جریان الکتریکی در نیمه هادی ها بدون ناخالصی انجام می شود. جریان الکتریکی در نیمه هادی ها دیود نیمه هادی. دستگاه های نیمه هادی

نیمه هادی ها در هدایت الکتریکی بین هادی ها و نارساناهای جریان الکتریکی جایگاه متوسطی را اشغال می کنند. گروه نیمه هادی ها شامل مواد بسیار بیشتری نسبت به گروه هادی ها و نارساناها با هم هستند. مشخص ترین نمایندگان نیمه هادی ها یافت شد کاربرد عملیدر تکنولوژی ژرمانیوم، سیلیکون، سلنیوم، تلوریم، آرسنیک، اکسید مس و تعداد زیادی آلیاژ و ترکیبات شیمیایی. تقریبا همه چیز نیست مواد آلیدنیای اطراف ما - نیمه هادی ها. رایج ترین نیمه هادی در طبیعت سیلیکون است که حدود 30 درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد.

تفاوت کیفی بین نیمه هادی ها و فلزات در درجه اول در وابستگی ظاهر می شود. مقاومتروی دما با کاهش دما، مقاومت فلزات کاهش می یابد. برعکس در نیمه هادی ها با کاهش دما مقاومت افزایش می یابد و نزدیک به صفر مطلق عملاً به عایق تبدیل می شوند.

در نیمه هادی ها، غلظت حامل های بار آزاد با افزایش دما افزایش می یابد. مکانیسم جریان الکتریکی در نیمه هادی ها را نمی توان در چارچوب مدل گاز توضیح داد الکترون های آزاد.

اتم های ژرمانیوم دارای چهار الکترون ضعیف در لایه بیرونی خود هستند.به آنها الکترون های ظرفیتی می گویند. در یک شبکه کریستالی، هر اتم توسط چهار همسایه نزدیک خود احاطه شده است. پیوند بین اتم ها در یک کریستال ژرمانیوم کووالانسی است، یعنی توسط جفت الکترون ظرفیت انجام می شود. هر الکترون ظرفیتی متعلق به دو اتم است. الکترون‌های ظرفیتی در کریستال ژرمانیوم بسیار قوی‌تر از فلزات به اتم‌ها متصل هستند. بنابراین، غلظت الکترون های رسانا در دمای اتاقدر نیمه هادی ها نسبت به فلزات قدری بسیار کمتر است. دمای نزدیک به صفر مطلق در یک کریستال ژرمانیوم، تمام الکترون ها در تشکیل پیوندها اشغال می شوند. چنین کریستالی جریان الکتریکی را هدایت نمی کند.

با افزایش دما، برخی از الکترون های ظرفیت ممکن است انرژی کافی برای شکستن پیوندهای کووالانسی به دست آورند. سپس الکترون های آزاد (الکترون های رسانا) در کریستال ظاهر می شوند. در همان زمان، جای خالی در مکان هایی که پیوندها شکسته می شوند، که توسط الکترون ها اشغال نمی شوند، تشکیل می شوند. به این جاهای خالی "حفره" می گویند.

در یک دمای نیمه هادی معین، تعداد معینی جفت الکترون-حفره در واحد زمان تشکیل می شود. در همان زمان، روند معکوس رخ می دهد - هنگامی که یک الکترون آزاد با یک سوراخ برخورد می کند، پیوند الکترونیکی بین اتم های ژرمانیوم بازسازی می شود. این فرآیند را نوترکیبی می نامند. هنگامی که یک نیمه هادی به دلیل انرژی تابش الکترومغناطیسی روشن می شود، می توان جفت الکترون-حفره ایجاد کرد.

اگر یک نیمه هادی در آن قرار داده شود میدان الکتریکیپس نه تنها الکترون های آزاد در حرکت منظم دخیل هستند، بلکه حفره هایی نیز مانند ذرات با بار مثبت رفتار می کنند. بنابراین، جریان I در یک نیمه هادی از جریان های الکترون I n و سوراخ I p تشکیل شده است: I = I n + I p.

غلظت الکترون های رسانا در یک نیمه هادی برابر با غلظت حفره ها است: n n = n p. مکانیسم هدایت حفره الکترون فقط در نیمه هادی های خالص (یعنی بدون ناخالصی) ظاهر می شود. به آن هدایت الکتریکی ذاتی نیمه هادی ها می گویند.

در حضور ناخالصی ها، هدایت الکتریکی نیمه هادی ها به شدت تغییر می کند. به عنوان مثال، اضافه کردن ناخالصی ها فسفربه کریستال سیلیکوندر مقدار 001/0 درصد اتمی مقاومت مقاومت را بیش از پنج مرتبه قدر کاهش می دهد.

نیمه هادی که در آن ناخالصی وارد می شود (یعنی بخشی از اتم های یک نوع با اتم های نوع دیگر جایگزین می شود) نامیده می شود. ناخالصی یا دوپینگ

دو نوع هدایت ناخالصی وجود دارد - هدایت الکتریکی و رسانایی سوراخ.

بنابراین، هنگام دوپینگ چهار ظرفیتی ژرمانیوم (Ge) یا سیلیکون (Si) پنج ظرفیتی - فسفر (P)، آنتیموان (Sb)، آرسنیک (As) یک الکترون آزاد اضافی در محل اتم ناخالصی ظاهر می شود. در این صورت نجاست نامیده می شود اهدا کننده .

هنگام دوپینگ ژرمانیوم چهار ظرفیتی (Ge) یا سیلیکون (Si) با سه ظرفیتی - آلومینیوم (Al)، ایندیم (Jn)، بور (B)، گالیم (Ga) - یک سوراخ خط ظاهر می شود. چنین ناخالصی هایی نامیده می شود پذیرنده .

در همین نمونه مواد نیمه هادییک بخش ممکن است p - رسانایی و دیگری n - رسانایی داشته باشد. چنین وسیله ای دیود نیمه هادی نامیده می شود.

پیشوند "دی" در کلمه "دیود" به معنای "دو" است، این نشان می دهد که دستگاه دارای دو "قسمت" اصلی است، دو کریستال نیمه هادی نزدیک به یکدیگر: یکی با رسانایی p (این منطقه است. ص)رسانایی دیگر - با n - (این منطقه است ص).در واقع یک دیود نیمه هادی یک کریستال است که در قسمتی از آن ناخالصی دهنده وارد می شود (منطقه ص)به دیگری - پذیرنده (منطقه ص).

اگر یک ولتاژ ثابت "پلاس" را به منطقه از باتری تا دیود اعمال کنید rو "منهای" به منطقه n، سپس بارهای آزاد - الکترون ها و حفره ها - به سمت مرز و با عجله به محل اتصال pn می روند. در اینجا آنها یکدیگر را خنثی می کنند، اتهامات جدید به مرز نزدیک می شوند و الف دی سی. این به اصطلاح اتصال مستقیم یک دیود است - بارها به شدت از طریق آن حرکت می کنند و یک جریان رو به جلو نسبتاً بزرگ در مدار جریان می یابد.

حالا بیایید قطبیت ولتاژ دیود را تغییر دهیم و همانطور که می گویند آن را برعکس روشن کنیم - باتری "plus" را به منطقه وصل کنید p"منهای" - به منطقه rبارهای آزاد از مرز دور می‌شوند، الکترون‌ها به سمت «بعلاوه»، سوراخ‌ها به «منفی» حرکت می‌کنند و در نتیجه اتصال pn به منطقه‌ای بدون بار آزاد، به یک عایق خالص تبدیل می‌شود. این بدان معنی است که مدار قطع می شود و جریان در آن قطع می شود.

یک جریان معکوس کوچک همچنان از طریق دیود جریان خواهد داشت. زیرا، علاوه بر بارهای اصلی آزاد (حامل بار) - الکترون ها، در منطقه n، و سوراخ در ناحیه p - در هر یک از مناطق نیز مقدار ناچیزی از بارهای علامت مخالف وجود دارد. اینها حامل های بار اقلیت خودشان هستند، آنها در هر نیمه هادی وجود دارند، به دلیل حرکات حرارتی اتم ها در آن ظاهر می شوند و آنها هستند که جریان معکوس را از طریق دیود ایجاد می کنند. این بارها نسبتاً کوچک هستند و جریان معکوس چندین برابر کمتر از جریان رو به جلو است. مقدار جریان معکوس به شدت به: دما بستگی دارد محیط زیست، مواد نیمه هادی و مساحت p-nانتقال با افزایش سطح اتصال، حجم آن افزایش می یابد و بنابراین تعداد حامل های اقلیت که در نتیجه تولید حرارتی و جریان حرارتی ظاهر می شوند افزایش می یابد. اغلب مشخصه های ولتاژ جریان در قالب نمودار برای وضوح ارائه می شود.

با سلام خدمت خوانندگان محترم سایت. این سایت دارای بخشی است که به آماتورهای رادیویی مبتدی اختصاص داده شده است، اما تا کنون واقعاً چیزی برای مبتدیانی که اولین قدم های خود را به دنیای الکترونیک می گذارند ننوشته ام. من این شکاف را پر می کنم و با این مقاله شروع به آشنایی با ساختار و عملکرد قطعات رادیویی (قطعات رادیویی) می کنیم.

بیایید با دستگاه های نیمه هادی شروع کنیم. اما برای درک نحوه عملکرد یک دیود، تریستور یا ترانزیستور، باید تصور کنید که چیست نیمه هادی. بنابراین ابتدا به بررسی ساختار و خواص نیمه هادی ها در سطح مولکولی می پردازیم و سپس به نحوه عملکرد و طراحی اجزای رادیویی نیمه هادی می پردازیم.

مفاهیم کلی

چرا دقیقا نیمه هادیدیود، ترانزیستور یا تریستور؟ زیرا اساس این اجزای رادیویی است نیمه هادی ها- موادی که هم می توانند جریان الکتریکی را هدایت کنند و هم از عبور آن جلوگیری کنند.

این گروه بزرگی از مواد مورد استفاده در مهندسی رادیو (ژرمانیوم، سیلیکون، سلنیوم، اکسید مس) است، اما عمدتا فقط سیلیکون(Si) و ژرمانیوم( جنرال الکتریک).

از نظر خواص الکتریکی، نیمه هادی ها بین رساناها و نارسانای جریان الکتریکی جایگاه متوسطی را اشغال می کنند.

خواص نیمه هادی ها

هدایت الکتریکی هادی ها به شدت به دمای محیط بستگی دارد.
در خیلی پاییندمای نزدیک به صفر مطلق(-273 درجه سانتیگراد)، نیمه هادی ها انجام ندهندجریان الکتریکی و افزایش دهددما، مقاومت آنها در برابر جریان کاهش می یابد.

اگر به یک نیمه هادی اشاره کنید نور، سپس هدایت الکتریکی آن شروع به افزایش می کند. با استفاده از این خاصیت نیمه هادی ها، آنها ایجاد شدند فتوولتائیکدستگاه ها نیمه هادی ها همچنین قادر به تبدیل انرژی نور به جریان الکتریکی هستند، به عنوان مثال، پانل های خورشیدی. و وقتی وارد نیمه هادی ها شد ناخالصی هابرخی از مواد، هدایت الکتریکی آنها به شدت افزایش می یابد.

ساختار اتم های نیمه هادی

ژرمانیوم و سیلیکون مواد اصلی بسیاری از دستگاه های نیمه هادی هستند و دارای چهار دستگاه هستند الکترون ظرفیت.

اتم آلماناز 32 الکترون و یک اتم تشکیل شده است سیلیکوناز 14. اما فقط 28 الکترون های اتم ژرمانیوم و 10 الکترون های یک اتم سیلیکون که در لایه های داخلی پوسته آنها قرار دارند، توسط هسته ها محکم نگه داشته می شوند و هرگز از آنها جدا نمی شوند. فقط فقط چهارالکترون‌های ظرفیت اتم‌های این رساناها می‌توانند آزاد شوند، و حتی در این صورت نه همیشه. و اگر یک اتم نیمه هادی حداقل یک الکترون را از دست بدهد، تبدیل می شود یون مثبت.

در یک نیمه رسانا، اتم ها به ترتیب دقیقی مرتب شده اند: هر اتم توسط احاطه شده است. چهارهمان اتم ها علاوه بر این، آنها آنقدر نزدیک به یکدیگر قرار دارند که الکترون های ظرفیت آنها مدارهای منفردی را تشکیل می دهند که از اطراف اتم های همسایه عبور می کنند و در نتیجه اتم ها را به یک ماده کامل متصل می کنند.

اجازه دهید رابطه اتم ها را در یک کریستال نیمه هادی به شکل یک نمودار مسطح تصور کنیم.
در نمودار، توپ های قرمز با علامت مثبت، به طور معمول، نشان می دهد هسته های اتمی(یون های مثبت)، و توپ های آبی هستند الکترون های ظرفیت.

در اینجا می توانید ببینید که در اطراف هر اتم وجود دارد چهاردقیقاً همان اتم ها و هر یک از این چهار اتم با چهار اتم دیگر و غیره ارتباط دارند. هر یک از اتم ها به هر همسایه متصل است دوالکترون های ظرفیتی، با یک الکترون متعلق به خود و دیگری از اتم همسایه به عاریت گرفته شده است. به چنین پیوندی دو الکترونی یا کووالانسی.

به نوبه خود، لایه بیرونی پوسته الکترونی هر اتم شامل هشتالکترون ها: چهارخودشون و به تنهایی، وام گرفته شده از چهار همسایهاتم ها در اینجا دیگر نمی توانید تشخیص دهید که کدام یک از الکترون های ظرفیت اتم "مال شما" و کدام "خارجی" است، زیرا آنها رایج شده اند. با چنین اتصال اتم ها در سراسر جرم یک کریستال ژرمانیوم یا سیلیکون، می توانیم در نظر بگیریم که کریستال نیمه هادی یک بلور بزرگ است. مولکول. در شکل دایره های صورتی و زرد ارتباط بین این دو را نشان می دهد لایه های بیرونیپوسته دو اتم همسایه

هدایت الکتریکی یک نیمه هادی.

یک طرح ساده از یک کریستال نیمه هادی را در نظر بگیرید، که در آن اتم ها با یک توپ قرمز با علامت مثبت نشان داده می شوند، و پیوندهای بین اتمی با دو خط نماد الکترون های ظرفیت نشان داده می شوند.

در دمای نزدیک به صفر مطلق، یک نیمه هادی انجام نمی دهدجاری، از آنجایی که وجود ندارد الکترون های آزاد. اما با افزایش دما، اتصال الکترون های ظرفیت با هسته اتم ضعیف می کندو برخی از الکترون ها به دلیل حرکت حرارتی ممکن است اتم های خود را ترک کنند. الکترونی که از یک پیوند بین اتمی فرار می کند تبدیل به " رایگان"، و جایی که قبلا بود، شکل می گیرد فضای خالی، که به طور متعارف نامیده می شود سوراخ.

چگونه بالاتردمای نیمه هادی، بیشترعاری از الکترون و حفره می شود. در نتیجه، معلوم می شود که تشکیل "حفره" با خروج یک الکترون ظرفیت از پوسته اتم همراه است و خود سوراخ تبدیل می شود. مثبت بار الکتریکیبرابر منفیبار الکترون

حالا بیایید به شکلی که به صورت شماتیک نشان می دهد نگاه کنیم پدیده تولید فعلی در یک نیمه هادی.

اگر مقداری ولتاژ به نیمه هادی، مخاطبین "+" و "-" اعمال کنید، جریانی در آن ایجاد می شود.
با توجه به پدیده های حرارتی، در یک کریستال نیمه هادی از پیوندهای بین اتمی آغاز خواهد شد خودت را آزاد کنتعداد معینی الکترون (توپ های آبی با فلش). جذب الکترون ها مثبتقطب منبع ولتاژ خواهد بود حرکت کنیدبه سمت او، پشت سر گذاشت سوراخ ها، که توسط دیگران پر خواهد شد الکترون های آزاد شده. یعنی تحت تأثیر خارجی میدان الکتریکیحامل های بار سرعت مشخصی از حرکت جهت دار را بدست می آورند و در نتیجه ایجاد می کنند جریان الکتریکی.

به عنوان مثال: الکترون آزاد شده نزدیک به قطب مثبت منبع ولتاژ جذب می کنداین قطب شکستن پیوند بین اتمی و ترک آن، الکترون برگبعد از خودم سوراخ. یکی دیگر از الکترون آزاد شده، که در برخی از حذفاز قطب مثبت نیز جذب می کندقطب و حرکت می کندنسبت به او، اما ملاقات کردنیک سوراخ در مسیر آن وجود دارد و به درون آن کشیده شده است هستهاتم، پیوند بین اتمی را بازیابی می کند.

حاصله جدیدسوراخ بعد از الکترون دوم، پر می کندسومین الکترون آزاد شده که در کنار این سوراخ قرار دارد (شکل شماره 1). به نوبه خود سوراخ هاواقع در نزدیکترین منفیقطب، پر از دیگران الکترون های آزاد شده(شکل شماره 2). بنابراین، جریان الکتریکی در نیمه هادی ایجاد می شود.

در حالی که در یک نیمه هادی فعال است میدان الکتریکی، این فرآیند مستمر: پیوندهای بین اتمی شکسته می شوند - الکترون های آزاد ظاهر می شوند - سوراخ ها تشکیل می شوند. حفره ها با الکترون های آزاد شده پر می شوند - پیوندهای بین اتمی بازسازی می شوند، در حالی که سایر پیوندهای بین اتمی شکسته می شوند، که الکترون ها از آنها خارج می شوند و حفره های بعدی را پر می کنند (شکل شماره 2-4).

از این نتیجه می گیریم: الکترون ها از قطب منفی منبع ولتاژ به سمت مثبت حرکت می کنند و حفره ها از قطب مثبت به سمت منفی حرکت می کنند.

رسانایی الکترون سوراخ

در یک کریستال نیمه هادی "خالص" عدد منتشر شد V در حال حاضرالکترون ها برابر با عدد در حال ظهوردر این مورد، سوراخ ها، بنابراین هدایت الکتریکی چنین نیمه هادی کوچک، زیرا جریان الکتریکی را فراهم می کند بزرگمقاومت، و این هدایت الکتریکی نامیده می شود خود.

اما اگر آن را به یک نیمه هادی به شکل اضافه کنید ناخالصی هاتعداد معینی از اتم های عناصر دیگر، هدایت الکتریکی آن به میزان قابل توجهی افزایش می یابد و بسته به آن سازه هااتم های عناصر ناخالص، هدایت الکتریکی نیمه هادی خواهد بود الکترونیکییا سوراخ.

هدایت الکترونیکی

فرض کنید، در یک کریستال نیمه هادی که اتم ها دارای چهار الکترون ظرفیت هستند، یک اتم را با اتمی که در آن پنجالکترون های ظرفیت این اتم با آن چهارالکترون ها با چهار اتم همسایه نیمه هادی پیوند خواهند داشت و پنجمالکترون ظرفیت باقی خواهد ماند" اضافی- یعنی رایگان. و چه چیزی بیشتر بیشترالکترون های آزاد وجود خواهد داشت، به این معنی که چنین نیمه هادی از نظر خواص به فلز نزدیک تر است و برای عبور جریان الکتریکی از آن، آن را پیوندهای بین اتمی لزوماً نباید از بین بروند.

نیمه هادی هایی با چنین ویژگی هایی نیمه هادی هایی با رسانایی «نوعی» نامیده می شوند. n"، یا نیمه هادی ها n-نوع در اینجا حرف لاتین n از کلمه "منفی" آمده است - یعنی "منفی". نتیجه می شود که در یک نیمه هادی n-نوع اصلیحامل های شارژ عبارتند از - الکترون ها، و نه موارد اصلی - سوراخ ها.

رسانایی سوراخ

بیایید همان کریستال را در نظر بگیریم، اما اکنون اتم آن را با اتمی جایگزین کنید که فقط در آن وجود دارد سهالکترون آزاد با سه الکترون خود فقط تماس خواهد گرفت سهاتم های همسایه، و به اندازه کافی برای پیوند با اتم چهارم نخواهد بود یکیالکترون در نتیجه تشکیل می شود سوراخ. به طور طبیعی، با هر الکترون آزاد دیگری که در نزدیکی آن قرار دارد پر می شود، اما در هر صورت، چنین نیمه هادی در کریستال وجود نخواهد داشت. چنگ زدنالکترون ها برای پر کردن حفره ها و چه چیزی بیشترچنین اتمی در یک کریستال وجود خواهد داشت، بنابراین بیشترسوراخ هایی وجود خواهد داشت

به طوری که الکترون های آزاد می توانند آزاد شوند و در چنین نیمه هادی حرکت کنند، پیوندهای ظرفیت بین اتم ها باید شکسته شود. اما هنوز الکترون های کافی وجود نخواهد داشت، زیرا تعداد حفره ها همیشه وجود خواهد داشت بیشترتعداد الکترون ها در هر زمان معین

این گونه نیمه هادی ها را نیمه هادی ها با سوراخرسانایی یا هادی ها ص-type که از لاتین "positive" به معنای "مثبت" ترجمه شده است. بنابراین، پدیده جریان الکتریکی در یک کریستال نیمه هادی نوع p با یک پیوسته همراه است ظهورو ناپدید شدنبارهای مثبت - سوراخ. این بدان معناست که در یک نیمه هادی ص-نوع اصلیحامل های شارژ هستند سوراخ ها، و نه اصلی ترین - الکترون ها.

اکنون که تصوری از پدیده های رخ داده در نیمه هادی ها دارید، درک اصل عملکرد اجزای رادیویی نیمه هادی برای شما دشوار نخواهد بود.

بیایید در اینجا توقف کنیم و دستگاه، اصل عملکرد دیود را در نظر بگیریم و مشخصه جریان-ولتاژ و مدارهای سوئیچینگ آن را تجزیه و تحلیل کنیم.
موفق باشید!

منبع:

1 . بوریسوف V.G. - رادیو آماتور جوان. 1985
2 . وب سایت Academy.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

درس شماره 41-169 جریان الکتریکیدر نیمه هادی ها دیود نیمه هادی. دستگاه های نیمه هادی.

نیمه هادی ماده ای است که در آن مقاومت می تواند در محدوده وسیعی تغییر کند و با افزایش دما خیلی سریع کاهش می یابد، به این معنی که رسانایی الکتریکی افزایش می یابد. در سیلیکون، ژرمانیوم، سلنیوم و در برخی ترکیبات مشاهده می شود.

مکانیزم رسانایی در نیمه هادی ها

کریستال های نیمه هادی دارای یک شبکه کریستالی اتمی هستند که در آن الکترون های بیرونی توسط پیوندهای کووالانسی به اتم های همسایه متصل می شوند. در دمای پاییننیمه هادی های خالص الکترون آزاد ندارند و مانند دی الکتریک رفتار می کنند. اگر نیمه هادی خالص (بدون ناخالصی) باشد، رسانایی خاص خود را دارد (کوچک).

دو نوع هدایت ذاتی وجود دارد:

1) الکترونیکی (رسانایی" n"-نوع) در دماهای پایین در نیمه هادی ها، تمام الکترون ها با هسته ها مرتبط هستند و مقاومت بالاست. با افزایش دما انرژی جنبشیذرات افزایش می یابد، پیوندها شکسته می شوند و الکترون های آزاد ظاهر می شوند - مقاومت کاهش می یابد.

الکترون های آزاد برخلاف بردار شدت میدان الکتریکی حرکت می کنند. رسانایی الکترونیکی نیمه هادی ها به دلیل وجود الکترون های آزاد است.

2) سوراخ (رسانایی نوع p). با افزایش دما، پیوندهای کووالانسی بین الکترون‌های ظرفیت شکسته می‌شود و فضاهایی با یک الکترون از دست رفته - یک "حفره" - تشکیل می‌شود. می تواند در سراسر کریستال حرکت کند، زیرا جای آن را می توان با الکترون های ظرفیت جایگزین کرد. حرکت یک "سوراخ" معادل حرکت یک بار مثبت است. سوراخ در جهت بردار شدت میدان الکتریکی حرکت می کند.

شکستن پیوندهای کووالانسی و ظهور رسانایی ذاتی در نیمه هادی ها می تواند در اثر گرما، نور (رسانایی نوری) و عمل میدان های الکتریکی قوی ایجاد شود.

وابستگی R(t): ترمیستور

- اندازه گیری از راه دور t;

- اعلام حریق

رسانایی کل یک نیمه هادی خالص مجموع رسانایی انواع "p" و "n" است و رسانایی الکترون-حفره نامیده می شود.

نیمه هادی های دارای ناخالصی

رسانایی ذاتی و ناخالصی دارند. وجود ناخالصی ها رسانایی را تا حد زیادی افزایش می دهد. هنگامی که غلظت ناخالصی ها تغییر می کند، تعداد حامل های جریان الکتریکی - الکترون ها و سوراخ ها - تغییر می کند. توانایی کنترل جریان در هسته اصلی است کاربرد گستردهنیمه هادی ها ناخالصی های زیر وجود دارد:

1) ناخالصی های اهدا کننده (اهدا کننده) - اضافی هستند

تامین کنندگان الکترون به کریستال های نیمه هادی، به راحتی الکترون اهدا می کنند و تعداد الکترون های آزاد را در نیمه هادی افزایش می دهند. این هادی های نوع "n" هستند، یعنی. نیمه هادی هایی با ناخالصی های دهنده، که اکثر حامل های بار الکترون ها و حامل بار اقلیت حفره ها هستند. چنین نیمه هادی دارای رسانایی ناخالصی الکترونیکی است (به عنوان مثال، آرسنیک).

2) ناخالصی های گیرنده (گیرنده ها) با گرفتن الکترون ها به درون خود "سوراخ" ایجاد می کنند. اینها نیمه هادی های نوع "p" هستند، یعنی. نیمه هادی هایی با ناخالصی های پذیرنده، که حامل بار اصلی در آن قرار دارد

حفره ها، و اقلیت یک - الکترون ها. چنین نیمه هادی دارد

هدایت ناخالصی سوراخ (به عنوان مثال - ایندیم).

خواص الکتریکی "p-n » انتقال.

اتصال "pn" (یا اتصال الکترون به سوراخ) ناحیه تماس دو نیمه هادی است که در آن رسانایی از الکترونیکی به سوراخ تغییر می کند (یا بالعکس).

چنین مناطقی را می توان با وارد کردن ناخالصی ها در یک کریستال نیمه هادی ایجاد کرد. در ناحیه تماس دو نیمه هادی با رسانایی متفاوت، انتشار متقابل الکترون ها و حفره ها صورت می گیرد و یک سد مسدود کننده تشکیل می شود.

لایه الکتریکی میدان الکتریکی لایه مانع مانع می شود

انتقال بیشتر الکترون ها و حفره ها در سراسر مرز. لایه مسدود کننده نسبت به سایر قسمت های نیمه هادی مقاومت بیشتری دارد.

یک میدان الکتریکی خارجی بر مقاومت لایه مانع تأثیر می گذارد. در جهت جلو (از طریق) میدان الکتریکی خارجی، جریان از مرز دو نیمه هادی عبور می کند. چون الکترون ها و حفره ها به سمت یکدیگر به سمت سطح مشترک حرکت می کنند، سپس الکترون ها

با عبور از مرز، سوراخ ها را پر می کنند. ضخامت لایه مانع و مقاومت آن به طور مداوم در حال کاهش است.

با مسدود کردن (جهت معکوس میدان الکتریکی خارجی) جریان از ناحیه تماس دو نیمه هادی عبور نمی کند. چون الکترون‌ها و حفره‌ها از مرز در جهت مخالف حرکت می‌کنند، سپس لایه مسدودکننده

ضخیم می شود، مقاومت آن افزایش می یابد.

بنابراین، انتقال الکترون به حفره دارای رسانایی یک طرفه است.

دیود نیمه هادی- نیمه هادی با یک اتصال "p-n".

دیودهای نیمه هادی عناصر اصلی یکسو کننده ها هستند AC.

هنگامی که میدان الکتریکی اعمال می شود: در یک جهت مقاومت نیمه هادی زیاد و در جهت مخالف مقاومت کم است.

ترانزیستورها(از کلمات انگلیسیانتقال - انتقال، مقاومت - مقاومت)

بیایید یکی از انواع ترانزیستورهای ساخته شده از ژرمانیوم یا سیلیکون با ناخالصی های دهنده و پذیرنده وارد شده به آنها را در نظر بگیریم. توزیع ناخالصی ها به گونه ای است که یک لایه بسیار نازک (در حد چند میکرومتر) از نیمه هادی نوع n بین دو لایه نیمه هادی نوع p ایجاد می شود (شکل را ببینید).

این لایه نازک نامیده می شود اساسیا پایهدو در کریستال تشکیل می شود r-n اتصالات که جهت مستقیم آنها مخالف است. سه خروجی از مناطق با انواع مختلفرسانایی به شما امکان می دهد یک ترانزیستور را در مدار نشان داده شده در شکل قرار دهید. با روشن بودن این سوئیچ سمت چپ r-n -transition است مستقیمو پایه را از ناحیه ای با رسانایی نوع p که نامیده می شود جدا می کند ساطع کنندهاگر حق نبود rاتصال -n، در مدار امیتر - پایه یک جریان بسته به ولتاژ منابع (باتری ها) وجود دارد B1و منبع ولتاژ AC) و مقاومت مدار، از جمله مقاومت کم اتصال مستقیم امیتر-پایه.

باتری B2روشن شد تا سمت راست rمحل اتصال -n در مدار (نگاه کنید به شکل) است معکوس.پایه را از ناحیه سمت راست با رسانایی نوع p که نامیده می شود جدا می کند گردآورندهاگر چیزی باقی نمانده بود rاتصال -n، جریان در مدار کلکتور نزدیک به صفر خواهد بود، زیرا

مقاومت اتصال معکوس بسیار بالا است. اگر جریانی در سمت چپ وجود داشته باشد rاتصال -n، یک جریان در مدار کلکتور ظاهر می شود، و جریان در کلکتور فقط کمی کمتر از جریان در امیتر است (اگر ولتاژ منفی به امیتر اعمال شود، سپس سمت چپ r-n-junction معکوس خواهد بود و عملاً هیچ جریانی در مدار امیتر و مدار کلکتور وجود نخواهد داشت. هنگامی که یک ولتاژ بین امیتر و پایه ایجاد می شود، اکثر حامل های نیمه هادی نوع p - سوراخ ها - به داخل پایه نفوذ می کنند، جایی که آنها قبلا حامل های اقلیت هستند. از آنجایی که ضخامت پایه بسیار کم و تعداد حامل های اکثریت (الکترون ها) در آن کم است، سوراخ هایی که وارد آن می شوند تقریباً با الکترون های پایه ترکیب نمی شوند (دوباره ترکیب نمی شوند) و به دلیل نفوذ به کلکتور به انتشار. درسته rاتصال -n به حامل های بار اصلی پایه - الکترون ها بسته است، اما نه به سوراخ ها. در کلکتور، سوراخ ها توسط میدان الکتریکی کشیده شده و مدار را کامل می کنند. قدرت انشعاب جریان به مدار امیتر از پایه بسیار کوچک است، زیرا سطح مقطع پایه در صفحه افقی (شکل بالا را ببینید) بسیار کوچکتر از سطح مقطع در صفحه عمودی است.

جریان در کلکتور که تقریباً برابر با جریان امیتر است همراه با جریان در امیتر تغییر می کند. مقاومت R تأثیر کمی بر جریان کلکتور دارد و این مقاومت را می توان بسیار بزرگ کرد. با کنترل جریان امیتر با استفاده از یک منبع ولتاژ متناوب متصل به مدار آن، یک تغییر سنکرون در ولتاژ در مقاومت R بدست می آوریم. .

با مقاومت مقاومت بزرگ، تغییر ولتاژ در آن می تواند ده ها هزار برابر بیشتر از تغییر ولتاژ سیگنال در مدار امیتر باشد. این به معنای افزایش تنش است. بنابراین، در بار R می توان سیگنال های الکتریکی را بدست آورد که قدرت آنها چندین برابر توان ورودی به مدار امیتر باشد.

کاربرد ترانزیستورهاخواص rاتصالات -n در نیمه هادی ها برای تقویت و تولید نوسانات الکتریکی استفاده می شود.

نیمه هادی ها را اشغال می کنند موقعیت متوسطتوسط هدایت الکتریکی (یا مقاومت) بین هادی ها و دی الکتریک ها. با این حال، این تقسیم همه مواد با توجه به خاصیت هدایت الکتریکی آنها مشروط است، زیرا تحت تأثیر تعدادی از دلایل (ناخالصی ها، تابش، گرما)، هدایت الکتریکی و مقاومت بسیاری از مواد به ویژه در نیمه هادی ها بسیار تغییر می کند.

در این راستا، نیمه هادی ها با تعدادی ویژگی از فلزات متمایز می شوند:

1. مقاومت نیمه هادی ها در شرایط عادی بسیار بیشتر از مقاومت فلزات است.

2. مقاومت نیمه هادی های خالص با افزایش دما کاهش می یابد (برای فلزات افزایش می یابد).

3. هنگامی که نیمه هادی ها روشن می شوند، مقاومت آنها به طور قابل توجهی کاهش می یابد (نور تقریباً هیچ تأثیری بر مقاومت فلزات ندارد):

4. مقدار ناچیزی از ناخالصی ها تأثیر زیادی بر مقاومت نیمه هادی ها دارد.

نیمه هادی ها شامل 12 عناصر شیمیاییدر قسمت میانی جدول تناوبی (شکل 1) - B، C، Si، P، S، Ge، As، Se، Sn، Sb، Te، I، ترکیبات عناصر گروه سوم با عناصر پنجم گروه، بسیاری از اکسیدهای فلزی و سولفیدها، تعدادی دیگر از ترکیبات شیمیایی، برخی از مواد آلی. ژرمانیوم جنرال الکتریک و سیلیسیم سی بیشترین کاربرد را در علم و فناوری دارند.

نیمه هادی ها می توانند خالص یا با ناخالصی باشند. بر این اساس، بین رسانایی ذاتی و ناخالصی نیمه هادی ها تمایز قائل شد. ناخالصی ها نیز به نوبه خود به دهنده و پذیرنده تقسیم می شوند.

هدایت الکتریکی ذاتی

برای درک مکانیسم رسانایی الکتریکی در نیمه هادی ها، اجازه دهید ساختار بلورهای نیمه هادی و ماهیت پیوندهایی را که اتم های کریستال را نزدیک یکدیگر نگه می دارند، در نظر بگیریم. بلورهای ژرمانیوم و سایر نیمه هادی ها دارای یک شبکه کریستالی اتمی هستند (شکل 2).

یک نمودار مسطح از ساختار ژرمانیوم در شکل 3 نشان داده شده است.

ژرمانیوم یک عنصر چهار ظرفیتی است در لایه بیرونی اتم چهار الکترون وجود دارد که نسبت به بقیه به هسته محدودتر هستند. تعداد نزدیکترین همسایگان هر اتم ژرمانیوم نیز 4 عدد است. چهار الکترون ظرفیت هر اتم ژرمانیوم توسط جفت الکترونهای شیمیایی به همان الکترونهای اتمهای همسایه پیوند می خورند. کووالانسی) اتصالات. در تشکیل این پیوند، از هر اتم یک الکترون ظرفیتی شرکت می کند که از اتم ها جدا می شود (توسط کریستال جمع می شود) و در طول حرکت، بیشتر زمان را در فضای بین اتم های همسایه می گذراند. بار منفی آنها یون های مثبت ژرمانیوم را نزدیک یکدیگر نگه می دارد. این نوع اتصال را می توان به طور متعارف با دو خط که هسته ها را به هم متصل می کند نشان داد (شکل 3 را ببینید).

اما جفت الکترون های گردشگر فقط به دو اتم تعلق ندارند. هر اتم با همسایگان خود چهار پیوند تشکیل می دهد و یک الکترون ظرفیت معین می تواند در امتداد هر یک از آنها حرکت کند (شکل 4). پس از رسیدن به یک اتم همسایه، می تواند به اتم بعدی و سپس در امتداد کل کریستال حرکت کند. الکترون‌های ظرفیت جمع‌شده به کل کریستال تعلق دارند.

پیوندهای کووالانسی ژرمانیوم بسیار قوی هستند و در دماهای پایین شکسته نمی شوند. بنابراین ژرمانیوم در دماهای پایین جریان الکتریکی را هدایت نمی کند. الکترون های ظرفیتی که در پیوند اتم ها نقش دارند به طور محکم به شبکه کریستالی متصل هستند و میدان الکتریکی خارجی تأثیر قابل توجهی بر حرکت آنها ندارد. کریستال سیلیکون نیز ساختار مشابهی دارد.

رسانایی الکتریکی یک نیمه هادی شیمیایی خالص زمانی امکان پذیر است که پیوندهای کووالانسی در کریستال ها شکسته شده و الکترون های آزاد ظاهر شوند.

انرژی اضافی که برای شکستن پیوند کووالانسی و آزاد کردن الکترون باید صرف شود، نامیده می شود انرژی فعال سازی.

الکترون ها می توانند این انرژی را با گرم کردن کریستال و تابش آن با فرکانس بالا بدست آورند. امواج الکترومغناطیسیو غیره

به محض اینکه یک الکترون با به دست آوردن انرژی لازم، یک پیوند موضعی را ترک می کند، جای خالی روی آن ایجاد می شود. این جای خالی را می توان به راحتی توسط یک الکترون از پیوند همسایه پر کرد که در نتیجه باعث ایجاد یک جای خالی نیز می شود. بنابراین، به دلیل حرکت الکترون های پیوند، جاهای خالی در سراسر کریستال حرکت می کنند. این جای خالی دقیقاً مانند یک الکترون آزاد رفتار می کند - آزادانه در سراسر حجم نیمه هادی حرکت می کند. علاوه بر این، با توجه به اینکه هم نیمه هادی به عنوان یک کل و هم هر یک از اتم های آن از نظر الکتریکی خنثی با پیوندهای کووالانسی دست نخورده هستند، می توان گفت که خروج یک الکترون از یک پیوند و تشکیل یک جای خالی در واقع معادل ظاهر بار مثبت اضافی روی این پیوند. بنابراین، جای خالی حاصل را می توان به طور رسمی به عنوان حامل بار مثبت در نظر گرفت که به آن می گویند سوراخ(شکل 5).

بنابراین، خروج یک الکترون از یک پیوند موضعی، یک جفت حامل بار آزاد ایجاد می کند - یک الکترون و یک سوراخ. غلظت آنها در یک نیمه هادی خالص یکسان است. در دمای اتاق، غلظت حامل های آزاد در نیمه هادی های خالص کم است، تقریباً 10 9 ÷ 10 10 برابر کمتر از غلظت اتم ها، اما با افزایش دما به سرعت افزایش می یابد.

• مقایسه با فلزات: در آنجا غلظت الکترون های آزاد تقریباً برابر با غلظت اتم ها است.

در غیاب میدان الکتریکی خارجی، این الکترون‌ها و حفره‌های آزاد به‌طور آشفته در کریستال نیمه‌رسانا حرکت می‌کنند.

در یک میدان الکتریکی خارجی، الکترون ها در جهت مخالف جهت شدت میدان الکتریکی حرکت می کنند. سوراخ های مثبت در جهت شدت میدان الکتریکی حرکت می کنند (شکل 6). فرآیند حرکت الکترون ها و حفره ها در یک میدان خارجی در کل حجم نیمه هادی اتفاق می افتد.

رسانایی الکتریکی کل یک نیمه هادی از رسانایی سوراخ و الکترون تشکیل شده است. علاوه بر این، در نیمه هادی های خالص تعداد الکترون های رسانا همیشه برابر با تعداد سوراخ ها است. بنابراین می گویند نیمه هادی های خالص دارند هدایت حفره الکترون، یا هدایت خود.

با افزایش دما، تعداد گسست های پیوندهای کووالانسی افزایش می یابد و تعداد الکترون های آزاد و حفره های کریستال های نیمه هادی های خالص افزایش می یابد و در نتیجه رسانایی الکتریکی افزایش یافته و مقاومت نیمه هادی های خالص کاهش می یابد. نموداری از مقاومت یک نیمه هادی خالص در برابر دما در شکل 1 نشان داده شده است. 7.

علاوه بر گرمایش، شکستن پیوندهای کووالانسی و در نتیجه ظهور رسانایی ذاتی نیمه هادی ها و کاهش مقاومت می تواند در اثر روشنایی (رسانایی نوری یک نیمه هادی) و همچنین با عمل میدان های الکتریکی قوی ایجاد شود. .

هدایت ناخالصی نیمه هادی ها

رسانایی نیمه هادی ها با معرفی ناخالصی ها افزایش می یابد، زمانی که همراه با رسانایی خود، رسانایی ناخالصی اضافی ظاهر می شود.

هدایت ناخالصینیمه هادی ها به دلیل وجود ناخالصی در نیمه هادی ها رسانایی نامیده می شوند.

مراکز ناخالصی می توانند:

1. اتم ها یا یون های عناصر شیمیایی که در یک شبکه نیمه هادی جاسازی شده اند.

2. اتم‌ها یا یون‌های اضافی که در فواصل شبکه جاسازی شده‌اند.

3. عیوب و اعوجاج های مختلف دیگر در شبکه کریستالی: گره های خالی، ترک ها، جابجایی هایی که در هنگام تغییر شکل کریستال ها رخ می دهد و غیره.

با تغییر غلظت ناخالصی ها، می توانید تعداد حامل های بار را به میزان قابل توجهی افزایش دهید و نیمه هادی هایی با غلظت غالب حامل های دارای بار منفی یا مثبت ایجاد کنید.

ناخالصی ها را می توان به ناخالصی های دهنده (بخشنده) و پذیرنده (دریافت کننده) تقسیم کرد.

ناخالصی دهنده

• از لاتین "donare" - دادن، قربانی کردن.

اجازه دهید مکانیسم رسانایی الکتریکی یک نیمه هادی با ناخالصی دهنده پنج ظرفیتی آرسنیک As را در نظر بگیریم که به کریستال، به عنوان مثال، سیلیکون وارد می شود. اتم آرسنیک پنج ظرفیتی چهار الکترون ظرفیتی را برای تشکیل پیوندهای کووالانسی اهدا می کند و الکترون پنجم در این پیوندها خالی است (شکل 8).

انرژی انتزاعی (انرژی یونیزاسیون) پنجمین الکترون ظرفیت آرسنیک در سیلیکون 0.05 eV = 0.08⋅10 -19 J است که 20 برابر کمتر از انرژی انتزاع الکترون از اتم سیلیکون است. بنابراین، در حال حاضر در دمای اتاق، تقریبا تمام اتم های آرسنیک یکی از الکترون های خود را از دست می دهند و به یون های مثبت تبدیل می شوند. یون‌های آرسنیک مثبت نمی‌توانند الکترون‌های اتم‌های همسایه را جذب کنند، زیرا هر چهار پیوند قبلاً با الکترون مجهز شده‌اند. در این مورد، هیچ حرکتی در جای خالی الکترون وجود ندارد - "حفره" و رسانایی سوراخ بسیار کوچک است، یعنی. عملا غایب

ناخالصی های اهدا کننده- اینها ناخالصی هایی هستند که به راحتی الکترون ها را از دست می دهند و بنابراین تعداد الکترون های آزاد را افزایش می دهند. در حضور میدان الکتریکی، الکترون‌های آزاد در یک کریستال نیمه‌رسانا وارد حرکت منظمی می‌شوند و رسانایی ناخالصی الکترونیکی در آن ظاهر می‌شود. نتیجه یک نیمه هادی با رسانایی عمدتاً الکترونیکی است که نیمه هادی نوع n نامیده می شود. (از لاتین negativus - منفی).

از آنجایی که در نیمه هادی های نوع n تعداد الکترون ها به طور قابل توجهی بیشتر از تعداد حفره ها است، الکترون ها حامل اکثریت بار و حفره ها حامل های اقلیت هستند.

ناخالصی پذیرنده

• از لاتین "پذیرنده" - گیرنده.

در مورد ناخالصی پذیرنده، به عنوان مثال، ایندیوم سه ظرفیتی، اتم ناخالصی می تواند سه الکترون خود را برای برقراری پیوند کووالانسی تنها با سه اتم سیلیکون همسایه، و یک الکترون "مفقود" بدهد (شکل 9). یکی از الکترون های اتم های سیلیکون همسایه می تواند این پیوند را پر کند، سپس اتم In به یک یون منفی ثابت تبدیل می شود و در محل الکترونی که یکی از اتم های سیلیکون را ترک کرده است، حفره ای ایجاد می شود. ناخالصی های گیرنده، گرفتن الکترون ها و در نتیجه ایجاد حفره های متحرک، تعداد الکترون های رسانا را افزایش نمی دهند. اکثر حامل های بار در یک نیمه هادی با ناخالصی پذیرنده سوراخ ها هستند و حامل های بار اقلیت الکترون ها هستند.

ناخالصی های پذیرنده- اینها ناخالصی هایی هستند که رسانایی سوراخ را فراهم می کنند.

نیمه هادی هایی که در آنها غلظت حفره ها از غلظت الکترون های رسانا بیشتر است، نیمه هادی های نوع p نامیده می شوند (از لاتین positivus - مثبت).

لازم به ذکر است که ورود ناخالصی ها به نیمه هادی ها مانند هر فلزی، ساختار شبکه بلوری را مختل کرده و حرکت الکترون ها را با مشکل مواجه می کند. با این حال، به دلیل این واقعیت است که افزایش غلظت حامل های بار، مقاومت را به طور قابل توجهی کاهش می دهد، مقاومت افزایش نمی یابد. بنابراین، معرفی یک ناخالصی بور به مقدار 1 اتم در صد هزار اتم سیلیکون، مقاومت الکتریکی سیلیکون را تقریباً هزار بار کاهش می دهد و مخلوط یک اتم ایندیم در هر 10 8 - 10 9 اتم ژرمانیوم، مقاومت الکتریکی را کاهش می دهد. ژرمانیوم میلیون ها برابر

اگر ناخالصی های دهنده و گیرنده به طور همزمان به یک نیمه هادی وارد شوند، ماهیت رسانایی نیمه هادی (نوع n یا p) توسط ناخالصی با غلظت بالاتر حامل های بار تعیین می شود.

انتقال الکترون به حفره

اتصال الکترون به حفره (به اختصار پیوند p-n) در یک کریستال نیمه هادی رخ می دهد که به طور همزمان دارای مناطقی با رسانایی نوع n (حاوی ناخالصی های دهنده) و نوع p (با ناخالصی های گیرنده) در مرز بین این نواحی است.

فرض کنید یک کریستال داریم که در آن یک ناحیه نیمه هادی با رسانایی سوراخ (نوع p) در سمت چپ و با رسانایی الکترونیکی (نوع n) در سمت راست وجود دارد (شکل 10). با تشکر از حرکت حرارتیهنگامی که یک تماس تشکیل می شود، الکترون های نیمه هادی نوع n در ناحیه نوع p منتشر می شوند. در این حالت، یک یون دهنده مثبت جبران نشده در ناحیه نوع n باقی می ماند. الکترون پس از عبور به ناحیه دارای رسانایی حفره، خیلی سریع با حفره ترکیب می شود و یک یون گیرنده جبران نشده در ناحیه نوع p تشکیل می شود.

مشابه الکترون‌ها، حفره‌هایی از ناحیه نوع p در ناحیه الکترون منتشر می‌شوند و یک یون گیرنده با بار منفی جبران‌نشده در ناحیه حفره باقی می‌گذارند. پس از عبور از ناحیه الکترونیکی، حفره با یک الکترون دوباره ترکیب می شود. در نتیجه، یک یون دهنده مثبت جبران نشده در ناحیه الکترونیکی تشکیل می شود.

در نتیجه انتشار، یک لایه الکتریکی دوتایی از یون های دارای بار مخالف در مرز بین این مناطق تشکیل می شود. لکه از کسری از میکرومتر تجاوز نمی کند.

میدان الکتریکی با شدت E i. میدان الکتریکی یک اتصال الکترون به حفره (اتصال pn) از عبور بیشتر الکترون ها و حفره ها در سطح مشترک بین دو نیمه هادی جلوگیری می کند. لایه مسدود کننده نسبت به حجم های دیگر نیمه هادی ها مقاومت بیشتری دارد.

میدان الکتریکی خارجی با شدت Eبر مقاومت میدان الکتریکی مسدود کننده تأثیر می گذارد. اگر n-نیمه هادی به قطب منفی منبع وصل شده باشد و مثبت منبع به نیمه هادی p وصل شود، در این صورت تحت تأثیر میدان الکتریکی، الکترون ها در n-نیمه هادی و سوراخ هایی در p- هستند. نیمه هادی ها به سمت یکدیگر به سمت رابط نیمه هادی ها حرکت می کنند (شکل 11). الکترون ها که از مرز عبور می کنند، حفره ها را پر می کنند. با چنین جهت رو به جلو میدان الکتریکی خارجی، ضخامت لایه مسدود کننده و مقاومت آن به طور مداوم کاهش می یابد. در این جهت جریان الکتریکی از محل اتصال pn عبور می کند.

جهت در نظر گرفته شده اتصال pn نامیده می شود مستقیم. وابستگی جریان به ولتاژ، به عنوان مثال. مشخصه جریان-ولتاژانتقال مستقیم، نشان داده شده در شکل. 12 با یک خط ثابت.

اگر n-نیمه هادی به قطب مثبت منبع و نیمه هادی p-به قطب منفی متصل شود، الکترون ها در n-نیمه هادی و سوراخ های موجود در نیمه هادی p تحت تأثیر میدان الکتریکی از سطح مشترک حرکت می کنند. در جهت مخالف (شکل 13). این منجر به ضخیم شدن لایه مانع و افزایش مقاومت آن می شود. جهت میدان الکتریکی خارجی که لایه مسدود کننده را گسترش می دهد نامیده می شود قفل کردن (معکوس). با این جهت میدان خارجی، جریان الکتریکی حامل های بار اصلی از تماس دو نیمه هادی p و p عبور نمی کند.

جریان از طریق اتصال pn اکنون به دلیل الکترون های موجود در نیمه هادی نوع p و سوراخ های نیمه هادی نوع n است. اما حامل های بار اقلیت بسیار کمی وجود دارد، بنابراین رسانایی اتصال ناچیز است و مقاومت آن زیاد است. جهت در نظر گرفته شده اتصال pn نامیده می شود معکوسمشخصه جریان-ولتاژ آن در شکل نشان داده شده است. 12 خط چین.

لطفاً توجه داشته باشید که مقیاس اندازه گیری جریان برای انتقال رو به جلو و معکوس هزار بار متفاوت است.

توجه داشته باشید که در ولتاژ معینی که در جهت مخالف اعمال می شود، خرابی(یعنی تخریب) پیوند p-n.

دستگاه های نیمه هادی

ترمیستورها

مقاومت الکتریکی نیمه هادی ها به شدت به دما بستگی دارد. این ویژگی برای اندازه گیری دما با قدرت جریان در مداری با نیمه هادی استفاده می شود. چنین وسایلی نامیده می شوند ترمیستورهایا ترمیستورها. ماده نیمه رسانا در یک فلز قرار می گیرد کیس محافظ، که در آن ترمینال های عایق برای اتصال ترمیستور به مدار الکتریکی وجود دارد.

تغییر مقاومت ترمیستورها هنگام گرم کردن یا سرمایش به آنها اجازه می دهد تا در ابزارهای اندازه گیری دما برای حفظ دمای ثابت استفاده شوند. دستگاه های اتوماتیک- در محفظه های بسته ترموستات برای اطمینان اعلام حریقو غیره ترمیستورهایی برای اندازه گیری هر دو بسیار بالا وجود دارد ( تی≈ 1300 K) و بسیار کم ( تی≈ 4 - 80 K) دما.

یک نمایش شماتیک (شکل a) و عکس (شکل ب) از ترمیستور در شکل 14 نشان داده شده است.

مقاومت نوری

رسانایی الکتریکی نیمه هادی ها نه تنها هنگام گرم شدن، بلکه هنگام روشن شدن نیز افزایش می یابد. رسانایی الکتریکی به دلیل شکستن پیوندها و تشکیل الکترون ها و حفره های آزاد به دلیل انرژی نوری که به نیمه هادی برخورد می کند افزایش می یابد.

دستگاه هایی که وابستگی رسانایی الکتریکی نیمه هادی ها به روشنایی را در نظر می گیرند، نامیده می شوند. مقاومت نوری.

مواد برای ساخت مقاومت نوری ترکیباتی مانند CdS، CdSe، PbS و تعدادی دیگر هستند.

اندازه مینیاتوری و حساسیت بالای مقاومت‌های نوری امکان استفاده از آن‌ها را برای ثبت و اندازه‌گیری شارهای ضعیف نور فراهم می‌کند. مقاومت نوری برای تعیین کیفیت سطوح، کنترل ابعاد محصولات و غیره استفاده می شود.

یک نمودار شماتیک (شکل الف) و عکس (شکل ب) از مقاومت نوری در شکل 15 نشان داده شده است.

دیود نیمه هادی

توانایی یک اتصال pn برای عبور جریان در یک جهت در دستگاه های نیمه هادی به نام استفاده می شود دیودها.

دیودهای نیمه هادی از ژرمانیوم، سیلیکون، سلنیوم و مواد دیگر ساخته می شوند.

برای جلوگیری از اثرات مضرهوا و نور، کریستال ژرمانیوم در یک محفظه مهر و موم شده قرار می گیرد مورد فلزی. دیودهای نیمه هادی عناصر اصلی یکسو کننده های AC هستند (به طور دقیق تر، آنها برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم ضربانی عمل می کنند.)

یک نمایش شماتیک (شکل a) و عکس (شکل ب) از یک دیود نیمه هادی در شکل 16 نشان داده شده است.

ال ای دی ها

LEDیا دیود ساطع نور- یک وسیله نیمه هادی با اتصال p-n که با عبور جریان الکتریکی از آن تابش نوری ایجاد می کند.

نور ساطع شده در محدوده باریکی از طیف قرار دارد، ویژگی های طیفی آن، از جمله موارد دیگر، به ترکیب شیمیایینیمه هادی های مورد استفاده در آن

ادبیات

1. Aksenovich L. A. فیزیک در دبیرستان: تئوری تکالیف. تست ها: کتاب درسی. کمک هزینه برای مؤسسات ارائه دهنده آموزش عمومی. محیط زیست، آموزش / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; اد. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - P. 300-308.
2. Burov L.I., Strelchenya V.M. فیزیک از A تا Z: برای دانش آموزان، متقاضیان، معلمان. - من.: پارادوکس، 2000. - ص 219-228.
3. Myakishev G. Ya. فیزیک: الکترودینامیک. پایه های 10 تا 11: کتاب درسی مطالعه عمیق فیزیک / G.Ya. میاکیشف، A.Z. سینیاکوف، بی.ا. اسلوبودسکوف - م.: بوستارد، 2005. - ص 309-320.
4. Yavorsky B. M., Seleznev Yu A. راهنمای مرجع فیزیک برای کسانی که وارد دانشگاه می شوند و خودآموزی. - م.: ناوکا، 1984. - ص 165-169.