في أشباه الموصلات ، هذه هي الحركة الموجهة للثقوب والإلكترونات ، والتي تتأثر بالمجال الكهربائي.

نتيجة للتجارب لوحظ أن التيار الكهربائي في أشباه الموصلات غير مصحوب بنقل المادة - فهي لا تخضع لأي مادة. التغيرات الكيميائية. وبالتالي ، يمكن اعتبار الإلكترونات ناقلات حالية في أشباه الموصلات.

يمكن تحديد قدرة المادة على تكوين تيار كهربائي فيها ، ووفقًا لهذا المؤشر ، تحتل الموصلات موقعًا وسيطًا بين الموصلات والعوازل الكهربائية. أشباه الموصلات هي أنواع مختلفة من المعادن وبعض المعادن وكبريتيدات المعادن وما إلى ذلك. كهرباءتنشأ في أشباه الموصلات بسبب تركيز الإلكترونات الحرة ، والتي يمكن أن تتحرك في اتجاه في مادة ما. عند مقارنة المعادن والموصلات ، يمكن ملاحظة أن هناك فرقًا بين تأثير درجة الحرارة على الموصلية. تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى انخفاض مؤشر التوصيل في أشباه الموصلات. إذا زادت درجة الحرارة في أشباه الموصلات ، فإن حركة الإلكترونات الحرة ستكون أكثر فوضوية. هذا بسبب الزيادة في عدد الاصطدامات. ومع ذلك ، في أشباه الموصلات ، بالمقارنة مع المعادن ، يزداد تركيز الإلكترونات الحرة بشكل كبير. هذه العوامل لها تأثير معاكس على الموصلية: كلما زاد عدد الاصطدامات ، كلما قلت الموصلية ، كلما زاد التركيز ، زاد ارتفاعه. في المعادن ، لا توجد علاقة بين درجة الحرارة وتركيز الإلكترونات الحرة ، لذلك مع تغير الموصلية مع زيادة درجة الحرارة ، تقل إمكانية الحركة المنظمة للإلكترونات الحرة فقط. فيما يتعلق بأشباه الموصلات ، يكون تأثير زيادة التركيز أعلى. وبالتالي ، كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت الموصلية.

هناك علاقة بين حركة ناقلات الشحنة ومفهوم مثل التيار الكهربائي في أشباه الموصلات. في أشباه الموصلات ، يتميز ظهور ناقلات الشحنة بعوامل مختلفة ، من بينها درجة حرارة ونقاء المادة ذات أهمية خاصة. حسب النقاء ، تنقسم أشباه الموصلات إلى شوائب وجوهرية.

بالنسبة للموصل الداخلي ، لا يمكن اعتبار تأثير الشوائب عند درجة حرارة معينة مهمًا بالنسبة لهم. نظرًا لأن فجوة النطاق في أشباه الموصلات صغيرة ، في أشباه الموصلات الجوهرية ، عندما تصل درجة الحرارة ، فإن نطاق التكافؤ ممتلئ بالكامل بالإلكترونات. لكن شريط التوصيل مجاني تمامًا: لا يوجد فيه موصلية كهربائية ، ويعمل كعزل كهربائي مثالي. في درجات حرارة أخرى ، هناك احتمال أنه أثناء التقلبات الحرارية يمكن لبعض الإلكترونات التغلب على الحاجز المحتمل وتجد نفسها في نطاق التوصيل.

تأثير طومسون

مبدأ تأثير طومسون الكهروحراري: عندما يمر تيار كهربائي في أشباه الموصلات التي يوجد على طولها تدرج في درجة الحرارة ، بالإضافة إلى حرارة جول ، يتم إطلاق أو امتصاص كميات إضافية من الحرارة فيها ، اعتمادًا على الاتجاه الذي فيه التيار يطفو.

يؤثر التسخين غير المنتظم بشكل كافٍ لعينة ذات بنية متجانسة على خصائصها ، ونتيجة لذلك تصبح المادة غير متجانسة. وبالتالي ، فإن ظاهرة طومسون هي ظاهرة بلتية محددة. الاختلاف الوحيد هو أن مختلف التركيب الكيميائيالعينة ، ودرجة الحرارة غير العادية تسبب عدم التجانس هذا.

يريوتكين يفغيني سيرجيفيتش
مدرس الفيزياء من أعلى فئة مؤهلة ، المدرسة الثانوية №1360 ، موسكو

إذا قمت بإجراء اتصال مباشر ، فسيقوم الحقل الخارجي بتحييد حقل الحظر ، وسيتم إجراء التيار بواسطة ناقلات الشحن الرئيسية.

أرز. 9.تقاطع pn مع اتصال مباشر ()

في هذه الحالة ، فإن تيار ناقلات الأقلية لا يكاد يذكر ، فهو غير موجود عمليًا. لذلك ، يوفر تقاطع pn توصيلًا أحادي الاتجاه للتيار الكهربائي.

أرز. 10. التركيب الذري للسيليكون مع زيادة درجة الحرارة

توصيل أشباه الموصلات هو ثقب إلكتروني ، ويسمى هذا التوصيل التوصيل الجوهري. وعلى عكس المعادن الموصلة ، مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد عدد الشحنات المجانية فقط (في الحالة الأولى ، لا يتغير) ، وبالتالي تزداد موصلية أشباه الموصلات مع زيادة درجة الحرارة ، وتنخفض المقاومة

من القضايا المهمة جدًا في دراسة أشباه الموصلات وجود الشوائب فيها. وفي حالة وجود النجاسة يجب الحديث عن موصلية النجاسة.

أدى الحجم الصغير والجودة العالية جدًا للإشارات المرسلة إلى جعل أجهزة أشباه الموصلات شائعة جدًا في التكنولوجيا الإلكترونية الحديثة. قد يتضمن تكوين هذه الأجهزة ليس فقط السليكون المذكور أعلاه مع الشوائب ، ولكن أيضًا ، على سبيل المثال ، الجرمانيوم.

أحد هذه الأجهزة هو الصمام الثنائي - وهو جهاز يمكنه تمرير التيار في اتجاه واحد ويمنعه من المرور في الاتجاه الآخر. يتم الحصول عليها عن طريق زرع نوع آخر من أشباه الموصلات في بلورة أشباه الموصلات من النوع p أو n.

أرز. 11. تسمية الديود على الرسم التخطيطي والرسم البياني لجهازه على التوالي

جهاز آخر ، الآن بجهازين تقاطعات pnيسمى الترانزستور. إنه لا يعمل فقط على تحديد اتجاه التدفق الحالي ، ولكن أيضًا لتحويله.

أرز. 12. مخطط هيكل الترانزستور وتعيينه على الدائرة الكهربائية ، على التوالي ()

وتجدر الإشارة إلى أن الدوائر الدقيقة الحديثة تستخدم العديد من مجموعات الثنائيات والترانزستورات والأجهزة الكهربائية الأخرى.

في الدرس التالي ، سننظر في انتشار التيار الكهربائي في الفراغ.

1. تيخوميروفا إس إيه ، يافورسكي بي إم. الفيزياء ( مستوى أساسي من) م: Mnemosyne. 2012
2. جيندينشتاين إل إي ، ديك يو. الصف العاشر في الفيزياء. م: إليكسا. 2005
3. مياكيشيف ج يا ، سينياكوف أ.ز. ، سلوبودسكوف ب. الفيزياء. الديناميكا الكهربائية م: 2010

1. مبادئ تشغيل الأجهزة ().
2. موسوعة الفيزياء والتكنولوجيا ().

1. ما الذي يسبب توصيل الإلكترونات في أشباه الموصلات؟
2. ما هي الموصلية الجوهرية لأشباه الموصلات؟
3. كيف تعتمد موصلية أشباه الموصلات على درجة الحرارة؟
4. ما الفرق بين نجاسة المانح ونجاسة المتقبل؟
5. * ما هي موصلية السيليكون مع خليط من أ) الغاليوم ، ب) الإنديوم ، ج) الفوسفور ، د) الأنتيمون؟

التيار الكهربائي في أشباه الموصلات الغرض من الدرس: تكوين فكرة عن الحاملات الحرة للشحنة الكهربائية في أشباه الموصلات وطبيعة التيار الكهربائي في أشباه الموصلات. نوع الدرس: درس تعلم مادة جديدة. خطة الدرس تحقق المعرفة 5 دقائق. 1. التيار الكهربائي في المعادن. 2. التيار الكهربائي في المنحلات بالكهرباء. 3. قانون فاراداي للتحليل الكهربائي. 4. التيار الكهربائي في الغازات مظاهرة 5 دقائق. شظايا من فيلم فيديو "التيار الكهربائي في أشباه الموصلات" تعلم مادة جديدة 28 دقيقة. 1. ناقلات الشحنة في أشباه الموصلات. 2. الموصلية النجاسة لأشباه الموصلات. 3. انتقال ثقب الإلكترون. 4. الثنائيات شبه الموصلة والترانزستورات. 5. دارات متكاملة تدعيم المادة المدروسة 7 دقائق. 1. أسئلة نوعية. 2. تعلم حل المشكلات دراسة مادة جديدة 1. حمل الشحنات في أشباه الموصلات إن المقاومة النوعية لأشباه الموصلات في درجة حرارة الغرفة لها قيم تقع في نطاق واسع ، i. من 10-3 إلى 107 أوم م ، وتحتل موقعًا وسيطًا بين المعادن والعوازل الكهربائية. أشباه الموصلات هي المواد التي تقل مقاومتها بسرعة كبيرة مع زيادة درجة الحرارة. العديد من أشباه الموصلات العناصر الكيميائية(البورون ، السيليكون ، الجرمانيوم ، الفوسفور ، الزرنيخ ، السيلينيوم ، التيلوريوم ، إلخ) ، كمية كبيرةالمعادن والسبائك والمركبات الكيميائية. الكل تقريبا مواد غير عضويةالبيئة - أشباه الموصلات. يكفي درجات الحرارة المنخفضة وغياب التأثيرات الخارجية للإضاءة أو التسخين) لا تقوم أشباه الموصلات بتوصيل التيار الكهربائي: في ظل هذه الظروف ، تكون جميع الإلكترونات في أشباه الموصلات ملزمة. ومع ذلك ، فإن رابطة الإلكترونات مع ذراتها في أشباه الموصلات ليست قوية كما في المواد العازلة. وفي حالة ارتفاع درجة الحرارة ، وكذلك بالنسبة للإضاءة الساطعة ، تنفصل بعض الإلكترونات عن ذراتها وتصبح ذات شحنات مجانية ، أي يمكنها التحرك في جميع أنحاء العينة. نتيجة لذلك ، تظهر حاملات الشحنة السالبة في أشباه الموصلات - الإلكترونات الحرة. تسمى الإلكترونات بالإلكترون. عندما ينفصل إلكترون عن ذرة ، تصبح الشحنة الموجبة لتلك الذرة غير معوضة ، أي تظهر شحنة موجبة إضافية في هذا المكان ، وتسمى هذه الشحنة الموجبة "ثقب". يمكن للذرة التي تشكل الثقب بالقرب منها أن تأخذ إلكترونًا مرتبطًا من ذرة مجاورة ، بينما ينتقل الثقب إلى الذرة المجاورة ، وهذه الذرة ، بدورها ، يمكنها "نقل" الثقب إلى أبعد من ذلك. يمكن اعتبار حركة "العصا" للإلكترونات المقيدة على أنها حركة الثقوب ، أي الشحنات الموجبة. الموصلية لأشباه الموصلات بسبب الحركة (على سبيل المثال ، الشحنة. الموصلية لأشباه الموصلات بسبب حركة الثقوب تسمى الثقب.الفرق بين موصلية الثقب وبالتالي ، الموصلية الإلكترونية هي أن الموصلية الإلكترونية ترجع إلى حركة الحرة الإلكترونات في أشباه الموصلات ، وموصلية الثقب ناتجة عن حركة الإلكترونات المقيدة. في أشباه الموصلات النقية (بدون شوائب) ، ينتج التيار الكهربائي نفس عدد الإلكترونات الحرة والثقوب ، وتسمى هذه الموصلية الموصلية الجوهرية لأشباه الموصلات. • موصلية الشوائب لأشباه الموصلات إذا أضفت كمية صغيرة من الزرنيخ (حوالي 10-5٪) إلى السيليكون المصهور النقي ، بعد التصلب ، شبكة السيليكون البلورية العادية ، ولكن في بعض المواقع الشبكية ، بدلاً من ذرات السيليكون ، ستكون هناك ذرات الزرنيخ. الزرنيخ ، كما تعلم ، هو عنصر خماسي التكافؤ. تشكل الإلكترونات المتكافئة روابط إلكترونية مقترنة مع ذرات السيليكون المجاورة. لن يكون للإلكترون عدد روابط كافية ، بينما سيكون مرتبطًا بشكل ضعيف بذرة الزرنيخ ، والتي تصبح حرة بسهولة. نتيجة لذلك ، ستعطي كل ذرة شائبة إلكترونًا مجانيًا. الشوائب التي تتبرع ذراتها بالإلكترونات بسهولة تسمى شوائب المتبرع. يمكن أن تصبح الإلكترونات من ذرات السيليكون حرة ، وتشكل ثقبًا ، وبالتالي ، يمكن أن توجد الشوائب التي "تلتقط" إلكترونات الذرات في نفس الوقت في البلورة ، ويتم استدعاء الإلكترونات والثقوب الحرة. ومع ذلك ، سيكون هناك العديد من الإلكترونات الحرة أكثر من الثقوب. تسمى أشباه الموصلات التي تكون فيها الإلكترونات حاملات الشحنة من النوع n أشباه الموصلات. إذا تمت إضافة كمية صغيرة من الإنديوم ثلاثي التكافؤ إلى السيليكون ، فإن طبيعة موصلية أشباه الموصلات ستتغير. نظرًا لأن الإنديوم يحتوي على ثلاثة إلكترونات تكافؤ ، فيمكنه إنشاء رابطة تساهمية مع ثلاث ذرات متجاورة فقط. لا يكفي الإلكترون لتأسيس رابطة مع الذرة الرابعة. "يستعير" الإنديوم إلكترونًا من الذرات المجاورة ، ونتيجة لذلك ، تشكل كل ذرة من الهند مكانًا شاغرًا واحدًا - حفرة. شعرية الكريستالأشباه الموصلات ، متقبل. في حالة وجود شوائب متقبل ، تحتوي حاملات الشحنة الرئيسية على ثقوب أثناء مرور تيار كهربائي عبر أشباه الموصلات. تسمى أشباه الموصلات التي تكون فيها الثقوب هي حاملات الشحنة الأغلبية تسمى أشباه الموصلات من النوع p. تحتوي جميع أشباه الموصلات تقريبًا على شوائب مانحة وقابلة. يحدد نوع موصلية أشباه الموصلات الشوائب مع تركيز أعلى من ناقلات الشحنة - الإلكترونات والثقوب. 3. انتقال ثقب الإلكترون الخصائص الفيزيائيةالكامنة في أشباه الموصلات ، وخصائص التلامس (p-n-junction) بين أشباه الموصلات مع أنواع مختلفة التوصيل. في أشباه الموصلات من النوع n ، تشارك الإلكترونات في الحركة الحرارية وتنتشر عبر الحدود إلى أشباه الموصلات من النوع p ، حيث يكون تركيزها أقل بكثير. وبالمثل ، سوف تنتشر الثقوب من أشباه الموصلات من النوع p إلى أشباه الموصلات من النوع n. يحدث هذا تمامًا كما تنتشر ذرات المذاب من محلول قوي إلى محلول ضعيف عندما تتصادم. نتيجة للانتشار ، يتم استنفاد منطقة التلامس القريبة من ناقلات الشحنة الرئيسية: في أشباه الموصلات من النوع n ، ينخفض ​​تركيز الإلكترونات ، وفي أشباه الموصلات من النوع p ، ينخفض ​​تركيز الثقوب. لذلك ، فإن مقاومة منطقة التلامس مهمة للغاية. يؤدي انتشار الإلكترونات والثقوب من خلال تقاطع pn إلى حقيقة أن أشباه الموصلات من النوع n التي تأتي منها الإلكترونات مشحونة إيجابًا ، والنوع p مشحون سالبًا. يتم تكوين طبقة كهربائية مزدوجة ، مما يخلق مجالًا كهربائيًا يمنع المزيد من انتشار ناقلات التيار الحر من خلال ملامسة أشباه الموصلات. عند جهد معين بين الطبقة المزدوجة المشحونة ، يتوقف المزيد من إفقار منطقة التلامس القريبة بواسطة الناقلات الرئيسية. إذا كانت أشباه الموصلات الآن متصلة بمصدر حالي بحيث تكون منطقتها الإلكترونية متصلة بالقطب السالب للمصدر ، ومنطقة الثقب بالقطب الموجب ، فسيتم توجيه المجال الكهربائي الناتج عن المصدر الحالي بحيث يتحرك الناقلات الحالية الرئيسية في كل قسم من أشباه الموصلات مع تقاطع p- n. عند الاتصال ، سيتم إثراء القسم بالناقلات الحالية الرئيسية ، وستنخفض مقاومته. سوف يتدفق تيار كبير من خلال التلامس. يسمى اتجاه التيار في هذه الحالة صبيب أو مباشر. ومع ذلك ، إذا تم توصيل أشباه الموصلات من النوع n بالقطب الموجب ، وأشباه الموصلات من النوع p بالقطب السالب للمصدر ، فإن منطقة التلامس القريبة تتسع. تزداد مقاومة المنطقة بشكل كبير. سيكون التيار خلال الطبقة الانتقالية صغيرًا جدًا. يسمى اتجاه التيار هذا بالإغلاق أو العكس. 4. ثنائيات وترانزستورات أشباه الموصلات لذلك ، من خلال الواجهة بين أشباه الموصلات من النوع n والنوع p ، يتدفق التيار الكهربائي في اتجاه واحد فقط - من أشباه الموصلات من النوع p إلى أشباه الموصلات من النوع n. يستخدم هذا في أجهزة تسمى الثنائيات. تُستخدم الثنائيات شبه الموصلة لتصحيح التيار المتردد (يسمى هذا التيار بالتناوب) ، وكذلك لتصنيع مصابيح LED. تتمتع مقومات أشباه الموصلات بموثوقية عالية وعمر خدمة طويل. الأجهزة: تستخدم الثنائيات شبه الموصلة على نطاق واسع في أجهزة استقبال الراديو ومسجلات الفيديو وأجهزة التلفزيون وأجهزة الكمبيوتر. كان الترانزستور أحد التطبيقات الأكثر أهمية لأشباه الموصلات. يتكون من ثلاث طبقات من أشباه الموصلات: على الحواف توجد أشباه موصلات من نوع واحد ، وبينها طبقة رقيقة من أشباه الموصلات من نوع آخر. يرجع الاستخدام الواسع للترانزستورات إلى حقيقة أنه يمكن استخدامها لتضخيم الإشارات الكهربائية. لذلك ، أصبح الترانزستور العنصر الرئيسي للعديد من أجهزة أشباه الموصلات. 5. الدوائر المتكاملة تعتبر الثنائيات والترانزستورات أشباه الموصلات اللبنات الأساسية للأجهزة المعقدة للغاية ، والتي تسمى الدوائر المتكاملة. تعمل الدوائر الدقيقة اليوم في أجهزة الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون والهواتف المحمولة و أقمار صناعية في السيارات والطائرات وحتى في الغسالات. دائرة متكاملة مصنوعة على رقاقة السيليكون. يتراوح حجم اللوحة من ملليمتر إلى سنتيمتر ، ويمكن أن تستوعب إحدى هذه اللوحات ما يصل إلى مليون مكون - الثنائيات الصغيرة ، والترانزستورات ، والمقاومات ، وما إلى ذلك. ومن المزايا المهمة للدوائر المتكاملة السرعة العالية والموثوقية ، فضلاً عن التكلفة المنخفضة . بفضل هذا ، على أساس الدوائر المتكاملة ، كان من الممكن إنشاء معقدة ، ولكن في متناول العديد من الأجهزة وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة المنزلية الحديثة. سؤال للطلاب أثناء تقديم مادة جديدة المستوى الأول 1. ما هي المواد التي يمكن تصنيفها على أنها أشباه موصلات؟ 2. حركة الجسيمات المشحونة التي تخلق تيارًا في أشباه الموصلات؟ 3. لماذا تعتمد مقاومة أشباه الموصلات بشدة على وجود الشوائب؟ 4. كيف يتم تشكيل تقاطع p-n؟ ما هي خاصية تقاطع p-n؟ 5. لماذا لا تمر ناقلات الشحن المجاني عبر تقاطع p-n لأشباه الموصلات؟ المستوى الثاني 1. بعد إدخال شوائب الزرنيخ في الجرمانيوم ، زاد تركيز إلكترونات التوصيل. كيف تغير تركيز الثقوب في هذه الحالة؟ 2. بمساعدة أي تجربة يمكن للمرء أن يقتنع بالتوصيل أحادي الجانب لصمام ثنائي أشباه الموصلات؟ 3. هل من الممكن الحصول على تقاطع pn بدمج القصدير في الجرمانيوم أو السيليكون؟ تكوين المادة المدروسة 1). أسئلة نوعية 1. لماذا متطلبات نقاء المواد شبه الموصلة عالية جدا (في بعض الحالات لا يسمح بوجود حتى ذرة شائبة واحدة لكل مليون ذرة)؟ 2. بعد إدخال شوائب الزرنيخ في الجرمانيوم ، زاد تركيز إلكترونات التوصيل. كيف تغير تركيز الثقوب في هذه الحالة؟ 3. ماذا يحدث عند ملامسة نوعين من أشباه الموصلات من النوع n و p؟ 4. في صندوق مغلق يوجد صمام ثنائي أشباه الموصلات ومقاوم متغير. يتم إخراج أطراف الأجهزة وتوصيلها بالأطراف. كيفية تحديد المحطات الطرفية التي تنتمي إلى الصمام الثنائي؟ 2). تعلم حل المشكلات 1. ما نوع الموصلية (الإلكترونية أو الثقب) التي يمتلكها السيليكون المخدر بالغاليوم؟ الهند؟ الفوسفور؟ الأنتيمون؟ 2. ما الموصلية (الإلكترونية أو الفتحة) التي ستكون في السيليكون إذا أضيف إليه الفوسفور؟ البورون؟ الألومنيوم؟ الزرنيخ؟ 3. كيف ستتغير مقاومة عينة السيليكون مع شوائب الفوسفور إذا تم إدخال شوائب الغاليوم فيها؟ تركيز ذرات الفوسفور والجاليوم هو نفسه. (الإجابة: ستزيد) ما تعلمناه في الدرس · أشباه الموصلات هي مواد تقل مقاومتها بسرعة كبيرة مع زيادة درجة الحرارة. تسمى موصلية أشباه الموصلات بسبب حركة الإلكترونات الإلكترونية. تسمى موصلية أشباه الموصلات بسبب حركة الثقوب موصلية الثقب. الشوائب التي تتبرع ذراتها بالإلكترونات بسهولة تسمى شوائب المتبرع. · تسمى أشباه الموصلات التي تكون فيها الإلكترونات حاملات الشحنة الرئيسية بأشباه الموصلات من النوع n. · الشوائب التي "تلتقط" إلكترونات ذرات الشبكة البلورية لأشباه الموصلات تسمى المستقبل. · تسمى أشباه الموصلات التي تكون الثقوب فيها حاملات الشحنة الرئيسية بأشباه الموصلات من النوع p. · إن ملامسة اثنين من أشباه الموصلات بأنواع مختلفة من الموصلية له خصائص توصيل التيار بشكل جيد في اتجاه واحد وأسوأ بكثير في الاتجاه المعاكس ، أي لديه توصيل أحادي الاتجاه. الواجب المنزلي 1. §§ 11 ، 12.

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

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

المفاهيم العامة.

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

هذه مجموعة كبيرة من المواد المستخدمة في الهندسة الراديوية (الجرمانيوم ، والسيليكون ، والسيلينيوم ، وأكسيد النحاس) ، ولكنها تستخدم بشكل أساسي فقط لتصنيع أجهزة أشباه الموصلات. السيليكون(سي) و الجرمانيوم(جي).

من تلقاء نفسها الخواص الكهربائيةتحتل أشباه الموصلات مكانًا متوسطًا بين الموصلات وغير الموصلة للتيار الكهربائي.

خصائص أشباه الموصلات.

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

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

هيكل ذرات أشباه الموصلات.

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

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

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

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

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

من ناحية أخرى ، الطبقة الخارجية قذيفة الإلكترونتحتوي كل ذرة ثمانيةالإلكترونات: أربعةالخاصة بهم ، و وحدهاقترضت من أربعة المجاورةذرات. هنا لم يعد من الممكن التمييز بين إلكترونات التكافؤ في الذرة "إلكترونات الفرد" وأي إلكترونات "أجنبية" ، لأنها أصبحت شائعة. مع هذه الرابطة من الذرات في الكتلة الكاملة لجرمانيوم أو بلورة السيليكون ، يمكننا افتراض أن بلورة أشباه الموصلات كبيرة مركب. في الشكل ، تظهر الدوائر الوردية والصفراء العلاقة بينهما الطبقات الخارجيةقذائف ذرتين متجاورتين.

الموصلية الكهربائية أشباه الموصلات.

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

عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق ، يكون أشباه الموصلات لا تجريالحالي ، لأنه لا يحتوي على الإلكترونات الحرة. ولكن مع زيادة درجة الحرارة ، فإن رابطة إلكترونات التكافؤ مع نوى الذرات يضعفوبعض الإلكترونات بسبب الحركة الحراريةيمكن أن تترك ذراتهم. يصبح الإلكترون الذي يهرب من الرابطة بين الذرات " مجانا"، وحيث كان من قبل ، يتم تشكيل مكان فارغ ، وهو ما يسمى تقليديا الفجوة.

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

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

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

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

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

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

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

موصلية ثقب الإلكترون.

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

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

الموصلية الإلكترونية.

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

تسمى أشباه الموصلات التي لها مثل هذه الخصائص بأشباه الموصلات ذات الموصلية من النوع " ن"، أو أشباه الموصلات ن-اكتب. هنا يأتي الحرف اللاتيني n من كلمة "سلبية" (سلبية) - أي "سلبية". يتبع ذلك في أشباه الموصلات ن-اكتب رئيسيحاملات الشحن هي - الإلكترونات، وليس أهمها - الثقوب.

توصيل الحفرة.

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

من أجل إطلاق الإلكترونات الحرة والتحرك في مثل هذا أشباه الموصلات ، يجب تدميرها سندات التكافؤبين الذرات. لكن الإلكترونات ستظل غير كافية ، لأن عدد الثقوب سيكون دائمًا أكثرعدد الإلكترونات في أي وقت.

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

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

دعنا نتوقف عند هذا ، وسننظر في الجهاز ، مبدأ تشغيل الصمام الثنائي ، سنقوم بتحليل خصائص الجهد الحالي ودوائر التبديل.
حظ سعيد!

مصدر:

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

تشتمل أشباه الموصلات على العديد من العناصر الكيميائية (الجرمانيوم ، والسيليكون ، والسيلينيوم ، والتيلوريوم ، والزرنيخ ، وما إلى ذلك) ، وعددًا كبيرًا من السبائك و مركبات كيميائية. تقريبا جميع المواد غير العضوية في العالم من حولنا هي أشباه موصلات. أكثر أنواع أشباه الموصلات شيوعًا في الطبيعة هو السيليكون ، والذي يشكل حوالي 30٪ من قشرة الأرض.

يتجلى الاختلاف النوعي بين أشباه الموصلات والمعادن في الاعتماد على درجة الحرارة للمقاومة(الشكل 9.3)

نموذج نطاق موصلية ثقب الإلكترون لأشباه الموصلات

في التعليم المواد الصلبةيكون الموقف ممكنًا عندما يتضح أن نطاق الطاقة الذي نشأ من مستويات طاقة إلكترونات التكافؤ للذرات الأولية مملوء بالكامل بالإلكترونات ، وأقربها المتاحة للتعبئة بالإلكترونات مستويات الطاقةمنفصل عن نطاق التكافؤ فجوة E V لم يتم حلها دول الطاقة- ما يسمى ب منطقة ممنوعة ه زفوق فجوة النطاق توجد منطقة حالات الطاقة المسموح بها للإلكترونات - نطاق التوصيل ه ج.

يكون نطاق التوصيل عند 0 K مجانيًا تمامًا ، بينما يكون نطاق التكافؤ مشغولاً تمامًا. تتميز هياكل النطاق المماثلة بالسليكون والجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم (GaAs) وفوسفيد الإنديوم (InP) والعديد من المواد الصلبة الأخرى شبه الموصلة.

مع زيادة درجة حرارة أشباه الموصلات والعوازل الكهربائية ، تستطيع الإلكترونات تلقي طاقة إضافية مرتبطة بالحركة الحرارية. كيلو تي. بالنسبة لبعض الإلكترونات ، فإن طاقة الحركة الحرارية كافية للانتقال من شريط التكافؤ إلى نطاق التوصيل ،حيث يمكن للإلكترونات تحت تأثير مجال كهربائي خارجي أن تتحرك بحرية تقريبًا.

في هذه الحالة، في دائرة بها مادة شبه موصلة ، مع ارتفاع درجة حرارة أشباه الموصلات ، سيزداد التيار الكهربائي.لا يرتبط هذا التيار بحركة الإلكترونات في نطاق التوصيل فحسب ، بل يرتبط أيضًا بالمظهر الشواغر من الإلكترونات التي دخلت نطاق التوصيلفي فرقة التكافؤ ، ما يسمى ب الثقوب . يمكن أن يشغل إلكترون التكافؤ من زوج مجاور مكان شاغر ، ثم ينتقل الثقب إلى مكان جديد في البلورة.

إذا تم وضع أحد أشباه الموصلات في مجال كهربائي ، فلن تشارك الإلكترونات الحرة فقط في الحركة المرتبة ، ولكن أيضًا الثقوب التي تتصرف مثل الجسيمات المشحونة إيجابياً. لذلك ، التيار أنافي أشباه الموصلات تتكون من جهاز إلكتروني فيوثقب ايبالتيارات: أنا= في+ ايب.

تتجلى آلية ثقب الإلكترون للتوصيل فقط في أشباه الموصلات النقية (أي بدون شوائب). تسمى الموصلية الكهربائية الخاصة أشباه الموصلات. يتم إلقاء الإلكترونات في نطاق التوصيل بواسطة مستوى فيرمي، والتي تبين أنها تقع في أشباه الموصلات الخاصة بها وسط المنطقة المحرمة(الشكل 9.4).

من الممكن تغيير موصلية أشباه الموصلات بشكل كبير عن طريق إدخال كميات صغيرة جدًا من الشوائب فيها. في المعادن ، تقلل النجاسة دائمًا من الموصلية. وبالتالي ، فإن إضافة 3٪ من ذرات الفوسفور إلى السيليكون النقي يزيد من التوصيل الكهربائي للبلورة بعامل 105.

إضافة طفيفة من dopant إلى أشباه الموصلات تسمى المنشطات.

شرط ضروريالانخفاض الحاد في مقاومة أشباه الموصلات مع إدخال الشوائب هو الاختلاف في تكافؤ ذرات الشوائب من تكافؤ الذرات الرئيسية للبلورة. تسمى موصلية أشباه الموصلات في وجود الشوائب الموصلية النجاسة .

يميز نوعان من النجاسة التوصيل – الكتروني و الفجوة التوصيل. الموصلية الإلكترونيةيحدث عندما يتم إدخال ذرات خماسية التكافؤ (على سبيل المثال ، الزرنيخ ، As) في بلورة الجرمانيوم مع ذرات رباعية التكافؤ (الشكل 9.5).

يتم تضمين إلكترونات التكافؤ الأربعة لذرة الزرنيخ في التكوين روابط تساهميةمع أربع ذرات جرمانيوم مجاورة. تبين أن إلكترون التكافؤ الخامس زائد عن الحاجة. ينفصل بسهولة عن ذرة الزرنيخ ويصبح حراً. تتحول الذرة التي فقدت إلكترونًا إلى أيون موجب يقع في موقع في الشبكة البلورية.

يسمى خليط الذرات ذات التكافؤ الأكبر من تكافؤ الذرات الرئيسية لبلورة أشباه الموصلات النجاسة المانحة . نتيجة لإدخالها ، يظهر عدد كبير من الإلكترونات الحرة في البلورة. هذا يؤدي إلى انخفاض حاد في مقاومة أشباه الموصلات - بآلاف بل وملايين المرات.

يمكن لمقاومة الموصل الذي يحتوي على نسبة عالية من الشوائب أن تقترب من مقاومة الموصل المعدني. تسمى هذه الموصلية ، بسبب الإلكترونات الحرة ، الإلكترونية ، ويسمى أشباه الموصلات ذات الموصلية الإلكترونية ن نوع أشباه الموصلات.

توصيل الحفرة يحدث عندما يتم إدخال ذرات ثلاثية التكافؤ في بلورة الجرمانيوم ، على سبيل المثال ، ذرات الإنديوم (الشكل 9.5)

يوضح الشكل 6 ذرة إنديوم أنشأت روابط تساهمية مع ثلاث ذرات جرمانيوم مجاورة فقط باستخدام إلكترونات التكافؤ. لا تحتوي ذرة الإنديوم على إلكترون لتشكيل رابطة مع ذرة الجرمانيوم الرابعة. يمكن التقاط هذا الإلكترون المفقود بواسطة ذرة إنديوم من رابطة تساهمية لذرات الجرمانيوم المجاورة. في هذه الحالة ، تتحول ذرة الإنديوم إلى أيون سالب يقع في موقع الشبكة البلورية ، ويتكون فراغ في الرابطة التساهمية للذرات المجاورة.

يسمى خليط الذرات القادرة على التقاط الإلكترونات قبول النجاسة . نتيجة لإدخال شوائب متقبل ، تنكسر العديد من الروابط التساهمية في البلورة وتتشكل مواقع شاغرة (ثقوب). يمكن للإلكترونات أن تقفز إلى هذه الأماكن من الروابط التساهمية المجاورة ، مما يؤدي إلى تجول عشوائي في الثقوب حول البلورة.

يتجاوز تركيز الثقوب في أشباه الموصلات ذات الشوائب المستقبلة بشكل كبير تركيز الإلكترونات التي نشأت بسبب آلية التوصيل الكهربائي الجوهري لأشباه الموصلات: np>> ن. هذا النوع من التوصيل يسمى موصلية الثقب . يسمى شوائب أشباه الموصلات مع موصل الثقب ف نوع أشباه الموصلات . ناقلات الشحن المجاني الرئيسية في أشباه الموصلات ص-نوع الثقوب.

انتقال ثقب الإلكترون. الثنائيات والترانزستورات

في التكنولوجيا الإلكترونية الحديثة ، تلعب أجهزة أشباه الموصلات دورًا استثنائيًا. على مدى العقود الثلاثة الماضية ، استبدلوا أجهزة الفراغ الكهربائي بالكامل تقريبًا.

يحتوي أي جهاز أشباه الموصلات على واحد أو أكثر من تقاطعات ثقب الإلكترون. . انتقال ثقب الإلكترون (أو ن–ص-انتقال) - هذه هي منطقة التلامس بين اثنين من أشباه الموصلات بأنواع مختلفة من الموصلية.

على حدود أشباه الموصلات (الشكل 9.7) ، تتشكل طبقة كهربائية مزدوجة ، يمنع مجالها الكهربائي عملية انتشار الإلكترونات والثقوب تجاه بعضها البعض.

قدرة ن–ص- يتم استخدام الانتقال لتمرير التيار في اتجاه واحد فقط في الأجهزة التي تسمى الثنائيات أشباه الموصلات. تصنع الثنائيات شبه الموصلة من بلورات السيليكون أو الجرمانيوم. أثناء تصنيعها ، يتم صهر الشوائب في بلورة بنوع معين من الموصلية ، مما يوفر نوعًا مختلفًا من الموصلية.

يوضح الشكل 9.8 خاصية فولت أمبير نموذجية لصمام ثنائي السيليكون.

يتم استدعاء أجهزة أشباه الموصلات التي لا تحتوي على تقاطع n-p واحد ولكن اثنين الترانزستورات . الترانزستورات من نوعين: ص–ن–ص- الترانزستورات و ن–ص–ن- الترانزستورات. في الترانزستور ن–ص–ن- نوع لوحة الجرمانيوم الأساسية موصلة ص-النوع ، والمنطقتان اللتان تم إنشاؤهما عليه - عن طريق الموصلية ن-النوع (الشكل 9.9).

في الترانزستور ص - ن - ص- إنه عكس ذلك نوعًا ما. لوحة الترانزستور تسمى يتمركز(ب) ، إحدى المناطق ذات النوع المعاكس من الموصلية - جامع(ك) ، والثاني - باعث(هـ).