Komu polovodičov materiály zahŕňajú vodivosť, ktorá je väčšia ako u dielektrík, nižšia ako u vodičov. Medzi polovodiče patrí kremík (Si), fosfor (P), germánium (Ge), indium (In), arzén (As).

Polovodiče majú niekoľko funkcií:

Elektrický prúd v polovodičoch je spôsobený tak pohybom voľných elektrónov, ako aj pohybom viazaných elektrónov, takzvaných dier. Preto sa rozlišuje medzi elektrónovou a dierovou vodivosťou. Miesto zanechané elektrónmi je podmienene kladne nabité - diera. Polovodiče s prevažne elektronickou vodivosťou sa nazývajú polovodiče typu (-)n. Polovodiče, ktoré majú prevažne dierovú vodivosť, sa nazývajú polovodiče typu (+)p.

Vodivosť polovodičov je veľmi závislá od teploty, táto závislosť je desiatky krát väčšia ako u kovov. So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje vodivosť polovodičov a znižuje sa odpor, pretože. zvyšuje sa počet párov nosičov náboja ē a otvorov.

Vodivosť polovodičov je vysoko závislá od nečistôt a nazýva sa vodivosť nečistôt. Vodivosť čistých polovodičov je dosť nízka, na zvýšenie vodivosti sa do čistého polovodiča pridáva nečistota.

Nečistota môže mnohonásobne zvýšiť počet voľných elektrónov alebo dier. V prvom prípade (obr.44(a)) hrá nečistota úlohu donoru (daruje elektróny) - vodivosť typu n a v druhom (obr.44(b)) - úlohu akceptora (preberá preč elektróny) - vodivosť typu p.

Polovodičová dióda p-n prechod.

Polovodičové zariadenie s jednostrannou vodivosťou založenou na činnosti p-n prechodu. Prúd môže prechádzať diódou iba v jednom smere.

Na rozhraní dvoch polovodičov s rôznou vodivosťou v dôsledku rôznych koncentrácií elektrónov a dier dochádza k difúzii, v dôsledku ktorej vzniká potenciálový rozdiel (v oblasti typu n vzniká (+) náboj a v tzv. náboj oblasti typu p (-). Existuje intenzita poľa E ext

Ak sa na spojenie p - n - použije vonkajšie pole E 0, potom v závislosti od jeho smeru bude:

1. E 0 sa zhoduje v smere s E vn; E \u003d E 0 + E ext, rozmery ℓ sa zväčšia a nebude prúd

2. Ak je E 0 opačné k E int, potom E \u003d E int - E 0; E vn \u003d E 0; E = 0, cez križovatku potečie elektrický prúd.

Voltampérová charakteristika polovodičovej diódy.

polovodičová trióda

Polovodičová trióda pozostáva z dvoch polovodičov rovnakého typu vodivosti oddelených tenkou vrstvou polovodiča iného typu vodivosti (p-n-p) alebo (n-p-n).

Prúd v tomto systéme je riadený napätím medzi bázou a emitorom, zmena prúdu v obvode emitora spôsobí zmenu prúdu v obvode kolektora a zmena napätia bude významná (zosilnenie napätia) . P / n triódy (tranzistory), ako aj vákuové trubice - triódy sa používajú na zosilnenie a generovanie elektrických kmitov. Tranzistory majú oproti elektronickým výbojkám množstvo výhod - nevyžadujú napájanie na ohrev katódy, sú odolné voči vibráciám, sú malé a pod., ale ich vlastnosti závisia od teploty.

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 sa zvyšuje. 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 vlastného vedenia:

1) elektronický (vodivosť " P"-typ) Pri nízkych teplotách v polovodičoch sú všetky elektróny spojené s jadrami a odpor je veľký; So zvyšovaním teploty sa zvyšuje kinetická energia častíc, lámu sa väzby a objavujú sa voľné elektróny – odpor klesá.

Voľné elektróny sa pohybujú oproti vektoru elektrického poľa. Elektronická vodivosť polovodičov je spôsobená prítomnosťou voľných elektrónov.

2) otvor (vodivosť typu p). So zvýšením teploty sa kovalentné väzby medzi atómami, uskutočňované valenčnými elektrónmi, ničia a vytvárajú sa miesta s chýbajúcim elektrónom - „diera“. Môže sa pohybovať po celom kryštáli, pretože. jeho miesto môžu nahradiť valenčné elektróny. Posunutie "diery" je ekvivalentné pohybu kladného náboja. Otvor sa pohybuje v smere vektora intenzity elektrického poľa.

Pretrhnutie kovalentných väzieb a objavenie sa vlastnej vodivosti polovodičov môže byť spôsobené zahrievaním, osvetlením (fotovodivosť) a pôsobením silných elektrických polí.

Závislosť R (t): termistor

— diaľkové meranie t;

- požiarny hlásič

Celková vodivosť čistého polovodiča je súčtom vodivosti typu "p" a "n" a nazýva sa vodivosť elektrónových dier.

Polovodiče v prítomnosti nečistôt

Majú svoju vlastnú vodivosť a vodivosť nečistôt. Prítomnosť nečistôt výrazne zvyšuje vodivosť. Keď sa zmení koncentrácia nečistôt, zmení sa počet nosičov elektrického prúdu – elektrónov a dier. Schopnosť riadiť prúd je základom širokého používania polovodičov. Existujú nasledujúce nečistoty:

1) darcovské nečistoty (darovanie) - sú doplnkové

dodávatelia elektrónov do polovodičových kryštálov, ľahko darujú elektróny a zvyšujú počet voľných elektrónov v polovodiči. Ide o vodiče "n" - typ, t.j. polovodiče s donorovými nečistotami, kde hlavným nosičom náboja sú elektróny a menšinou 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 "p" - typ, t.j. polovodiče s prímesami akceptora, kde je hlavný nosič náboja

diery a menšinové elektróny. Takýto polovodič má

vodivosť dierovej nečistoty (príkladom je indium).

Elektrické vlastnosti "p-n » prechody.

"pn" prechod (alebo prechod elektrón-diera) - kontaktná plocha dvoch polovodičov, kde sa vodivosť mení z elektronickej na dieru (alebo naopak).

V polovodičovom kryštáli môžu byť takéto oblasti vytvorené 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 zabraňuje

ďalší prechod elektrónov a dier cez hranicu. Bariérová vrstva má v porovnaní s inými oblasťami polovodiča zvýšený odpor.

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.

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.

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 - prenos, rezistor - odpor)

Zvážte jeden z typov germánskych alebo kremíkových tranzistorov s donorovými a akceptorovými nečistotami, ktoré sú do nich zavedené. 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 -prechody, 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, keďže

reverzný odpor je veľmi vysoký. V prítomnosti prúdu vľavo R-n -prechodový prúd sa objavuje aj 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 prúd v obvode emitora a v obvode kolektora bude prakticky chýbať). 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 so zdrojom striedavého napätia zahrnutým v jeho obvode získame synchrónnu zmenu napätia na rezistore R .

Pri veľkom odpore rezistora môže byť zmena napätia na ňom desaťtisíckrát väčšia ako zmena napätia signálu 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.

V polovodičoch ide o usmernený pohyb dier a elektrónov, ktorý je ovplyvnený elektrickým poľom.

V dôsledku experimentov sa zistilo, že elektrický prúd v polovodičoch nie je sprevádzaný prenosom hmoty - nepodliehajú žiadnym chemickým zmenám. Elektróny teda možno považovať za nosiče prúdu v polovodičoch.

Dá sa určiť schopnosť materiálu vytvárať v ňom elektrický prúd.Podľa tohto indikátora vodiče zaujímajú medziľahlú polohu medzi vodičmi a dielektrikami. Polovodiče sú rôzne druhy minerálov, niektoré kovy, sulfidy kovov atď. Elektrický prúd v polovodičoch vzniká v dôsledku koncentrácie voľných elektrónov, ktoré sa môžu v látke pohybovať v určitom smere. Pri porovnaní kovov a vodičov je možné poznamenať, že existuje rozdiel medzi teplotným vplyvom na ich vodivosť. Zvýšenie teploty vedie k zníženiu V polovodičoch sa index vodivosti zvyšuje. Ak sa teplota v polovodiči zvýši, potom bude pohyb voľných elektrónov chaotickejší. Dôvodom je nárast počtu kolízií. V polovodičoch však v porovnaní s kovmi výrazne stúpa koncentrácia voľných elektrónov. Tieto faktory majú opačný vplyv na vodivosť: čím viac zrážok, tým nižšia je vodivosť, čím väčšia je koncentrácia, tým je vyššia. V kovoch neexistuje vzťah medzi teplotou a koncentráciou voľných elektrónov, takže so zmenou vodivosti so zvyšujúcou sa teplotou len klesá možnosť usporiadaného pohybu voľných elektrónov. Čo sa týka polovodičov, efekt zvýšenia koncentrácie je vyšší. Čím viac teda teplota stúpa, tým väčšia bude vodivosť.

Existuje vzťah medzi pohybom nosičov náboja a takou koncepciou, ako je elektrický prúd v polovodičoch. V polovodičoch je vzhľad nosičov náboja charakterizovaný rôznymi faktormi, medzi ktorými je obzvlášť dôležitá teplota a čistota materiálu. Podľa čistoty sa polovodiče delia na nečistoty a vlastné.

Pokiaľ ide o vlastný vodič, vplyv nečistôt pri určitej teplote nemožno považovať za významný. Pretože pásmová medzera v polovodičoch je malá, vo vlastnom polovodiči, keď teplota dosiahne, je valenčné pásmo úplne vyplnené elektrónmi. Ale vodivé pásmo je úplne voľné: nie je v ňom žiadna elektrická vodivosť a funguje ako dokonalé dielektrikum. Pri iných teplotách existuje možnosť, že počas tepelných výkyvov môžu určité elektróny prekonať potenciálnu bariéru a ocitnúť sa vo vodivom pásme.

Thomsonov efekt

Princíp termoelektrického Thomsonovho javu: pri prechode elektrického prúdu v polovodičoch, pozdĺž ktorých je teplotný gradient, sa v nich okrem Jouleovho tepla uvoľní alebo absorbuje ďalšie množstvo tepla v závislosti od smeru, ktorým prúd prúdi. tečie.

Nedostatočne rovnomerné zahrievanie vzorky s homogénnou štruktúrou ovplyvňuje jej vlastnosti, v dôsledku čoho sa látka stáva nehomogénnou. Thomsonov jav je teda špecifický Pelteho jav. Rozdiel je len v tom, že nie je odlišné chemické zloženie vzorky, ale túto nehomogenitu spôsobuje excentricita teploty.

Transport nosiča v polovodičoch

Úvod

Nosiče prúdu v polovodičoch sú elektróny a diery. Súčasné nosiče sa pohybujú v periodickom poli kryštálových atómov, ako keby to boli voľné častice. Vplyv periodického potenciálu ovplyvňuje iba hmotnosť nosiča. To znamená, že pôsobením periodického potenciálu sa hmotnosť nosiča mení. V tomto ohľade fyzika pevných látok zavádza koncept efektívnej hmotnosti elektrónu a diery. Priemerná energia tepelného pohybu elektrónov a dier sa rovná kT/2 pre každý stupeň voľnosti. Tepelná rýchlosť elektrónu a diery pri izbovej teplote je asi 10 7 cm/s.

Ak sa na polovodič aplikuje elektrické pole, potom toto pole spôsobí drift nosičov prúdu. V tomto prípade sa nosná rýchlosť najprv zvýši so zvyšovaním poľa, dosiahne priemernú hodnotu rýchlosti a potom sa prestane meniť, pretože nosné sú rozptýlené. Rozptyl je spôsobený defektmi, nečistotami a emisiou alebo absorpciou fonónov. Hlavným dôvodom rozptylu nosičov sú nabité nečistoty a tepelné vibrácie atómov mriežky (absorpcia/emisia fonónov). Interakcia s nimi vedie k prudkej zmene rýchlosti nosičov a smeru ich pohybu. Zmena smeru rýchlosti nosiča je náhodná. Dodatočným mechanizmom rozptylu nosičov prúdu je rozptyl nosičov na povrchu polovodiča.

V prítomnosti vonkajšieho elektrického poľa je náhodný charakter pohybu nosičov v polovodiči superponovaný riadeným pohybom nosičov pôsobením poľa v intervaloch medzi zrážkami. A aj napriek tomu, že rýchlosť náhodného pohybu nosičov môže mnohonásobne prekročiť rýchlosť usmerneného pohybu nosičov pôsobením elektrického poľa, možno náhodnú zložku pohybu nosičov zanedbať, keďže pri náhodnom pohybe je výsledný nosný tok je nulový. Zrýchlenie nosičov pôsobením vonkajšieho poľa sa riadi zákonmi Newtonovej dynamiky. Rozptyl vedie k prudkej zmene smeru pohybu a veľkosti rýchlosti, ale po rozptyle sa zrýchlený pohyb častice pod pôsobením poľa obnoví.

Čistým účinkom zrážok je, že častice sa nezrýchľujú, ale častice rýchlo dosahujú konštantnú rýchlosť pohybu. To je ekvivalentné zavedeniu spomaľovacej zložky do pohybovej rovnice častice charakterizovanej časovou konštantou t. Počas tohto časového obdobia častica stráca hybnosť mv určená priemernou rýchlosťou v. Pre časticu, ktorá má medzi zrážkami konštantné zrýchlenie, sa táto časová konštanta rovná času medzi dvoma po sebe nasledujúcimi zrážkami. Pozrime sa podrobnejšie na mechanizmy transportu prúdového nosiča v polovodičoch.

unášanieprúd(driftový prúd)

Driftový pohyb nosičov v polovodiči pri pôsobení elektrického poľa možno znázorniť na obrázku XXX. Pole oznamuje dopravcom rýchlosť v.

Obr. Pohyb nosičov pod pôsobením poľa .

Ak predpokladáme, že všetky nosiče v polovodiči sa pohybujú rovnakou rýchlosťou v, potom môže byť prúd vyjadrený ako pomer celkového náboja preneseného medzi elektródami k času t r prechodom tohto náboja z jednej elektródy na druhú, alebo:

kde L – vzdialenosť medzi elektródami.

Prúdová hustota môže byť teraz vyjadrená ako koncentrácia prúdových nosičov n v polovodiči:

kde ALE je plocha prierezu polovodiča.

Mobilita

Charakter pohybu nosičov prúdu v polovodiči v neprítomnosti poľa a pri pôsobení vonkajšieho elektrického poľa je znázornený na obrázku XXX. Ako už bolo uvedené, tepelná rýchlosť elektrónov je rádovo 10 7 cm/s a je oveľa vyššia ako driftová rýchlosť elektrónov.

Obr. Náhodný charakter pohybu prúdových nosičov v polovodiči v neprítomnosti a prítomnosti vonkajšieho poľa.

Uvažujme pohyb nosičov iba pri pôsobení elektrického poľa. Podľa Newtonovho zákona:

kde sila zahŕňa dve zložky - elektrostatickú silu a mínus sila, ktorá spôsobuje stratu hybnosti počas rozptylu, delené časom medzi zrážkami:

Porovnaním týchto výrazov a použitím výrazu pre priemernú rýchlosť dostaneme:

Uvažujme iba stacionárny prípad, keď sa častica už zrýchlila a dosiahla svoju priemernú konštantnú rýchlosť. V tejto aproximácii je rýchlosť úmerná sile elektrického poľa. Koeficient proporcionality medzi poslednými hodnotami je definovaný ako pohyblivosť:

Pohyblivosť je nepriamo úmerná hmotnosti nosiča a priamo úmerná strednej voľnej dráhe.

Hustotu driftového prúdu možno zapísať ako funkciu mobility:

Ako už bolo uvedené, v polovodičoch sa hmotnosť nosičov nerovná hmotnosti elektrónu vo vákuu, m a vzorec mobility by mal využívať efektívnu hmotnosť, m * :

Difúzia prúdových nosičov v polovodičoch.

Difúzny prúd

Ak v polovodiči nie je vonkajšie elektrické pole, potom dochádza k náhodnému pohybu nosičov prúdu - elektrónov a dier pôsobením tepelnej energie. Tento náhodný pohyb nevedie k smerovému pohybu nosičov a vzniku prúdu. Vždy namiesto dopravcu, ktorý odišiel z akéhokoľvek miesta, príde na jeho miesto iný. V celom objeme polovodiča sa teda udržiava rovnomerná hustota nosiča.

Ale situácia sa mení, ak sú nosiče rozmiestnené nerovnomerne po objeme, t.j. existuje koncentračný gradient. V tomto prípade vplyvom koncentračného gradientu dochádza k usmernenému pohybu nosičov - difúzii z oblasti s vyššou koncentráciou do oblasti s nízkou koncentráciou. Smerový pohyb nabitých nosičov pri pôsobení difúzie vytvára difúzny prúd. Pozrime sa na tento efekt podrobnejšie.

Získame vzťah pre difúzny prúd. Budeme vychádzať zo skutočnosti, že k smerovému pohybu nosičov pri pôsobení koncentračného gradientu dochádza v dôsledku tepelného pohybu (pri teplote
podľa Kelvina pre každý stupeň voľnosti častice existuje energia
), t.j. difúzia chýba pri nulovej teplote (drift nosiča je možný aj pri 0K).

Napriek tomu, že náhodný charakter pohybu nosičov pri pôsobení tepla vyžaduje štatistický prístup, odvodenie vzorca pre difúzny prúd bude založené na použití priemerných hodnôt charakterizujúcich procesy. Výsledok je rovnaký.

Uveďme priemerné hodnoty - priemernú tepelnú rýchlosť v th, stredný čas medzi kolíziami,  a stredná voľná cesta, l. Priemerná tepelná rýchlosť môže byť smerovaná v kladnom aj zápornom smere. Tieto veličiny sú vzájomne prepojené vzťahom

Zvážte situáciu s nehomogénnym rozložením elektrónov n(X) (pozri obrázok XXX).

Obr. jeden Profil hustoty nosiča použitý na odvodenie aktuálneho vyjadrenia difúzie

Zvážte tok elektrónov cez rovinu so súradnicou X = 0. Nosiče prichádzajú do tejto roviny ako z ľavej strany súradnice X = - l, a vpravo zo strany súradnice X = l. Tok elektrónov zľava doprava je

kde koeficient ½ znamená, že polovica elektrónov je v rovine so súradnicou X = - l sa pohybuje doľava a druhá polovica sa pohybuje doprava. Podobne aj tok elektrónov cez X = 0 prichádzajúce z pravej strany X = + l sa bude rovnať:

Celkový tok elektrónov prechádzajúci rovinou X = 0 zľava doprava bude:

Za predpokladu, že stredná voľná dráha elektrónov je dostatočne malá, môžeme zapísať rozdiel v koncentráciách elektrónov vpravo a vľavo od súradnice X = 0 cez pomer rozdielu koncentrácií k vzdialenosti medzi rovinami, t.j. cez derivát:

Hustota prúdu elektrónov sa bude rovnať:

Zvyčajne je súčin tepelnej rýchlosti a strednej voľnej dráhy nahradený jediným faktorom, ktorý sa nazýva koeficient elektrónovej difúzie, D n .

Podobné vzťahy možno napísať aj pre difúzny prúd dier:

Malo by sa pamätať len na to, že náboj dier je kladný.

Existuje vzťah medzi koeficientom difúzie a pohyblivosťou. Aj keď sa na prvý pohľad môže zdať, že tieto koeficienty by spolu nemali súvisieť, pretože difúzia nosičov je spôsobená tepelným pohybom a drift nosičov je spôsobený vonkajším elektrickým poľom. Jeden z hlavných parametrov, čas medzi kolíziami, by však nemal závisieť od príčiny, ktorá spôsobila pohyb nosičov.

Definíciu tepelnej rýchlosti používame ako,

a závery termodynamiky, že pre každý stupeň voľnosti pohybu elektrónov existuje tepelná energia kT/2, rovná sa kinetice:

Z týchto vzťahov je možné získať súčin tepelnej rýchlosti a strednej voľnej dráhy, vyjadrený ako pohyblivosť nosiča:

Ale už sme definovali súčin rýchlosti tepla a strednej voľnej dráhy ako koeficient difúzie. Potom možno posledný vzťah pre elektróny a diery zapísať v nasledujúcom tvare:

Tieto vzťahy sa nazývajú Einsteinove vzťahy.

Celkový prúd

Celkový prúd cez polovodič je súčtom driftového a difúzneho prúdu. Pre hustotu elektrónového prúdu môžeme napísať:

a podobne pre diery:

Celková hustota prúdu cez polovodič sa rovná súčtu prúdu elektrónu a diery:

Celkový prúd cez polovodič sa rovná súčinu hustoty prúdu a plochy polovodiča:

Prúd možno zapísať aj v nasledujúcom tvare:

Rovnovážny stav pre nehomogénne dopovaný polovodič

(stav bez prúdu cez polovodič)

V tejto lekcii budeme uvažovať o takomto médiu na prechod elektrického prúdu ako o polovodičoch. Zvážime princíp ich vodivosti, závislosť tejto vodivosti od teploty a prítomnosti nečistôt, zvážime taký koncept ako p-n prechod a základné polovodičové zariadenia.

Ak vytvoríte priame spojenie, potom vonkajšie pole neutralizuje blokovacie pole a prúd budú tvoriť hlavné nosiče náboja (obr. 9).

Ryža. 9. p-n križovatka s priamym spojením ()

V tomto prípade je prúd menšinových nosičov zanedbateľný, prakticky neexistuje. Preto p-n prechod poskytuje jednosmerné vedenie elektrického prúdu.

Ryža. 10. Atómová štruktúra kremíka so zvyšujúcou sa teplotou

Vodivosť polovodičov je elektrónová diera a takáto vodivosť sa nazýva vlastná vodivosť. A na rozdiel od vodivých kovov so zvyšujúcou sa teplotou len rastie počet voľných nábojov (v prvom prípade sa nemení), preto so zvyšujúcou sa teplotou rastie vodivosť polovodičov a klesá odpor (obr. 10).

Veľmi dôležitou otázkou pri štúdiu polovodičov je prítomnosť nečistôt v nich. A v prípade prítomnosti nečistôt by sa malo hovoriť o vodivosti nečistôt.

Polovodiče

Vďaka malým rozmerom a veľmi vysokej kvalite prenášaných signálov sú polovodičové zariadenia veľmi bežné v modernej elektronickej technike. Zloženie takýchto zariadení môže zahŕňať nielen spomínaný kremík s nečistotami, ale napríklad aj germánium.

Jedným z týchto zariadení je dióda - zariadenie schopné prechádzať prúdom v jednom smere a brániť jeho prechodu v druhom smere. Získava sa implantáciou iného typu polovodiča do polovodičového kryštálu typu p alebo n (obr. 11).

Ryža. 11. Označenie diódy na schéme a schéme jej zariadenia, resp

Ďalšie zariadenie, teraz s dvoma p-n prechodmi, sa nazýva tranzistor. Slúži nielen na voľbu smeru toku prúdu, ale aj na jeho premenu (obr. 12).

Ryža. 12. Schéma štruktúry tranzistora a jeho označenie na elektrickom obvode, respektíve ()

Treba poznamenať, že moderné mikroobvody používajú veľa kombinácií diód, tranzistorov a iných elektrických zariadení.

V ďalšej lekcii sa pozrieme na šírenie elektrického prúdu vo vákuu.

Bibliografia

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fyzika (základná úroveň) - M.: Mnemozina, 2012.
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. 10. ročník z fyziky. - M.: Ileksa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. fyzika. Elektrodynamika. - M.: 2010.

1. Princípy činnosti zariadení ().
2. Encyklopédia fyziky a techniky ().

Domáca úloha

1. Čo spôsobuje vodivosť elektrónov v polovodiči?
2. Čo je to vlastná vodivosť polovodiča?
3. Ako závisí vodivosť polovodiča od teploty?
4. Aký je rozdiel medzi nečistotou darcu a nečistotou akceptora?
5. * Akú vodivosť má kremík s prímesou a) gália, b) india, c) fosforu, d) antimónu?