În semiconductori, electronii liberi și găurile sunt într-o stare de mișcare haotică. Prin urmare, dacă alegem o secțiune arbitrară în interiorul volumului semiconductorului și numărăm numărul de purtători de sarcină care trec prin această secțiune pe unitatea de timp de la stânga la dreapta și de la dreapta la stânga, valorile acestor numere vor fi aceleași. Aceasta înseamnă că nu există curent electric în acest volum al semiconductorului. Când un semiconductor este plasat într-un câmp electric de putere E, o componentă a mișcării direcționale este suprapusă mișcării haotice a purtătorilor de sarcină. Mișcarea direcționată a purtătorilor de sarcină într-un câmp electric determină apariția unui curent numit deriva (Fig. 1.5)

La temperaturi ridicate, concentrația de electroni și găuri crește semnificativ datorită ruperii legăturilor covalente și, în ciuda scăderii mobilității acestora, conductivitatea electrică a semiconductorului crește exponențial.

Figura 1.5 Curent de deriva într-un semiconductor

1.2.2 Curentul de difuzie

Pe lângă excitația termică, care duce la apariția unei concentrații de echilibru a sarcinilor distribuite uniform pe volumul semiconductorului, îmbogățirea semiconductorului cu electroni până la o concentrație n p și găuri până la o concentrație p n poate fi realizată prin iluminându-l, iradiind-o cu un flux de particule încărcate, introducându-le printr-un contact (injecție), etc. În acest caz, energia excitatorului este transferată direct către purtătorii de sarcină, iar energia termică a rețelei cristaline rămâne practic constantă. . În consecință, purtătorii de sarcină în exces nu sunt în echilibru termic cu rețeaua și, prin urmare, sunt numiți neechilibru. Spre deosebire de echilibru, ele pot fi distribuite neuniform pe volumul semiconductorului (Fig. 1.6)

După încetarea acțiunii excitatorului din cauza recombinării electronilor și găurilor, concentrația de purtători în exces scade rapid și atinge o valoare de echilibru.

Purtătorii de sarcină se recombină în cea mai mare parte a semiconductorului și pe suprafața acestuia. Distribuția neuniformă a purtătorilor de sarcină neechilibrați este însoțită de difuzia lor către o concentrație mai mică. Această mișcare a purtătorilor de sarcină determină trecerea unui curent electric, numit difuzie (Fig. 1.6).

Figura 1.6 Curentul de difuzie într-un semiconductor

1.3 Fenomene de contact

Tranziția electron-gaură în starea de echilibru

Principiul de funcționare al majorității dispozitivelor semiconductoare se bazează pe fenomene fizice care apar în zona de contact a solidelor. În acest caz se folosesc în principal contactele: semiconductor-semiconductor; metal semiconductor; metal-izolator-semiconductor.

Dacă se creează o joncțiune între semiconductori de tip n și de tip p, atunci aceasta se numește o gaură de electroni sau joncțiune p-n.

O tranziție electron-gaură este creată într-un singur cristal semiconductor folosind operații tehnologice complexe și diverse.

Considerăm o tranziție p-n, în care concentrațiile donatorilor N d și acceptorilor N a se modifică brusc la interfață (Fig. 1.7, a). O astfel de tranziție p-n se numește ascuțită. Concentrația de echilibru a găurilor din regiunea p () depășește semnificativ concentrația lor în regiunea n (). În mod similar, pentru electroni, condiția> este îndeplinită. Distribuția neuniformă a concentrațiilor acelorași purtători de sarcină în cristal (Fig. 1.7, b) duce la difuzarea electronilor din regiunea n în regiunea p și găuri din regiunea p în regiunea n. Această mișcare a sarcinilor creează un curent de difuzie de electroni și găuri.

Electronii și găurile, care trec prin contact unul către celălalt (datorită difuziei), se recombină și se formează o sarcină necompensată de ioni negativi ai impurităților acceptoare în regiunea aproape de contact a semiconductorului găurii, iar în semiconductorul electronic o sarcină necompensată de ioni donor pozitivi (Fig. 1.6, c). Astfel, un semiconductor electronic este încărcat pozitiv, iar un semiconductor cu gaură este încărcat negativ. Între zonele cu diferite tipuri de conductivitate electrică, există un câmp electric propriu cu o putere de E inc (Fig. 1.7, a), creat de două straturi de sarcini spațiale.

Câmpul electric intrinsec este retardant pentru purtătorii majoritari de sarcină și accelerează pentru cei minori. Electronii regiunii p și găurile regiunii n, care fac mișcare termică, se încadrează în limitele câmpului electric de difuzie, sunt transportați de acesta și sunt transferați în regiuni opuse, formând un curent de deriva sau curent de conducere.

Figura 1.7 Starea de echilibru a joncțiunii p-n

Se numește regiunea aproape de contact, unde există propriul câmp electric p- ntranziție. În această zonă, semiconductorul se caracterizează prin conductivitate electrică proprie și are o rezistență crescută față de restul volumului. În acest sens, se numește stratul barieră sau regiunea de încărcare spațială.

Lățimea stratului de barieră este afectată semnificativ de concentrația de atomi de impurități. Creșterea concentrației de atomi de impurități îngustează stratul de barieră, în timp ce scăderea acestuia îl extinde. Acesta este adesea folosit pentru a oferi dispozitivelor semiconductoare proprietățile necesare.

Semiconductorii sunt substanțe care ocupă o poziție intermediară în ceea ce privește conductivitatea electrică între buni conductori și buni izolatori (dielectrici).

Semiconductorii sunt, de asemenea, elemente chimice (germaniu Ge, siliciu Si, seleniu Se, teluriu Te) și compuși ai elementelor chimice (PbS, CdS etc.).

Natura purtătorilor de curent în diferiți semiconductori este diferită. În unele dintre ele, purtătorii de sarcină sunt ioni; în altele, purtătorii de sarcină sunt electronii.

Conductibilitatea intrinsecă a semiconductorilor

Există două tipuri de conducție intrinsecă în semiconductori: conducție electronică și conducție de orificii în semiconductori.

1. Conductivitatea electronică a semiconductorilor.

Conductivitatea electronică se realizează prin mișcarea direcționată în spațiul interatomic a electronilor liberi care au părăsit învelișul de valență a atomului ca urmare a influențelor externe.

2. Conductivitatea orificiilor semiconductorilor.

Conducerea orificiilor se realizează cu mișcarea direcționată a electronilor de valență către locurile libere din legăturile perechi-electron - găuri. Electronul de valență al unui atom neutru situat în imediata apropiere a unui ion pozitiv (gaură) este atras de gaură și sare în ea. În acest caz, se formează un ion pozitiv (gaura) în locul unui atom neutru, iar un atom neutru se formează în locul unui ion pozitiv (gaura).

Într-un semiconductor ideal pur fără impurități străine, fiecare electron liber corespunde formării unei găuri, adică. numărul de electroni și găuri implicate în crearea curentului este același.

Conductivitatea la care apare același număr de purtători de sarcină (electroni și găuri) se numește conductivitate intrinsecă a semiconductorilor.

Conductivitatea intrinsecă a semiconductorilor este de obicei mică, deoarece numărul de electroni liberi este mic. Cele mai mici urme de impurități modifică radical proprietățile semiconductorilor.

Conductivitatea electrică a semiconductorilor în prezența impurităților

Impuritățile dintr-un semiconductor sunt atomi de elemente chimice străine care nu sunt conținute în semiconductorul principal.

Conductibilitatea impurităților- aceasta este conductivitatea semiconductorilor, datorita introducerii de impuritati in retelele lor cristaline.

În unele cazuri, influența impurităților se manifestă prin faptul că mecanismul de conducere a „găurii” devine practic imposibil, iar curentul din semiconductor este realizat în principal prin mișcarea electronilor liberi. Astfel de semiconductori se numesc semiconductori electronici sau semiconductori de tip n(din cuvântul latin negativus - negativ). Principalii purtători de sarcină sunt electronii, iar nu cei principali sunt găurile. Semiconductori de tip n sunt semiconductori cu impurități donatoare.

1. Impurități donatoare.

Impuritățile donatoare sunt cele care donează cu ușurință electroni și, în consecință, cresc numărul de electroni liberi. Impuritățile donatoare furnizează electroni de conducție fără apariția aceluiași număr de găuri.

Un exemplu tipic de impuritate donor în germaniu tetravalent Ge sunt atomii de arsen pentavalent As.

În alte cazuri, mișcarea electronilor liberi devine practic imposibilă, iar curentul este efectuat numai prin mișcarea găurilor. Acești semiconductori se numesc gaura semiconductoare sau semiconductori de tip p(din cuvântul latin positivus - pozitiv). Principalii purtători de sarcină sunt găuri, și nu principalii - electroni. . Semiconductorii de tip p sunt semiconductori cu impurități acceptoare.

Impuritățile acceptoare sunt impurități în care nu există suficienți electroni pentru a forma legături normale pereche-electron.

Un exemplu de impuritate acceptor în germaniu Ge sunt atomii de galiu trivalenți Ga

Curentul electric prin contactul semiconductorilor de tip p și joncțiunea p-n de tip n este stratul de contact a doi semiconductori de impurități de tip p și tip n; Joncțiunea p-n este o graniță care separă regiuni cu orificii (p) conducție și conducție electronică (n) în același monocristal.

joncțiune p-n directă

Dacă n-semiconductorul este conectat la polul negativ al sursei de energie, iar polul pozitiv al sursei de energie este conectat la p-semiconductor, atunci sub acțiunea unui câmp electric, electronii din n-semiconductor și găurile din p-semiconductor se vor deplasa unele spre altele către interfața cu semiconductor. Electronii, trecând granița, „umplu” găurile, curentul prin joncțiunea pn este efectuat de purtătorii principali de sarcină. Ca urmare, conductivitatea întregii probe crește. Cu o astfel de direcție directă (debit) a câmpului electric extern, grosimea stratului de barieră și rezistența acestuia scad.

În această direcție, curentul trece prin limita celor doi semiconductori.

Joncțiune pn inversă

Dacă n-semiconductorul este conectat la polul pozitiv al sursei de alimentare, iar p-semiconductorul este conectat la polul negativ al sursei de energie, atunci electronii din n-semiconductor și găurile din p-semiconductorul sub acțiune a unui câmp electric se va deplasa de la interfață în direcții opuse, curentul prin tranziția p-n este efectuat de purtători de sarcină minori. Acest lucru duce la o îngroșare a stratului de barieră și la o creștere a rezistenței acestuia. Ca urmare, conductivitatea probei se dovedește a fi nesemnificativă, iar rezistența este mare.

Se formează un așa-numit strat de barieră. Cu această direcție a câmpului exterior, curentul electric practic nu trece prin contactul p- și n-conductori.

Astfel, tranziția electron-gaură are o conducere unilaterală.

Dependența curentului de caracteristica tensiune - volt - curent a joncțiunii p-n este prezentată în figură (caracteristica volt - curent a joncțiunii directe p-n este prezentată printr-o linie continuă, este prezentată caracteristica volt - amper a joncțiunii inverse p-n printr-o linie punctată).

Semiconductori:

Dioda semiconductoare - pentru redresarea curentului alternativ, folosește o joncțiune p - n - cu diferite rezistențe: în direcția înainte, rezistența joncțiunii p - n - este mult mai mică decât în ​​direcția inversă.

Fotorezistoare - pentru înregistrarea și măsurarea fluxurilor slabe de lumină. Cu ajutorul lor, determinați calitatea suprafețelor, controlați dimensiunile produselor.

Termistori - pentru măsurarea temperaturii de la distanță, alarme de incendiu.

Lecția nr. 41-169 Curentul electric în semiconductori. dioda semiconductoare. Dispozitive semiconductoare.

Un semiconductor este o substanță a cărei rezistivitate poate varia într-un interval larg și scade foarte repede odată cu creșterea temperaturii, ceea ce înseamnă că conductivitatea electrică crește. Se observă în siliciu, germaniu, seleniu și în unii compuși. Mecanism de conducere în semiconductori Cristalele semiconductoare au o rețea cristalină atomică, unde electronii exteriori sunt legați de atomii vecini prin legături covalente. La temperaturi scăzute, semiconductorii puri nu au electroni liberi și se comportă ca un dielectric. Dacă semiconductorul este pur (fără impurități), atunci are propria conductivitate (mică). Există două tipuri de conductivitate intrinsecă: 1) electronică (conductivitate " P"-tip) La temperaturi scăzute în semiconductori, toți electronii sunt asociați cu nucleele și rezistența este mare; Pe măsură ce temperatura crește, energia cinetică a particulelor crește, legăturile se rup și apar electroni liberi - rezistența scade. Electronii liberi se mișcă opus. la vectorul de intensitate a câmpului electric.Conductivitatea electronică a semiconductorilor se datorează prezenței electronilor liberi. 2) gaură (conductivitate de tip „p”). Pe măsură ce temperatura crește, legăturile covalente realizate de electronii de valență între atomi sunt distruse și se formează locuri cu un electron lipsă - o „găuri”. locul ei poate fi înlocuit cu electroni de valență.Mișcarea „găurii” este echivalentă cu mișcarea unei sarcini pozitive.Mișcarea găurii are loc în direcția vector de intensitate a câmpului electric. Ruperea legăturilor covalente și apariția conductivității intrinseci a semiconductorilor pot fi cauzate de încălzire, iluminare m (fotoconductivitate) și acțiunea câmpurilor electrice puternice. R(t) dependență: termistor
- măsurarea la distanță t; - alarma de incendiu

Conductivitatea totală a unui semiconductor pur este suma conductivităților tipurilor „p” și „n” și se numește conductivitate electron-hole. Semiconductori în prezența impurităților Au conductivitate proprie și de impurități. Prezența impurităților crește foarte mult conductivitatea. Când se modifică concentrația de impurități, numărul de purtători de curent electric - electroni și găuri - se modifică. Capacitatea de a controla curentul stă la baza utilizării pe scară largă a semiconductorilor. Există următoarele impurități: 1) impurități donatoare (donare) - sunt suplimentare furnizorii de electroni ai cristalelor semiconductoare, donează cu ușurință electroni și cresc numărul de electroni liberi din semiconductor. Aceștia sunt conducătorii Tipul n "-, adică semiconductori cu impurități donatoare, în care purtătorul de sarcină principal este electronii, iar sarcina minoră este găurile. Un astfel de semiconductor are conductivitate electronică a impurităților (un exemplu este arsenul). 2) impuritățile acceptoare (recepția) creează „găuri”, luând electroni în sine. Acestea sunt semiconductoare de tip „p”, adică. semiconductori cu impurități acceptoare, unde este purtătorul principal de sarcină găuri, iar minoritatea - electroni. Un astfel de semiconductor are conductivitate a impurităților orificiului (un exemplu este indiul). Proprietăți electrice "p- n„tranziții.Tranziția „p-p” (sau tranziția electron-gaură) - aria de contact a doi semiconductori, unde conductivitatea se schimbă de la electronic la gaură (sau invers). LA Este posibil să se creeze astfel de regiuni într-un cristal semiconductor prin introducerea de impurități. În zona de contact a doi semiconductori cu conductivități diferite, va avea loc difuzia reciprocă a electronilor și a găurilor și se va forma o barieră de blocare. stratul electric. Câmpul electric al stratului de barieră împiedicătranziția ulterioară a electronilor și a găurilor prin graniță. Stratul de barieră are o rezistență crescută în comparație cu alte zone ale semiconductorului. LA Câmpul electric extern afectează rezistența stratului de barieră. În direcția directă (de transmisie) a câmpului electric extern, curentul trece prin limita a doi semiconductori. pentru că electronii și găurile se deplasează unul spre celălalt la interfață, apoi electronii, trecând granița, umpleți găurile. Grosimea stratului de barieră și rezistența acestuia sunt în continuă scădere.

P Cu o blocare (direcția inversă a câmpului electric extern), curentul nu va trece prin zona de contact a celor doi semiconductori. pentru că electronii și găurile se deplasează de la graniță în direcții opuse, apoi stratul de blocare se îngroașă, rezistența acestuia crește. Astfel, tranziția electron-gaură are o conducere unilaterală.

dioda semiconductoare- un semiconductor cu o joncțiune „rn”.P
Diodele semiconductoare sunt principalele elemente ale redresoarelor de curent alternativ.
Când se aplică un câmp electric: într-o direcție, rezistența semiconductorului este mare, în sens opus, rezistența este scăzută.
Tranzistoare.(din limba engleză transfer - transfer, rezistență - rezistență) Luați în considerare unul dintre tipurile de tranzistoare din germaniu sau siliciu cu impurități donor și acceptoare introduse în ele. Distribuția impurităților este astfel încât un strat semiconductor de tip n foarte subțire (de ordinul mai multor micrometri) este creat între două straturi semiconductoare de tip p (vezi Fig.). Acest strat subțire se numește bază sau baza. Cristalul are două R-n-joncțiuni, ale căror direcții directe sunt opuse. Trei ieșiri din zone cu diferite tipuri de conductivitate vă permit să includeți un tranzistor în circuitul prezentat în figură. Cu această includere, stânga R-n-salt este directși separă baza de o regiune de tip p numită emițător. Dacă nu ar exista dreptul R-n-jonctiune, in circuitul emitator-baza ar exista un curent in functie de tensiunea surselor (baterii B1și o sursă de tensiune AC) și rezistența circuitului, inclusiv rezistența scăzută a joncțiunii emițător direct-bază. Baterie B2 aprins astfel încât dreapta R-n-joncțiunea în circuit (vezi fig.) este verso. Separă baza de regiunea dreaptă de tip p numită colector. Dacă nu ar mai fi rămas R-n-joncțiune, curentul din circuitul colectorului ar fi aproape de zero, deoarece rezistența joncțiunii inverse este foarte mare. În prezenţa unui curent în stânga R-n-joncțiunea curentă apare și în circuitul colectorului, iar curentul din colector este doar puțin mai mic decât curentul din emițător (dacă este aplicată o tensiune negativă la emițător, atunci R-n-joncțiunea va fi inversată și practic nu va exista curent în circuitul emițător și în circuitul colector). Când se creează o tensiune între emițător și bază, purtătorii principali ai semiconductorului de tip p - găurile pătrund în bază, unde sunt deja purtători minori. Deoarece grosimea bazei este foarte mică și numărul de purtători majoritari (electroni) din ea este mic, găurile care au căzut în ea cu greu se combină (nu se recombină) cu electronii de bază și pătrund în colector din cauza difuziei. Dreapta R Joncțiunea -n este închisă pentru purtătorii principali de sarcină ai bazei - electroni, dar nu și pentru găuri. În colector, găurile sunt purtate de câmpul electric și închid circuitul. Puterea ramificării curentului în circuitul emițător de la bază este foarte mică, deoarece aria secțiunii transversale a bazei în planul orizontal (a se vedea fig. de mai sus) este mult mai mică decât secțiunea transversală în plan vertical.

Curentul din colector, care este aproape egal cu curentul din emițător, se modifică odată cu curentul din emițător. Rezistenta R are un efect redus asupra curentului din colector, iar această rezistență poate fi suficient de mare. Prin controlul curentului emițătorului cu o sursă de tensiune AC inclusă în circuitul său, obținem o schimbare sincronă a tensiunii pe rezistorul R .

Cu o rezistență mare a rezistorului, modificarea tensiunii pe acesta poate fi de zeci de mii de ori mai mare decât modificarea tensiunii semnalului din circuitul emițătorului. Aceasta înseamnă o tensiune crescută. Prin urmare, pe sarcina R se pot obţine semnale electrice a căror putere este de multe ori mai mare decât puterea care intră în circuitul emiţătorului.

Aplicarea tranzistoarelor Proprietăți R-n-joncțiunile din semiconductori sunt folosite pentru a amplifica și genera oscilații electrice.

3

Semiconductorii ocupă o poziție intermediară în conductivitatea electrică (sau rezistivitate) între conductori și dielectrici. Cu toate acestea, această împărțire a tuturor substanțelor în funcție de proprietatea lor de conductivitate electrică este condiționată, deoarece sub influența mai multor motive (impurități, iradiere, încălzire), conductivitatea electrică și rezistivitatea multor substanțe se modifică foarte semnificativ, în special pentru semiconductori.

În acest sens, semiconductorii se disting de metale printr-o serie de caracteristici:

1. Rezistivitatea semiconductorilor în condiții normale este mult mai mare decât cea a metalelor;

2. rezistența specifică a semiconductorilor puri scade odată cu creșterea temperaturii (la metale, crește);

3. atunci când semiconductorii sunt iluminați, rezistența lor scade semnificativ (lumina nu are aproape niciun efect asupra rezistenței metalelor):

4. O cantitate nesemnificativă de impurități are un efect puternic asupra rezistenței semiconductorilor.

12 elemente chimice aparțin semiconductorilor din partea de mijloc a tabelului periodic (Fig. 1) - B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, compuși ai elementelor a treia grup cu elemente din grupa a cincea, mulți oxizi și sulfuri de metale, o serie de alți compuși chimici, unele substanțe organice. Germanium Ge și siliciu Si au cea mai mare aplicație pentru știință și tehnologie.

Semiconductorii pot fi puri sau dopați. În consecință, se disting conductivitatea intrinsecă și a impurităților semiconductorilor. Impuritățile, la rândul lor, sunt împărțite în donator și acceptor.

Conductivitate electrică proprie

Pentru a înțelege mecanismul conductivității electrice în semiconductori, să luăm în considerare structura cristalelor semiconductoare și natura legăturilor care țin atomii de cristal unul lângă celălalt. Cristalele de germaniu și alți semiconductori au o rețea cristalină atomică (Fig. 2).

O diagramă plată a structurii germaniului este prezentată în Figura 3.

Germaniul este un element tetravalent, în învelișul exterior al atomului există patru electroni care sunt mai slab conectați la nucleu decât restul. Numărul celor mai apropiați vecini ai fiecărui atom de germaniu este, de asemenea, 4. Patru electroni de valență ai fiecărui atom de germaniu sunt legați cu aceiași electroni ai atomilor vecini prin perechi de electroni chimici ( covalent) conexiuni. La formarea acestei legături, participă câte un electron de valență de la fiecare atom, care sunt despărțiți de atomi (colectivizați de cristal) și, în timpul mișcării lor, își petrec cea mai mare parte a timpului în spațiul dintre atomii vecini. Sarcina lor negativă menține ionii de germaniu pozitivi unul lângă celălalt. Acest tip de conexiune poate fi reprezentat condiționat de două linii care leagă nucleele (vezi Fig. 3).

Dar perechea itinerantă de electroni aparține mai mult decât doar doi atomi. Fiecare atom formează patru legături cu vecinii săi și un electron de valență dat se poate deplasa de-a lungul oricăruia dintre ele (Fig. 4). După ce a ajuns la atomul vecin, poate trece la următorul și apoi mai departe de-a lungul întregului cristal. Electronii de valență colectivizați aparțin întregului cristal.

Legăturile covalente ale germaniului sunt destul de puternice și nu se rup la temperaturi scăzute. Prin urmare, germaniul nu conduce electricitatea la temperaturi scăzute. Electronii de valență care participă la legarea atomilor sunt ferm atașați de rețeaua cristalină, iar câmpul electric extern nu are un efect vizibil asupra mișcării lor. Un cristal de siliciu are o structură similară.

Conductivitatea electrică a unui semiconductor chimic pur este posibilă atunci când legăturile covalente din cristale sunt rupte și apar electroni liberi.

Energia suplimentară care trebuie cheltuită pentru a rupe legătura covalentă și a elibera electronul se numește energie activatoare.

Electronii pot obține această energie prin încălzirea cristalului, prin iradierea lui cu unde electromagnetice de înaltă frecvență etc.

De îndată ce electronul, după ce a dobândit energia necesară, părăsește legătura localizată, se formează un loc liber pe acesta. Acest loc liber poate fi umplut cu ușurință de un electron din legătura vecină, pe care, prin urmare, se formează și un loc vacant. Astfel, datorită mișcării electronilor de legătură, locurile libere se deplasează în întregul cristal. Acest loc vacant se comportă exact în același mod ca un electron liber - se mișcă liber prin cea mai mare parte a semiconductorului. Mai mult, având în vedere că atât semiconductorul în ansamblu, cât și fiecare dintre atomii săi sunt neutri din punct de vedere electric, cu legături covalente neîntrerupte, putem spune că un electron care părăsește o legătură și formarea unui loc vacant este de fapt echivalent cu apariția unei sarcini pozitive în exces pe această legătură. Prin urmare, locul vacant rezultat poate fi considerat formal ca un purtător de sarcină pozitivă, care se numește gaură(Fig. 5).

Astfel, plecarea unui electron dintr-o legătură localizată generează o pereche de purtători de sarcină liberi - un electron și o gaură. Concentrația lor într-un semiconductor pur este aceeași. La temperatura camerei, concentrația de purtători liberi în semiconductori puri este scăzută, de aproximativ 10 9 ÷ 10 10 ori mai mică decât concentrația de atomi, dar crește rapid odată cu creșterea temperaturii.

• Comparați cu metalele: acolo concentrația de electroni liberi este aproximativ egală cu concentrația de atomi.

În absența unui câmp electric extern, acești electroni liberi și găuri se mișcă aleatoriu într-un cristal semiconductor.

Într-un câmp electric extern, electronii se mișcă în direcția opusă direcției intensității câmpului electric. Găurile pozitive se deplasează în direcția intensității câmpului electric (Fig. 6). Procesul de mișcare a electronilor și a găurilor într-un câmp extern are loc pe întregul volum al semiconductorului.

Conductivitatea electrică totală a unui semiconductor este suma conductivităților găurii și a electronilor. În acest caz, în semiconductori puri, numărul de electroni de conducere este întotdeauna egal cu numărul de găuri. Prin urmare, se spune că semiconductori puri au conductivitate electron-gaură, sau propria conductivitate.

Odată cu creșterea temperaturii, crește numărul de rupturi ale legăturilor covalente și numărul de electroni liberi și găuri în cristalele semiconductorilor puri crește și, în consecință, crește conductivitatea electrică și scade rezistivitatea semiconductorilor puri. Un grafic al dependenței rezistivității unui semiconductor pur de temperatură este prezentat în fig. 7.

Pe lângă încălzire, ruperea legăturilor covalente și, ca urmare, apariția conductivității intrinseci a semiconductorilor și scăderea rezistivității pot fi cauzate de iluminare (fotoconductivitatea unui semiconductor), precum și de acțiunea câmpurilor electrice puternice. .

Conductibilitatea impurităților semiconductorilor

Conductivitatea semiconductorilor crește odată cu introducerea de impurități, când, împreună cu conductivitatea intrinsecă, apare o conductivitate suplimentară a impurităților.

conductivitatea impurităților semiconductori se numește conductivitate, datorită prezenței impurităților în semiconductor.

Centrele de impurități pot fi:

1. atomi sau ioni ai elementelor chimice înglobate într-o rețea semiconductoare;

2. atomi sau ioni în exces înglobați în interstiții de rețea;

3. diverse alte defecte și distorsiuni ale rețelei cristaline: noduri goale, fisuri, deplasări care apar în timpul deformărilor cristaline etc.

Prin modificarea concentrației de impurități, se poate crește semnificativ numărul de purtători de sarcină de un semn sau altul și de a crea semiconductori cu o concentrație predominantă de purtători încărcați fie negativ, fie pozitiv.

Impuritățile pot fi împărțite în donator (donare) și acceptor (primire).

Impuritatea donatorului

• Din latinescul „donare” – a da, a dona.

Să luăm în considerare mecanismul conductivității electrice a unui semiconductor cu o impuritate pentavalentă donor de arsenic As, care este introdus într-un cristal, de exemplu, siliciu. Atomul de arsen pentavalent donează patru electroni de valență pentru a forma legături covalente, iar al cincilea electron este neocupat în aceste legături (Fig. 8).

Energia de detașare (energia de ionizare) a celui de-al cincilea electron de valență al arsenului din siliciu este de 0,05 eV = 0,08⋅10 -19 J, care este de 20 de ori mai mică decât energia de detașare a unui electron de un atom de siliciu. Prin urmare, deja la temperatura camerei, aproape toți atomii de arsen își pierd unul dintre electroni și devin ioni pozitivi. Ionii de arsen pozitivi nu pot capta electronii atomilor vecini, deoarece toate cele patru legături ale acestora sunt deja echipate cu electroni. În acest caz, mișcarea electronului vacant - „gaura” nu are loc și conductivitatea găurii este foarte scăzută, adică. practic absent.

Impurități donatoare- acestea sunt impurități care donează cu ușurință electroni și, în consecință, cresc numărul de electroni liberi. În prezența unui câmp electric, electronii liberi intră în mișcare ordonată într-un cristal semiconductor și în el apare conducția electronică a impurităților. Ca rezultat, obținem un semiconductor cu conductivitate predominant electronică, numit semiconductor de tip n. (Din latină negativus - negativ).

Deoarece numărul de electroni dintr-un semiconductor de tip n este mult mai mare decât numărul de găuri, electronii sunt purtătorii majoritari de sarcină, iar găurile sunt cei minori.

Impuritate acceptatoare

• Din latinescul „acceptor” – receptor.

În cazul unei impurități acceptoare, de exemplu, indi trivalent In, atomul de impuritate își poate da cei trei electroni pentru legarea covalentă cu doar trei atomi de siliciu învecinați, iar un electron „lipsește” (Fig. 9). Unul dintre electronii atomilor de siliciu vecini poate umple această legătură, apoi atomul In va deveni un ion negativ imobil și se va forma o gaură în locul electronului care a lăsat unul dintre atomii de siliciu. Impuritățile acceptoare, captând electroni și creând astfel găuri mobile, nu măresc numărul de electroni de conducție. Purtătorii majori de sarcină dintr-un semiconductor cu o impuritate acceptor sunt găurile, iar purtătorii minoritari sunt electronii.

Impurități acceptoare sunt impurități care asigură conductivitatea găurii.

Semiconductorii în care concentrația de găuri depășește concentrația de electroni de conducere se numesc semiconductori de tip p (din latină positivus - pozitiv.).

Trebuie remarcat faptul că introducerea de impurități în semiconductori, ca în orice metal, perturbă structura rețelei cristaline și împiedică mișcarea electronilor. Cu toate acestea, rezistența nu crește datorită faptului că creșterea concentrației purtătorilor de sarcină reduce semnificativ rezistența. Astfel, introducerea unei impurități de bor în cantitate de 1 atom la suta de mii de atomi de siliciu reduce rezistivitatea electrică a siliciului de aproximativ o mie de ori, iar amestecul unui atom de indiu la 108 - 109 atomi de germaniu reduce rezistivitatea electrică. de germaniu de milioane de ori.

Dacă atât impuritățile donor, cât și cele acceptoare sunt introduse simultan într-un semiconductor, atunci natura conductibilității semiconductorului (de tip n sau p) este determinată de o impuritate cu o concentrație mai mare de purtători de sarcină.

Tranziția electron-gaură

O tranziție electron-gaură (abreviată p-n-joncțiune) are loc într-un cristal semiconductor care are simultan regiuni cu conductivități de tip n (conține impurități donatoare) și tip p (cu impurități acceptoare) la limita dintre aceste regiuni.

Să presupunem că avem un cristal în care în stânga există o regiune semiconductoare cu gaură (tip p), iar în dreapta - cu conductivitate electronică (tip n) (Fig. 10). Datorită mișcării termice în timpul formării unui contact, electronii dintr-un semiconductor de tip n vor difuza în regiunea de tip p. În acest caz, un ion donor pozitiv necompensat va rămâne în regiunea de tip n. După ce a trecut în regiunea cu conductivitate în gaură, electronul se recombină foarte repede cu gaura și se formează un ion acceptor necompensat în regiunea de tip p.

Ca și electronii, găurile din regiunea de tip p difuzează în regiunea electronică, lăsând un ion acceptor încărcat negativ necompensat în regiunea găurii. După ce a trecut în regiunea electronică, gaura se recombină cu electronul. Ca rezultat, în regiunea electronică se formează un ion donor pozitiv necompensat.

Ca rezultat al difuziei, la limita dintre aceste regiuni se formează un strat electric dublu de ioni încărcați opus, grosimea l care nu depăşeşte fracţiuni de micrometru.

Un câmp electric apare între straturile de ioni cu o putere E i. Câmpul electric al joncțiunii electron-gaură (p-n-joncțiunea) împiedică tranziția ulterioară a electronilor și găurilor prin interfața dintre doi semiconductori. Stratul de blocare are o rezistență sporită față de restul volumelor de semiconductori.

Câmp electric extern cu intensitate E afectează rezistența câmpului electric de blocare. Dacă n-semiconductorul este conectat la polul negativ al sursei, iar plusul sursei este conectat la p-semiconductor, atunci sub acțiunea unui câmp electric, electronii din n-semiconductor și găurile din p-semiconductor se va deplasa unul spre celălalt la interfața semiconductorului (Fig. 11). Electronii, trecând granița, „umplu” găurile. Cu o astfel de direcție directă a câmpului electric extern, grosimea stratului de barieră și rezistența acestuia scad continuu. În această direcție, curentul electric trece prin joncțiunea p-n.

Direcția considerată a joncțiunii p-n se numește direct. Dependența curentului de tensiune, adică caracteristici volt-amper tranziție directă, prezentată în fig. 12 ca o linie continuă.

Dacă n-semiconductorul este conectat la polul pozitiv al sursei, iar p-semiconductorul este conectat la negativ, atunci electronii din n-semiconductor și găurile din p-semiconductor sub acțiunea unui câmp electric se vor deplasa de la interfață în direcții opuse (Fig. 13). Acest lucru duce la o îngroșare a stratului de barieră și la o creștere a rezistenței acestuia. Se numește direcția câmpului electric extern care extinde stratul de barieră blocare (verso). Cu această direcție a câmpului extern, curentul electric al purtătorilor principali de sarcină nu trece prin contactul a doi p- și p-conductori.

Curentul prin joncțiunea p-n se datorează acum electronilor care se află în semiconductorul de tip p și găurilor din semiconductorul de tip n. Dar există foarte puțini purtători de sarcină minoritari, astfel încât conductivitatea tranziției se dovedește a fi nesemnificativă, iar rezistența sa este mare. Direcția considerată a joncțiunii p-n se numește verso, caracteristica curent-tensiune este prezentată în Fig. 12 linie întreruptă.

Vă rugăm să rețineți că scara actuală de măsurare pentru tranzițiile înainte și inversă diferă de o mie de ori.

Rețineți că la o anumită tensiune aplicată în sens opus, există dărâma(adică, distrugerea) joncțiunii p-n.

Semiconductori

Termistori

Rezistența electrică a semiconductorilor este foarte dependentă de temperatură. Această proprietate este utilizată pentru a măsura temperatura prin puterea curentului într-un circuit cu semiconductor. Se numesc astfel de dispozitive termistori sau termistori. Substanța semiconductoare este plasată într-o carcasă de protecție metalică, care are cabluri izolate pentru conectarea termistorului la circuitul electric.

Modificarea rezistenței termistorilor în timpul încălzirii sau răcirii face posibilă utilizarea lor în instrumentele de măsurare a temperaturii, menținerea unei temperaturi constante în dispozitivele automate - în camere termostate închise, asigurarea alarmelor de incendiu etc. Există termistori pentru măsurarea ambelor valori foarte mari ( T≈ 1300 K) și foarte scăzut ( T≈ 4 - 80 K) temperaturi.

O reprezentare schematică (Fig. a) și o fotografie (Fig. b) a termistorului sunt prezentate în Figura 14.

Orez. paisprezece

Fotorezistente

Conductivitatea electrică a semiconductorilor crește nu numai atunci când sunt încălzite, ci și atunci când sunt iluminate. Conductivitatea electrică crește datorită ruperii legăturilor și formării de electroni liberi și găuri din cauza energiei luminii incidente pe semiconductor.

Se numesc dispozitive care iau în considerare dependența conductivității electrice a semiconductorilor de iluminare fotorezistoare.

Materialele pentru fabricarea fotorezistoarelor sunt compuși precum CdS, CdSe, PbS și o serie de alții.

Dimensiunea mică și sensibilitatea ridicată a fotorezistoarelor fac posibilă utilizarea acestora pentru înregistrarea și măsurarea fluxurilor slabe de lumină. Cu ajutorul fotorezistoarelor se determină calitatea suprafețelor, se controlează dimensiunile produselor etc.

O reprezentare schematică (Fig. a) și o fotografie (Fig. b) a fotorezistorului sunt prezentate în Figura 15.

Orez. cincisprezece

dioda semiconductoare

Capacitatea unei joncțiuni p-n de a trece curentul într-o direcție este utilizată în dispozitivele semiconductoare numite diode.

Diodele semiconductoare sunt fabricate din germaniu, siliciu, seleniu și alte substanțe.

Pentru a preveni efectele nocive ale aerului și luminii, cristalul de germaniu este plasat într-o carcasă metalică ermetică. Diodele semiconductoare sunt principalele elemente ale redresoarelor de curent alternativ (mai precis, sunt folosite pentru a converti curentul alternativ într-un curent continuu pulsatoriu).

O reprezentare schematică (Fig. a) și o fotografie (Fig. b) a unei diode semiconductoare sunt prezentate în Figura 16.

Orez. 16

LED-uri

Dioda electro luminiscenta sau dioda electro luminiscenta- un dispozitiv semiconductor cu o joncțiune p-n care creează radiații optice atunci când trece un curent electric prin el.

Lumina emisă se află într-o gamă îngustă a spectrului, caracteristicile sale spectrale depind, printre altele, de compoziția chimică a semiconductorilor utilizați în ea.

Literatură

1. Aksenovich L. A. Fizica în liceu: Teorie. Sarcini. Teste: Proc. indemnizație pentru instituțiile care oferă general. medii, educație / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 300-308.
2. Burov L.I., Strelchenya V.M. Fizica de la A la Z: pentru studenți, solicitanți, tutori. - Minsk: Paradox, 2000. - S. 219-228.
3. Myakishev G. Ya. Fizica: Electrodinamică. 10 - 11 celule: un manual pentru studiul aprofundat al fizicii / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. - M.: Butard, 2005. - S. 309-320.
4. Yavorsky BM, Seleznev Yu. A. Un ghid de referință pentru fizică pentru cei care intră în universități și auto-educație. - M.: Nauka, 1984. - S. 165-169.

>>Fizică: curent electric în semiconductori

Care este principala diferență dintre semiconductori și conductori? Ce caracteristici structurale ale semiconductorilor le-au oferit acces la toate dispozitivele radio, televizoarele și computerele?
Diferența dintre conductori și semiconductori este evidentă în special atunci când se analizează dependența conductibilității lor electrice de temperatură. Studiile arată că pentru o serie de elemente (siliciu, germaniu, seleniu etc.) și compuși (PbS, CdS, GaAs etc.), rezistivitatea nu crește odată cu creșterea temperaturii, ca în metale ( fig.16.3), dar, dimpotrivă, scade extrem de brusc ( fig.16.4). Astfel de substanțe sunt numite semiconductori.

Din graficul prezentat în figură, se poate observa că la temperaturi apropiate de zero absolut, rezistivitatea semiconductorilor este foarte mare. Aceasta înseamnă că la temperaturi scăzute semiconductorul se comportă ca un izolator. Pe măsură ce temperatura crește, rezistivitatea acesteia scade rapid.
Structura semiconductorilor. Pentru a porni receptorul cu tranzistor, nu trebuie să știți nimic. Dar pentru a-l crea, trebuia să știi multe și să ai un talent extraordinar. A înțelege în termeni generali cum funcționează un tranzistor nu este atât de dificil. Mai întâi trebuie să vă familiarizați cu mecanismul de conducere în semiconductori. Și pentru asta trebuie să aprofundezi natura conexiunilorținând atomii unui cristal semiconductor unul lângă altul.
De exemplu, luați în considerare un cristal de siliciu.
Siliciul este un element tetravalent. Aceasta înseamnă că în învelișul exterior al atomului său există patru electroni legați relativ slab de nucleu. Numărul celor mai apropiați vecini ai fiecărui atom de siliciu este, de asemenea, de patru. O diagramă a structurii unui cristal de siliciu este prezentată în Figura 16.5.

Interacțiunea unei perechi de atomi vecini se realizează folosind o legătură pereche-electron, numită legătură covalentă. La formarea acestei legături, participă câte un electron de valență de la fiecare atom, care sunt separați de atomul căruia îi aparțin (colectat de cristal) și, în timpul mișcării lor, își petrec cea mai mare parte a timpului în spațiul dintre atomii vecini. Sarcina lor negativă menține ionii pozitivi de siliciu unul lângă celălalt.
Nu trebuie să credem că perechea colectivizată de electroni aparține doar a doi atomi. Fiecare atom formează patru legături cu vecinii săi și orice electron de valență se poate mișca de-a lungul unuia dintre ei. După ce a ajuns la atomul vecin, poate trece la următorul și apoi mai departe de-a lungul întregului cristal. Electronii de valență aparțin întregului cristal.
Legăturile perechi-electron dintr-un cristal de siliciu sunt suficient de puternice și nu se rupe la temperaturi scăzute. Prin urmare, siliciul nu conduce electricitatea la temperaturi scăzute. Electronii de valență care participă la legarea atomilor sunt, parcă, o „soluție de cimentare” care ține rețeaua cristalină, iar câmpul electric extern nu are un efect vizibil asupra mișcării lor. Un cristal de germaniu are o structură similară.
conductivitate electronică. Când siliciul este încălzit, energia cinetică a particulelor crește și legăturile individuale se rup. Unii electroni își părăsesc „căile bătute” și devin liberi, ca electronii dintr-un metal. Într-un câmp electric, se deplasează între nodurile rețelei, creând un curent electric ( fig.16.6).

Conductivitatea semiconductorilor datorită prezenței electronilor liberi în ele se numește conductivitate electronică. Pe măsură ce temperatura crește, crește numărul de legături rupte și, prin urmare, numărul de electroni liberi. Când este încălzit de la 300 la 700 K, numărul de purtători de încărcare liberă crește de la 10 17 la 10 24 1/m 3 . Acest lucru duce la o scădere a rezistenței.
conducerea orificiului. Când o legătură este ruptă între atomii semiconductori, se formează un loc vacant cu un electron lipsă. El este numit gaură. Gaura are o sarcină pozitivă în exces în comparație cu restul legăturilor neîntrerupte (vezi Fig. 16.6).
Poziția găurii în cristal nu este fixă. Următorul proces are loc continuu. Unul dintre electronii care asigură legătura dintre atomi sare în locul găurii formate și restabilește legătura pereche-electron aici, iar de unde a sărit acest electron, se formează o nouă gaură. Astfel, gaura se poate deplasa prin tot cristalul.
Dacă intensitatea câmpului electric din probă este zero, atunci mișcarea găurilor, echivalentă cu mișcarea sarcinilor pozitive, are loc aleatoriu și, prin urmare, nu creează un curent electric. În prezența unui câmp electric, are loc o mișcare ordonată a găurilor și, astfel, la curentul electric al electronilor liberi se adaugă un curent electric asociat mișcării găurilor. Direcția de mișcare a găurilor este opusă direcției de mișcare a electronilor ( fig.16.7).

În absența unui câmp extern, există o gaură (+) pentru un electron liber (-). Când se aplică un câmp, un electron liber este deplasat față de intensitatea câmpului. Unul dintre electronii legați se mișcă și el în această direcție. Se pare că gaura se mișcă în direcția câmpului.
Deci, în semiconductori există două tipuri de purtători de sarcină: electroni și găuri. Prin urmare, semiconductorii au nu numai electronice, ci și conductivitatea găurii.
Am luat în considerare mecanismul de conducere în semiconductori puri. Conductibilitatea în aceste condiții se numește propria conductivitate semiconductori.
Conductivitatea semiconductorilor puri (conductivitatea intrinsecă) se realizează prin mișcarea electronilor liberi (conducție electronică) și mișcarea electronilor legați la locurile libere ale legăturilor perechi-electron (conducție gaură).

???
1. Ce legătură se numește covalentă?
2. Care este diferența dintre dependența rezistenței semiconductorilor și a metalelor de temperatură?
3. Ce purtători de încărcare mobilă există într-un semiconductor pur?
4. Ce se întâmplă când un electron întâlnește o gaură?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizica clasa a 10-a

Conținutul lecției rezumatul lecției suport cadru prezentarea lecției metode accelerative tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autoexaminare, traininguri, cazuri, quest-uri teme pentru acasă întrebări discuții întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini grafice, tabele, scheme umor, anecdote, glume, pilde cu benzi desenate, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole jetoane pentru curioase cheat sheets manuale de bază și glosar suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment din manualul elementelor de inovare la lecție înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru anul recomandări metodice ale programului de discuții Lecții integrate

Dacă aveți corecții sau sugestii pentru această lecție,