Puolijohteiden löytämisen ja niiden ominaisuuksien tutkimuksen myötä tuli mahdolliseksi luoda diodeihin ja transistoreihin perustuvia piirejä. Pian paremman suorituskyvyn ja pienemmän koon vuoksi ne korvasivat tyhjiöputket, sitten tuli mahdolliseksi tuottaa puolijohdeelementteihin perustuvia integroituja piirejä.

Mitä ovat puolijohteet

Puolijohteiden määritteleminen tarkoittaa niiden karakterisointia niiden kyvyn perusteella johtaa sähkövirtaa. Näiden kiteisten aineiden sähkönjohtavuus kasvaa lämpötilan noustessa, valolle altistuessa ja erilaisten epäpuhtauksien esiintyessä.

Puolijohteet ovat leveärakoisia ja kapearakoisia, mikä määrää puolijohdemateriaalien ominaisuudet. Kaistaväli, mitattuna elektronivolteina (eV), määrittää sähkönjohtavuuden. Tämä parametri voidaan esittää energiana, jonka elektroni tarvitsee tunkeutuakseen sähkövirran vyöhykkeelle. Keskimäärin puolijohteiden kohdalla se on 1 eV, se voi olla enemmän tai vähemmän.

Jos vieras atomi rikkoo puolijohteiden kidehilan säännöllisyyttä, tällainen johtavuus on epäpuhtaus. Kun puolijohdeaineilla on tarkoitus luoda mikropiirielementtejä, niihin lisätään erityisesti epäpuhtauksia, jotka muodostavat lisääntynyttä reikien tai elektronien kertymistä:

• luovuttaja - korkeammalla valenssilla luovuttaa elektroneja;
• akseptori - pienemmällä valenssilla poista elektronit muodostaen reikiä.

Tärkeä! Pääasiallinen johtimien sähkönjohtavuuteen vaikuttava tekijä on lämpötila.

Miten johtavuus tarjotaan?

Esimerkkejä puolijohteista ovat pii, germanium. Näiden aineiden kiteissä atomeilla on kovalenttisia sidoksia. Lämpötilan noustessa joitain elektroneja voi vapautua. Elektronin menettäneestä atomista tulee sitten positiivisesti varautunut ioni. Ja elektroni, joka ei pysty siirtymään toiseen atomiin sidosten kyllästymisen vuoksi, osoittautuu vapaaksi. Sähkökentän vaikutuksesta vapautuneet elektronit voivat liikkua suunnatussa virrassa.

Elektronin menettäneellä ionilla on taipumus "ottaa pois" toinen lähimmältä atomilta. Jos hän onnistuu, tämän atomin pysäyttää jo ioni, joka vuorostaan ​​yrittää korvata kadonneen elektronin. Siten tapahtuu "reikien" (positiivisten varausten) liikettä, joka voi myös järjestyä sähkökentässä.

Korkeampi lämpötila mahdollistaa elektronien vapautumisen energisemmin, mikä johtaa puolijohteen resistanssin laskuun ja johtavuuden kasvuun. Elektronit ja reiät liittyvät suunnilleen yhtä suuriin suhteisiin puhtaissa kiteissä, tällaista johtavuutta kutsutaan luontaiseksi.

p-tyypin ja n-tyypin johtavuus

Johtavuuden epäpuhtaustyypit jaetaan:

1. R-tyyppinen. Muodostuu lisättäessä akseptoriepäpuhtautta. Pienempi epäpuhtauksien valenssi aiheuttaa lisääntyneen määrän reikiä muodostumisen. Neljänarvoisen piin tapauksessa kolmiarvoinen boori voi toimia sellaisena epäpuhtautena;
2. N-tyyppinen. Jos piihin lisätään viisiarvoista antimonia, puolijohteessa vapautuvien negatiivisen varauksenkantajaelektronien määrä kasvaa.

Puolijohdeelementit toimivat pääasiassa p-n-liitoksen ominaisuuksien perusteella. Kun kaksi materiaalia, joilla on erilainen johtavuus, saatetaan kosketukseen niiden välisellä rajalla, elektronit ja reiät tunkeutuvat vastakkaisille vyöhykkeille.

Tärkeä! Puolijohdemateriaalien vaihtoprosessilla positiivisilla ja negatiivisilla varauksenkantajilla on aikarajat - ennen sulkukerroksen muodostumista.

Positiivisen ja negatiivisen varauksen kantajat kerääntyvät kytkettyihin osiin, kosketuslinjan molemmille puolille. Tuloksena oleva potentiaaliero voi olla 0,6 V.

Kun p-n-liitoksella varustettu elementti tulee sähkökenttään, sen johtavuus riippuu virtalähteen (PS) kytkennästä. Kun "plus" on p-johtavalla osassa ja "miinus" osassa, jossa on n-johtavuus, estokerros tuhoutuu ja virta kulkee liitoksen läpi. Jos virtalähde kytketään päinvastoin, estokerros kasvaa entisestään ja päästää läpi mitättömän suuruisen sähkövirran.

Tärkeä! P-n-liitoksella on yksipuolinen johtavuus.

Puolijohteiden käyttö

Puolijohteiden ominaisuuksien perusteella on luotu erilaisia ​​laitteita, joita käytetään radiotekniikassa, elektroniikassa ja muilla aloilla.

Diodi

Puolijohdediodien yksisuuntainen johtavuus on määrittänyt niiden käyttöalueen - pääasiassa vaihtovirran tasasuuntauksessa. Muut diodityypit:

1. Tunneli. Siinä käytetään puolijohdemateriaaleja, joiden epäpuhtauspitoisuus on sellainen, että p-n-liitoksen leveys pienenee jyrkästi ja tunnelin rikkoutuminen on mahdollista suoralla kytkennällä. Käytetään RF-laitteissa, generaattoreissa, mittauslaitteissa;
2. Muunnettu. Hieman muokattu tunnelidiodi. Suoralla kytkennällä sen avaava jännite on paljon pienempi verrattuna klassisiin diodeihin. Tämä määrittää ennalta tunnelidiodin käytön pienjännitevirtojen muuntamiseen;
3. Varicap. Kun p-n-liitos on kiinni, sen kapasitanssi on melko korkea. Varikappia käytetään kondensaattorina, jonka kapasitanssia voidaan muuttaa jännitettä muuttamalla. Kapasitanssi pienenee, jos käänteinen jännite nousee;

1. Zener diodi. Kytketty rinnan, stabiloi jännitettä tietyllä alueella;
2. Pulssi. Lyhyiden transienttien vuoksi niitä käytetään pulssi-RF-piireissä;
3. Lumivyöryn lentäminen. Käytetään tuottamaan ultrakorkeataajuisia värähtelyjä. Se perustuu varauksenkuljettajien lumivyörymäiseen lisääntymiseen.

Tämä diodi ei koostu kahdesta puolijohdemateriaalista, vaan puolijohde on kosketuksissa metalliin. Koska metallilla ei ole kiteistä rakennetta, siinä ei voi olla reikiä. Tämä tarkoittaa, että puolijohdemateriaalin kosketuspisteessä vain molemmilla puolilla olevat elektronit pystyvät tunkeutumaan ja suorittamaan työtehtävän. Tämä on mahdollista, kun:

• on olemassa n-tyypin puolijohde ja sen elektronien työfunktio on pienempi kuin metallin;
• on p-tyyppinen puolijohde, jonka elektronien työfunktio on suurempi kuin metallin.

Kosketuskohdassa puolijohde menettää varauksenkantajat, sen johtavuus laskee. Luodaan este, joka ylitetään vaaditun arvon tasajännitteellä. Käänteinen jännite käytännössä estää diodin, joka toimii tasasuuntaajana. Suuren nopeutensa vuoksi Schottky-diodeja käytetään pulssipiireissä, laskentalaitteissa, ne toimivat myös tehodiodeina huomattavan suuruisen virran tasasuuntaamiseen.

Melkein mikään mikropiiri ei tule toimeen ilman transistoreita, puolijohdeelementtejä kahdella p-n-liitoksella. Transistorielementissä on kolme lähtökosketinta:

• keräilijä;
• pohja;
• säteilijä.

Jos tukiasemaan syötetään pienitehoinen ohjaussignaali, paljon enemmän virtaa kulkee kollektorin ja emitterin välillä. Kun signaalia ei syötetä tukiasemaan, virtaa ei johdeta. Siten virran voimakkuutta voidaan säätää. Laitetta käytetään signaalin vahvistamiseen ja piirin kosketuksettomaan kytkentään.

Puolijohdetransistorien tyypit:

1. Kaksisuuntainen mieliala. Niissä on positiivisia ja negatiivisia varauksenkuljettajia. Virtaava virta pystyy kulkemaan eteen- ja taaksepäin. Käytetään vahvistimina;
2. Ala. Niiden lähdöt ovat nimeltään drain, source, gate. Ohjaus suoritetaan tietyn napaisuuden omaavan sähkökentän avulla. Hilaan syötetty signaali voi muuttaa transistorin konduktanssia. Kenttälaitteiden lataustelineissä voi olla vain yksi merkki: positiivinen tai negatiivinen. Äänivahvistimissa käytetään tehokkaita kenttätehotransistoreja. Niiden pääsovellus on integroidut piirit. Kompaktit mitat ja alhainen virrankulutus mahdollistavat niiden asennuksen laitteisiin, joissa on alhainen jännitelähde (tuntia);
3. Yhdistetty. Ne voidaan sijoittaa yhdessä muiden transistorielementtien, vastusten kanssa yhteen monoliittiseen rakenteeseen.

Puolijohteiden doping

Doping on epäpuhtauselementtien, luovuttajan ja vastaanottajan, lisäämistä puolijohdekiteisiin niiden johtavuuden säätelemiseksi. Tämä tapahtuu kiteen kasvujakson aikana tai paikallisesti tietyillä vyöhykkeillä.

Käytetyt menetelmät:

1. Korkean lämpötilan diffuusio. Puolijohdekide kuumennetaan, ja sen pinnan kanssa kosketuksissa olevat epäpuhtausatomit putoavat syvyyksiin. Joissakin kidehilan paikoissa epäpuhtausatomit korvaavat pääaineen atomit;
2. Ioni-istutus. Tapahtuu epäpuhtausatomien ionisaatiota ja kiihtymistä, jotka pommittavat yksikidettä luoden paikallisia epähomogeenisuuksia ja muodostaen p-n-liitoksia;
3. lasersäteilytys. Menetelmän etuna on, että yksittäiset osat voidaan lämmittää suunnatulla säteilyllä mihin tahansa lämpötila-arvoon, mikä helpottaa epäpuhtauksien sisäänpääsyä;
4. neutronidoping. Käytetty suhteellisen hiljattain. Se koostuu yksittäisen kiteen säteilyttämisestä lämpöneutroneilla reaktorissa, minkä seurauksena tapahtuu atomiytimien mutaatio. Piiatomit muuttuvat fosforiksi.

On muitakin dopingmenetelmiä: kemiallinen syövytys, ohuiden kalvojen luominen sputteroimalla.

Miten puolijohteita valmistetaan?

Puolijohteiden saamisessa tärkeintä on niiden puhdistaminen tarpeettomista epäpuhtauksista. Monista tavoista saada niitä voidaan erottaa kaksi yleisimmin käytetyistä:

1. Alueen sulaminen. Prosessi suoritetaan suljetussa kvartsisäiliössä, johon syötetään inerttiä kaasua. Valanteen kapea vyöhyke sulaa, joka liikkuu vähitellen. Sulamisprosessissa epäpuhtaudet jakautuvat uudelleen ja kiteytyvät uudelleen vapauttaen puhtaan osan;
2. Czochralskin menetelmä. Se koostuu kiteen kasvattamisesta siemenestä vetämällä se vähitellen ulos sulasta koostumuksesta.

Puolijohdemateriaalien lajikkeet

Erot koostumuksessa määrittävät puolijohteiden laajuuden:

1. Yksinkertainen - sisältää homogeeniset aineet, joita käytetään itsenäisesti, sekä epäpuhtaudet ja monimutkaisten materiaalien osat. Piitä, seleeniä ja germaniumia käytetään itsenäisesti. Boori, antimoni, telluuri, arseeni, rikki, jodi toimivat lisäaineina;
2. Monimutkaiset materiaalit ovat kahden tai useamman alkuaineen kemiallisia yhdisteitä: sulfidit, telluridit, karbidit;
3. Koboltin, kuparin, europiumin oksideja käytetään tasasuuntaajissa ja valokennoissa;
4. Orgaaniset puolijohteet: indoli, akridoni, flavantroni, pentaseeni. Yksi niiden käyttöalueista on optinen elektroniikka;
5. Magneettiset puolijohteet. Näitä ovat ferromagneettiset materiaalit, esimerkiksi europiumsulfidi ja -oksidi, sekä antiferromagneettiset materiaalit - nikkelioksidi, europiumtelluridi. Niitä käytetään radiotekniikassa, optisissa laitteissa, joita ohjataan magneettikentällä.

Nyt on vaikea nimetä tekniikan alaa, jossa ei käytettäisi puolijohdemateriaaleja, mukaan lukien p-n-liitoksen puuttuessa esimerkiksi lämpöresistanssi lämpötila-antureissa, fotoresistanssi kauko-ohjaimissa ja muut.

Video

Puolijohteet ovat laaja luokka aineita, joille on tunnusomaista sähkönjohtavuusarvot, jotka ovat metallien sähkönjohtavuuden ja hyvien eristeiden välillä, eli näitä aineita ei voida luokitella dielektrisiksi (koska ne eivät ole hyviä eristeitä) tai metalleiksi. (ne eivät ole hyviä sähkönjohtimia). Puolijohteita ovat esimerkiksi aineet, kuten germanium, pii, seleeni, telluuri, sekä joitain oksideja, sulfideja ja metalliseoksia.

Ominaisuudet:

1) Lämpötilan noustessa puolijohteiden ominaisvastus pienenee, toisin kuin metallien, joissa resistiivisyys kasvaa lämpötilan noustessa. Lisäksi tämä nousu tapahtuu yleensä laajalla lämpötila-alueella eksponentiaalisesti. Puolijohdekiteiden ominaisvastus voi myös pienentyä joutuessaan alttiiksi valolle tai voimakkaille elektroniikkakentille.

2) Kahden puolijohteen kosketuksen yksipuolisen johtavuuden ominaisuus. Juuri tätä ominaisuutta käytetään luomaan erilaisia ​​puolijohdelaitteita: diodeja, transistoreita, tyristoreita jne.

3) Eri puolijohteiden koskettimet tietyissä olosuhteissa, valaistuna tai kuumennettuna, ovat valonlähteitä. d.s. tai vastaavasti termo-e. d.s.

Puolijohteet eroavat muista kiinteiden aineiden luokista monien erityisominaisuuksien osalta, joista tärkeimmät ovat:

1) sähkönjohtavuuden positiivinen lämpötilakerroin, eli lämpötilan noustessa puolijohteiden sähkönjohtavuus kasvaa;

2) puolijohteiden ominaisjohtavuus on pienempi kuin metallien, mutta suurempi kuin eristeiden;

3) suuret lämpösähkövoiman arvot metalleihin verrattuna;

4) puolijohdeominaisuuksien suuri herkkyys ionisoivalle säteilylle;

5) kyky muuttaa jyrkästi fysikaalisia ominaisuuksia vähäisten epäpuhtauspitoisuuksien vaikutuksesta;

6) virran tasasuuntauksen tai ei-ohmisen toiminnan vaikutus koskettimiin.

3. Fysikaaliset prosessit p-n -siirtymässä.

Useimpien puolijohdelaitteiden pääelementti on elektronireikäliitos ( kaupunginosa-transition), joka on siirtymäkerros puolijohteen kahden alueen välillä, joista toisella on elektroninen sähkönjohtavuus ja toisessa - reikä.

koulutus pn siirtyminen. Pn tasapainon siirtyminen

Katsotaanpa koulutusprosessia tarkemmin pn siirtyminen. Tasapainotilaa kutsutaan sellaiseksi siirtymätilaksi, jossa ei ole ulkoista jännitettä. Muista se sisään R- alueella on kahdenlaisia ​​päävarauksenkantajia: akseptoriepäpuhtausatomien liikkumattomat negatiivisesti varautuneet ionit ja vapaat positiivisesti varautuneet aukot; ja sisään n-alueella on myös kahdenlaisia ​​päävarauksenkantajia: akseptoriepäpuhtausatomien liikkumattomat positiivisesti varautuneet ionit ja vapaat negatiivisesti varautuneet elektronit.

Ennen kosketusta p ja n alueet, elektronit, reiät ja epäpuhtausionit ovat jakautuneet tasaisesti. Yhteydenotot rajalla p ja n alueilla syntyy vapaiden varauksenkuljettajien pitoisuusgradientti ja diffuusio. Diffuusion vaikutuksesta elektronit lähtevät n-alue menee sisään p ja yhdistyy siellä reikien kanssa. reikiä R-alueet menevät n alueella ja yhdistyä siellä elektronien kanssa. Tällaisen vapaan varauksenkuljettajien liikkeen seurauksena raja-alueella niiden pitoisuus laskee lähes nollaan ja samalla R alueella muodostuu akseptoriepäpuhtausionien negatiivinen tilavaraus, ja sisään n-luovuttajaepäpuhtausionien alueen positiivinen avaruusvaraus. Näiden latausten välillä on kosketuspotentiaaliero φ kohtaan ja sähkökenttä E to, joka estää vapaiden varauksenkuljettajien diffuusion syvyydestä R- ja n- alueiden läpi p-n- siirtyminen. Siten vapaan varauksenkantajien yhdistämää aluetta sähkökentällä kutsutaan p-n- siirtyminen.

Pn Siirtymälle on ominaista kaksi pääparametria:

1. Mahdollinen esteen korkeus. Se on yhtä suuri kuin kosketuspotentiaaliero φ kohtaan. Tämä on potentiaaliero siirtymässä, joka johtuu varauksenkuljettajien pitoisuusgradientista. Tämä on energia, joka ilmaisella latauksella on oltava, jotta se voi voittaa mahdollisen esteen:

missä k on Boltzmannin vakio; e on elektronin varaus; T- lämpötila; N a ja N D ovat vastaanottajien ja luovuttajien pitoisuudet reikä- ja vastaavasti elektronialueilla; p s ja p n ovat reikien pitoisuudet R- ja n- alueet; n i - varauksenkuljettajien oma pitoisuus seostamattomassa puolijohteessa,  t \u003d kT / e- lämpötilapotentiaali. Lämpötilassa T\u003d 27 0 С  t=0,025 V, germanium-siirtymälle =0,6 V, piiliitokselle \u003d 0,8V.

2. p-n liitoksen leveys(Kuva 1) on varauksenkuljettajista tyhjentynyt raja-alue, joka sijaitsee p ja n alueet: l p-n = l p + l n:

Täältä,

missä ε on puolijohdemateriaalin suhteellinen permittiivisyys; ε 0 on vapaan tilan dielektrisyysvakio.

Elektronireikäsiirtymien paksuus on luokkaa (0,1-10) µm. Jos , niin ja pn-siirtymää kutsutaan symmetriseksi, jos , sitten ja pn- siirtymää kutsutaan epäsymmetriseksi, ja se sijaitsee pääasiassa puolijohteen alueella, jolla on pienempi epäpuhtauspitoisuus.

Tasapainotilassa (ilman ulkoista jännitettä) läpi kaupunginosa siirtyminen, kaksi vastavirtaa varausten liikkuu (kaksi virtaa virtaa). Nämä ovat vähemmistövarauksenkantajien ryömintävirta ja diffuusiovirta, joka liittyy enemmistövarauksenkantajiin. Koska ulkoista jännitettä ei ole eikä ulkoisessa piirissä ole virtaa, ryömintävirta ja diffuusiovirta ovat keskenään tasapainossa ja tuloksena oleva virta on nolla

I dr + I ero = 0.

Tätä suhdetta kutsutaan diffuusio- ja drift-prosessien dynaamisen tasapainon ehtoksi eristetyssä (tasapainossa) pn-siirtyminen.

Pinta, jolla ne ovat kosketuksissa p ja n aluetta kutsutaan metallurgiseksi rajaksi. Todellisuudessa sillä on rajallinen paksuus - δ m. Jos δ m<< l p-n , sitten pn Siirtymää kutsutaan teräväksi. Jos δ m >> lp-n, sitten pn Siirtymää kutsutaan sujuvaksi.

Р-n siirtyminen siihen kytketyllä ulkoisella jännitteellä

Ulkoinen jännite häiritsee sisään tulevien virtojen dynaamista tasapainoa pn-siirtyminen. Pn- siirtymä menee epätasapainotilaan. Alueille syötetyn jännitteen napaisuudesta riippuen pn-Siirtymä mahdollista kaksi toimintatapaa.

1) Eteenpäin suuntautuva harhapn siirtyminen. R-n- risteyksen katsotaan olevan myötäsuuntainen, jos virtalähteen positiivinen napa on kytketty R-alueelle ja negatiivinen n- alueet (kuva 1.2)

Myötäjännitteellä jännitteet  to ja U suunnataan vastakkain, jolloin tuloksena oleva jännite on pn-siirtymä pienenee arvoon  - U. Tämä johtaa siihen, että sähkökentän voimakkuus pienenee ja päävarauksen kantajien diffuusioprosessi jatkuu. Lisäksi eteenpäin siirtymä pienentää leveyttä pn siirtyminen, koska lp-n ≈( - U) 1/2. Diffuusiovirrasta, päävarauksenkuljettajien virrasta, tulee paljon suurempi kuin ryömintävirta. Kautta pn-siirtymätasavirta

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

Tasavirran kulkiessa p-alueen enemmistövarauksenkantajat siirtyvät n-alueelle, jossa ne muuttuvat vähäisiksi. Diffuusioprosessia, jossa enemmistövarauksen kantajat tuodaan alueelle, jossa niistä tulee vähemmistö, kutsutaan injektio, ja tasavirta - diffuusiovirta tai injektiovirta. P- ja n-alueille kertyneiden vähemmistövarauksenkantajien kompensoimiseksi ulkoiseen piiriin muodostetaan elektronivirta jännitelähteestä, ts. sähköneutraaliuden periaate säilyy.

Korotuksen kanssa U virta kasvaa jyrkästi, - lämpötilapotentiaali ja voi saavuttaa suuria arvoja. liittyy tärkeimpiin kantajiin, joiden pitoisuus on korkea.

2) käänteinen bias, tapahtuu, kun R-alueelle on lisätty miinus ja kohtaan n-alue plus, ulkoinen jännitelähde (kuva 1.3).

Tämä ulkoinen jännitys U mukaan . Se: nostaa mahdollisen esteen korkeutta arvoon  + U; sähkökentän voimakkuus kasvaa; leveys pn siirtymä lisääntyy, koska l p-n ≈( to + U) 1/2; diffuusioprosessi pysähtyy kokonaan ja sen jälkeen pn siirtymä virtaa drift-virtaa, vähemmistökantoaaltovirtaa. Sellainen virta pn-siirtymää kutsutaan käänteiseksi, ja koska se liittyy pieniin varauksenkuljettajiin, jotka syntyvät lämmön muodostumisen vuoksi, sitä kutsutaan lämpövirraksi ja merkitään - minä 0, eli

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

Tämä virta on suuruudeltaan pieni. liittyvät vähemmistövarauksenkantajiin, joiden pitoisuus on alhainen. Täten, pn siirtymällä on yksipuolinen johtavuus.

Käänteisellä biasilla vähemmistövarauksen kantajien pitoisuus siirtymärajalla pienenee jonkin verran verrattuna tasapainotilaan. Tämä johtaa vähemmistövarauksen kantajien diffuusioon syvyydestä p ja n-alueet rajalle pn siirtyminen. Saavuttuaan sen vähemmistökantajat putoavat vahvaan sähkökenttään ja siirtyvät sen läpi pn siirtymävaiheessa, jossa niistä tulee enemmistövarauksen kantajia. Pienten varauksenkuljettajien diffuusio rajalle pn siirtymistä ja ajautumista sen läpi alueelle, jossa niistä tulee päävarauksen kantajia uuttaminen. Poisto ja luo käänteisen virran pn siirtymä on pienten varauksenkuljettajien virta.

Käänteisen virran suuruus riippuu suuresti: ympäristön lämpötilasta, puolijohdemateriaalista ja pinta-alasta pn siirtyminen.

Käänteisen virran lämpötilariippuvuus määräytyy lausekkeella , jossa on nimellislämpötila, on todellinen lämpötila, on lämpövirran kaksinkertaistuva lämpötila.

Piiliitoksen lämpövirta on paljon pienempi kuin germaniumpohjaisen liitoksen lämpövirta (3–4 suuruusluokkaa). Se liittyy  materiaalia.

Siirtymäalueen kasvaessa sen tilavuus kasvaa ja sen seurauksena lämmön muodostuksen ja lämpövirran kasvun seurauksena esiintyvien vähemmistökantoaaltojen määrä.

Pääomaisuus siis pn-siirtymä on sen yksisuuntaista johtamista.

4. Virta-jännite ominaiskäyrä p-n - siirtymä.

Saamme p-n-liitoksen virta-jännite-ominaisuuden. Tätä varten kirjoitamme jatkuvuusyhtälön yleisessä muodossa:

Tarkastellaan paikallaan olevaa tapausta dp/dt = 0.

Tarkastellaan virtaa n-tyypin puolijohteen kvasineutraalissa tilavuudessa p-n-liitoksen tyhjennetyn alueen oikealla puolella (x > 0). Kehitysnopeus G kvasineutraalissa tilavuudessa on nolla: G = 0. Sähkökenttä E on myös nolla: E = 0. Virran ryömintäkomponentti on myös nolla: I E = 0, joten virta on diffuusiota. Rekombinaationopeus R alhaisella injektiotasolla kuvataan suhteella:

Käytetään seuraavaa diffuusiokertoimeen, diffuusion pituuteen ja vähemmistökantoaallon kestoon liittyvää suhdetta: Dτ = L p 2 .

Ottaen huomioon yllä olevat oletukset, jatkuvuusyhtälö on seuraavanlainen:

Diffuusioyhtälön rajaehdot p-n-liitoksessa ovat:

Differentiaaliyhtälön (2.58) ratkaisu reunaehdoilla (*) on muotoa:

Relaatio (2.59) kuvaa injektoitujen reikien jakautumislakia n-tyypin puolijohteen kvasineutraalissa tilavuudessa elektronireikäsiirtymää varten (kuva 2.15). Kaikki kantoaallot, jotka ovat ylittäneet SCR-rajan p-n-liitoksen kvasineutraalilla tilavuudella, osallistuvat p-n-liitosvirtaan. Koska koko virta on diffuusiota, korvaamalla virran lausekkeella (2.59) saadaan (Kuva 2.16):

Relaatio (2.60) kuvaa p-n-liitosreikävirran diffuusiokomponenttia, joka syntyy vähemmistökantoaaltojen injektoinnin aikana myötäsuuntaisen biasin alaisena. p-n-liitosvirran elektroniselle komponentille saamme samalla tavalla:

Kun V G = 0, drift- ja diffuusiokomponentit tasapainottavat toisiaan. Siksi,.

Kokonaisp-n-liitosvirta on kaikkien neljän p-n-liitosvirtakomponentin summa:

Suluissa olevalla lausekkeella on p-n-liitoksen käänteisvirran fyysinen merkitys. Todellakin, negatiivisilla jännitteillä 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:

Riisi. 2.15. Emitteristä ruiskutettujen epätasapainoisten kantajien jakautuminen p-n-liitoksen kannan kvasineutraaliin tilavuuteen

On helppo nähdä, että tämä suhde vastaa aiemmin jatkuvuusyhtälön analyysissä saatua suhdetta.

Jos on tarpeen toteuttaa yksipuolisen ruiskutuksen ehto (esimerkiksi vain reikien ruiskutus), niin suhteesta (2.61) seuraa, että vähemmistökantajan pitoisuuden n p0 p-alueella tulisi olla pieni arvo. valittu. Tästä seuraa, että p-tyypin puolijohteen on oltava voimakkaasti seostettu n-tyypin puolijohteeseen verrattuna: N A >> N D . Tässä tapauksessa reikäkomponentti hallitsee p-n-liitosvirtaa (kuva 2.16).

Riisi. 2.16. Virrat yksipäisessä p-n-liitoksessa eteenpäin biasilla

Siten p-n-liitoksen I–V-ominaisuudella on muoto:

Kyllästysvirran tiheys J s on:

Relaatiolla (2.62) kuvattu CVC p-n -siirtymä on esitetty kuvassa 2.17.

Riisi. 2.17. Ihanteellisen p-n-liitoksen virta-jännite-ominaisuus

Kuten suhteesta (2.16) ja kuvasta 2.17 seuraa, ideaalisen p-n-liitoksen virta-jännite-ominaiskäyrä on selvästi epäsymmetrinen. Tasajännitteiden alueella p-n-liitoksen virta on diffuusiota ja kasvaa eksponentiaalisesti syötetyn jännitteen kasvaessa. Negatiivisten jännitteiden alueella p-n-liitosvirta on poikkeavaa eikä riipu käytetystä jännitteestä.

5. Kapasitanssi p-n - risteys.

Jokaisella järjestelmällä, jossa sähkövaraus Q muuttuu potentiaalin φ muuttuessa, on kapasitanssi. Kapasitanssiarvo C määritetään suhteella: .

P-n-liitokselle voidaan erottaa kaksi varaustyyppiä: varaus ionisoituneiden luovuttajien ja vastaanottajien tilavarauksen alueella Q B ja injektoitujen kantaja-aineiden varaus emitteristä Q p. Kun p-n-liitännässä on erilaisia ​​esijännitystä, yksi tai toinen varaus hallitsee kapasitanssia laskettaessa. Tässä suhteessa p-n-liitoksen kapasitanssille erotetaan sulkukapasitanssi CB ja diffuusiokapasitanssi C D.

Estekapasitanssi C B on p-n-liitoksen kapasitanssi käänteisessä biasissa V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

Ionisoituneiden luovuttajien ja vastaanottajien Q B varausarvo pinta-alayksikköä kohti epäsymmetriselle p-n-liitokselle on:

Erottelemalla lauseke (2.65) saadaan:

Yhtälöstä (2.66) seuraa, että sulkukapasitanssi C B on litteän kondensaattorin kapasitanssi, jonka levyjen välinen etäisyys on yhtä suuri kuin tilavarausalueen W leveys. Koska SCR:n leveys riippuu käytetystä jännitteestä V G, sulkukapasitanssi riippuu myös käytetystä jännitteestä. Esteen kapasitanssin numeeriset arviot osoittavat, että sen arvo on kymmeniä tai satoja pikofaradeja.

Diffuusiokapasitanssi C D on p-n-liitoksen kapasitanssi myötäsuuntaisella biasilla V G > 0, joka johtuu säteilijän Q p kantaan injektoitujen kantoaaltojen varauksen Q p muutoksesta.

Instrumentaalisessa toteutuksessa käytetään sulkukapasitanssin C B riippuvuutta käytetystä käänteisjännitteestä V G. Puolijohdediodia, joka toteuttaa tämän riippuvuuden, kutsutaan varicapiksi. Varicapin maksimikapasitanssiarvo on nollajännitteellä V G . Kun käänteinen bias kasvaa, varicapin kapasitanssi pienenee. Varicap-kapasitanssin toiminnallinen riippuvuus jännitteestä määräytyy varicap-kannan seostusprofiilin mukaan. Tasaisen seostuksen tapauksessa kapasitanssi on kääntäen verrannollinen syötetyn jännitteen VG juureen. Asettamalla seostusprofiili varikapasitanssin N D (x) kantaan, saadaan erilaisia ​​varikapasitanssin riippuvuuksia jännitteestä C(V G) - lineaarisesti laskevia, eksponentiaalisesti pieneneviä.

6. Puolijohdediodit: luokitus, suunnitteluominaisuudet, symbolit ja merkinnät.

puolijohdediodi- puolijohdelaite, jossa on yksi sähköliitos ja kaksi johdinta (elektrodia). Toisin kuin muuntyyppisissä diodeissa, puolijohdediodin toimintaperiaate perustuu ilmiöön pn-siirtyminen.

Hei rakkaat sivuston lukijat. Sivustolla on osio aloitteleville radioamatööreille, mutta toistaiseksi en ole oikeastaan ​​kirjoittanut mitään aloittelijoille, jotka ottavat ensimmäisiä askeleita elektroniikan maailmaan. Täytän tämän aukon, ja tästä artikkelista alamme tutustua radiokomponenttien (radiokomponenttien) laitteeseen ja toimintaan.

Aloitetaan puolijohdelaiteista. Mutta ymmärtääksesi, kuinka diodi, tyristori tai transistori toimii, on ymmärrettävä mitä puolijohde. Siksi tutkimme ensin puolijohteiden rakennetta ja ominaisuuksia molekyylitasolla, ja sitten käsittelemme puolijohteiden radiokomponenttien toimintaa ja suunnittelua.

Yleisiä käsitteitä.

Miksi juuri puolijohde diodi, transistori vai tyristori? Koska näiden radiokomponenttien perusta on puolijohteet Aineet, jotka pystyvät sekä johtamaan sähkövirtaa että estämään sen kulkeutumisen.

Tämä on suuri joukko radiotekniikassa käytettyjä aineita (germanium, pii, seleeni, kuparioksidi), mutta puolijohdelaitteiden valmistukseen käytetään pääasiassa vain Pii(Si) ja germaaniumia(Ge).

Puolijohteet ovat sähköisten ominaisuuksiensa mukaan sähkövirran johtimien ja ei-johtimien välissä.

Puolijohteiden ominaisuudet.

Johtimien sähkönjohtavuus riippuu suuresti ympäristön lämpötilasta.
Hyvin matala lämpötilat lähellä absoluuttista nollaa (-273°C), puolijohteet älä suorita sähkövirta ja edistäminen lämpötila, niiden virrankestävyys vähenee.

Jos osoitat puolijohdetta valoa, sitten sen sähkönjohtavuus alkaa kasvaa. Tätä puolijohteiden ominaisuutta käyttämällä luotiin aurinkosähkö kodinkoneet. Puolijohteet pystyvät myös muuttamaan valoenergiaa sähkövirraksi, esimerkiksi aurinkopaneelit. Ja kun se tuodaan puolijohteisiin epäpuhtaudet joidenkin aineiden sähkönjohtavuus kasvaa dramaattisesti.

Puolijohdeatomien rakenne.

Germanium ja pii ovat monien puolijohdelaitteiden päämateriaaleja, ja niitä on neljä valenssielektroni.

Atomi Saksa koostuu 32 elektronista ja atomista piitä 14:stä. Mutta vain 28 germaniumatomin elektronit ja 10 piiatomin elektronit, jotka sijaitsevat niiden kuorien sisäkerroksissa, ovat tiukasti kiinni ytimissä eivätkä koskaan irtoa niistä. Vain neljä näiden johtimien atomien valenssielektronit voivat vapautua, eikä silloinkaan aina. Ja jos puolijohdeatomi menettää ainakin yhden elektronin, siitä tulee positiivinen ioni.

Puolijohteessa atomit on järjestetty tiukkaan järjestykseen: jokaista atomia ympäröi neljä samat atomit. Lisäksi ne sijaitsevat niin lähellä toisiaan, että niiden valenssielektronien muodostavat yksittäiset kiertoradat, jotka kulkevat vierekkäisten atomien ympärillä ja sitovat siten atomit yhdeksi kokonaiseksi aineeksi.

Esitetään atomien välinen yhteys puolijohdekiteessä tasaisen kaavion muodossa.
Kaaviossa punaiset pallot plus-merkillä tarkoittavat tavanomaisesti atomien ytimiä(positiiviset ionit), ja siniset pallot ovat valenssielektronit.

Täällä voit nähdä, että jokaisen atomin ympärillä sijaitsee neljä täsmälleen samat atomit, ja jokaisella näistä neljästä on yhteys neljän muun atomin kanssa ja niin edelleen. Jokainen atomi on yhteydessä jokaiseen naapuriin kaksi valenssielektroneja, ja yksi elektroni on oma ja toinen on lainattu viereiseltä atomilta. Tällaista sidosta kutsutaan kahden elektronin sidokseksi. kovalenttinen.

Jokaisen atomin elektronikuoren ulkokerros puolestaan ​​sisältää kahdeksan elektronit: neljä omat ja yksin, lainattu neljältä naapuri atomeja. Tässä ei ole enää mahdollista erottaa, mikä atomin valenssielektroneista on "omaa" ja mikä "vieraa", koska ne ovat yleistyneet. Tällaisella atomisidoksella germanium- tai piikiteen koko massassa voimme olettaa, että puolijohdekide on yksi suuri molekyyli. Kuvassa vaaleanpunaiset ja keltaiset ympyrät osoittavat kahden vierekkäisen atomin kuoren ulkokerrosten välisen yhteyden.

Puolijohteiden sähkönjohtavuus.

Tarkastellaan yksinkertaistettua piirustusta puolijohdekiteestä, jossa atomit on merkitty punaisella pallolla, jossa on plus, ja atomien väliset sidokset on esitetty kahdella viivalla, jotka symboloivat valenssielektroneja.

Absoluuttista nollaa lähellä olevassa lämpötilassa puolijohde ei johda nykyinen, koska sillä ei ole vapaita elektroneja. Mutta lämpötilan noustessa valenssielektronien sidos atomiytimiin heikentää ja jotkut elektroneista voivat lämpöliikkeen vuoksi lähteä atomeistaan. Atomien välisestä sidoksesta pakenevasta elektronista tulee " vapaa", ja sinne, missä hän oli ennen, muodostuu tyhjä paikka, jota kutsutaan perinteisesti reikä.

Miten korkeampi puolijohteen lämpötila, lisää siitä tulee vapaita elektroneja ja reikiä. Tämän seurauksena käy ilmi, että "reiän" muodostuminen liittyy valenssielektronin poistumiseen atomin kuoresta, ja itse aukosta tulee positiivinen sähkövaraus yhtä suuri kuin negatiivinen elektronin varaus.

Katsotaanpa nyt kuvaa, joka näkyy kaavamaisesti ilmiö virran esiintymisestä puolijohteessa.

Jos asetat jonkin verran jännitettä puolijohteeseen, "+"- ja "-"-koskettimiin, siihen ilmestyy virta.
Johdosta lämpöilmiöitä, puolijohdekiteessä alkaa atomien välisistä sidoksista olla vapautettu jonkin verran elektroneja (sinisiä palloja nuolilla). Elektronit houkuttelevat positiivinen jännitelähteen napa tulee olemaan liikkua häntä kohti jättäen taakseen reikiä, jonka muut täyttävät vapautuneet elektronit. Toisin sanoen ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta varauksenkantajat saavuttavat tietyn suunnatun liikkeen nopeuden ja luovat siten sähköä.

Esimerkiksi: vapautunut elektroni, joka on lähinnä jännitelähteen positiivista napaa houkutteli tämä napa. Katkaisemalla atomien välisen sidoksen ja jättämällä sen, elektronin lähtee itseni jälkeen reikä. Toinen vapautunut elektroni, joka sijaitsee joissakin poistaminen myös positiivisesta napasta houkutteli napa ja liikkuva häntä kohtaan, mutta tavattuaan reikä sen tiellä, se vetää puoleensa ydin atomi, palauttaen atomien välisen sidoksen.

Tuloksena oleva Uusi reikä toisen elektronin jälkeen, täyttää kolmas vapautunut elektroni, joka sijaitsee tämän reiän vieressä (kuva nro 1). puolestaan reikiä, jotka ovat lähimpänä negatiivinen napa, täynnä muita vapautuneet elektronit(Kuva nro 2). Siten puolijohteessa syntyy sähkövirta.

Niin kauan kuin puolijohde toimii sähkökenttä, Tämä prosessi jatkuva: atomien väliset sidokset katkeavat - ilmaantuu vapaita elektroneja - muodostuu reikiä. Reiät täytetään vapautuneilla elektroneilla - atomien väliset sidokset palautuvat, kun taas muut atomien väliset sidokset katkeavat, joista elektronit poistuvat ja täyttävät seuraavat reiät (kuva 2-4).

Tästä päätämme: elektronit siirtyvät jännitelähteen negatiivisesta navasta positiiviseen ja reiät siirtyvät positiivisesta napasta negatiiviseen.

Elektronien reikäjohtavuus.

"Puhdassa" puolijohdekiteessä numero vapautettu elektroneja tällä hetkellä on yhtä suuri kuin luku esiin nousemassa tässä tapauksessa on reikiä, joten tällaisen puolijohteen sähkönjohtavuus pieni, koska se tuottaa sähkövirran iso vastus, ja tätä sähkönjohtavuutta kutsutaan oma.

Mutta jos lisäämme puolijohteen muodossa epäpuhtaudet Tietty määrä muiden alkuaineiden atomeja, niin sen sähkönjohtavuus kasvaa merkittävästi ja riippuen rakenteet Epäpuhtausalkuaineiden atomeja, puolijohteen sähkönjohtavuus on elektroninen tai rei'itetty.

elektroninen johtavuus.

Oletetaan, että puolijohdekiteessä, jossa atomeilla on neljä valenssielektronia, olemme korvanneet yhden atomin atomilla, jossa viisi valenssielektronit. Tämä atomi neljä elektronit sitoutuvat puolijohteen neljään viereiseen atomiin, ja viides valenssielektroni jää tarpeeton' tarkoittaa ilmaista. Ja kuin lisää lisää tulee olemaan vapaita elektroneja, mikä tarkoittaa, että tällainen puolijohde lähestyy ominaisuuksiltaan metallia ja jotta sähkövirta pääsisi sen läpi, se atomien välisiä sidoksia ei tarvitse tuhota.

Puolijohteita, joilla on tällaisia ​​ominaisuuksia, kutsutaan puolijohteiksi, joiden johtavuus on tyyppiä " n"tai puolijohteita n-tyyppi. Tässä latinalainen kirjain n tulee sanasta "negatiivinen" (negatiivinen) - eli "negatiivinen". Tästä seuraa, että puolijohteessa n-tyyppi pää varauksen kantajat ovat - elektroneja, eivätkä tärkeimmät - reikiä.

reiän johtuminen.

Otetaan sama kide, mutta nyt korvaamme sen atomin atomilla, jossa vain kolme vapaa elektroni. Kolmella elektronillaan se vain sitoutuu kolme naapuriatomeja, ja sitoutumiseen neljänteen atomiin, hänellä ei ole tarpeeksi yksi elektroni. Tämän seurauksena se muodostuu reikä. Luonnollisesti se täyttyy millä tahansa muulla lähellä olevalla vapaalla elektronilla, mutta joka tapauksessa kiteessä ei ole sellaista puolijohdetta. napata elektroneja reikien täyttämiseen. Ja kuin lisää kiteessä tulee olemaan sellaisia ​​atomeja, joten lisää tulee reikiä.

Jotta vapaat elektronit voisivat vapautua ja liikkua sellaisessa puolijohteessa, atomien väliset valenssisidokset on tuhottava. Mutta elektronit eivät silti riitä, koska reikiä tulee aina olemaan lisää elektronien lukumäärä kulloinkin.

Tällaisia ​​puolijohteita kutsutaan puolijohteiksi rei'itetty johtavuutta tai johtimia p-tyyppi, joka latinaksi "positiivinen" tarkoittaa "positiivista". Siten p-tyypin puolijohdekiteen sähkövirran ilmiöön liittyy jatkuva ilmaantuminen ja katoaminen positiiviset varaukset ovat reikiä. Ja tämä tarkoittaa sitä puolijohteessa p-tyyppi pää varauksen kantajat ovat reikiä, eikä emäksisiä - elektroneja.

Nyt kun sinulla on jonkin verran ymmärrystä puolijohteissa esiintyvistä ilmiöistä, sinun ei ole vaikea ymmärtää puolijohderadiokomponenttien toimintaperiaatetta.

Pysähdytään tähän ja tarkastelemme laitetta, diodin toimintaperiaatetta, analysoimme sen virta-jännite-ominaisuuksia ja kytkentäpiirejä.
Onnea!

Lähde:

1 . Borisov V.G. - Nuori radioamatööri. 1985
2 . Verkkosivusto academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Mitkä ovat sen ominaisuudet? Mikä on puolijohteiden fysiikka? Miten ne rakennetaan? Mikä on puolijohteiden johtavuus? Mitä fysikaalisia ominaisuuksia niillä on?

Mikä on puolijohde?

Tämä viittaa kiteisiin materiaaleihin, jotka eivät johda sähköä yhtä hyvin kuin metallit. Mutta silti tämä indikaattori on parempi kuin eristeet. Tällaiset ominaisuudet johtuvat matkapuhelinoperaattoreiden määrästä. Yleisesti ottaen ytimiin on vahva kiinnitys. Mutta kun johtimeen viedään useita atomeja, esimerkiksi antimonia, jossa on ylimäärä elektroneja, tämä tilanne korjataan. Indiumia käytettäessä saadaan alkuaineita, joilla on positiivinen varaus. Kaikkia näitä ominaisuuksia käytetään laajalti transistoreissa - erikoislaitteissa, jotka voivat vahvistaa, estää tai siirtää virtaa vain yhteen suuntaan. Jos tarkastelemme NPN-tyyppistä elementtiä, voimme huomata merkittävän vahvistavan roolin, mikä on erityisen tärkeää lähetettäessä heikkoja signaaleja.

Sähköpuolijohteiden suunnitteluominaisuudet

Johtimissa on monia vapaita elektroneja. Eristeillä ei käytännössä ole niitä ollenkaan. Puolijohteet puolestaan ​​sisältävät sekä tietyn määrän vapaita elektroneja että positiivisen varauksen omaavia aukkoja, jotka ovat valmiita vastaanottamaan vapautuneet hiukkaset. Ja mikä tärkeintä, ne kaikki johtavat.. Aiemmin käsitelty NPN-transistorityyppi ei ole ainoa mahdollinen puolijohdeelementti. Joten on myös PNP-transistoreja sekä diodeja.

Jos puhumme jälkimmäisestä lyhyesti, tämä on sellainen elementti, joka voi lähettää signaaleja vain yhteen suuntaan. Diodi voi myös muuttaa vaihtovirran tasavirraksi. Mikä on tällaisen muutoksen mekanismi? Ja miksi se liikkuu vain yhteen suuntaan? Riippuen siitä, mistä virta tulee, elektronit ja aukot voivat joko erota tai mennä toisiaan kohti. Ensimmäisessä tapauksessa etäisyyden lisääntymisen vuoksi syöttö katkeaa, ja siksi negatiivisten jännitekantoaaltojen siirto tapahtuu vain yhteen suuntaan, eli puolijohteiden johtavuus on yksipuolinen. Loppujen lopuksi virta voidaan siirtää vain, jos ainesosat ovat lähellä. Ja tämä on mahdollista vain, kun virta syötetään toiselta puolelta. Tämän tyyppisiä puolijohteita on olemassa ja käytetään tällä hetkellä.

Bändin rakenne

Johtimien sähköiset ja optiset ominaisuudet liittyvät siihen, että kun energiatasot täytetään elektroneilla, ne erotetaan mahdollisista tiloista kaistavälillä. Mitkä ovat hänen ominaisuudet? Tosiasia on, että kaistavälissä ei ole energiatasoja. Epäpuhtauksien ja rakenteellisten vikojen avulla tätä voidaan muuttaa. Korkeinta täysin täytettyä vyöhykettä kutsutaan valenssivyöhykkeeksi. Sitten seuraa sallittu, mutta tyhjä. Sitä kutsutaan johtuvuuskaistaksi. Puolijohdefysiikka on melko mielenkiintoinen aihe, ja artikkelin puitteissa se käsitellään hyvin.

Elektronin tila

Tätä varten käytetään käsitteitä, kuten sallitun alueen numero ja kvasi-vauhti. Ensimmäisen rakenteen määrää dispersiolaki. Hän sanoo, että siihen vaikuttaa energian riippuvuus kvasi-vauhdista. Joten, jos valenssikaista on täysin täynnä elektroneja (jotka kuljettavat varausta puolijohteissa), he sanovat, että siinä ei ole alkuaineviritystä. Jos jostain syystä hiukkasta ei ole, tämä tarkoittaa, että tänne on ilmestynyt positiivisesti varautunut kvasihiukkanen - rako tai reikä. Ne ovat varauksen kantajia puolijohteissa valenssikaistalla.

Degeneroituneet vyöhykkeet

Tyypillisessä johtimessa valenssikaista on kuusinkertaisesti rappeutunut. Tämä tapahtuu ottamatta huomioon spin-kiertoradan vuorovaikutusta ja vain kun kvasi-vauhti on nolla. Se voidaan jakaa samoissa olosuhteissa kaksinkertaisiksi ja nelinkertaisiksi rappeutuneiksi bändeiksi. Niiden välistä energiaetäisyyttä kutsutaan spin-kiertoradan jakoenergiaksi.

Puolijohteiden epäpuhtaudet ja viat

Ne voivat olla sähköisesti passiivisia tai aktiivisia. Ensin mainitun käyttö mahdollistaa positiivisen tai negatiivisen varauksen aikaansaamisen puolijohteisiin, joita voidaan kompensoida reiällä valenssikaistalla tai elektronilla johtavalle kaistalle. Inaktiiviset epäpuhtaudet ovat neutraaleja ja niillä on suhteellisen vähän vaikutusta elektronisiin ominaisuuksiin. Lisäksi sillä voi usein olla merkitystä, mikä valenssi varauksensiirtoprosessiin osallistuvilla atomeilla on ja rakenteella

Epäpuhtauksien tyypistä ja määrästä riippuen myös reikien ja elektronien lukumäärän suhde voi muuttua. Siksi puolijohdemateriaalit on aina valittava huolellisesti halutun tuloksen saavuttamiseksi. Tätä edeltää huomattava määrä laskelmia ja sen jälkeen kokeita. Hiukkaset, joita useimmat kutsuvat enemmistövarauksen kantajiksi, eivät ole primäärisiä.

Epäpuhtauksien annostelu puolijohteisiin mahdollistaa tarvittavien ominaisuuksien omaamisen. Puolijohteiden viat voivat olla myös inaktiivisessa tai aktiivisessa sähkötilassa. Dislokaatio, interstitiaalinen atomi ja tyhjyys ovat tärkeitä tässä. Nestemäiset ja ei-kiteiset johtimet reagoivat epäpuhtauksiin eri tavalla kuin kiteiset. Jäykän rakenteen puuttuminen johtaa lopulta siihen, että siirtynyt atomi saa erilaisen valenssin. Se on erilainen kuin se, jolla hän alun perin kyllästää siteensä. Atomille on kannattamatonta antaa tai lisätä elektroni. Tässä tapauksessa se muuttuu inaktiiviseksi, ja siksi seostetuilla puolijohteilla on suuri mahdollisuus epäonnistua. Tämä johtaa siihen, että on mahdotonta muuttaa johtavuuden tyyppiä dopingin avulla ja luoda esimerkiksi p-n-liitos.

Jotkut amorfiset puolijohteet voivat muuttaa elektronisia ominaisuuksiaan dopingin vaikutuksesta. Mutta tämä koskee niitä paljon vähemmässä määrin kuin kiteisiä. Amorfisten alkuaineiden herkkyyttä dopingille voidaan parantaa käsittelyllä. Lopuksi haluan huomauttaa, että pitkän ja kovan työn ansiosta seostetut puolijohteet ovat edelleen edustettuina useilla hyvillä ominaisuuksilla.

Elektronitilastot puolijohteessa

Kun se on olemassa, reikien ja elektronien lukumäärä määräytyy yksinomaan lämpötilan, nauharakenteen parametrien ja sähköisesti aktiivisten epäpuhtauksien pitoisuuden perusteella. Kun suhdetta lasketaan, oletetaan, että osa hiukkasista on johtavuuskaistalla (akseptorin tai luovuttajan tasolla). Se ottaa huomioon myös sen, että osa voi poistua valenssialueelta ja sinne muodostuu aukkoja.

Sähkönjohtavuus

Puolijohteissa varauksen kantajina voivat elektronien lisäksi toimia myös ionit. Mutta niiden sähkönjohtavuus on useimmissa tapauksissa mitätön. Poikkeuksena voidaan mainita vain ioniset suprajohteet. Puolijohteissa elektronien siirtoon on kolme päämekanismia:

1. Päävyöhyke. Tässä tapauksessa elektroni tulee liikkeelle johtuen sen energian muutoksista samalla sallitulla alueella.
2. Hyppysiirto paikallisten osavaltioiden yli.
3. Polaron.

exciton

Reikä ja elektroni voivat muodostaa sidotun tilan. Sitä kutsutaan Wannier-Mott-eksitoniksi. Tässä tapauksessa, joka vastaa absorptioreunaa, pienenee sidoksen koon verran. Riittävällä energialla puolijohteisiin voi muodostua merkittävä määrä eksitoneja. Kun niiden pitoisuus kasvaa, tapahtuu kondensaatiota ja muodostuu elektronireikäneste.

Puolijohteen pinta

Nämä sanat tarkoittavat useita atomikerroksia, jotka sijaitsevat lähellä laitteen reunaa. Pintaominaisuudet eroavat bulkkiominaisuuksista. Näiden kerrosten läsnäolo rikkoo kiteen translaatiosymmetrian. Tämä johtaa niin kutsuttuihin pintatiloihin ja polaritoneihin. Jälkimmäisen teemaa kehitettäessä kannattaa tiedottaa myös spin- ja värähtelyaalloista. Kemiallisen aktiivisuutensa vuoksi pinta on peitetty mikroskooppisella kerroksella vieraita molekyylejä tai atomeja, jotka ovat adsorboituneet ympäristöstä. Ne määrittävät näiden useiden atomikerrosten ominaisuudet. Onneksi ultrakorkean tyhjiöteknologian luominen, jossa puolijohdeelementtejä luodaan, mahdollistaa puhtaan pinnan saamisen ja ylläpitämisen useiden tuntien ajan, millä on positiivinen vaikutus syntyvien tuotteiden laatuun.

Puolijohde. Lämpötila vaikuttaa vastukseen

Kun metallien lämpötila nousee, myös niiden vastus kasvaa. Puolijohteilla on päinvastoin - samoissa olosuhteissa tämä parametri pienenee heille. Tässä on kysymys siitä, että minkä tahansa materiaalin sähkönjohtavuus (ja tämä ominaisuus on kääntäen verrannollinen vastukseen) riippuu kantajien virtavarauksesta, niiden liikkeen nopeudesta sähkökentässä ja niiden lukumäärästä tilavuusyksikössä. materiaali.

Puolijohdeelementeissä lämpötilan noustessa hiukkasten pitoisuus kasvaa, minkä vuoksi lämmönjohtavuus kasvaa ja vastus pienenee. Voit tarkistaa tämän, jos sinulla on yksinkertainen sarja nuorta fyysikkoa ja tarvittava materiaali - pii tai germanium, voit myös ottaa niistä tehdyn puolijohteen. Lämpötilan nousu vähentää niiden vastusta. Varmistaaksesi tämän, sinun on varastoitava mittauslaitteita, joiden avulla voit nähdä kaikki muutokset. Tämä on yleisessä tapauksessa. Katsotaanpa pari yksityistä vaihtoehtoa.

Resistanssi ja sähköstaattinen ionisaatio

Tämä johtuu elektronien tunneloinnista, joka kulkee hyvin kapean esteen läpi, joka toimittaa noin sadasosan mikrometristä. Se sijaitsee energiavyöhykkeiden reunojen välissä. Sen esiintyminen on mahdollista vain, kun energianauhat ovat vinossa, mikä tapahtuu vain voimakkaan sähkökentän vaikutuksesta. Kun tunnelointi tapahtuu (mikä on kvanttimekaaninen vaikutus), elektronit kulkevat kapean potentiaaliesteen läpi, eikä niiden energia muutu. Tämä lisää varauksenkuljettajien pitoisuutta ja molemmissa vyöhykkeissä: sekä johtuessa että valenssissa. Jos sähköstaattinen ionisaatioprosessi kehitetään, puolijohteen tunnelointi voi tapahtua. Tämän prosessin aikana puolijohteiden vastus muuttuu. Se on palautuva, ja heti kun sähkökenttä sammutetaan, kaikki prosessit palautuvat.

Vastus ja iskuionisaatio

Tässä tapauksessa reikiä ja elektroneja kiihdytetään, kun ne kulkevat keskimääräisen vapaan polun voimakkaan sähkökentän vaikutuksesta arvoihin, jotka edistävät atomien ionisaatiota ja yhden kovalenttisen sidoksen (pääatomi tai epäpuhtaus) katkeamista. ). Iskuionisaatio tapahtuu kuin lumivyöry, ja varauksenkantajat lisääntyvät siinä kuin lumivyöry. Tässä tapauksessa äskettäin luotuja reikiä ja elektroneja kiihdytetään sähkövirralla. Virran arvo lopputuloksessa kerrotaan iskuionisaatiokertoimella, joka on yhtä suuri kuin niiden elektroni-reikä-parien lukumäärä, jotka varauskantaja muodostaa yhdessä polun osassa. Tämän prosessin kehittyminen johtaa lopulta puolijohteen lumivyöryn rikkoutumiseen. Myös puolijohteiden resistanssi muuttuu, mutta kuten tunnelin rikkoutumisen tapauksessa, se on palautuva.

Puolijohteiden käyttö käytännössä

Näiden elementtien erityinen merkitys tietotekniikassa on huomioitava. Meillä ei ole melkein mitään epäilystäkään siitä, että sinua ei kiinnostaisi kysymys siitä, mitä puolijohteet ovat, jos ei olisi halua koota esinettä itsenäisesti niiden avulla. On mahdotonta kuvitella nykyaikaisten jääkaappien, televisioiden, tietokonenäyttöjen työtä ilman puolijohteita. Älä tee ilman niitä ja edistynyttä autojen kehitystä. Niitä käytetään myös ilmailu- ja avaruusteknologiassa. Ymmärrätkö mitä puolijohteet ovat, kuinka tärkeitä ne ovat? Ei tietenkään voida sanoa, että nämä ovat sivilisaatiomme ainoita korvaamattomia elementtejä, mutta niitä ei myöskään pidä aliarvioida.

Puolijohteiden käyttö käytännössä johtuu myös useista tekijöistä, kuten niiden valmistusmateriaalien laajasta käytöstä sekä käsittelyn ja halutun tuloksen saavuttamisen helppoudesta sekä muista teknisistä ominaisuuksista, joiden vuoksi tutkijoiden valinta jotka kehittivät elektronisia laitteita, asettuivat niihin.

Johtopäätös

Tutkimme yksityiskohtaisesti, mitä puolijohteet ovat, miten ne toimivat. Niiden kestävyys perustuu monimutkaisiin fysikaalisiin ja kemiallisiin prosesseihin. Ja voimme ilmoittaa sinulle, että artikkelissa kuvatut tosiasiat eivät täysin ymmärrä, mitä puolijohteet ovat, siitä yksinkertaisesta syystä, että edes tiede ei ole tutkinut heidän työn ominaisuuksiaan loppuun asti. Mutta tiedämme niiden tärkeimmät ominaisuudet ja ominaisuudet, joiden avulla voimme soveltaa niitä käytännössä. Siksi voit etsiä puolijohdemateriaaleja ja kokeilla niitä itse varovaisesti. Kuka tietää, kenties suuri tutkimusmatkailija torkkuilee sinussa?!

Kiinteiden aineiden fysikaaliset ominaisuudet ja ennen kaikkea niiden sähköiset ominaisuudet eivät määräydy sen mukaan, miten vyöhykkeet muodostuivat, vaan se, miten ne täytetään. Tästä näkökulmasta katsottuna kaikki kidekappaleet voidaan jakaa kahteen eri ryhmään. Kaikki ensimmäiseen ryhmään kuuluvat kappaleet ovat johtimia. Toinen kiinteiden aineiden ryhmä yhdistää puolijohteet ja eristeet. Toinen ryhmä sisältää kappaleet, joissa täysin tyhjät vyöhykkeet sijaitsevat täysin täytettyjen vyöhykkeiden yläpuolella. Tähän ryhmään kuuluvat myös kiteet, joilla on timanttirakenne: pii, germanium, harmaa tina, itse timantti; ja monet kemialliset yhdisteet - metallioksidit, karbidit, metallinitridit, korundi.

Puolijohteet jaetaan sisäisiin (puhtaisiin) ja ulkoisiin (seostettuihin). Puolijohteita, joiden puhtausaste on korkea, kutsutaan luontaisiksi. Tässä tapauksessa koko kiteen ominaisuudet määräytyvät vain puolijohdeelementin sisäisten atomien ominaisuuksien perusteella. Johtavien ominaisuuksien esiintyminen puolijohteessa voi johtua lämpötilan noususta, muista ulkoisista vaikutuksista (valosäteilystä, nopeiden elektronien pommituksesta). On vain tärkeää, että ulkoinen toiminta saa aikaan elektronien siirtymisen valenssikaistalta johtavuuskaistalle tai että luodaan olosuhteet vapaiden varauksenkuljettajien syntymiselle suurimmassa osassa puolijohteita. Sisäinen johtavuus erimerkkisten kantoainepitoisuuksien tiukan tasa-arvon kanssa voidaan toteuttaa vain superpuhtaissa ideaalisissa puolijohdekiteissä. Todellisissa olosuhteissa käsittelemme aina kiteitä, jotka ovat jossain määrin saastuneita erilaisista epäpuhtauksista. Lisäksi epäpuhtauspuolijohteet ovat puolijohdetekniikassa eniten kiinnostavia. Epäpuhtauspuolijohteet, riippuen lisätyn epäpuhtauden tyypistä, jaetaan luovuttaja (elektroninen) ja vastaanottaja (reikä). Reikien muodostuminen valenssikaistalle tarkoittaa reikien johtumisen ilmaantumista kiteen. Tämän tyyppisestä johtavuudesta johtuen itse puolijohteita kutsutaan reikäpuolijohteiksi tai p-tyyppisiksi puolijohteiksi. Epäpuhtauksia, jotka tuodaan puolijohteeseen sieppaamaan elektroneja valenssikaistalta, kutsutaan akseptoriksi, minkä vuoksi näiden epäpuhtauksien energiatasoja kutsutaan akseptoritasoiksi ja itse puolijohteita, joissa on tällaisia ​​epäpuhtauksia, kutsutaan akseptoripuolijohteiksi.

Valonjohtavuus on puolijohteiden epätasapainoinen prosessi, joka muodostuu puolijohteen johtavien ominaisuuksien ilmaantumisesta tai muuttumisesta minkä tahansa säteilyn (infrapuna, näkyvä tai ultravioletti) vaikutuksesta. Yleensä puolijohteen säteilyttämiseen valolla liittyy sen sähkönjohtavuuden kasvu. Johtavuuden kasvu selittyy vapaiden kantajien pitoisuuden kasvulla (epätasapainoisten kantajien liikkuvuus ei käytännössä poikkea tasapainoisten kantajien liikkuvuudesta). Ylimääräisten matkapuhelinoperaattoreiden muodostuminen valolle altistuessaan on mahdollista seuraavista kolmesta syystä:

• valokvantit, jotka ovat vuorovaikutuksessa epäpuhtauksien luovuttajatasoilla sijaitsevien elektronien kanssa ja antavat niille energiansa, siirtävät ne johtavuuskaistalle, mikä lisää johtavuuselektronien pitoisuutta;
• valokvantit virittävät valenssikaistalla olevia elektroneja ja siirtävät ne akseptoritasoille luoden siten vapaita reikiä valenssikaistalle ja lisäämällä puolijohteen reiän johtavuutta;
• valokvantit siirtävät elektroneja valenssikaistalta suoraan johtavuuskaistalle, jolloin syntyy samanaikaisesti sekä liikkuvia reikiä että vapaita elektroneja.

Tällä hetkellä puolijohdelaitteita käytetään lähes kaikilla elektroniikan ja radiotekniikan aloilla. Huolimatta näiden laitteiden äärimmäisestä monimuotoisuudesta, ne kuitenkin perustuvat yleensä tavanomaisen p-n-liitoksen tai usean p-n-liitoksen järjestelmään. Puolijohdediodissa on vain yksi p-n-liitos, jonka jokaiselle alueelle on kytketty metallitulot ohmisella koskettimella. Puolijohdediodeja käytetään pääasiassa vaihtovirran tasasuuntaamiseen.

Toisin kuin puolijohdediodit, transistorit ovat puolijohdejärjestelmiä, jotka koostuvat kolmesta alueesta, jotka on erotettu kahdella p-n-liitoksella. Jokaisella alueella on oma tuotos. Siksi, analogisesti tyhjiötriodien kanssa, transistoreja kutsutaan usein puolijohdetriodeiksi. Ja tilauksesta transistorit ovat samanlaisia ​​​​kuin tyhjiötriodit: niiden pääasiallinen käyttöalue on sähköisten signaalien vahvistaminen jännitteessä ja tehossa. Transistorien saamiseksi puolijohteiseen yksikidelevyyn, jolla on tietyn tyyppinen johtavuus, sen kahdelle vastakkaiselle pinnalle sulatetaan tai tunkeutuu epäpuhtaus, mikä antaa päinvastaista johtavuutta lähellä pintaa oleville alueille. Voit luoda transistorin p-n-p-tyypin ja n-p-n-tyypin muodossa. Niiden välillä ei ole perustavanlaatuista eroa. On vain niin, että reiät ovat pääroolissa p-n-p-tyypin transistoreissa ja elektronit n-p-n-tyypin transistoreissa.

Puolijohteet tunkeutuivat nopeasti tieteeseen ja teknologiaan. Valtavat virrankulutussäästöt, laitteiden hämmästyttävä kompakti piireissä olevien elementtien epätavallisen korkean pakkaustiheyden vuoksi, korkea luotettavuus mahdollisti puolijohteiden saavuttamisen johtavan aseman elektroniikassa, radiotekniikassa ja tieteessä. Tutkimus avaruudessa, jossa koon, painon ja energiankulutuksen vaatimukset ovat niin kriittisiä, on tällä hetkellä mahdotonta ajatella ilman puolijohdelaitteita, jotka muuten saavat energiaa laitteen autonomisessa lennossa puolijohdeelementeillä toimivista aurinkoakuista. Mikroelektroniikka avasi yllättäviä mahdollisuuksia puolijohdeteknologian kehityksessä. Puolijohteiden mahdollisuudet eivät kuitenkaan ole vielä loppuneet, vaan ne odottavat uusia tutkijoitaan.

Puolijohdesovellukset

Tällä hetkellä puolijohdelaitteita käytetään lähes kaikilla elektroniikan ja radiotekniikan aloilla. Huolimatta näiden laitteiden äärimmäisestä monimuotoisuudesta, ne kuitenkin perustuvat yleensä tavanomaisen p-n-liitoksen tai usean p-n-liitoksen järjestelmään.

Puolijohdediodissa on vain yksi p-n-liitos, jonka jokaiselle alueelle on kytketty metallitulot ohmisella koskettimella.

tasasuuntaajan diodit. Puolijohdediodeja käytetään pääasiassa vaihtovirran tasasuuntaamiseen. Yksinkertaisin kaava puolijohdediodin käyttämiseksi tasasuuntaajana on esitetty kuvassa 1. Vaihtojännitelähde i-, diodi D ja kuormitusvastus Rn on kytketty sarjaan. Diodin virtaussuunta on osoitettu nuolella (anodista katodille).

Anna jännitteen lähdeliittimissä muuttua sinimuotoisen lain mukaan (kuva 2, a). Positiivisen puolijakson aikana, kun "+" syötetään diodin anodille ja "-" katodille, diodi syttyy eteenpäin ja virta kulkee sen läpi. Tässä tapauksessa virran I hetkellinen arvo määräytyy jännitteen ja lähdeliittimien hetkellisen arvon sekä kuormitusvastuksen perusteella (diodin resistanssi eteenpäin suunnassa on pieni ja voidaan jättää huomiotta). Negatiivisen puolijakson aikana diodin läpi ei kulje virtaa. Näin ollen piirissä kulkee sykkivä virta, jonka käyrä on esitetty kuvassa 2, b. Sama sykkivä on kuormitusvastuksen jännite un. Koska u=iR, jännitteen u muutos toistaa virran i muutoksen kulkua. Kuormitusvastukseen syntyvän jännitteen napaisuus on aina sama, ja se määräytyy siirrettävän virran suunnan mukaan: katodiin päin olevan resistanssin päässä on "+" ja vastakkaisessa päässä. loppu "-".

Tarkasteltu korjauskaavio on puoliaalto. Tasasuunnatun jännitteen aaltoilun vähentämiseksi käytetään tasoitussuodattimia. Yksinkertaisin tasoitusmenetelmä on kytkeä kondensaattori C rinnan kuormitusvastuksen kanssa (katkoviivalla kuvassa 1). Positiivisen puolijakson aikana osa diodin ohittamasta virrasta menee lataamaan kondensaattoria. Negatiivisen puolijakson aikana, kun diodi on lukittuna, kondensaattori purkautuu Rp:n kautta, jolloin se muodostaa virran samaan suuntaan. Tästä johtuen jännitteen aaltoilu kuormitusvastuksen yli on suurelta osin tasoittunut.