რა ქმნის ელექტრულ დენს ნახევარგამტარებში. ელექტრული დენი ნახევარგამტარებში

ნახევარგამტარებში ეს არის ხვრელებისა და ელექტრონების მიმართული მოძრაობა, რომელზეც გავლენას ახდენს ელექტრული ველი.

ექსპერიმენტების შედეგად აღინიშნა, რომ ნახევარგამტარებში ელექტრო დენს არ ახლავს ნივთიერების გადატანა - ისინი არ განიცდიან ქიმიურ ცვლილებებს. ამრიგად, ელექტრონები შეიძლება ჩაითვალოს დენის მატარებლებად ნახევარგამტარებში.

შეიძლება განისაზღვროს მასალის უნარი მასში ელექტრული დენის წარმოქმნის.ამ მაჩვენებლის მიხედვით გამტარები იკავებენ შუალედურ ადგილს გამტარებსა და დიელექტრიკებს შორის. ნახევარგამტარები არის სხვადასხვა სახის მინერალები, ზოგიერთი ლითონი, ლითონის სულფიდები და ა.შ. ნახევარგამტარებში ელექტრული დენი წარმოიქმნება თავისუფალი ელექტრონების კონცენტრაციის გამო, რომლებსაც შეუძლიათ ნივთიერების მიმართულებით მოძრაობა. ლითონებისა და გამტარების შედარებისას შეიძლება აღინიშნოს, რომ განსხვავებაა ტემპერატურულ ეფექტს შორის მათ გამტარობაზე. ტემპერატურის მატება იწვევს ნახევარგამტარებში გამტარობის ინდექსის შემცირებას. თუ ნახევარგამტარში ტემპერატურა მოიმატებს, მაშინ თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობა უფრო ქაოტური იქნება. ეს გამოწვეულია შეჯახებების რაოდენობის ზრდით. თუმცა, ნახევარგამტარებში, ლითონებთან შედარებით, თავისუფალი ელექტრონების კონცენტრაცია მნიშვნელოვნად იზრდება. ეს ფაქტორები საპირისპირო გავლენას ახდენენ გამტარობაზე: რაც უფრო მეტია შეჯახება, რაც უფრო დაბალია გამტარობა, მით მეტია კონცენტრაცია, მით უფრო მაღალია იგი. მეტალებში არ არსებობს კავშირი ტემპერატურასა და თავისუფალი ელექტრონების კონცენტრაციას შორის, ამიტომ ტემპერატურის მატებასთან ერთად გამტარობის ცვლილებით, თავისუფალი ელექტრონების მოწესრიგებული მოძრაობის შესაძლებლობა მხოლოდ მცირდება. რაც შეეხება ნახევარგამტარებს, კონცენტრაციის გაზრდის ეფექტი უფრო მაღალია. ამრიგად, რაც უფრო იზრდება ტემპერატურა, მით უფრო დიდი იქნება გამტარობა.

არსებობს კავშირი მუხტის მატარებლების მოძრაობასა და ისეთ კონცეფციას შორის, როგორიცაა ელექტრული დენი ნახევარგამტარებში. ნახევარგამტარებში მუხტის მატარებლების გარეგნობა ხასიათდება სხვადასხვა ფაქტორებით, რომელთა შორის განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია მასალის ტემპერატურა და სისუფთავე. სიწმინდის მიხედვით, ნახევარგამტარები იყოფა მინარევით და შინაგანად.

რაც შეეხება შინაგან გამტარს, მინარევების გავლენა გარკვეულ ტემპერატურაზე მათთვის მნიშვნელოვანი არ შეიძლება ჩაითვალოს. ვინაიდან ნახევარგამტარებში ზოლის უფსკრული მცირეა, შიდა ნახევარგამტარში, როდესაც ტემპერატურა აღწევს, ვალენტობის ზოლი მთლიანად ივსება ელექტრონებით. მაგრამ გამტარობის ზოლი სრულიად თავისუფალია: მასში არ არის ელექტრული გამტარობა და ის მუშაობს როგორც სრულყოფილი დიელექტრიკი. სხვა ტემპერატურებზე არის შესაძლებლობა, რომ თერმული რყევების დროს ზოგიერთმა ელექტრონმა გადალახოს პოტენციური ბარიერი და აღმოჩნდეს გამტარობის ზოლში.

ტომსონის ეფექტი

თერმოელექტრული ტომსონის ეფექტის პრინციპი: როდესაც ელექტრული დენი გადის ნახევარგამტარებში, რომლებზეც არის ტემპერატურის გრადიენტი, ჯოულის სითბოს გარდა, მათში გამოიყოფა ან შეიწოვება სითბოს დამატებითი რაოდენობა, რაც დამოკიდებულია დენის მიმართულებაზე. მიედინება.

ჰომოგენური სტრუქტურის მქონე ნიმუშის არასაკმარისად ერთგვაროვანი გათბობა გავლენას ახდენს მის თვისებებზე, რის შედეგადაც ნივთიერება ხდება არაერთგვაროვანი. ამრიგად, ტომსონის ფენომენი არის პელტეს სპეციფიკური ფენომენი. განსხვავება მხოლოდ ისაა, რომ ნიმუშის ქიმიური შემადგენლობა არ არის განსხვავებული, მაგრამ ტემპერატურის ექსცენტრიულობა იწვევს ამ არაჰომოგენურობას.

ნახევარგამტარები არის ნივთიერებები, რომლებიც შუალედურია ელექტროგამტარებლობაში კარგ გამტარებსა და კარგ იზოლატორებს შორის (დიელექტრიკები).

ნახევარგამტარები ასევე არის ქიმიური ელემენტები (გერმანიუმი Ge, სილიციუმი Si, სელენი Se, ტელურუმი Te) და ქიმიური ელემენტების ნაერთები (PbS, CdS და სხვ.).

სხვადასხვა ნახევარგამტარებში დენის მატარებლების ბუნება განსხვავებულია. ზოგიერთ მათგანში მუხტის მატარებელია იონები; სხვებში მუხტის მატარებლები ელექტრონებია.

ნახევარგამტარების შინაგანი გამტარობა

ნახევარგამტარებში არსებობს ორი სახის შინაგანი გამტარობა: ელექტრონული გამტარობა და ხვრელების გამტარობა ნახევარგამტარებში.

1. ნახევარგამტარების ელექტრონული გამტარობა.

ელექტრონული გამტარობა ხორციელდება თავისუფალი ელექტრონების ატომთაშორის სივრცეში მიმართული მოძრაობით, რომლებმაც დატოვეს ატომის ვალენტური გარსი გარე გავლენის შედეგად.

2. ნახევარგამტარების ხვრელების გამტარობა.

ხვრელის გამტარობა ხორციელდება ვალენტური ელექტრონების მიმართული მოძრაობით წყვილ-ელექტრონულ ბმებში - ხვრელების ვაკანტურ ადგილებზე. ნეიტრალური ატომის ვალენტური ელექტრონი, რომელიც მდებარეობს პოზიტიური იონის (ხვრელის) სიახლოვეს, იზიდავს ხვრელს და ხტება მასში. ამ შემთხვევაში, ნეიტრალური ატომის ნაცვლად წარმოიქმნება დადებითი იონი (ხვრელი), ხოლო დადებითი იონის (ხვრელი) – ნეიტრალური ატომი.

იდეალურად სუფთა ნახევარგამტარში ყოველგვარი უცხო მინარევების გარეშე, თითოეული თავისუფალი ელექტრონი შეესაბამება ერთი ხვრელის წარმოქმნას, ე.ი. ელექტრონებისა და ხვრელების რაოდენობა, რომლებიც მონაწილეობენ დენის წარმოქმნაში, იგივეა.

გამტარობას, რომლის დროსაც ხდება მუხტის მატარებლების იგივე რაოდენობა (ელექტრონები და ხვრელები), ეწოდება ნახევარგამტარების შინაგანი გამტარობა.

ნახევარგამტარების შინაგანი გამტარობა ჩვეულებრივ მცირეა, რადგან თავისუფალი ელექტრონების რაოდენობა მცირეა. მინარევების ოდნავი კვალი რადიკალურად ცვლის ნახევარგამტარების თვისებებს.

ნახევარგამტარების ელექტრული გამტარობა მინარევების არსებობისას

ნახევარგამტარში მინარევები არის უცხო ქიმიური ელემენტების ატომები, რომლებიც არ შეიცავს მთავარ ნახევარგამტარს.

მინარევების გამტარობა- ეს არის ნახევარგამტარების გამტარობა, მათ ბროლის გისოსებში მინარევების შეყვანის გამო.

ზოგიერთ შემთხვევაში, მინარევების გავლენა გამოიხატება იმაში, რომ გამტარობის "ხვრელის" მექანიზმი პრაქტიკულად შეუძლებელი ხდება, ხოლო ნახევარგამტარში დენი ძირითადად თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობით ხორციელდება. ასეთ ნახევარგამტარებს ე.წ ელექტრონული ნახევარგამტარებიან n ტიპის ნახევარგამტარები(ლათინური სიტყვიდან negativus - უარყოფითი). მთავარი მუხტის მატარებლები ელექტრონებია და არა მთავარი ხვრელები. n ტიპის ნახევარგამტარები არის ნახევარგამტარები დონორის მინარევებით.

1. დონორის მინარევები.

დონორი მინარევები არის ის, რომელიც ადვილად სწირავს ელექტრონებს და, შესაბამისად, ზრდის თავისუფალი ელექტრონების რაოდენობას. დონორის მინარევები ამარაგებს გამტარ ელექტრონებს იმავე რაოდენობის ხვრელების გაჩენის გარეშე.

დონორის მინარევების ტიპიური მაგალითი ოთხვალენტიან გერმანიუმში Ge არის ხუთვალენტიანი დარიშხანის ატომები As.

სხვა შემთხვევაში თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობა პრაქტიკულად შეუძლებელი ხდება, დენი კი მხოლოდ ხვრელების მოძრაობით ხორციელდება. ამ ნახევარგამტარებს ე.წ ხვრელების ნახევარგამტარებიან p-ტიპის ნახევარგამტარები(ლათინური სიტყვიდან positivus - დადებითი). მთავარი მუხტის მატარებლები ხვრელებია და არა მთავარი ელექტრონები. . p-ტიპის ნახევარგამტარები არის ნახევარგამტარები მიმღები მინარევებით.

მიმღები მინარევები არის მინარევები, რომლებშიც არ არის საკმარისი ელექტრონები ნორმალური წყვილი-ელექტრონული ბმის შესაქმნელად.

გერმანიუმის Ge-ში მიმღები მინარევების მაგალითია გალიუმის სამვალენტიანი ატომები Ga

ელექტრული დენი p-ტიპის და n-ტიპის p-n შეერთების ნახევარგამტარების შეხებით არის p-ტიპის და n-ტიპის ორი მინარევის ნახევარგამტარის საკონტაქტო ფენა; p-n შეერთება არის საზღვრის გამყოფი რეგიონები ხვრელით (p) გამტარობით და ელექტრონული (n) გამტარობით იმავე ერთ კრისტალში.

პირდაპირი p-n შეერთება

თუ n ნახევარგამტარი დაკავშირებულია დენის წყაროს უარყოფით პოლუსთან, ხოლო დენის წყაროს დადებითი პოლუსი დაკავშირებულია p ნახევარგამტართან, მაშინ ელექტრული ველის მოქმედებით ელექტრონები n-ნახევარგამტარში და ხვრელები p-ნახევარგამტარში გადაინაცვლებს ერთმანეთისკენ ნახევარგამტარული ინტერფეისისკენ. ელექტრონები, რომლებიც კვეთენ საზღვარს, "ავსებენ" ხვრელებს, დენი pn შეერთების გავლით ხორციელდება ძირითადი მუხტის მატარებლების მიერ. შედეგად, მთელი ნიმუშის გამტარობა იზრდება. გარე ელექტრული ველის ასეთი პირდაპირი (გამტარი) მიმართულებით, ბარიერის ფენის სისქე და მისი წინააღმდეგობა მცირდება.

ამ მიმართულებით დენი გადის ორი ნახევარგამტარის საზღვარზე.

საპირისპირო pn შეერთება

თუ n-ნახევარგამტარი დაკავშირებულია დენის წყაროს დადებით პოლუსთან, ხოლო p-ნახევარგამტარი დაკავშირებულია ენერგიის წყაროს უარყოფით პოლუსთან, მაშინ ელექტრონები n-ნახევარგამტარში და ხვრელები p-ნახევარგამტარში მოქმედების ქვეშ. ელექტრული ველი მოძრაობს ინტერფეისიდან საპირისპირო მიმართულებით, დენი p-n-გადასასვლელში ახორციელებს მცირე მუხტის მატარებლებს. ეს იწვევს ბარიერის ფენის გასქელებას და მისი წინააღმდეგობის მატებას. შედეგად, ნიმუშის გამტარობა აღმოჩნდება უმნიშვნელო, წინააღმდეგობა კი დიდი.

იქმნება ე.წ. ბარიერული ფენა. გარე ველის ამ მიმართულებით, ელექტრული დენი პრაქტიკულად არ გადის p- და n- ნახევარგამტარების კონტაქტში.

ამრიგად, ელექტრონულ ხვრელში გადასვლას აქვს ცალმხრივი გამტარობა.

დენის დამოკიდებულება ძაბვა - ვოლტი - დენი p-n შეერთების მახასიათებელზე ნაჩვენებია ნახატზე (ვოლტი - პირდაპირი p-n შეერთების დამახასიათებელი დენის მახასიათებელი ნაჩვენებია მყარი ხაზით, ვოლტ - ამპერი ნაჩვენებია საპირისპირო p-n შეერთების წერტილოვანი ხაზით).

ნახევარგამტარები:

ნახევარგამტარული დიოდი - ალტერნატიული დენის გასასწორებლად, იგი იყენებს ერთ p - n - შეერთებას სხვადასხვა წინააღმდეგობით: წინა მიმართულებით, p - n - შეერთების წინააღმდეგობა გაცილებით ნაკლებია, ვიდრე საპირისპირო მიმართულებით.

ფოტორეზისტორები - სუსტი სინათლის ნაკადების აღრიცხვისა და გაზომვისთვის. მათი დახმარებით განსაზღვრეთ ზედაპირების ხარისხი, აკონტროლეთ პროდუქტების ზომები.

თერმისტორები - დისტანციური ტემპერატურის გაზომვისთვის, ხანძარსაწინააღმდეგო სიგნალიზაციისთვის.

ნახევარგამტარი- ეს არის ნივთიერება, რომელშიც წინააღმდეგობა შეიძლება განსხვავდებოდეს ფართო დიაპაზონში და ძალიან სწრაფად მცირდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად., რაც ნიშნავს, რომ ელექტროგამტარობა (1/R) იზრდება.
- შეინიშნება სილიციუმში, გერმანიუმში, სელენში და ზოგიერთ ნაერთში.

გამტარობის მექანიზმინახევარგამტარები

ნახევარგამტარ კრისტალებს აქვთ ატომური კრისტალური ბადე, სადაც გარე ელექტრონები მეზობელ ატომებს უკავშირდება კოვალენტური ბმებით.

დაბალ ტემპერატურაზე, სუფთა ნახევარგამტარებს არ აქვთ თავისუფალი ელექტრონები და ის იქცევა როგორც დიელექტრიკი.

ნახევარგამტარები სუფთაა (მინარევების გარეშე)

თუ ნახევარგამტარი არის სუფთა (მინარევების გარეშე), მაშინ მას აქვს საკუთარიგამტარობა, რომელიც მცირეა.

არსებობს ორი სახის შინაგანი გამტარობა:

1 ელექტრონული(გამტარობა "n" - ტიპი)

ნახევარგამტარებში დაბალ ტემპერატურაზე ყველა ელექტრონი დაკავშირებულია ბირთვებთან და წინააღმდეგობა დიდია; ტემპერატურის მატებასთან ერთად იზრდება ნაწილაკების კინეტიკური ენერგია, წყდება ბმები და ჩნდება თავისუფალი ელექტრონები – წინააღმდეგობა მცირდება.
თავისუფალი ელექტრონები მოძრაობენ ელექტრული ველის სიძლიერის ვექტორის საპირისპიროდ.
ნახევარგამტარების ელექტრონული გამტარობა განპირობებულია თავისუფალი ელექტრონების არსებობით.

2. პერფორირებული(გამტარობა "p" - ტიპი)

ტემპერატურის მატებასთან ერთად ნადგურდება ატომებს შორის კოვალენტური ბმები, რომელსაც ატარებს ვალენტური ელექტრონები და იქმნება ადგილები დაკარგული ელექტრონით - "ხვრელი".
მას შეუძლია გადაადგილება მთელ კრისტალზე, რადგან. მისი ადგილი შეიძლება შეიცვალოს ვალენტური ელექტრონებით. „ხვრელის“ გადაადგილება დადებითი მუხტის გადაადგილების ტოლფასია.
ხვრელი მოძრაობს ელექტრული ველის სიძლიერის ვექტორის მიმართულებით.

გათბობის გარდა, კოვალენტური ბმების გაწყვეტა და ნახევარგამტარების შინაგანი გამტარობის გამოჩენა შეიძლება გამოწვეული იყოს განათებით (ფოტოგამტარობა) და ძლიერი ელექტრული ველების მოქმედებით.

სუფთა ნახევარგამტარის მთლიანი გამტარობა არის "p" და "n" ტიპების გამტარებლობის ჯამი.
და ეწოდება ელექტრონულ ხვრელ გამტარობას.

ნახევარგამტარები მინარევების არსებობისას

Მათ აქვთ საკუთარი + უწმინდურებაგამტარობა
მინარევების არსებობა მნიშვნელოვნად ზრდის გამტარობას.
როდესაც იცვლება მინარევების კონცენტრაცია, იცვლება ელექტრული დენის მატარებლების რაოდენობა - ელექტრონები და ხვრელები.
დენის კონტროლის უნარი საფუძვლად უდევს ნახევარგამტარების ფართო გამოყენებას.

არსებობს:

1)დონორიმინარევები (გამოყოფა)

ისინი ელექტრონების დამატებითი მომწოდებლები არიან ნახევარგამტარული კრისტალების მიმართ, ადვილად აძლევენ ელექტრონებს და ზრდიან თავისუფალი ელექტრონების რაოდენობას ნახევარგამტარში.
ესენი არიან დირიჟორები "n" - ტიპი, ე.ი. ნახევარგამტარები დონორის მინარევებით, სადაც მთავარი მუხტის მატარებელია ელექტრონები, ხოლო უმცირესობა არის ხვრელები.
ასეთ ნახევარგამტარს აქვს ელექტრონული მინარევების გამტარობა.

მაგალითად, დარიშხანი.

2. მიმღებიმინარევები (მასპინძელი)

ისინი ქმნიან „ხვრელებს“ ელექტრონების საკუთარ თავში მიღებით.
ეს არის ნახევარგამტარები "p" - ტიპი,იმათ. ნახევარგამტარები მიმღები მინარევებით, სადაც მთავარი მუხტის მატარებელია ხვრელები და უმცირესობა ელექტრონები.
ასეთ ნახევარგამტარს აქვს ხვრელის მინარევის გამტარობა.

მაგალითად, ინდიუმი.

"p-n" შეერთების ელექტრული თვისებები

"p-n" გადასვლა(ან ელექტრონულ ხვრელზე გადასვლა) - ორი ნახევარგამტარის საკონტაქტო არე, სადაც გამტარობა იცვლება ელექტრონულიდან ხვრელამდე (ან პირიქით).

ნახევარგამტარ კრისტალში ასეთი უბნები შეიძლება შეიქმნას მინარევების შეყვანით. სხვადასხვა გამტარობის მქონე ორი ნახევარგამტარის კონტაქტურ ზონაში მოხდება ურთიერთდიფუზია. ელექტრონები და ხვრელები და წარმოიქმნება დამბლოკავი ელექტრული ფენა.დამბლოკავი ფენის ელექტრული ველი ხელს უშლის ელექტრონებისა და ხვრელების შემდგომ გადასვლას საზღვარზე. ბარიერის ფენას აქვს გაზრდილი წინააღმდეგობა ნახევარგამტარის სხვა უბნებთან შედარებით.

გარე ელექტრული ველი გავლენას ახდენს ბარიერის ფენის წინააღმდეგობაზე.
გარე ელექტრული ველის პირდაპირი (გადაცემის) მიმართულებით ელექტრული დენი გადის ორი ნახევარგამტარის საზღვარზე.
რადგან ელექტრონები და ხვრელები ერთმანეთისკენ მოძრაობენ ინტერფეისისკენ, შემდეგ ელექტრონები, რომლებიც კვეთენ ინტერფეისს, ავსებენ ხვრელებს. ბარიერის ფენის სისქე და მისი წინააღმდეგობა მუდმივად მცირდება.

წვდომის რეჟიმი p-n გადასვლა:

გარე ელექტრული ველის დაბლოკვის (საპირისპირო) მიმართულებით, ელექტრული დენი არ გაივლის ორი ნახევარგამტარის საკონტაქტო ზონას.
რადგან ელექტრონები და ხვრელები საზღვრიდან საპირისპირო მიმართულებით მოძრაობენ, შემდეგ დამბლოკავი ფენა სქელდება, მისი წინააღმდეგობა იზრდება.

ბლოკირების რეჟიმი p-n გადასვლა.

>>ფიზიკა: ელექტრული დენი ნახევარგამტარებში

რა არის მთავარი განსხვავება ნახევარგამტარებსა და გამტარებს შორის? ნახევარგამტარების რა სტრუქტურულმა მახასიათებლებმა მისცა მათ წვდომა ყველა რადიო მოწყობილობასთან, ტელევიზორთან და კომპიუტერთან?
განსხვავება გამტარებსა და ნახევარგამტარებს შორის განსაკუთრებით აშკარაა მათი ელექტრული გამტარობის ტემპერატურაზე დამოკიდებულების გაანალიზებისას. კვლევებმა აჩვენა, რომ რიგი ელემენტების (სილიციუმი, გერმანიუმი, სელენი და ა.შ.) და ნაერთების (PbS, CdS, GaAs და ა.შ.) წინააღმდეგობა არ იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად, როგორც მეტალებში. სურ.16.3), მაგრამ, პირიქით, უკიდურესად მკვეთრად მცირდება ( სურ.16.4). ასეთ ნივთიერებებს ე.წ ნახევარგამტარები.

ნახატზე ნაჩვენები გრაფიკიდან ჩანს, რომ აბსოლუტურ ნულთან მიახლოებულ ტემპერატურაზე, ნახევარგამტარების წინაღობა ძალიან მაღალია. ეს ნიშნავს, რომ დაბალ ტემპერატურაზე ნახევარგამტარი იქცევა როგორც იზოლატორი. ტემპერატურის მატებასთან ერთად, მისი წინააღმდეგობა სწრაფად იკლებს.
ნახევარგამტარების სტრუქტურა. ტრანზისტორის მიმღების ჩართვისთვის არაფრის ცოდნა არ გჭირდებათ. მაგრამ მის შესაქმნელად ბევრი რამ უნდა იცოდე და არაჩვეულებრივი ნიჭი ჰქონოდა. ზოგადად, იმის გაგება, თუ როგორ მუშაობს ტრანზისტორი, არც ისე რთულია. ჯერ უნდა გაეცნოთ ნახევარგამტარებში გამტარობის მექანიზმს. და ამისათვის თქვენ უნდა ჩაუღრმავდეთ კავშირების ბუნებანახევარგამტარული ბროლის ატომების ერთმანეთის მიყოლებით.
მაგალითად, განვიხილოთ სილიციუმის კრისტალი.
სილიციუმი ოთხვალენტიანი ელემენტია. ეს ნიშნავს, რომ მისი ატომის გარე გარსში არის ოთხი ელექტრონი, შედარებით სუსტად შეკრული ბირთვთან. სილიციუმის თითოეული ატომის უახლოესი მეზობლების რაოდენობა ასევე ოთხია. სილიციუმის კრისტალის სტრუქტურის დიაგრამა ნაჩვენებია სურათზე 16.5.

მეზობელი ატომების წყვილის ურთიერთქმედება ხორციელდება წყვილი-ელექტრონული ბმის გამოყენებით, ე.წ. კოვალენტური ბმა. ამ ბმის ფორმირებაში მონაწილეობს ერთი ვალენტური ელექტრონი თითოეული ატომიდან, რომელიც გამოყოფილია ატომისგან, რომელსაც ეკუთვნის (კრისტალი გროვდება) და მათი მოძრაობის დროს დროის უმეტეს ნაწილს ატარებს მეზობელ ატომებს შორის. მათი უარყოფითი მუხტი ინარჩუნებს დადებით სილიციუმის იონებს ერთმანეთთან ახლოს.
არ უნდა ვიფიქროთ, რომ ელექტრონების კოლექტივიზებული წყვილი მხოლოდ ორ ატომს ეკუთვნის. თითოეული ატომი აყალიბებს ოთხ კავშირს თავის მეზობლებთან და ნებისმიერ ვალენტურ ელექტრონს შეუძლია გადაადგილება ერთ-ერთი მათგანის გასწვრივ. მიაღწია მეზობელ ატომს, მას შეუძლია გადავიდეს შემდეგზე, შემდეგ კი მთელ ბროლის გასწვრივ. ვალენტური ელექტრონები ეკუთვნის მთელ კრისტალს.
წყვილ-ელექტრონული ბმები სილიციუმის კრისტალში საკმარისად ძლიერია და არ იშლება დაბალ ტემპერატურაზე. ამიტომ სილიციუმი არ ატარებს ელექტროენერგიას დაბალ ტემპერატურაზე. ატომების შეერთებაში ჩართული ვალენტური ელექტრონები, როგორც ეს იყო, არის "ცემენტის ხსნარი", რომელიც იკავებს კრისტალურ გისოსს და გარე ელექტრული ველი არ ახდენს შესამჩნევ გავლენას მათ მოძრაობაზე. გერმანიუმის კრისტალს მსგავსი სტრუქტურა აქვს.
ელექტრონული გამტარობა.როდესაც სილიციუმი თბება, ნაწილაკების კინეტიკური ენერგია იზრდება და ცალკეული ბმები იშლება. ზოგიერთი ელექტრონი ტოვებს თავის "ნაცემი ბილიკებს" და ხდება თავისუფალი, როგორც ელექტრონები მეტალში. ელექტრულ ველში ისინი მოძრაობენ მედის კვანძებს შორის, ქმნიან ელექტრულ დენს ( სურ.16.6).

ნახევარგამტარების გამტარობა მათში თავისუფალი ელექტრონების არსებობის გამო ეწოდება ელექტრონული გამტარობა. ტემპერატურის მატებასთან ერთად იზრდება გატეხილი ბმების რაოდენობა და, შესაბამისად, თავისუფალი ელექტრონების რაოდენობა. როდესაც თბება 300-დან 700 K-მდე, უფასო დამუხტვის მატარებლების რაოდენობა იზრდება 10 17-დან 10 24 1/მ 3-მდე. ეს იწვევს წინააღმდეგობის შემცირებას.
ხვრელის გამტარობა.როდესაც ბმა წყდება ნახევარგამტარის ატომებს შორის, იქმნება ვაკანსია დაკარგული ელექტრონით. მას ეძახიან ხვრელი. ხვრელს აქვს ჭარბი დადებითი მუხტი დანარჩენ გაუწყვეტელ ბმებთან შედარებით (იხ. სურ. 16.6).
კრისტალში ხვრელის პოზიცია არ არის დაფიქსირებული. შემდეგი პროცესი უწყვეტად მიმდინარეობს. ერთ-ერთი ელექტრონი, რომელიც უზრუნველყოფს ატომებს შორის კავშირს, ხტება წარმოქმნილი ხვრელის ადგილზე და აღადგენს წყვილ-ელექტრონულ კავშირს აქ და საიდანაც ეს ელექტრონი გადმოხტა, იქმნება ახალი ხვრელი. ამრიგად, ხვრელს შეუძლია გადაადგილება მთელ კრისტალზე.
თუ ნიმუშში ელექტრული ველის სიძლიერე ნულის ტოლია, მაშინ ხვრელების მოძრაობა, რომელიც ექვივალენტურია დადებითი მუხტების მოძრაობაზე, ხდება შემთხვევით და, შესაბამისად, არ ქმნის ელექტრულ დენს. ელექტრული ველის არსებობისას ხდება ხვრელების მოწესრიგებული მოძრაობა და, ამრიგად, ხვრელების მოძრაობასთან დაკავშირებული ელექტრული დენი ემატება თავისუფალი ელექტრონების ელექტრულ დენს. ხვრელების მოძრაობის მიმართულება ეწინააღმდეგება ელექტრონების მოძრაობის მიმართულებას ( სურ.16.7).

გარე ველის არარსებობის შემთხვევაში, არის ერთი ხვრელი (+) ერთი თავისუფალი ელექტრონისთვის (-). როდესაც ველი გამოიყენება, თავისუფალი ელექტრონი გადაადგილდება ველის სიძლიერის წინააღმდეგ. ამ მიმართულებით მოძრაობს ერთ-ერთი შეკრული ელექტრონიც. როგორც ჩანს, ხვრელი ველის მიმართულებით მოძრაობს.
ასე რომ, ნახევარგამტარებში არის ორი ტიპის მუხტის მატარებელი: ელექტრონები და ხვრელები. აქედან გამომდინარე, ნახევარგამტარებს აქვთ არა მხოლოდ ელექტრონული, არამედ ხვრელის გამტარობა.
ჩვენ განვიხილეთ გამტარობის მექანიზმი სუფთა ნახევარგამტარებში. ამ პირობებში გამტარობა ეწოდება საკუთარი გამტარობანახევარგამტარები.
სუფთა ნახევარგამტარების გამტარობა (შიდა გამტარობა) ხორციელდება თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობით (ელექტრონული გამტარობა) და შეკრული ელექტრონების გადაადგილებით წყვილი-ელექტრონული ბმების ვაკანტურ ადგილებში (ხვრელების გამტარობა).

???
1. რა ბმას ეწოდება კოვალენტური?
2. რა განსხვავებაა ნახევარგამტარებისა და ლითონების წინააღმდეგობის ტემპერატურაზე დამოკიდებულებას შორის?
3. რა მობილური მუხტის მატარებლები არსებობს სუფთა ნახევარგამტარში?
4. რა ხდება, როდესაც ელექტრონი ხვდება ხვრელს?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, ფიზიკა 10 კლასი

გაკვეთილის შინაარსი გაკვეთილის შეჯამებაჩარჩო გაკვეთილის პრეზენტაციის მხარდაჭერა ამაჩქარებელი მეთოდები ინტერაქტიული ტექნოლოგიები ივარჯიშე ამოცანები და სავარჯიშოები თვითშემოწმების სემინარები, ტრენინგები, შემთხვევები, კვესტები საშინაო დავალების განხილვის კითხვები რიტორიკული კითხვები სტუდენტებისგან ილუსტრაციები აუდიო, ვიდეო კლიპები და მულტიმედიაფოტოები, სურათები გრაფიკა, ცხრილები, სქემები იუმორი, ანეგდოტები, ხუმრობები, კომიქსების იგავ-არაკები, გამონათქვამები, კროსვორდები, ციტატები დანამატები რეფერატებისტატიების ჩიპები ცნობისმოყვარე თაღლითებისთვის სახელმძღვანელოები ძირითადი და ტერმინების დამატებითი ლექსიკონი სხვა სახელმძღვანელოების და გაკვეთილების გაუმჯობესებასახელმძღვანელოში არსებული შეცდომების გასწორებასახელმძღვანელოში ფრაგმენტის განახლება გაკვეთილზე ინოვაციის ელემენტების მოძველებული ცოდნის ახლით ჩანაცვლება მხოლოდ მასწავლებლებისთვის სრულყოფილი გაკვეთილებისადისკუსიო პროგრამის წლის მეთოდოლოგიური რეკომენდაციები კალენდარული გეგმა ინტეგრირებული გაკვეთილები

თუ თქვენ გაქვთ შესწორებები ან წინადადებები ამ გაკვეთილზე,

გადამზიდავი ტრანსპორტი ნახევარგამტარებში

შესავალი

ნახევარგამტარებში დენის მატარებლები არიან ელექტრონები და ხვრელები. მიმდინარე მატარებლები მოძრაობენ ბროლის ატომების პერიოდულ ველში, თითქოს ისინი თავისუფალი ნაწილაკები იყვნენ. პერიოდული პოტენციალის ეფექტი მოქმედებს მხოლოდ გადამზიდავ მასაზე. ანუ პერიოდული პოტენციალის მოქმედებით იცვლება მატარებლის მასა. ამასთან დაკავშირებით, მყარი მდგომარეობის ფიზიკა შემოაქვს ელექტრონის და ხვრელის ეფექტური მასის კონცეფციას. ელექტრონებისა და ხვრელების თერმული მოძრაობის საშუალო ენერგია უდრის კტ/2 თავისუფლების თითოეულ ხარისხზე. ოთახის ტემპერატურაზე ელექტრონისა და ხვრელის თერმული სიჩქარე დაახლოებით 107 სმ/წმ-ია.

თუ ელექტრული ველი გამოიყენება ნახევარგამტარზე, მაშინ ეს ველი გამოიწვევს დენის მატარებლების დრიფტს. ამ შემთხვევაში, მატარებლის სიჩქარე ჯერ გაიზრდება ველის გაზრდით, მიაღწევს სიჩქარის საშუალო მნიშვნელობას და შემდეგ შეწყვეტს ცვლილებას, რადგან მატარებლები მიმოფანტულია. გაფანტვა გამოწვეულია დეფექტებით, მინარევებით და ფონონების ემისიით ან შთანთქმით. მატარებლის გაფანტვის ძირითადი მიზეზი არის დამუხტული მინარევები და გისოსების ატომების თერმული ვიბრაციები (ფონონების შთანთქმა/გამოცემა). მათთან ურთიერთქმედება იწვევს მატარებლების სიჩქარის მკვეთრ ცვლილებას და მათი მოძრაობის მიმართულებას. მატარებლის სიჩქარის მიმართულების ცვლილება შემთხვევითია. დენის მატარებლების გაფანტვის დამატებით მექანიზმს წარმოადგენს მატარებლების გაფანტვა ნახევარგამტარის ზედაპირზე.

გარე ელექტრული ველის თანდასწრებით, ნახევარგამტარში მატარებლების გადაადგილების შემთხვევითი ბუნება ეფუძნება მატარებლების მიმართულ მოძრაობას ველის მოქმედების ქვეშ შეჯახებებს შორის ინტერვალებში. და მიუხედავად იმისა, რომ მატარებლების შემთხვევითი მოძრაობის სიჩქარე შეიძლება ბევრჯერ აღემატებოდეს მატარებლების მიმართული მოძრაობის სიჩქარეს ელექტრული ველის მოქმედების ქვეშ, მატარებლების მოძრაობის შემთხვევითი კომპონენტი შეიძლება უგულებელვყოთ, რადგან შემთხვევითი მოძრაობით შედეგად მიღებული გადამზიდავი ნაკადი ნულის ტოლია. გარე ველის მოქმედებით მატარებლების აჩქარება ემორჩილება ნიუტონის დინამიკის კანონებს. გაფანტვა იწვევს მოძრაობის მიმართულების და სიჩქარის სიდიდის მკვეთრ ცვლილებას, მაგრამ გაფანტვის შემდეგ ნაწილაკების აჩქარებული მოძრაობა ველის მოქმედებით განახლდება.

შეჯახების წმინდა ეფექტი არის ის, რომ ნაწილაკები არ აჩქარებენ, მაგრამ ნაწილაკები სწრაფად აღწევენ მოძრაობის მუდმივ სიჩქარეს. ეს უდრის შენელებული კომპონენტის შეყვანას ნაწილაკების მოძრაობის განტოლებაში, რომელიც ხასიათდება დროის მუდმივით. ტ. ამ პერიოდის განმავლობაში ნაწილაკი კარგავს იმპულსს მვგანისაზღვრება საშუალო სიჩქარით ვ. ნაწილაკისთვის, რომელსაც აქვს მუდმივი აჩქარება შეჯახებებს შორის, ეს დროის მუდმივი უდრის დროს ორ თანმიმდევრულ შეჯახებას შორის. მოდით უფრო დეტალურად განვიხილოთ ნახევარგამტარებში მიმდინარე გადამზიდავი ტრანსპორტირების მექანიზმები.

დრიფტიმიმდინარე(დრიფტის მიმდინარეობა)

ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ ნახევარგამტარში მატარებლების დრიფტის მოძრაობა შეიძლება ილუსტრირებული იყოს ნახაზი XXX. ველი ეუბნება მატარებლებს სიჩქარეს ვ.

ნახ. მატარებლების მოძრაობა ველის მოქმედების ქვეშ .

თუ დავუშვებთ, რომ ნახევარგამტარში ყველა მატარებელი მოძრაობს ერთი და იგივე სიჩქარით ვ, მაშინ დენი შეიძლება გამოისახოს როგორც ელექტროდებს შორის გადატანილი მთლიანი მუხტის თანაფარდობა დროზე ტ რამ მუხტის გადატანა ერთი ელექტროდიდან მეორეზე, ან:

სადაც ლ – მანძილი ელექტროდებს შორის.

დენის სიმკვრივე ახლა შეიძლება გამოიხატოს დენის მატარებლების კონცენტრაციით ნნახევარგამტარში:

სადაც მაგრამ არის ნახევარგამტარის განივი ფართობი.

მობილურობა

დენის მატარებლების მოძრაობის ბუნება ნახევარგამტარში ველის არარსებობის და გარე ელექტრული ველის მოქმედების ქვეშ ნაჩვენებია ნახატზე XXX. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ელექტრონების თერმული სიჩქარე არის 107 სმ/წმ-ის რიგითობა და ის ბევრად აღემატება ელექტრონების დრიფტის სიჩქარეს.

ნახ. ნახევარგამტარში დენის მატარებლების მოძრაობის შემთხვევითი ბუნება გარე ველის არარსებობისა და არსებობის შემთხვევაში.

განვიხილოთ მატარებლების მოძრაობა მხოლოდ ელექტრული ველის მოქმედების ქვეშ. ნიუტონის კანონის მიხედვით:

სადაც ძალა მოიცავს ორ კომპონენტს - ელექტროსტატიკურ ძალას და მინუს ძალას, რომელიც იწვევს იმპულსის დაკარგვას გაფანტვის დროს, გაყოფილი შეჯახებებს შორის დროზე:

ამ გამონათქვამების გათანაბრება და საშუალო სიჩქარის გამოსახულების გამოყენებით, მივიღებთ:

განვიხილოთ მხოლოდ სტაციონარული შემთხვევა, როდესაც ნაწილაკი უკვე აჩქარდა და მიაღწია საშუალო მუდმივ სიჩქარეს. ამ მიახლოებით, სიჩქარე პროპორციულია ელექტრული ველის სიძლიერისა. პროპორციულობის კოეფიციენტი ბოლო მნიშვნელობებს შორის განისაზღვრება, როგორც მობილურობა:

მობილურობა უკუპროპორციულია გადამზიდის მასის და პირდაპირპროპორციულია საშუალო თავისუფალი ბილიკის.

დრიფტის დენის სიმკვრივე შეიძლება დაიწეროს მობილურობის ფუნქციით:

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ნახევარგამტარებში, მატარებლების მასა არ არის ვაკუუმში ელექტრონის მასის ტოლი. მდა მობილობის ფორმულა უნდა გამოიყენოს ეფექტური მასა, მ * :

დენის მატარებლების დიფუზია ნახევარგამტარებში.

დიფუზიური დენი

თუ ნახევარგამტარში არ არის გარე ელექტრული ველი, მაშინ ხდება დენის მატარებლების - ელექტრონების და ხვრელების შემთხვევითი მოძრაობა თერმული ენერგიის მოქმედებით. ეს შემთხვევითი მოძრაობა არ იწვევს მატარებლების მიმართულ მოძრაობას და დენის წარმოქმნას. ყოველთვის იმ გადამზიდველის ნაცვლად, ვინც დატოვა ნებისმიერი ადგილი, მის ადგილას სხვა მოვა. ამრიგად, ერთიანი გადამზიდავი სიმკვრივე შენარჩუნებულია ნახევარგამტარის მთელ მოცულობაში.

მაგრამ სიტუაცია იცვლება, თუ მატარებლები არათანაბრად ნაწილდება მოცულობაზე, ე.ი. არის კონცენტრაციის გრადიენტი. ამ შემთხვევაში, კონცენტრაციის გრადიენტის მოქმედებით, ხდება მატარებლების მიმართული მოძრაობა - დიფუზია იმ რეგიონიდან, სადაც კონცენტრაცია უფრო მაღალია, დაბალი კონცენტრაციის მქონე რეგიონამდე. დამუხტული მატარებლების მიმართული მოძრაობა დიფუზიის მოქმედებით ქმნის დიფუზიურ დენს. მოდით განვიხილოთ ეს ეფექტი უფრო დეტალურად.

ჩვენ ვიღებთ მიმართებას დიფუზიის დენის მიმართ. ჩვენ გამოვალთ იქიდან, რომ მატარებლების მიმართულების მოძრაობა კონცენტრაციის გრადიენტის მოქმედებით ხდება თერმული მოძრაობის შედეგად (ტემპერატურაზე
კელვინის მიხედვით, ნაწილაკების თავისუფლების თითოეულ ხარისხს აქვს ენერგია
), ე.ი. დიფუზია არ არის ნულოვან ტემპერატურაზე (მატარებლის დრიფტი ასევე შესაძლებელია 0K-ზე).

იმისდა მიუხედავად, რომ სითბოს მოქმედების ქვეშ გადამზიდავების გადაადგილების შემთხვევითი ბუნება მოითხოვს სტატისტიკურ მიდგომას, დიფუზიური დენის ფორმულის გამომუშავება დაფუძნებული იქნება პროცესების დამახასიათებელი საშუალო მნიშვნელობების გამოყენებაზე. შედეგი იგივეა.

მოდით შემოგთავაზოთ საშუალო მნიშვნელობები - საშუალო თერმული სიჩქარე ვ ე, საშუალო დრო შეჯახებებს შორის,  და საშუალო თავისუფალი გზა, ლ. საშუალო თერმული სიჩქარე შეიძლება იყოს მიმართული როგორც დადებითი, ასევე უარყოფითი მიმართულებით. ეს სიდიდეები ურთიერთდაკავშირებულია მიმართებით

განვიხილოთ სიტუაცია ელექტრონების არაჰომოგენური განაწილებით ნ(x) (იხ. სურათი XXX).

ნახ. ერთი მატარებლის სიმკვრივის პროფილი გამოიყენება დენის დიფუზიის გამოხატვის გამოსატანად

განვიხილოთ ელექტრონების ნაკადი სიბრტყეში კოორდინატებით x = 0. მატარებლები მოდიან ამ სიბრტყეში, როგორც კოორდინატის მარცხენა მხრიდან x = - ლ, და მარჯვნივ კოორდინატის მხრიდან x = ლ. ელექტრონების ნაკადი მარცხნიდან მარჯვნივ არის

სადაც კოეფიციენტი ½ ნიშნავს, რომ ელექტრონების ნახევარი სიბრტყეშია კოორდინატთან x = - ლმოძრაობს მარცხნივ, მეორე ნახევარი კი მარჯვნივ. ანალოგიურად, ელექტრონების გადინება x = 0 მარჯვენა მხრიდან მოდის x = + ლტოლი იქნება:

სიბრტყეში გამავალი ელექტრონების მთლიანი ნაკადი x = 0 მარცხნიდან მარჯვნივ იქნება:

თუ ვივარაუდებთ, რომ ელექტრონების საშუალო თავისუფალი გზა საკმარისად მცირეა, ჩვენ შეგვიძლია ჩამოვწეროთ ელექტრონების კონცენტრაციის განსხვავება კოორდინატიდან მარჯვნივ და მარცხნივ. x = 0 კონცენტრაციის სხვაობის შეფარდების მეშვეობით სიბრტყეებს შორის მანძილს, ე.ი. წარმოებულის მეშვეობით:

ელექტრონის დენის სიმკვრივე ტოლი იქნება:

ჩვეულებრივ, თერმული სიჩქარისა და საშუალო თავისუფალი ბილიკის ნამრავლი იცვლება ერთი ფაქტორით, რომელსაც ეწოდება ელექტრონის დიფუზიის კოეფიციენტი. დ ნ .

მსგავსი ურთიერთობები ასევე შეიძლება დაიწეროს ხვრელის დიფუზიის დენისთვის:

მხოლოდ უნდა გვახსოვდეს, რომ ხვრელების მუხტი დადებითია.

არსებობს კავშირი დიფუზიის კოეფიციენტსა და მობილურობას შორის. მიუხედავად იმისა, რომ ერთი შეხედვით შეიძლება ჩანდეს, რომ ეს კოეფიციენტები არ უნდა იყოს დაკავშირებული, რადგან მატარებლების დიფუზია გამოწვეულია თერმული მოძრაობის გამო, ხოლო მატარებლების დრიფტი გამოწვეულია გარე ელექტრული ველით. თუმცა, ერთ-ერთი მთავარი პარამეტრი, შეჯახებებს შორის დრო, არ უნდა იყოს დამოკიდებული იმ მიზეზზე, რამაც გამოიწვია მატარებლების გადაადგილება.

ჩვენ ვიყენებთ თერმული სიჩქარის განმარტებას, როგორც,

და თერმოდინამიკის დასკვნები, რომ ელექტრონების მოძრაობის თავისუფლების ყოველი ხარისხი არის თერმული ენერგია კტ/2, ტოლია კინეტიკური:

ამ ურთიერთობებიდან შეიძლება მივიღოთ თერმული სიჩქარისა და საშუალო თავისუფალი ბილიკის ნამრავლი, რომელიც გამოიხატება მატარებლის მობილურობით:

მაგრამ ჩვენ უკვე განვსაზღვრეთ თერმული სიჩქარისა და საშუალო თავისუფალი ბილიკის ნამრავლი, როგორც დიფუზიის კოეფიციენტი. შემდეგ ელექტრონებისა და ხვრელების ბოლო მიმართება შეიძლება დაიწეროს შემდეგი ფორმით: