V polovodičoch sú voľné elektróny a diery v stave chaotického pohybu. Ak teda zvolíme ľubovoľnú sekciu vo vnútri polovodičového objemu a spočítame počet nosičov náboja prechádzajúcich touto sekciou za jednotku času zľava doprava a sprava doľava, hodnoty týchto čísel budú rovnaké. To znamená, že v tomto objeme polovodiča nie je elektrický prúd. Keď je polovodič umiestnený v elektrickom poli o sile E, zložka smerového pohybu sa superponuje na chaotický pohyb nosičov náboja. Usmernený pohyb nosičov náboja v elektrickom poli spôsobuje vznik prúdu nazývaného drift (obr. 1.5).
Pri vysokých teplotách sa výrazne zvyšuje koncentrácia elektrónov a dier v dôsledku rozbitia kovalentných väzieb a napriek zníženiu ich pohyblivosti sa elektrická vodivosť polovodiča exponenciálne zvyšuje.
Obrázok 1.5 Driftový prúd v polovodiči
1.2.2 Difúzny prúd
Okrem tepelnej excitácie, ktorá vedie k vzniku rovnovážnej koncentrácie nábojov rovnomerne rozložených po celom objeme polovodiča, možno obohacovanie polovodiča elektrónmi až do koncentrácie n p a dierami do koncentrácie p n uskutočniť jeho osvetlením, ožiarením prúdom nabitých častíc, ich zavedením cez kontakt (injekciou) atď. V tomto prípade sa energia budiča prenáša priamo na nosiče náboja a tepelná energia kryštálovej mriežky zostáva prakticky konštantná. V dôsledku toho prebytočné nosiče náboja nie sú v tepelnej rovnováhe s mriežkou, a preto sa nazývajú nerovnovážne. Na rozdiel od rovnováhy môžu byť nerovnomerne rozložené po objeme polovodiča (obr. 1.6). 
Po ukončení pôsobenia budiča v dôsledku rekombinácie elektrónov a dier koncentrácia prebytočných nosičov rýchlo klesá a dosahuje rovnovážnu hodnotu.
Nosiče náboja sa rekombinujú v objeme polovodiča a na jeho povrchu. Nerovnomerné rozloženie nerovnovážnych nosičov náboja je sprevádzané ich difúziou smerom k nižšej koncentrácii. Tento pohyb nosičov náboja spôsobuje prechod elektrického prúdu, ktorý sa nazýva difúzia (obr. 1.6).
Obrázok 1.6 Difúzny prúd v polovodiči
1.3 Kontaktné javy
Prechod elektrón-diera v rovnovážnom stave
Princíp činnosti väčšiny polovodičových zariadení je založený na fyzikálnych javoch vyskytujúcich sa v oblasti kontaktu pevných látok. V tomto prípade sa používajú hlavne kontakty: polovodič-polovodič; polovodičový kov; kov-izolant-polovodič.
Ak sa vytvorí prechod medzi polovodičmi typu n a typu p, nazýva sa to prechod s elektrónovou dierou alebo p-n.
Prechod elektrón-diera je vytvorený v jedinom polovodičovom kryštáli pomocou zložitých a rôznorodých technologických operácií.
Uvažujme prechod p-n, pri ktorom sa na rozhraní náhle zmenia koncentrácie donorov N d a akceptorov N a (obr. 1.7, a). Takýto prechod p-n sa nazýva ostrý. Rovnovážna koncentrácia otvorov v p-oblasti () výrazne prevyšuje ich koncentráciu v n-oblasti (). Podobne pre elektróny je podmienka > splnená. Nerovnomerné rozloženie koncentrácií rovnakých nosičov náboja v kryštáli (obr. 1.7, b) vedie k difúzii elektrónov z oblasti n do oblasti p a dier z oblasti p do oblasti n. Tento pohyb nábojov vytvára difúzny prúd elektrónov a dier.
Elektróny a diery prechádzajúce kontaktom smerom k sebe (v dôsledku difúzie) sa rekombinujú a v oblasti blízkeho kontaktu dierového polovodiča vzniká nekompenzovaný náboj záporných iónov akceptorových nečistôt a v elektronickom polovodiči nekompenzovaný náboj pozitívne donorové ióny (obr. 1.6, c). Elektronický polovodič je teda nabitý kladne a dierový polovodič je nabitý záporne. Medzi oblasťami s rôznymi typmi elektrickej vodivosti je vlastné elektrické pole o sile E inc (obr. 1.7, a), vytvorené dvoma vrstvami priestorových nábojov.
Vlastné elektrické pole sa spomaľuje pre väčšinu nosičov náboja a zrýchľuje sa pre menšie. Elektróny v oblasti p a diery v oblasti n, ktoré vykonávajú tepelný pohyb, spadajú do hraníc difúzneho elektrického poľa, sú ním unášané a prenášané do opačných oblastí, pričom vytvárajú driftový prúd alebo vodivý prúd.
Obrázok 1.7 Rovnovážny stav p-n prechodu
Oblasť blízkeho kontaktu, kde je vlastné elektrické pole, sa nazýva p- nprechod. V tejto oblasti sa polovodič vyznačuje vlastnou elektrickou vodivosťou a v porovnaní so zvyškom objemu má zvýšený odpor. V tomto ohľade sa nazýva bariérová vrstva alebo oblasť priestorového náboja.
Šírka bariérovej vrstvy je výrazne ovplyvnená koncentráciou atómov nečistôt. Zvyšovaním koncentrácie atómov nečistôt sa bariérová vrstva zužuje, zatiaľ čo jej znižovaním sa rozširuje. Toto sa často používa na to, aby polovodičové zariadenia získali požadované vlastnosti.
Polovodiče sú látky, ktoré zaujímajú medziľahlú polohu z hľadiska elektrickej vodivosti medzi dobrými vodičmi a dobrými izolantmi (dielektrikami).
Polovodiče sú tiež chemické prvky (germánium Ge, kremík Si, selén Se, telúr Te) a zlúčeniny chemických prvkov (PbS, CdS atď.).
Charakter prúdových nosičov v rôznych polovodičoch je odlišný. V niektorých z nich sú nosičmi náboja ióny; v iných sú nosičmi náboja elektróny.
Vlastná vodivosť polovodičov
V polovodičoch existujú dva typy vlastného vedenia: elektronické vedenie a dierové vedenie v polovodičoch.
1. Elektronická vodivosť polovodičov.
Elektronická vodivosť sa uskutočňuje riadeným pohybom v medziatómovom priestore voľných elektrónov, ktoré v dôsledku vonkajších vplyvov opustili valenčnú vrstvu atómu.
2. Dierová vodivosť polovodičov.
Dierové vedenie sa uskutočňuje s usmerneným pohybom valenčných elektrónov na voľné miesta v párovo-elektrónových väzbách - dierach. Valenčný elektrón neutrálneho atómu nachádzajúceho sa v tesnej blízkosti kladného iónu (diery) je priťahovaný k otvoru a skočí do neho. V tomto prípade sa namiesto neutrálneho atómu vytvorí kladný ión (diera) a namiesto kladného iónu (diera) sa vytvorí neutrálny atóm.
V ideálne čistom polovodiči bez akýchkoľvek cudzích prímesí zodpovedá každému voľnému elektrónu vznik jednej diery, t.j. počet elektrónov a dier podieľajúcich sa na tvorbe prúdu je rovnaký.
Vodivosť, pri ktorej sa vyskytuje rovnaký počet nosičov náboja (elektrónov a otvorov), sa nazýva vnútorná vodivosť polovodičov.
Vlastná vodivosť polovodičov je zvyčajne malá, pretože počet voľných elektrónov je malý. Najmenšie stopy nečistôt radikálne menia vlastnosti polovodičov.
Elektrická vodivosť polovodičov v prítomnosti nečistôt
Nečistoty v polovodiči sú atómy cudzích chemických prvkov, ktoré nie sú obsiahnuté v hlavnom polovodiči.
Vodivosť nečistôt- ide o vodivosť polovodičov v dôsledku vnášania nečistôt do ich kryštálových mriežok.
V niektorých prípadoch sa vplyv nečistôt prejavuje tak, že „dierový“ mechanizmus vedenia sa stáva prakticky nemožným a prúd v polovodiči sa uskutočňuje najmä pohybom voľných elektrónov. Takéto polovodiče sú tzv elektronické polovodiče alebo polovodiče typu n(z latinského slova negativus - negatívny). Hlavnými nosičmi náboja sú elektróny a nie hlavnými sú diery. Polovodiče typu n sú polovodiče s donorovými nečistotami.
1. Nečistoty darcu.
Donorové nečistoty sú tie, ktoré ľahko darujú elektróny a následne zvyšujú počet voľných elektrónov. Donorové nečistoty dodávajú vodivé elektróny bez toho, aby sa objavil rovnaký počet otvorov.
Typickým príkladom donorovej nečistoty v štvormocnom germániu Ge sú päťmocné atómy arzénu As.
V iných prípadoch je pohyb voľných elektrónov prakticky nemožný a prúd sa uskutočňuje iba pohybom dier. Tieto polovodiče sú tzv dierové polovodiče alebo polovodiče typu p(z latinského slova positivus – pozitívny). Hlavnými nosičmi náboja sú diery, a nie hlavné - elektróny. . Polovodiče typu p sú polovodiče s prímesami akceptora.
Akceptorové nečistoty sú nečistoty, v ktorých nie je dostatok elektrónov na vytvorenie normálnych párovo-elektrónových väzieb.
Príkladom akceptorovej nečistoty v germániu Ge sú trojmocné atómy gália Ga
Elektrický prúd cez kontakt polovodičov typu p a n typu p-n je kontaktná vrstva dvoch prímesových polovodičov typu p a n; Prechod p-n je hraničné oddeľujúce oblasti s dierovým (p) vedením a elektronickým (n) vedením v rovnakom monokryštáli.
priama p-n križovatka
Ak je n-polovodič pripojený k zápornému pólu zdroja energie a kladný pól zdroja energie je pripojený k p-polovodiču, potom pôsobením elektrického poľa elektróny v n-polovodiči a otvory v p-polovodiči sa budú pohybovať smerom k sebe k polovodičovému rozhraniu. Elektróny, ktoré prekračujú hranicu, "vypĺňajú" diery, prúd cez pn prechod je vykonávaný hlavnými nosičmi náboja. V dôsledku toho sa zvyšuje vodivosť celej vzorky. Pri takomto priamom (priepustnom) smere vonkajšieho elektrického poľa klesá hrúbka bariérovej vrstvy a jej odpor.
V tomto smere prúd prechádza cez hranicu dvoch polovodičov.
  |
Reverzný pn prechod
Ak je n-polovodič pripojený k kladnému pólu zdroja energie a p-polovodič je pripojený k zápornému pólu zdroja energie, potom elektróny v n-polovodiči a diery v p-polovodiči pod pôsobením elektrického poľa sa bude pohybovať z rozhrania v opačných smeroch, prúd cez p -n-prechod je vykonávaný malými nosičmi náboja. To vedie k zhrubnutiu bariérovej vrstvy a zvýšeniu jej odolnosti. Výsledkom je, že vodivosť vzorky je zanedbateľná a odpor je veľký.
Vytvára sa takzvaná bariérová vrstva. Pri tomto smere vonkajšieho poľa elektrický prúd prakticky neprechádza kontaktom p- a n-polovodičov.
Prechod elektrón-diera má teda jednostrannú vodivosť.
Závislosť prúdu od charakteristiky napätie - volt - prúd p-n prechodu je znázornená na obrázku (volt - prúdová charakteristika priameho p-n prechodu je znázornená plnou čiarou, volt - ampérová charakteristika spätného p-n prechodu bodkovanou čiarou).
Polovodiče:
Polovodičová dióda - na usmernenie striedavého prúdu využíva jeden p - n - prechod s rôznymi odpormi: v priepustnom smere je odpor p - n - prechodu oveľa menší ako v spätnom smere.
Fotorezistory - na registráciu a meranie slabých svetelných tokov. S ich pomocou určte kvalitu povrchov, kontrolujte rozmery výrobkov.
Termistory - na diaľkové meranie teploty, požiarne hlásiče.
Lekcia č. 41-169 Elektrický prúd v polovodičoch. polovodičová dióda. Polovodičové zariadenia.
Polovodič je látka, ktorej merný odpor sa môže meniť v širokom rozsahu a s rastúcou teplotou veľmi rýchlo klesá, čo znamená, že elektrická vodivosť rastie. Pozoruje sa v kremíku, germániu, seléne a v niektorých zlúčeninách. Mechanizmus vedenia v polovodičoch
Polovodičové kryštály majú atómovú kryštálovú mriežku, kde sú vonkajšie elektróny viazané k susedným atómom kovalentnými väzbami. Pri nízkych teplotách čisté polovodiče nemajú žiadne voľné elektróny a správajú sa ako dielektrikum. Ak je polovodič čistý (bez nečistôt), potom má svoju vlastnú vodivosť (malú). Existujú dva typy vlastnej vodivosti: 1) elektronická (vodivosť “ P"-typ) Pri nízkych teplotách v polovodičoch sú všetky elektróny spojené s jadrami a odpor je veľký; So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje kinetická energia častíc, prerušujú sa väzby a objavujú sa voľné elektróny - odpor klesá. Voľné elektróny sa pohybujú opačne k vektoru intenzity elektrického poľa.Elektrónová vodivosť polovodičov je spôsobená prítomnosťou voľných elektrónov.2)diera (vodivosť typu „p“).S rastúcou teplotou sa kovalentné väzby realizované valenčnými elektrónmi medzi atómami ničia a vznikajú miesta s chýbajúcim elektrónom - „diera". jej miesto môže byť nahradené valenčnými elektrónmi. Pohyb „diery" je ekvivalentný pohybu kladného náboja. Pohyb diery nastáva v smere tzv. vektor intenzity elektrického poľa.Pretrhnutie kovalentných väzieb a výskyt vlastnej vodivosti polovodičov môže byť spôsobený zahrievaním, osvetlením m (fotovodivosť) a pôsobenie silných elektrických polí. 
Závislosť R(t): termistor
- diaľkové meranie t; - požiarny hlásič
1) darcovské nečistoty (darovanie) - sú doplnkové dodávatelia elektrónov do polovodičových kryštálov, ľahko darujú elektróny a zvyšujú počet voľných elektrónov v polovodiči. Toto sú vodiči n "- typ, t.j. polovodiče s donorovými nečistotami, kde hlavným nosičom náboja sú elektróny a vedľajším nábojom sú diery. Takýto polovodič má vodivosť elektronických nečistôt (príkladom je arzén). 2
) akceptorové nečistoty (prijímajúce) vytvárajú „diery“, pričom do seba berú elektróny. Ide o polovodiče typu „p“, t.j. polovodiče s prímesami akceptora, kde je hlavný nosič náboja diery a menšina - elektróny. Takýto polovodič má vodivosť dierovej nečistoty (príkladom je indium). Elektrické vlastnosti "p-
n"prechody.""p-p" prechod (alebo prechod elektrón-diera) - kontaktná plocha dvoch polovodičov, kde sa vodivosť mení z elektronickej na dieru (alebo naopak). AT 
Je možné vytvoriť takéto oblasti v polovodičovom kryštáli zavedením nečistôt. V kontaktnej zóne dvoch polovodičov s rôznou vodivosťou bude prebiehať vzájomná difúzia elektrónov a dier a vznikne blokujúca bariéra. elektrická vrstva. Elektrické pole bariérovej vrstvy zabraňujeďalší prechod elektrónov a dier cez hranicu. Bariérová vrstva má v porovnaní s inými oblasťami polovodiča zvýšený odpor. AT 
Vonkajšie elektrické pole ovplyvňuje odpor bariérovej vrstvy. V priamom (prenosovom) smere vonkajšieho elektrického poľa prechádza prúd rozhraním dvoch polovodičov. Pretože elektróny a diery sa pohybujú smerom k sebe na rozhranie, potom elektróny, prekročenie hranice, vyplňte diery. Hrúbka bariérovej vrstvy a jej odpor sa neustále zmenšujú.P 
Pri blokovaní (opačný smer vonkajšieho elektrického poľa) prúd neprejde kontaktnou oblasťou dvoch polovodičov. Pretože elektróny a diery sa pohybujú od hranice v opačných smeroch, potom blokujúca vrstva zahusťuje, zvyšuje sa jeho odolnosť. Prechod elektrón-diera má teda jednostrannú vodivosť.
polovodičová dióda- polovodič s jedným "rn" prechodom.P 
Polovodičové diódy sú hlavnými prvkami AC usmerňovačov.
Pri pôsobení elektrického poľa: v jednom smere je odpor polovodiča vysoký, v opačnom smere je odpor nízky.
Tranzistory.(z anglických slov transfer - transfer, rezistor - odpor) Predstavte si jeden z typov tranzistorov vyrobených z germánia alebo kremíka s donorovými a akceptorovými nečistotami, ktoré sú do nich vnesené. Rozloženie nečistôt je také, že medzi dvoma polovodičovými vrstvami typu p sa vytvorí veľmi tenká (rádovo niekoľko mikrometrov) polovodičová vrstva typu n (pozri obr.). 
Táto tenká vrstva je tzv základ alebo základňu. Kryštál má dva R-n-križovatky, ktorých priame smery sú opačné. Tri výstupy z oblastí s rôznymi typmi vodivosti vám umožňujú zahrnúť tranzistor do obvodu znázorneného na obrázku. S týmto zaradením ľavica R-n-skok je priamy a oddeľuje bázu od oblasti typu p tzv žiarič. Keby neexistovalo právo R-n-prechod, v obvode emitor-báza by bol prúd v závislosti od napätia zdrojov (batérií B1 a zdroj striedavého napätia) a odpor obvodu vrátane nízkeho odporu priameho spojenia emitor-báza. Batéria B2 zapnutý tak, že vpravo R-n-prechod v obvode (pozri obr.) je obrátene. Oddeľuje bázu od pravej oblasti typu p tzv zberateľ. Keby nezostalo R-n-prechod, prúd v kolektorovom obvode by bol blízky nule, pretože odpor spätného prechodu je veľmi vysoký. V prítomnosti prúdu vľavo R-n-prechodový prúd sa tiež objavuje v kolektorovom obvode a prúd v kolektore je len o niečo menší ako prúd v emitore (ak je na emitor privedené záporné napätie, potom vľavo R-n-prechod bude obrátený a v obvode emitora a v obvode kolektora nebude prakticky žiadny prúd). Pri vytvorení napätia medzi emitorom a bázou prenikajú hlavné nosiče polovodiča typu p - otvory do bázy, kde sú už vedľajšími nosičmi. Keďže hrúbka bázy je veľmi malá a počet väčšinových nosičov (elektrónov) v nej je malý, diery, ktoré do nej prepadli, sa takmer nekombinujú (nerekombinujú) so základnými elektrónmi a difúziou prenikajú do kolektora. Správny R-n-prechod je uzavretý pre hlavné nosiče náboja bázy - elektróny, ale nie pre diery. V kolektore sú otvory unášané elektrickým poľom a uzatvárajú obvod. Sila prúdu vetviaceho sa do obvodu emitora z bázy je veľmi malá, keďže plocha prierezu bázy v horizontálnej (viď obr. vyššie) rovine je oveľa menšia ako plocha prierezu vo vertikálnej rovine.
Prúd v kolektore, ktorý sa takmer rovná prúdu v emitore, sa mení spolu s prúdom v emitore. Odpor rezistora R má malý vplyv na prúd v kolektore a tento odpor môže byť dostatočne veľký. Riadením prúdu emitora pomocou zdroja striedavého napätia zahrnutého v jeho obvode získame synchrónnu zmenu napätia na rezistore R .
Pri veľkom odpore rezistora môže byť zmena napätia na ňom desaťtisíckrát väčšia ako zmena signálového napätia v obvode emitora. To znamená zvýšené napätie. Preto na náklade R je možné získať elektrické signály, ktorých výkon je mnohonásobne väčší ako výkon vstupujúci do obvodu vysielača.
Aplikácia tranzistorov Vlastnosti R-n-prechody v polovodičoch sa používajú na zosilnenie a generovanie elektrických oscilácií.
3
Polovodiče zaujímajú strednú polohu v elektrickej vodivosti (alebo rezistivity) medzi vodičmi a dielektrikami. Toto delenie všetkých látok podľa ich elektrickej vodivosti je však podmienené, keďže vplyvom množstva príčin (nečistoty, ožiarenie, zahrievanie) sa u mnohých látok veľmi výrazne mení elektrická vodivosť a rezistivita, najmä u polovodičov.
V tomto ohľade sa polovodiče odlišujú od kovov niekoľkými vlastnosťami:
1. Odpor polovodičov za normálnych podmienok je oveľa väčší ako odpor kovov;
2. merný odpor čistých polovodičov s rastúcou teplotou klesá (u kovov sa zvyšuje);
3. pri osvetlení polovodičov výrazne klesá ich odpor (svetlo nemá takmer žiadny vplyv na odpor kovov):
4. Nevýznamné množstvo nečistôt má silný vplyv na odpor polovodičov.
Medzi polovodiče patrí 12 chemických prvkov v strednej časti periodickej tabuľky (obr. 1) - B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, zlúčeniny prvkov tretej skupiny s prvkami piatej skupiny, mnohé oxidy a sulfidy kovov, množstvo iných chemických zlúčenín, niektoré organické látky. Germánium Ge a kremík Si majú najväčšie uplatnenie pre vedu a techniku.
Polovodiče môžu byť čisté alebo dopované. Podľa toho sa rozlišuje vlastná vodivosť polovodičov a vodivosť nečistôt. Nečistoty sa zase delia na donor a akceptor.
Vlastná elektrická vodivosť
Aby sme pochopili mechanizmus elektrického vedenia v polovodičoch, uvažujme o štruktúre polovodičových kryštálov a povahe väzieb, ktoré držia atómy kryštálov blízko seba. Kryštály germánia a iných polovodičov majú atómovú kryštálovú mriežku (obr. 2).
Plochý diagram štruktúry germánia je znázornený na obrázku 3.
Germánium je štvormocný prvok, vo vonkajšom obale atómu sú štyri elektróny, ktoré sú slabšie spojené s jadrom ako zvyšok. Počet najbližších susedov každého atómu germánia je tiež 4. Štyri valenčné elektróny každého atómu germánia sú spojené s rovnakými elektrónmi susedných atómov chemickými párovými elektrónmi ( kovalentný) spojenia. Na tvorbe tejto väzby sa podieľa jeden valenčný elektrón z každého atómu, ktoré sa odštiepia od atómov (kolektivizované kryštálom) a pri svojom pohybe trávia väčšinu času v priestore medzi susednými atómami. Ich záporný náboj udržuje kladné ióny germánia blízko seba. Tento druh spojenia môže byť podmienene znázornený dvoma čiarami spájajúcimi jadrá (pozri obr. 3).
Ale putovný pár elektrónov patrí viac ako len dvom atómom. Každý atóm vytvára so svojimi susedmi štyri väzby a daný valenčný elektrón sa môže pohybovať po ktorejkoľvek z nich (obr. 4). Po dosiahnutí susedného atómu sa môže presunúť na ďalší a potom ďalej pozdĺž celého kryštálu. Kolektivizované valenčné elektróny patria celému kryštálu.
Kovalentné väzby germánia sú dosť silné a nelámu sa pri nízkych teplotách. Preto germánium nevedie elektrický prúd pri nízkych teplotách. Valenčné elektróny podieľajúce sa na väzbe atómov sú pevne spojené s kryštálovou mriežkou a vonkajšie elektrické pole nemá badateľný vplyv na ich pohyb. Podobnú štruktúru má kremíkový kryštál.
Elektrická vodivosť chemicky čistého polovodiča je možná, keď sú kovalentné väzby v kryštáloch prerušené a objavia sa voľné elektróny.
Dodatočná energia, ktorá sa musí vynaložiť na prerušenie kovalentnej väzby a uvoľnenie elektrónu, sa nazýva aktivačnej energie.
Túto energiu môžu elektróny získať zahrievaním kryštálu, ožiarením vysokofrekvenčnými elektromagnetickými vlnami atď.
Akonáhle elektrón po získaní potrebnej energie opustí lokalizovanú väzbu, vytvorí sa na ňom voľné miesto. Táto vakancia môže byť ľahko zaplnená elektrónom zo susednej väzby, na ktorej sa teda vytvorí aj vakancia. V dôsledku pohybu väzbových elektrónov sa teda voľné miesta pohybujú po kryštáli. Toto prázdne miesto sa správa presne rovnako ako voľný elektrón - voľne sa pohybuje cez väčšinu polovodiča. Navyše, ak vezmeme do úvahy, že polovodič ako celok a každý z jeho atómov sú elektricky neutrálne s neprerušenými kovalentnými väzbami, môžeme povedať, že elektrón opúšťajúci väzbu a vytvorenie prázdneho miesta je v skutočnosti ekvivalentné objaveniu sa nadmerného kladného náboja na túto väzbu. Preto možno výslednú vakanciu formálne považovať za kladný nosič náboja, ktorý je tzv diera(obr. 5).
Odchodom elektrónu z lokalizovanej väzby teda vzniká dvojica voľných nosičov náboja – elektrón a diera. Ich koncentrácia v čistom polovodiči je rovnaká. Pri izbovej teplote je koncentrácia voľných nosičov v čistých polovodičoch nízka, asi 10 9 ÷ 10 10 krát menšia ako koncentrácia atómov, ale so zvyšujúcou sa teplotou rapídne stúpa.
- Porovnajte s kovmi: tam je koncentrácia voľných elektrónov približne rovnaká ako koncentrácia atómov.
V neprítomnosti vonkajšieho elektrického poľa sa tieto voľné elektróny a diery pohybujú v polovodičovom kryštáli náhodne.
Vo vonkajšom elektrickom poli sa elektróny pohybujú v smere opačnom k smeru intenzity elektrického poľa. Kladné otvory sa pohybujú v smere intenzity elektrického poľa (obr. 6). Proces pohybu elektrónov a dier vo vonkajšom poli prebieha v celom objeme polovodiča.
Celková elektrická vodivosť polovodiča je súčtom dierovej a elektrónovej vodivosti. V tomto prípade sa v čistých polovodičoch počet vodivých elektrónov vždy rovná počtu dier. Preto sa hovorí, že čisté polovodiče majú elektrón-dierová vodivosť, alebo vlastnú vodivosť.
So zvyšovaním teploty sa zvyšuje počet prerušení kovalentných väzieb a zvyšuje sa počet voľných elektrónov a otvorov v kryštáloch čistých polovodičov a následne sa zvyšuje elektrická vodivosť a znižuje sa rezistivita čistých polovodičov. Graf závislosti rezistivity čistého polovodiča od teploty je na obr. 7.
Okrem zahrievania môže byť prerušenie kovalentných väzieb a v dôsledku toho objavenie sa vlastnej vodivosti polovodičov a zníženie odporu spôsobené osvetlením (fotovodivosť polovodiča), ako aj pôsobením silných elektrických polí. .
Nečistotová vodivosť polovodičov
Vodivosť polovodičov sa zvyšuje so zavádzaním nečistôt, keď spolu s vlastnou vodivosťou vzniká ďalšia vodivosť nečistôt.
vodivosť nečistôt polovodiče sa nazýva vodivosť, kvôli prítomnosti nečistôt v polovodiči.
Centrá nečistôt môžu byť:
1. atómy alebo ióny chemických prvkov vložené do polovodičovej mriežky;
2. nadbytočné atómy alebo ióny vložené do mriežkových medzier;
3. rôzne iné defekty a deformácie v kryštálovej mriežke: prázdne uzly, trhliny, posuny, ktoré vznikajú pri deformáciách kryštálov atď.
Zmenou koncentrácie nečistôt je možné výrazne zvýšiť počet nosičov náboja jedného alebo druhého znamienka a vytvoriť polovodiče s prevládajúcou koncentráciou buď negatívne alebo pozitívne nabitých nosičov.
Nečistoty možno rozdeliť na donor (darujúci) a akceptor (prijímajúci).
Nečistota darcu
- Z latinského „donare“ – dať, darovať.
Uvažujme o mechanizme elektrickej vodivosti polovodiča s donorovou päťmocnou prímesou arzénu As, ktorá sa zavádza do kryštálu, napríklad kremíka. Atóm päťmocného arzénu daruje štyri valenčné elektróny na vytvorenie kovalentných väzieb a piaty elektrón je v týchto väzbách neobsadený (obr. 8).
Energia odtrhnutia (ionizačná energia) piateho valenčného elektrónu arzénu v kremíku je 0,05 eV = 0,08⋅10 -19 J, čo je 20-krát menej ako energia odtrhnutia elektrónu od atómu kremíka. Preto už pri izbovej teplote takmer všetky atómy arzénu strácajú jeden zo svojich elektrónov a stávajú sa kladnými iónmi. Pozitívne ióny arzénu nedokážu zachytiť elektróny susedných atómov, pretože všetky štyri ich väzby sú už vybavené elektrónmi. V tomto prípade nedochádza k pohybu elektrónovej vakancie – „diery“ a vodivosť otvoru je veľmi nízka, t.j. prakticky chýba.
Nečistoty darcu- sú to nečistoty, ktoré ľahko darujú elektróny a následne zvyšujú počet voľných elektrónov. V prítomnosti elektrického poľa sa voľné elektróny v polovodičovom kryštáli dostávajú do usporiadaného pohybu a vzniká v ňom vedenie elektronických nečistôt. V dôsledku toho získame polovodič s prevažne elektronickou vodivosťou, nazývaný polovodič typu n. (Z lat. negativus – zápor).
Pretože počet elektrónov v polovodiči typu n je oveľa väčší ako počet dier, elektróny sú väčšinovými nosičmi náboja a diery sú vedľajšie.
Akceptorová nečistota
- Z latinského "akceptor" - prijímač.
V prípade akceptorovej nečistoty, napríklad trojmocného india In, môže atóm nečistoty poskytnúť svoje tri elektróny na kovalentnú väzbu len s tromi susednými atómami kremíka a jeden elektrón „chýba“ (obr. 9). Jeden z elektrónov susedných atómov kremíka môže vyplniť túto väzbu, potom sa atóm In stane nehybným negatívnym iónom a namiesto elektrónu, ktorý opustil jeden z atómov kremíka, sa vytvorí diera. Akceptorové nečistoty, ktoré zachytávajú elektróny a tým vytvárajú mobilné diery, nezvyšujú počet vodivých elektrónov. Hlavnými nosičmi náboja v polovodiči s prímesou akceptora sú diery a menšinovými nosičmi sú elektróny.
Akceptorové nečistoty sú nečistoty, ktoré zabezpečujú vodivosť otvoru.
Polovodiče, v ktorých koncentrácia dier prevyšuje koncentráciu vodivých elektrónov, sa nazývajú polovodiče typu p (z latinského positivus - pozitívny.).
Je potrebné poznamenať, že vnášanie nečistôt do polovodičov, ako do iných kovov, narúša štruktúru kryštálovej mriežky a bráni pohybu elektrónov. Odpor sa však nezvyšuje vďaka tomu, že zvýšenie koncentrácie nosičov náboja výrazne znižuje odpor. Zavedenie nečistoty bóru v množstve 1 atóm na stotisíc atómov kremíka teda znižuje elektrický odpor kremíka asi tisíckrát a prímes jedného atómu india na 108 - 109 atómov germánia znižuje elektrický odpor. germánia miliónkrát.
Ak sa do polovodiča súčasne zavedú donorové aj akceptorové nečistoty, potom charakter vodivosti polovodiča (typ n alebo p) je určený nečistotou s vyššou koncentráciou nosičov náboja.
Prechod elektrón-diera
Prechod elektrón-diera (skrátene p-n-junction) sa vyskytuje v polovodičovom kryštáli, ktorý má súčasne oblasti s vodivosťou typu n (obsahuje donorové nečistoty) a typu p (s akceptorovými nečistotami) na hranici medzi týmito oblasťami.
Predpokladajme, že máme kryštál, v ktorom je vľavo oblasť polovodiča s otvorom (typ p) a vpravo s elektronickou vodivosťou (typ n) (obr. 10). V dôsledku tepelného pohybu počas vytvárania kontaktu budú elektróny z polovodiča typu n difundovať do oblasti typu p. V tomto prípade zostane nekompenzovaný pozitívny donorový ión v oblasti typu n. Po prechode do oblasti s dierovou vodivosťou sa elektrón veľmi rýchlo rekombinuje s dierou a v oblasti typu p sa vytvorí nekompenzovaný akceptorový ión.
Rovnako ako elektróny, diery z oblasti typu p difundujú do elektronickej oblasti, pričom v oblasti dier zanechávajú nekompenzovaný záporne nabitý akceptorový ión. Po prechode do elektronickej oblasti sa diera rekombinuje s elektrónom. V dôsledku toho sa v elektronickej oblasti vytvorí nekompenzovaný pozitívny donorový ión.
V dôsledku difúzie sa na hranici medzi týmito oblasťami vytvorí dvojitá elektrická vrstva opačne nabitých iónov, hrúbka l ktorý nepresahuje zlomky mikrometra.
Medzi vrstvami iónov vzniká silné elektrické pole Ei. Elektrické pole prechodu elektrón-diera (p-n-junction) bráni ďalšiemu prechodu elektrónov a otvorov cez rozhranie medzi dvoma polovodičmi. Blokovacia vrstva má v porovnaní so zvyškom objemov polovodičov zvýšený odpor.
Vonkajšie elektrické pole s intenzitou E ovplyvňuje odpor blokujúceho elektrického poľa. Ak je n-polovodič pripojený k zápornému pólu zdroja a plus zdroja je pripojený k p-polovodiču, potom pôsobením elektrického poľa elektróny v n-polovodiči a otvory v p-polovodič sa bude pohybovať smerom k sebe k polovodičovému rozhraniu (obr. 11). Elektróny, ktoré prekračujú hranicu, "vypĺňajú" diery. Pri takomto priamom smere vonkajšieho elektrického poľa sa hrúbka bariérovej vrstvy a jej odpor neustále zmenšujú. V tomto smere prechádza elektrický prúd cez p-n prechod.
Uvažovaný smer p-n-prechodu sa nazýva priamy. Závislosť prúdu od napätia, t.j. voltampérové charakteristiky priamy prechod, znázornený na obr. 12 ako plná čiara.
Ak je n-polovodič pripojený k kladnému pólu zdroja a p-polovodič je pripojený k zápornému pólu, potom sa elektróny v n-polovodiči a otvory v p-polovodiči budú pôsobením elektrického poľa pohybovať od rozhrania v opačných smeroch (obr. 13). To vedie k zhrubnutiu bariérovej vrstvy a zvýšeniu jej odolnosti. Smer vonkajšieho elektrického poľa, ktoré rozširuje bariérovú vrstvu, sa nazýva zamykanie (obrátene). Pri tomto smere vonkajšieho poľa elektrický prúd hlavných nosičov náboja neprechádza kontaktom dvoch p- a p-polovodičov.
Prúd cez p-n prechod je teraz spôsobený elektrónmi, ktoré sú v polovodiči typu p a otvormi z polovodiča typu n. Existuje však veľmi málo menšinových nosičov náboja, takže vodivosť prechodu sa ukazuje ako zanedbateľná a jej odpor je veľký. Uvažovaný smer p-n-prechodu sa nazýva obrátene, jeho prúdovo-napäťová charakteristika je znázornená na obr. 12 prerušovaná čiara.
Upozorňujeme, že aktuálna mierka merania pre prechody dopredu a dozadu sa tisíckrát líši.
Všimnite si, že pri určitom napätí aplikovanom v opačnom smere existuje zlomiť(t. j. zničenie) p-n prechodu.
Polovodiče
Termistory
Elektrický odpor polovodičov je veľmi závislý od teploty. Táto vlastnosť sa používa na meranie teploty silou prúdu v obvode s polovodičom. Takéto zariadenia sú tzv termistory alebo termistory. Polovodičová látka je umiestnená v kovovom ochrannom puzdre, ktoré má izolované vývody na pripojenie termistora k elektrickému obvodu.
Zmena odporu termistorov pri zahrievaní alebo chladení umožňuje ich použitie v prístrojoch na meranie teploty, na udržiavanie konštantnej teploty v automatických zariadeniach - v uzavretých komorách termostatov, na zabezpečenie požiarnej signalizácie atď. Termistory existujú na meranie oboch veľmi vysokých ( T≈ 1300 K) a veľmi nízka ( T≈ 4 - 80 K) teploty.
Schematické znázornenie (obr. a) a fotografia (obr. b) termistora sú zobrazené na obrázku 14.
Ryža. štrnásť Fotorezistory
Elektrická vodivosť polovodičov sa zvyšuje nielen pri zahrievaní, ale aj pri osvetlení. Elektrická vodivosť sa zvyšuje v dôsledku rozpadu väzieb a tvorby voľných elektrónov a dier v dôsledku energie svetla dopadajúceho na polovodič.
Zariadenia, ktoré zohľadňujú závislosť elektrickej vodivosti polovodičov od osvetlenia, sa nazývajú fotoodpory.
Materiály na výrobu fotorezistorov sú zlúčeniny ako CdS, CdSe, PbS a množstvo ďalších.
Malé rozmery a vysoká citlivosť fotorezistorov umožňuje ich použitie na záznam a meranie slabých svetelných tokov. Pomocou fotorezistorov sa určuje kvalita povrchov, kontrolujú sa rozmery výrobkov atď.
Schematické znázornenie (obr. a) a fotografia (obr. b) fotorezistora sú znázornené na obrázku 15.
Ryža. pätnásť polovodičová dióda
Schopnosť p-n prechodu prepúšťať prúd jedným smerom sa využíva v polovodičových zariadeniach tzv diódy.
Polovodičové diódy sú vyrobené z germánia, kremíka, selénu a iných látok.
Aby sa predišlo škodlivým vplyvom vzduchu a svetla, je germániový kryštál umiestnený v hermetickom kovovom obale. Polovodičové diódy sú hlavnými prvkami AC usmerňovačov (presnejšie sa používajú na premenu striedavého prúdu na pulzujúci jednosmerný prúd.)
Schematické znázornenie (obr. a) a fotografia (obr. b) polovodičovej diódy sú na obrázku 16.
Ryža. šestnásť LED diódy
Dióda vyžarujúca svetlo alebo dióda vyžarujúca svetlo- polovodičová súčiastka s p-n prechodom, ktorá pri prechode elektrického prúdu vytvára optické žiarenie.
Vyžarované svetlo leží v úzkom rozsahu spektra, jeho spektrálne charakteristiky závisia okrem iného aj od chemického zloženia v ňom použitých polovodičov.
Literatúra
- Aksenovič L. A. Fyzika na strednej škole: teória. Úlohy. Testy: Proc. príspevok pre inštitúcie poskytujúce všeobecn. prostredia, výchova / L. A. Aksenovič, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 300-308.
- Burov L.I., Strelchenya V.M. Fyzika od A po Z: pre študentov, uchádzačov, tútorov. - Minsk: Paradox, 2000. - S. 219-228.
- Myakishev G. Ya. Fyzika: Elektrodynamika. 10 - 11 buniek: učebnica pre hĺbkové štúdium fyziky / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. - M.: Drop, 2005. - S. 309-320.
- Yavorsky BM, Seleznev Yu. A. Referenčná príručka fyziky pre tých, ktorí vstupujú na univerzity a do samovzdelávania. - M.: Nauka, 1984. - S. 165-169.
>>Fyzika: Elektrický prúd v polovodičoch
Aký je hlavný rozdiel medzi polovodičmi a vodičmi? Aké štrukturálne vlastnosti polovodičov im umožnili prístup ku všetkým rádiovým zariadeniam, televízorom a počítačom?
Rozdiel medzi vodičmi a polovodičmi je zrejmý najmä pri analýze závislosti ich elektrickej vodivosti od teploty. Štúdie ukazujú, že pre množstvo prvkov (kremík, germánium, selén atď.) a zlúčenín (PbS, CdS, GaAs atď.) sa rezistivita nezvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou, ako je to v prípade kovov ( obr.16.3), ale naopak extrémne prudko klesá ( obr.16.4). Takéto látky sú tzv polovodičov.
Z grafu znázorneného na obrázku je vidieť, že pri teplotách blízkych absolútnej nule je rezistivita polovodičov veľmi vysoká. To znamená, že pri nízkych teplotách sa polovodič správa ako izolant. Keď teplota stúpa, jeho odpor rýchlo klesá.
Štruktúra polovodičov. Aby ste zapli tranzistorový prijímač, nemusíte nič vedieť. Na jej vytvorenie však musel človek veľa vedieť a mať mimoriadny talent. Pochopiť vo všeobecnosti, ako funguje tranzistor, nie je také ťažké. Najprv sa musíte zoznámiť s mechanizmom vedenia v polovodičoch. A na to sa musíte ponoriť povaha spojení držiace atómy polovodičového kryštálu vedľa seba.
Predstavte si napríklad kremíkový kryštál.
Kremík je štvormocný prvok. To znamená, že vo vonkajšom obale jeho atómu sú štyri elektróny relatívne slabo viazané na jadro. Počet najbližších susedov každého atómu kremíka je tiež štyri. Schéma štruktúry kryštálu kremíka je na obrázku 16.5.
Interakcia dvojice susedných atómov sa uskutočňuje pomocou väzby pár-elektrón, tzv kovalentná väzba. Na tvorbe tejto väzby sa podieľa jeden valenčný elektrón z každého atómu, ktoré sú oddelené od atómu, ku ktorému patria (zhromaždené kryštálom) a pri svojom pohybe trávia väčšinu času v priestore medzi susednými atómami. Ich záporný náboj udržuje kladné ióny kremíka blízko seba.
Nemali by sme si myslieť, že kolektivizovaný pár elektrónov patrí iba dvom atómom. Každý atóm tvorí štyri väzby so svojimi susedmi a po jednej z nich sa môže pohybovať ktorýkoľvek valenčný elektrón. Po dosiahnutí susedného atómu sa môže presunúť na ďalší a potom ďalej pozdĺž celého kryštálu. Valenčné elektróny patria celému kryštálu.
Väzby pár-elektrón v kremíku sú dostatočne pevné a nelámu sa pri nízkych teplotách. Preto kremík pri nízkych teplotách nevedie elektrinu. Valenčné elektróny, ktoré sa podieľajú na väzbe atómov, sú akoby „cementovacím roztokom“, ktorý drží kryštálovú mriežku a vonkajšie elektrické pole nemá výrazný vplyv na ich pohyb. Kryštál germánia má podobnú štruktúru.
elektronická vodivosť. Pri zahrievaní kremíka sa zvyšuje kinetická energia častíc a jednotlivé väzby sa lámu. Niektoré elektróny opustia svoje „vychodené cesty“ a stanú sa voľnými, ako elektróny v kove. V elektrickom poli sa pohybujú medzi mriežkovými uzlami a vytvárajú elektrický prúd ( obr.16.6).
Vodivosť polovodičov v dôsledku prítomnosti voľných elektrónov v nich sa nazýva elektronická vodivosť. So stúpajúcou teplotou sa zvyšuje počet prerušených väzieb a tým aj počet voľných elektrónov. Pri zahriatí z 300 na 700 K sa počet voľných nosičov náboja zvyšuje z 10 17 na 10 24 1/m 3 . To vedie k zníženiu odporu.
dierové vedenie. Keď sa preruší väzba medzi atómami polovodičov, vytvorí sa vakancia s chýbajúcim elektrónom. Volá sa diera. Diera má nadbytočný kladný náboj v porovnaní so zvyškom neprerušených väzieb (pozri obr. 16.6).
Poloha otvoru v kryštáli nie je pevná. Nasledujúci proces neustále prebieha. Jeden z elektrónov, ktoré zabezpečujú spojenie medzi atómami, preskočí na miesto vzniknutého otvoru a obnoví tu väzbu pár-elektrón a tam, odkiaľ tento elektrón preskočil, vznikne nový otvor. Diera sa teda môže pohybovať po celom kryštáli.
Ak je intenzita elektrického poľa vo vzorke nulová, potom pohyb otvorov, ekvivalentný pohybu kladných nábojov, nastáva náhodne, a preto nevytvára elektrický prúd. V prítomnosti elektrického poľa dochádza k usporiadanému pohybu dier, a teda k elektrickému prúdu voľných elektrónov sa pridáva elektrický prúd spojený s pohybom dier. Smer pohybu dier je opačný ako smer pohybu elektrónov ( obr.16.7).
Pri absencii vonkajšieho poľa existuje jeden otvor (+) pre jeden voľný elektrón (-). Keď sa aplikuje pole, voľný elektrón je posunutý proti intenzite poľa. V tomto smere sa pohybuje aj jeden z viazaných elektrónov. Vyzerá to tak, že diera sa pohybuje v smere poľa.
Takže v polovodičoch existujú dva typy nosičov náboja: elektróny a diery. Preto majú polovodiče nielen elektronické, ale aj vodivosť otvoru.
Uvažovali sme o mechanizme vedenia v čistých polovodičoch. Vodivosť za týchto podmienok je tzv vlastnú vodivosť polovodičov.
Vodivosť čistých polovodičov (vnútorná vodivosť) sa uskutočňuje pohybom voľných elektrónov (elektronické vedenie) a pohybom viazaných elektrónov na voľné miesta párovo-elektrónových väzieb (dierové vedenie).
???
1. Aká väzba sa nazýva kovalentná?
2. Aký je rozdiel medzi závislosťou odporu polovodičov a kovov od teploty?
3. Aké mobilné nosiče náboja existujú v čistom polovodiči?
4. Čo sa stane, keď sa elektrón stretne s dierou?
G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, 10. ročník fyziky
Obsah lekcie zhrnutie lekcie podpora rámcová lekcia prezentácia akceleračné metódy interaktívne technológie Cvičte úlohy a cvičenia sebaskúšanie workshopy, školenia, prípady, questy domáce úlohy diskusia otázky rečnícke otázky študentov Ilustrácie audio, videoklipy a multimédiá fotografie, obrázky, grafika, tabuľky, schémy humor, anekdoty, vtipy, komiksové podobenstvá, výroky, krížovky, citáty Doplnky abstraktyčlánky čipy pre zvedavých cheat sheets učebnice základný a doplnkový slovník pojmov iné Zdokonaľovanie učebníc a vyučovacích hodínoprava chýb v učebnici aktualizácia fragmentu v učebnici prvky inovácie v lekcii nahradenie zastaraných vedomostí novými Len pre učiteľov perfektné lekcie kalendárny plán na rok metodické odporúčania programu diskusie Integrované lekcieAk máte opravy alebo návrhy k tejto lekcii,
