayırdık. Sıradan iletkenlerin özgül direnci Ohm m aralığındadır; dielektriklerin özdirenci bu değerleri ortalama olarak büyüklük sırasına göre aşar: Ohm m.

Ancak elektriksel iletkenlikleri bakımından iletkenler ve dielektrikler arasında bir ara konum işgal eden maddeler de vardır. Bu yarı iletkenler: oda sıcaklığında özdirençleri çok geniş bir ohm m aralığında değerler alabilir. Yarı iletkenler silikon, germanyum, selenyum ve diğerlerini içerir. kimyasal elementler ve bileşikler (Yarı iletkenler doğada son derece yaygındır. Örneğin, kütlenin yaklaşık %80'i yerkabuğu yarı iletken maddelerdir). Silikon ve germanyum en yaygın kullanılanlardır.

ana özellik yarı iletkenler, elektriksel iletkenliklerinin artan sıcaklıkla keskin bir şekilde artmasıdır. Bir yarı iletkenin özdirenci, yaklaşık olarak Şekil 1'de gösterildiği gibi artan sıcaklıkla azalır. 1.

Pirinç. 1. Bir yarı iletken için bağımlılık

Başka bir deyişle, düşük sıcaklıklarda yarı iletkenler dielektrikler gibi davranırlar ve yüksek sıcaklıklarda oldukça iyi iletkenler gibi davranırlar. Yarı iletkenler ve metaller arasındaki fark budur: Hatırladığınız gibi, metalin özdirenci artan sıcaklıkla doğrusal olarak artar.

Yarı iletkenler ve metaller arasında başka farklılıklar da vardır. Böylece, bir yarı iletkenin aydınlatılması direncinde bir azalmaya neden olur (ve ışığın bir metalin direnci üzerinde neredeyse hiçbir etkisi yoktur). Ek olarak, yarı iletkenlerin elektrik iletkenliği, ihmal edilebilir miktarda safsızlık girmesiyle bile çok güçlü bir şekilde değişebilir.

Deneyimler, metallerde olduğu gibi, bir yarı iletkenden akım geçtiğinde madde aktarımı olmadığını göstermektedir. Bu nedenle, yarı iletkenlerdeki elektrik akımı elektronların hareketinden kaynaklanır.

Bir yarı iletken ısıtıldığında direncindeki azalma, sıcaklıktaki bir artışın yarı iletkendeki serbest yüklerin sayısında bir artışa yol açtığını gösterir. Metallerde böyle bir şey olmaz; bu nedenle, yarı iletkenler metallerden farklı bir elektriksel iletkenlik mekanizmasına sahiptir. Bunun nedeni de metallerin ve yarı iletkenlerin atomları arasındaki kimyasal bağın farklı doğasıdır.

kovalent bağ

Metalik bağın, pozitif iyonları tutkal gibi kafes bölgelerinde tutan bir serbest elektron gazı tarafından sağlandığını hatırlayın. Yarı iletkenler farklı düzenlenmiştir - atomları bir arada tutulur kovalent bağ. Ne olduğunu hatırlayalım.

Dış elektronik seviyede yer alan ve elektronlar olarak adlandırılan değerlik, çekirdeğe daha yakın olan diğer elektronlara göre atoma daha zayıf bağlıdır. Bir kovalent bağ oluşturma sürecinde, iki atom, değerlik elektronlarından birinin "ortak nedene" katkıda bulunur. Bu iki elektron sosyalleşmiştir, yani artık her iki atoma da aittirler ve bu nedenle elektronlar olarak adlandırılırlar. ortak elektron çifti(İncir. 2).

Pirinç. 2. Kovalent bağ

Toplumsallaşmış elektron çifti atomları birbirine yakın tutar (elektriksel çekim kuvvetlerinin yardımıyla). Kovalent bağ, ortak elektron çiftleri nedeniyle atomlar arasında var olan bir bağdır.. Bu nedenle kovalent bağa kovalent bağ da denir. çift ​​elektron.

silikonun kristal yapısı

Artık yarı iletkenlerin iç kısımlarına daha yakından bakmaya hazırız. Örnek olarak, doğadaki en yaygın yarı iletkeni düşünün - silikon. İkinci en önemli yarı iletken olan germanyum da benzer bir yapıya sahiptir.

Silikonun uzamsal yapısı, Şek. 3 (Ben Mills'in resmi). Silikon atomları toplar olarak tasvir edilmiştir ve onları birbirine bağlayan tüpler, atomlar arasındaki kovalent bağ kanallarıdır.

Pirinç. 3. Silisyumun kristal yapısı

Her silikon atomunun bağlı olduğuna dikkat edin. dört komşu atomlar Neden böyle?

Gerçek şu ki, silikon dört değerlikli - silikon atomunun dış elektron kabuğunda dört değerlik elektronu var. Bu dört elektronun her biri, başka bir atomun valans elektronu ile ortak bir elektron çifti oluşturmaya hazırdır. Ve böylece olur! Sonuç olarak, silikon atomu, her biri bir değerlik elektronuna katkıda bulunan dört kenetlenmiş atomla çevrilidir. Buna göre, her atomun etrafında sekiz elektron vardır (dört kendi ve dört yabancı).

Bunu silikon kristal kafesin düz diyagramında daha ayrıntılı olarak görüyoruz (Şekil 4).

Pirinç. 4. Silikonun kristal kafesi

Kovalent bağlar, atomları birbirine bağlayan çizgi çiftleri olarak gösterilir; bu çizgiler elektron çiftlerini paylaşır. Böyle bir çizgi üzerinde bulunan her değerlik elektronu, zamanının çoğunu iki komşu atom arasındaki boşlukta geçirir.

Bununla birlikte, değerlik elektronları, karşılık gelen atom çiftlerine hiçbir şekilde "sıkıca bağlı" değildir. Elektron kabukları örtüşüyor Tümü komşu atomlar, böylece herhangi bir değerlik elektronu, tüm komşu atomların ortak özelliğidir. Böyle bir elektron, 1. atomdan komşu 2. atoma, sonra komşu 3. atoma vb. gidebilir. Değerlik elektronları, kristalin uzayı boyunca hareket edebilirler. tüm kristale ait(herhangi bir tek atom çifti yerine).

Ancak silikonun valans elektronları serbest değildir (metalde olduğu gibi). Bir yarı iletkende, değerlik elektronları ve atomlar arasındaki bağ bir metalden çok daha güçlüdür; silikon kovalent bağları düşük sıcaklıklarda kırılmaz. Elektronların enerjisi, harici bir elektrik alanının etkisi altında daha düşük bir potansiyelden daha yüksek bir potansiyele düzenli bir hareket başlatmak için yeterli değildir. Bu nedenle, yeterli Düşük sıcaklık Yarı iletkenler dielektriklere yakındır - elektriği iletmezler.

Kendi iletkenliği

Bir elektrik devresine bir yarı iletken eleman ekler ve onu ısıtmaya başlarsanız, devredeki akım gücü artar. Bu nedenle, yarı iletken direnci azalır sıcaklıkta bir artış ile. Bu neden oluyor?

Sıcaklık yükseldikçe silikon atomlarının termal titreşimleri daha yoğun hale gelir ve valans elektronlarının enerjisi artar. Bazı elektronlar için enerji, kovalent bağları kırmaya yetecek değerlere ulaşır. Bu tür elektronlar atomlarını terk eder ve özgür(veya iletim elektronları) metaldeki ile tamamen aynıdır. Bir dış elektrik alanında, serbest elektronlar bir elektrik akımı oluşturarak düzenli bir harekete başlar.

Silikon sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, elektronların enerjisi o kadar büyük olur ve büyük miktar kovalent bağlar dayanmaz ve kopar. Bir silikon kristalindeki serbest elektronların sayısı artar, bu da direncinde bir azalmaya yol açar.

Kovalent bağların kırılması ve serbest elektronların görünümü şekil 2'de gösterilmiştir. 5. Kovalent bağın koptuğu yerde, delik bir elektron için bir boşluktur. delik var pozitifşarj, çünkü negatif yüklü bir elektronun ayrılmasıyla, silikon atomunun çekirdeğinin telafi edilmemiş bir pozitif yükü kalır.

Pirinç. 5. Serbest elektronların ve deliklerin oluşumu

Delikler yerinde durmaz - kristalin etrafında dolaşabilirler. Gerçek şu ki, atomlar arasında "seyahat eden" komşu değerlik elektronlarından biri, oluşan boşluğa atlayarak deliği doldurabilir; o zaman bu yerdeki delik kaybolacak, ancak elektronun geldiği yerde görünecektir.

Harici bir elektrik alanın yokluğunda, deliklerin hareketi rastgeledir, çünkü valans elektronları atomlar arasında rastgele dolaşırlar. Ancak bir elektrik alanında yönlendirilmiş delik hareketi. Neden? Anlaması kolay.

Şek. Şekil 6, bir elektrik alanına yerleştirilmiş bir yarı iletkeni göstermektedir. Şeklin sol tarafında deliğin başlangıç ​​konumu yer almaktadır.

Pirinç. 6. Elektrik alanındaki bir deliğin hareketi

Delik nereye gidecek? Açıktır ki, en olası sekmeler "elektron > delik" yönündedir. aykırı alan çizgileri (yani alanı oluşturan "artılara"). Bu sıçramalardan biri şeklin orta kısmında gösterilmektedir: elektron sola sıçrayarak boşluğu doldurur ve buna göre delik sağa kaydırılır. Bir elektrik alanının neden olduğu bir elektronun bir sonraki olası sıçraması, şeklin sağ tarafında gösterilmiştir; bu sıçramanın bir sonucu olarak, delik daha da sağda bulunan yeni bir yer aldı.

Deliğin bir bütün olarak hareket ettiğini görüyoruz. karşı alan çizgileri - yani, pozitif yüklerin hareket etmesi gereken yer. Bir deliğin alan boyunca yönlendirilmiş hareketinin, ağırlıklı olarak alana karşı yönde meydana gelen değerlik elektronlarının atomdan atoma sıçramasından kaynaklandığını bir kez daha vurguluyoruz.

Bu nedenle, bir silikon kristalinde iki tür yük taşıyıcı vardır: serbest elektronlar ve delikler. Harici bir elektrik alanı uygulandığında, sıralı karşı hareketlerinden kaynaklanan bir elektrik akımı ortaya çıkar: serbest elektronlar alan kuvveti vektörünün tersine hareket eder ve delikler vektör yönünde hareket eder.

Serbest elektronların hareketinden dolayı akımın oluşmasına denir. elektronik iletkenlik, veya n-tipi iletkenlik. Deliklerin düzenli hareket etme süreci denir delik iletkenliği,veya p tipi iletkenlik(Latince negativus (negatif) ve positivus (pozitif) kelimelerinin ilk harflerinden). Her iki iletkenlik - elektron ve boşluk - birlikte denir kendi iletkenliği yarı iletken.

Bir elektronun kopmuş bir kovalent bağdan her ayrılışı, bir "serbest elektron deliği" çifti oluşturur. Bu nedenle, saf bir silikon kristalindeki serbest elektronların konsantrasyonu, deliklerin konsantrasyonuna eşittir. Buna göre, kristal ısıtıldığında, sadece serbest elektronların değil, deliklerin de konsantrasyonu artar, bu da hem elektronik hem de delik iletkenliğindeki artış nedeniyle yarı iletkenin içsel iletkenliğinde bir artışa yol açar.

"Serbest elektron deliği" çiftlerinin oluşumuyla birlikte, ters işlem de gerçekleşir: rekombinasyon serbest elektronlar ve boşluklar. Yani, bir delikle buluşan serbest bir elektron bu boşluğu doldurur, kopan kovalent bağı eski haline getirir ve bir değerlik elektronuna dönüşür. Böylece, bir yarı iletkende, dinamik denge: kovalent bağların ortalama kopma sayısı ve birim zamanda ortaya çıkan elektron-boşluk çiftleri, yeniden birleşen elektronların ve deliklerin ortalama sayısına eşittir. Bu dinamik denge durumu, belirli koşullar altında bir yarı iletkendeki serbest elektronların ve deliklerin denge konsantrasyonunu belirler.

Dış koşullardaki bir değişiklik, dinamik denge durumunu bir yönde veya başka bir yönde kaydırır. Yük taşıyıcıların konsantrasyonunun denge değeri bu durumda doğal olarak değişir. Örneğin, bir yarı iletken ısıtıldığında veya aydınlatıldığında serbest elektronların ve deliklerin sayısı artar.

Oda sıcaklığında, silikondaki serbest elektronların ve deliklerin konsantrasyonu yaklaşık olarak cm'ye eşittir Silikon atomlarının konsantrasyonu yaklaşık cm'dir, başka bir deyişle, silikon atomu başına yalnızca bir serbest elektron vardır! Bu çok az. Örneğin metallerde, serbest elektronların konsantrasyonu yaklaşık olarak atomların konsantrasyonuna eşittir. Sırasıyla, silikon ve diğer yarı iletkenlerin içsel iletkenliği normal koşullar metallerin iletkenliğine kıyasla küçük.

safsızlık iletkenliği

Yarı iletkenlerin en önemli özelliği, özdirençlerinin çok az miktarda safsızlık bile katarak birkaç büyüklük mertebesinde azaltılabilmesidir. Kendi iletkenliğine ek olarak, bir yarı iletkenin baskın bir özelliği vardır. kirlilik iletkenliği. Yarı iletken cihazların bilim ve teknolojide bu kadar geniş bir uygulama alanı bulmasının nedeni budur.
Örneğin, silikon eriyiğine biraz beş değerli arsenik eklendiğini varsayalım. Eriyiğin kristalleşmesinden sonra, arsenik atomlarının oluşan silisyum kristal kafesin bazı yerlerinde yer tuttuğu ortaya çıkar.

Bir arsenik atomunun dış elektronik seviyesi beş elektrona sahiptir. Dördü en yakın komşularla kovalent bağlar oluşturur - silikon atomları (Şekil 7). Bu bağlarda bulunmayan beşinci elektronun kaderi nedir?

Pirinç. 7. N tipi yarı iletken

Ve beşinci elektron serbest kalır! Gerçek şu ki, bu "ekstra" elektronun bir silikon kristalinde bulunan bir arsenik atomu ile bağlanma enerjisi, değerlik elektronlarının silikon atomları ile bağlanma enerjisinden çok daha azdır. Bu nedenle, zaten oda sıcaklığında, termal hareketin bir sonucu olarak hemen hemen tüm arsenik atomları, beşinci bir elektron olmadan kalır ve pozitif iyonlara dönüşür. Ve sırasıyla silikon kristali, arsenik atomlarından kopmuş serbest elektronlarla doludur.

Bir kristalin serbest elektronlarla doldurulması bizim için yeni bir şey değil: Bunu yukarıda ısıtıldığında gördük. temiz silikon (herhangi bir safsızlık olmadan). Ancak şimdi durum temelde farklı: arsenik atomundan ayrılan serbest bir elektronun görünümüne, hareketli bir deliğin görünümü eşlik etmez. Neden? Sebep aynıdır - değerlik elektronlarının silikon atomlarıyla bağı, beşinci boşluktaki arsenik atomundan çok daha güçlüdür, bu nedenle komşu silikon atomlarının elektronları bu boşluğu doldurma eğiliminde değildir. Böylece boşluk yerinde kalır, arsenik atomuna "donmuş" gibidir ve akımın oluşumuna katılmaz.

Böylece, pentavalent arsenik atomlarının silikon kristal kafese sokulması elektronik iletkenlik yaratır, ancak delik iletkenliğinin simetrik görünümüne yol açmaz. Akımın yaratılmasındaki ana rol artık serbest elektronlara aittir ve bu durumda bunlara ana taşıyıcılarşarj.

İçsel iletim mekanizması, elbette, bir kirlilik varlığında bile çalışmaya devam eder: kovalent bağlar, termal hareket nedeniyle hala kopmakta, serbest elektronlar ve delikler üretmektedir. Ama şimdi serbest elektronlardan çok daha az boşluk var. çok sayıda arsenik atomları tarafından sağlanır. Bu nedenle, bu durumda delikler olacak azınlık taşıyıcılarışarj.

Atomları eşit sayıda hareketli delik görünümü olmadan serbest elektron veren safsızlıklara denir. donör. Örneğin, beş değerlikli arsenik donör safsızlığıdır. Yarı iletkende bir donör safsızlığının varlığında, serbest elektronlar ana yük taşıyıcılarıdır ve delikler küçük olanlardır; başka bir deyişle, serbest elektronların konsantrasyonu, deliklerin konsantrasyonundan çok daha yüksektir. Bu nedenle, donör safsızlıkları olan yarı iletkenler denir. elektronik yarı iletkenler, veya n tipi yarı iletkenler(ya da sadece n-yarı iletkenler).

Ve ilginç bir şekilde, bir n-yarı iletkendeki serbest elektronların konsantrasyonu deliklerin konsantrasyonunu ne kadar aşabilir? Basit bir hesap yapalım.

Safsızlığın , yani bin silikon atomu başına bir arsenik atomu olduğunu varsayalım. Hatırladığımız gibi silikon atomlarının konsantrasyonu cm mertebesindedir.

Sırasıyla arsenik atomlarının konsantrasyonu bin kat daha az olacaktır: cm Safsızlık tarafından bağışlanan serbest elektronların konsantrasyonu da aynı olacaktır - sonuçta, her arsenik atomu bir elektron verir. Ve şimdi oda sıcaklığında silisyum kovalent bağları kırıldığında ortaya çıkan elektron-boşluk çiftlerinin konsantrasyonunun yaklaşık olarak cm'ye eşit olduğunu hatırlayalım, farkı hissediyor musunuz? Bu durumda serbest elektronların konsantrasyonu, deliklerin konsantrasyonundan büyüklük sırasına göre, yani bir milyar kat daha fazladır! Buna göre, bir silikon yarı iletkenin özdirenci, bu kadar az miktarda safsızlık eklendiğinde bir milyar kat azalır.

Yukarıdaki hesaplama, n-tipi yarı iletkenlerde asıl rolün gerçekten de elektronik iletkenlik tarafından oynandığını göstermektedir. Serbest elektron sayısındaki böylesine muazzam bir üstünlüğün arka planına karşı, deliklerin hareketinin toplam iletkenliğe katkısı ihmal edilebilecek kadar küçüktür.

Aksine, delik iletkenliği ağırlıklı bir yarı iletken oluşturmak mümkündür. Bu, bir silikon kristaline - örneğin indiyum - üç değerlikli bir safsızlık sokulursa gerçekleşir. Böyle bir uygulamanın sonucu Şekil l'de gösterilmektedir. 8.

Pirinç. 8. p tipi yarı iletken

Bu durumda ne olur? İndiyum atomunun dış elektronik seviyesi, çevreleyen üç silikon atomuyla kovalent bağlar oluşturan üç elektrona sahiptir. Dördüncü komşu silikon atomu için, indiyum atomunun artık yeterli elektronu yoktur ve bu yerde bir delik belirir.

Ve bu delik basit değil, özeldir - çok yüksek bir bağlanma enerjisiyle. Komşu bir silikon atomundan bir elektron ona girdiğinde, içinde "sonsuza kadar sıkışıp kalacaktır" çünkü bir elektronun bir indiyum atomuna olan çekimi silikon atomlarından daha fazladır. İndiyum atomu negatif bir iyona dönüşecek ve elektronun geldiği yerde bir delik görünecektir - ancak şimdi silikon kristal kafesinde kırık bir kovalent bağ şeklinde sıradan bir hareketli delik görünecektir. Bu delik, değerlik elektronlarının bir silikon atomundan diğerine "röle" aktarımı nedeniyle olağan şekilde kristalin etrafında dolaşmaya başlayacaktır.

Ve böylece, indiyumun her safsızlık atomu bir delik oluşturur, ancak serbest bir elektronun simetrik görünümüne yol açmaz. Atomları elektronları "sıkıca" yakalayan ve böylece kristalde hareketli bir delik oluşturan bu tür safsızlıklara denir. akseptör.

Üç değerlikli indiyum, bir alıcı safsızlığının bir örneğidir.

Bir saf silikon kristaline bir alıcı safsızlık eklenirse, safsızlık tarafından üretilen deliklerin sayısı, silikon atomları arasındaki kovalent bağların kırılması nedeniyle ortaya çıkan serbest elektronların sayısından çok daha fazla olacaktır. Alıcı katkılı bir yarı iletken delik yarı iletken, veya p tipi yarı iletken(ya da sadece p-yarı iletken).

Delikler, bir p-yarı iletkende akım üretilmesinde önemli bir rol oynar; delikler - büyük şarj taşıyıcıları. Serbest elektronlar - küçük taşıyıcılar bir p-yarı iletkende şarj. Bu durumda serbest elektronların hareketi önemli bir katkı sağlamaz: elektrik akımı öncelikle boşluk iletimi ile sağlanır.

Pn kavşağı

İki yarı iletkenin temas noktası çeşitli tipler iletkenlik (elektronik ve delik) denir elektron deliği geçişi, veya Pn kavşağı. p-n kavşağı bölgesinde ilginç ve çok önemli bir olgu ortaya çıkar - tek yönlü iletim.

Şek. Şekil 9, p- ve n-tipi bölgelerin temasını göstermektedir; renkli daireler, ilgili bölgelerde çoğunluk (veya küçük) yük taşıyıcıları olan delikler ve serbest elektronlardır.

Pirinç. 9. Engelleme katmanı p – n bağlantısı

Termal hareket gerçekleştirerek, yük taşıyıcılar bölgeler arasındaki arayüzden nüfuz eder.

Serbest elektronlar n-bölgesinden p-bölgesine geçer ve orada deliklerle yeniden birleşir; delikler p bölgesinden n bölgesine yayılır ve orada elektronlarla yeniden birleşir.

Bu işlemlerin bir sonucu olarak, donör safsızlığının pozitif iyonlarının telafi edilmemiş bir yükü, elektronik yarı iletkende temas sınırına yakın bir yerde kalırken, delikli yarı iletkende (sınırın yakınında), alıcı safsızlık iyonlarının telafi edilmemiş bir negatif yükü ortaya çıkar. . Bu telafi edilmemiş alan ücretleri sözde oluşturur bariyer tabakası, iç elektrik alanı serbest elektronların ve deliklerin temas sınırından daha fazla yayılmasını önler.

Şimdi kaynağın "artı"sını n-yarı iletkene ve "eksi"yi p-yarı iletkene uygulayarak yarı iletken elemanımıza bir akım kaynağı bağlayalım (Şekil 10).

Pirinç. 10. Dahil olma ters yön: akım yok

Dış elektrik alanın, çoğunluk yük taşıyıcılarını temas sınırından uzağa götürdüğünü görüyoruz. Bariyer tabakasının genişliği artar ve elektrik alanı artar. Bariyer tabakasının direnci yüksektir ve ana taşıyıcılar p-n birleşimini aşamazlar. Elektrik alan, yalnızca azınlık taşıyıcıların sınırı geçmesine izin verir, ancak azınlık taşıyıcıların çok düşük konsantrasyonu nedeniyle, oluşturdukları akım ihmal edilebilir düzeydedir.

Düşünülen şema denir p – n bağlantısını ters yönde açmak. Ana taşıyıcıların elektrik akımı yoktur; sadece ihmal edilebilir bir azınlık taşıyıcı akımı vardır. Bu durumda p-n bağlantısı kapalıdır.

Şimdi bağlantının polaritesini değiştirelim ve p-yarı iletkene "artı" ve n-yarı iletkene "eksi" uygulayalım (Şekil 11). Bu şema denir ileri yönde geçiş.

Pirinç. 11. İleri anahtarlama: akım akar

Bu durumda, dış elektrik alan engelleme alanına karşı yönlendirilir ve ana taşıyıcılar için p-n bağlantısı yoluyla yol açar. Bariyer tabakası incelir, direnci azalır.

Serbest elektronların n-bölgesinden p-bölgesine bir kütle hareketi vardır ve boşluklar da p-bölgesinden n-bölgesine birlikte koşar.

Devrede, ana yük taşıyıcıların hareketinden kaynaklanan bir akım ortaya çıkar (Ancak şimdi, elektrik alanı azınlık taşıyıcıların akımını engeller, ancak bu ihmal edilebilir faktörün genel iletkenlik üzerinde gözle görülür bir etkisi yoktur).

p – n bağlantısının tek taraflı iletimi şu durumlarda kullanılır: yarı iletken diyotlar. Diyot, akımı yalnızca bir yönde ileten bir cihazdır; ters yönde diyottan akım geçmez (diyotun kapalı olduğu söylenir). Diyotun şematik bir gösterimi, Şek. 12.

Pirinç. 12. diyot

Bu durumda, diyot soldan sağa doğru açıktır: yükler ok boyunca akıyor gibi görünür (şekle bakın?). Sağdan sola yönde, yükler duvara yaslanmış gibi görünüyor - diyot kapalı.

Yarı iletkenlerin özellikleri - kehribarın yünle ovuşturulduktan sonra küçük nesneleri kendine çekme özelliği çok uzun zaman önce fark edildi. Ancak süreksiz ve geçici olan elektriksel fenomenler, zaman içinde daha kararlı olan manyetik fenomenler tarafından uzun süredir gölgede bırakılmıştır.

17. ve 18. yüzyıllarda elektrik deneyleri yaygınlaştı ve bir dizi yeni keşif yapıldı. 1729'da İngiliz Stephen Gray, tüm maddelerin 2 sınıfa ayrıldığını keşfetti: elektrik yükü taşıyamayan yalıtkanlar (sürtünmeyle elektriklenebildikleri için "elektrik cisimleri" olarak adlandırılır) ve yük taşıyabilen iletkenler ("olmayan" olarak adlandırılır). -elektrik gövdeleri").

Maddelerin elektriksel özellikleri hakkında modern fikirler

Daha fazla fikrin geliştirilmesiyle, maddelerin elektrik akımını iletme özellikleri nicel olarak - metre başına siemens (S/m) cinsinden ölçülen elektriksel iletkenlik değeri ile karakterize edilmeye başlandı. Oda sıcaklığında iletkenlerin iletkenliği 10 6 ila 10 8 S/m aralığındadır ve dielektrikler (yalıtkanlar) için 10 -8 S/m'den azdır.

İletkenlik açısından ara bir konuma sahip olan maddeler, mantıksal olarak yarı iletkenler veya yarı yalıtkanlar olarak adlandırılabilir. İlk isim tarihsel olarak sabitlendi. Yarı iletkenlerin iletkenliği 10 -8 ila 10 6 S/m aralığındadır. Bu 3 tür madde arasında keskin sınırlar yoktur, niteliksel farklılıklar niceliksel özelliklerin farklılığına göre belirlenir.

Katı bir cisimdeki bir elektronun keyfi bir enerjisi olamayacağı, bu enerjinin ancak enerji seviyeleri denilen belirli değerleri alabileceği fizikten bilinmektedir. Bir atomdaki bir elektron çekirdeğe ne kadar yakınsa, enerjisi o kadar düşük olur. En uzak elektron en yüksek enerjiye sahiptir. Elektrikte ve kimyasal süreçler sadece atomun dış kabuğunun elektronları katılır (sözde değerlik bandının elektronları).

Değerlik bandının elektronlarından daha yüksek enerjiye sahip elektronlar, iletim bandının elektronlarına aittir. Bu elektronlar tek tek atomlara bağlı değildir ve vücut içinde rastgele hareket ederek iletim sağlarlar.

İletim bandına bir elektron bağışlayan bir maddenin atomları, pozitif yüklü iyonlar olarak kabul edilir, hareketsizdirler ve içinde iletken elektronların hareket ettiği bir maddenin kristal kafesini oluştururlar. İletkenlerde (metallerde), iletim bandı değerlik bandına bitişiktir ve parazitsiz her metal atomu, metallere elektriksel iletkenlik özelliği sağlayan iletim bandına bir veya daha fazla elektron verir.

Yarı iletkenlerin özellikleri bant aralığı ile belirlenir

Yarı iletkenlerde ve dielektriklerde, valans bandı ile iletim bandı arasında sözde bir bant vardır. yasak bölge. Elektronlar bu banttaki seviyelerin enerjisine karşılık gelen bir enerjiye sahip olamazlar. Maddeler, bant aralığına bağlı olarak dielektrikler ve yarı iletkenler olarak ayrılır. Birkaç elektron voltluk (eV) bir bant aralığı ile, değerlik bandındaki elektronların bu maddeleri iletken olmayan hale getiren iletim bandına girme şansı çok azdır. Örneğin, elmasın bant aralığı 5.6 eV'dir. Ancak sıcaklık yükseldikçe valans bandındaki elektronların enerjileri artar ve bir kısmı dielektriklerin yalıtkanlık özelliklerini kötüleştiren iletim bandına girer.

Öte yandan, bant aralığı bir elektron volt mertebesindeyse, madde zaten oda sıcaklığında kayda değer bir iletkenlik kazanır ve artan sıcaklıkla daha da iletken hale gelir. Bu tür maddeleri yarı iletken olarak adlandırırız ve yarı iletkenlerin özellikleri bant aralığı ile belirlenir.

Oda sıcaklığında, yarı iletkenlerdeki bant aralığı 2,5-3 eV'den azdır. Örnek olarak, germanyumun bant aralığı 0,72 eV ve silikonunki 1,12 eV'dir. Geniş aralıklı yarı iletkenler, bant aralığı 2 eV'den fazla olan yarı iletkenleri içerir. Genel olarak, bir yarı iletkenin bant aralığı ne kadar yüksekse, erime noktası da o kadar yüksektir. Bu nedenle, germanyum için erime noktası 936 ° C ve silikon için 1414 ° C'dir.

İki tür yarı iletken iletkenlik - elektronik ve delik

Mutlak sıfır sıcaklığında (-273 ° C), saf bir yarı iletkende (iç yarı iletken veya yarı iletken Ben-tip) tüm elektronlar atomların bileşimindedir ve yarı iletken bir dielektriktir. Sıcaklık arttıkça değerlik bandındaki elektronların bir kısmı iletim bandına düşer ve elektronik iletim gerçekleşir. Ancak bir atom bir elektron kaybettiğinde, pozitif yüklü hale gelir.

Bir elektrik alanın etkisi altında hareket etmek için, bir atomun içinde bir yer işgal etmesi kristal kafes, yapamaz, ancak değerlik bandında bir "deliği" doldurarak komşu bir atomdan bir elektron çekebilir. Elektron kaybeden atom da dış kabukta oluşan “deliği” doldurmak için fırsat kollayacaktır. Delik her şeye ve pozitif yükün özelliklerine sahiptir ve yarı iletkende 2 tür taşıyıcı olduğunu varsayabiliriz - negatif yüklü elektronlar ve pozitif yüklü delikler.

İletim elektronları, değerlik bandında boş yerleri işgal edebilir, yani. deliklerle bağlayın. Böyle bir sürece rekombinasyon denir ve taşıyıcıların üretimi ve rekombinasyonu belirli bir sıcaklıkta aynı anda gerçekleştiğinden, taşıyıcı çiftlerinin sayısı dinamik bir denge durumundadır - ortaya çıkan çiftlerin sayısı, yeniden birleşenlerin sayısıyla karşılaştırılır. .

Bir yarı iletkenin içsel iletkenliği Ben-tip, elektronlar deliklerden daha hareketli olduğundan, elektron iletimi baskın olan elektron ve boşluk iletiminden oluşur. Metallerin veya yarı iletkenlerin özgül elektrik iletkenliği, 1 cu'daki yük taşıyıcı sayısına bağlıdır. cm veya elektronların ve deliklerin konsantrasyonu üzerine.

1 cu'daki atom sayısı ise. cm 10 22 mertebesindeki maddeler, daha sonra metallerde oda sıcaklığında iletim elektronlarının sayısı atom sayısından az değildir, yani. ayrıca 10 22 mertebesindeyken, saf germanyumda yük taşıyıcıların konsantrasyonu 10 13 cm -3 ve silikonda 10 10 cm -3 mertebesindedir, bu bir metalinkinden çok daha azdır, bu yüzden yarı iletkenlerin iletkenliği metallerinkinden milyonlarca ve milyarlarca kez daha kötüdür.

Her şey safsızlıklarla ilgili

Bir yarı iletkene voltaj uygulandığında, içinde oluşan elektrik alanı elektronları ve delikleri hızlandırır, hareketleri düzenli hale gelir ve bir elektrik akımı ortaya çıkar - iletim akımı. Yarı iletkenlerde içsel iletkenliğe ek olarak, adından da anlaşılacağı gibi, yarı iletkendeki safsızlıkların varlığından kaynaklanan safsızlık iletkenliği de vardır.

4 değerlikli germanyuma önemsiz miktarda beş değerli antimon, arsenik veya fosfor eklenirse, safsızlık atomları germanyum atomlarıyla bağlanmak için 4 elektron kullanır ve beşincisi, yarı iletkenin iletkenliğini önemli ölçüde artıran iletim bandında olacaktır. Atomları elektron veren safsızlıklara donör denir. Bu tür yarı iletkenlerde elektronik iletkenlik baskın olduğu için yarı iletkenler olarak adlandırılırlar. N-type (İngilizce kelimeden olumsuz- olumsuz). Tüm verici atomların iletkenlik bandına bir elektron bağışlayabilmesi için, verici atomların enerji bandının yarı iletkenin iletkenlik bandına mümkün olduğunca yakın, biraz altında olması gerekir.

4 değerlikli germanyuma 3 değerlikli bor, indiyum veya alüminyum safsızlığı eklendiğinde, safsızlık atomları germanyum atomlarından elektronları alır ve germanyum delik iletkenliği kazanır, yarı iletken hale gelir P-type (İngilizce kelimeden pozitif- pozitif). Delik iletkenliği oluşturan safsızlıklara alıcı denir.

Alıcıların elektronları kolayca yakalayabilmeleri için, alıcı atomların enerji seviyelerinin, yarı iletkenin hemen üzerinde bulunan değerlik bandı seviyelerine bitişik olması gerekir.

Verici veya alıcı atomların konsantrasyonu, içsel taşıyıcıların konsantrasyonunu önemli ölçüde aştığından, safsızlık iletkenliği genellikle içsel iletkenliği önemli ölçüde aşar. Kesin olarak dozlanmış bir safsızlık miktarına sahip bir yarı iletken elde etmek çok zordur ve ilk yarı iletken de çok saf olmalıdır. Bu nedenle, germanyum için, 10 milyar germanyum atomu başına birden fazla yabancı safsızlık atomuna (yani ne donör ne de alıcı) izin verilir ve silikon için saflık gereksinimleri 1000 kat daha fazladır.

Metal-yarı iletken bağlantısı

Yarı iletken cihazlarda, yarı iletkenden metale kontakların kullanılması gerekli hale gelir. Bir madde (metal veya yarı iletken), bir elektronun maddeyi terk etmesi için gereken enerji - iş fonksiyonu ile karakterize edilir. A m metalinden ve A p yarı iletkenden iş fonksiyonunu gösterelim.

Ohmik kontaklar

Ohmik bir kontak oluşturmak gerekiyorsa (yani, uygulanan voltajın herhangi bir polaritesi için temas direnci düşük olduğunda doğrultmayan), aşağıdaki koşullar oluşturulduğunda metalin yarı iletken ile temasını sağlamak yeterlidir. :

• n-yarı iletken ile temas halinde: A m< A п;
• Bir p-yarı iletken ile temas halinde: A m > A p .

Yarı iletkenlerin bu tür özellikleri, çoğunluk taşıyıcılarının, yarı iletkenin düşük direncini sağlayan sınır tabakasında birikmesi gerçeğiyle açıklanmaktadır. Çoğunluk taşıyıcılarının birikmesi, elektronların her zaman daha düşük iş fonksiyonlu bir maddeden daha yüksek iş fonksiyonlu bir maddeye geçmesi gerçeğiyle sağlanır.

Kişileri düzeltme

Ama eğer bir yarı iletken ile N-tipi metal A m > Ap ile temas halinde ise elektronlar yarı iletkenden metale geçer ve sınır tabakasında iletkenliği düşük bazik taşıyıcılarda tükenmiş bir bölge oluşur. Oluşturulan bariyeri aşmak için kontağa belirli bir polaritede ve yeterli büyüklükte bir voltaj uygulamak gerekir. Ters polarite uygulandığında, kontağın iletkenliği daha da bozulacaktır - böyle bir kontak doğrultucu özelliklere sahiptir. Bir metalin bir yarı iletken ile temasının tek taraflı yarı iletkenlere benzer özelliklere sahip olduğunu görmek kolaydır. P-A m'de yazın< A п.

Yarı iletken dedektörün tarihçesi

Metal-yarı iletken yarı iletkenlerin benzer özellikleri, 1874'te Alman fizikçi Ferdinand Braun tarafından keşfedildi. Metal-yarı iletken temasına dayalı ilk diyotlar, 1900'lerde, bir galen kristalinin (kurşun sülfit) yüzeyine bastırılan bir tungsten telden oluşan dedektörlerin radyo alıcılarında kullanılmaya başlanmasıyla ortaya çıktı. Radyo amatörleri kurşunu sülfürle karıştırarak kendi dedektörlerini yaptılar.

1906'da Fransız bilim adamı G. Picard, bir silikon kristalinden ve uçlu bir spiral temas yayından bir dedektör tasarladı ve bunun için bir patent aldı. Metal-yarı iletken kontağına dayalı elektronik cihazlara, bu tür kontakları inceleyen Alman fizikçi Walter Schottky'den sonra Schottky diyotları denir.

1926'da, güç ünitelerinde yaygın olarak kullanılan, bir bakır oksit tabakası uygulanmış bir bakır levha olan güçlü bakır doğrultucu elemanlar ortaya çıktı.

Elektron deliği geçişi

Elektron deliği geçişi veya np Bağlantı, iki yarı iletkenin sınırındaki bir bölgedir. farklı tip iletkenlik ve yarı iletken cihazların çalışması, bu tür geçişlerin özelliklerinin kullanılmasına dayanır. Kavşağa uygulanan bir voltajın yokluğunda, yük taşıyıcıları, yarı iletkenin dışında, daha yüksek konsantrasyonlu bölgelerden daha düşük konsantrasyonlu bölgelere hareket eder. N-tipten yarı iletkene P-tipi elektronlar hareket eder ve delikler ters yönde hareket eder.

Bu hareketler sonucunda ara yüzün her iki yanında boşluk yüklü bölgeler belirir ve bu bölgeler arasında bir temas potansiyeli farkı oluşur. Bu potansiyel fark, taşıyıcıların bariyerden daha fazla geçişini önleyen potansiyel bir bariyer oluşturur. Bariyerin yüksekliği (temas potansiyeli farkı) safsızlıkların konsantrasyonuna bağlıdır ve germanyum için genellikle 0,3-0,4 V'dir ve 0,7 V'a kadar çıkar. Kararlı durumda, bağlantı noktasından akım geçmez, çünkü pn-eklem yarı iletkenlerin diğer alanlarına göre yüksek bir dirence sahiptir ve ortaya çıkan katmana blokaj denir.

Eğer np-dış voltaj uygulamak için geçiş, ardından polaritesine bağlı olarak geçiş farklı davranacaktır.

Doğru akım bağlantı noktasından akış

Eğer bir yarı iletkene P gerilim kaynağına bir "artı" uygulamak için yazın, ardından kaynağın oluşturduğu alan temas potansiyel farkının alanına zıt hareket eder, toplam alan azalır, potansiyel engelin yüksekliği azalır ve daha fazla taşıyıcı bunun üstesinden gelir. Geçiş boyunca doğru akım adı verilen bir akım akmaya başlar. Aynı zamanda koruyucu tabakanın kalınlığı azalır ve elektrik direnci.

Önemli bir ileri akım oluşturmak için, uygulanan bir voltajın yokluğunda bağlantı noktasına bariyer yüksekliğiyle karşılaştırılabilir bir voltaj uygulamak yeterlidir, yani bir voltun onda biri olarak ve daha da yüksek bir voltajda, bariyer tabakasının direnci sıfıra yakın olacaktır.

Dönüş akımı bağlantı noktasından akış

Harici voltaj "ters" ise, yani eklemek P-yarı iletken "eksi" voltaj kaynağı, harici voltaj alanı kontak potansiyel farkı alanına eklenecektir. Potansiyel bariyerin yüksekliği artar, bu da çoğunluk taşıyıcıların bağlantı noktasından yayılmasını zorlaştırır ve bağlantı noktasından "ters" olarak adlandırılan akım küçük olacaktır. Bariyer tabakası kalınlaşır, elektrik direnci artar.

Elektron deliği bağlantılarının doğrultma özellikleri, farklı güç ve amaçlara sahip diyotlarda kullanılır - güç kaynaklarındaki alternatif akımı ve çeşitli amaçlar için cihazlardaki zayıf sinyalleri düzeltmek için.

Yarı İletkenlerin Özelliğinin Diğer Uygulamaları

Ters voltajlı bir elektron deliği bağlantısı, birimlerden yüzlerce pikofarata kadar kapasiteye sahip yüklü bir elektrik kondansatörüne benzer şekilde davranır. Bu kapasitans, bağlantı noktasına uygulanan gerilime bağlıdır ve bu, bazı tür yarı iletken cihazların uygulanan gerilim tarafından kontrol edilen değişken kapasitörler olarak kullanılmasına izin verir.

Özellikler np-geçişler ayrıca önemli ölçüde ortamın sıcaklığına bağlıdır, bu da uygulamayı mümkün kılar belirli türler sıcaklık sensörleri olarak yarı iletken cihazlar. Farklı iletkenliğe sahip üç alana sahip cihazlar, örneğin n-p-n, elektrik sinyallerini ve bunların üretimini yükseltme özelliklerine sahip cihazlar oluşturmanıza olanak tanır.