Σε αυτό το μάθημα, θα εξετάσουμε ένα τέτοιο μέσο για τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος ως ημιαγωγούς. Θα εξετάσουμε την αρχή της αγωγιμότητάς τους, την εξάρτηση αυτής της αγωγιμότητας από τη θερμοκρασία και την παρουσία ακαθαρσιών, θα εξετάσουμε μια τέτοια έννοια όπως η διασταύρωση p-n και οι βασικές συσκευές ημιαγωγών.
Εάν κάνετε απευθείας σύνδεση, τότε το εξωτερικό πεδίο θα εξουδετερώσει το κλειδί και το ρεύμα θα γίνει από τους κύριους φορείς φόρτισης (Εικ. 9).
Ρύζι. 9. Διασταύρωση p-n με απευθείας σύνδεση ()
Στην προκειμένη περίπτωση το ρεύμα των μειοψηφικών φορέων είναι αμελητέο, είναι πρακτικά ανύπαρκτο. Επομένως, η διασταύρωση p-n παρέχει μονόδρομη αγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος.
Ρύζι. 10. Ατομική δομή πυριτίου με αυξανόμενη θερμοκρασία
Η αγωγιμότητα των ημιαγωγών είναι ηλεκτρόνιο-οπή, και αυτή η αγωγιμότητα ονομάζεται ενδογενής αγωγιμότητα. Και σε αντίθεση με τα αγώγιμα μέταλλα, με την αύξηση της θερμοκρασίας, ο αριθμός των ελεύθερων φορτίων απλώς αυξάνεται (στην πρώτη περίπτωση, δεν αλλάζει), επομένως, η αγωγιμότητα των ημιαγωγών αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και η αντίσταση μειώνεται (Εικ. 10).
Υψηλά σημαντικό θέμαστη μελέτη των ημιαγωγών είναι η παρουσία ακαθαρσιών σε αυτούς. Και στην περίπτωση της παρουσίας ακαθαρσιών, θα πρέπει να μιλάμε για αγωγιμότητα ακαθαρσιών.
Ημιαγωγοί
Το μικρό μέγεθος και η πολύ υψηλή ποιότητα των μεταδιδόμενων σημάτων έχουν κάνει τις συσκευές ημιαγωγών πολύ διαδεδομένες στη σύγχρονη ηλεκτρονική τεχνολογία. Η σύνθεση τέτοιων συσκευών μπορεί να περιλαμβάνει όχι μόνο το προαναφερθέν πυρίτιο με ακαθαρσίες, αλλά και, για παράδειγμα, γερμάνιο.
Μία από αυτές τις συσκευές είναι μια δίοδος - μια συσκευή ικανή να διέρχεται ρεύμα προς μια κατεύθυνση και να εμποδίζει τη διέλευσή του από την άλλη. Λαμβάνεται με την εμφύτευση άλλου τύπου ημιαγωγού σε κρύσταλλο ημιαγωγού τύπου p ή n (Εικ. 11).
Ρύζι. 11. Ο χαρακτηρισμός της διόδου στο διάγραμμα και το διάγραμμα της συσκευής της αντίστοιχα
Μια άλλη συσκευή, τώρα με δύο διασταυρώσεις pnονομάζεται τρανζίστορ. Χρησιμεύει όχι μόνο για την επιλογή της κατεύθυνσης ροής του ρεύματος, αλλά και για τη μετατροπή του (Εικ. 12).
Ρύζι. 12. Σχέδιο της δομής του τρανζίστορ και ο χαρακτηρισμός του στο ηλεκτρικό κύκλωμα, αντίστοιχα ()
Πρέπει να σημειωθεί ότι τα σύγχρονα μικροκυκλώματα χρησιμοποιούν πολλούς συνδυασμούς διόδων, τρανζίστορ και άλλων ηλεκτρικών συσκευών.
Στο επόμενο μάθημα, θα δούμε τη διάδοση του ηλεκτρικού ρεύματος στο κενό.
Βιβλιογραφία
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Φυσική (βασικό επίπεδο) - Μ.: Mnemozina, 2012.
- Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Φυσική τάξη 10. - Μ.: Ileksa, 2005.
- Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Η φυσικη. Ηλεκτροδυναμική. - Μ.: 2010.
- Αρχές λειτουργίας συσκευών ().
- Εγκυκλοπαίδεια Φυσικής και Τεχνολογίας ().
Εργασία για το σπίτι
- Τι προκαλεί τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας σε έναν ημιαγωγό;
- Τι είναι η εγγενής αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού;
- Πώς εξαρτάται η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού από τη θερμοκρασία;
- Ποια είναι η διαφορά μεταξύ μιας ακαθαρσίας δότη και μιας ακαθαρσίας δέκτη;
- * Ποια είναι η αγωγιμότητα του πυριτίου με πρόσμιξη α) γαλλίου, β) ινδίου, γ) φωσφόρου, δ) αντιμονίου;
Οι ημιαγωγοί περιλαμβάνουν πολλά χημικά στοιχεία (γερμάνιο, πυρίτιο, σελήνιο, τελλούριο, αρσενικό κ.λπ.), τεράστιο αριθμό κραμάτων και χημικών ενώσεων. Σχεδόν όλες οι ανόργανες ουσίες του κόσμου γύρω μας είναι ημιαγωγοί. Ο πιο κοινός ημιαγωγός στη φύση είναι το πυρίτιο, το οποίο αποτελεί περίπου το 30% του φλοιού της γης.
Η ποιοτική διαφορά μεταξύ ημιαγωγών και μετάλλων εκδηλώνεται στο εξάρτηση αντίστασης από τη θερμοκρασία(εικ.9.3)
Μοντέλο ζώνης αγωγιμότητας ηλεκτρονίων-οπών ημιαγωγών
Κατά τον σχηματισμό στερεών, είναι δυνατή μια κατάσταση όταν η ενεργειακή ζώνη που προκύπτει από τα επίπεδα ενέργειας των ηλεκτρονίων σθένους των αρχικών ατόμων αποδεικνύεται ότι είναι πλήρως γεμάτη με ηλεκτρόνια και τα πλησιέστερα διαθέσιμα επίπεδα ενέργειας για πλήρωση με ηλεκτρόνια διαχωρίζονται από ζώνη σθένους E V ένα διάστημα ανεπίλυτων ενεργειακών καταστάσεων - το λεγόμενο απαγορευμένη ζώνη Π.χΠάνω από το διάκενο ζώνης είναι η ζώνη των ενεργειακών καταστάσεων που επιτρέπεται για τα ηλεκτρόνια - ζώνη αγωγιμότητας Ε γ .
Η ζώνη αγωγιμότητας στα 0 K είναι εντελώς ελεύθερη, ενώ η ζώνη σθένους είναι εντελώς κατειλημμένη. Παρόμοιες δομές ζώνης είναι χαρακτηριστικές του πυριτίου, του γερμανίου, του αρσενιδίου του γαλλίου (GaAs), του φωσφιδίου του ινδίου (InP) και πολλών άλλων στερεών ημιαγωγών.
Με την αύξηση της θερμοκρασίας των ημιαγωγών και των διηλεκτρικών, τα ηλεκτρόνια είναι σε θέση να λαμβάνουν πρόσθετη ενέργεια που σχετίζεται με τη θερμική κίνηση. kT. Για ορισμένα ηλεκτρόνια, η ενέργεια της θερμικής κίνησης είναι αρκετή για τη μετάβαση από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας,όπου τα ηλεκτρόνια υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου μπορούν να κινούνται σχεδόν ελεύθερα.
Σε αυτήν την περίπτωση, σε ένα κύκλωμα με υλικό ημιαγωγού, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του ημιαγωγού, θα αυξάνεται και ένα ηλεκτρικό ρεύμα.Αυτό το ρεύμα συνδέεται όχι μόνο με την κίνηση των ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας, αλλά και με την εμφάνιση κενά από ηλεκτρόνια που έχουν εισέλθει στη ζώνη αγωγιμότηταςστη ζώνη σθένους, το λεγόμενο τρύπες . Μια κενή θέση μπορεί να καταληφθεί από ένα ηλεκτρόνιο σθένους από ένα γειτονικό ζεύγος, τότε η τρύπα θα μετακινηθεί σε μια νέα θέση στον κρύσταλλο.
Εάν ένας ημιαγωγός τοποθετηθεί σε ηλεκτρικό πεδίο, τότε δεν εμπλέκονται μόνο ελεύθερα ηλεκτρόνια στην διατεταγμένη κίνηση, αλλά και οπές, οι οποίες συμπεριφέρονται σαν θετικά φορτισμένα σωματίδια. Επομένως, το ρεύμα Εγώσε έναν ημιαγωγό αποτελείται από ένα ηλεκτρονικό Σεκαι τρύπα Ipρεύματα: Εγώ= Σε+ Ip.
Ο μηχανισμός αγωγιμότητας ηλεκτρονίων-οπών εκδηλώνεται μόνο σε καθαρούς (δηλαδή χωρίς ακαθαρσίες) ημιαγωγούς. Ονομάζεται δική της ηλεκτρική αγωγιμότητα ημιαγωγών. Τα ηλεκτρόνια ρίχνονται στη ζώνη αγωγιμότητας με Επίπεδο Fermi, το οποίο αποδεικνύεται ότι βρίσκεται στον δικό του ημιαγωγό στη μέση της απαγορευμένης ζώνης(Εικ. 9.4).
Είναι δυνατό να αλλάξει σημαντικά η αγωγιμότητα των ημιαγωγών με την εισαγωγή πολύ μικρών ποσοτήτων ακαθαρσιών σε αυτούς. Στα μέταλλα, μια ακαθαρσία πάντα μειώνει την αγωγιμότητα. Έτσι, η προσθήκη 3% ατόμων φωσφόρου σε καθαρό πυρίτιο αυξάνει την ηλεκτρική αγωγιμότητα του κρυστάλλου κατά 105.
Ελαφρά προσθήκη ρύπανσης στον ημιαγωγό που ονομάζεται ντόπινγκ.
Απαραίτητη προϋπόθεσηΜια απότομη μείωση της ειδικής αντίστασης ενός ημιαγωγού με την εισαγωγή ακαθαρσιών είναι η διαφορά στο σθένος των ατόμων ακαθαρσίας από το σθένος των κύριων ατόμων του κρυστάλλου. Η αγωγιμότητα των ημιαγωγών παρουσία ακαθαρσιών ονομάζεται αγωγιμότητα ακαθαρσιών .
Διακρίνω δύο είδη αγωγιμότητας ακαθαρσιών – ηλεκτρονικός και τρύπα αγώγιμο. Ηλεκτρονική αγωγιμότηταεμφανίζεται όταν πεντασθενή άτομα (για παράδειγμα, αρσενικό, As) εισάγονται σε έναν κρύσταλλο γερμανίου με τετρασθενή άτομα (Εικ. 9.5).
Τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους του ατόμου του αρσενικού εμπλέκονται στο σχηματισμό ομοιοπολικών δεσμών με τέσσερα γειτονικά άτομα γερμανίου. Το πέμπτο ηλεκτρόνιο σθένους αποδείχθηκε περιττό. Αποσπάται εύκολα από το άτομο αρσενικού και απελευθερώνεται. Ένα άτομο που έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο μετατρέπεται σε θετικό ιόν που βρίσκεται σε μια θέση στο κρυσταλλικό πλέγμα.
Ένα μείγμα ατόμων με σθένος μεγαλύτερο από το σθένος των κύριων ατόμων ενός κρυστάλλου ημιαγωγών ονομάζεται ακαθαρσία δότη . Ως αποτέλεσμα της εισαγωγής του, ένας σημαντικός αριθμός ελεύθερων ηλεκτρονίων εμφανίζεται στον κρύσταλλο. Αυτό οδηγεί σε απότομη μείωση της ειδικής αντίστασης του ημιαγωγού - κατά χιλιάδες και ακόμη και εκατομμύρια φορές.
Η ειδική αντίσταση ενός αγωγού με υψηλή περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες μπορεί να προσεγγίσει αυτή ενός μεταλλικού αγωγού. Αυτή η αγωγιμότητα, λόγω των ελεύθερων ηλεκτρονίων, ονομάζεται ηλεκτρονική και ένας ημιαγωγός με ηλεκτρονική αγωγιμότητα ημιαγωγός τύπου n.
αγωγιμότητα οπών εμφανίζεται όταν τρισθενή άτομα εισάγονται σε έναν κρύσταλλο γερμανίου, για παράδειγμα, άτομα ινδίου (Εικ. 9.5)
Το σχήμα 6 δείχνει ένα άτομο ινδίου που έχει δημιουργήσει ομοιοπολικούς δεσμούς μόνο με τρία γειτονικά άτομα γερμανίου χρησιμοποιώντας τα ηλεκτρόνια σθένους του. Το άτομο του ινδίου δεν έχει ηλεκτρόνιο για να σχηματίσει δεσμό με το τέταρτο άτομο γερμανίου. Αυτό το ηλεκτρόνιο που λείπει μπορεί να συλληφθεί από ένα άτομο ινδίου από έναν ομοιοπολικό δεσμό γειτονικών ατόμων γερμανίου. Σε αυτή την περίπτωση, το άτομο του ινδίου μετατρέπεται σε αρνητικό ιόν που βρίσκεται σε μια θέση του κρυσταλλικού πλέγματος και σχηματίζεται ένα κενό στον ομοιοπολικό δεσμό γειτονικών ατόμων.
Ένα μείγμα ατόμων ικανών να συλλάβουν ηλεκτρόνια ονομάζεται ακαθαρσία δέκτη . Ως αποτέλεσμα της εισαγωγής μιας ακαθαρσίας δέκτη στον κρύσταλλο, πολλοί ομοιοπολικοί δεσμοί σπάνε και σχηματίζονται κενές θέσεις (οπές). Τα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταπηδήσουν σε αυτά τα μέρη από γειτονικούς ομοιοπολικούς δεσμούς, γεγονός που οδηγεί σε τυχαία περιπλάνηση οπών γύρω από τον κρύσταλλο.
Η συγκέντρωση των οπών σε έναν ημιαγωγό με ακαθαρσία δέκτη υπερβαίνει σημαντικά τη συγκέντρωση των ηλεκτρονίων που έχουν προκύψει λόγω του μηχανισμού της εγγενούς ηλεκτρικής αγωγιμότητας του ημιαγωγού: np>> n n. Αυτός ο τύπος αγωγιμότητας ονομάζεται αγωγιμότητα οπών . Ένας ημιαγωγός ακαθαρσιών με αγωγιμότητα οπής ονομάζεται ημιαγωγός τύπου p . Κύριοι φορείς δωρεάν φόρτισης σε ημιαγωγούς Π- ο τύπος είναι τρύπες.
Μετάβαση ηλεκτρονίου-οπής. Δίοδοι και τρανζίστορ
Στη σύγχρονη ηλεκτρονική τεχνολογία, οι συσκευές ημιαγωγών διαδραματίζουν εξαιρετικό ρόλο. Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες, έχουν αντικαταστήσει σχεδόν πλήρως τις συσκευές ηλεκτροκενού.
Οποιαδήποτε συσκευή ημιαγωγού έχει μία ή περισσότερες διασταυρώσεις ηλεκτρονίων-οπών. . Μετάβαση ηλεκτρονίου-οπής (ή n–Π-μετάβαση) - αυτή είναι η περιοχή επαφής δύο ημιαγωγών με διαφορετικούς τύπους αγωγιμότητας.
Στο όριο των ημιαγωγών (Εικ. 9.7), σχηματίζεται ένα διπλό ηλεκτρικό στρώμα, το ηλεκτρικό πεδίο του οποίου εμποδίζει τη διαδικασία διάχυσης ηλεκτρονίων και οπών το ένα προς το άλλο.
Ικανότητα n–Π-η μετάβαση σε ρεύμα διέλευσης σχεδόν σε μία μόνο κατεύθυνση χρησιμοποιείται σε συσκευές που ονομάζονται διόδους ημιαγωγών. Οι δίοδοι ημιαγωγών κατασκευάζονται από κρυστάλλους πυριτίου ή γερμανίου. Κατά την κατασκευή τους, μια ακαθαρσία λιώνεται σε έναν κρύσταλλο με συγκεκριμένο τύπο αγωγιμότητας, ο οποίος παρέχει διαφορετικό τύπο αγωγιμότητας.
Το σχήμα 9.8 δείχνει ένα τυπικό χαρακτηριστικό βολτ-αμπέρ μιας διόδου πυριτίου.
Ονομάζονται συσκευές ημιαγωγών με όχι μία αλλά δύο διασταυρώσεις n-p τρανζίστορ . Τα τρανζίστορ είναι δύο τύπων: Π–n–Π-τρανζίστορ και n–Π–n- τρανζίστορ. σε τρανζίστορ n–Π–n-τύπου βασικής πλάκας γερμανίου είναι αγώγιμη Π-τύπος, και οι δύο περιοχές που δημιουργούνται σε αυτό - από την αγωγιμότητα n-τύπος (Εικόνα 9.9).
σε τρανζίστορ p–n–p- είναι κάπως το αντίθετο. Η πλάκα ενός τρανζίστορ ονομάζεται βάση(Β), μια από τις περιοχές με τον αντίθετο τύπο αγωγιμότητας - συλλέκτης(Κ), και το δεύτερο - εκπόμπος(ΜΙ).
Ηλεκτρική ενέργεια σε ημιαγωγούς Σκοπός του μαθήματος: να σχηματιστεί μια ιδέα για τους ελεύθερους φορείς ηλεκτρικού φορτίου στους ημιαγωγούς και τη φύση του ηλεκτρικού ρεύματος στους ημιαγωγούς. Είδος μαθήματος: νέο υλικό μάθησης. ΣΧΕΔΙΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Έλεγχος γνώσεων 5 λεπτά. 1. Ηλεκτρικό ρεύμα σε μέταλλα. 2. Ηλεκτρικό ρεύμα σε ηλεκτρολύτες. 3. Ο νόμος του Faraday για την ηλεκτρόλυση. 4. Ηλεκτρικό ρεύμα σε αέρια Επίδειξη 5 min. Αποσπάσματα της βιντεοταινίας «Ηλεκτρικό ρεύμα σε ημιαγωγούς» Εκμάθηση νέου υλικού 28 λεπτά. 1. Φορείς φόρτισης σε ημιαγωγούς. 2. Αγωγιμότητα προσμίξεων ημιαγωγών. 3. Μετάβαση ηλεκτρονίου-οπής. 4. Δίοδοι και τρανζίστορ ημιαγωγών. 5. Ολοκληρωμένα κυκλώματα Ενοποίηση του μελετημένου υλικού 7 min. 1. Ποιοτικές ερωτήσεις. 2. Εκμάθηση επίλυσης προβλημάτων ΜΕΛΕΤΗ ΝΕΟΥ ΥΛΙΚΟΥ 1. Φορτία μεταφοράς σε ημιαγωγούς Οι ειδικές αντιστάσεις των ημιαγωγών σε θερμοκρασία δωματίου έχουν τιμές που βρίσκονται σε μεγάλο εύρος, π.χ. από 10-3 έως 107 Ohm m, και καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ μετάλλων και διηλεκτρικών. Οι ημιαγωγοί είναι ουσίες των οποίων η ειδική αντίσταση μειώνεται πολύ γρήγορα με την αύξηση της θερμοκρασίας. Οι ημιαγωγοί περιλαμβάνουν πολλά χημικά στοιχεία (βόριο, πυρίτιο, γερμάνιο, φώσφορο, αρσενικό, σελήνιο, τελλούριο κ.λπ.), έναν τεράστιο αριθμό ορυκτών, κραμάτων και χημικών ενώσεων. Σχεδόν όλες οι ανόργανες ουσίες του γύρω κόσμου είναι ημιαγωγοί. Για επαρκώς χαμηλές θερμοκρασίες και απουσία εξωτερικών επιδράσεων φωτισμού ή θέρμανσης), οι ημιαγωγοί δεν μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα: υπό αυτές τις συνθήκες, όλα τα ηλεκτρόνια στους ημιαγωγούς είναι δεσμευμένα. Ωστόσο, ο δεσμός των ηλεκτρονίων με τα άτομα τους στους ημιαγωγούς δεν είναι τόσο ισχυρός όσο στα διηλεκτρικά. Και σε περίπτωση αύξησης της θερμοκρασίας, καθώς και για έντονο φωτισμό, μερικά ηλεκτρόνια αποσπώνται από τα άτομα τους και γίνονται ελεύθερα φορτία, δηλαδή μπορούν να κινηθούν σε όλο το δείγμα. Εξαιτίας αυτού, οι φορείς αρνητικού φορτίου εμφανίζονται σε ημιαγωγούς - ελεύθερα ηλεκτρόνια. τα ηλεκτρόνια ονομάζονται ηλεκτρόνιο. Όταν ένα ηλεκτρόνιο αποσπάται από ένα άτομο, το θετικό φορτίο αυτού του ατόμου γίνεται χωρίς αντιστάθμιση, δηλ. Σε αυτό το σημείο εμφανίζεται ένα επιπλέον θετικό φορτίο, το οποίο ονομάζεται «τρύπα». Το άτομο κοντά στο οποίο έχει σχηματιστεί μια οπή μπορεί να αφαιρέσει ένα δεσμευμένο ηλεκτρόνιο από ένα γειτονικό άτομο, ενώ η οπή θα μετακινηθεί στο γειτονικό άτομο και αυτό το άτομο, με τη σειρά του, μπορεί να «μεταφέρει» την οπή περαιτέρω. Μια τέτοια κίνηση «σκυτάλης» δεσμευμένων ηλεκτρονίων μπορεί να θεωρηθεί ως κίνηση οπών, δηλαδή θετικά φορτία. Η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού λόγω κίνησης (για παράδειγμα, φορτίο. Η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού λόγω της κίνησης των οπών ονομάζεται οπή. Η διαφορά μεταξύ της αγωγιμότητας της οπής και της ηλεκτρονικής αγωγιμότητας είναι ότι η ηλεκτρονική αγωγιμότητα οφείλεται στην κίνηση του ελεύθερου ηλεκτρόνια στους ημιαγωγούς και η αγωγιμότητα της οπής οφείλεται στην κίνηση των δεσμευμένων ηλεκτρονίων Σε έναν καθαρό ημιαγωγό (χωρίς ακαθαρσίες), ένα ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί τον ίδιο αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών. Αυτή η αγωγιμότητα ονομάζεται εγγενής αγωγιμότητα των ημιαγωγών.2 Αγωγιμότητα προσμίξεων ημιαγωγών Εάν προσθέσετε μικρή ποσότητα αρσενικού (περίπου 10-5%) σε καθαρό λιωμένο πυρίτιο, μετά τη σκλήρυνση, συνηθισμένο κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου, αλλά σε ορισμένες θέσεις πλέγματος, αντί για άτομα πυριτίου, θα υπάρχουν άτομα αρσενικού. Το αρσενικό, όπως γνωρίζετε, είναι ένα πεντασθενές στοιχείο.Τα χοτισθενή ηλεκτρόνια σχηματίζουν ζευγαρωμένους ηλεκτρονικούς δεσμούς με γειτονικά άτομα πυριτίου. Το ντο ηλεκτρόνιο δεν θα έχει αρκετούς δεσμούς, ενώ θα είναι τόσο ασθενώς συνδεδεμένο με το άτομο του αρσενικού, το οποίο γίνεται εύκολα ελεύθερο. Ως αποτέλεσμα, κάθε άτομο ακαθαρσίας θα δώσει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Οι ακαθαρσίες των οποίων τα άτομα δίνουν εύκολα ηλεκτρόνια ονομάζονται ακαθαρσίες δότη. Τα ηλεκτρόνια από άτομα πυριτίου μπορούν να γίνουν ελεύθερα, σχηματίζοντας μια τρύπα, επομένως, οι ακαθαρσίες που "συλλαμβάνουν" τα ηλεκτρόνια των ατόμων μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα σε έναν κρύσταλλο και ονομάζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια και τρύπες. Ωστόσο, θα υπάρχουν πολλές φορές περισσότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια από οπές. Οι ημιαγωγοί στους οποίους τα ηλεκτρόνια είναι οι περισσότεροι φορείς φορτίου ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου n. Εάν προστεθεί μικρή ποσότητα τρισθενούς ινδίου στο πυρίτιο, τότε η φύση της αγωγιμότητας του ημιαγωγού θα αλλάξει. Δεδομένου ότι το ίνδιο έχει τρία ηλεκτρόνια σθένους, μπορεί να δημιουργήσει έναν ομοιοπολικό δεσμό μόνο με τρία γειτονικά άτομα. Ένα ηλεκτρόνιο δεν αρκεί για τη δημιουργία δεσμού με το τέταρτο άτομο. Το ίνδιο "δανείζεται" ένα ηλεκτρόνιο από γειτονικά άτομα, με αποτέλεσμα κάθε άτομο της Ινδίας να σχηματίζει ένα κενό μέρος - μια τρύπα. κρυσταλλικό πλέγμα ημιαγωγών, δέκτης. Στην περίπτωση μιας ακαθαρσίας δέκτη, οι κύριοι φορείς φορτίου έχουν οπές κατά τη διέλευση ενός ηλεκτρικού ρεύματος μέσω ενός ημιαγωγού. Οι ημιαγωγοί στους οποίους οι οπές είναι οι περισσότεροι φορείς φορτίου ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου p. Σχεδόν όλοι οι ημιαγωγοί περιέχουν ακαθαρσίες δότη και δέκτη. Ο τύπος της αγωγιμότητας των ημιαγωγών καθορίζει την ακαθαρσία με υψηλότερη συγκέντρωση φορέων φορτίου - ηλεκτρονίων και οπών. 3. Μετάβαση ηλεκτρονίου-οπής Μεταξύ των φυσικών ιδιοτήτων που είναι εγγενείς στους ημιαγωγούς, οι ιδιότητες των επαφών (p-n-junction) μεταξύ ημιαγωγών με διαφορετικούς τύπους αγωγιμότητας έχουν λάβει τη μεγαλύτερη χρήση. Σε έναν ημιαγωγό τύπου n, τα ηλεκτρόνια συμμετέχουν στη θερμική κίνηση και διαχέονται μέσω του ορίου στον ημιαγωγό τύπου p, όπου η συγκέντρωσή τους είναι πολύ χαμηλότερη. Ομοίως, οι οπές θα διαχέονται από έναν ημιαγωγό τύπου p σε έναν ημιαγωγό τύπου n. Αυτό συμβαίνει ακριβώς όπως τα άτομα μιας διαλυμένης ουσίας διαχέονται από ένα ισχυρό διάλυμα σε ένα ασθενές όταν συγκρούονται. Ως αποτέλεσμα της διάχυσης, η περιοχή σχεδόν επαφής εξαντλείται από τους κύριους φορείς φορτίου: στον ημιαγωγό τύπου n, η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων μειώνεται και στον ημιαγωγό τύπου p, η συγκέντρωση των οπών. Επομένως, η αντίσταση της περιοχής επαφής είναι πολύ σημαντική. Η διάχυση ηλεκτρονίων και οπών μέσω της διασταύρωσης p-n οδηγεί στο γεγονός ότι ο ημιαγωγός τύπου n από τον οποίο προέρχονται τα ηλεκτρόνια φορτίζεται θετικά και ο τύπος p φορτίζεται αρνητικά. Σχηματίζεται ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα, το οποίο δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο που εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση των ελεύθερων φορέων ρεύματος μέσω της επαφής του ημιαγωγού. Σε μια ορισμένη τάση μεταξύ του διπλού φορτισμένου στρώματος, σταματά η περαιτέρω εξαθλίωση της περιοχής σχεδόν επαφής από τους κύριους φορείς. Εάν τώρα ο ημιαγωγός είναι συνδεδεμένος σε μια πηγή ρεύματος έτσι ώστε η ηλεκτρονική του περιοχή να συνδέεται με τον αρνητικό πόλο της πηγής και η περιοχή της οπής στον θετικό πόλο, τότε το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από την πηγή ρεύματος θα κατευθυνθεί έτσι ώστε να κινηθεί οι κύριοι φορείς ρεύματος σε κάθε τμήμα του ημιαγωγού με p- n-διασταύρωση. Κατά την επαφή, το τμήμα θα εμπλουτιστεί με τους κύριους φορείς ρεύματος και η αντίστασή του θα μειωθεί. Ένα σημαντικό ρεύμα θα ρέει μέσω της επαφής. Η κατεύθυνση του ρεύματος σε αυτή την περίπτωση ονομάζεται παροχή ή άμεση. Εάν, ωστόσο, ένας ημιαγωγός τύπου n είναι συνδεδεμένος στο θετικό και ένας ημιαγωγός τύπου p στον αρνητικό πόλο της πηγής, τότε η περιοχή σχεδόν επαφής επεκτείνεται. Η αντίσταση της περιοχής είναι πολύ αυξημένη. Το ρεύμα μέσω του στρώματος μετάβασης θα είναι πολύ μικρό. Αυτή η κατεύθυνση του ρεύματος ονομάζεται κλείσιμο ή αντίστροφη. 4. Διόδους και τρανζίστορ ημιαγωγών Επομένως, μέσω της διεπαφής μεταξύ ημιαγωγών τύπου n και τύπου p, το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μόνο προς μία κατεύθυνση - από τον ημιαγωγό τύπου p στον ημιαγωγό τύπου n. Αυτό χρησιμοποιείται σε συσκευές που ονομάζονται δίοδοι. Οι δίοδοι ημιαγωγών χρησιμοποιούνται για την ανόρθωση εναλλασσόμενου ρεύματος (αυτό το ρεύμα ονομάζεται εναλλασσόμενο), καθώς και για την κατασκευή LED. Οι ανορθωτές ημιαγωγών έχουν υψηλή αξιοπιστία και μεγάλη διάρκεια ζωής. συσκευές: Οι δίοδοι ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ευρέως σε ραδιοφωνικούς δέκτες, συσκευές εγγραφής βίντεο, τηλεοράσεις, υπολογιστές. Μια ακόμη πιο σημαντική εφαρμογή των ημιαγωγών ήταν το τρανζίστορ. Αποτελείται από τρία στρώματα ημιαγωγών: στις άκρες υπάρχουν ημιαγωγοί ενός τύπου και μεταξύ τους ένα λεπτό στρώμα ημιαγωγών άλλου τύπου. Η ευρεία χρήση των τρανζίστορ οφείλεται στο γεγονός ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ενίσχυση ηλεκτρικών σημάτων. Ως εκ τούτου, το τρανζίστορ έχει γίνει το κύριο στοιχείο πολλών συσκευών ημιαγωγών. 5. Ολοκληρωμένα κυκλώματα Οι δίοδοι και τα τρανζίστορ ημιαγωγών είναι τα δομικά στοιχεία πολύ σύνθετων συσκευών, που ονομάζονται ολοκληρωμένα κυκλώματα. Τα μικροκυκλώματα λειτουργούν σήμερα σε υπολογιστές και τηλεοράσεις, κινητά τηλέφωνα και τεχνητούς δορυφόρους, σε αυτοκίνητα, αεροπλάνα, ακόμη και σε πλυντήρια ρούχων. Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα κατασκευάζεται σε γκοφρέτα πυριτίου. Το μέγεθος της πλάκας είναι από ένα χιλιοστό έως ένα εκατοστό, και μια τέτοια πλάκα μπορεί να φιλοξενήσει έως και ένα εκατομμύριο εξαρτήματα - μικροσκοπικές διόδους, τρανζίστορ, αντιστάσεις κ.λπ. Σημαντικά πλεονεκτήματα των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων είναι η υψηλή ταχύτητα και αξιοπιστία, καθώς και το χαμηλό κόστος . Χάρη σε αυτό, με βάση τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, ήταν δυνατή η δημιουργία πολύπλοκων, αλλά προσβάσιμων σε πολλές συσκευές, υπολογιστές και σύγχρονες οικιακές συσκευές. ΕΡΩΤΗΣΗ ΠΡΟΣ ΤΟΥΣ ΜΑΘΗΤΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΝΕΟΥ ΥΛΙΚΟΥ Πρώτο επίπεδο 1. Ποιες ουσίες μπορούν να ταξινομηθούν ως ημιαγωγές; 2. Η κίνηση ποιων φορτισμένων σωματιδίων δημιουργεί ρεύμα στους ημιαγωγούς; 3. Γιατί η αντίσταση των ημιαγωγών εξαρτάται πολύ έντονα από την παρουσία ακαθαρσιών; 4. Πώς σχηματίζεται μια διασταύρωση p-n; Τι ιδιότητα έχει μια διασταύρωση p-n; 5. Γιατί οι δωρεάν φορείς φόρτισης δεν μπορούν να περάσουν από τη διασταύρωση p-n ενός ημιαγωγού; Δεύτερο επίπεδο 1. Μετά την εισαγωγή ακαθαρσιών αρσενικού στο γερμάνιο, η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας αυξήθηκε. Πώς άλλαξε η συγκέντρωση των οπών σε αυτή την περίπτωση; 2. Με τη βοήθεια ποιας εμπειρίας μπορεί κανείς να πειστεί για τη μονόπλευρη αγωγιμότητα μιας διόδου ημιαγωγών; 3. Είναι δυνατόν να επιτευχθεί μια σύνδεση pn με τη σύντηξη κασσίτερου σε γερμάνιο ή πυρίτιο; ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΜΕΛΕΤΗΜΕΝΟΥ ΥΛΙΚΟΥ 1). Ποιοτικές ερωτήσεις 1. Γιατί οι απαιτήσεις για την καθαρότητα των ημιαγωγών υλικών είναι πολύ υψηλές (σε ορισμένες περιπτώσεις δεν επιτρέπεται η παρουσία έστω και ενός ατόμου ακαθαρσίας ανά εκατομμύριο άτομα); 2. Μετά την εισαγωγή ακαθαρσιών αρσενικού στο γερμάνιο, η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας αυξήθηκε. Πώς άλλαξε η συγκέντρωση των οπών σε αυτή την περίπτωση; 3. Τι συμβαίνει στην επαφή δύο ημιαγωγών τύπου n και p; 4. Σε ένα κλειστό κουτί βρίσκονται μια δίοδος ημιαγωγών και ένας ρεοστάτης. Τα άκρα των συσκευών βγαίνουν έξω και συνδέονται με τους ακροδέκτες. Πώς να προσδιορίσετε ποιοι ακροδέκτες ανήκουν σε μια δίοδο; 2). Μαθαίνοντας να λύνουμε προβλήματα 1. Τι είδους αγωγιμότητα (ηλεκτρονική ή τρύπα) έχει το πυρίτιο με γάλλιο; Ινδία? φώσφορος? αντιμόνιο? 2. Ποια αγωγιμότητα (ηλεκτρονική ή τρύπα) θα έχει το πυρίτιο εάν προστεθεί φώσφορος σε αυτό; βόριο? αλουμίνιο? αρσενικό? 3. Πώς θα αλλάξει η αντίσταση ενός δείγματος πυριτίου με πρόσμειξη φωσφόρου εάν εισαχθεί σε αυτό πρόσμειξη γαλλίου; Η συγκέντρωση των ατόμων φωσφόρου και γαλλίου είναι η ίδια. (Απάντηση: θα αυξηθεί) ΤΙ ΜΑΘΑΜΕ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ · Οι ημιαγωγοί είναι ουσίες των οποίων η ειδική αντίσταση μειώνεται πολύ γρήγορα με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων ονομάζεται ηλεκτρονική. Η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού λόγω της κίνησης των οπών ονομάζεται αγωγιμότητα οπών. Οι ακαθαρσίες των οποίων τα άτομα δίνουν εύκολα ηλεκτρόνια ονομάζονται ακαθαρσίες δότη. · Οι ημιαγωγοί στους οποίους οι κύριοι φορείς φορτίου είναι τα ηλεκτρόνια ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου n. · Οι προσμίξεις που «συλλαμβάνουν» τα ηλεκτρόνια των ατόμων του κρυσταλλικού πλέγματος των ημιαγωγών ονομάζονται δέκτης. · Οι ημιαγωγοί στους οποίους οι οπές είναι οι κύριοι φορείς φορτίου ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου p. · Η επαφή δύο ημιαγωγών με διαφορετικούς τύπους αγωγιμότητας έχει τις ιδιότητες να μεταφέρει το ρεύμα καλά προς μία κατεύθυνση και πολύ χειρότερα προς την αντίθετη κατεύθυνση, δηλ. έχει μονοκατευθυντική αγωγιμότητα. Εργασία για το σπίτι 1. §§ 11, 12.
Γεια σας αγαπητοί αναγνώστες του ιστότοπου. Ο ιστότοπος έχει μια ενότητα αφιερωμένη σε αρχάριους ραδιοερασιτέχνες, αλλά μέχρι στιγμής δεν έχω γράψει τίποτα για αρχάριους που κάνουν τα πρώτα τους βήματα στον κόσμο των ηλεκτρονικών. Συμπληρώνω αυτό το κενό, και από αυτό το άρθρο αρχίζουμε να εξοικειωνόμαστε με τη συσκευή και τη λειτουργία των εξαρτημάτων ραδιοφώνου (radio components).
Ας ξεκινήσουμε με συσκευές ημιαγωγών. Αλλά για να καταλάβει κανείς πώς λειτουργεί μια δίοδος, θυρίστορ ή τρανζίστορ, πρέπει να καταλάβει τι ημιαγωγός. Ως εκ τούτου, θα μελετήσουμε πρώτα τη δομή και τις ιδιότητες των ημιαγωγών σε μοριακό επίπεδο και στη συνέχεια θα ασχοληθούμε με τη λειτουργία και το σχεδιασμό των ραδιοεξαρτημάτων ημιαγωγών.
Γενικές έννοιες.
Γιατί ακριβώς ημιαγωγόςδίοδος, τρανζίστορ ή θυρίστορ; Διότι η βάση αυτών των ραδιοεξαρτημάτων είναι ημιαγωγώνΟυσίες ικανές τόσο να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα όσο και να εμποδίζουν τη διέλευσή του.
Πρόκειται για μια μεγάλη ομάδα ουσιών που χρησιμοποιούνται στη ραδιομηχανική (γερμάνιο, πυρίτιο, σελήνιο, οξείδιο του χαλκού), αλλά για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών, χρησιμοποιούν κυρίως μόνο Πυρίτιο(Si) και Γερμάνιο(Ge).
Σύμφωνα με τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες, οι ημιαγωγοί καταλαμβάνουν μια μέση θέση μεταξύ αγωγών και μη αγωγών ηλεκτρικού ρεύματος.
Ιδιότητες ημιαγωγών.
Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των αγωγών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.
Σε πολύ χαμηλόςθερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273°C), ημιαγωγοί μην πραγματοποιήσετεηλεκτρικό ρεύμα και προβολήθερμοκρασία, την αντίστασή τους στο ρεύμα μειώνεται.
Αν δείξετε τον ημιαγωγό φως, τότε η ηλεκτρική του αγωγιμότητα αρχίζει να αυξάνεται. Χρησιμοποιώντας αυτή την ιδιότητα των ημιαγωγών, δημιουργήθηκαν φωτοβολταϊκάσυσκευές. Οι ημιαγωγοί είναι επίσης ικανοί να μετατρέπουν την φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρικό ρεύμα, για παράδειγμα, τα ηλιακά πάνελ. Και όταν εισάγεται στους ημιαγωγούς ακαθαρσίεςορισμένες ουσίες, η ηλεκτρική αγωγιμότητα τους αυξάνεται δραματικά.
Η δομή των ατόμων ημιαγωγών.
Το γερμάνιο και το πυρίτιο είναι τα κύρια υλικά πολλών συσκευών ημιαγωγών και έχουν τέσσερις ηλεκτρόνιο σθένους.
Ατομο Γερμανίααποτελείται από 32 ηλεκτρόνια και ένα άτομο πυρίτιοαπό 14. Αλλά μόνο 28 ηλεκτρόνια του ατόμου γερμανίου και 10 ηλεκτρόνια του ατόμου του πυριτίου που βρίσκονται σε εσωτερικά στρώματατα κελύφη τους συγκρατούνται σταθερά από τους πυρήνες και δεν ξεκολλάνε ποτέ από αυτά. Μόλις τέσσεριςΤα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων αυτών των αγωγών μπορούν να γίνουν ελεύθερα, και ακόμη και τότε όχι πάντα. Και αν ένα άτομο ημιαγωγού χάσει τουλάχιστον ένα ηλεκτρόνιο, τότε γίνεται θετικό ιόν.
Σε έναν ημιαγωγό, τα άτομα είναι διατεταγμένα με αυστηρή σειρά: κάθε άτομο περιβάλλεται από τέσσεριςτα ίδια άτομα. Επιπλέον, βρίσκονται τόσο κοντά το ένα στο άλλο που τα ηλεκτρόνια σθένους τους σχηματίζουν μεμονωμένες τροχιές περνώντας γύρω από γειτονικά άτομα, δεσμεύοντας έτσι τα άτομα σε μια ενιαία ολόκληρη ουσία.
Ας αναπαραστήσουμε τη διασύνδεση των ατόμων σε έναν ημιαγωγό κρύσταλλο με τη μορφή ενός επίπεδου διαγράμματος.
Στο διάγραμμα, κόκκινες μπάλες με συν, συμβατικά, υποδηλώνουν πυρήνες ατόμων(θετικά ιόντα), και οι μπλε μπάλες είναι ηλεκτρόνια σθένους.
Εδώ μπορείτε να δείτε ότι γύρω από κάθε άτομο βρίσκονται τέσσεριςακριβώς τα ίδια άτομα, και καθένα από αυτά τα τέσσερα έχει μια σύνδεση με τέσσερα άλλα άτομα, και ούτω καθεξής. Κάθε ένα από τα άτομα συνδέεται με κάθε γειτονικό δύοηλεκτρόνια σθένους, και το ένα ηλεκτρόνιο είναι δικό του και το άλλο είναι δανεισμένο από ένα γειτονικό άτομο. Ένας τέτοιος δεσμός ονομάζεται δεσμός δύο ηλεκτρονίων. ομοιοπολική.
Με τη σειρά του, το εξωτερικό στρώμα του κελύφους ηλεκτρονίων κάθε ατόμου περιέχει οκτώηλεκτρόνια: τέσσεριςτο δικό τους, και μόνος, δανεισμένο από τέσσερα γειτονικόςάτομα. Εδώ δεν είναι πλέον δυνατό να διακρίνει κανείς ποιο από τα ηλεκτρόνια σθένους στο άτομο είναι «δικό του» και ποιο «ξένο», αφού έχουν γίνει κοινά. Με έναν τέτοιο δεσμό ατόμων σε ολόκληρη τη μάζα ενός κρυστάλλου γερμανίου ή πυριτίου, μπορούμε να υποθέσουμε ότι ένας κρύσταλλος ημιαγωγών είναι ένα μεγάλο μόριο. Στο σχήμα, ροζ και κίτρινοι κύκλοι δείχνουν τη σύνδεση μεταξύ των εξωτερικών στρωμάτων των κελυφών δύο γειτονικών ατόμων.
Ηλεκτρική αγωγιμότητα ημιαγωγών.
Εξετάστε ένα απλοποιημένο σχέδιο ενός κρυστάλλου ημιαγωγού, όπου τα άτομα συμβολίζονται με μια κόκκινη σφαίρα με ένα συν και οι διατομικοί δεσμοί εμφανίζονται με δύο γραμμές που συμβολίζουν τα ηλεκτρόνια σθένους.
Σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν, ένας ημιαγωγός δεν διεξάγειρεύμα, αφού δεν έχει ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αλλά με αύξηση της θερμοκρασίας, ο δεσμός των ηλεκτρονίων σθένους με τους πυρήνες των ατόμων εξασθενείκαι μερικά από τα ηλεκτρόνια, λόγω θερμικής κίνησης, μπορεί να εγκαταλείψουν τα άτομα τους. Το ηλεκτρόνιο που διαφεύγει από τον διατομικό δεσμό γίνεται " Ελεύθερος», και εκεί που ήταν πριν, σχηματίζεται ένα κενό μέρος, που συμβατικά ονομάζεται τρύπα.
Πως πάνω απόθερμοκρασία ημιαγωγών, η περισσότερογίνεται ελεύθερα ηλεκτρόνια και τρύπες. Ως αποτέλεσμα, αποδεικνύεται ότι ο σχηματισμός μιας "τρύπας" σχετίζεται με την αποχώρηση ενός ηλεκτρονίου σθένους από το κέλυφος ενός ατόμου και η ίδια η οπή γίνεται θετικόςηλεκτρικό φορτίο ίσο με αρνητικόςφορτίο ενός ηλεκτρονίου.
Τώρα ας δούμε το σχήμα, το οποίο δείχνει σχηματικά το φαινόμενο της εμφάνισης ρεύματος σε έναν ημιαγωγό.
Εάν εφαρμόσετε κάποια τάση στον ημιαγωγό, τις επαφές "+" και "-", τότε θα εμφανιστεί ένα ρεύμα σε αυτόν.
Εξαιτίας θερμικά φαινόμενα, σε έναν ημιαγωγό κρύσταλλο από διατομικούς δεσμούς θα ξεκινήσει να απελευθερωθείκάποιο πλήθος ηλεκτρονίων (μπλε μπάλες με βέλη). Τα ηλεκτρόνια έλκονται θετικόςπόλος της πηγής τάσης θα είναι κίνησηπρος αυτόν, αφήνοντας πίσω τρύπες, το οποίο θα συμπληρώσουν άλλοι απελευθερωμένα ηλεκτρόνια. Δηλαδή, υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, οι φορείς φορτίου αποκτούν μια ορισμένη ταχύτητα κατευθυντικής κίνησης και έτσι δημιουργούν ηλεκτρική ενέργεια.
Για παράδειγμα: το ελευθερωμένο ηλεκτρόνιο που βρίσκεται πιο κοντά στον θετικό πόλο της πηγής τάσης έλκονταιαυτόν τον πόλο. Σπάζοντας τον διατομικό δεσμό και αφήνοντάς τον, το ηλεκτρόνιο φύλλαμετά τον εαυτό μου τρύπα. Ένα άλλο απελευθερωμένο ηλεκτρόνιο, το οποίο βρίσκεται σε μερικά μετακίνησηκαι από τον θετικό πόλο έλκονταικοντάρι και κίνησηαπέναντί του, αλλά έχοντας συναντηθείμια τρύπα στο πέρασμά του, έλκεται από αυτό πυρήναςάτομο, αποκαθιστώντας τον διατομικό δεσμό.
Το αποτέλεσμα νέοςτρύπα μετά το δεύτερο ηλεκτρόνιο, γεμίζειτο τρίτο απελευθερωμένο ηλεκτρόνιο, που βρίσκεται δίπλα σε αυτή την οπή (Εικόνα Νο. 1). Με τη σειρά του τρύπες, που είναι πιο κοντά σε αρνητικόςκοντάρι, γεμάτο με άλλα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια(Εικόνα Νο. 2). Έτσι, δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα στον ημιαγωγό.
Αρκεί να λειτουργεί ο ημιαγωγός ηλεκτρικό πεδίο, αυτή η διαδικασία συνεχής: σπάνε διατομικοί δεσμοί - εμφανίζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια - σχηματίζονται οπές. Οι οπές γεμίζουν με απελευθερωμένα ηλεκτρόνια - οι διατομικοί δεσμοί αποκαθίστανται, ενώ άλλοι διατομικοί δεσμοί σπάνε, από τους οποίους φεύγουν ηλεκτρόνια και γεμίζουν τις ακόλουθες οπές (Εικόνα Νο. 2-4).
Από αυτό συμπεραίνουμε: τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από τον αρνητικό πόλο της πηγής τάσης στον θετικό και οι οπές μετακινούνται από τον θετικό πόλο στον αρνητικό.
Αγωγιμότητα ηλεκτρονίων-οπών.
Σε έναν «καθαρό» κρύσταλλο ημιαγωγών, ο αριθμός απελευθερώθηκεηλεκτρόνια αυτή τη στιγμή είναι ίσο με τον αριθμό αναδυόμενεςσε αυτή την περίπτωση, υπάρχουν τρύπες, οπότε η ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός τέτοιου ημιαγωγού μικρό, αφού παρέχει ηλεκτρικό ρεύμα μεγάλοαντίσταση, και αυτή η ηλεκτρική αγωγιμότητα ονομάζεται το δικό.
Αν όμως προσθέσουμε στον ημιαγωγό στη μορφή ακαθαρσίεςένας ορισμένος αριθμός ατόμων άλλων στοιχείων, τότε η ηλεκτρική του αγωγιμότητα θα αυξηθεί σημαντικά, και ανάλογα δομέςάτομα στοιχείων ακαθαρσίας, η ηλεκτρική αγωγιμότητα του ημιαγωγού θα είναι ηλεκτρονικόςή διάτρητο.
ηλεκτρονική αγωγιμότητα.
Ας υποθέσουμε ότι σε έναν κρύσταλλο ημιαγωγών, στον οποίο τα άτομα έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους, έχουμε αντικαταστήσει ένα άτομο με ένα άτομο στο οποίο πέντεηλεκτρόνια σθένους. Αυτό το άτομο τέσσεριςτα ηλεκτρόνια θα συνδεθούν με τέσσερα γειτονικά άτομα του ημιαγωγού και πέμπτοςτο ηλεκτρόνιο σθένους θα παραμείνει περιττόςσημαίνει δωρεάν. Και από περισσότερο περισσότεροθα είναι ελεύθερα ηλεκτρόνια, πράγμα που σημαίνει ότι ένας τέτοιος ημιαγωγός θα πλησιάσει ένα μέταλλο στις ιδιότητές του και για να το περάσει ηλεκτρικό ρεύμα, οι διατομικοί δεσμοί δεν χρειάζεται να καταστραφούν.
Οι ημιαγωγοί με τέτοιες ιδιότητες ονομάζονται ημιαγωγοί με αγωγιμότητα του τύπου " n», ή ημιαγωγούς n-τύπος. Εδώ το λατινικό γράμμα n προέρχεται από τη λέξη "αρνητικό" (αρνητικό) - δηλαδή, "αρνητικό". Από αυτό προκύπτει ότι σε έναν ημιαγωγό n-τύπος κύριοςοι φορείς φόρτισης είναι - ηλεκτρόνια, και όχι τα κύρια - τρύπες.
αγωγιμότητα οπών.
Ας πάρουμε τον ίδιο κρύσταλλο, αλλά τώρα θα αντικαταστήσουμε το άτομό του με ένα άτομο στο οποίο μόνο τρίαελεύθερο ηλεκτρόνιο. Με τα τρία ηλεκτρόνια του, θα συνδεθεί μόνο με τρίαγειτονικά άτομα, και για να συνδεθεί με το τέταρτο άτομο, δεν θα έχει αρκετό έναςηλεκτρόνιο. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται τρύπα. Φυσικά, θα γεμίσει με οποιοδήποτε άλλο ελεύθερο ηλεκτρόνιο κοντά, αλλά, σε κάθε περίπτωση, δεν θα υπάρχει τέτοιος ημιαγωγός στον κρύσταλλο. αρπάζωηλεκτρόνια για να γεμίσουν τρύπες. Και από περισσότεροθα υπάρχουν τέτοια άτομα στον κρύσταλλο, άρα περισσότεροθα υπάρχουν τρύπες.
Για να απελευθερωθούν ελεύθερα ηλεκτρόνια και να κινηθούν σε έναν τέτοιο ημιαγωγό, Οι δεσμοί σθένους μεταξύ των ατόμων πρέπει να καταστραφούν. Όμως τα ηλεκτρόνια δεν θα είναι αρκετά, αφού ο αριθμός των οπών θα είναι πάντα περισσότεροαριθμός ηλεκτρονίων σε κάθε δεδομένη στιγμή.
Τέτοιοι ημιαγωγοί ονομάζονται ημιαγωγοί με διάτρητοαγωγιμότητα ή αγωγούς Π-type, που στα λατινικά «positive» σημαίνει «θετικός». Έτσι, το φαινόμενο του ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν ημιαγωγό κρύσταλλο τύπου p συνοδεύεται από συνεχή εμφάνισηκαι εξαφάνισητα θετικά φορτία είναι τρύπες. Και αυτό σημαίνει ότι σε έναν ημιαγωγό Π-τύπος κύριοςφορείς τελών είναι τρύπες, και όχι βασικά - ηλεκτρόνια.
Τώρα που έχετε κάποια κατανόηση των φαινομένων που συμβαίνουν στους ημιαγωγούς, δεν θα σας είναι δύσκολο να κατανοήσετε την αρχή λειτουργίας των εξαρτημάτων ραδιοφώνου ημιαγωγών.
Ας σταματήσουμε σε αυτό και θα εξετάσουμε τη συσκευή, την αρχή λειτουργίας της διόδου, θα αναλύσουμε τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης και τα κυκλώματα μεταγωγής.
Καλή τύχη!
Πηγή:
1
. Μπορίσοφ Β.Γ. - Ένας νεαρός ραδιοερασιτέχνης. 1985
2
. Ιστότοπος Academy.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.
Οι ημιαγωγοί είναι μια κατηγορία ουσιών στις οποίες, με την αύξηση της θερμοκρασίας, η αγωγιμότητα αυξάνεται και η ηλεκτρική αντίσταση μειώνεται. Αυτοί οι ημιαγωγοί είναι θεμελιωδώς διαφορετικοί από τα μέταλλα.
Τυπικοί ημιαγωγοί είναι οι κρύσταλλοι γερμανίου και πυριτίου, στους οποίους τα άτομα ενώνονται με ομοιοπολικό δεσμό. Οι ημιαγωγοί έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια σε οποιαδήποτε θερμοκρασία. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου μπορούν να κινηθούν στον κρύσταλλο, δημιουργώντας ένα ρεύμα ηλεκτρονικής αγωγής. Η απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από το εξωτερικό περίβλημα ενός από τα άτομα του κρυσταλλικού πλέγματος οδηγεί στη μετατροπή αυτού του ατόμου σε θετικό ιόν. Αυτό το ιόν μπορεί να εξουδετερωθεί συλλαμβάνοντας ένα ηλεκτρόνιο από ένα από τα γειτονικά άτομα. Περαιτέρω, ως αποτέλεσμα των μεταπτώσεων ηλεκτρονίων από άτομα σε θετικά ιόντα, εμφανίζεται μια διαδικασία χαοτικής κίνησης στον κρύσταλλο του τόπου με το ηλεκτρόνιο που λείπει. Εξωτερικά, αυτή η διαδικασία γίνεται αντιληπτή ως η κίνηση ενός θετικού ηλεκτρικού φορτίου, που ονομάζεται τρύπα.
Όταν ένας κρύσταλλος τοποθετείται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, εμφανίζεται μια διατεταγμένη κίνηση οπών - ένα ρεύμα αγωγιμότητας οπών.
Σε έναν ιδανικό κρύσταλλο ημιαγωγών, δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα από την κίνηση ίσου αριθμού αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων και θετικά φορτισμένων οπών. Η αγωγιμότητα στους ιδανικούς ημιαγωγούς ονομάζεται εγγενής αγωγιμότητα.
Οι ιδιότητες των ημιαγωγών εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες. Οι προσμίξεις είναι δύο τύπων - δότης και δέκτης.
Οι προσμίξεις που δίνουν ηλεκτρόνια και δημιουργούν ηλεκτρονική αγωγιμότητα ονομάζονται δότης(ακαθαρσίες που έχουν σθένος μεγαλύτερο από αυτό του κύριου ημιαγωγού). Οι ημιαγωγοί στους οποίους η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων υπερβαίνει τη συγκέντρωση των οπών ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου n.
Οι ακαθαρσίες που αιχμαλωτίζουν ηλεκτρόνια και έτσι δημιουργούν κινητές οπές χωρίς να αυξάνουν τον αριθμό των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας ονομάζονται αποδέκτης(ακαθαρσίες που έχουν σθένος μικρότερο από αυτό του κύριου ημιαγωγού).
Στο χαμηλές θερμοκρασίεςοι κύριοι φορείς ρεύματος σε έναν κρύσταλλο ημιαγωγών με ακαθαρσία δέκτη είναι οι τρύπες και όχι οι κύριοι φορείς - ηλεκτρόνια. Οι ημιαγωγοί στους οποίους η συγκέντρωση των οπών υπερβαίνει τη συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας ονομάζονται ημιαγωγοί οπών ή ημιαγωγοί τύπου p. Εξετάστε την επαφή δύο ημιαγωγών με διαφορετικούς τύπους αγωγιμότητας.
Η αμοιβαία διάχυση των πλειοψηφικών φορέων συμβαίνει μέσω των ορίων αυτών των ημιαγωγών: τα ηλεκτρόνια διαχέονται από τον n-ημιαγωγό στον p-ημιαγωγό και οι οπές από τον p-ημιαγωγό στον n-ημιαγωγό. Ως αποτέλεσμα, το τμήμα του n-ημιαγωγού δίπλα στην επαφή θα εξαντληθεί σε ηλεκτρόνια και θα σχηματιστεί ένα πλεονάζον θετικό φορτίο σε αυτό, λόγω της παρουσίας ιόντων γυμνών ακαθαρσιών. Η κίνηση των οπών από τον p-ημιαγωγό στον n-ημιαγωγό οδηγεί στην εμφάνιση ενός υπερβολικού αρνητικού φορτίου στην οριακή περιοχή του p-ημιαγωγού. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα διπλό ηλεκτρικό στρώμα και δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο επαφής, το οποίο εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση των κύριων φορέων φορτίου. Αυτό το στρώμα ονομάζεται κλείδωμα.
Ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο επηρεάζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα του στρώματος φραγμού. Εάν οι ημιαγωγοί είναι συνδεδεμένοι στην πηγή όπως φαίνεται στο Σχ. 55, τότε υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, οι κύριοι φορείς φορτίου -ελεύθερα ηλεκτρόνια στον n-ημιαγωγό και οπές στον p-ημιαγωγό- θα κινηθούν ο ένας προς τον άλλο στη διεπιφάνεια των ημιαγωγών, ενώ το πάχος του pn η διασταύρωση μειώνεται, επομένως, η αντίστασή της μειώνεται. Σε αυτή την περίπτωση, η ισχύς του ρεύματος περιορίζεται από την εξωτερική αντίσταση. Αυτή η κατεύθυνση του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου ονομάζεται άμεση. Η απευθείας σύνδεση της διασταύρωσης p-n αντιστοιχεί στο τμήμα 1 σχετικά με το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης (βλ. Εικ. 57).
Οι φορείς ηλεκτρικού ρεύματος σε διάφορα μέσα και τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης συνοψίζονται στον Πίνακα. ένας.
Εάν οι ημιαγωγοί είναι συνδεδεμένοι στην πηγή όπως φαίνεται στο Σχ. 56, τότε τα ηλεκτρόνια στον n-ημιαγωγό και οι οπές στον p-ημιαγωγό θα κινηθούν υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου από το όριο σε αντίθετες κατευθύνσεις. Το πάχος του στρώματος φραγμού και ως εκ τούτου η αντίστασή του αυξάνεται. Με αυτή την κατεύθυνση του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου - οι αντίστροφοι (μπλοκάρισμα) μόνο μειοψηφικοί φορείς φορτίου διέρχονται από τη διεπαφή, η συγκέντρωση των οποίων είναι πολύ μικρότερη από τις κύριες και το ρεύμα είναι πρακτικά μηδενικό. Η αντίστροφη συμπερίληψη της διασταύρωσης pn αντιστοιχεί στο τμήμα 2 σχετικά με το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης (Εικ. 57).
Έτσι, η σύνδεση p-n έχει ασύμμετρη αγωγιμότητα. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται σε διόδους ημιαγωγών που περιέχουν μία μόνο σύνδεση p-n και χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, για διόρθωση ή ανίχνευση AC.
Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύγχρονη ηλεκτρονική τεχνολογία.
Η εξάρτηση της ηλεκτρικής αντίστασης των μετάλλων ημιαγωγών από τη θερμοκρασία χρησιμοποιείται σε ειδικές συσκευές ημιαγωγών - θερμίστορ. Οι συσκευές που χρησιμοποιούν την ιδιότητα των κρυστάλλων ημιαγωγών να αλλάζουν την ηλεκτρική τους αντίσταση όταν φωτίζονται από το φως ονομάζονται φωτοαντιστάσεις.
Ηλεκτρικό ρεύμα στο κενό
Εάν δύο ηλεκτρόδια τοποθετηθούν σε ένα σφραγισμένο δοχείο και αφαιρεθεί αέρας από το δοχείο, τότε δεν προκύπτει ηλεκτρικό ρεύμα στο κενό - δεν υπάρχουν φορείς ηλεκτρικού ρεύματος. Ο Αμερικανός επιστήμονας T. A. Edison (1847-1931) ανακάλυψε το 1879 ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να συμβεί σε μια γυάλινη φιάλη κενού εάν ένα από τα ηλεκτρόδια σε αυτήν θερμανθεί σε υψηλή θερμοκρασία. Το φαινόμενο της εκπομπής ελεύθερων ηλεκτρονίων από την επιφάνεια των θερμαινόμενων σωμάτων ονομάζεται θερμιονική εκπομπή. Η εργασία που πρέπει να γίνει για να απελευθερωθεί ένα ηλεκτρόνιο από την επιφάνεια του σώματος ονομάζεται συνάρτηση εργασίας. Το φαινόμενο της θερμιονικής εκπομπής εξηγείται από το γεγονός ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας του σώματος, η κινητική ενέργεια ενός συγκεκριμένου μέρους των ηλεκτρονίων στην ουσία αυξάνεται. Εάν η κινητική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου υπερβαίνει τη συνάρτηση εργασίας, τότε μπορεί να υπερνικήσει τη δράση των ελκτικών δυνάμεων από θετικά ιόντα και να αφήσει την επιφάνεια του σώματος σε κενό. Η λειτουργία διαφόρων σωλήνων ηλεκτρονίων βασίζεται στο φαινόμενο της θερμιονικής εκπομπής.