Mit der Entdeckung von Halbleitern und dem Studium ihrer Eigenschaften wurde es möglich, Schaltungen auf Basis von Dioden und Transistoren zu erstellen. Bald ersetzten sie aufgrund besserer Leistung und geringerer Größe Vakuumröhren, dann wurde es möglich, integrierte Schaltkreise auf der Basis von Halbleiterelementen herzustellen.

Was sind halbleiter

Halbleiter zu definieren bedeutet, sie hinsichtlich ihrer Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten, zu charakterisieren. Bei diesen kristallinen Substanzen steigt die elektrische Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur, Lichteinwirkung und dem Vorhandensein verschiedener Verunreinigungen.

Halbleiter sind Wide-Gap und Narrow-Gap, was die Eigenschaften von Halbleitermaterialien bestimmt. Die Bandlücke, gemessen in Elektronenvolt (eV), bestimmt die elektrische Leitfähigkeit. Dieser Parameter kann als die Energie dargestellt werden, die ein Elektron benötigt, um in die Zone des elektrischen Stroms einzudringen. Bei Halbleitern ist es im Durchschnitt 1 eV, es kann mehr oder weniger sein.

Wenn die Regelmäßigkeit des Kristallgitters von Halbleitern durch ein Fremdatom verletzt wird, ist eine solche Leitfähigkeit eine Verunreinigung. Wenn Halbleitersubstanzen Mikroschaltkreiselemente erzeugen sollen, werden ihnen speziell Verunreinigungen zugesetzt, die erhöhte Ansammlungen von Löchern oder Elektronen bilden:

• Spender - mit einer höheren Wertigkeit Elektronen spenden;
• Akzeptor - mit einer niedrigeren Wertigkeit Elektronen wegnehmen und Löcher bilden.

Wichtig! Der Hauptfaktor, der die elektrische Leitfähigkeit von Leitern beeinflusst, ist die Temperatur.

Wie wird Leitfähigkeit bereitgestellt?

Beispiele für Halbleiter sind Silizium, Germanium. In den Kristallen dieser Substanzen haben die Atome kovalente Bindungen. Wenn die Temperatur ansteigt, können einige Elektronen freigesetzt werden. Das Atom, das ein Elektron verloren hat, wird dann zu einem positiv geladenen Ion. Und das Elektron, das sich aufgrund der Sättigung der Bindungen nicht zu einem anderen Atom bewegen kann, stellt sich als frei heraus. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes können sich die freigesetzten Elektronen in einem gerichteten Strom bewegen.

Ein Ion, das ein Elektron verloren hat, neigt dazu, dem nächsten Atom ein weiteres „wegzunehmen“. Wenn ihm das gelingt, wird dieses Atom bereits von einem Ion gestoppt, das seinerseits versucht, das verlorene Elektron zu ersetzen. Es kommt also zu einer Bewegung von "Löchern" (positiven Ladungen), die auch in einem elektrischen Feld geordnet werden können.

Durch eine erhöhte Temperatur können Elektronen energischer freigesetzt werden, was zu einer Verringerung des Widerstands des Halbleiters und einer Erhöhung der Leitfähigkeit führt. Elektronen und Löcher sind in reinen Kristallen ungefähr zu gleichen Teilen verwandt, eine solche Leitfähigkeit wird als intrinsisch bezeichnet.

p-Typ- und n-Typ-Leitfähigkeit

Verunreinigungsarten der Leitfähigkeit werden unterteilt in:

1. R-Typ. Wird durch Zugabe einer Akzeptorverunreinigung gebildet. Die niedrigere Wertigkeit der Verunreinigungen verursacht die Bildung einer erhöhten Anzahl von Löchern. Für vierwertiges Silizium kann dreiwertiges Bor als solche Verunreinigung dienen;
2. N-Typ. Wird dem Silizium fünfwertiges Antimon zugesetzt, so erhöht sich die Zahl der freigesetzten negativen Ladungsträgerelektronen im Halbleiter.

Halbleiterelemente funktionieren hauptsächlich basierend auf den Merkmalen des p-n-Übergangs. Wenn zwei Materialien mit unterschiedlicher Leitfähigkeit in Kontakt gebracht werden, dringen Elektronen und Löcher an der Grenze zwischen ihnen in gegenüberliegende Zonen ein.

Wichtig! Der Prozess des Austauschs von Halbleitermaterialien durch positive und negative Ladungsträger ist zeitlich begrenzt – vor der Bildung der Sperrschicht.

Träger positiver und negativer Ladung sammeln sich in den verbundenen Teilen auf beiden Seiten der Kontaktlinie an. Die resultierende Potentialdifferenz kann 0,6 V erreichen.

Wenn ein Element mit einem p-n-Übergang in ein elektrisches Feld eintritt, hängt seine Leitfähigkeit von der Verbindung der Stromversorgung (PS) ab. Bei „Plus“ auf dem p-leitenden Teil und „Minus“ auf dem n-leitenden Teil wird die Sperrschicht zerstört und es fließt Strom durch den Übergang. Wenn die Stromversorgung umgekehrt angeschlossen wird, erhöht sich die Sperrschicht noch mehr und lässt einen elektrischen Strom von vernachlässigbarer Größe durch.

Wichtig! P-n-Übergang hat einseitige Leitfähigkeit.

Verwendung von Halbleitern

Basierend auf den Eigenschaften von Halbleitern wurden verschiedene Geräte geschaffen, die in der Funktechnik, Elektronik und anderen Bereichen eingesetzt werden.

Diode

Die Einwegleitfähigkeit von Halbleiterdioden hat den Anwendungsbereich bestimmt - hauptsächlich bei der Gleichrichtung von Wechselstrom. Andere Arten von Dioden:

1. Tunnel. Es verwendet Halbleitermaterialien mit einem solchen Verunreinigungsgehalt, dass die Breite des p-n-Übergangs stark abnimmt und der Effekt eines Tunneldurchbruchs bei direkter Verbindung möglich wird. Verwendet in HF-Geräten, Generatoren, Messgeräten;
2. Umgewandelt. Eine leicht modifizierte Tunneldiode. Bei einer direkten Verbindung ist die Öffnungsspannung im Vergleich zu klassischen Dioden viel niedriger. Damit ist der Einsatz einer Tunneldiode zur Wandlung von Niedervoltströmen vorgegeben;
3. Varicap. Wenn der p-n-Übergang geschlossen ist, ist seine Kapazität ziemlich hoch. Der Varicap wird als Kondensator verwendet, dessen Kapazität durch Änderung der Spannung variiert werden kann. Die Kapazität nimmt ab, wenn die Sperrspannung ansteigt;

1. Zenerdiode. Parallel geschaltet, stabilisiert die Spannung in einem bestimmten Bereich;
2. Impuls. Aufgrund kurzer Transienten werden sie für gepulste HF-Schaltungen verwendet;
3. Lawinenflug. Wird verwendet, um ultrahochfrequente Schwingungen zu erzeugen. Sie basiert auf der lawinenartigen Vervielfachung von Ladungsträgern.

Diese Diode besteht nicht aus zwei Halbleitermaterialien, sondern der Halbleiter steht in Kontakt mit dem Metall. Da das Metall keine kristalline Struktur hat, kann es keine Löcher darin geben. Das bedeutet, dass an der Kontaktstelle mit dem Halbleitermaterial nur Elektronen von beiden Seiten eindringen können und die Austrittsarbeit leisten. Dies wird möglich, wenn:

• es gibt einen Halbleiter vom n-Typ, und die Austrittsarbeit seiner Elektronen ist geringer als die eines Metalls;
• Es gibt einen Halbleiter vom p-Typ mit einer Austrittsarbeit seiner Elektronen, die größer ist als die eines Metalls.

An der Kontaktstelle verliert der Halbleiter Ladungsträger, seine Leitfähigkeit nimmt ab. Es entsteht eine Barriere, die durch eine Gleichspannung des erforderlichen Wertes überwunden wird. Die Sperrspannung sperrt praktisch die als Gleichrichter arbeitende Diode. Aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit werden Schottky-Dioden in Impulsschaltungen verwendet, in Computergeräten dienen sie auch als Leistungsdioden zum Gleichrichten eines erheblichen Stroms.

Fast keine Mikroschaltung kommt ohne Transistoren aus, Halbleiterelemente mit zwei pn-Übergängen. Das Transistorelement hat drei Ausgangskontakte:

• Kollektor;
• Base;
• Emitter.

Wenn ein Steuersignal niedriger Leistung an die Basis angelegt wird, fließt viel mehr Strom zwischen Kollektor und Emitter. Wenn kein Signal an die Basis angelegt wird, wird kein Strom geleitet. Somit kann die Stromstärke eingestellt werden. Ein Gerät wird verwendet, um das Signal zu verstärken und den Stromkreis kontaktlos zu schalten.

Arten von Halbleitertransistoren:

1. Bipolar. Sie haben positive und negative Ladungsträger. Der fließende Strom kann in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung passieren. Als Verstärker verwendet;
2. Aufstellen. Ihre Ausgänge heißen Drain, Source, Gate. Die Steuerung erfolgt über ein elektrisches Feld bestimmter Polarität. Das an das Gate angelegte Signal kann den Leitwert des Transistors ändern. Ladungsträger in Feldgeräten können nur ein Vorzeichen haben: positiv oder negativ. Leistungsstarke Feldeffekttransistoren werden in Audioverstärkern verwendet. Ihre Hauptanwendung sind integrierte Schaltkreise. Kompakte Abmessungen und geringer Stromverbrauch ermöglichen den Einbau in Geräte mit niedrigen Spannungsquellen (Stunden);
3. Kombiniert. Sie können zusammen mit anderen Transistorelementen, Widerständen in einer monolithischen Struktur angeordnet sein.

Dotierung von Halbleitern

Dotieren ist das Einbringen von Verunreinigungselementen, Donor und Akzeptor, in Halbleiterkristalle, um deren Leitfähigkeit zu steuern. Dies geschieht während der Kristallwachstumsperiode oder durch lokales Einbringen in bestimmte Zonen.

Angewandte Methoden:

1. Hochtemperaturdiffusion. Der Halbleiterkristall wird erhitzt und die mit seiner Oberfläche in Kontakt stehenden Fremdatome fallen in die Tiefe. An einigen Stellen des Kristallgitters ersetzen Fremdatome die Atome der Hauptsubstanz;
2. Ionenimplantation. Es treten Ionisierung und Beschleunigung von Fremdatomen auf, die den Einkristall bombardieren, lokale Inhomogenitäten erzeugen und p-n-Übergänge bilden;
3. Laserbestrahlung. Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass durch gerichtete Strahlung einzelne Abschnitte auf beliebige Temperaturwerte aufgeheizt werden können, was das Einbringen von Verunreinigungen erleichtert;
4. Neutronendotierung. Wurde vor relativ kurzer Zeit verwendet. Sie besteht darin, einen Einkristall in einem Reaktor mit thermischen Neutronen zu bestrahlen, wodurch es zu einer Mutation von Atomkernen kommt. Siliziumatome werden in Phosphor umgewandelt.

Es gibt noch andere Möglichkeiten der Dotierung: chemisches Ätzen, die Erzeugung dünner Schichten durch Sputtern.

Wie werden Halbleiter hergestellt?

Die Hauptsache bei der Gewinnung von Halbleitern ist ihre Reinigung von unnötigen Verunreinigungen. Unter den vielen Möglichkeiten, sie zu erhalten, können zwei der am häufigsten verwendeten unterschieden werden:

1. Zonenschmelzen. Das Verfahren wird in einem verschlossenen Quarzbehälter durchgeführt, dem ein Inertgas zugeführt wird. Eine schmale Zone des Barrens wird geschmolzen, die sich allmählich bewegt. Beim Schmelzen werden Verunreinigungen neu verteilt und rekristallisiert, wobei ein reiner Teil freigesetzt wird;
2. Czochralski-Methode. Es besteht darin, aus einem Samen einen Kristall zu züchten, indem man ihn allmählich aus der geschmolzenen Zusammensetzung herauszieht.

Sorten von Halbleitermaterialien

Unterschiede in der Zusammensetzung bestimmen den Anwendungsbereich von Halbleitern:

1. Einfach - umfassen homogene Substanzen, die unabhängig voneinander verwendet werden, sowie Verunreinigungen und Bestandteile komplexer Materialien. Silizium, Selen und Germanium werden unabhängig voneinander verwendet. Als Zusatzstoffe dienen Bor, Antimon, Tellur, Arsen, Schwefel, Jod;
2. Komplexe Materialien sind chemische Verbindungen aus zwei oder mehr Elementen: Sulfide, Telluride, Karbide;
3. Oxide von Kobalt, Kupfer, Europium werden in Gleichrichtern und Photovoltaikzellen verwendet;
4. Organische Halbleiter: Indol, Acridon, Flavantron, Pentacen. Ein Einsatzgebiet ist die optische Elektronik;
5. Magnetische Halbleiter. Dies sind ferromagnetische Materialien, beispielsweise Europiumsulfid und -oxid, sowie antiferromagnetische Materialien - Nickeloxid, Europiumtellurid. Sie werden in der Funktechnik verwendet, optische Geräte, die durch ein Magnetfeld gesteuert werden.

Nun ist es schwierig, ein Technologiegebiet zu nennen, in dem keine Halbleitermaterialien verwendet würden, einschließlich des Fehlens eines p-n-Übergangs, beispielsweise Wärmewiderstand in Temperatursensoren, Fotowiderstand in Fernbedienungen und andere.

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Halbleiter sind eine breite Klasse von Stoffen, die durch elektrische Leitfähigkeitswerte gekennzeichnet sind, die im Bereich zwischen der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen und guten Dielektrika liegen, d.h. diese Stoffe können nicht als Dielektrika (da sie keine guten Isolatoren sind) und Metalle ( sie sind keine guten elektrischen Leiter). Halbleiter umfassen beispielsweise Stoffe wie Germanium, Silizium, Selen, Tellur sowie einige Oxide, Sulfide und Metalllegierungen.

Eigenschaften:

1) Mit steigender Temperatur nimmt der spezifische Widerstand von Halbleitern ab, im Gegensatz zu Metallen, bei denen der spezifische Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. Außerdem erfolgt dieser Anstieg in der Regel in einem weiten Temperaturbereich exponentiell. Der spezifische Widerstand von Halbleiterkristallen kann auch abnehmen, wenn sie Licht oder starken elektronischen Feldern ausgesetzt werden.

2) Die Eigenschaft der einseitigen Leitung des Kontaktes zweier Halbleiter. Diese Eigenschaft wird zur Herstellung einer Vielzahl von Halbleiterbauelementen verwendet: Dioden, Transistoren, Thyristoren usw.

3) Kontakte verschiedener Halbleiter sind unter bestimmten Bedingungen, wenn sie beleuchtet oder erhitzt werden, Photo-e-Quellen. d.s. bzw. thermo-e. d.s.

Halbleiter unterscheiden sich von anderen Klassen von Festkörpern durch viele spezifische Merkmale, von denen die wichtigsten sind:

1) positiver Temperaturkoeffizient der elektrischen Leitfähigkeit, dh mit zunehmender Temperatur steigt die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern;

2) die spezifische Leitfähigkeit von Halbleitern ist geringer als die von Metallen, aber höher als die von Isolatoren;

3) große Werte der thermoelektromotorischen Kraft im Vergleich zu Metallen;

4) hohe Empfindlichkeit der Halbleitereigenschaften gegenüber ionisierender Strahlung;

5) die Fähigkeit einer starken Änderung der physikalischen Eigenschaften unter dem Einfluss vernachlässigbarer Konzentrationen von Verunreinigungen;

6) die Auswirkung der Stromgleichrichtung oder des nicht-ohmschen Verhaltens auf die Kontakte.

3. Physikalische Prozesse im p-n - Übergang.

Das Hauptelement der meisten Halbleiterbauelemente ist der Elektron-Loch-Übergang ( Bezirk Junction), die eine Übergangsschicht zwischen zwei Bereichen eines Halbleiters ist, von denen einer elektronische elektrische Leitfähigkeit und der andere Löcherleitfähigkeit aufweist.

Ausbildung PnÜberleitung. Pn Gleichgewichtsübergang

Werfen wir einen genaueren Blick auf den Bildungsprozess PnÜberleitung. Als ein solcher Übergangszustand wird der Gleichgewichtszustand bezeichnet, bei dem keine äußere Spannung anliegt. Daran erinnern R- Bereich gibt es zwei Arten von Hauptladungsträgern: unbewegliche negativ geladene Ionen von Akzeptor-Fremdatomen und freie positiv geladene Löcher; und in n-Region gibt es auch zwei Arten von Hauptladungsträgern: unbewegliche positiv geladene Ionen von Akzeptor-Fremdatomen und freie negativ geladene Elektronen.

Vor Berührung p und n Bereiche, Elektronen, Löcher und Verunreinigungsionen sind gleichmäßig verteilt. Bei Kontakt an der Grenze p und n Bereichen entsteht ein Konzentrationsgradient freier Ladungsträger und Diffusion. Unter Einwirkung von Diffusion werden Elektronen aus n-Bereich geht hinein p und rekombiniert dort mit Löchern. Löcher aus R-Gebiete gehen zu n Region und rekombinieren dort mit Elektronen. Durch eine solche Bewegung freier Ladungsträger im Grenzbereich sinkt deren Konzentration nahezu auf Null und gleichzeitig R Bereich wird eine negative Raumladung von Akzeptor-Fremdionen gebildet, und in n-Region positive Raumladung von Donator-Fremdionen. Zwischen diesen Ladungen besteht eine Kontaktpotentialdifferenz φ zu und elektrisches Feld E zu, der die Diffusion freier Ladungsträger aus der Tiefe verhindert R- und n- Bereiche durch p-n-Überleitung. So wird der Bereich bezeichnet, der durch freie Ladungsträger mit seinem elektrischen Feld verbunden ist p-n-Überleitung.

Pn Der Übergang ist durch zwei Hauptparameter gekennzeichnet:

1. Potenzielle Barrierenhöhe. Sie ist gleich der Kontaktpotentialdifferenz φ zu. Dies ist die Potentialdifferenz im Übergang aufgrund des Konzentrationsgradienten von Ladungsträgern. Dies ist die Energie, die eine freie Ladung haben muss, um die Potentialbarriere zu überwinden:

wo k ist die Boltzmann-Konstante; e ist die Elektronenladung; T- Temperatur; N / A und N D sind die Konzentrationen von Akzeptoren und Donatoren in den Loch- bzw. Elektronenregionen; p p und p n sind die Konzentrationen von Löchern in R- und n- Bereiche bzw.; n ich - eigene Konzentration von Ladungsträgern in einem undotierten Halbleiter,  t \u003d kT / e- Temperaturpotential. Bei einer Temperatur T\u003d 27 0 С  T=0,025 V, für Germanium-Übergang  zu=0,6 V, für Siliziumübergang  zu\u003d 0,8 V.

2. Breite des p-n-Übergangs(Abb. 1) ist eine an Ladungsträgern verarmte Grenzregion, die sich in befindet p und n Bereiche: l p-n = l p + l n:

Von hier,

wo ε die relative Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials ist; ε 0 ist die Dielektrizitätskonstante des freien Raums.

Die Dicke der Elektron-Loch-Übergänge liegt in der Größenordnung von (0,1–10) &mgr;m. Wenn, dann und Pn-Übergang heißt symmetrisch, wenn , dann und Pn- Übergang wird als asymmetrisch bezeichnet und befindet sich hauptsächlich im Bereich des Halbleiters mit einer geringeren Verunreinigungskonzentration.

Im Gleichgewichtszustand (ohne äußere Spannung) durch BezirkÜbergang, zwei Gegenströme von Ladungen bewegen sich (zwei Ströme fließen). Dies sind der Driftstrom von Minoritätsladungsträgern und der Diffusionsstrom, der den Majoritätsladungsträgern zugeordnet ist. Da keine externe Spannung und kein Strom in der externen Schaltung vorhanden sind, sind der Driftstrom und der Diffusionsstrom gegenseitig ausgeglichen und der resultierende Strom ist Null

I dr + I diff = 0.

Diese Beziehung wird als Zustand des dynamischen Gleichgewichts von Diffusions- und Driftprozessen in einem isolierten (Gleichgewicht) Pn-Überleitung.

Die Oberfläche, auf der sie in Kontakt sind p und n Bereich wird die metallurgische Grenze genannt. In Wirklichkeit hat es eine endliche Dicke - δm. Wenn ein δm<< l p-n , dann Pn Der Übergang wird scharf genannt. Wenn δ m >> lp-n, dann Pn Der Übergang wird als glatt bezeichnet.

Р-nÜbergang bei einer daran angelegten externen Spannung

Externe Spannung stört das dynamische Gleichgewicht der eingehenden Ströme Pn-Überleitung. Pn- Der Übergang geht in einen Nichtgleichgewichtszustand. Abhängig von der Polarität der an den Bereichen anliegenden Spannung Pn-Übergang möglich zwei Betriebsarten.

1) VorspannungPn Überleitung. R-n- der Übergang gilt als in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn der positive Pol der Stromversorgung angeschlossen ist R-Region und negativ bis n- Bereiche (Abb. 1.2)

Bei Vorwärtsspannung sind die Spannungen  to und U entgegengesetzt gerichtet, die resultierende Spannung on Pn-Übergang sinkt auf den Wert  zu - u. Dies führt dazu, dass die elektrische Feldstärke abnimmt und der Prozess der Diffusion der Hauptladungsträger wieder einsetzt. Außerdem verringert der Vorwärtsversatz die Breite PnÜbergang, weil lp-n ≈( bis - U) 1/2. Der Diffusionsstrom, der Strom der Hauptladungsträger, wird viel größer als der Driftstrom. Durch Pn-Übergangsgleichstrom fließt

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

Beim Fließen eines Gleichstroms gelangen die Majoritätsladungsträger im p-Gebiet in das n-Gebiet, wo sie kleiner werden. Der Diffusionsprozess des Einführens von Majoritätsladungsträgern in einen Bereich, in dem sie zur Minorität werden, wird als Diffusionsprozess bezeichnet Injektion und Gleichstrom - Diffusionsstrom oder Injektionsstrom. Um die in den p- und n-Gebieten angesammelten Minoritätsladungsträger zu kompensieren, wird im externen Stromkreis aus einer Spannungsquelle ein Elektronenstrom erzeugt, d. h. das Prinzip der Elektroneutralität bleibt erhalten.

Mit Steigerung U der Strom steigt stark an, - das Temperaturpotential, und kann große Werte erreichen. verbunden mit den Hauptträgern, deren Konzentration hoch ist.

2) umgekehrte Vorspannung, passiert wenn R-Bereich wird ein Minus angewendet, und auf n-Bereich Plus, eine externe Spannungsquelle (Abb. 1.3).

Diese äußere Spannung U enthalten gem  zu. Es: erhöht die Höhe der Potentialbarriere auf einen Wert  zu + U; die elektrische Feldstärke nimmt zu; Breite PnÜbergang erhöht, weil l p-n ≈( bis + U) 1/2; der Diffusionsprozess stoppt vollständig und danach PnÜbergang fließt Driftstrom, Minoritätsträgerstrom. So eine Strömung Pn-Übergang wird als Umkehrung bezeichnet, und da er mit kleineren Ladungsträgern verbunden ist, die aufgrund thermischer Erzeugung entstehen, wird er als thermischer Strom bezeichnet und als - bezeichnet. ich 0, d.h.

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

Dieser Strom ist klein. Minoritätsladungsträgern zugeordnet, deren Konzentration gering ist. Auf diese Weise, PnÜbergang ist einseitig leitend.

Bei einer Sperrvorspannung nimmt die Konzentration von Minoritätsladungsträgern an der Übergangsgrenze im Vergleich zum Gleichgewicht etwas ab. Dies führt zur Diffusion von Minoritätsladungsträgern aus der Tiefe p und n-Bereiche bis zur Grenze PnÜberleitung. Dort angekommen fallen Minoritätsträger in ein starkes elektrisches Feld und werden durchgeleitet PnÜbergang, wo sie zu den Mehrheitsladungsträgern werden. Diffusion von Nebenladungsträgern zur Grenze PnÜbergang und driften durch sie in den Bereich, wo sie zu den Hauptladungsträgern werden Extraktion. Extraktion und erzeugt einen Rückstrom PnÜbergang ist der Strom kleinerer Ladungsträger.

Die Größe des Rückstroms ist stark abhängig von: Umgebungstemperatur, Halbleitermaterial und -fläche PnÜberleitung.

Die Temperaturabhängigkeit des Rückstroms wird durch den Ausdruck bestimmt, wobei die Nenntemperatur die tatsächliche Temperatur die Verdopplungstemperatur des thermischen Stroms ist.

Der Wärmestrom des Siliziumübergangs ist viel geringer als der Wärmestrom des Übergangs auf Germaniumbasis (um 3–4 Größenordnungen). Es ist verbunden mit  zu Material.

Mit einer Vergrößerung des Übergangsbereichs nimmt dessen Volumen zu und folglich die Anzahl der Minoritätsladungsträger, die als Ergebnis der thermischen Erzeugung und des thermischen Stroms erscheinen, zu.

Also die Haupteigenschaft Pn-Übergang ist seine Einwegleitung.

4. Strom-Spannungs-Kennlinie p-n - Übergang.

Wir erhalten die Strom-Spannungs-Charakteristik des pn-Übergangs. Dazu schreiben wir die Kontinuitätsgleichung in allgemeiner Form:

Wir betrachten den stationären Fall dp/dt = 0.

Betrachten Sie den Strom im quasi-neutralen Volumen eines Halbleiters vom n-Typ rechts vom verarmten Bereich des p-n-Übergangs (x > 0). Die Erzeugungsrate G in einem quasi-neutralen Volumen ist null: G = 0. Das elektrische Feld E ist ebenfalls null: E = 0. Die Driftkomponente des Stroms ist ebenfalls null: I E = 0, daher ist der Strom Diffusion. Die Rekombinationsrate R bei niedrigem Injektionsniveau wird durch die Beziehung beschrieben:

Lassen Sie uns die folgende Beziehung bezüglich des Diffusionskoeffizienten, der Diffusionslänge und der Minoritätsträgerlebensdauer verwenden: Dτ = L p 2 .

Unter Berücksichtigung der obigen Annahmen hat die Kontinuitätsgleichung die Form:

Die Randbedingungen für die Diffusionsgleichung im pn-Übergang sind:

Die Lösung der Differentialgleichung (2.58) mit Randbedingungen (*) hat die Form:

Die Beziehung (2.59) beschreibt das Verteilungsgesetz von injizierten Löchern im quasineutralen Volumen eines n-Halbleiters für einen Elektron-Loch-Übergang (Abb. 2.15). Alle Träger, die die SCR-Grenze mit einem quasi neutralen Volumen des p-n-Übergangs überquert haben, nehmen am Strom des p-n-Übergangs teil. Da der gesamte Strom Diffusion ist, setzen wir (2.59) in den Ausdruck für den Strom ein und erhalten (Abb. 2.16):

Die Beziehung (2.60) beschreibt den Diffusionsanteil des p-n-Übergangs-Löcherstroms, der bei der Injektion von Minoritätsladungsträgern unter Vorwärtsspannung entsteht. Für den elektronischen Anteil des p-n-Übergangsstroms erhalten wir analog:

Bei V G = 0 gleichen sich die Drift- und Diffusionskomponenten aus. Folglich, .

Der Gesamtstrom des p-n-Übergangs ist die Summe aller vier Stromkomponenten des p-n-Übergangs:

Der Ausdruck in Klammern hat die physikalische Bedeutung des Rückstroms des p-n-Übergangs. Tatsächlich bei negativen Spannungen V G< 0 ток дрейфовый и обусловлен неосновными носителями. Все эти носители уходят из цилиндра длиной L n со скоростью L n /τ p . Тогда для дрейфовой компоненты тока получаем:

Reis. 2.15. Verteilung der vom Emitter injizierten Nichtgleichgewichtsträger über das quasi-neutrale Volumen der Basis des p-n-Übergangs

Es ist leicht zu erkennen, dass diese Beziehung der zuvor bei der Analyse der Kontinuitätsgleichung erhaltenen entspricht.

Wenn es erforderlich ist, die Bedingung einer einseitigen Injektion (z. B. nur Injektion von Löchern) zu implementieren, folgt aus der Beziehung (2.61), dass ein kleiner Wert der Konzentration von Minoritätsladungsträgern n p0 in der p-Region sein sollte gewählt. Daraus folgt, dass der Halbleiter vom p-Typ im Vergleich zum Halbleiter vom n-Typ stark dotiert sein muss: N A >> N D . In diesem Fall dominiert die Lochkomponente im Strom des pn-Übergangs (Abb. 2.16).

Reis. 2.16. Ströme in einem unsymmetrischen p-n-Übergang mit Vorwärtsvorspannung

Somit hat die IV-Charakteristik des pn-Übergangs die Form:

Die Sättigungsstromdichte J s ist:

CVC pn-Übergang, beschrieben durch Beziehung (2.62), ist in Abbildung 2.17 dargestellt.

Reis. 2.17. Strom-Spannungs-Charakteristik eines idealen p-n-Übergangs

Wie aus Beziehung (2.16) und Bild 2.17 hervorgeht, hat die Strom-Spannungs-Kennlinie eines idealen pn-Übergangs einen ausgeprägt asymmetrischen Verlauf. Im Bereich von Gleichspannungen ist der Strom des p-n-Übergangs eine Diffusion und steigt exponentiell mit zunehmender angelegter Spannung an. Im Bereich negativer Spannungen driftet der p-n-Übergangsstrom und hängt nicht von der angelegten Spannung ab.

5. Kapazität p-n - Übergang.

Jedes System, in dem sich die elektrische Ladung Q ändert, wenn sich das Potential φ ändert, hat eine Kapazität. Der Kapazitätswert C wird bestimmt durch das Verhältnis: .

Für den p-n-Übergang können zwei Arten von Ladungen unterschieden werden: die Ladung im Bereich der Raumladung ionisierter Donatoren und Akzeptoren Q B und die Ladung der vom Emitter in die Basis injizierten Ladungsträger Q p . Bei unterschiedlichen Vorspannungen am p-n-Übergang dominiert die eine oder andere Ladung bei der Berechnung der Kapazität. In dieser Hinsicht werden für die Kapazität des p-n-Übergangs Sperrkapazität C B und Diffusionskapazität C D unterschieden.

Die Sperrkapazität C B ist die Kapazität des p-n-Übergangs bei Sperrvorspannung V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

Der Ladungswert ionisierter Donatoren und Akzeptoren Q B pro Flächeneinheit für einen asymmetrischen p-n-Übergang ist:

Durch Differenzieren von Ausdruck (2.65) erhalten wir:

Aus Gleichung (2.66) folgt, dass die Sperrkapazität C B die Kapazität eines Flachkondensators ist, dessen Plattenabstand gleich der Breite der Raumladungszone W ist. Denn die Breite des SCR hängt von der angelegten Spannung ab V G hängt die Sperrkapazität auch von der angelegten Spannung ab. Numerische Schätzungen der Barrierenkapazität zeigen, dass ihr Wert mehrere zehn oder hundert Picofarad beträgt.

Die Diffusionskapazität C D ist die Kapazität eines p-n-Übergangs bei einer Durchlassvorspannung V G > 0 aufgrund einer Änderung der Ladung Q p der vom Emitter Q p in die Basis injizierten Ladungsträger.

Zur instrumentellen Umsetzung wird die Abhängigkeit der Sperrkapazität C B von der angelegten Sperrspannung V G genutzt. Eine Halbleiterdiode, die diese Abhängigkeit implementiert, wird Varicap genannt. Der maximale Kapazitätswert des Varicaps liegt bei der Nullspannung V G . Wenn die Rückwärtsvorspannung zunimmt, nimmt die Kapazität des Varicaps ab. Die funktionale Abhängigkeit der Varicap-Kapazität von der Spannung wird durch das Dotierungsprofil der Varicap-Basis bestimmt. Bei gleichmäßiger Dotierung ist die Kapazität umgekehrt proportional zur Wurzel der angelegten Spannung V G . Durch Einstellen des Dotierungsprofils in der Basis des Varicap N D (x) kann man verschiedene Abhängigkeiten der Varicap-Kapazität von der Spannung C(V G ) erhalten – linear abnehmend, exponentiell abnehmend.

6. Halbleiterdioden: Klassifizierung, Konstruktionsmerkmale, Symbole und Kennzeichnung.

Halbleiterdiode- ein Halbleiterbauelement mit einem elektrischen Übergang und zwei Leitungen (Elektroden). Im Gegensatz zu anderen Diodentypen basiert das Funktionsprinzip einer Halbleiterdiode auf diesem Phänomen Pn-Überleitung.

Hallo liebe Leser der Seite. Die Seite hat einen Abschnitt für Funkamateur-Anfänger, aber bisher habe ich noch nicht wirklich etwas für Anfänger geschrieben, die ihre ersten Schritte in die Welt der Elektronik unternehmen. Ich fülle diese Lücke und ab diesem Artikel lernen wir das Gerät und den Betrieb von Funkkomponenten (Funkkomponenten) kennen.

Beginnen wir mit Halbleiterbauelementen. Aber um zu verstehen, wie eine Diode, ein Thyristor oder ein Transistor funktioniert, muss man verstehen, was Halbleiter. Daher werden wir zunächst die Struktur und Eigenschaften von Halbleitern auf molekularer Ebene untersuchen und uns dann mit der Funktionsweise und dem Design von Halbleiter-Funkkomponenten befassen.

Allgemeine Konzepte.

Warum genau Halbleiter Diode, Transistor oder Thyristor? Denn die Basis dieser Funkkomponenten ist Halbleiter Stoffe, die sowohl elektrischen Strom leiten als auch dessen Durchgang verhindern können.

Dies ist eine große Gruppe von Stoffen, die in der Funktechnik verwendet werden (Germanium, Silizium, Selen, Kupferoxid), aber für die Herstellung von Halbleiterbauelementen werden sie hauptsächlich nur verwendet Silizium(Si) und Germanium(Ge).

Halbleiter nehmen nach ihren elektrischen Eigenschaften eine Mittelstellung zwischen Leitern und Nichtleitern des elektrischen Stroms ein.

Eigenschaften von Halbleitern.

Die elektrische Leitfähigkeit von Leitern ist stark von der Umgebungstemperatur abhängig.
Bei sehr niedrig Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273°C), Halbleiter nicht durchführen elektrischer Strom und Förderung Temperatur, ihren Widerstand gegen Strom sinkt.

Wenn Sie auf den Halbleiter zeigen hell, dann beginnt seine elektrische Leitfähigkeit zuzunehmen. Mit dieser Eigenschaft von Halbleitern wurden geschaffen Photovoltaik Haushaltsgeräte. Auch Halbleiter sind in der Lage, Lichtenergie in elektrischen Strom umzuwandeln, zum Beispiel Sonnenkollektoren. Und bei der Einführung in Halbleiter Verunreinigungen Bei bestimmten Stoffen steigt deren elektrische Leitfähigkeit dramatisch an.

Die Struktur von Halbleiteratomen.

Germanium und Silizium sind die Hauptmaterialien vieler Halbleiterbauelemente und haben vier Valenzelektron.

Atom Deutschland besteht aus 32 Elektronen und einem Atom Silizium von 14. Aber nur 28 Elektronen des Germaniumatoms und 10 Elektronen des Siliziumatoms, die sich in den inneren Schichten ihrer Schalen befinden, werden von den Kernen fest gehalten und lösen sich nie von ihnen. Gerade vier Valenzelektronen der Atome dieser Leiter können frei werden, und selbst dann nicht immer. Und wenn ein Halbleiteratom mindestens ein Elektron verliert, dann wird es positives Ion.

In einem Halbleiter sind die Atome in einer strengen Reihenfolge angeordnet: Jedes Atom ist umgeben von vier die gleichen Atome. Außerdem sind sie so nah beieinander angeordnet, dass ihre Valenzelektronen einzelne Bahnen bilden, die um benachbarte Atome herumführen, wodurch die Atome zu einer einzigen Gesamtsubstanz verbunden werden.

Stellen wir uns die Verschaltung von Atomen in einem Halbleiterkristall in Form eines flachen Diagramms vor.
Im Diagramm bezeichnen rote Kugeln mit einem Plus herkömmlicherweise Kerne von Atomen(positive Ionen) und die blauen Kugeln sind Valenzelektronen.

Hier können Sie sehen, dass sich um jedes Atom herum befinden vier genau die gleichen Atome, und jedes dieser vier hat eine Verbindung mit vier anderen Atomen und so weiter. Jedes der Atome ist mit jedem benachbarten verbunden zwei Valenzelektronen, und ein Elektron ist sein eigenes, und das andere ist von einem benachbarten Atom geliehen. Eine solche Bindung wird als Zwei-Elektronen-Bindung bezeichnet. kovalent.

Die äußere Schicht wiederum enthält die Elektronenhülle jedes Atoms acht Elektronen: vier ihre eigenen und allein, geliehen von vier benachbart Atome. Hier kann nicht mehr unterschieden werden, welches der Valenzelektronen im Atom „eigen“ und welches „fremd“ ist, da sie gemeinsam geworden sind. Bei einer solchen Bindung von Atomen in der gesamten Masse eines Germanium- oder Siliziumkristalls können wir davon ausgehen, dass ein Halbleiterkristall ein großer ist Molekül. In der Abbildung zeigen rosa und gelbe Kreise die Verbindung zwischen den äußeren Schichten der Schalen zweier benachbarter Atome.

Elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern.

Stellen Sie sich eine vereinfachte Zeichnung eines Halbleiterkristalls vor, in der Atome durch eine rote Kugel mit einem Plus gekennzeichnet sind und interatomare Bindungen durch zwei Linien dargestellt sind, die Valenzelektronen symbolisieren.

Bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt ein Halbleiter leitet nicht Strom, da es nicht hat freie Elektronen. Aber mit zunehmender Temperatur wird die Bindung von Valenzelektronen mit den Kernen von Atomen schwächt und einige der Elektronen können aufgrund thermischer Bewegung ihre Atome verlassen. Das aus der interatomaren Bindung austretende Elektron wird zu " frei“, und wo er vorher war, entsteht ein leerer Ort, der herkömmlich genannt wird Loch.

Wie Oben Halbleitertemperatur, die mehr es wird zu freien Elektronen und Löchern. Als Ergebnis stellt sich heraus, dass die Bildung eines "Lochs" mit dem Austritt eines Valenzelektrons aus der Hülle eines Atoms verbunden ist und das Loch selbst wird positiv elektrische Ladung gleich Negativ Ladung eines Elektrons.

Schauen wir uns nun die Abbildung an, die schematisch zeigt das Phänomen des Auftretens von Strom in einem Halbleiter.

Wenn Sie eine Spannung an den Halbleiter, die Kontakte "+" und "-", anlegen, erscheint darin ein Strom.
Wegen thermische Phänomene, in einem Halbleiterkristall aus interatomaren Bindungen beginnen veröffentlicht werden eine gewisse Anzahl von Elektronen (blaue Kugeln mit Pfeilen). Elektronen werden angezogen positiv Pol der Spannungsquelle sein Bewegung ihm entgegen, zurücklassend Löcher, die von anderen ausgefüllt werden freigesetzte Elektronen. Das heißt, Ladungsträger erlangen unter Einwirkung eines externen elektrischen Feldes eine bestimmte Geschwindigkeit der Richtungsbewegung und erzeugen dadurch elektrischer Strom.

Zum Beispiel: das freigesetzte Elektron, das dem positiven Pol der Spannungsquelle am nächsten ist angezogen dieser Pol. Aufbrechen der interatomaren Bindung und Verlassen des Elektrons Laub nach mir Loch. Ein weiteres freigesetztes Elektron, das sich auf einigen befindet Entfernung auch vom Pluspol angezogen Pol und ziehen um ihm gegenüber, aber getroffen haben ein Loch in seinem Weg, wird von ihm angezogen Ader Atom, Wiederherstellung der interatomaren Bindung.

Das Ergebnis Neu Loch nach dem zweiten Elektron, füllt das dritte freigesetzte Elektron, das sich neben diesem Loch befindet (Abbildung Nr. 1). Wiederum Löcher, die am nächsten sind Negativ Pol, gefüllt mit anderen freigesetzte Elektronen(Abbildung Nr. 2). Dadurch entsteht im Halbleiter ein elektrischer Strom.

Solange der Halbleiter arbeitet elektrisches Feld, dieser Prozess kontinuierlich: Zwischenatomare Bindungen werden aufgebrochen - freie Elektronen entstehen - Löcher werden gebildet. Die Löcher werden mit freigesetzten Elektronen gefüllt - interatomare Bindungen werden wiederhergestellt, während andere interatomare Bindungen aufgebrochen werden, aus denen Elektronen austreten und die folgenden Löcher füllen (Abbildung Nr. 2-4).

Daraus schließen wir: Elektronen bewegen sich vom Minuspol der Spannungsquelle zum Pluspol und Löcher vom Pluspol zum Minuspol.

Elektron-Loch-Leitfähigkeit.

Bei einem "reinen" Halbleiterkristall ist die Zahl veröffentlicht Elektronen im Moment ist gleich der Zahl entstehenden in diesem fall gibt es löcher, also die elektrische leitfähigkeit eines solchen halbleiters klein, da es einen elektrischen Strom liefert groß Widerstand, und diese elektrische Leitfähigkeit heißt besitzen.

Aber wenn wir den Halbleiter in Form hinzufügen Verunreinigungen eine bestimmte Anzahl von Atomen anderer Elemente, dann wird seine elektrische Leitfähigkeit erheblich zunehmen, und abhängig davon Strukturen Atome von Verunreinigungselementen wird die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters sein elektronisch oder perforiert.

elektronische Leitfähigkeit.

Angenommen, in einem Halbleiterkristall, in dem Atome vier Valenzelektronen haben, haben wir ein Atom durch ein Atom ersetzt, in dem fünf Valenzelektronen. Dieses Atom vier Elektronen verbinden sich mit vier benachbarten Atomen des Halbleiters und fünfte das Valenzelektron bleibt überflüssig“ bedeutet kostenlos. Und dann mehr mehr werden freie Elektronen sein, was bedeutet, dass sich ein solcher Halbleiter in seinen Eigenschaften einem Metall nähert, und damit ein elektrischer Strom durch ihn fließen kann Zwischenatombindungen müssen nicht zerstört werden.

Halbleiter mit solchen Eigenschaften nennt man Halbleiter mit Leitfähigkeit vom Typ " n“ oder Halbleiter n-Typ. Hier kommt der lateinische Buchstabe n vom Wort "negativ" (negativ) - also "negativ". Daraus folgt das in einem Halbleiter n-Typ hauptsächlich Ladungsträger sind - Elektronen, und nicht die wichtigsten - Löcher.

Lochleitung.

Nehmen wir denselben Kristall, aber jetzt ersetzen wir sein Atom durch ein Atom, in dem nur drei freies Elektron. Mit seinen drei Elektronen wird es nur mit binden drei benachbarte Atome, und um sich mit dem vierten Atom zu verbinden, wird er nicht genug haben eines Elektron. Als Ergebnis bildet es sich Loch. Natürlich wird es mit jedem anderen freien Elektron in der Nähe gefüllt sein, aber auf jeden Fall wird es keinen solchen Halbleiter im Kristall geben. greifen Elektronen, um Löcher zu füllen. Und dann mehr es wird solche Atome im Kristall geben, also mehr es wird Löcher geben.

Damit freie Elektronen freigesetzt werden und sich in einem solchen Halbleiter bewegen können, Valenzbindungen zwischen Atomen müssen zerstört werden. Aber die Elektronen werden immer noch nicht ausreichen, da die Anzahl der Löcher immer sein wird mehr Anzahl der Elektronen zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Solche Halbleiter werden mit Halbleitern bezeichnet perforiert Leitfähigkeit oder Leiter p-Typ, was im Lateinischen "positiv" "positiv" bedeutet. Somit wird das Phänomen des elektrischen Stroms in einem Halbleiterkristall vom p-Typ von einer kontinuierlichen begleitet Entstehung und Verschwinden positive Ladungen sind Löcher. Und das bedeutet, dass in einem Halbleiter p-Typ hauptsächlich Ladungsträger sind Löcher, und nicht basisch - Elektronen.

Nachdem Sie nun ein gewisses Verständnis für die in Halbleitern auftretenden Phänomene haben, wird es Ihnen nicht schwer fallen, das Funktionsprinzip von Halbleiter-Funkkomponenten zu verstehen.

Lassen Sie uns damit aufhören und in Betracht ziehen wir das Gerät, das Funktionsprinzip der Diode, analysieren ihre Strom-Spannungs-Charakteristik und Schaltkreise.
Viel Glück!

Quelle:

1 . Borisov V.G. - Ein junger Funkamateur. 1985
2 . Website academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Was sind seine Eigenschaften? Was ist die Physik von Halbleitern? Wie sind sie gebaut? Was ist Halbleiterleitfähigkeit? Welche physikalischen Eigenschaften haben sie?

Was ist ein Halbleiter?

Dies bezieht sich auf kristalline Materialien, die Elektrizität nicht so gut leiten wie Metalle. Trotzdem ist dieser Indikator besser als Isolatoren. Solche Eigenschaften sind auf die Anzahl der Mobilfunkanbieter zurückzuführen. Im Allgemeinen gibt es eine starke Bindung an die Kerne. Wenn jedoch mehrere Atome in den Leiter eingeführt werden, beispielsweise Antimon, das einen Elektronenüberschuss aufweist, wird diese Situation korrigiert. Bei Verwendung von Indium werden Elemente mit positiver Ladung erhalten. All diese Eigenschaften werden häufig in Transistoren verwendet - speziellen Geräten, die Strom nur in einer Richtung verstärken, blockieren oder leiten können. Wenn wir ein Element vom NPN-Typ betrachten, können wir eine signifikante Verstärkungsrolle feststellen, die besonders wichtig ist, wenn schwache Signale übertragen werden.

Konstruktionsmerkmale von elektrischen Halbleitern

Leiter haben viele freie Elektronen. Isolatoren besitzen sie praktisch überhaupt nicht. Halbleiter hingegen enthalten sowohl eine gewisse Menge an freien Elektronen als auch positiv geladene Lücken, die bereit sind, die freigesetzten Teilchen aufzunehmen. Und am wichtigsten ist, dass sie alle leiten.Der zuvor besprochene NPN-Transistortyp ist nicht das einzig mögliche Halbleiterelement. Es gibt also auch PNP-Transistoren sowie Dioden.

Wenn wir kurz über letzteres sprechen, dann ist dies ein solches Element, das Signale nur in eine Richtung übertragen kann. Eine Diode kann auch Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln. Was ist der Mechanismus einer solchen Transformation? Und warum bewegt es sich nur in eine Richtung? Je nachdem, woher der Strom kommt, können Elektronen und Lücken entweder auseinanderlaufen oder aufeinander zulaufen. Im ersten Fall wird aufgrund einer Vergrößerung des Abstands die Versorgung unterbrochen, und daher erfolgt die Übertragung negativer Spannungsträger nur in einer Richtung, dh die Leitfähigkeit von Halbleitern ist einseitig. Schließlich kann der Strom nur übertragen werden, wenn die konstituierenden Teilchen in der Nähe sind. Und das geht nur bei einseitiger Bestromung. Diese Arten von Halbleitern existieren und werden gegenwärtig verwendet.

Bandstruktur

Die elektrischen und optischen Eigenschaften von Leitern hängen damit zusammen, dass beim Auffüllen von Energieniveaus mit Elektronen diese durch eine Bandlücke von möglichen Zuständen getrennt sind. Was sind ihre Eigenschaften? Tatsache ist, dass es in der Bandlücke keine Energieniveaus gibt. Mit Hilfe von Verunreinigungen und Strukturfehlern kann dies verändert werden. Das höchste vollständig gefüllte Band wird als Valenzband bezeichnet. Dann folgt das Erlaubte, aber Leere. Es wird als Leitungsband bezeichnet. Die Halbleiterphysik ist ein ziemlich interessantes Thema und wird im Rahmen des Artikels gut behandelt.

Elektronenzustand

Dazu werden Konzepte wie die Zahl der erlaubten Zonen und der Quasi-Impuls verwendet. Die Struktur des ersten wird durch das Dispersionsgesetz bestimmt. Er sagt, dass es durch die Abhängigkeit der Energie vom Quasi-Impuls beeinflusst wird. Wenn also das Valenzband vollständig mit Elektronen gefüllt ist (die in Halbleitern Ladung tragen), dann sagen sie, dass es keine elementaren Anregungen darin gibt. Wenn aus irgendeinem Grund kein Teilchen vorhanden ist, bedeutet dies, dass hier ein positiv geladenes Quasiteilchen aufgetreten ist - eine Lücke oder ein Loch. Sie sind Ladungsträger in Halbleitern im Valenzband.

Degenerierte Zonen

Das Valenzband in einem typischen Leiter ist sechsfach entartet. Dies geschieht ohne Berücksichtigung der Spin-Bahn-Wechselwirkung und nur dann, wenn der Quasi-Impuls null ist. Es kann unter der gleichen Bedingung in zweifach und vierfach entartete Bänder gespalten werden. Der Energieabstand zwischen ihnen wird als Spin-Bahn-Aufspaltungsenergie bezeichnet.

Verunreinigungen und Defekte in Halbleitern

Sie können elektrisch inaktiv oder aktiv sein. Die Verwendung der ersteren ermöglicht es, in Halbleitern eine positive oder negative Ladung zu erhalten, die durch das Auftreten eines Lochs im Valenzband oder eines Elektrons im leitenden Band kompensiert werden kann. Inaktive Verunreinigungen sind neutral und haben relativ wenig Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften. Darüber hinaus kann es oft darauf ankommen, welche Wertigkeit die am Ladungstransferprozess beteiligten Atome und deren Struktur haben

Je nach Art und Menge der Verunreinigungen kann sich auch das Verhältnis zwischen der Zahl der Löcher und der Elektronen ändern. Daher müssen Halbleitermaterialien immer sorgfältig ausgewählt werden, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Dem gehen eine beträchtliche Anzahl von Berechnungen und anschließend Experimente voraus. Die Teilchen, die am häufigsten als Majoritätsladungsträger bezeichnet werden, sind nicht-primär.

Durch das dosierte Einbringen von Verunreinigungen in Halbleiter können Bauelemente mit den geforderten Eigenschaften erhalten werden. Defekte in Halbleitern können sich auch in einem inaktiven oder aktiven elektrischen Zustand befinden. Versetzung, Zwischengitteratom und Leerstelle sind hier wichtig. Flüssige und nichtkristalline Leiter reagieren anders auf Verunreinigungen als kristalline. Das Fehlen einer starren Struktur führt letztlich dazu, dass das verschobene Atom eine andere Wertigkeit erhält. Sie wird eine andere sein als die, mit der er anfänglich seine Bindungen sättigt. Es wird für ein Atom unrentabel, ein Elektron abzugeben oder hinzuzufügen. In diesem Fall wird es inaktiv, und daher haben dotierte Halbleiter eine hohe Ausfallwahrscheinlichkeit. Dies führt dazu, dass es unmöglich ist, mit Hilfe der Dotierung die Art der Leitfähigkeit zu ändern und beispielsweise einen p-n-Übergang zu erzeugen.

Einige amorphe Halbleiter können ihre elektronischen Eigenschaften unter Einfluss von Dotierung verändern. Aber das gilt für sie in viel geringerem Maße als für kristalline. Die Dotierungsempfindlichkeit amorpher Elemente kann durch Bearbeitung verbessert werden. Abschließend möchte ich anmerken, dass dotierte Halbleiter dank langer und harter Arbeit immer noch durch eine Reihe von Ergebnissen mit guten Eigenschaften vertreten sind.

Elektronenstatistik in einem Halbleiter

Die Anzahl der Löcher und Elektronen wird, wenn vorhanden, allein von der Temperatur, den Parametern der Bandstruktur und der Konzentration elektrisch aktiver Verunreinigungen bestimmt. Bei der Berechnung des Verhältnisses wird davon ausgegangen, dass sich einige der Partikel im Leitungsband (auf der Akzeptor- oder Donatorebene) befinden. Dabei wird auch berücksichtigt, dass ein Teil das Valenzgebiet verlassen kann und dort Lücken entstehen.

Elektrische Leitfähigkeit

In Halbleitern können neben Elektronen auch Ionen als Ladungsträger fungieren. Ihre elektrische Leitfähigkeit ist jedoch in den meisten Fällen vernachlässigbar. Als Ausnahme können nur ionische Supraleiter genannt werden. Es gibt drei Hauptmechanismen der Elektronenübertragung in Halbleitern:

1. Hauptzone. In diesem Fall kommt das Elektron aufgrund einer Änderung seiner Energie innerhalb desselben zulässigen Bereichs in Bewegung.
2. Hopping-Transfer über lokalisierte Zustände.
3. Polaron.

Aufregung

Ein Loch und ein Elektron können einen gebundenen Zustand bilden. Es wird als Wannier-Mott-Exziton bezeichnet. Dabei nimmt die, der Absorptionskante entsprechende, um die Größe der Bindung ab. Bei ausreichender Energie kann sich in Halbleitern eine erhebliche Menge an Exzitonen bilden. Wenn ihre Konzentration zunimmt, tritt Kondensation auf und es wird eine Elektronen-Loch-Flüssigkeit gebildet.

Halbleiteroberfläche

Diese Wörter bezeichnen mehrere Atomschichten, die sich in der Nähe des Randes des Geräts befinden. Oberflächeneigenschaften unterscheiden sich von Masseneigenschaften. Das Vorhandensein dieser Schichten bricht die Translationssymmetrie des Kristalls. Dies führt zu sogenannten Oberflächenzuständen und Polaritonen. Um das Thema des letzteren weiterzuentwickeln, sollte man auch über Spin und Vibrationswellen informieren. Aufgrund seiner chemischen Aktivität ist die Oberfläche mit einer mikroskopisch kleinen Schicht aus Fremdmolekülen oder Atomen bedeckt, die aus der Umgebung adsorbiert wurden. Sie bestimmen die Eigenschaften dieser mehreren Atomschichten. Glücklicherweise ermöglicht die Schaffung der Ultrahochvakuumtechnologie, bei der Halbleiterelemente hergestellt werden, eine saubere Oberfläche für mehrere Stunden zu erhalten und aufrechtzuerhalten, was sich positiv auf die Qualität der resultierenden Produkte auswirkt.

Halbleiter. Die Temperatur beeinflusst den Widerstand

Wenn die Temperatur von Metallen steigt, steigt auch ihr Widerstand. Bei Halbleitern ist das Gegenteil der Fall - unter den gleichen Bedingungen nimmt dieser Parameter für sie ab. Der Punkt hier ist, dass die elektrische Leitfähigkeit eines jeden Materials (und diese Eigenschaft ist umgekehrt proportional zum Widerstand) davon abhängt, welche Stromladung die Ladungsträger haben, von der Geschwindigkeit ihrer Bewegung in einem elektrischen Feld und von ihrer Anzahl in einer Volumeneinheit das Material.

In Halbleiterelementen steigt mit zunehmender Temperatur die Partikelkonzentration, wodurch die Wärmeleitfähigkeit zunimmt und der Widerstand abnimmt. Sie können dies überprüfen, wenn Sie einen einfachen Satz eines jungen Physikers und das notwendige Material haben - Silizium oder Germanium, Sie können auch einen daraus hergestellten Halbleiter nehmen. Eine Erhöhung der Temperatur verringert ihren Widerstand. Um dies sicherzustellen, müssen Sie sich mit Messgeräten eindecken, mit denen Sie alle Änderungen sehen können. Dies ist im Allgemeinen der Fall. Schauen wir uns ein paar private Optionen an.

Widerstand und elektrostatische Ionisation

Dies ist auf das Tunneln von Elektronen zurückzuführen, die eine sehr schmale Barriere passieren, die etwa ein Hundertstel Mikrometer liefert. Es befindet sich zwischen den Rändern der Energiezonen. Sein Auftreten ist nur möglich, wenn die Energiebänder gekippt sind, was nur unter dem Einfluss eines starken elektrischen Feldes auftritt. Wenn Tunneln auftritt (was ein quantenmechanischer Effekt ist), passieren die Elektronen eine schmale Potentialbarriere und ihre Energie ändert sich nicht. Dies führt zu einer Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration, und zwar in beiden Bändern: sowohl Leitung als auch Valenz. Wenn der Prozess der elektrostatischen Ionisierung entwickelt wird, kann es zu einem Tunneldurchbruch des Halbleiters kommen. Während dieses Vorgangs ändert sich der Widerstand der Halbleiter. Es ist reversibel, und sobald das elektrische Feld abgeschaltet wird, werden alle Prozesse wiederhergestellt.

Widerstand und Stoßionisation

In diesem Fall werden Löcher und Elektronen beschleunigt, während sie die mittlere freie Weglänge unter dem Einfluss eines starken elektrischen Felds passieren, auf Werte, die zur Ionisierung von Atomen und zum Aufbrechen einer der kovalenten Bindungen (des Hauptatoms oder der Verunreinigung) beitragen ). Stoßionisation tritt wie eine Lawine auf, und Ladungsträger vermehren sich darin wie eine Lawine. Dabei werden die neu entstandenen Löcher und Elektronen durch einen elektrischen Strom beschleunigt. Der Wert des Stroms im Endergebnis wird mit dem Stoßionisationskoeffizienten multipliziert, der gleich der Anzahl der Elektron-Loch-Paare ist, die durch den Ladungsträger in einem Segment des Pfades gebildet werden. Die Entwicklung dieses Prozesses führt letztendlich zu einem Lawinendurchbruch des Halbleiters. Auch der Widerstand von Halbleitern ändert sich, ist aber wie beim Tunneldurchbruch reversibel.

Der Einsatz von Halbleitern in der Praxis

Die besondere Bedeutung dieser Elemente sollte in Computertechnologien beachtet werden. Wir haben fast keinen Zweifel daran, dass Sie sich nicht für die Frage interessieren würden, was Halbleiter sind, wenn Sie nicht den Wunsch hätten, daraus selbstständig ein Objekt zusammenzubauen. Der Betrieb moderner Kühlschränke, Fernseher und Computermonitore ist ohne Halbleiter nicht mehr vorstellbar. Verzichten Sie nicht auf sie und die automobile Weiterentwicklung. Sie werden auch in der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt. Verstehen Sie, was Halbleiter sind, wie wichtig sie sind? Natürlich kann man nicht sagen, dass dies die einzigen unersetzlichen Elemente für unsere Zivilisation sind, aber sie sollten auch nicht unterschätzt werden.

Die Verwendung von Halbleitern in der Praxis ist auch auf eine Reihe von Faktoren zurückzuführen, darunter die weit verbreitete Verwendung der Materialien, aus denen sie hergestellt werden, sowie die einfache Verarbeitung und Erzielung des gewünschten Ergebnisses sowie andere technische Merkmale, aufgrund derer die Wahl der Wissenschaftler erfolgt die elektronische Geräte entwickelten, ließen sich auf sie nieder.

Fazit

Wir haben im Detail untersucht, was Halbleiter sind, wie sie funktionieren. Ihre Widerstandsfähigkeit beruht auf komplexen physikalischen und chemischen Prozessen. Und wir können Ihnen mitteilen, dass die im Artikel beschriebenen Fakten nicht vollständig verstehen, was Halbleiter sind, aus dem einfachen Grund, dass selbst die Wissenschaft die Merkmale ihrer Arbeit nicht bis zum Ende untersucht hat. Aber wir kennen ihre wichtigsten Eigenschaften und Merkmale, die es uns ermöglichen, sie in der Praxis anzuwenden. Daher können Sie selbst nach Halbleitermaterialien suchen und damit experimentieren, seien Sie vorsichtig. Wer weiß, vielleicht schlummert ein großer Entdecker in dir?!

Die physikalischen Eigenschaften von Festkörpern und vor allem ihre elektrischen Eigenschaften werden nicht dadurch bestimmt, wie die Zonen gebildet wurden, sondern wie sie gefüllt sind. Aus dieser Sicht lassen sich alle kristallinen Körper in zwei verschiedene Gruppen einteilen. Alle Körper der ersten Gruppe sind Dirigenten. Die zweite Gruppe von Festkörpern kombiniert Halbleiter und Dielektrika. Die zweite Gruppe umfasst Körper, bei denen sich über den vollständig gefüllten Zonen vollständig leere Zonen befinden. Zu dieser Gruppe gehören auch Kristalle mit Diamantstruktur: Silizium, Germanium, graues Zinn, Diamant selbst; und viele chemische Verbindungen - Metalloxide, Karbide, Metallnitride, Korund.

Halbleiter werden in intrinsisch (rein) und extrinsisch (dotiert) unterteilt. Halbleiter mit einem hohen Reinheitsgrad werden als intrinsisch bezeichnet. Die Eigenschaften des gesamten Kristalls werden dabei nur durch die Eigenschaften der intrinsischen Atome des Halbleiterelements bestimmt. Das Auftreten von leitenden Eigenschaften in einem Halbleiter kann auf eine Temperaturerhöhung, andere äußere Einflüsse (Lichteinstrahlung, Beschuss schneller Elektronen) zurückzuführen sein. Wichtig ist nur, dass durch die äußere Einwirkung Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband übergehen oder dass Bedingungen für die Erzeugung freier Ladungsträger im Bulk des Halbleiters geschaffen werden. Eigenleitfähigkeit bei strikter Gleichheit von Ladungsträgerkonzentrationen unterschiedlichen Vorzeichens lässt sich nur in hochreinen idealen Halbleiterkristallen realisieren. Unter realen Bedingungen haben wir es immer mit Kristallen zu tun, die bis zu einem gewissen Grad durch verschiedene Verunreinigungen kontaminiert sind. Darüber hinaus sind es die Verunreinigungshalbleiter, die in der Halbleitertechnologie von größtem Interesse sind. Verunreinigungshalbleiter werden je nach Art der eingeführten Verunreinigung in Donator- (elektronische) und Akzeptor- (Loch-) Halbleiter unterteilt. Die Bildung von Löchern im Valenzband bedeutet das Auftreten von Lochleitung im Kristall. Aufgrund dieser Art der Leitfähigkeit werden die Halbleiter selbst Lochhalbleiter oder p-Halbleiter genannt. Verunreinigungen, die in einen Halbleiter eingeführt werden, um Elektronen aus dem Valenzband einzufangen, werden Akzeptoren genannt, weshalb die Energieniveaus dieser Verunreinigungen Akzeptorniveaus genannt werden und die Halbleiter selbst mit solchen Verunreinigungen Akzeptorhalbleiter genannt werden.

Die Photoleitfähigkeit ist ein Nichtgleichgewichtsprozess in Halbleitern, der darin besteht, dass die leitenden Eigenschaften eines Halbleiters unter dem Einfluss jeglicher Strahlung (infrarot, sichtbar oder ultraviolett) auftreten oder sich ändern. In der Regel geht die Bestrahlung eines Halbleiters mit Licht mit einer Erhöhung seiner elektrischen Leitfähigkeit einher. Eine Erhöhung der Leitfähigkeit wird durch eine Erhöhung der Konzentration freier Träger erklärt (die Mobilität von Nichtgleichgewichtsträgern unterscheidet sich praktisch nicht von der Mobilität von Gleichgewichtsträgern). Die Bildung überschüssiger Mobilfunkträger bei Lichteinwirkung ist aus den folgenden drei Hauptgründen möglich:

• Lichtquanten, die mit Elektronen in Wechselwirkung treten, die sich auf Störstellenniveaus befinden, und ihnen ihre Energie geben, übertragen sie auf das Leitungsband, wodurch die Konzentration der Leitungselektronen erhöht wird;
• Lichtquanten regen im Valenzband befindliche Elektronen an und übertragen sie auf Akzeptorniveaus, wodurch freie Löcher im Valenzband entstehen und die Lochleitfähigkeit des Halbleiters erhöht wird;
• Lichtquanten übertragen Elektronen aus dem Valenzband direkt in das Leitungsband und erzeugen so gleichzeitig bewegliche Löcher und freie Elektronen.

Derzeit werden Halbleiterbauelemente in fast allen Bereichen der Elektronik und Funktechnik eingesetzt. Trotz der extremen Vielfalt dieser Vorrichtungen basieren sie jedoch normalerweise auf dem Betrieb eines herkömmlichen p-n-Übergangs oder eines Systems aus mehreren p-n-Übergängen. Eine Halbleiterdiode enthält nur einen p-n-Übergang, an dessen Bereichen jeweils Metalleingänge mit ohmschen Kontakten angeschlossen sind. Halbleiterdioden werden hauptsächlich zur Gleichrichtung von Wechselstrom verwendet.

Im Gegensatz zu Halbleiterdioden sind Transistoren Halbleitersysteme, die aus drei Bereichen bestehen, die durch zwei p-n-Übergänge getrennt sind. Jeder Bereich hat seinen eigenen Ausgang. Daher werden Transistoren in Analogie zu Vakuum-Trioden oft als Halbleiter-Trioden bezeichnet. Und nach Vereinbarung ähneln Transistoren Vakuumtrioden: Der Haupteinsatzbereich ist die Verstärkung elektrischer Signale in Spannung und Leistung. Um Transistoren in einer Halbleiter-Einkristallplatte mit einem bestimmten Leitfähigkeitstyp zu erhalten, wird auf ihren beiden gegenüberliegenden Seiten eine Verunreinigung aufgeschmolzen oder diffus durchdrungen, wodurch den oberflächennahen Bereichen eine Leitfähigkeit des entgegengesetzten Typs verliehen wird. Sie können einen Transistor als p-n-p-Typ und n-p-n-Typ erstellen. Es gibt keinen grundlegenden Unterschied zwischen ihnen. Es ist nur so, dass Löcher die Hauptrolle in Transistoren vom p-n-p-Typ und Elektronen in Transistoren vom n-p-n-Typ spielen.

Halbleiter brachen schnell in Wissenschaft und Technologie ein. Enorme Einsparungen beim Stromverbrauch, erstaunliche Kompaktheit der Geräte aufgrund der ungewöhnlich hohen Packungsdichte von Elementen in Schaltkreisen, hohe Zuverlässigkeit ermöglichten es Halbleitern, eine führende Position in der Elektronik, Funktechnik und Wissenschaft einzunehmen. Die Forschung im Weltraum, wo die Anforderungen an Größe, Gewicht und Energieverbrauch so kritisch sind, ist derzeit ohne Halbleiterbauelemente undenkbar, die ihre Energie im autonomen Flug des Geräts übrigens aus Solarbatterien beziehen, die auf Halbleiterelementen arbeiten. Überraschende Perspektiven in der Entwicklung der Halbleitertechnologie eröffnete die Mikroelektronik. Doch die Möglichkeiten der Halbleiter sind noch lange nicht ausgeschöpft und warten auf ihre neuen Forscher.

Halbleiteranwendungen

Derzeit werden Halbleiterbauelemente in fast allen Bereichen der Elektronik und Funktechnik eingesetzt. Trotz der extremen Vielfalt dieser Vorrichtungen basieren sie jedoch normalerweise auf dem Betrieb eines herkömmlichen p-n-Übergangs oder eines Systems aus mehreren p-n-Übergängen.

Eine Halbleiterdiode enthält nur einen p-n-Übergang, an dessen Bereichen jeweils Metalleingänge mit ohmschen Kontakten angeschlossen sind.

Gleichrichterdioden. Halbleiterdioden werden hauptsächlich zur Gleichrichtung von Wechselstrom verwendet. Das einfachste Schema zur Verwendung einer Halbleiterdiode als Gleichrichterelement ist in Abbildung 1 dargestellt. Eine Wechselspannungsquelle i-, eine Diode D und ein Lastwiderstand Rn sind in Reihe geschaltet. Die Flussrichtung der Diode ist durch einen Pfeil angedeutet (von der Anode zur Kathode).

Lassen Sie die Spannung an den Source-Klemmen sich gemäß einem Sinusgesetz ändern (Abb. 2, a). Wenn während der positiven Halbwelle „+“ an die Anode der Diode und „-“ an die Kathode angelegt wird, schaltet die Diode in Durchlassrichtung ein und Strom fließt durch sie. Dabei wird der Momentanwert des Stroms I durch den Momentanwert der Spannung und an den Source-Anschlüssen und dem Lastwiderstand bestimmt (der Widerstand der Diode in Durchlassrichtung ist klein und kann vernachlässigt werden). Während der negativen Halbwelle fließt kein Strom durch die Diode. Somit fließt ein pulsierender Strom in der Schaltung, dessen Graph in Abbildung 2, b gezeigt ist. Ebenso pulsierend wird die Spannung un am Lastwiderstand sein. Da u = iR, wiederholt die Spannungsänderung u den Verlauf der Stromänderung i. Die Polarität der am Lastwiderstand erzeugten Spannung ist immer gleich und richtet sich nach der Richtung des übertragenen Stroms: Am Ende des Widerstands, der der Kathode zugewandt ist, befindet sich „+“ und am Gegenteil Ende "-".

Das betrachtete Gleichrichtungsschema ist eine Halbwelle. Um die Welligkeit der gleichgerichteten Spannung zu reduzieren, werden Glättungsfilter verwendet. Die einfachste Glättungsmethode besteht darin, einen Kondensator C parallel zum Lastwiderstand zu schalten (gestrichelt in Abbildung 1 dargestellt). Während der positiven Halbwelle lädt ein Teil des von der Diode durchgelassenen Stroms den Kondensator auf. Während der negativen Halbwelle, wenn die Diode gesperrt ist, wird der Kondensator über Rp entladen, wodurch ein Strom in derselben Richtung darin erzeugt wird. Dadurch wird die Spannungswelligkeit am Lastwiderstand weitgehend geglättet.