Sa semiconductors, ito ang direktang paggalaw ng mga butas at electron, na naiimpluwensyahan ng isang electric field.

Bilang resulta ng mga eksperimento, nabanggit na ang electric current sa semiconductors ay hindi sinamahan ng paglipat ng bagay - hindi sila sumasailalim sa anumang mga pagbabago sa kemikal. Kaya, ang mga electron ay maaaring ituring na kasalukuyang mga carrier sa semiconductors.

Ang kakayahan ng isang materyal na bumuo ng isang electric current sa loob nito ay maaaring matukoy.Ayon sa indicator na ito, ang mga conductor ay sumasakop sa isang intermediate na posisyon sa pagitan ng mga conductor at dielectrics. Ang mga semiconductor ay iba't ibang uri ng mineral, ilang metal, metal sulfide, atbp. Ang electric current sa semiconductors ay lumitaw dahil sa konsentrasyon ng mga libreng electron, na maaaring lumipat sa isang direksyon sa isang sangkap. Ang paghahambing ng mga metal at conductor, mapapansin na mayroong pagkakaiba sa pagitan ng epekto ng temperatura sa kanilang conductivity. Ang pagtaas ng temperatura ay humahantong sa pagbaba Sa mga semiconductor, ang conductivity index ay tumataas. Kung ang temperatura sa semiconductor ay tumaas, kung gayon ang paggalaw ng mga libreng electron ay magiging mas magulo. Ito ay dahil sa pagtaas ng bilang ng mga banggaan. Gayunpaman, sa mga semiconductors, kung ihahambing sa mga metal, ang konsentrasyon ng mga libreng electron ay tumataas nang malaki. Ang mga salik na ito ay may kabaligtaran na epekto sa kondaktibiti: mas maraming banggaan, mas mababa ang kondaktibiti, mas malaki ang konsentrasyon, mas mataas ito. Sa mga metal, walang kaugnayan sa pagitan ng temperatura at ng konsentrasyon ng mga libreng electron, kaya na may pagbabago sa kondaktibiti na may pagtaas ng temperatura, ang posibilidad ng isang iniutos na paggalaw ng mga libreng electron ay bumababa lamang. Tungkol sa semiconductors, ang epekto ng pagtaas ng konsentrasyon ay mas mataas. Kaya, kung mas tumataas ang temperatura, mas malaki ang kondaktibiti.

Mayroong kaugnayan sa pagitan ng paggalaw ng mga carrier ng singil at tulad ng isang konsepto bilang electric current sa semiconductors. Sa semiconductors, ang hitsura ng mga carrier ng singil ay nailalarawan sa pamamagitan ng iba't ibang mga kadahilanan, kung saan ang temperatura at kadalisayan ng materyal ay lalong mahalaga. Sa pamamagitan ng kadalisayan, ang mga semiconductor ay nahahati sa karumihan at intrinsic.

Tulad ng para sa intrinsic conductor, ang impluwensya ng mga impurities sa isang tiyak na temperatura ay hindi maituturing na makabuluhan para sa kanila. Dahil ang band gap sa semiconductors ay maliit, sa isang intrinsic semiconductor, kapag ang temperatura ay umabot, ang valence band ay ganap na napuno ng mga electron. Ngunit ang banda ng pagpapadaloy ay ganap na libre: walang electrical conductivity sa loob nito, at ito ay gumagana bilang isang perpektong dielectric. Sa ibang mga temperatura, may posibilidad na sa panahon ng thermal fluctuations ay maaaring malampasan ng ilang electron ang potensyal na hadlang at mahanap ang kanilang mga sarili sa conduction band.

Epekto ni Thomson

Ang prinsipyo ng thermoelectric Thomson effect: kapag ang isang electric current ay ipinapasa sa mga semiconductors kung saan mayroong isang temperatura gradient, bilang karagdagan sa Joule heat, ang mga karagdagang halaga ng init ay ilalabas o masisipsip sa kanila, depende sa direksyon kung saan ang kasalukuyang umaagos.

Ang hindi sapat na pare-parehong pag-init ng isang sample na may homogenous na istraktura ay nakakaapekto sa mga katangian nito, bilang isang resulta kung saan ang sangkap ay nagiging inhomogeneous. Kaya, ang Thomson phenomenon ay isang partikular na Pelte phenomenon. Ang pagkakaiba lamang ay hindi ang kemikal na komposisyon ng sample ang naiiba, ngunit ang eccentricity ng temperatura ay nagiging sanhi ng inhomogeneity na ito.

Ang mga semiconductor ay mga sangkap na sumasakop sa isang intermediate na posisyon sa mga tuntunin ng electrical conductivity sa pagitan ng mahusay na conductors at good insulators (dielectrics).

Ang mga semiconductor ay mga elementong kemikal din (germanium Ge, silicon Si, selenium Se, tellurium Te), at mga compound ng mga elemento ng kemikal (PbS, CdS, atbp.).

Ang likas na katangian ng kasalukuyang mga carrier sa iba't ibang semiconductors ay iba. Sa ilan sa kanila, ang mga tagadala ng singil ay mga ions; sa iba, ang mga tagadala ng singil ay mga electron.

Intrinsic conductivity ng semiconductors

Mayroong dalawang uri ng intrinsic conduction sa semiconductors: electronic conduction at hole conduction sa semiconductors.

1. Electronic conductivity ng semiconductors.

Ang electronic conductivity ay isinasagawa sa pamamagitan ng direktang paggalaw sa interatomic space ng mga libreng electron na umalis sa valence shell ng atom bilang resulta ng mga panlabas na impluwensya.

2. Hole conductivity ng semiconductors.

Ang pagpapadaloy ng butas ay isinasagawa sa direksyon ng paggalaw ng mga valence electron sa mga bakanteng lugar sa mga pares-electron bond - mga butas. Ang valence electron ng isang neutral na atom na matatagpuan malapit sa isang positibong ion (butas) ay naaakit sa butas at tumalon dito. Sa kasong ito, ang isang positibong ion (butas) ay nabuo sa halip ng isang neutral na atom, at isang neutral na atom ay nabuo sa lugar ng isang positibong ion (butas).

Sa isang perpektong purong semiconductor na walang anumang mga dayuhang impurities, ang bawat libreng elektron ay tumutugma sa pagbuo ng isang butas, i.e. ang bilang ng mga electron at butas na kasangkot sa paglikha ng kasalukuyang ay pareho.

Ang kondaktibiti kung saan nangyayari ang parehong bilang ng mga tagadala ng singil (mga electron at butas) ay tinatawag na intrinsic conductivity ng semiconductors.

Ang intrinsic conductivity ng semiconductors ay kadalasang maliit, dahil ang bilang ng mga libreng electron ay maliit. Ang pinakamaliit na bakas ng mga impurities ay radikal na nagbabago sa mga katangian ng semiconductors.

Electrical conductivity ng semiconductors sa pagkakaroon ng mga impurities

Ang mga dumi sa isang semiconductor ay mga atomo ng mga dayuhang elemento ng kemikal na hindi nakapaloob sa pangunahing semiconductor.

Impurity conductivity- ito ang conductivity ng semiconductors, dahil sa pagpapakilala ng mga impurities sa kanilang mga kristal na sala-sala.

Sa ilang mga kaso, ang impluwensya ng mga impurities ay nagpapakita mismo sa katotohanan na ang "butas" na mekanismo ng pagpapadaloy ay halos imposible, at ang kasalukuyang sa semiconductor ay isinasagawa pangunahin sa pamamagitan ng paggalaw ng mga libreng electron. Ang ganitong mga semiconductor ay tinatawag mga elektronikong semiconductor o n-type na mga semiconductor(mula sa salitang Latin na negativus - negatibo). Ang mga pangunahing tagadala ng singil ay mga electron, at hindi ang mga pangunahing mga butas. Ang n-type semiconductors ay mga semiconductor na may mga donor impurities.

1. Mga dumi ng donor.

Ang mga donor impurities ay ang mga madaling mag-donate ng mga electron at, dahil dito, pinapataas ang bilang ng mga libreng electron. Ang mga donor impurities ay nagbibigay ng mga conduction electron nang walang hitsura ng parehong bilang ng mga butas.

Ang isang tipikal na halimbawa ng isang donor impurity sa tetravalent germanium Ge ay pentavalent arsenic atoms As.

Sa ibang mga kaso, ang paggalaw ng mga libreng electron ay nagiging halos imposible, at ang kasalukuyang ay isinasagawa lamang sa pamamagitan ng paggalaw ng mga butas. Ang mga semiconductor na ito ay tinatawag butas na semiconductor o mga semiconductor na uri ng p(mula sa salitang Latin na positivus - positibo). Ang mga pangunahing carrier ng singil ay mga butas, at hindi ang pangunahing - mga electron. . Ang mga semiconductor ng p-type ay mga semiconductor na may mga acceptor impurities.

Ang mga impurities ng acceptor ay mga dumi kung saan walang sapat na mga electron upang bumuo ng mga normal na pares-electron bond.

Ang isang halimbawa ng isang acceptor impurity sa germanium Ge ay trivalent gallium atoms Ga

Ang electric current sa pamamagitan ng contact ng semiconductors ng p-type at n-type p-n junction ay ang contact layer ng dalawang impurity semiconductors ng p-type at n-type; Ang p-n junction ay isang hangganan na naghihiwalay sa mga rehiyon na may butas (p) pagpapadaloy at elektronikong (n) pagpapadaloy sa parehong kristal.

direktang p-n junction

Kung ang n-semiconductor ay konektado sa negatibong poste ng pinagmumulan ng kapangyarihan, at ang positibong poste ng pinagmumulan ng kapangyarihan ay konektado sa p-semiconductor, pagkatapos ay sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field, ang mga electron sa n-semiconductor at ang ang mga butas sa p-semiconductor ay lilipat patungo sa isa't isa sa semiconductor interface. Ang mga electron, tumatawid sa hangganan, "punan" ang mga butas, ang kasalukuyang sa pamamagitan ng pn junction ay isinasagawa ng mga pangunahing carrier ng singil. Bilang resulta, ang conductivity ng buong sample ay tumataas. Sa tulad ng isang direktang (throughput) na direksyon ng panlabas na electric field, ang kapal ng barrier layer at ang paglaban nito ay bumababa.

Sa direksyon na ito, ang kasalukuyang ay dumadaan sa hangganan ng dalawang semiconductors.

Baliktarin ang pn junction

Kung ang n-semiconductor ay konektado sa positibong poste ng pinagmumulan ng kapangyarihan, at ang p-semiconductor ay konektado sa negatibong poste ng pinagmumulan ng kapangyarihan, kung gayon ang mga electron sa n-semiconductor at mga butas sa p-semiconductor sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field ay lilipat mula sa interface sa magkasalungat na direksyon, ang kasalukuyang sa pamamagitan ng p -n-transition ay isinasagawa ng mga minor charge carrier. Ito ay humahantong sa isang pampalapot ng layer ng hadlang at isang pagtaas sa paglaban nito. Bilang isang resulta, ang kondaktibiti ng sample ay lumalabas na hindi gaanong mahalaga, at ang paglaban ay malaki.

Nabubuo ang tinatawag na barrier layer. Sa direksyong ito ng panlabas na patlang, ang electric current ay halos hindi dumadaan sa contact ng p- at n-semiconductors.

Kaya, ang paglipat ng electron-hole ay may isang panig na pagpapadaloy.

Ang pag-asa ng kasalukuyang sa boltahe - volt - kasalukuyang katangian ng p-n junction ay ipinapakita sa figure (volt - kasalukuyang katangian ng direktang p-n junction ay ipinapakita ng isang solidong linya, volt - ampere na katangian ng reverse p-n junction ay ipinapakita sa pamamagitan ng isang tuldok na linya).

Semiconductor:

Semiconductor diode - para sa pagwawasto ng alternating current, gumagamit ito ng isang p - n - junction na may iba't ibang resistances: sa pasulong na direksyon, ang paglaban ng p - n - junction ay mas mababa kaysa sa reverse direksyon.

Photoresistors - para sa pagpaparehistro at pagsukat ng mahinang light fluxes. Sa kanilang tulong, matukoy ang kalidad ng mga ibabaw, kontrolin ang mga sukat ng mga produkto.

Thermistors - para sa malayuang pagsukat ng temperatura, mga alarma sa sunog.

Semiconductor- ito ay isang sangkap kung saan ang resistivity ay maaaring mag-iba sa isang malawak na hanay at bumababa nang napakabilis sa pagtaas ng temperatura, na nangangahulugan na ang electrical conductivity (1 / R) ay tumataas.
- sinusunod sa silikon, germanium, siliniyum at sa ilang mga compound.

Mekanismo ng pagpapadaloy semiconductor

Ang mga semiconductor na kristal ay may atomic na kristal na sala-sala, kung saan ang mga panlabas na electron ay nakatali sa mga kalapit na atomo sa pamamagitan ng mga covalent bond.

Sa mababang temperatura, ang mga purong semiconductor ay walang mga libreng electron at ito ay kumikilos tulad ng isang dielectric.

Ang mga semiconductor ay dalisay (walang mga impurities)

Kung ang semiconductor ay dalisay (walang mga impurities), kung gayon mayroon ito sariling conductivity, na maliit.

Mayroong dalawang uri ng intrinsic conduction:

1 elektroniko(conductivity "n" - uri)

Sa mababang temperatura sa semiconductors, ang lahat ng mga electron ay nauugnay sa nuclei at ang paglaban ay malaki; habang tumataas ang temperatura, tumataas ang kinetic energy ng mga particle, nasira ang mga bono at lumilitaw ang mga libreng electron - bumababa ang paglaban.
Ang mga libreng electron ay gumagalaw sa tapat ng vector ng lakas ng patlang ng kuryente.
Ang electronic conductivity ng semiconductors ay dahil sa pagkakaroon ng mga libreng electron.

2. butas-butas(conductivity "p"-type)

Sa pagtaas ng temperatura, ang mga covalent bond sa pagitan ng mga atom ay nawasak, na isinasagawa ng mga valence electron, at ang mga lugar na may nawawalang elektron ay nabuo - isang "butas".
Maaari itong lumipat sa buong kristal, dahil. ang lugar nito ay maaaring mapalitan ng mga valence electron. Ang paglipat ng "butas" ay katumbas ng paglipat ng isang positibong singil.
Ang butas ay gumagalaw sa direksyon ng electric field strength vector.

Bilang karagdagan sa pag-init, ang pagkasira ng mga covalent bond at ang hitsura ng intrinsic conductivity ng semiconductors ay maaaring sanhi ng pag-iilaw (photoconductivity) at ang pagkilos ng malalakas na electric field.

Ang kabuuang kondaktibiti ng isang purong semiconductor ay ang kabuuan ng mga kondaktibiti ng mga uri ng "p" at "n"
at tinatawag na electron-hole conductivity.

Semiconductor sa pagkakaroon ng mga impurities

Meron sila sariling + karumihan kondaktibiti
Ang pagkakaroon ng mga impurities ay lubos na nagpapataas ng conductivity.
Kapag nagbabago ang konsentrasyon ng mga impurities, nagbabago ang bilang ng mga carrier ng electric current - mga electron at butas.
Ang kakayahang kontrolin ang kasalukuyang pinagbabatayan ng malawakang paggamit ng mga semiconductor.

Umiiral:

1)donor mga dumi (naglalabas)

Ang mga ito ay karagdagang mga tagapagtustos ng mga electron sa semiconductor crystals, madaling mag-donate ng mga electron at dagdagan ang bilang ng mga libreng electron sa isang semiconductor.
Ito ay mga konduktor "n" - uri, ibig sabihin. Semiconductor na may mga donor impurities, kung saan ang pangunahing charge carrier ay mga electron, at ang minority ay mga butas.
Ang nasabing semiconductor ay may electronic impurity conductivity.

Halimbawa, arsenic.

2. tumanggap mga dumi (host)

Lumilikha sila ng "mga butas" sa pamamagitan ng pagkuha ng mga electron sa kanilang sarili.
Ito ay mga semiconductor "p" - uri, mga. Semiconductor na may mga impurities ng acceptor, kung saan ang pangunahing tagadala ng singil ay mga butas, at ang minorya ay mga electron.
Ang nasabing semiconductor ay may butas na impurity conductivity.

Halimbawa, indium.

Mga katangian ng elektrikal ng "p-n" junction

"p-n" na paglipat(o electron-hole transition) - ang contact area ng dalawang semiconductors, kung saan nagbabago ang conductivity mula sa electronic patungo sa hole (o vice versa).

Sa isang semiconductor na kristal, ang mga naturang rehiyon ay maaaring malikha sa pamamagitan ng pagpapakilala ng mga impurities. Sa contact zone ng dalawang semiconductors na may iba't ibang conductivity, magaganap ang mutual diffusion. mga electron at butas at isang nakaharang na electric layer ay nabuo.Ang electric field ng blocking layer ay pumipigil sa karagdagang paglipat ng mga electron at butas sa hangganan. Ang barrier layer ay may mas mataas na resistensya kumpara sa ibang mga lugar ng semiconductor.

Ang panlabas na electric field ay nakakaapekto sa paglaban ng barrier layer.
Sa direktang (transmission) na direksyon ng panlabas na electric field, ang electric current ay dumadaan sa hangganan ng dalawang semiconductors.
kasi ang mga electron at butas ay lumipat patungo sa isa't isa sa interface, pagkatapos ay ang mga electron, tumatawid sa interface, punan ang mga butas. Ang kapal ng barrier layer at ang resistensya nito ay patuloy na bumababa.

Access mode p-n transition:

Sa pagharang (reverse) na direksyon ng panlabas na electric field, ang electric current ay hindi dadaan sa contact area ng dalawang semiconductors.
kasi ang mga electron at butas ay gumagalaw mula sa hangganan sa magkasalungat na direksyon, pagkatapos ay lumapot ang blocking layer, tumataas ang resistensya nito.

Pag-block ng mode p-n transition.

>>Physics: Electric current sa semiconductors

Ano ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng semiconductors at conductor? Anong mga structural feature ng semiconductors ang nagbigay sa kanila ng access sa lahat ng mga radio device, telebisyon at computer?
Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga konduktor at semiconductor ay lalong maliwanag kapag sinusuri ang pag-asa ng kanilang elektrikal na kondaktibiti sa temperatura. Ipinakikita ng mga pag-aaral na para sa isang bilang ng mga elemento (silicon, germanium, selenium, atbp.) at mga compound (PbS, CdS, GaAs, atbp.), ang resistivity ay hindi tumataas sa pagtaas ng temperatura, tulad ng sa mga metal ( fig.16.3), ngunit, sa kabilang banda, bumababa nang husto ( fig.16.4). Ang mga naturang sangkap ay tinatawag semiconductor.

Mula sa graph na ipinakita sa figure, makikita na sa mga temperatura na malapit sa absolute zero, ang resistivity ng semiconductors ay napakataas. Nangangahulugan ito na sa mababang temperatura ang semiconductor ay kumikilos tulad ng isang insulator. Habang tumataas ang temperatura, mabilis na bumababa ang resistivity nito.
Ang istraktura ng semiconductor. Upang i-on ang transistor receiver, hindi mo kailangang malaman ang anuman. Ngunit upang malikha ito, ang isang tao ay kailangang malaman ng maraming at magkaroon ng isang pambihirang talento. Upang maunawaan sa mga pangkalahatang tuntunin kung paano gumagana ang isang transistor ay hindi napakahirap. Una kailangan mong pamilyar sa mekanismo ng pagpapadaloy sa semiconductors. At para dito kailangan mong bungkalin ang likas na katangian ng mga koneksyon hawak ang mga atom ng isang semiconductor na kristal sa tabi ng bawat isa.
Halimbawa, isaalang-alang ang isang silikon na kristal.
Ang silikon ay isang elementong tetravalent. Nangangahulugan ito na mayroong apat na electron sa panlabas na shell ng atom nito, na medyo mahinang nakagapos sa nucleus. Ang bilang ng mga pinakamalapit na kapitbahay ng bawat silicon atom ay apat din. Ang isang diagram ng istraktura ng isang silikon na kristal ay ipinapakita sa Figure 16.5.

Ang pakikipag-ugnayan ng isang pares ng mga kalapit na atom ay isinasagawa gamit ang isang pares-electron bond, na tinatawag covalent bond. Sa pagbuo ng bono na ito, ang isang valence electron ay nakikilahok mula sa bawat atom, na nahihiwalay sa atom kung saan sila nabibilang (na kinokolekta ng kristal) at, sa kanilang paggalaw, ginugugol ang karamihan ng kanilang oras sa espasyo sa pagitan ng mga kalapit na atomo. Ang kanilang negatibong singil ay nagpapanatili sa mga positibong ion ng silikon na malapit sa isa't isa.
Hindi dapat isipin ng isa na ang collectivized na pares ng mga electron ay nabibilang lamang sa dalawang atomo. Ang bawat atom ay bumubuo ng apat na bono sa mga kapitbahay nito, at anumang valence electron ay maaaring gumalaw kasama ang isa sa kanila. Nang maabot ang kalapit na atom, maaari itong magpatuloy sa susunod, at pagkatapos ay higit pa sa buong kristal. Ang mga electron ng Valence ay nabibilang sa buong kristal.
Ang mga pares-electron bond sa isang silikon na kristal ay sapat na malakas at hindi masira sa mababang temperatura. Samakatuwid, ang silikon ay hindi nagsasagawa ng kuryente sa mababang temperatura. Ang mga valence electron na kasangkot sa pagbubuklod ng mga atom ay, kumbaga, isang "solusyon sa pagsemento" na humahawak sa kristal na sala-sala, at ang isang panlabas na electric field ay walang kapansin-pansing epekto sa kanilang paggalaw. Ang isang germanium crystal ay may katulad na istraktura.
elektronikong kondaktibiti. Kapag pinainit ang silikon, tumataas ang kinetic energy ng mga particle, at masisira ang mga indibidwal na bono. Ang ilang mga electron ay umaalis sa kanilang mga "pinalo na landas" at nagiging malaya, tulad ng mga electron sa isang metal. Sa isang electric field, lumilipat sila sa pagitan ng mga lattice node, na lumilikha ng electric current ( fig.16.6).

Ang conductivity ng semiconductors dahil sa pagkakaroon ng mga libreng electron sa kanila ay tinatawag elektronikong kondaktibiti. Habang tumataas ang temperatura, tumataas ang bilang ng mga nasirang bono, at samakatuwid ang bilang ng mga libreng electron. Kapag pinainit mula 300 hanggang 700 K, ang bilang ng mga free charge carrier ay tataas mula 10 17 hanggang 10 24 1/m 3 . Ito ay humahantong sa pagbaba ng resistensya.
pagpapadaloy ng butas. Kapag ang isang bono ay nasira sa pagitan ng mga atomo ng semiconductor, isang bakante ay nabuo sa isang nawawalang elektron. Tinatawag siya butas. Ang butas ay may labis na positibong singil kumpara sa iba pang hindi naputol na mga bono (tingnan ang Fig. 16.6).
Ang posisyon ng butas sa kristal ay hindi naayos. Ang sumusunod na proseso ay patuloy na nangyayari. Ang isa sa mga electron na nagbibigay ng koneksyon sa pagitan ng mga atomo ay tumalon sa lugar ng nabuong butas at nagpapanumbalik ng pares-electron bond dito, at kung saan tumalon ang elektron na ito, nabuo ang isang bagong butas. Kaya, ang butas ay maaaring lumipat sa buong kristal.
Kung ang lakas ng electric field sa sample ay zero, kung gayon ang paggalaw ng mga butas, katumbas ng paggalaw ng mga positibong singil, ay nangyayari nang random at samakatuwid ay hindi lumilikha ng isang electric current. Sa pagkakaroon ng isang electric field, ang isang iniutos na paggalaw ng mga butas ay nangyayari, at, sa gayon, ang isang electric current na nauugnay sa paggalaw ng mga butas ay idinagdag sa electric current ng mga libreng electron. Ang direksyon ng paggalaw ng mga butas ay kabaligtaran sa direksyon ng paggalaw ng mga electron ( fig.16.7).

Sa kawalan ng panlabas na field, mayroong isang butas (+) para sa isang libreng electron (-). Kapag inilapat ang isang patlang, ang isang libreng elektron ay inilipat laban sa lakas ng patlang. Ang isa sa mga nakagapos na electron ay gumagalaw din sa direksyong ito. Parang gumagalaw ang butas sa direksyon ng field.
Kaya, sa semiconductors mayroong dalawang uri ng mga carrier ng singil: mga electron at mga butas. Samakatuwid, ang mga semiconductor ay hindi lamang electronic, kundi pati na rin kondaktibiti ng butas.
Isinaalang-alang namin ang mekanismo ng pagpapadaloy sa purong semiconductor. Ang conductivity sa ilalim ng mga kundisyong ito ay tinatawag sariling conductivity semiconductor.
Ang conductivity ng purong semiconductors (intrinsic conductivity) ay isinasagawa sa pamamagitan ng paggalaw ng mga libreng electron (electronic conduction) at ang paggalaw ng mga nakagapos na electron sa mga bakanteng lugar ng pares-electron bond (hole conduction).

???
1. Anong bono ang tinatawag na covalent?
2. Ano ang pagkakaiba sa pagitan ng pagtitiwala ng paglaban ng mga semiconductor at mga metal sa temperatura?
3. Anong mga mobile charge carrier ang mayroon sa isang purong semiconductor?
4. Ano ang mangyayari kapag ang isang electron ay nakakatugon sa isang butas?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Physics Grade 10

Nilalaman ng aralin buod ng aralin suporta frame lesson presentation accelerative methods interactive na mga teknolohiya Magsanay mga gawain at pagsasanay mga workshop sa pagsusuri sa sarili, pagsasanay, kaso, quests homework discussion questions retorikal na mga tanong mula sa mga mag-aaral Mga Ilustrasyon audio, mga video clip at multimedia mga larawan, mga larawang graphics, mga talahanayan, mga scheme ng katatawanan, mga anekdota, mga biro, komiks, mga talinghaga, mga kasabihan, mga crossword puzzle, mga quote Mga add-on mga abstract articles chips for inquisitive cheat sheets textbooks basic and additional glossary of terms other Pagpapabuti ng mga aklat-aralin at mga aralinpagwawasto ng mga pagkakamali sa aklat-aralin pag-update ng isang fragment sa aklat-aralin na mga elemento ng pagbabago sa aralin na pinapalitan ng mga bago ang hindi na ginagamit na kaalaman Para lamang sa mga guro perpektong mga aralin plano sa kalendaryo para sa taon na mga rekomendasyong pamamaraan ng programa ng talakayan Pinagsanib na Aralin

Kung mayroon kang mga pagwawasto o mungkahi para sa araling ito,

Transportasyon ng carrier sa mga semiconductor

Panimula

Ang mga kasalukuyang carrier sa semiconductors ay mga electron at butas. Ang mga kasalukuyang carrier ay gumagalaw sa pana-panahong larangan ng mga kristal na atomo na parang sila ay mga libreng particle. Ang epekto ng pana-panahong potensyal ay nakakaapekto lamang sa masa ng carrier. Iyon ay, sa ilalim ng pagkilos ng pana-panahong potensyal, nagbabago ang masa ng carrier. Kaugnay nito, ipinakilala ng solid state physics ang konsepto ng epektibong masa ng isang elektron at isang butas. Ang average na enerhiya ng thermal motion ng mga electron at butas ay katumbas ng kT/2 para sa bawat antas ng kalayaan. Ang thermal velocity ng isang electron at isang butas sa room temperature ay mga 10 7 cm/s.

Kung ang isang electric field ay inilapat sa isang semiconductor, ang field na ito ay magiging sanhi ng pag-anod ng kasalukuyang mga carrier. Sa kasong ito, ang bilis ng carrier ay tataas muna nang may pagtaas sa field, maaabot ang average na halaga ng bilis, at pagkatapos ay hihinto sa pagbabago, dahil ang mga carrier ay nakakalat. Ang pagkalat ay sanhi ng mga depekto, dumi, at paglabas o pagsipsip ng mga phonon. Ang pangunahing dahilan para sa pagkalat ng carrier ay sinisingil ng mga impurities at thermal vibrations ng lattice atoms (absorption/emission of phonons). Ang pakikipag-ugnayan sa kanila ay humahantong sa isang matalim na pagbabago sa bilis ng mga carrier at ang direksyon ng kanilang paggalaw. Ang pagbabago sa direksyon ng bilis ng carrier ay random. Ang isang karagdagang mekanismo para sa scattering ng kasalukuyang carrier ay ang scattering ng carrier sa ibabaw ng isang semiconductor.

Sa pagkakaroon ng isang panlabas na electric field, ang random na likas na katangian ng paggalaw ng mga carrier sa isang semiconductor ay superimposed ng nakadirekta na paggalaw ng mga carrier sa ilalim ng pagkilos ng field sa mga pagitan sa pagitan ng mga banggaan. At kahit na sa kabila ng katotohanan na ang bilis ng random na paggalaw ng mga carrier ay maaaring maraming beses na lumampas sa bilis ng nakadirekta na paggalaw ng mga carrier sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field, ang random na bahagi ng paggalaw ng mga carrier ay maaaring mapabayaan, dahil sa random na paggalaw ay nagreresulta. Ang daloy ng carrier ay zero. Ang pagbilis ng mga carrier sa ilalim ng pagkilos ng isang panlabas na larangan ay sumusunod sa mga batas ng dynamics ni Newton. Ang scattering ay humahantong sa isang matalim na pagbabago sa direksyon ng paggalaw at ang magnitude ng bilis, ngunit pagkatapos ng scattering, ang pinabilis na paggalaw ng particle sa ilalim ng pagkilos ng field ay nagpapatuloy.

Ang netong epekto ng mga banggaan ay ang mga particle ay hindi bumibilis, ngunit ang mga particle ay mabilis na umabot sa isang pare-pareho ang bilis ng paggalaw. Katumbas ito ng pagpasok ng isang nagpapabagal na bahagi sa equation ng paggalaw ng isang particle na nailalarawan ng isang pare-parehong oras. t. Sa panahong ito, nawawalan ng momentum ang particle mv tinutukoy ng average na bilis v. Para sa isang particle na may pare-parehong acceleration sa pagitan ng mga banggaan, ang oras na ito ay pare-pareho ay katumbas ng oras sa pagitan ng dalawang magkasunod na banggaan. Isaalang-alang natin nang mas detalyado ang mga mekanismo ng kasalukuyang transportasyon ng carrier sa semiconductors.

pag-anodkasalukuyang(Drift Current)

Ang drift motion ng mga carrier sa isang semiconductor sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field ay maaaring ilarawan ng Figure XXX. Sinasabi ng field sa mga carrier ang bilis v.

Fig. Ang paggalaw ng mga carrier sa ilalim ng pagkilos ng field .

Kung ipagpalagay natin na ang lahat ng mga carrier sa isang semiconductor ay gumagalaw sa parehong bilis v, kung gayon ang kasalukuyang ay maaaring ipahayag bilang ratio ng kabuuang singil na inilipat sa pagitan ng mga electrodes hanggang sa oras t r pagpasa ng singil na ito mula sa isang electrode patungo sa isa pa, o:

saan L – distansya sa pagitan ng mga electrodes.

Ang kasalukuyang density ay maaari na ngayong ipahayag sa mga tuntunin ng konsentrasyon ng kasalukuyang mga carrier n sa semiconductor:

saan PERO ay ang cross-sectional area ng semiconductor.

Mobility

Ang likas na katangian ng paggalaw ng mga kasalukuyang carrier sa isang semiconductor sa kawalan ng isang field at sa ilalim ng pagkilos ng isang panlabas na electric field ay ipinapakita sa Figure XXX. Tulad ng nabanggit na, ang thermal velocity ng mga electron ay nasa order na 10 7 cm/s, at ito ay mas mataas kaysa sa drift velocity ng mga electron.

Fig. Random na katangian ng paggalaw ng kasalukuyang mga carrier sa isang semiconductor sa kawalan at pagkakaroon ng isang panlabas na larangan.

Isaalang-alang ang paggalaw ng mga carrier lamang sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field. Ayon sa batas ni Newton:

kung saan ang puwersa ay kinabibilangan ng dalawang bahagi - ang electrostatic force at minus ang puwersa na nagiging sanhi ng pagkawala ng momentum sa panahon ng scattering, na hinati sa oras sa pagitan ng mga banggaan:

Ang pag-equate ng mga expression na ito at paggamit ng expression para sa average na bilis, makakakuha tayo ng:

Isaalang-alang lamang natin ang nakatigil na kaso, kapag ang butil ay bumilis na at umabot sa average na pare-parehong bilis nito. Sa pagtatantya na ito, ang bilis ay proporsyonal sa lakas ng electric field. Ang koepisyent ng proporsyonalidad sa pagitan ng mga huling halaga ay tinukoy bilang kadaliang kumilos:

Ang kadaliang kumilos ay inversely proportional sa masa ng carrier at direktang proporsyonal sa mean free path.

Ang drift current density ay maaaring isulat bilang isang function ng mobility:

Tulad ng nabanggit na, sa mga semiconductor ang masa ng mga carrier ay hindi katumbas ng masa ng isang electron sa vacuum, m at ang formula para sa kadaliang kumilos ay dapat gumamit ng epektibong masa, m * :

Pagsasabog ng kasalukuyang mga carrier sa semiconductors.

Kasalukuyang pagsasabog

Kung walang panlabas na electric field sa semiconductor, pagkatapos ay mayroong isang random na paggalaw ng kasalukuyang mga carrier - mga electron at mga butas sa ilalim ng pagkilos ng thermal energy. Ang random na paggalaw na ito ay hindi humahantong sa direksyon ng paggalaw ng mga carrier at ang pagbuo ng kasalukuyang. Laging sa halip na ang carrier na umalis sa anumang lugar, isa pa ang darating sa kanyang lugar. Kaya, ang isang pare-parehong density ng carrier ay pinananatili sa buong dami ng semiconductor.

Ngunit nagbabago ang sitwasyon kung ang mga carrier ay ibinahagi nang hindi pantay sa dami, i.e. mayroong gradient ng konsentrasyon. Sa kasong ito, sa ilalim ng impluwensya ng gradient ng konsentrasyon, nangyayari ang isang direktang paggalaw ng mga carrier - pagsasabog mula sa rehiyon kung saan mas mataas ang konsentrasyon sa rehiyon na may mababang konsentrasyon. Ang direksyong paggalaw ng mga sisingilin na carrier sa ilalim ng pagkilos ng diffusion ay lumilikha ng diffusion current. Isaalang-alang natin ang epektong ito nang mas detalyado.

Nakukuha namin ang isang kaugnayan para sa kasalukuyang pagsasabog. Magpapatuloy kami mula sa katotohanan na ang direksyon ng paggalaw ng mga carrier sa ilalim ng pagkilos ng gradient ng konsentrasyon ay nangyayari bilang isang resulta ng thermal motion (sa isang temperatura
ayon kay Kelvin, para sa bawat antas ng kalayaan ng isang particle, mayroong isang enerhiya
), ibig sabihin. wala ang diffusion sa zero temperature (posible rin ang carrier drift sa 0K).

Sa kabila ng katotohanan na ang random na kalikasan ng paggalaw ng mga carrier sa ilalim ng pagkilos ng init ay nangangailangan ng isang istatistikal na diskarte, ang derivation ng isang formula para sa kasalukuyang pagsasabog ay ibabatay sa paggamit ng mga average na halaga na nagpapakilala sa mga proseso. Ang resulta ay pareho.

Ipakilala natin ang mga average na halaga - ang average na thermal velocity v ika, ibig sabihin ng oras sa pagitan ng mga banggaan,  , at ang ibig sabihin ng libreng landas, l. Ang average na thermal velocity ay maaaring idirekta sa parehong positibo at negatibong direksyon. Ang mga dami na ito ay magkakaugnay ng kaugnayan

Isaalang-alang ang sitwasyon na may hindi magkakatulad na pamamahagi ng mga electron n(x) (tingnan ang Larawan XXX).

Fig. isa Ang profile ng density ng carrier na ginamit upang makuha ang kasalukuyang diffusion expression

Isaalang-alang ang daloy ng mga electron sa pamamagitan ng isang eroplanong may coordinate x = 0. Dumating ang mga carrier sa eroplanong ito bilang mula sa kaliwang bahagi ng coordinate x = - l, at sa kanan mula sa gilid ng coordinate x = l. Ang daloy ng mga electron mula kaliwa hanggang kanan ay

kung saan ang coefficient ½ ay nangangahulugan na ang kalahati ng mga electron ay nasa eroplano na may coordinate x = - l gumagalaw sa kaliwa at ang kalahati ay gumagalaw sa kanan. Katulad nito, ang daloy ng mga electron sa pamamagitan ng x = 0 galing sa kanang bahagi x = + l ay magiging katumbas ng:

Ang kabuuang daloy ng mga electron na dumadaan sa eroplano x = 0 mula kaliwa hanggang kanan, ay magiging:

Ipagpalagay na ang ibig sabihin ng libreng landas ng mga electron ay sapat na maliit, maaari nating isulat ang pagkakaiba sa mga konsentrasyon ng elektron sa kanan at kaliwa ng coordinate x = 0 sa pamamagitan ng ratio ng pagkakaiba sa konsentrasyon sa distansya sa pagitan ng mga eroplano, i.e. sa pamamagitan ng derivative:

Ang kasalukuyang density ng elektron ay magiging katumbas ng:

Karaniwan, ang produkto ng thermal velocity at ang mean free path ay pinapalitan ng isang salik, na tinatawag na electron diffusion coefficient, D n .

Ang mga katulad na relasyon ay maaari ding isulat para sa kasalukuyang diffusion ng butas:

Dapat lamang tandaan na ang singil ng mga butas ay positibo.

May kaugnayan sa pagitan ng diffusion coefficient at mobility. Bagaman sa unang sulyap ay maaaring mukhang hindi dapat nauugnay ang mga coefficient na ito, dahil ang pagsasabog ng mga carrier ay dahil sa thermal motion, at ang drift ng mga carrier ay dahil sa isang panlabas na electric field. Gayunpaman, ang isa sa mga pangunahing parameter, ang oras sa pagitan ng mga banggaan, ay hindi dapat depende sa dahilan na naging sanhi ng paglipat ng mga carrier.

Ginagamit namin ang kahulugan ng thermal velocity bilang,

at ang mga konklusyon ng thermodynamics na para sa bawat antas ng kalayaan ng paggalaw ng elektron ay mayroong thermal energy kT/2, katumbas ng kinetic:

Mula sa mga ugnayang ito, maaaring makuha ng isa ang produkto ng thermal velocity at ang ibig sabihin ng libreng landas, na ipinahayag sa mga tuntunin ng kadaliang mapakilos ng carrier:

Ngunit natukoy na natin ang produkto ng thermal velocity at ang ibig sabihin ng libreng landas bilang ang diffusion coefficient. Pagkatapos ang huling kaugnayan para sa mga electron at butas ay maaaring isulat sa sumusunod na anyo:

Ang mga ugnayang ito ay tinatawag na relasyong Einstein.

Kabuuang kasalukuyang

Ang kabuuang kasalukuyang sa pamamagitan ng isang semiconductor ay ang kabuuan ng drift at diffusion current. Para sa kasalukuyang density ng elektron, maaari naming isulat:

at katulad din para sa mga butas:

Ang kabuuang kasalukuyang density sa pamamagitan ng semiconductor ay katumbas ng kabuuan ng electron at hole current:

Ang kabuuang kasalukuyang sa pamamagitan ng semiconductor ay katumbas ng produkto ng kasalukuyang density at ang lugar ng semiconductor:

Ang kasalukuyang ay maaari ding isulat sa sumusunod na anyo:

Equilibrium na kondisyon para sa isang inhomogeneously doped semiconductor

(kondisyon ng walang kasalukuyang sa pamamagitan ng semiconductor)