რომ ნახევარგამტარები მასალებს მიეკუთვნება გამტარობა, რომელიც უფრო დიდია ვიდრე დიელექტრიკები, ნაკლებია ვიდრე გამტარები. ნახევარგამტარებს მიეკუთვნება სილიციუმი (Si), ფოსფორი (P), გერმანიუმი (Ge), ინდიუმი (In), დარიშხანი (As).
ნახევარგამტარებს აქვთ რამდენიმე მახასიათებელი:
ნახევარგამტარებში ელექტრული დენი განპირობებულია როგორც თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობით, ასევე შეკრული ელექტრონების მოძრაობით, ე.წ. აქედან გამომდინარე, განასხვავებენ ელექტრონისა და ხვრელების გამტარობას. ელექტრონების დატოვებული ადგილი პირობითად დადებითად არის დამუხტული – ხვრელი. ნახევარგამტარებს, რომლებსაც აქვთ უპირატესად ელექტრონული გამტარობა, ეწოდება (-)n ტიპის ნახევარგამტარები. ნახევარგამტარებს, რომლებსაც აქვთ უპირატესად ხვრელების გამტარობა, ეწოდება (+)p ტიპის ნახევარგამტარები.
ნახევარგამტარების გამტარობა ძალიან არის დამოკიდებული ტემპერატურაზე, ეს დამოკიდებულება ათჯერ აღემატება მეტალებს. ტემპერატურის მატებასთან ერთად, ნახევარგამტარების გამტარობა იზრდება და წინააღმდეგობა მცირდება, რადგან. მუხტის მატარებლების ē და ხვრელების რაოდენობა იზრდება.
ნახევარგამტარების გამტარობა დიდად არის დამოკიდებული მინარევებისაგან და ეწოდება მინარევების გამტარობა. სუფთა ნახევარგამტარების გამტარობა საკმაოდ დაბალია, გამტარობის გაზრდის მიზნით სუფთა ნახევარგამტარს უმატებენ მინარევებს.
მინარევებს შეუძლია მრავალჯერ გაზარდოს თავისუფალი ელექტრონების ან ხვრელების რაოდენობა. პირველ შემთხვევაში (სურ.44(ა)) მინარევები დონორის როლს ასრულებს (ჩუქებს ელექტრონებს) - n-ტიპის გამტარობა, ხოლო მეორეში (სურ.44(ბ)) - მიმღების როლს ( იღებს. მოშორებით ელექტრონები) - p-ტიპის გამტარობა.
ნახევარგამტარული დიოდური p-n შეერთება.
ნახევარგამტარული მოწყობილობა, რომელსაც აქვს ცალმხრივი გამტარობა, ეფუძნება p-n შეერთების მუშაობას. დენი შეიძლება გადიოდეს დიოდში მხოლოდ ერთი მიმართულებით.
სხვადასხვა გამტარობის მქონე ორ ნახევარგამტარს შორის, ელექტრონებისა და ხვრელების სხვადასხვა კონცენტრაციის გამო, ხდება დიფუზია, რის შედეგადაც წარმოიქმნება პოტენციური განსხვავება (n ტიპის რეგიონში წარმოიქმნება მუხტი (+) და p ტიპის რეგიონის (-) მუხტი). არის ველის სიძლიერე E ext
თუ გარე ველი E 0 გამოიყენება p - n - შეერთებაზე, მაშინ, მისი მიმართულებიდან გამომდინარე, შემდეგი იქნება:
1. E 0 ემთხვევა მიმართულებით E vn; E \u003d E 0 + E ext, ზომები ℓ გაიზრდება და დენი არ იქნება
2. თუ E 0 საპირისპიროა E int, მაშინ E \u003d E int - E 0; E vn \u003d E 0; E = 0, ელექტრული დენი შემოვა შეერთების მეშვეობით.
ნახევარგამტარული დიოდისთვის დამახასიათებელი ვოლტ-ამპერი.
ნახევარგამტარული ტრიოდი
ნახევარგამტარული ტრიოდი შედგება ერთი ტიპის გამტარობის ორი ნახევარგამტარისგან, რომლებიც გამოყოფილია სხვა ტიპის გამტარობის (p-n-p) ან (n-p-n) ნახევარგამტარის თხელი ფენით.
ამ სისტემაში დენი კონტროლდება ძაბვით ფუძესა და ემიტერს შორის, ემიტერის წრეში დენის ცვლილება გამოიწვევს დენის ცვლილებას კოლექტორის წრეში და ძაბვის ცვლილება მნიშვნელოვანი იქნება (ძაბვის გაძლიერება) . P/n ტრიოდები (ტრანზისტორები), ისევე როგორც ვაკუუმური მილები - ტრიოდები გამოიყენება ელექტრული რხევების გასაძლიერებლად და წარმოქმნისთვის. ტრანზისტორებს აქვთ მთელი რიგი უპირატესობები ელექტრონულ ნათურებთან შედარებით - მათ არ სჭირდებათ ენერგია კათოდის გასათბობად, ისინი ვიბრაციისადმი მდგრადია, მცირე ზომის და ა.შ., მაგრამ მათი მახასიათებლები დამოკიდებულია ტემპერატურაზე.
გაკვეთილი No41-169 ელექტრული დენი ნახევარგამტარებში. ნახევარგამტარული დიოდი. ნახევარგამტარული მოწყობილობები.
ნახევარგამტარი არის ნივთიერება, რომელშიც წინაღობა შეიძლება განსხვავდებოდეს ფართო დიაპაზონში და ძალიან სწრაფად მცირდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად, რაც ნიშნავს, რომ იზრდება ელექტრული გამტარობა. იგი შეინიშნება სილიციუმში, გერმანიუმში, სელენში და ზოგიერთ ნაერთში.
გამტარობის მექანიზმი ნახევარგამტარებში
ნახევარგამტარ კრისტალებს აქვთ ატომური კრისტალური ბადე, სადაც გარე ელექტრონები კოვალენტური ბმებით უკავშირდება მეზობელ ატომებს. დაბალ ტემპერატურაზე, სუფთა ნახევარგამტარებს არ აქვთ თავისუფალი ელექტრონები და ის იქცევა დიელექტრიკის მსგავსად. თუ ნახევარგამტარი სუფთაა (მინარევების გარეშე), მაშინ მას აქვს საკუთარი გამტარობა (პატარა).
არსებობს ორი სახის შინაგანი გამტარობა:
1) ელექტრონული (გამტარობა" პ„-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 ვექტორის საპირისპიროდ. ნახევარგამტარების ელექტრონული გამტარობა განპირობებულია თავისუფალი ელექტრონების არსებობით.
2) ხვრელი (p-ტიპის გამტარობა). ტემპერატურის მატებასთან ერთად ნადგურდება ატომებს შორის კოვალენტური ბმები, რომლებიც ხორციელდება ვალენტური ელექტრონებით და იქმნება დაკარგული ელექტრონის მქონე ადგილები - "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.
კოვალენტური ბმების რღვევა და ნახევარგამტარების შინაგანი გამტარობის გამოჩენა შეიძლება გამოწვეული იყოს გათბობით, განათებით (ფოტოგამტარობით) და ძლიერი ელექტრული ველების მოქმედებით.
R-ის დამოკიდებულება განათებაზე: ფოტორეზისტორი - ფოტორელე - გადაუდებელი გადამრთველები |
სუფთა ნახევარგამტარის მთლიანი გამტარობა არის "p" და "n" ტიპის გამტარობის ჯამი და ეწოდება ელექტრონულ ხვრელ გამტარობას.
ნახევარგამტარები მინარევების არსებობისას
მათ აქვთ საკუთარი და მინარევის გამტარობა. მინარევების არსებობა მნიშვნელოვნად ზრდის გამტარობას. როდესაც მინარევების კონცენტრაცია იცვლება, ელექტრული დენის მატარებლების - ელექტრონებისა და ხვრელების რაოდენობა იცვლება. დენის კონტროლის უნარი საფუძვლად უდევს ნახევარგამტარების ფართო გამოყენებას. არსებობს შემდეგი მინარევები:
1) დონორი მინარევები (დონატი) - დამატებითია
ელექტრონების მიმწოდებლები ნახევარგამტარულ კრისტალებს, ადვილად აძლევენ ელექტრონებს და ზრდიან თავისუფალი ელექტრონების რაოდენობას ნახევარგამტარში. ეს არის დირიჟორები "n" - ტიპის, ე.ი. ნახევარგამტარები დონორის მინარევებით, სადაც მთავარი მუხტის მატარებელია ელექტრონები, ხოლო უმცირესობა არის ხვრელები. ასეთ ნახევარგამტარს აქვს ელექტრონული მინარევების გამტარობა (მაგალითად არის დარიშხანი).
2) მიმღები მინარევები (მიმღები) ქმნიან "ხვრელებს", იღებენ ელექტრონებს საკუთარ თავში. ეს არის ნახევარგამტარები "p" - ტიპის, ე.ი. ნახევარგამტარები მიმღები მინარევებით, სადაც არის მუხტის მთავარი მატარებელი
ხვრელები და უმცირესობის ელექტრონები. ასეთი ნახევარგამტარი აქვს
ხვრელის მინარევის გამტარობა (მაგალითად არის ინდიუმი).
ელექტრული თვისებები "p-ნ » გადასვლები.
"pn" 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 ელექტრონებისა და ხვრელების ურთიერთდიფუზია და წარმოიქმნება დამბლოკავი ბარიერი.
ელექტრო ფენა. ბარიერის ფენის ელექტრული ველი ხელს უშლის
ელექტრონებისა და ხვრელების შემდგომი გადასვლა საზღვარზე. ბარიერის ფენას აქვს გაზრდილი წინააღმდეგობა ნახევარგამტარის სხვა უბნებთან შედარებით.
გარე ელექტრული ველი გავლენას ახდენს ბარიერის ფენის წინააღმდეგობაზე. გარე ელექტრული ველის პირდაპირი (გადაცემის) მიმართულებით დენი გადის ორი ნახევარგამტარის საზღვარზე. რადგან ელექტრონები და ხვრელები ერთმანეთისკენ მოძრაობენ ინტერფეისისკენ, შემდეგ ელექტრონები,
საზღვრის გადაკვეთა, შეავსეთ ხვრელები. ბარიერის ფენის სისქე და მისი წინააღმდეგობა მუდმივად მცირდება.
ბლოკირებით (გარე ელექტრული ველის საპირისპირო მიმართულებით), დენი არ გაივლის ორი ნახევარგამტარის საკონტაქტო ზონას. რადგან ელექტრონები და ხვრელები მოძრაობენ საზღვრიდან საპირისპირო მიმართულებით, შემდეგ ბლოკირების ფენა
სქელდება, იზრდება მისი წინააღმდეგობა.
ამრიგად, ელექტრონულ ხვრელში გადასვლას აქვს ცალმხრივი გამტარობა.
ნახევარგამტარული დიოდი- ნახევარგამტარი ერთი "rn" შეერთებით.
ნახევარგამტარული დიოდები არის AC rectifers- ის ძირითადი ელემენტები.
ელექტრული ველის გამოყენებისას: ერთი მიმართულებით, ნახევარგამტარის წინააღმდეგობა მაღალია, საპირისპირო მიმართულებით, წინააღმდეგობა დაბალია.
ტრანზისტორები.(ინგლისური სიტყვებიდან transfer - transfer, resistor - წინააღმდეგობა)
განვიხილოთ გერმანიუმის ან სილიკონის ტრანზისტორების ერთ-ერთი სახეობა მათში შეყვანილი დონორი და მიმღები მინარევებით. მინარევების განაწილება ისეთია, რომ ძალიან თხელი (რამდენიმე მიკრომეტრის რიგის) n ტიპის ნახევარგამტარული ფენა იქმნება ორ p-ტიპის ნახევარგამტარულ ფენას შორის (იხ. ნახ.).
ამ თხელ ფენას ე.წ საფუძველიან ბაზა.კრისტალს აქვს ორი რ-n -გადასვლები, რომელთა პირდაპირი მიმართულებები საპირისპიროა. სხვადასხვა ტიპის გამტარობის მქონე უბნებიდან სამი გამოსავალი საშუალებას გაძლევთ ჩართოთ ტრანზისტორი ნახატზე ნაჩვენები წრეში. ამ ჩართვით, მარცხენა რ-n -ნახტომია პირდაპირიდა გამოყოფს ფუძეს p-ტიპის რეგიონისგან, რომელსაც ე.წ გამომცემელი.თუ უფლება არ იყო რ-n -გადასასვლელი, ემიტერი - ბაზის წრედში იქნება დენი წყაროების ძაბვის მიხედვით (ბატარეები B1და AC ძაბვის წყარო) და მიკროსქემის წინააღმდეგობა, პირდაპირი ემიტერ-ბაზის შეერთების დაბალი წინააღმდეგობის ჩათვლით.
ბატარეა B2ჩართულია ისე, რომ მარჯვენა რ-n -სქემში გადასვლა (იხ. ნახ.) არის საპირისპირო.ის გამოყოფს საფუძველს მარჯვენა p-ტიპის რეგიონისგან, რომელსაც ეწოდება კოლექციონერი.თუ აღარ დარჩა რ-n -შეერთება, დენი კოლექტორის წრეში ახლოს იქნება ნულთან, ვინაიდან
შებრუნების წინააღმდეგობა ძალიან მაღალია. მარცხნივ დენის არსებობისას რ-n -შეერთების დენი ასევე ჩნდება კოლექტორის წრეში და კოლექტორში დენი მხოლოდ ოდნავ ნაკლებია, ვიდრე დენი ემიტერში (თუ უარყოფითი ძაბვა გამოიყენება ემიტერზე, მაშინ მარცხენა რ-n -გარდამავალი იქნება შებრუნებული და დენი ემიტერის წრეში და კოლექტორის წრეში პრაქტიკულად არ იქნება). როდესაც ემიტერსა და ფუძეს შორის ძაბვა იქმნება, პ-ტიპის ნახევარგამტარის ძირითადი მატარებლები - ხვრელები შეაღწევენ ბაზაში, სადაც ისინი უკვე მცირე მატარებლები არიან. ვინაიდან ფუძის სისქე ძალიან მცირეა და მასში უმრავლესობის მატარებლების (ელექტრონების) რაოდენობა მცირეა, მასში ჩავარდნილი ხვრელები ძნელად ერწყმის (არ ერწყმის) ბაზის ელექტრონებს და შეაღწევს კოლექტორში დიფუზიის გამო. უფლება რ-n -გარდამავალი დახურულია ფუძის ძირითადი მუხტის მატარებლებისთვის - ელექტრონები, მაგრამ არა ხვრელების. კოლექტორში ხვრელები ატარებს ელექტრული ველით და ხურავს წრეს. ფუძიდან ამოფრქვევის წრეში დენის განშტოების სიძლიერე ძალიან მცირეა, ვინაიდან ფუძის განივი კვეთის ფართობი ჰორიზონტალურ (იხ. ნახ. ზემოთ) სიბრტყეში გაცილებით მცირეა, ვიდრე განივი კვეთა. ვერტიკალური სიბრტყე.
კოლექტორში დენი, რომელიც თითქმის უტოლდება დენის დინებას, იცვლება ემიტერის დენთან ერთად. რეზისტორის წინააღმდეგობა R მცირე გავლენას ახდენს კოლექტორში არსებულ დენზე და ეს წინააღმდეგობა შეიძლება იყოს საკმარისად დიდი. ემიტერის დენის კონტროლით AC ძაბვის წყაროსთან, რომელიც შედის მის წრეში, ვიღებთ ძაბვის სინქრონულ ცვლილებას რეზისტორზე R-ზე. .
რეზისტორის დიდი წინააღმდეგობით, მასზე ძაბვის ცვლილება შეიძლება იყოს ათობით ათასი ჯერ მეტი, ვიდრე სიგნალის ძაბვის ცვლილება ემიტერის წრეში. ეს ნიშნავს გაზრდილ ძაბვას. ამიტომ, დატვირთვაზე რ შესაძლებელია ელექტრული სიგნალების მიღება, რომელთა სიმძლავრე ბევრჯერ აღემატება ემიტერის წრეში შემავალ სიმძლავრეს.
ტრანზისტორების გამოყენებაᲗვისებები რ-n-შეერთებები ნახევარგამტარებში გამოიყენება ელექტრული რხევების გასაძლიერებლად და წარმოქმნისთვის.
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.
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:
ამ ურთიერთობებს აინშტაინის ურთიერთობები ეწოდება.
სულ მიმდინარე
მთლიანი დენი ნახევარგამტარში არის დრიფტისა და დიფუზიის დენის ჯამი. ელექტრონის დენის სიმკვრივისთვის შეგვიძლია დავწეროთ:
და ანალოგიურად ხვრელებისთვის:
მთლიანი დენის სიმკვრივე ნახევარგამტარში უდრის ელექტრონისა და ხვრელის დენის ჯამს:
ნახევარგამტარის მთლიანი დენი უდრის დენის სიმკვრივისა და ნახევარგამტარის ფართობის ნამრავლს:
მიმდინარე ასევე შეიძლება დაიწეროს შემდეგი ფორმით:
წონასწორობის მდგომარეობა არაჰომოგენურად დოპირებული ნახევარგამტარისთვის
(ნახევარგამტარში დენის არარსებობის მდგომარეობა)
ამ გაკვეთილზე განვიხილავთ ელექტრული დენის გავლის ისეთ საშუალებას, როგორც ნახევარგამტარებს. ჩვენ განვიხილავთ მათი გამტარობის პრინციპს, ამ გამტარობის დამოკიდებულებას ტემპერატურაზე და მინარევების არსებობაზე, განვიხილავთ ისეთ კონცეფციას, როგორიცაა p-n შეერთება და ძირითადი ნახევარგამტარული მოწყობილობები.
თუ პირდაპირ შეერთებას გააკეთებთ, მაშინ გარე ველი ანეიტრალებს ჩამკეტს, დენი კი მოხდება ძირითადი მუხტის მატარებლების მიერ (ნახ. 9).
ბრინჯი. 9. p-n შეერთება პირდაპირი კავშირით ()
ამ შემთხვევაში უმცირესობის მატარებლების დინება უმნიშვნელოა, ის პრაქტიკულად არ არსებობს. ამიტომ, p-n შეერთება უზრუნველყოფს ელექტრული დენის ცალმხრივ გამტარობას.
ბრინჯი. 10. სილიციუმის ატომური სტრუქტურა ტემპერატურის მატებასთან ერთად
ნახევარგამტარების გამტარობა არის ელექტრონული ხვრელი და ასეთ გამტარობას შინაგანი გამტარობა ეწოდება. ხოლო გამტარ ლითონებისგან განსხვავებით, ტემპერატურის მატებასთან ერთად, თავისუფალი მუხტების რაოდენობა უბრალოდ იზრდება (პირველ შემთხვევაში, არ იცვლება), შესაბამისად, ნახევარგამტარების გამტარობა იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად, წინააღმდეგობა კი მცირდება (ნახ. 10).
ნახევარგამტარების შესწავლის ძალიან მნიშვნელოვანი საკითხია მათში მინარევების არსებობა. და მინარევების არსებობის შემთხვევაში, უნდა იყოს საუბარი მინარევის გამტარობაზე.
ნახევარგამტარები
გადაცემული სიგნალების მცირე ზომამ და ძალიან მაღალმა ხარისხმა გახადა ნახევარგამტარული მოწყობილობები ძალიან გავრცელებული თანამედროვე ელექტრონულ ტექნოლოგიაში. ასეთი მოწყობილობების შემადგენლობა შეიძლება შეიცავდეს არა მხოლოდ ზემოხსენებულ სილიკონს მინარევებისაგან, არამედ, მაგალითად, გერმანიუმს.
ერთ-ერთი ასეთი მოწყობილობაა დიოდი - მოწყობილობა, რომელსაც შეუძლია დენის გავლა ერთი მიმართულებით და თავიდან აიცილოს მისი გავლა მეორე მიმართულებით. იგი მიიღება სხვა ტიპის ნახევარგამტარის დანერგვით p- ან n-ტიპის ნახევარგამტარულ კრისტალში (ნახ. 11).
ბრინჯი. 11. დიოდის აღნიშვნა დიაგრამაზე და მისი მოწყობილობის დიაგრამა, შესაბამისად.
სხვა მოწყობილობას, ახლა ორი p-n შეერთებით, ეწოდება ტრანზისტორი. იგი ემსახურება არა მხოლოდ დენის დინების მიმართულების შერჩევას, არამედ მის გარდაქმნას (სურ. 12).
ბრინჯი. 12. ტრანზისტორის სტრუქტურის სქემა და მისი აღნიშვნა ელექტრულ წრედზე, შესაბამისად ()
უნდა აღინიშნოს, რომ თანამედროვე მიკროსქემებში გამოიყენება დიოდების, ტრანზისტორების და სხვა ელექტრო მოწყობილობების მრავალი კომბინაცია.
შემდეგ გაკვეთილზე განვიხილავთ ელექტრული დენის გავრცელებას ვაკუუმში.
ბიბლიოგრაფია
- ტიხომიროვა S.A., Yavorsky B.M. ფიზიკა (საბაზო დონე) - მ.: მნემოზინა, 2012 წ.
- Gendenstein L.E., Dick Yu.I. ფიზიკა მე-10 კლასი. - მ.: ილექსა, 2005 წ.
- Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. ფიზიკა. ელექტროდინამიკა. - მ.: 2010 წ.
- მოწყობილობების მუშაობის პრინციპები ().
- ფიზიკისა და ტექნოლოგიების ენციკლოპედია ().
Საშინაო დავალება
- რა იწვევს გამტარ ელექტრონებს ნახევარგამტარში?
- რა არის ნახევარგამტარის შინაგანი გამტარობა?
- როგორ არის დამოკიდებული ნახევარგამტარის გამტარობა ტემპერატურაზე?
- რა განსხვავებაა დონორის მინარევებსა და მიმღების მინარევს შორის?
- *როგორია სილიციუმის გამტარობა ა) გალიუმის, ბ) ინდიუმის, გ) ფოსფორის, დ) ანტიმონის შერევით?
