U poluvodičima je to usmjereno kretanje šupljina i elektrona na koje utječe električno polje.

Kao rezultat pokusa, primijećeno je da električna struja u poluvodičima nije popraćena prijenosom tvari - ne kemijske promjene. Stoga se elektroni mogu smatrati nositeljima struje u poluvodičima.

Može se odrediti sposobnost materijala da u njemu stvori električnu struju.Prema ovom pokazatelju, vodiči zauzimaju srednji položaj između vodiča i dielektrika. Poluvodiči su razne vrste minerala, neki metali, metalni sulfidi itd. Struja u poluvodičima nastaje zbog koncentracije slobodnih elektrona, koji se mogu smjerno kretati u tvari. Uspoređujući metale i vodiče, može se primijetiti da postoji razlika u utjecaju temperature na njihovu vodljivost. Povećanje temperature dovodi do smanjenja vodljivosti poluvodiča. Ako se temperatura u poluvodiču poveća, kretanje slobodnih elektrona bit će kaotičnije. To je zbog povećanja broja sudara. Međutim, u poluvodičima, u usporedbi s metalima, koncentracija slobodnih elektrona značajno raste. Ti čimbenici imaju suprotan učinak na vodljivost: što je više sudara, vodljivost je manja; što je veća koncentracija, to je veća. U metalima ne postoji odnos između temperature i koncentracije slobodnih elektrona, pa se promjenom vodljivosti s porastom temperature samo smanjuje mogućnost urednog kretanja slobodnih elektrona. Što se tiče poluvodiča, učinak povećanja koncentracije je veći. Dakle, što više temperatura raste, to će biti veća vodljivost.

Postoji odnos između kretanja nositelja naboja i takvog koncepta kao što je električna struja u poluvodičima. U poluvodičima pojavu nositelja naboja karakteriziraju različiti čimbenici, među kojima su posebno važni temperatura i čistoća materijala. Poluvodiči se prema čistoći dijele na nečistoće i intrinzične poluvodiče.

Što se tiče vlastitog vodiča, utjecaj nečistoća na određenoj temperaturi ne može se smatrati značajnim za njih. Budući da je zabranjeni pojas u poluvodičima mali, u prirodnom poluvodiču, kada temperatura dosegne, valentni pojas je potpuno ispunjen elektronima. No, vodljivi pojas je potpuno slobodan: u njemu nema električne vodljivosti i funkcionira kao idealni dielektrik. Na drugim temperaturama postoji mogućnost da, zbog toplinskih fluktuacija, određeni elektroni mogu prevladati potencijalnu barijeru i završiti u vodljivom pojasu.

Thomsonov učinak

Princip Thomsonovog termoelektričnog efekta: kada električna struja prolazi kroz poluvodiče duž kojih postoji temperaturni gradijent, osim Jouleove topline oslobodit će se ili apsorbirati dodatne količine topline ovisno o smjeru u kojem struja teče.

Nedovoljno ravnomjerno zagrijavanje uzorka koji ima homogenu strukturu utječe na njegova svojstva, zbog čega tvar postaje nehomogena. Dakle, Thomsonov fenomen je specifičan Pelteov fenomen. Jedina razlika je u tome što različiti kemijski sastav uzorak, a neuobičajena temperatura uzrokuje ovu heterogenost.

Erjutkin Evgenij Sergejevič
Učitelj fizike najviše kvalifikacijske kategorije, Državna obrazovna ustanova Srednja škola br. 1360, Moskva

Ako napravite izravnu vezu, tada će vanjsko polje neutralizirati blokirajuće polje, a struju će nositi glavni nositelji naboja.

Riža. 9. p-n spoj s izravnim spojem ()

U ovom slučaju struja manjinskih nositelja je zanemariva, praktički nepostojeća. Stoga p-n spoj osigurava jednosmjerno provođenje električne struje.

Riža. 10. Atomska struktura silicija s porastom temperature

Vodljivost poluvodiča je elektron-šupljina, a takva se vodljivost naziva vlastita vodljivost. I za razliku od metala vodiča, s povećanjem temperature povećava se broj slobodnih naboja (u prvom slučaju se ne mijenja), stoga vodljivost poluvodiča raste s porastom temperature, a otpor se smanjuje

Vrlo važno pitanje u proučavanju poluvodiča je prisutnost nečistoća u njima. A u slučaju prisutnosti nečistoća, treba govoriti o vodljivosti nečistoća.

Mala veličina i vrlo visoka kvaliteta odaslanih signala učinili su poluvodičke elemente vrlo čestima u suvremenoj elektroničkoj tehnologiji. Sastav takvih uređaja može uključivati ​​ne samo gore spomenuti silicij s nečistoćama, već i, na primjer, germanij.

Jedan takav uređaj je dioda - uređaj koji može propustiti struju u jednom smjeru i spriječiti njezin prolaz u drugom. Dobiva se implantiranjem poluvodiča druge vrste u kristal poluvodiča p- ili n-tipa.

Riža. 11. Oznaka diode na dijagramu i dijagramu njegovog uređaja, respektivno

Još jedan uređaj, sada s dva p-n spojevi nazvan tranzistor. Služi ne samo za odabir smjera prijenosa struje, već i za njegovu transformaciju.

Riža. 12. Dijagram strukture tranzistora i njegova oznaka na električnom dijagramu, odnosno ()

Treba napomenuti da moderni mikro krugovi koriste mnoge kombinacije dioda, tranzistora i drugih električnih uređaja.

U sljedećoj lekciji ćemo pogledati širenje električne struje u vakuumu.

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. fizika ( osnovna razina) M.: Mnemozina. 2012
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. razred. M.: Ilexa. 2005. godine
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizika. Elektrodinamika M.: 2010

1. Načela rada uređaja ().
2. Enciklopedija fizike i tehnologije ().

1. Što uzrokuje pojavu elektrona vodljivosti u poluvodiču?
2. Što je intrinzična vodljivost poluvodiča?
3. Kako vodljivost poluvodiča ovisi o temperaturi?
4. Po čemu se donorska nečistoća razlikuje od akceptorske?
5. *Kolika je vodljivost silicija s primjesom a) galija, b) indija, c) fosfora, d) antimona?

Električna struja u poluvodičima Svrha lekcije: formiranje ideje o slobodnim nositeljima električnog naboja u poluvodičima i prirodi električne struje u poluvodičima. Vrsta lekcije: lekcija učenja novog materijala. PLAN SATA Provjera znanja 5 min. 1. Električna struja u metalima. 2. Električna struja u elektrolitima. 3. Faradayev zakon za elektrolizu. 4. Električna struja u plinovima Demonstracije 5 min. Fragmenti videa “Električna struja u poluvodičima” Učenje novog gradiva 28 min. 1. Nositelji naboja u poluvodičima. 2. Primjesna vodljivost poluvodiča. 3. Prijelaz elektron-šupljina. 4. Poluvodičke diode i tranzistori. 5. Integrirani sklopovi Učvršćivanje obrađenog gradiva 7 min. 1. Kvalitativna pitanja. 2. Učenje rješavanja problema UČENJE NOVOG MATERIJALA 1. Nositelji naboja u poluvodičima Otpori poluvodiča na sobnoj temperaturi imaju vrijednosti koje su u širokom rasponu, tj. od 10-3 do 107 Ohm m, i zauzimaju srednji položaj između metala i dielektrika. Poluvodiči su tvari čiji otpor vrlo brzo opada s porastom temperature. Poluvodiči uključuju mnoge kemijski elementi(bor, silicij, germanij, fosfor, arsen, selen, telur itd.), veliki iznos minerali, legure i kemijski spojevi. Gotovo sve anorganske tvari okolina – poluvodiči. Za dovoljno niske temperature te odsutnost vanjskih utjecaja osvjetljenja ili zagrijavanja) poluvodiči ne provode električnu struju: u tim su uvjetima svi elektroni u poluvodičima vezani. Međutim, veza između elektrona i njihovih atoma u poluvodičima nije tako jaka kao u dielektricima. A u slučaju povećanja temperature, kao i pri jakom osvjetljenju, neki elektroni se odvajaju od svojih atoma i postaju slobodni naboji, odnosno mogu se kretati po uzorku. Zbog toga se u poluvodičima pojavljuju nositelji negativnog naboja - slobodni elektroni. elektroni se nazivaju elektron. Kada se elektron ukloni iz atoma, pozitivni naboj tog atoma postaje nekompenziran, tj. na tom se mjestu pojavljuje dodatni pozitivni naboj.Taj pozitivni naboj naziva se “rupa”. Atom u blizini kojeg je nastala rupa može uzeti vezani elektron od susjednog atoma, a rupa će se preseliti na susjedni atom, a taj atom može "prenijeti" rupu dalje. Ovo “relejno” kretanje vezanih elektrona može se smatrati kretanjem šupljina, odnosno pozitivnih naboja. Vodljivost poluvodiča zbog kretanja (primjerice naboja. Vodljivost poluvodiča zbog kretanja šupljina naziva se vodljivost šupljina. Razlika između vodljivosti šupljina i elektronske vodljivosti je u tome što je elektronska vodljivost posljedica kretanja slobodnih elektrona. u poluvodičima, a šupljinska vodljivost je posljedica kretanja vezanih elektrona. U čistom poluvodiču (bez primjesa) električna struja stvara isti broj slobodnih elektrona i šupljina. Ta se vodljivost naziva vlastita vodljivost poluvodiča. 2. Primjesna vodljivost poluvodiča. poluvodiči Ako dodate malu količinu arsena (oko 10-5%) čistom rastaljenom siliciju, nakon stvrdnjavanja obične kristalne rešetke silicija, ali na nekim mjestima rešetke umjesto atoma silicija bit će atomi arsena. Arsen, kao što je poznato, je peterovalentni element. Nekoliko elektrona stvara uparene elektronske veze sa susjednim atomima silicija. Peti valentni elektron neće imati dovoljno veze, i bit će tako slabo vezan s atomom arsena, koji lako postaje slobodan. Kao rezultat, svaki atom nečistoće će dati jedan slobodni elektron. Nečistoće čiji atomi lako odaju elektrone nazivamo donorima. Elektroni iz atoma silicija mogu postati slobodni, stvarajući šupljinu, tako da u kristalu mogu postojati i slobodni elektroni i šupljine u isto vrijeme.Nečistoće koje “hvataju” elektrone atoma nazivaju se slobodni elektroni i šupljine. Međutim, bit će mnogo puta više slobodnih elektrona nego rupa. Poluvodiči u kojima su glavni nositelji naboja elektroni nazivaju se poluvodiči n-tipa. Ako se siliciju doda mala količina trovalentnog indija, promijenit će se priroda vodljivosti poluvodiča. Budući da indij ima tri valentna elektrona, može stvarati kovalentne veze sa samo tri susjedna atoma. Nema dovoljno elektrona za uspostavljanje veze s četvrtim atomom. Indij "posuđuje" elektron od susjednih atoma, kao rezultat toga, svaki indijski atom formira jedno prazno mjesto - rupu. kristalna rešetka poluvodiči, akceptori. U slučaju akceptorske nečistoće, glavni nositelji naboja stvaraju rupe tijekom prolaska električne struje kroz poluvodič. Poluvodiči u kojima su glavni nositelji naboja šupljine nazivaju se poluvodiči p-tipa. Gotovo svi poluvodiči sadrže i donorske i akceptorske nečistoće. Vrsta vodljivosti poluvodiča određena je primjesom s većom koncentracijom nositelja naboja - elektrona i šupljina. 3. Prijelaz elektron-šupljina Među fizička svojstva svojstvena poluvodičima, svojstva kontakata (p-n-spoj) između poluvodiča s različiti tipovi provodljivost. U poluvodiču n-tipa elektroni sudjeluju u toplinskom gibanju i difundiraju preko granice u poluvodič p-tipa, gdje je njihova koncentracija mnogo niža. Slično, rupe će difundirati iz poluvodiča p-tipa u poluvodič n-tipa. To se događa na isti način na koji atomi otopljene tvari difundiraju iz jake otopine u slabu otopinu kada se sudare. Kao rezultat difuzije, područje u blizini kontakta je osiromašeno glavnim nositeljima naboja: u poluvodiču n-tipa koncentracija elektrona opada, au poluvodiču p-tipa koncentracija šupljina opada. Stoga se otpor kontaktnog područja pokazuje vrlo značajnim. Difuzija elektrona i šupljina kroz pn spoj dovodi do toga da je poluvodič n-tipa iz kojeg dolaze elektroni nabijen pozitivno, a poluvodič p-tipa negativno. Pojavljuje se dvostruki električni sloj koji stvara električno polje koje sprječava daljnju difuziju slobodnih nositelja struje kroz kontakt poluvodiča. Pri određenom naponu između dvostruko nabijenog sloja prestaje daljnje iscrpljivanje područja blizu kontakta glavnim nositeljima. Ako se sada poluvodič spoji na izvor struje tako da je njegovo elektroničko područje povezano s negativnim polom izvora, a područje šupljine spojeno s pozitivnim polom, tada će električno polje koje stvara izvor struje biti usmjereno tako da pomiče glavne nositelje struje u svakom dijelu poluvodiča s p-n-prijelazom. Nakon kontakta, područje će biti obogaćeno glavnim nositeljima struje, a njegov otpor će se smanjiti. Kroz kontakt će teći primjetna struja. Smjer struje u ovom slučaju naziva se prolaznim ili izravnim. Ako poluvodič n-tipa spojite na pozitivni, a p-tip na negativni pol izvora, tada se područje kontakta širi. Otpornost područja značajno se povećava. Struja kroz prijelazni sloj bit će vrlo mala. Ovaj smjer struje naziva se zatvaranje ili obrnuto. 4. Poluvodičke diode i tranzistori Posljedično, preko sučelja između poluvodiča n-tipa i p-tipa, električna struja teče samo u jednom smjeru - od poluvodiča p-tipa prema poluvodiču n-tipa. Ovo se koristi u uređajima koji se nazivaju diode. Poluvodičke diode koriste se za ispravljanje izmjenične struje (ova struja se naziva izmjenična struja), kao i za proizvodnju LED dioda. Poluvodički ispravljači imaju visoku pouzdanost i dug radni vijek. uređaji: Poluvodičke diode naširoko se koriste u radio prijamnicima, videorekorderima, televizorima i računalima. Još važnija primjena poluvodiča bio je tranzistor. Sastoji se od tri sloja poluvodiča: duž rubova su poluvodiči jedne vrste, a između njih je tanki sloj druge vrste poluvodiča. Raširena uporaba tranzistora je zbog činjenice da se mogu koristiti za pojačavanje električnih signala. Stoga je tranzistor postao glavni element mnogih poluvodičkih uređaja. 5. Integrirani krugovi Poluvodičke diode i tranzistori su "građevni blokovi" vrlo složenih uređaja koji se nazivaju integrirani krugovi. Mikročipovi danas rade u računalima i televizorima, mobilnim telefonima i umjetni sateliti , u automobilima, zrakoplovima pa čak i u perilicama rublja. Integrirani sklop izrađen je na ploči od silicija. Veličina ploče je od milimetra do centimetra, a na jednu takvu ploču može se smjestiti do milijun komponenti – sićušnih dioda, tranzistori, otpornika itd. Važne prednosti integriranih sklopova su velika brzina i pouzdanost, kao i niska cijena. . Zahvaljujući tome, na temelju integriranih krugova bilo je moguće stvoriti složene, ali mnogima dostupne uređaje, računala i moderne kućanske aparate. PITANJE UČENICIMA TIJEKOM PREZENTACIJE NOVOG GRADIVA Prva razina 1. Koje se tvari mogu svrstati u poluvodiče? 2. Gibanjem kojih nabijenih čestica nastaje struja u poluvodičima? 3. Zašto otpor poluvodiča toliko ovisi o prisutnosti nečistoća? 4. Kako nastaje pn spoj? Koje svojstvo ima p-n spoj? 5. Zašto slobodni nosioci naboja ne mogu proći kroz p-n spoj poluvodiča? Druga razina 1. Nakon unošenja primjesa arsena u germanij, porasla je koncentracija elektrona vodljivosti. Kako se promijenila koncentracija rupa? 2. Na temelju kojeg iskustva možete provjeriti jednosmjernu vodljivost poluvodičke diode? 3. Je li moguće dobiti pn spoj stapanjem kositra u germanij ili silicij? KONSTRUKCIJA NAUČENOG GRADIVA 1). Kvalitativna pitanja 1. Zašto su zahtjevi za čistoćom poluvodičkih materijala vrlo visoki (u nekim slučajevima nije dopuštena prisutnost niti jednog atoma nečistoće na milijun atoma)? 2. Nakon unošenja primjesa arsena u germanij, porasla je koncentracija elektrona vodljivosti. Kako se promijenila koncentracija rupa? 3. Što se događa u kontaktu dvaju poluvodiča n- i p-tipa? 4. Zatvorena kutija sadrži poluvodičku diodu i reostat. Krajevi uređaja se izvlače i spajaju na stezaljke. Kako odrediti koji terminali pripadaju diodi? 2). Naučimo rješavati probleme 1. Kakvu vodljivost (elektronsku ili šupljinu) ima silicij dopiran galijem? Indija? fosfor? antimon? 2. Kakvu će vodljivost (elektronsku ili šupljinu) imati silicij ako mu se doda fosfor? bor? aluminij? arsen? 3. Kako će se promijeniti otpor uzorka silicija s primjesom fosfora ako se u njega unese primjesa galija? Koncentracija atoma fosfora i galija je ista. (Odgovor: povećat će se) ŠTO SMO NAUČILI NA SATOVI · Poluvodiči su tvari čiji otpor vrlo brzo opada s porastom temperature. · Vodljivost poluvodiča zbog gibanja elektrona nazivamo elektroničkom. · Vodljivost poluvodiča zbog kretanja šupljina naziva se vodljivost šupljina. · Nečistoće čiji atomi lako predaju elektrone nazivamo donorima. · Poluvodiči u kojima su glavni nositelji naboja elektroni nazivaju se poluvodiči n-tipa. · Nečistoće koje “hvataju” elektrone iz atoma kristalne rešetke poluvodiča nazivaju se akceptorske nečistoće. · Poluvodiči u kojima su glavni nositelji naboja šupljine nazivaju se poluvodiči p-tipa. · Dodir dvaju poluvodiča s različitim vrstama vodljivosti ima svojstva dobrog vođenja struje u jednom smjeru, a znatno lošijeg u suprotnom smjeru, tj. ima jednosmjernu vodljivost. Domaća zadaća 1. §§ 11, 12.

Pozdrav dragi čitatelji stranice. Stranica ima odjeljak posvećen početnicima radio amaterima, ali do sada nisam napisao ništa za početnike koji prave prve korake u svijet elektronike. Ispunjavam ovu prazninu, a ovim člankom počinjemo se upoznavati sa strukturom i radom radio komponenti (radio komponente).

Počnimo s poluvodičkim uređajima. Ali da biste razumjeli kako dioda, tiristor ili tranzistor rade, morate zamisliti što je to poluvodič. Stoga ćemo najprije proučavati strukturu i svojstva poluvodiča na molekularna razina, a zatim ćemo se pozabaviti radom i projektiranjem poluvodičkih radio komponenti.

Opći pojmovi.

Zašto točno poluvodič dioda, tranzistor ili tiristor? Budući da je osnova ovih radio komponenti poluvodiči- tvari koje mogu provoditi električnu struju i spriječiti njen prolaz.

Ovo je velika skupina tvari koje se koriste u radiotehnici (germanij, silicij, selen, bakrov oksid), ali uglavnom samo Silicij(Si) i germanij(Ge).

Prema vlastitom električna svojstva poluvodiči zauzimaju srednje mjesto između vodiča i nevodiča električne struje.

Svojstva poluvodiča.

Električna vodljivost vodiča jako ovisi o temperaturi okoline.
Na vrlo nizak temperatura blizu apsolutne nule (-273°C), poluvodiči ne provoditi električna struja, i povećati temperature, njihova otpornost na struju smanjuje se.

Ako pokažete na poluvodič svjetlo, tada se njegova električna vodljivost počinje povećavati. Koristeći ovo svojstvo poluvodiča, oni su stvoreni fotonaponski uređaja. Poluvodiči također mogu pretvoriti svjetlosnu energiju u električnu struju, na primjer, solarni paneli. A kada se uvede u poluvodiče nečistoće određenim tvarima, njihova se električna vodljivost naglo povećava.

Struktura atoma poluvodiča.

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

Atom Njemačka sastoji se od 32 elektrona i atoma silicij od 14. Ali samo 28 elektroni atoma germanija i 10 elektroni atoma silicija, koji se nalaze u unutarnjim slojevima njihovih ljuski, čvrsto drže jezgre i nikad se ne odvajaju od njih. Samo četiri Valentni elektroni atoma ovih vodiča mogu postati slobodni, ali i tada ne uvijek. A ako atom poluvodiča izgubi barem jedan elektron, onda to postane pozitivni ion.

U poluvodiču su atomi raspoređeni u strogom redoslijedu: svaki atom je okružen četiri isti atomi. Štoviše, smješteni su tako blizu jedni drugima da njihovi valentni elektroni tvore pojedinačne orbite koje prolaze oko susjednih atoma, povezujući tako atome u jednu cjelinu.

Zamislimo odnos atoma u kristalu poluvodiča u obliku ravnog dijagrama.
U dijagramu, crvene kuglice s plusom, konvencionalno, označavaju atomske jezgre(pozitivni ioni), a plave kuglice su valentni elektroni.

Ovdje možete vidjeti da oko svakog atoma postoje četiri potpuno isti atomi, a svaki od ta četiri ima vezu s četiri druga atoma, itd. Svaki od atoma je povezan sa svakim susjednim dva valentni elektroni, pri čemu je jedan elektron vlastiti, a drugi posuđen od susjednog atoma. Takva se veza naziva dvoelektronska ili kovalentni.

Zauzvrat, vanjski sloj elektronska ljuska svaki atom sadrži osam elektroni: četiri vlastiti, i sama, posuđenica iz četiri susjedni atomi. Ovdje više ne možete razlikovati koji je valentni elektron u atomu “vaš”, a koji “strani”, jer su postali uobičajeni. S takvim spojem atoma u cijeloj masi kristala germanija ili silicija, možemo pretpostaviti da je poluvodički kristal jedan veliki molekula. Na slici ružičasti i žuti krugovi pokazuju vezu između vanjski slojevi ljuske dvaju susjednih atoma.

Električna vodljivost poluvodiča.

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

Na temperaturama blizu apsolutne nule, poluvodič ne provodi struja, budući da nema slobodni elektroni. Ali s povećanjem temperature, veza valentnih elektrona s atomskim jezgrama slabi a neki od elektrona, zbog toplinsko kretanje, mogu napustiti svoje atome. Elektron koji je pobjegao iz međuatomske veze postaje " besplatno“, a tamo gdje je bilo prije, formira se prazan prostor, koji se konvencionalno naziva rupa.

Kako viši temperatura poluvodiča, više postaje slobodan od elektrona i šupljina. Kao rezultat toga, ispada da je stvaranje "rupe" povezano s odlaskom valentnog elektrona iz ljuske atoma, a sama rupa postaje pozitivan električno punjenje jednak negativan naboj elektrona.

Sada pogledajmo sliku koja shematski prikazuje fenomen generiranja struje u poluvodiču.

Ako primijenite neki napon na poluvodič, kontakte "+" i "-", tada će se u njemu pojaviti struja.
Zbog toplinske pojave, u poluvodičkom kristalu iz međuatomskih veza počet će oslobodi se određeni broj elektrona (plave kuglice sa strelicama). Privlačenje elektrona pozitivan pol izvora napona bit će potez prema njemu, ostavljajući iza sebe rupe, koje će popuniti drugi oslobođeni elektroni. To jest, pod utjecajem vanjskih električno polje nositelji naboja poprimaju određenu brzinu usmjerenog gibanja i time stvaraju struja.

Na primjer: oslobođeni elektron najbliži pozitivnom polu izvora napona privlači ovaj stup. Prekid međuatomske veze i napuštanje nje, elektron ostavlja poslije sebe rupa. Drugi oslobođeni elektron, koji se nalazi na nekim uklanjanje s pozitivnog pola, također privlači stup i kreće se prema njemu, ali upoznavši se postoji rupa na svom putu i uvučen je u nju jezgra atom, obnavljajući međuatomsku vezu.

Dobivena novi rupa nakon drugog elektrona, ispunjava treći oslobođeni elektron koji se nalazi uz ovu rupu (slika br. 1). Sa svoje strane rupe, koji se nalazi najbliže negativan stup, ispunjen dr oslobođeni elektroni(Slika br. 2). Tako u poluvodiču nastaje električna struja.

Dok je aktivan u poluvodiču električno polje, ovaj proces stalan: prekidaju se međuatomske veze - pojavljuju se slobodni elektroni - stvaraju se rupe. Rupe se popunjavaju oslobođenim elektronima – međuatomske veze se obnavljaju, dok se druge međuatomske veze prekidaju iz kojih elektroni odlaze i ispunjavaju sljedeće rupe (slika br. 2-4).

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

Elektron-rupna vodljivost.

U "čistom" poluvodičkom kristalu broj pušten na slobodu V ovaj trenutak elektrona jednak broju nastajanje u ovom slučaju rupe, dakle električna vodljivost takvog poluvodiča mali, jer daje električnu struju velik otpor, a ta se električna vodljivost naziva vlastiti.

Ali ako ga dodate poluvodiču u obliku nečistoće određenog broja atoma drugih elemenata, tada će se njegova električna vodljivost značajno povećati, a ovisno o strukture atoma nečistoća, električna vodljivost poluvodiča bit će elektronička ili rupa.

Elektronska vodljivost.

Pretpostavimo da u poluvodičkom kristalu u kojem atomi imaju četiri valentna elektrona zamijenimo jedan atom s atomom u kojem pet valentni elektroni. Ovaj atom sa svojim četiri elektroni će se vezati s četiri susjedna atoma poluvodiča, i peti valentni elektron će ostati " suvišan- odnosno besplatno. I što više više bit će slobodnih elektrona, što znači da će se takav poluvodič po svojim svojstvima približiti metalu, a da bi kroz njega prošla električna struja, međuatomske veze ne moraju nužno biti uništene.

Poluvodiči s takvim svojstvima nazivaju se poluvodiči s “tipskom” vodljivošću. n", odnosno poluvodiča n-tip. Ovdje latinično slovo n dolazi od riječi "negativan" - odnosno "negativan". Iz toga slijedi da u poluvodiču n-tip glavni nositelji naboja su - elektroni, a ne one glavne - rupe.

Vodljivost rupa.

Uzmimo isti kristal, ali sada zamijenimo njegov atom atomom u kojem samo tri slobodni elektron. Sa svoja tri elektrona kontaktirat će samo tri susjednih atoma, i neće imati dovoljno da se veže s četvrtim atomom jedan elektron. Kao rezultat toga, formira se rupa. Naravno, bit će ispunjen bilo kojim drugim slobodnim elektronom koji se nalazi u blizini, ali u svakom slučaju u kristalu neće biti takvog poluvodiča zgrabiti elektroni za popunjavanje rupa. I što više bit će takvih atoma u kristalu, pa više bit će rupa.

Kako bi se slobodni elektroni mogli osloboditi i kretati u takvom poluvodiču, mora nužno biti uništeno valentne veze između atoma. Ali još uvijek neće biti dovoljno elektrona, jer će broj rupa uvijek biti više broj elektrona u bilo kojem trenutku.

Takvi poluvodiči nazivaju se poluvodiči sa rupa vodljivosti ili vodiča str-tip, što u prijevodu s latinskog "positive" znači "pozitivno". Dakle, pojava električne struje u kristalu poluvodiča p-tipa popraćena je kontinuiranom nastanak I nestanak pozitivni naboji – rupe. To znači da u poluvodiču str-tip glavni nosioci naboja su rupe, a ne one glavne - elektrone.

Sada kada imate neku ideju o fenomenima koji se javljaju u poluvodičima, neće vam biti teško razumjeti princip rada poluvodičkih radio komponenti.

Zaustavimo se ovdje i razmotrimo uređaj, princip rada diode i analiziramo njegovu strujno-naponsku karakteristiku i sklopne krugove.
Sretno!

Izvor:

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

Poluvodiči uključuju mnoge kemijske elemente (germanij, silicij, selen, telur, arsen itd.), veliki broj legura i kemijski spojevi. Gotovo sve anorganske tvari u svijetu oko nas su poluvodiči. Najrašireniji poluvodič u prirodi je silicij, koji čini oko 30% zemljine kore.

Kvalitativna razlika između poluvodiča i metala očituje se u ovisnost otpora o temperaturi(Sl.9.3)

Tračni model elektron-šupljinske vodljivosti poluvodiča

Tijekom obrazovanja čvrste tvari moguća je situacija kada se energetski pojas koji proizlazi iz energetskih razina valentnih elektrona izvornih atoma pokaže potpuno ispunjenim elektronima, a oni najbliži dostupni za punjenje elektronima razine energije odvojen od valentni pojas E V interval neriješenih energetska stanja- takozvani zabranjena zona npr.Iznad zabranjenog pojasa nalazi se zona energetskih stanja dopuštenih za elektrone - vodljivi pojas E c .

Vodljivi pojas pri 0 K je potpuno slobodan, a valentni pojas potpuno zauzet. Slične vrpčaste strukture karakteristične su za silicij, germanij, galijev arsenid (GaAs), indijev fosfid (InP) i mnoge druge poluvodičke čvrste tvari.

Kako se temperatura poluvodiča i dielektrika povećava, elektroni mogu primiti dodatnu energiju povezanu s toplinskim gibanjem kT. Nekim je elektronima za prijelaz dovoljna energija toplinskog gibanja od valentnog pojasa do vodljivog pojasa, gdje se elektroni pod utjecajem vanjskog električnog polja mogu gotovo slobodno kretati.

U ovom slučaju, u krugu s poluvodičkim materijalom, kako se temperatura poluvodiča povećava, električna struja će se povećavati. Ova struja povezana je ne samo s kretanjem elektrona u vodljivom pojasu, već i s izgledom prazna mjesta od elektrona koji napuštaju vodljivi pojas u valentnom pojasu, tzv rupe . Upražnjeno mjesto može zauzeti valentni elektron iz susjednog para, tada se šupljina pomiče na novo mjesto u kristalu.

Ako se poluvodič stavi u električno polje, tada u uređenom kretanju nisu uključeni samo slobodni elektroni, već i šupljine, koje se ponašaju kao pozitivno nabijene čestice. Stoga struja ja u poluvodiču se sastoji od elektrona Ja n i rupa Ip struje: ja= Ja n+ Ip.

Mehanizam vodljivosti elektron-rupa pojavljuje se samo u čistim (tj. bez primjesa) poluvodičima. To se zove vlastitu električnu vodljivost poluvodiči. Elektroni se bacaju u vodljivi pojas sa Fermijeva razina, za koji se ispostavilo da se nalazi u vlastitom poluvodiču u sredini pojasnog razmaka(Slika 9.4).

Vodljivost poluvodiča može se značajno promijeniti uvođenjem vrlo malih količina nečistoća u njih. U metalima, nečistoća uvijek smanjuje vodljivost. Dakle, dodavanje 3% atoma fosfora u čisti silicij povećava električnu vodljivost kristala za 10 5 puta.

Mali dodatak dopanta poluvodiču zove doping.

Nužan uvjet za oštro smanjenje otpora poluvodiča pri uvođenju nečistoća je razlika u valenciji atoma nečistoća od valencije glavnih atoma kristala. Vodljivost poluvodiča u prisutnosti nečistoća naziva se nečistoća vodljivost .

razlikovati dvije vrste vodljivosti primjesa – elektronička I rupa provodljivost. Elektronska vodljivost nastaje kada se peterovalentni atomi (na primjer, atomi arsena, As) uvedu u kristal germanija s četverovalentnim atomima (sl. 9.5).

Četiri valentna elektrona atoma arsena uključena su u formaciju kovalentne veze s četiri susjedna atoma germanija. Pokazalo se da je peti valentni elektron suvišan. Lako se odvaja od atoma arsena i postaje slobodan. Atom koji je izgubio elektron postaje pozitivan ion smješten na mjestu u kristalnoj rešetki.

Nečistoća atoma čija je valencija veća od valencije glavnih atoma poluvodičkog kristala naziva se donor primjesa . Kao rezultat njegovog uvođenja, u kristalu se pojavljuje značajan broj slobodnih elektrona. To dovodi do oštrog smanjenja otpora poluvodiča - tisućama, pa čak i milijunima puta.

Otpornost vodiča s visokim sadržajem nečistoća može se približiti metalnom vodiču. Takvu vodljivost zbog slobodnih elektrona nazivamo elektroničkom, a poluvodič s elektronskom vodljivošću nazivamo poluvodič n-tipa.

Vodljivost rupa nastaje kada se trovalentni atomi uvedu u kristal germanija, na primjer, atomi indija (sl. 9.5)

Slika 6 prikazuje atom indija koji je stvorio kovalentne veze sa samo tri susjedna atoma germanija koristeći svoje valentne elektrone. Atom indija nema elektron za stvaranje veze s četvrtim atomom germanija. Taj nedostajući elektron atom indija može uhvatiti iz kovalentne veze susjednih atoma germanija. U tom se slučaju atom indija pretvara u negativni ion smješten na mjestu kristalne rešetke, a u kovalentnoj vezi susjednih atoma nastaje prazno mjesto.

Smjesa atoma sposobna uhvatiti elektrone naziva se akceptorska primjesa . Kao rezultat uvođenja akceptorske nečistoće, mnoge kovalentne veze se prekidaju u kristalu i stvaraju se prazna mjesta (rupe). Elektroni iz susjednih kovalentnih veza mogu skočiti na ta mjesta, što dovodi do kaotičnog lutanja rupa po kristalu.

Koncentracija rupa u poluvodiču s akceptorskom nečistoćom znatno premašuje koncentraciju elektrona koji su nastali zbog mehanizma vlastite električne vodljivosti poluvodiča: n str>> n n. Ova vrsta vodljivosti naziva se vodljivost otvora . Poluvodič s primjesom s šupljikom vodljivošću naziva se p-tip poluvodiča . Glavni slobodni nositelji naboja u poluvodičima str-vrsta su rupe.

Prijelaz elektron-rupa. Diode i tranzistori

U suvremenoj elektroničkoj tehnologiji iznimnu ulogu imaju poluvodički elementi. U posljednja tri desetljeća gotovo su potpuno zamijenili električne vakuumske uređaje.

Bilo koji poluvodički uređaj ima jedan ili više spojeva elektron-rupa . Prijelaz elektron-rupa (ili n–str-tranzicija) - Ovo je područje kontakta između dva poluvodiča s različitim vrstama vodljivosti.

Na granici poluvodiča (sl. 9.7) nastaje dvostruki električni sloj čije električno polje sprječava proces difuzije elektrona i šupljina jednih prema drugima.

Sposobnost n–str-prijelazi omogućuju prolaz struje praktički samo u jednom smjeru, koriste se u uređajima tzv poluvodičke diode. Poluvodičke diode izrađuju se od kristala silicija ili germanija. Tijekom njihove proizvodnje, nečistoća se stapa u kristal s određenom vrstom vodljivosti, čime se dobiva drugačija vrsta vodljivosti.

Slika 9.8 prikazuje tipičnu strujno-naponsku karakteristiku silicijske diode.

Pozvali su se poluvodički uređaji s ne jednim, već s dva n–p spoja tranzistori . Tranzistori su dvije vrste: str–n–str-tranzistori i n–str–n- tranzistori. U tranzistoru n–str–n-tip osnovne germanijske ploče ima vodljivost str-tipa, a dvije regije stvorene na njemu su vodljive n-tip (sl.9.9).

U tranzistoru p–n–p– to je nekako obrnuto. Ploča tranzistora naziva se baza(B), jedno od područja sa suprotnim tipom vodljivosti - kolektor(K), a drugi – odašiljač(E).