Odată cu descoperirea semiconductorilor și studiul proprietăților acestora, a devenit posibilă crearea de circuite bazate pe diode și tranzistori. Curând, datorită performanțelor mai bune și dimensiunilor mai mici, au înlocuit tuburile de vid, apoi a devenit posibilă producerea de circuite integrate bazate pe elemente semiconductoare.

Ce sunt semiconductorii

A defini semiconductori înseamnă a-i caracteriza în ceea ce privește capacitatea lor de a conduce curentul electric. Pentru aceste substanțe cristaline, conductivitatea electrică crește odată cu creșterea temperaturii, expunerea la lumină și prezența diferitelor impurități.

Semiconductorii sunt cu decalaj larg și cu decalaj îngust, ceea ce determină proprietățile materialelor semiconductoare. Banda interzisă, măsurată în electron volți (eV), determină conductivitatea electrică. Acest parametru poate fi reprezentat ca energia de care are nevoie un electron pentru a pătrunde în zona de curent electric. În medie, pentru semiconductori, este de 1 eV, poate fi mai mult sau mai puțin.

Dacă regularitatea rețelei cristaline a semiconductorilor este încălcată de un atom străin, atunci o astfel de conductivitate va fi o impuritate. Când substanțele semiconductoare sunt destinate să creeze elemente de microcircuit, li se adaugă în mod special impurități, care formează acumulări crescute de găuri sau electroni:

• donator - cu o valență mai mare, donează electroni;
• acceptor - cu o valență mai mică, ia electroni, formând găuri.

Important! Principalul factor care afectează conductivitatea electrică a conductorilor este temperatura.

Cum se asigură conductivitatea?

Exemple de semiconductori sunt siliciul, germaniul. În cristalele acestor substanțe, atomii au legături covalente. Pe măsură ce temperatura crește, unii electroni pot fi eliberați. Atomul care a pierdut un electron devine apoi un ion încărcat pozitiv. Iar electronul, nefiind capabil să se deplaseze la alt atom din cauza saturației legăturilor, se dovedește a fi liber. Sub influența unui câmp electric, electronii eliberați se pot deplasa într-un flux direcționat.

Un ion care a pierdut un electron are tendința de a „lua” altul de la cel mai apropiat atom. Dacă reușește, atunci acest atom va fi deja oprit de un ion, la rândul său, care încearcă să înlocuiască electronul pierdut. Astfel, are loc o mișcare de „găuri” (sarcini pozitive), care pot deveni ordonate și într-un câmp electric.

O temperatură crescută permite eliberarea electronilor mai energetic, ceea ce duce la o scădere a rezistenței semiconductorului și o creștere a conductibilității. Electronii și găurile sunt legate aproximativ în proporții egale în cristale pure, o astfel de conductivitate se numește intrinsecă.

conductivitate de tip p și de tip n

Tipurile de impurități de conductivitate sunt împărțite în:

1. de tip R. Se formează prin adăugarea unei impurități acceptoare. Valenta mai mica a impuritatilor determina formarea unui numar crescut de gauri. Pentru siliciul tetravalent, borul trivalent poate servi ca atare impuritate;
2. de tip N. Dacă la siliciu se adaugă antimoniu pentavalent, atunci numărul de electroni purtători de sarcină negativă eliberați în semiconductor va crește.

Elementele semiconductoare funcționează în principal pe baza caracteristicilor joncțiunii p-n. Când două materiale cu diferite tipuri de conductivitate sunt aduse în contact, la limita dintre ele, electronii și găurile se vor întrepătrunde în zone opuse.

Important! Procesul de schimb de materiale semiconductoare cu purtători de sarcină pozitivă și negativă are limite de timp - înainte de formarea stratului de barieră.

Purtătorii de sarcină pozitivă și negativă se acumulează în părțile conectate, de ambele părți ale liniei de contact. Diferența de potențial rezultată poate ajunge la 0,6 V.

Când un element cu o joncțiune p-n intră într-un câmp electric, conductivitatea acestuia va depinde de conexiunea sursei de alimentare (PS). Cu „plus” pe partea cu p-conductivitate și „minus” pe partea cu n-conductivitate, stratul de blocare va fi distrus, iar curentul va curge prin joncțiune. Dacă sursa de alimentare este conectată în sens invers, stratul de blocare va crește și mai mult și va lăsa să treacă un curent electric de magnitudine neglijabilă.

Important! Joncțiunea P-n are conductivitate unilaterală.

Utilizarea semiconductorilor

Pe baza proprietăților semiconductorilor, au fost create diverse dispozitive care sunt utilizate în inginerie radio, electronică și alte domenii.

Diodă

Conductanța unidirecțională a diodelor semiconductoare a determinat domeniul de aplicare a acestora - în principal în redresarea curentului alternativ. Alte tipuri de diode:

1. Tunel. Folosește materiale semiconductoare cu un astfel de conținut de impurități încât lățimea joncțiunii p-n scade brusc, iar efectul ruperii tunelului devine posibil prin conexiune directă. Folosit în dispozitive RF, generatoare, echipamente de măsurare;
2. Convertit. O diodă tunel ușor modificată. Cu o conexiune directa, tensiunea care o deschide este mult mai mica fata de diodele clasice. Aceasta predetermină utilizarea unei diode tunel pentru conversia curenților de joasă tensiune;
3. Varicap. Când joncțiunea p-n este închisă, capacitatea sa este destul de mare. Varicap-ul este folosit ca condensator, a cărui capacitate poate fi variată prin schimbarea tensiunii. Capacitatea va scădea dacă tensiunea inversă crește;

1. Diodă Zener. Conectat în paralel, stabilizează tensiunea într-o zonă dată;
2. Puls. Datorită tranzitorilor scurti, ele sunt utilizate pentru circuite RF pulsate;
3. Zburând în avalanșă. Folosit pentru a genera oscilații de ultra-înaltă frecvență. Se bazează pe multiplicarea ca avalanșă a purtătorilor de sarcină.

Această diodă nu este formată din două materiale semiconductoare, în schimb semiconductorul este în contact cu metalul. Deoarece metalul nu are o structură cristalină, nu poate exista găuri în el. Aceasta înseamnă că în punctul de contact cu materialul semiconductor, numai electronii de pe ambele părți sunt capabili să pătrundă, îndeplinind funcția de lucru. Acest lucru devine posibil atunci când:

• există un semiconductor de tip n, iar funcția de lucru a electronilor săi este mai mică decât cea a unui metal;
• există un semiconductor de tip p cu o funcție de lucru a electronilor săi mai mare decât cea a unui metal.

La punctul de contact, semiconductorul va pierde purtători de sarcină, conductivitatea sa va scădea. Se creează o barieră, care este depășită de o tensiune continuă de valoarea necesară. Tensiunea inversă blochează practic dioda, care funcționează ca un redresor. Datorită vitezei mari, diodele Schottky sunt folosite în circuitele cu impulsuri, în dispozitivele de calcul, servesc și ca diode de putere pentru redresarea unui curent semnificativ.

Aproape niciun microcircuit nu poate face fără tranzistori, elemente semiconductoare cu două joncțiuni p-n. Elementul tranzistor are trei contacte de ieșire:

• colector;
• baza;
• emițător.

Dacă pe bază este aplicat un semnal de control de putere scăzută, între colector și emițător trece mult mai mult curent. Când nu este aplicat niciun semnal la bază, nu este condus nici un curent. Astfel, puterea curentului poate fi ajustată. Un dispozitiv este utilizat pentru a amplifica semnalul și comutarea fără contact a circuitului.

Tipuri de tranzistoare semiconductoare:

1. Bipolar. Au purtători de sarcină pozitivă și negativă. Curentul care curge este capabil să treacă în direcția înainte și în sens invers. Folosit ca amplificatoare;
2. Camp. Ieșirile lor se numesc drenaj, sursă, poartă. Controlul se realizează prin intermediul unui câmp electric de o anumită polaritate. Semnalul aplicat porții poate modifica conductanța tranzistorului. Purtătorii de încărcare din dispozitivele de teren pot avea un singur semn: pozitiv sau negativ. Tranzistoarele puternice cu efect de câmp sunt utilizate în amplificatoarele audio. Principala lor aplicație sunt circuitele integrate. Dimensiunile compacte și consumul redus de energie fac posibilă instalarea lor în dispozitive cu surse de tensiune redusă (ore);
3. Combinate. Ele pot fi amplasate împreună cu alte elemente tranzistoare, rezistențe într-o structură monolitică.

Dopajul semiconductorilor

Dopajul este introducerea de elemente de impuritate, donor și acceptor, în cristale semiconductoare pentru a le controla conductivitatea. Aceasta se întâmplă în timpul perioadei de creștere a cristalelor sau prin introducere locală în anumite zone.

Metode aplicate:

1. Difuzie la temperaturi ridicate. Cristalul semiconductor este încălzit, iar atomii de impurități care sunt în contact cu suprafața lui, cad în adâncime. În unele locuri ale rețelei cristaline, atomii de impurități înlocuiesc atomii substanței principale;
2. Implantarea ionică. Are loc ionizarea și accelerarea atomilor de impurități, care bombardează monocristalul, creând neomogenități locale și formând joncțiuni p-n;
3. iradiere cu laser. Avantajul metodei este că, folosind radiația direcționată, secțiunile individuale pot fi încălzite la orice valoare de temperatură, ceea ce facilitează introducerea de impurități;
4. dopajul cu neutroni. Folosit relativ recent. Constă în iradierea unui singur cristal cu neutroni termici într-un reactor, în urma căruia se produce o mutație a nucleelor ​​atomice. Atomii de siliciu sunt transformați în fosfor.

Există și alte modalități de dopaj: gravarea chimică, crearea de pelicule subțiri prin pulverizare.

Cum sunt fabricați semiconductorii?

Principalul lucru în obținerea semiconductorilor este purificarea lor de impurități inutile. Printre numeroasele modalități de obținere a acestora, se pot distinge două dintre cele mai frecvent utilizate:

1. Topirea zonei. Procesul se desfășoară într-un recipient de cuarț etanș, unde este furnizat un gaz inert. Se topește o zonă îngustă a lingoului, care se mișcă treptat. În procesul de topire, impuritățile sunt redistribuite și recristalizate, eliberând o parte pură;
2. metoda Czochralski. Constă în creșterea unui cristal dintr-o sămânță prin smulgerea lui treptat din compoziția topită.

Varietăți de materiale semiconductoare

Diferențele de compoziție determină domeniul de aplicare al semiconductorilor:

1. Simplu - includeți substanțe omogene care sunt utilizate independent, precum și impurități și părți constitutive ale materialelor complexe. Siliciul, seleniul și germaniul sunt utilizate independent. Borul, antimoniul, telurul, arsenul, sulful, iodul servesc ca aditivi;
2. Materialele complexe sunt compuși chimici din două sau mai multe elemente: sulfuri, telururi, carburi;
3. Oxizii de cobalt, cupru, europiu sunt utilizați în redresoare și fotocelule;
4. Semiconductori organici: indol, acridonă, flavantron, pentacen. Un domeniu de utilizare a acestora este electronica optică;
5. Semiconductori magnetici. Acestea sunt materiale feromagnetice, de exemplu, sulfură și oxid de europiu, precum și materiale antiferomagnetice - oxid de nichel, telurura de europiu. Sunt utilizate în inginerie radio, dispozitive optice controlate de un câmp magnetic.

Acum este dificil de a numi un domeniu de tehnologie în care nu ar fi utilizate materiale semiconductoare, inclusiv în absența unei joncțiuni p-n, de exemplu, rezistența termică la senzorii de temperatură, fotorezistența în telecomenzi și altele.

Video

Semiconductorii sunt o clasă largă de substanțe caracterizate prin valori de conductivitate electrică care se află în intervalul dintre conductivitatea electrică a metalelor și dielectricii buni, adică aceste substanțe nu pot fi clasificate nici ca dielectrici (deoarece nu sunt buni izolatori) sau metale. (nu sunt buni conductori de electricitate). Semiconductorii, de exemplu, includ substanțe precum germaniu, siliciu, seleniu, telur, precum și unii oxizi, sulfuri și aliaje metalice.

Proprietăți:

1) Odată cu creșterea temperaturii, rezistivitatea semiconductorilor scade, spre deosebire de metale, în care rezistivitatea crește odată cu creșterea temperaturii. Mai mult, de regulă, într-un interval larg de temperatură, această creștere are loc exponențial. Rezistivitatea cristalelor semiconductoare poate scădea și atunci când sunt expuse la lumină sau la câmpuri electronice puternice.

2) Proprietatea conducerii unilaterale a contactului a doi semiconductori. Această proprietate este folosită pentru a crea o varietate de dispozitive semiconductoare: diode, tranzistoare, tiristoare etc.

3) Contactele diferitelor semiconductori în anumite condiții, atunci când sunt iluminate sau încălzite, sunt surse de foto-e. d.s. sau, respectiv, termo-e. d.s.

Semiconductorii diferă de alte clase de solide prin multe caracteristici specifice, dintre care cele mai importante sunt:

1) coeficientul de temperatură pozitiv al conductivității electrice, adică odată cu creșterea temperaturii, conductivitatea electrică a semiconductorilor crește;

2) conductivitatea specifică a semiconductorilor este mai mică decât cea a metalelor, dar mai mare decât cea a izolatorilor;

3) valori mari ale forței termoelectromotoare în comparație cu metalele;

4) sensibilitate ridicată a proprietăților semiconductoarelor la radiațiile ionizante;

5) capacitatea unei schimbări bruște a proprietăților fizice sub influența concentrațiilor neglijabile de impurități;

6) efectul redresării curentului sau al comportamentului non-ohmic asupra contactelor.

3. Procese fizice în p-n - tranziție.

Elementul principal al majorității dispozitivelor semiconductoare este joncțiunea electron-gaură ( district joncțiune), care este un strat de tranziție între două regiuni ale unui semiconductor, dintre care una are conductivitate electrică electronică, iar cealaltă are conductivitate în găuri.

Educaţie pn tranziție. Pn tranziție de echilibru

Să aruncăm o privire mai atentă asupra procesului educațional pn tranziție. Starea de echilibru se numește o astfel de stare de tranziție atunci când nu există tensiune externă. Amintiți-vă că în R- în regiune există două tipuri de purtători principali de sarcină: ioni imobili încărcați negativ ai atomilor de impurități acceptoare și găuri libere încărcate pozitiv; si in n-regiune există și două tipuri de purtători principali de sarcină: ionii imobili încărcați pozitiv ai atomilor de impurități acceptoare și electronii liberi încărcați negativ.

Înainte de atingere pși n regiunile, electronii, golurile și ionii de impurități sunt distribuite uniform. La contact la graniță pși n regiuni, apare un gradient de concentrație de purtători de sarcină liberă și difuzie. Sub acțiunea difuziei, electronii din n-zona intră în pși se recombină acolo cu găuri. găuri din R-zonele se duc n regiune și se recombină cu electronii de acolo. Ca urmare a unei astfel de mișcări a purtătorilor de taxe gratuite în regiunea de graniță, concentrația acestora scade aproape la zero și, în același timp, R regiune, se formează o sarcină spațială negativă de ioni de impurități acceptoare și în n-sarcina spatiala pozitiva a regiunii a ionilor de impuritati donatoare. Între aceste taxe există o diferență de potențial de contact φ lași câmpul electric E la, care împiedică difuzarea purtătorilor de încărcare liberă din adâncime R-și n- zone prin p-n- tranziție. Astfel, se numește regiunea unită de purtători de încărcare liberă cu câmpul său electric p-n- tranziție.

Pn Tranziția este caracterizată de doi parametri principali:

1. Înălțimea potențială a barierei. Este egală cu diferența de potențial de contact φ la. Aceasta este diferența de potențial în tranziție datorită gradientului de concentrație al purtătorilor de sarcină. Aceasta este energia pe care trebuie să o aibă o încărcare gratuită pentru a depăși bariera potențială:

Unde k este constanta Boltzmann; e este sarcina electronilor; T- temperatura; N / Ași N D sunt concentrațiile de acceptori și donatori în regiunile de gaură și, respectiv, de electroni; p pși p n sunt concentrațiile de găuri în R-și n- respectiv zone; n i - propria concentrație de purtători de sarcină într-un semiconductor nedopat,  t \u003d kT / e- potenţial de temperatură. La o temperatură T\u003d 27 0 С  t=0,025V, pentru tranziția germaniului  să= 0,6 V, pentru joncțiunea de siliciu  să\u003d 0,8V.

2. lățimea joncțiunii p-n(Fig. 1) este o regiune de frontieră epuizată în purtători de sarcină, care se află în pși n zone: l p-n = l p + l n:

De aici,

Unde ε este permisivitatea relativă a materialului semiconductor; ε 0 este constanta dielectrică a spațiului liber.

Grosimea tranzițiilor electron-gaură este de ordinul (0,1-10) µm. Dacă , atunci și pn-tranziția se numește simetrică, dacă , atunci și pn- tranziția se numește asimetrică și este localizată în principal în regiunea semiconductorului cu o concentrație mai mică de impurități.

În stare de echilibru (fără tensiune externă) prin district tranziție, se deplasează doi contracurenți de sarcini (curg doi curenți). Acestea sunt curentul de deriva al purtătorilor de sarcină minoritari și curentul de difuzie, care este asociat cu purtătorii de sarcină majoritari. Deoarece nu există tensiune externă și nu există curent în circuitul extern, curentul de deriva și curentul de difuzie sunt echilibrate reciproc, iar curentul rezultat este zero

I dr + I dife = 0.

Această relație se numește condiția echilibrului dinamic al proceselor de difuzie și deriva într-un (echilibru) izolat. pn-tranziție.

Suprafața pe care sunt în contact pși n zona se numește limita metalurgică. În realitate, are o grosime finită - 5 m. În cazul în care un 5 m<< l p-n , apoi pn Tranziția se numește ascuțită. Dacă δ m >> lp-n, apoi pn Tranziția se numește lină.

Р-n tranziție la o tensiune externă aplicată acestuia

Tensiunea externă perturbă echilibrul dinamic al curenților în pn-tranziție. Pn- tranziția intră într-o stare de neechilibru. În funcție de polaritatea tensiunii aplicate zonelor din pn-tranziție posibilă două moduri de funcționare.

1) Prejudecată înaintepn tranziție. R-n- joncțiunea este considerată a fi polarizată înainte dacă polul pozitiv al sursei de alimentare este conectat la R-regiune, și negativ la n- zone (Fig. 1.2)

Cu polarizarea directă, tensiunile  către și U sunt direcționate opus, tensiunea rezultată pe pn-tranzitia scade la valoare  să - U. Aceasta duce la faptul că intensitatea câmpului electric scade și procesul de difuzie a purtătorilor principali de sarcină se reia. În plus, offset-ul înainte reduce lățimea pn tranziție, pentru că lp-n ≈( la - U) 1/2. Curentul de difuzie, curentul purtătorilor principali de sarcină, devine mult mai mare decât curentul de deriva. Prin pn-curenti continui de tranzitie

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

Când curge un curent continuu, cei mai mulți purtători de sarcină din regiunea p trec în regiunea n, unde devin minori. Se numește procesul de difuzie de introducere a purtătorilor de taxe majoritari într-o regiune în care aceștia devin minoritari injecţie, iar curent continuu - curent de difuzie sau curent de injectie. Pentru a compensa purtătorii de sarcină minoritari acumulați în regiunile p și n, în circuitul extern ia naștere un curent de electroni de la o sursă de tensiune, de exemplu. se păstrează principiul electroneutralităţii.

Cu o crestere U curentul crește brusc, - potențialul de temperatură, și poate atinge valori mari. asociat cu principalii purtători, a căror concentrație este mare.

2) părtinire inversă, apare atunci când R-area este aplicată un minus, iar la n-zonă plus, o sursă externă de tensiune (Fig. 1.3).

Această tensiune exterioară U incluse conform  să. Acesta: crește înălțimea barierei potențiale la o valoare  să + U; intensitatea câmpului electric crește; lăţime pn tranziția crește, deoarece l p-n ≈( la + U) 1/2; procesul de difuzie se opreşte complet şi după pn curentul de tranziție curge în derivă, curent purtător minoritar. Un astfel de curent pn-tranziția se numește inversă și, deoarece este asociată cu purtători de sarcină minori care apar din cauza generării termice, se numește curent termic și se notează - eu 0, adică

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

Acest curent este de amploare mică. asociate cu purtători minoritari de sarcină, a căror concentrație este scăzută. Prin urmare, pn tranziția are conductivitate unilaterală.

Cu o polarizare inversă, concentrația purtătorilor de sarcină minoritari la limita de tranziție scade oarecum în comparație cu cea de echilibru. Acest lucru duce la difuzarea purtătorilor de sarcină minoritari din adâncime pși n-zone până la graniţă pn tranziție. Ajunși la el, purtătorii minoritari cad într-un câmp electric puternic și sunt transferați pn de tranziție, unde devin cei majoritari purtători de taxe. Difuzarea purtătorilor de sarcină minori la graniță pn se numește tranziția și trecerea prin ea către regiunea în care devin principalii purtători de sarcină extracţie. Extracție și creează un curent invers pn tranziția este curentul purtătorilor de taxe minori.

Mărimea curentului invers depinde foarte mult de: temperatura ambiantă, materialul semiconductor și suprafața pn tranziție.

Dependența de temperatură a curentului invers este determinată de expresia , unde este temperatura nominală, este temperatura reală, este temperatura de dublare a curentului termic.

Curentul termic al joncțiunii de siliciu este mult mai mic decât curentul termic al joncțiunii pe bază de germaniu (cu 3-4 ordine de mărime). Este legat de  să material.

Odată cu creșterea zonei de tranziție, volumul acesteia crește și, în consecință, numărul de purtători minoritari care apar ca urmare a generării termice și a creșterii curentului termic.

Deci proprietatea principală pn-tranziția este conducerea sa unidirecțională.

4. Caracteristica curent-tensiune p-n - tranziție.

Obținem caracteristica curent-tensiune a joncțiunii p-n. Pentru a face acest lucru, scriem ecuația de continuitate în formă generală:

Vom considera cazul staționar dp/dt = 0.

Luați în considerare curentul în volumul cvasi-neutru al unui semiconductor de tip n la dreapta regiunii epuizate a joncțiunii p-n (x > 0). Rata de generare G într-un volum cvasi-neutru este zero: G = 0. Câmpul electric E este, de asemenea, nul: E = 0. Componenta de derivă a curentului este, de asemenea, nulă: I E = 0, prin urmare, curentul este difuzie. Rata de recombinare R la un nivel scăzut de injecție este descrisă de relația:

Să folosim următoarea relație care raportează coeficientul de difuzie, lungimea difuziei și durata de viață a purtătorului minoritar: Dτ = L p 2 .

Ținând cont de ipotezele de mai sus, ecuația de continuitate are forma:

Condițiile la limită pentru ecuația de difuzie în joncțiunea p-n sunt:

Soluția ecuației diferențiale (2.58) cu condiții la limită (*) are forma:

Relația (2.59) descrie legea de distribuție a găurilor injectate în volumul cvasi-neutru al unui semiconductor de tip n pentru o tranziție electron-gaură (Fig. 2.15). Toți purtătorii care au depășit limita SCR cu un volum cvasi-neutru al joncțiunii p-n participă la curentul de joncțiune p-n. Deoarece întregul curent este difuzie, înlocuind (2.59) în expresia curentului, obținem (Fig. 2.16):

Relația (2.60) descrie componenta de difuzie a curentului de găuri de joncțiune p-n, care apare în timpul injectării purtătorilor minoritari sub polarizare directă. Pentru componenta electronică a curentului de joncțiune p-n, obținem în mod similar:

La V G = 0, componentele de derivă și difuzie se echilibrează reciproc. Prin urmare, .

Curentul total de joncțiune p-n este suma tuturor celor patru componente ale curentului de joncțiune p-n:

Expresia dintre paranteze are semnificația fizică a curentului invers al joncțiunii p-n. Într-adevăr, la tensiuni negative 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:

Orez. 2.15. Distribuția purtătorilor de neechilibru injectați de la emițător peste volumul cvasi-neutru al bazei joncțiunii p-n

Este ușor de observat că această relație este echivalentă cu cea obținută mai devreme în analiza ecuației de continuitate.

Dacă este necesară implementarea condiției de injectare unilaterală (de exemplu, doar injectarea găurilor), atunci din relația (2.61) rezultă că o valoare mică a concentrației purtătorilor minoritari n p0 în regiunea p ar trebui să fie ales. Rezultă că semiconductorul de tip p trebuie să fie puternic dopat în comparație cu semiconductorul de tip n: N A >> N D . În acest caz, componenta găurii va domina în curentul de joncțiune p-n (Fig. 2.16).

Orez. 2.16. Curenți într-o joncțiune p-n cu un singur capăt cu polarizare directă

Astfel, caracteristica I–V a joncțiunii p-n are forma:

Densitatea curentului de saturație J s este:

Tranziția p-n CVC, descrisă prin relația (2.62), este prezentată în Figura 2.17.

Orez. 2.17. Caracteristica curent-tensiune a unei joncțiuni p-n ideale

După cum rezultă din relația (2.16) și din Figura 2.17, caracteristica curent-tensiune a unei joncțiuni p-n ideale are o formă asimetrică pronunțată. În regiunea tensiunilor continue, curentul joncțiunii p-n este difuzie și crește exponențial cu creșterea tensiunii aplicate. În regiunea tensiunilor negative, curentul de joncțiune p-n este în derivă și nu depinde de tensiunea aplicată.

5. Capacitate p-n - joncțiune.

Orice sistem în care sarcina electrică Q se modifică atunci când potențialul φ se modifică are o capacitate. Valoarea capacităţii C este determinată de raportul: .

Pentru joncțiunea p-n se pot distinge două tipuri de sarcini: sarcina din regiunea încărcăturii spațiale a donatorilor și acceptorilor ionizați Q B și sarcina purtătorilor injectați în bază de la emițătorul Q p . Cu diferite polarizări ale joncțiunii p-n, una sau alta sarcină va domina atunci când se calculează capacitatea. În acest sens, pentru capacitatea joncțiunii p-n se disting capacitatea de barieră C B și capacitatea de difuzie C D.

Capacitatea barieră C B este capacitatea joncțiunii p-n la polarizarea inversă V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

Valoarea de încărcare a donatorilor și acceptorilor ionizați Q B pe unitate de suprafață pentru o joncțiune p-n asimetrică este:

Diferențiând expresia (2.65), obținem:

Din ecuația (2.66) rezultă că capacitatea barieră C B este capacitatea unui condensator plat, a cărui distanță dintre plăci este egală cu lățimea regiunii de încărcare spațială W. Deoarece lățimea SCR depinde de tensiunea aplicată V G, capacitatea barierei depinde și de tensiunea aplicată. Estimările numerice ale capacității barierei arată că valoarea acesteia este de zeci sau sute de picofaradi.

Capacitatea de difuzie C D este capacitatea unei joncțiuni p-n la o polarizare directă V G > 0, datorită unei modificări a sarcinii Q p a purtătorilor injectați în bază de la emițătorul Q p .

Dependența capacității barierei C B de tensiunea inversă aplicată V G este utilizată pentru implementarea instrumentală. O diodă semiconductoare care implementează această dependență se numește varicap. Valoarea capacității maxime a varicapului este la tensiunea zero V G . Pe măsură ce polarizarea inversă crește, capacitatea varicapului scade. Dependența funcțională a capacității varicap de tensiune este determinată de profilul de dopaj al bazei varicap. În cazul dopajului uniform, capacitatea este invers proporțională cu rădăcina tensiunii aplicate V G . Prin stabilirea profilului de dopaj în baza varicapului N D (x), se pot obține diferite dependențe ale capacității varicap de tensiunea C(V G) - liniar descrescătoare, exponențial descrescătoare.

6. Diode semiconductoare: clasificare, caracteristici de proiectare, simboluri și marcare.

dioda semiconductoare- un dispozitiv semiconductor cu o joncțiune electrică și două fire (electrozi). Spre deosebire de alte tipuri de diode, principiul de funcționare al unei diode semiconductoare se bazează pe fenomenul pn-tranziție.

Salutare dragi cititori ai site-ului. Site-ul are o secțiune dedicată radioamatorilor începători, dar până acum nu am scris cu adevărat nimic pentru începătorii care fac primii pași în lumea electronicii. Eu umplu acest gol și din acest articol începem să ne familiarizăm cu dispozitivul și funcționarea componentelor radio (componente radio).

Să începem cu dispozitivele semiconductoare. Dar pentru a înțelege cum funcționează o diodă, tiristor sau tranzistor, trebuie să înțelegeți ce semiconductor. Prin urmare, vom studia mai întâi structura și proprietățile semiconductoarelor la nivel molecular, iar apoi ne vom ocupa de funcționarea și proiectarea componentelor radio semiconductoare.

Concepte generale.

De ce exact semiconductor dioda, tranzistor sau tiristor? Deoarece baza acestor componente radio este semiconductori Substanțe capabile atât să conducă curentul electric, cât și să împiedice trecerea acestuia.

Acesta este un grup mare de substanțe utilizate în inginerie radio (germaniu, siliciu, seleniu, oxid de cupru), dar pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare, acestea folosesc în principal numai Siliciu(Si) și germaniu(GE).

După proprietățile lor electrice, semiconductorii ocupă un loc de mijloc între conductorii și neconductorii curentului electric.

Proprietățile semiconductorilor.

Conductivitatea electrică a conductorilor este foarte dependentă de temperatura mediului ambiant.
La foarte scăzut temperaturi apropiate de zero absolut (-273°C), semiconductori nu executa curent electric și promovare temperatura, rezistența lor la curent scade.

Dacă arăți spre semiconductor ușoară, atunci conductivitatea sa electrică începe să crească. Folosind această proprietate a semiconductorilor, au fost create fotovoltaice aparate. Semiconductorii sunt, de asemenea, capabili să transforme energia luminoasă în curent electric, de exemplu, panourile solare. Și când este introdus în semiconductori impurităţi anumite substanțe, conductivitatea lor electrică crește dramatic.

Structura atomilor semiconductori.

Germaniul și siliciul sunt principalele materiale ale multor dispozitive semiconductoare și au patru Valența electronului.

Atom Germania este format din 32 de electroni și un atom siliciu din 14. Dar numai 28 electronii atomului de germaniu și 10 electronii atomului de siliciu, localizați în straturile interioare ale învelișului lor, sunt ținuți ferm de nuclee și nu se desprind niciodată din ele. Doar patru electronii de valență ai atomilor acestor conductori pot deveni liberi și chiar și atunci nu întotdeauna. Și dacă un atom semiconductor pierde cel puțin un electron, atunci devine ion pozitiv.

Într-un semiconductor, atomii sunt aranjați într-o ordine strictă: fiecare atom este înconjurat de patru aceiași atomi. Mai mult decât atât, ei sunt atât de aproape unul de celălalt încât electronii lor de valență formează orbite unice care trec în jurul atomilor vecini, legând astfel atomii într-o singură substanță întreagă.

Să reprezentăm interconexiunea atomilor dintr-un cristal semiconductor sub forma unei diagrame plane.
În diagramă, bile roșii cu un plus, în mod convențional, denotă nuclee de atomi(ioni pozitivi), iar bilele albastre sunt electroni de valență.

Aici puteți vedea că în jurul fiecărui atom sunt localizați patru exact aceiași atomi și fiecare dintre acești patru are o legătură cu alți patru atomi și așa mai departe. Fiecare dintre atomi este conectat la fiecare vecin Două electroni de valență, iar un electron este propriu, iar celălalt este împrumutat de la un atom vecin. O astfel de legătură se numește legătură cu doi electroni. covalent.

La rândul său, stratul exterior al învelișului electronic al fiecărui atom conține opt electroni: patru propriile lor, și singur, împrumutat de la patru vecine atomi. Aici nu se mai poate distinge care dintre electronii de valență din atom este „propriu” și care este „străin”, întrucât au devenit obișnuiți. Cu o astfel de legătură de atomi în întreaga masă a unui cristal de germaniu sau siliciu, putem presupune că un cristal semiconductor este unul mare. moleculă. În figură, cercurile roz și galbene arată legătura dintre straturile exterioare ale învelișurilor a doi atomi învecinați.

Conductivitate electrică semiconductoare.

Luați în considerare un desen simplificat al unui cristal semiconductor, în care atomii sunt notați cu o bilă roșie cu un plus, iar legăturile interatomice sunt indicate prin două linii care simbolizează electronii de valență.

La o temperatură apropiată de zero absolut, un semiconductor nu conduce curent, din moment ce nu are electroni liberi. Dar odată cu creșterea temperaturii, legătura electronilor de valență cu nucleele atomilor slăbește iar unii dintre electroni, din cauza mișcării termice, își pot părăsi atomii. Electronul care scapă din legătura interatomică devine „ liber„, iar acolo unde era el înainte, se formează un loc gol, care se numește convențional gaură.

Cum superior temperatura semiconductorilor, cel Mai mult devine electroni liberi și găuri. Ca rezultat, se dovedește că formarea unei „găuri” este asociată cu plecarea unui electron de valență din învelișul unui atom, iar gaura în sine devine pozitiv sarcina electrica egala cu negativ sarcina unui electron.

Acum să ne uităm la figură, care arată schematic fenomenul apariţiei curentului într-un semiconductor.

Dacă aplicați o tensiune la semiconductor, contactele „+” și „-”, atunci va apărea un curent în el.
Din cauza fenomene termice, într-un cristal semiconductor din legături interatomice va începe a fi eliberat un anumit număr de electroni (bile albastre cu săgeți). Electronii sunt atrași pozitiv polul sursei de tensiune va fi mișcare spre el, lăsând în urmă găuri, care va fi completat de alții electroni eliberați. Adică, sub acțiunea unui câmp electric extern, purtătorii de sarcină dobândesc o anumită viteză de mișcare direcțională și astfel creează electricitate.

De exemplu: electronul eliberat cel mai apropiat de polul pozitiv al sursei de tensiune atras acest stâlp. Rupând legătura interatomică și lăsând-o, electronul frunze după mine gaură. Un alt electron eliberat, care se află pe unii îndepărtare de la polul pozitiv, de asemenea atras stâlp și in miscare faţă de el, dar întâlnindu-se o gaură în calea ei, este atras de ea miez atom, restabilind legătura interatomică.

Rezultați nou gaură după al doilea electron, umple al treilea electron eliberat, situat lângă această gaură (Figura nr. 1). La randul lui găuri, care sunt cele mai apropiate de negativ stâlp, umplut cu altele electroni eliberați(Figura nr. 2). Astfel, în semiconductor apare un curent electric.

Atâta timp cât semiconductorul funcționează câmp electric, acest proces continuu: se rup legăturile interatomice - apar electroni liberi - se formează găuri. Găurile sunt umplute cu electroni eliberați - legăturile interatomice sunt restaurate, în timp ce alte legături interatomice sunt rupte, din care electronii pleacă și umplu următoarele găuri (Figura nr. 2-4).

De aici concluzionăm: electronii se deplasează de la polul negativ al sursei de tensiune la cel pozitiv, iar găurile se deplasează de la polul pozitiv la cel negativ.

Conductivitate electron-gaură.

Într-un cristal semiconductor „pur”, numărul eliberată electroni în acest moment este egal cu numărul în curs de dezvoltareîn acest caz, există găuri, deci conductivitatea electrică a unui astfel de semiconductor mic, deoarece furnizează curent electric mare rezistență, iar această conductivitate electrică se numește proprii.

Dar dacă adăugăm la semiconductor sub formă impurităţi un anumit număr de atomi de alte elemente, atunci conductivitatea sa electrică va crește semnificativ și în funcție de structurilor atomi de elemente de impuritate, conductivitatea electrică a semiconductorului va fi electronic sau perforat.

conductivitate electronică.

Să presupunem că, într-un cristal semiconductor, în care atomii au patru electroni de valență, am înlocuit un atom cu un atom în care cinci electroni de valență. Acest atom patru electronii se vor lega cu patru atomi vecini ai semiconductorului și a cincea electronul de valență va rămâne de prisos' înseamnă gratuit. Și decât Mai mult Mai mult vor fi electroni liberi, ceea ce înseamnă că un astfel de semiconductor se va apropia de un metal în proprietățile sale, iar pentru ca un curent electric să treacă prin el, acesta legăturile interatomice nu trebuie să fie distruse.

Semiconductorii cu astfel de proprietăți se numesc semiconductori cu conductivitate de tipul " n", sau semiconductori n-tip. Aici litera latină n provine de la cuvântul „negativ” (negativ) – adică „negativ”. Rezultă că într-un semiconductor n-tip principal purtătorii de taxe sunt - electroni, și nu cele principale - găuri.

conducerea orificiilor.

Să luăm același cristal, dar acum îi vom înlocui atomul cu un atom în care numai Trei electron liber. Cu cei trei electroni ai săi, se va lega doar cu Trei atomi vecini, iar pentru a se lega de al patrulea atom, nu va avea suficient unu electron. Ca urmare, se formează gaură. Desigur, va fi umplut cu orice alt electron liber din apropiere, dar, în orice caz, nu va exista un astfel de semiconductor în cristal. apuca electroni pentru a umple golurile. Și decât Mai mult vor exista astfel de atomi în cristal, deci Mai mult vor fi găuri.

Pentru ca electronii liberi să fie eliberați și să se miște într-un astfel de semiconductor, legăturile de valență dintre atomi trebuie distruse. Dar electronii nu vor fi încă suficienți, deoarece numărul de găuri va fi întotdeauna Mai mult numărul de electroni la un moment dat.

Astfel de semiconductori se numesc semiconductori cu perforat conductivitate sau conductoare p-tip, care în latină „pozitiv” înseamnă „pozitiv”. Astfel, fenomenul curentului electric într-un cristal semiconductor de tip p este însoțit de un continuu aparitieși dispariție sarcinile pozitive sunt găuri. Și asta înseamnă că într-un semiconductor p-tip principal purtătorii de taxe sunt găuri, și nu de bază - electroni.

Acum că aveți o anumită înțelegere a fenomenelor care apar în semiconductori, nu vă va fi dificil să înțelegeți principiul de funcționare a componentelor radio semiconductoare.

Să ne oprim la aceasta și în considerarea dispozitivului, principiul de funcționare al diodei, vom analiza caracteristica curent-tensiune și circuitele de comutare.
Noroc!

Sursă:

1 . Borisov V.G. - Un tânăr radioamator. 1985
2 . Site-ul web academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Care sunt caracteristicile sale? Care este fizica semiconductorilor? Cum sunt construite? Ce este conductivitatea semiconductorului? Ce proprietăți fizice au?

Ce este un semiconductor?

Aceasta se referă la materiale cristaline care nu conduc electricitatea la fel de bine ca metalele. Dar totuși, acest indicator este mai bun decât izolatorii. Asemenea caracteristici se datorează numărului de operatori de telefonie mobilă. În general, există un atașament puternic față de nuclee. Dar atunci când în conductor sunt introduși mai mulți atomi, de exemplu, antimoniul, care are un exces de electroni, această situație va fi corectată. La utilizarea indiului se obțin elemente cu sarcină pozitivă. Toate aceste proprietăți sunt utilizate pe scară largă în tranzistoare - dispozitive speciale care pot amplifica, bloca sau trece curentul într-o singură direcție. Dacă luăm în considerare un element de tip NPN, atunci putem observa un rol semnificativ de amplificare, care este deosebit de important atunci când se transmit semnale slabe.

Caracteristici de design posedate de semiconductori electrici

Conductorii au mulți electroni liberi. Izolatoarele practic nu le posedă deloc. Semiconductorii, pe de altă parte, conțin atât o anumită cantitate de electroni liberi, cât și goluri cu sarcină pozitivă, care sunt gata să primească particulele eliberate. Și cel mai important, toate conduc.Tipul de tranzistor NPN discutat mai devreme nu este singurul element semiconductor posibil. Deci, există și tranzistori PNP, precum și diode.

Dacă vorbim despre acesta din urmă pe scurt, atunci acesta este un astfel de element care poate transmite semnale într-o singură direcție. De asemenea, o diodă poate transforma curentul alternativ în curent continuu. Care este mecanismul unei astfel de transformări? Și de ce se mișcă într-o singură direcție? În funcție de unde provine curentul, electronii și golurile pot fie să diverge, fie să se îndrepte unul spre celălalt. În primul caz, din cauza creșterii distanței, alimentarea este întreruptă și, prin urmare, transferul purtătorilor de tensiune negativă se efectuează numai într-o singură direcție, adică conductivitatea semiconductorilor este unilaterală. La urma urmei, curentul poate fi transmis numai dacă particulele constitutive sunt în apropiere. Și acest lucru este posibil numai atunci când curentul este aplicat dintr-o parte. Aceste tipuri de semiconductori există și sunt utilizate în prezent.

Structura benzii

Proprietățile electrice și optice ale conductorilor sunt legate de faptul că, atunci când nivelurile de energie sunt umplute cu electroni, acestea sunt separate de stările posibile printr-o bandă interzisă. Care sunt trasaturile ei? Faptul este că nu există niveluri de energie în band gap. Cu ajutorul impurităților și a defectelor structurale, aceasta poate fi schimbată. Cea mai înaltă bandă complet umplută se numește bandă de valență. Apoi urmează permisul, dar gol. Se numește bandă de conducere. Fizica semiconductorilor este un subiect destul de interesant, iar în cadrul articolului va fi bine acoperit.

Starea electronilor

Pentru aceasta se folosesc concepte precum numărul zonei permise și cvasi-impulsul. Structura primului este determinată de legea dispersiei. El spune că este afectat de dependența energiei de cvasi-impuls. Deci, dacă banda de valență este complet umplută cu electroni (care poartă sarcină în semiconductori), atunci ei spun că nu există excitații elementare în ea. Dacă dintr-un motiv oarecare nu există nicio particulă, atunci aceasta înseamnă că aici a apărut o cvasiparticulă încărcată pozitiv - un gol sau o gaură. Sunt purtători de sarcină în semiconductori în banda de valență.

Zone degenerate

Banda de valență într-un conductor tipic este de șase ori degenerată. Acest lucru se întâmplă fără a lua în considerare interacțiunea spin-orbita și numai atunci când cvasi-momentul este zero. Poate fi împărțit în aceeași condiție în benzi degenerate dublu și cvadruplu. Distanța de energie dintre ele se numește energie de scindare spin-orbită.

Impurități și defecte la semiconductori

Ele pot fi inactive sau active din punct de vedere electric. Utilizarea primului face posibilă obținerea unei sarcini pozitive sau negative în semiconductori, care poate fi compensată prin apariția unei găuri în banda de valență sau a unui electron în banda conductivă. Impuritățile inactive sunt neutre și au un efect relativ redus asupra proprietăților electronice. Mai mult decât atât, poate conta adesea ce valență au atomii care participă la procesul de transfer al sarcinii și structura

În funcție de tipul și cantitatea de impurități, se poate modifica și raportul dintre numărul de găuri și electroni. Prin urmare, materialele semiconductoare trebuie întotdeauna selectate cu atenție pentru a obține rezultatul dorit. Acesta este precedat de un număr semnificativ de calcule și ulterior experimente. Particulele care se referă cel mai mult ca purtători majoritari de sarcină sunt non-primare.

Introducerea dozată a impurităților în semiconductori face posibilă obținerea de dispozitive cu proprietățile necesare. Defectele semiconductorilor pot fi, de asemenea, în stare electrică inactivă sau activă. Dislocarea, atomul interstițial și locul liber sunt importante aici. Conductoarele lichide și necristaline reacționează diferit la impurități decât cele cristaline. Absența unei structuri rigide are ca rezultat în cele din urmă faptul că atomul deplasat primește o valență diferită. Va fi diferit de cel cu care își saturează inițial legăturile. Devine neprofitabil ca un atom să dea sau să adauge un electron. În acest caz, devine inactiv și, prin urmare, semiconductorii dopați au șanse mari de defecțiune. Acest lucru duce la faptul că este imposibil să se schimbe tipul de conductivitate cu ajutorul dopajului și să se creeze, de exemplu, o joncțiune p-n.

Unii semiconductori amorfi își pot modifica proprietățile electronice sub influența dopajului. Dar acest lucru se aplică lor într-o măsură mult mai mică decât celor cristaline. Sensibilitatea elementelor amorfe la dopaj poate fi îmbunătățită prin procesare. În cele din urmă, aș dori să remarc că, datorită muncii îndelungate și grele, semiconductorii dopați sunt încă reprezentați de o serie de rezultate cu caracteristici bune.

Statistica electronilor într-un semiconductor

Când există, numărul de găuri și electroni este determinat numai de temperatură, parametrii structurii benzii și concentrația de impurități active electric. Când se calculează raportul, se presupune că unele dintre particule se vor afla în banda de conducere (la nivelul acceptorului sau donorului). De asemenea, ia în considerare faptul că o parte poate părăsi teritoriul de valență, iar acolo se formează goluri.

Conductivitate electrică

În semiconductori, pe lângă electroni, ionii pot acționa și ca purtători de sarcină. Dar conductivitatea lor electrică în majoritatea cazurilor este neglijabilă. Ca excepție, pot fi citați doar supraconductorii ionici. Există trei mecanisme principale de transfer de electroni în semiconductori:

1. Zona principală. În acest caz, electronul intră în mișcare din cauza unei modificări a energiei sale pe același teritoriu permis.
2. Transfer cu sărituri peste state localizate.
3. Polaron.

exciton

O gaură și un electron pot forma o stare legată. Se numește excitonul Wannier-Mott. În acest caz, care corespunde marginii de absorbție, scade cu dimensiunea legăturii. Cu energie suficientă, în semiconductori se poate forma o cantitate semnificativă de excitoni. Pe măsură ce concentrația lor crește, are loc condensarea și se formează un lichid cu gaură de electroni.

Suprafata semiconductoare

Aceste cuvinte denotă mai multe straturi atomice care sunt situate lângă marginea dispozitivului. Proprietățile suprafeței sunt diferite de proprietățile în vrac. Prezența acestor straturi rupe simetria translațională a cristalului. Acest lucru duce la așa-numitele stări de suprafață și polaritoni. Dezvoltând tema celui din urmă, ar trebui să se informeze și despre spin și undele vibraționale. Datorită activității sale chimice, suprafața este acoperită cu un strat microscopic de molecule străine sau atomi care au fost adsorbiți din mediu. Ele determină proprietățile acelor mai multe straturi atomice. Din fericire, crearea tehnologiei de vid ultra-înalt, în care sunt create elemente semiconductoare, face posibilă obținerea și menținerea unei suprafețe curate timp de câteva ore, ceea ce are un efect pozitiv asupra calității produselor rezultate.

Semiconductor. Temperatura afectează rezistența

Când temperatura metalelor crește, crește și rezistența acestora. Cu semiconductori, opusul este adevărat - în aceleași condiții, acest parametru va scădea pentru ei. Ideea aici este că conductivitatea electrică a oricărui material (și această caracteristică este invers proporțională cu rezistența) depinde de sarcina curentă pe care o au purtătorii, de viteza de mișcare a acestora într-un câmp electric și de numărul lor într-o unitate de volum de materialul.

În elementele semiconductoare, odată cu creșterea temperaturii, concentrația de particule crește, din această cauză conductivitatea termică crește, iar rezistența scade. Puteți verifica acest lucru dacă aveți un set simplu de un tânăr fizician și materialul necesar - siliciu sau germaniu, puteți lua și un semiconductor făcut din ele. O creștere a temperaturii le va reduce rezistența. Pentru a vă asigura de acest lucru, trebuie să vă aprovizionați cu instrumente de măsurare care vă vor permite să vedeți toate modificările. Aceasta este în cazul general. Să ne uităm la câteva opțiuni private.

Rezistenta si ionizare electrostatica

Acest lucru se datorează tunelului electronilor care trec printr-o barieră foarte îngustă care furnizează aproximativ o sutime de micrometru. Este situat între marginile zonelor energetice. Apariția sa este posibilă numai atunci când benzile de energie sunt înclinate, ceea ce are loc numai sub influența unui câmp electric puternic. Când are loc tunelarea (care este un efect mecanic cuantic), atunci electronii trec printr-o barieră îngustă de potențial, iar energia lor nu se schimbă. Aceasta implică o creștere a concentrației purtătorilor de sarcină și în ambele benzi: atât conducție, cât și valență. Dacă se dezvoltă procesul de ionizare electrostatică, atunci poate apărea o defalcare tunelică a semiconductorului. În timpul acestui proces, rezistența semiconductorilor se va modifica. Este reversibil și, de îndată ce câmpul electric este oprit, toate procesele vor fi restabilite.

Rezistență și ionizare la impact

În acest caz, găurile și electronii sunt accelerați în timp ce trec pe calea liberă medie sub influența unui câmp electric puternic la valori care contribuie la ionizarea atomilor și la ruperea uneia dintre legăturile covalente (atomul sau impuritatea principală). ). Ionizarea prin impact are loc ca o avalanșă, iar purtătorii de sarcină se înmulțesc în ea ca o avalanșă. În acest caz, găurile și electronii nou creați sunt accelerați de un curent electric. Valoarea curentului din rezultatul final este înmulțită cu coeficientul de ionizare de impact, care este egal cu numărul de perechi electron-gaură care sunt formate de purtătorul de sarcină într-un segment al căii. Dezvoltarea acestui proces duce în cele din urmă la o defalcare a semiconductorului prin avalanșă. Rezistența semiconductorilor se modifică și ea, dar, ca și în cazul ruperii tunelului, este reversibilă.

Utilizarea semiconductorilor în practică

Importanta deosebita a acestor elemente trebuie remarcata in tehnologiile informatice. Nu avem aproape nicio îndoială că nu ați fi interesat de întrebarea ce sunt semiconductorii, dacă nu ar fi dorința de a asambla independent un obiect folosindu-le. Este imposibil să ne imaginăm funcționarea frigiderelor moderne, televizoarelor, monitoarelor de computer fără semiconductori. Nu te lipsi de ele și de dezvoltarea auto avansată. Ele sunt, de asemenea, utilizate în aviație și în tehnologia spațială. Înțelegi ce sunt semiconductorii, cât de importanți sunt? Desigur, nu se poate spune că acestea sunt singurele elemente de neînlocuit pentru civilizația noastră, dar nici ele nu trebuie subestimate.

Utilizarea semiconductorilor în practică se datorează și unui număr de factori, inclusiv utilizarea pe scară largă a materialelor din care sunt fabricate și ușurința procesării și obținerii rezultatului dorit, precum și altor caracteristici tehnice datorită cărora alegerea oamenilor de știință. care au dezvoltat echipamente electronice s-au stabilit pe ele.

Concluzie

Am examinat în detaliu ce sunt semiconductorii și cum funcționează. Rezistența lor se bazează pe procese fizice și chimice complexe. Și vă putem anunța că faptele descrise în articol nu vor înțelege pe deplin ce sunt semiconductori, pentru simplul motiv că nici măcar știința nu a studiat trăsăturile muncii lor până la sfârșit. Dar le cunoaștem principalele proprietăți și caracteristici, care ne permit să le aplicăm în practică. Prin urmare, puteți căuta materiale semiconductoare și puteți experimenta singuri cu ele, având grijă. Cine știe, poate un mare explorator moștenește în tine?!

Proprietățile fizice ale solidelor și, în primul rând, proprietățile lor electrice, sunt determinate nu de modul în care s-au format zonele, ci de modul în care sunt umplute. Din acest punct de vedere, toate corpurile cristaline pot fi împărțite în două grupe diferite. Toate corpurile incluse în prima grupă sunt conductori. Al doilea grup de solide combină semiconductorii și dielectricii. Al doilea grup include corpuri în care zonele complet goale sunt situate deasupra zonelor complet umplute. Această grupă include și cristalele având o structură de diamant: siliciu, germaniu, staniu gri, diamantul însuși; și mulți compuși chimici - oxizi de metal, carburi, nitruri de metal, corindon.

Semiconductorii sunt împărțiți în intrinseci (puri) și extrinseci (dopați). Semiconductorii cu un grad ridicat de puritate se numesc intrinseci. În acest caz, proprietățile întregului cristal sunt determinate numai de proprietățile atomilor intrinseci ai elementului semiconductor. Apariția proprietăților conductoare într-un semiconductor se poate datora creșterii temperaturii, altor influențe externe (iradierea luminii, bombardarea electronilor rapizi). Este important doar ca acțiunea externă să provoace tranziția electronilor din banda de valență în banda de conducție sau să se creeze condiții pentru generarea de purtători de sarcină liberi în cea mai mare parte a semiconductorului. Conductivitatea intrinsecă cu egalitatea strictă a concentrațiilor de purtători de diferite semne poate fi realizată numai în cristale semiconductoare ideale superpure. În condiții reale, avem întotdeauna de-a face cu cristale contaminate într-o măsură sau alta de diverse impurități. Mai mult, semiconductorii de impurități sunt cei care prezintă cel mai mare interes în tehnologia semiconductoarelor. Semiconductori de impurități, în funcție de tipul de impuritate introdusă, se împart în donor (electronic) și acceptor (gaura). Formarea găurilor în banda de valență înseamnă apariția conducției găurii în cristal. Datorită acestui tip de conductivitate, semiconductorii înșiși sunt numiți semiconductori orificii sau semiconductori de tip p. Impuritățile introduse într-un semiconductor pentru a capta electronii din banda de valență se numesc acceptori, motiv pentru care nivelurile de energie ale acestor impurități se numesc niveluri acceptoare, iar semiconductorii înșiși cu astfel de impurități se numesc semiconductori acceptori.

Fotoconductivitatea este un proces de neechilibru în semiconductori, care constă în apariția sau modificarea proprietăților conductoare ale unui semiconductor sub influența oricărei radiații (infraroșu, vizibil sau ultraviolet). De regulă, iradierea unui semiconductor cu lumină este însoțită de o creștere a conductibilității sale electrice. Creșterea conductivității se explică printr-o creștere a concentrației purtătorilor liberi (mobilitatea purtătorilor neechilibrați practic nu diferă de mobilitatea celor de echilibru). Formarea excesului de purtători mobili atunci când sunt expuși la lumină este posibilă din următoarele trei motive principale:

• cuantele de lumină, interacționând cu electronii aflați la niveluri de donator de impurități și oferindu-le energia lor, le transferă în banda de conducție, crescând astfel concentrația electronilor de conducere;
• cuantele de lumină excită electronii aflați în banda de valență și îi transferă la niveluri acceptoare, creând astfel găuri libere în banda de valență și crescând conductibilitatea orificiului semiconductorului;
• Quanta de lumină transferă electroni din banda de valență direct în banda de conducție, creând astfel atât găuri mobile, cât și electroni liberi în același timp.

În prezent, dispozitivele semiconductoare sunt utilizate în aproape toate domeniile electronicii și ingineriei radio. Cu toate acestea, în ciuda varietății extreme a acestor dispozitive, ele se bazează de obicei pe funcționarea unei joncțiuni p-n convenționale sau a unui sistem de mai multe joncțiuni p-n. O diodă semiconductoare conține o singură joncțiune p-n, la fiecare dintre regiunile căreia sunt conectate intrări metalice folosind contacte ohmice. Diodele semiconductoare sunt utilizate în principal pentru a redresa curentul alternativ.

Spre deosebire de diodele semiconductoare, tranzistoarele sunt sisteme semiconductoare formate din trei regiuni separate prin două joncțiuni p-n. Fiecare zonă are propria sa ieșire. Prin urmare, prin analogie cu triodele de vid, tranzistoarele sunt adesea numite triode semiconductoare. Și din punct de vedere al scopului, tranzistoarele sunt similare cu triodele de vid: domeniul principal de utilizare a acestora este amplificarea semnalelor electrice în tensiune și putere. Pentru a obține tranzistori într-o placă monocristal semiconductoare cu un anumit tip de conductivitate, pe cele două fețe opuse ale sale, o impuritate este topită sau pătrunsă difuz, conferind o conductivitate de tip opus regiunilor apropiate de suprafață. Puteți crea un tranzistor ca tip p-n-p și n-p-n-tip. Nu există nicio diferență fundamentală între ele. Doar că găurile joacă rolul principal în tranzistoarele de tip p-n-p, iar electronii în tranzistoarele de tip n-p-n.

Semiconductorii au izbucnit rapid în știință și tehnologie. Economii enorme în consumul de energie, compactitatea uimitoare a echipamentelor datorită densității neobișnuit de mare de ambalare a elementelor din circuite, fiabilitatea ridicată a permis semiconductorilor să câștige o poziție de lider în electronică, inginerie radio și știință. Cercetarea în spațiu, unde cerințele privind dimensiunea, greutatea și consumul de energie sunt atât de critice, este în prezent de neconceput fără dispozitive semiconductoare, care, apropo, primesc energie în zborul autonom al dispozitivului de la bateriile solare care funcționează pe elemente semiconductoare. Perspective surprinzătoare în dezvoltarea tehnologiei semiconductoarelor au fost deschise de microelectronică. Cu toate acestea, posibilitățile semiconductorilor sunt departe de a fi epuizate și își așteaptă noii cercetători.

Aplicații semiconductoare

În prezent, dispozitivele semiconductoare sunt utilizate în aproape toate domeniile electronicii și ingineriei radio. Cu toate acestea, în ciuda varietății extreme a acestor dispozitive, ele se bazează de obicei pe funcționarea unei joncțiuni p-n convenționale sau a unui sistem de mai multe joncțiuni p-n.

O diodă semiconductoare conține o singură joncțiune p-n, la fiecare dintre regiunile căreia sunt conectate intrări metalice folosind contacte ohmice.

diode redresoare. Diodele semiconductoare sunt utilizate în principal pentru a redresa curentul alternativ. Cea mai simplă schemă de utilizare a unei diode semiconductoare ca element de redresare este prezentată în Figura 1. O sursă de tensiune alternativă i-, dioda D și un rezistor de sarcină Rn sunt conectate în serie. Direcția de curgere a diodei este indicată de o săgeată (de la anod la catod).

Lăsați tensiunea la bornele sursei să se modifice conform unei legi sinusoidale (Fig. 2, a). În timpul semiciclului pozitiv, când „+” este aplicat anodului diodei și „-” catodului, dioda pornește în direcția înainte și curentul curge prin ea. În acest caz, valoarea instantanee a curentului I este determinată de valoarea instantanee a tensiunii și la bornele sursei și rezistența de sarcină (rezistența diodei în direcția înainte este mică și poate fi neglijată). În timpul semiciclului negativ, nici un curent nu trece prin diodă. Astfel, în circuit circulă un curent pulsatoriu, al cărui grafic este prezentat în Figura 2, b. Aceeași pulsație va fi și tensiunea un pe rezistența de sarcină. Deoarece u=iR, modificarea tensiunii u repetă cursul modificării curentului i. Polaritatea tensiunii create pe rezistența de sarcină este întotdeauna aceeași și este determinată în funcție de direcția curentului transmis: la sfârșitul rezistenței în fața catodului, va fi „+”, iar la opus Sfârşit "-".

Schema de rectificare considerată este de o jumătate de undă. Pentru a reduce ondulația tensiunii redresate, se folosesc filtre de netezire. Cea mai simplă metodă de netezire este conectarea unui condensator C în paralel cu rezistorul de sarcină (prezentat în linie punctată în Figura 1). În timpul semiciclului pozitiv, o parte din curentul trecut de diodă merge pentru a încărca condensatorul. În timpul semiciclului negativ, când dioda este blocată, condensatorul este descărcat prin Rp, creând un curent în el în aceeași direcție. Datorită acestui fapt, ondulația de tensiune pe rezistorul de sarcină este în mare parte netezită.