جریان الکتریکی در مواد نیمه هادی جریان الکتریکی در نیمه هادی ها دیود نیمه هادی نیمه هادی ها

نیمه هادی ها موادی هستند که از نظر رسانایی الکتریکی رتبه بندی می شوند موقعیت متوسطبین هادی های خوبو عایق های خوب(دی الکتریک).

نیمه هادی ها نیز عناصر شیمیایی (ژرمانیوم جنرال الکتریک، سیلیسیم سی، سلنیوم Se، تلوریوم ته) و ترکیبات هستند. عناصر شیمیایی(PbS، CdS و غیره).

ماهیت حامل های جریان در نیمه هادی های مختلف متفاوت است. در برخی از آنها، حامل های بار یون هستند. در برخی دیگر، حامل های بار الکترون ها هستند.

هدایت ذاتی نیمه هادی ها

دو نوع هدایت ذاتی در نیمه هادی ها وجود دارد: رسانایی الکترونیکی و رسانایی سوراخ در نیمه هادی ها.

1. رسانایی الکترونیکی نیمه هادی ها.

هدایت الکترونیکی با حرکت هدایت شده در فضای بین اتمی الکترون های آزاد انجام می شود که در نتیجه تأثیرات خارجی از لایه ظرفیت اتم خارج شده اند.

2. رسانایی سوراخ نیمه هادی ها.

هدایت حفره با حرکت هدایت شده الکترون های ظرفیت به مکان های خالی در پیوندهای جفت الکترونی - حفره ها انجام می شود. الکترون ظرفیت یک اتم خنثی که در مجاورت یک یون مثبت (حفره) قرار دارد به سمت سوراخ جذب می شود و به درون آن می پرد. در این حالت، یک یون مثبت (سوراخ) به جای یک اتم خنثی و یک اتم خنثی به جای یک یون مثبت (سوراخ) تشکیل می شود.

در یک نیمه هادی خالص ایده آل بدون هیچ ناخالصی خارجی، هر الکترون آزاد مربوط به تشکیل یک سوراخ است، یعنی. تعداد الکترون ها و حفره های دخیل در ایجاد جریان یکسان است.

رسانایی که در آن همان تعدادحامل های بار (الکترون ها و سوراخ ها) رسانایی ذاتی نیمه هادی ها نامیده می شود.

رسانایی ذاتی نیمه هادی ها معمولاً کم است، زیرا تعداد الکترون های آزاد کم است. کوچکترین آثار ناخالصی به طور اساسی خواص نیمه هادی ها را تغییر می دهد.

هدایت الکتریکی نیمه هادی ها در حضور ناخالصی ها

ناخالصی های موجود در یک نیمه هادی اتم های عناصر شیمیایی خارجی هستند که در نیمه هادی اصلی وجود ندارند.

هدایت ناخالصی- این رسانایی نیمه هادی ها به دلیل ورود ناخالصی ها به شبکه های کریستالی آنها است.

در برخی موارد، تأثیر ناخالصی ها در این واقعیت آشکار می شود که مکانیسم "سوراخ" هدایت عملا غیرممکن می شود و جریان در نیمه هادی عمدتاً با حرکت الکترون های آزاد انجام می شود. چنین نیمه هادی هایی نامیده می شوند نیمه هادی های الکترونیکییا نیمه هادی های نوع n(از کلمه لاتین negativus - منفی). حامل های بار اصلی الکترون ها هستند و حامل های اصلی حفره ها نیستند. نیمه هادی های نوع n نیمه هادی هایی با ناخالصی های دهنده هستند.

1. ناخالصی های دهنده.

ناخالصی های دهنده آنهایی هستند که به راحتی الکترون اهدا می کنند و در نتیجه تعداد الکترون های آزاد را افزایش می دهند. ناخالصی های اهداکننده، الکترون های رسانایی را بدون ظاهر شدن همان تعداد سوراخ تامین می کنند.

یک نمونه معمولی از ناخالصی دهنده در ژرمانیوم چهار ظرفیتی Ge، اتم های آرسنیک پنج ظرفیتی As.

در موارد دیگر، حرکت الکترون های آزاد عملاً غیرممکن می شود و جریان فقط با حرکت حفره ها انجام می شود. این نیمه هادی ها نامیده می شوند نیمه هادی های سوراخیا نیمه هادی های نوع p(از کلمه لاتین positivus - مثبت). حامل های بار اصلی حفره ها هستند و نه الکترون های اصلی. . نیمه هادی های نوع p نیمه هادی هایی با ناخالصی های پذیرنده هستند.

ناخالصی های گیرنده ناخالصی هایی هستند که در آنها الکترون های کافی برای تشکیل پیوندهای جفت الکترونی معمولی وجود ندارد.

نمونه ای از ناخالصی پذیرنده در ژرمانیوم Ge، اتم های گالیم سه ظرفیتی Ga هستند

برقاز طریق تماس نیمه هادی های نوع p و نوع n اتصال p-n- این یک لایه تماس از دو نیمه هادی ناخالصی از نوع p و نوع n است. پیوند p-n مرزی است که مناطقی را با رسانش سوراخ (p) و هدایت الکترونیکی (n) در یک بلور واحد جدا می کند.

اتصال مستقیم p-n

اگر نیمه هادی n به قطب منفی منبع تغذیه و قطب مثبت منبع تغذیه به نیمه هادی p وصل شود، آنگاه تحت عمل میدان الکتریکیالکترون‌ها در یک نیمه‌رسانا n و حفره‌های یک نیمه‌رسانا p به سمت یکدیگر حرکت می‌کنند و به سطح مشترک بین نیمه‌رساناها می‌رسند. الکترون ها، با عبور از مرز، سوراخ ها را "پر" می کنند، جریان از طریق اتصال pn توسط حامل های شارژ اصلی انجام می شود. در نتیجه رسانایی کل نمونه افزایش می یابد. با چنین جهت مستقیم (خروجی) میدان الکتریکی خارجی، ضخامت لایه مانع و مقاومت آن کاهش می یابد.

در این جهت جریان از مرز دو نیمه هادی عبور می کند.

معکوس اتصال pn

اگر نیمه هادی n به قطب مثبت منبع برق و نیمه هادی p به قطب منفی منبع برق وصل شود، الکترون ها در نیمه هادی n و سوراخ هایی در نیمه هادی p تحت عمل قرار می گیرند. یک میدان الکتریکی از رابط در جهات مخالف حرکت می کند، جریان عبوری از p -n-transition توسط حامل های بار جزئی انجام می شود. این منجر به ضخیم شدن لایه مانع و افزایش مقاومت آن می شود. در نتیجه، هدایت نمونه ناچیز است و مقاومت بزرگ است.

یک لایه به اصطلاح مانع تشکیل می شود. با این جهت میدان خارجی، جریان الکتریکی عملاً از تماس نیمه هادی های p- و n عبور نمی کند.

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

وابستگی قدرت جریان به ولتاژ - ولت - آمپر مشخصه p-nانتقال در شکل نشان داده شده است (مشخصه ولتاژ - جریان مستقیم انتقال p-nبه عنوان یک خط ثابت، مشخصه ولت آمپر نشان داده شده است معکوس p-nانتقال به صورت یک خط نقطه چین نشان داده شده است).

نیمه هادی ها:

دیود نیمه هادی- برای صاف کردن جریان متناوب، از یک اتصال p - n - با مقاومت های مختلف استفاده می کند: در جهت جلو، مقاومت اتصال p - n - بسیار کمتر از جهت معکوس است.

مقاومت نوری - برای ثبت و اندازه گیری شارهای نور ضعیف. با کمک آنها، کیفیت سطوح را تعیین کنید، ابعاد محصولات را کنترل کنید.

ترمیستورها - برای اندازه گیری دما از راه دور، اعلام حریق.

در نیمه هادی ها، این حرکت هدایت شده حفره ها و الکترون ها است که تحت تأثیر یک میدان الکتریکی است.

در نتیجه آزمایش ها، مشخص شد که جریان الکتریکی در نیمه هادی ها با انتقال ماده همراه نیست - آنها تحت هیچ شرایطی قرار نمی گیرند. تغییرات شیمیایی. بنابراین، الکترون ها را می توان حامل جریان در نیمه هادی ها در نظر گرفت.

توانایی یک ماده برای ایجاد جریان الکتریکی در آن را می توان تعیین کرد.بر اساس این شاخص هادی ها یک موقعیت میانی بین هادی ها و دی الکتریک ها را اشغال می کنند. نیمه هادی ها هستند انواع مختلفمواد معدنی، برخی فلزات، سولفیدهای فلزی و غیره جریان الکتریکی در نیمه هادی ها به دلیل غلظت الکترون های آزاد ایجاد می شود که می توانند در یک جهت در یک ماده حرکت کنند. با مقایسه فلزات و هادی ها می توان به تفاوت بین آنها اشاره کرد تاثیر دمابرای هدایت آنها افزایش دما منجر به کاهش در نیمه هادی ها، شاخص رسانایی افزایش می یابد. اگر دما در نیمه هادی افزایش یابد، حرکت الکترون های آزاد بی نظم تر خواهد بود. این به دلیل افزایش تعداد برخوردها است. اما در نیمه هادی ها در مقایسه با فلزات، غلظت الکترون های آزاد به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. این عوامل بر روی رسانایی اثر معکوس دارند: هرچه برخورد بیشتر باشد، رسانایی کمتر، غلظت بیشتر، بیشتر است. در فلزات بین دما و غلظت الکترون های آزاد رابطه ای وجود ندارد به طوری که با تغییر رسانایی با افزایش دما امکان حرکت منظم الکترون های آزاد تنها کاهش می یابد. در مورد نیمه هادی ها، اثر افزایش غلظت بیشتر است. بنابراین، هرچه دما بیشتر شود، رسانایی بیشتر خواهد بود.

بین حرکت حامل های بار و مفهومی مانند جریان الکتریکی در نیمه هادی ها رابطه وجود دارد. در نیمه هادی ها، ظاهر حامل های بار مشخص می شود عوامل مختلفکه در این میان درجه حرارت و خلوص مواد از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بر اساس خلوص، نیمه هادی ها به ناخالصی و ذاتی تقسیم می شوند.

در مورد هادی ذاتی، تأثیر ناخالصی ها در دمای معین را نمی توان برای آنها مهم در نظر گرفت. از آنجایی که شکاف نواری در نیمه هادی ها کوچک است، در یک نیمه هادی ذاتی، وقتی دما می رسد، نوار ظرفیت کاملاً با الکترون ها پر می شود. اما نوار هدایت کاملاً آزاد است: هیچ رسانایی الکتریکی در آن وجود ندارد و به عنوان یک دی الکتریک کامل عمل می کند. در دماهای دیگر، این احتمال وجود دارد که در طول نوسانات حرارتی، الکترون های خاصی بتوانند بر سد پتانسیل غلبه کنند و خود را در نوار رسانایی بیابند.

اثر تامسون

اصل اثر ترموالکتریک تامسون: وقتی جریان الکتریکی در نیمه هادی هایی که در امتداد آنها گرادیان دما وجود دارد عبور داده شود، علاوه بر گرمای ژول، بسته به جهتی که جریان در آن جریان دارد، مقدار بیشتری گرما نیز در آنها آزاد یا جذب می شود. جریان می یابد.

گرمایش ناکافی یکنواخت نمونه ای که دارای ساختار همگن است بر خواص آن تأثیر می گذارد و در نتیجه ماده ناهمگن می شود. بنابراین، پدیده تامسون یک پدیده خاص پلته است. تنها تفاوت این است که ترکیب شیمیایی نمونه نیست که متفاوت است، بلکه خروج از مرکز دما باعث این ناهمگنی می شود.

نیمه هادی ها موقعیت متوسطی را در هدایت الکتریکی (یا مقاومت) بین هادی ها و دی الکتریک ها اشغال می کنند. 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 برای 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 ویژه 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 ناچیز ناخالصی تاثیر زیادی بر مقاومت نیمه هادی ها دارد.

12 عنصر شیمیایی متعلق به نیمه هادی ها در قسمت میانی جدول تناوبی هستند (شکل 1) - B، C، Si، P، S، Ge، As، Se، Sn، Sb، Te، I، ترکیبات عناصر سوم گروه با عناصر گروه پنجم، بسیاری از اکسیدها و سولفیدهای فلزات، تعدادی دیگر ترکیبات شیمیایی، مقداری مواد آلی. ژرمانیوم Ge و سیلیکون Si بیشترین کاربرد را برای علم و فناوری دارند.

نیمه هادی ها می توانند خالص یا دوپینگ باشند. بر این اساس، رسانایی ذاتی و ناخالصی نیمه هادی ها متمایز می شوند. ناخالصی ها نیز به نوبه خود به دهنده و پذیرنده تقسیم می شوند.

هدایت الکتریکی خود

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 ضعیف تر از بقیه به هسته متصل هستند. تعداد نزدیکترین همسایگان هر اتم ژرمانیوم نیز 4 عدد است. چهار الکترون ظرفیتی از هر اتم ژرمانیوم با الکترونهای مشابه اتمهای همسایه توسط جفت الکترونهای شیمیایی متصل می شوند. 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 خود را در فضای بین اتم های همسایه می گذرانند. بار منفی آنها یون های مثبت ژرمانیوم را نزدیک یکدیگر نگه می دارد. این نوع اتصال را می توان به صورت مشروط با دو خط که هسته ها را به هم متصل می کند، به تصویر کشید (شکل 3 را ببینید).

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

پیوندهای کووالانسی ژرمانیوم بسیار قوی هستند و دمای پاییننشکن بنابراین ژرمانیوم در دماهای پایین جریان الکتریسیته را هدایت نمی کند. الکترون‌های ظرفیتی که در پیوند اتم‌ها شرکت می‌کنند محکم به شبکه کریستالی متصل هستند و میدان الکتریکی خارجی تأثیر قابل‌توجهی بر حرکت آنها ندارد. یک کریستال سیلیکون 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 شدن الکترون باید صرف شود، نامیده می شود انرژی فعال سازی.

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

به محض اینکه الکترون با به دست آوردن انرژی لازم، پیوند موضعی را ترک کرد، جای خالی روی آن ایجاد می شود. این جای خالی را می توان به راحتی توسط یک الکترون از پیوند همسایه پر کرد، بنابراین، یک جای خالی نیز روی آن ایجاد می شود. بنابراین، به دلیل حرکت الکترون های پیوند، جای خالی در سراسر کریستال حرکت می کند. این جای خالی دقیقاً مانند یک الکترون آزاد رفتار می کند - آزادانه در بخش عمده 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 ناگسستنی هستند، می توان گفت که خروج الکترون از یک پیوند و تشکیل یک جای خالی در واقع معادل ظاهر یک بار مثبت اضافی در 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 اتاقغلظت حامل های آزاد در نیمه هادی های خالص کم است، حدود 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 الکترون ها و حفره های آزاد به طور تصادفی در یک کریستال نیمه هادی حرکت می کنند.

در بیرونی میدان الکتریکیالکترون ها در جهت مخالف جهت 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 مجموع رسانایی حفره و الکترون است. در این حالت، در نیمه هادی های خالص، تعداد الکترون های رسانا همیشه با تعداد سوراخ ها برابر است. بنابراین گفته می شود که نیمه هادی های خالص دارند هدایت حفره الکترون، یا هدایت خود.

با افزایش دما، تعداد گسست‌های پیوندهای کووالانسی افزایش می‌یابد و تعداد الکترون‌های آزاد و حفره‌های کریستال‌های نیمه‌رساناهای خالص افزایش می‌یابد و در نتیجه رسانایی الکتریکی افزایش و مقاومت نیمه‌رسانای خالص کاهش می‌یابد. نموداری از وابستگی مقاومت یک نیمه هادی خالص به دما در شکل 1 نشان داده شده است. 7.

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

هدایت ناخالصی نیمه هادی ها

رسانایی نیمه هادی ها با وارد شدن ناخالصی ها افزایش می یابد، زمانی که همراه با رسانایی ذاتی، رسانایی ناخالصی اضافی ایجاد 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 تعبیه‌شده در فاصله‌های شبکه.

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

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

ناخالصی ها را می توان به اهدا کننده (اهدا کننده) و پذیرنده (دریافت کننده) تقسیم کرد.

ناخالصی دهنده

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

اجازه دهید مکانیسم رسانایی الکتریکی یک نیمه هادی با ناخالصی پنج ظرفیتی اهداکننده 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 جداشدگی (انرژی یونیزاسیون) پنجمین الکترون ظرفیتی آرسنیک در سیلیکون 0.05 eV = 0.08⋅10 -19 J است که 20 برابر کمتر از انرژی جدا شدن یک 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 آنها قبلاً با الکترون مجهز شده‌اند. در این مورد، حرکت جای خالی الکترون - "حفره" رخ نمی دهد و رسانایی سوراخ بسیار کم است، یعنی. عملا غایب

ناخالصی های اهدا کننده- اینها ناخالصی هایی هستند که به راحتی الکترون اهدا می کنند و در نتیجه تعداد الکترون های آزاد را افزایش می دهند. در حضور میدان الکتریکی، الکترون های آزاد در یک کریستال نیمه هادی به حرکت منظم می آیند و رسانایی ناخالصی الکترونیکی در آن ایجاد می شود. در نتیجه، نیمه هادی با رسانایی عمدتاً الکترونیکی بدست می آوریم که نیمه هادی نوع n نامیده می شود. (از لاتین negativus - منفی).

از آنجایی که تعداد الکترون‌ها در یک نیمه‌رسانای نوع n بسیار بیشتر از تعداد حفره‌ها است، الکترون‌ها حامل‌های بار اصلی هستند و حفره‌ها حفره‌های فرعی 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 پیوند کووالانسی تنها با سه اتم سیلیکون همسایه بدهد، و یک الکترون "مفقود" است (شکل 9). یکی از الکترون‌های اتم‌های سیلیکون همسایه می‌تواند این پیوند را پر کند، سپس اتم In به یک یون منفی بی‌حرکت تبدیل می‌شود و به جای الکترونی که یکی از اتم‌های سیلیکون را ترک کرده است، حفره‌ای ایجاد می‌شود. ناخالصی های گیرنده، گرفتن الکترون ها و در نتیجه ایجاد حفره های متحرک، تعداد الکترون های رسانا را افزایش نمی دهند. حامل های بار اصلی در یک نیمه هادی با ناخالصی پذیرنده سوراخ ها و حامل های اقلیت الکترون ها هستند.

ناخالصی های پذیرندهناخالصی 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 می کند و مانع حرکت الکترون ها می شود. 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 هر صد هزار اتم سیلیکون باعث کاهش میزان خاص می شود. مقاومت الکتریکیسیلیکون حدود هزار بار و مخلوط یک اتم ایندیم در هر 10 8 - 10 9 اتم ژرمانیوم مقاومت الکتریکی ژرمانیوم را میلیون ها بار کاهش می دهد.

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

انتقال الکترون به حفره

انتقال 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 مناطق است.

فرض کنید یک کریستال داریم که در سمت چپ یک ناحیه نیمه هادی با سوراخ (نوع p) و در سمت راست - با رسانایی الکترونیکی (نوع n) 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 از ناحیه ای با رسانایی حفره، خیلی سریع با سوراخ ترکیب می شود و یک یون گیرنده جبران نشده در ناحیه نوع p تشکیل می شود.

مانند الکترون‌ها، حفره‌های ناحیه نوع p در ناحیه الکترونیکی منتشر می‌شوند و یک یون گیرنده بار منفی جبران‌نشده در ناحیه سوراخ باقی می‌مانند. پس از عبور از ناحیه الکترونیکی، حفره با 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.

یک میدان الکتریکی بین لایه‌های یون با قدرت ایجاد می‌شود ای. میدان الکتریکی محل اتصال الکترون به حفره (p-n-junction) از انتقال بیشتر الکترون ها و حفره ها از طریق رابط بین دو نیمه هادی جلوگیری می کند. لایه مسدود کننده نسبت به بقیه حجم های 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 های n-نیمه هادی و سوراخ های موجود در p-نیمه هادی به سمت یکدیگر به سمت رابط نیمه هادی حرکت می کند (شکل 11). الکترون ها که از مرز عبور می کنند، سوراخ ها را "پر" می کنند. با چنین جهت مستقیم میدان الکتریکی خارجی، ضخامت لایه مانع و مقاومت آن به طور مداوم کاهش می یابد. در این جهت جریان الکتریکی از محل اتصال p-n عبور می کند.

جهت در نظر گرفته شده پیوند p-n نامیده می شود مستقیم. وابستگی جریان به ولتاژ، به عنوان مثال. ویژگی های ولت آمپرانتقال مستقیم، نشان داده شده در شکل. 12 به عنوان یک خط ثابت.

اگر نیمه هادی n به قطب مثبت منبع و نیمه هادی p به قطب منفی متصل شود، الکترون های n نیمه هادی و حفره های نیمه هادی p تحت تأثیر میدان الکتریکی حرکت می کنند. از رابط در جهت مخالف (شکل 13). این منجر به ضخیم شدن لایه مانع و افزایش مقاومت آن می شود. جهت میدان الکتریکی خارجی که لایه مانع 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 p-n اکنون به دلیل الکترون هایی است که در نیمه هادی نوع p و سوراخ های نیمه هادی نوع n قرار دارند. اما حامل های بار اقلیت بسیار کمی وجود دارد، بنابراین رسانایی انتقال ناچیز است و مقاومت آن زیاد است. جهت در نظر گرفته شده پیوند p-n نامیده می شود معکوسمشخصه جریان-ولتاژ آن در شکل نشان داده شده است. 12 خط چین.

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

توجه داشته باشید که در یک ولتاژ خاص اعمال شده در جهت مخالف، وجود دارد درهم شکستن(یعنی تخریب) اتصال p-n.

نیمه هادی ها

ترمیستورها

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

تغییر در مقاومت ترمیستورها هنگام گرم شدن یا سرد شدن 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 ارائه اعلام حریق و غیره. ترمیستورها برای اندازه گیری هر دو بسیار زیاد ( تی≈ 1300 K) و بسیار کم ( تی≈ 4 - 80 K) دما.

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

برنج. چهارده

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 الکترون‌ها و حفره‌های آزاد به دلیل انرژی نوری که به نیمه‌رسانا می‌تابد افزایش می‌یابد.

دستگاه هایی که وابستگی هدایت 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 کوچک و حساسیت بالای مقاومت های نوری امکان استفاده از آنها را برای ثبت و اندازه گیری شارهای ضعیف نور فراهم می کند. با کمک مقاومت نوری، کیفیت سطوح مشخص می شود، ابعاد محصولات کنترل می شود و غیره.

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

برنج. پانزده

دیود نیمه هادی

توانایی یک اتصال p-n 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، یک کریستال ژرمانیوم در هرمتیک قرار می گیرد مورد فلزی. دیودهای نیمه هادی عناصر اصلی یکسو کننده های AC هستند (به طور دقیق تر، از آنها برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم ضربانی استفاده می شود.)

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

برنج. شانزده

ال ای دی ها

دیود ساطع نوریا 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. وظایف تست ها: Proc. کمک هزینه برای موسسات ارائه عمومی. محیط ها، آموزش / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; اد. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 300-308.
2. Burov L.I., Strelchenya V.M. فیزیک از A تا Z: برای دانش آموزان، متقاضیان، معلمان. - Minsk: Paradox, 2000. - S. 219-228.
3. Myakishev G. Ya. فیزیک: الکترودینامیک. 10 - 11 سلول: کتاب درسی برای مطالعه عمیق فیزیک / G.Ya. میاکیشف، A.Z. سینیاکوف، بی.ا. اسلوبودسکوف - M.: Bustard, 2005. - S. 309-320.
4. Yavorsky BM, Seleznev Yu. A. راهنمای مرجع فیزیک برای کسانی که وارد دانشگاه می شوند و خودآموزی. - M.: Nauka، 1984. - S. 165-169.

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

نیمه هادی ماده ای است که مقاومت آن 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. مکانیسم رسانایی در نیمه هادی ها بلورهای 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 دماهای پایین، نیمه 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) پ"-نوع) در دماهای پایین در نیمه هادی ها، همه الکترون ها با هسته مرتبط هستند و مقاومت بزرگ است؛ با افزایش دما، انرژی جنبشی ذرات افزایش می یابد، پیوندها شکسته می شوند و الکترون های آزاد ظاهر می شوند - مقاومت کاهش می یابد. الکترون های آزاد مخالف حرکت می کنند. به بردار شدت میدان الکتریکی رسانایی الکترونیکی نیمه هادی ها به دلیل وجود الکترون های آزاد است. 2) حفره (رسانایی "نوع p") با افزایش دما پیوندهای کووالانسی که توسط الکترون های ظرفیت بین اتم ها انجام می شود از بین می روند و مکان هایی با یک الکترون از دست رفته تشکیل می شوند - یک "حفره". جای آن را می توان با الکترون های ظرفیت جایگزین کرد. حرکت "حفره" معادل حرکت یک بار مثبت است. حرکت حفره در جهت انجام می شود. بردار شدت میدان الکتریکی. گسیختگی پیوندهای کووالانسی و وقوع رسانایی ذاتی نیمه هادی ها می تواند ناشی از گرمایش، روشنایی باشد. m (رسانایی عکس) و عمل میدان های الکتریکی قوی. وابستگی R(t): ترمیستور
- اندازه گیری از راه دور t; - زنگ خطر آتش

رسانایی کل یک نیمه هادی خالص مجموع رسانایی انواع "p" و "n" است و رسانایی الکترون-حفره نامیده می شود. نیمه هادی ها در حضور ناخالصی ها آنها هدایت ناخالصی خود را 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 پایه 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 ها هستند n "- نوع، یعنی نیمه هادی هایی با ناخالصی های دهنده، که حامل بار اصلی الکترون ها هستند و بار جزئی سوراخ ها هستند. چنین نیمه هادی دارای رسانایی ناخالصی الکترونیکی است (به عنوان مثال آرسنیک). 2ناخالصی های پذیرنده (دریافت کننده) "سوراخ" ایجاد می کنند و الکترون ها را به درون خود می گیرند. 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 - الکترون ها. چنین نیمه هادی دارد هدایت ناخالصی سوراخ (به عنوان مثال ایندیم). خواص الکتریکی "p- n" انتقالاتانتقال "p-n" (یا انتقال الکترون به حفره) - ناحیه تماس دو نیمه هادی، جایی که رسانایی از الکترونیکی به سوراخ تغییر می کند (یا برعکس). AT ایجاد چنین مناطقی در یک کریستال نیمه هادی با وارد کردن ناخالصی ها امکان پذیر است. 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 شودانتقال بیشتر الکترون ها و حفره ها از طریق مرز. لایه مانع در مقایسه با سایر مناطق نیمه هادی مقاومت بیشتری دارد. AT میدان الکتریکی خارجی بر مقاومت لایه مانع تأثیر می گذارد. در جهت مستقیم (انتقال) میدان الکتریکی خارجی، جریان از مرز دو نیمه هادی عبور می کند. زیرا الکترون‌ها و حفره‌ها به سمت همدیگر حرکت می‌کنند تا سطح مشترک، سپس الکترون‌ها، با عبور از مرز، سوراخ ها را پر کنید. ضخامت لایه مانع و مقاومت آن به طور مداوم در حال کاهش است.

پ با مسدود کردن (جهت معکوس میدان الکتریکی خارجی)، جریان از ناحیه تماس دو نیمه هادی عبور نمی کند. زیرا 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- یک نیمه هادی با یک اتصال "rn".پ
دیودهای نیمه هادی عناصر اصلی یکسو کننده های AC هستند.
هنگامی که میدان الکتریکی اعمال می شود: در یک جهت، مقاومت نیمه هادی زیاد است، در جهت مخالف، مقاومت کم است.
ترانزیستورها(از جانب کلمات انگلیسیانتقال - انتقال، مقاومت - مقاومت) یکی از انواع ترانزیستورهای ساخته شده از ژرمانیوم یا سیلیکون با ناخالصی های دهنده و پذیرنده وارد شده را در نظر بگیرید. توزیع ناخالصی ها به گونه ای است که یک لایه نیمه هادی بسیار نازک (در حد چند میکرومتر) از نوع n بین دو لایه نیمه هادی نوع p ایجاد می شود (شکل را ببینید). این لایه نازک نامیده می شود اساسیا پایه.کریستال دو تا دارد آر-n-junctions که جهت مستقیم آنها مخالف است. سه پین ​​از مناطق با انواع مختلفرسانایی به شما امکان می دهد یک ترانزیستور را در مدار نشان داده شده در شکل قرار دهید. با این شمول، چپ آر-n-jump است مستقیمو پایه را از ناحیه ای از نوع p به نام جدا می کند ساطع کنندهاگر حق نبود آر-n-junction، در مدار امیتر-پایه یک جریان بسته به ولتاژ منابع (باتری ها) وجود دارد. B1و یک منبع ولتاژ AC) و مقاومت مدار، از جمله مقاومت کم اتصال امیتر مستقیم به پایه. باتری B2روشن شد تا سمت راست آر-n-اتصال در مدار (نگاه کنید به شکل) است معکوس.پایه را از ناحیه سمت راست نوع p به نام جدا می کند گردآورندهاگر چیزی باقی نمانده بود آر-n-junction، جریان در مدار کلکتور نزدیک به صفر خواهد بود، زیرا مقاومت اتصال معکوس بسیار زیاد است. در حضور جریان در سمت چپ آرجریان اتصال -n نیز 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، سمت چپ آر-n-junction معکوس خواهد شد و عملاً جریانی در مدار امیتر و مدار کلکتور وجود نخواهد داشت. هنگامی که ولتاژ بین امیتر و پایه ایجاد می شود، حامل های اصلی نیمه هادی نوع p - سوراخ ها به پایه نفوذ می کنند، جایی که آنها قبلا حامل های جزئی هستند. از آنجایی که ضخامت پایه بسیار کم و تعداد حامل های اکثریت (الکترون ها) در آن کم است، سوراخ هایی که در آن افتاده اند به سختی با الکترون های پایه ترکیب می شوند (بازترکیب نمی شوند) و به دلیل انتشار به کلکتور نفوذ می کنند. درست آراتصال -n برای حامل های بار اصلی پایه - الکترون ها بسته است، اما برای سوراخ ها بسته نیست. در کلکتور، سوراخ ها توسط میدان الکتریکی کشیده شده و مدار را می بندند. قدرت انشعاب جریان به مدار امیتر از پایه بسیار کم 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 مقاومت R تأثیر کمی بر جریان در کلکتور دارد و می توان این مقاومت را به اندازه کافی بزرگ کرد. با کنترل جریان امیتر با استفاده از یک منبع ولتاژ AC موجود در مدار آن، یک تغییر همزمان در ولتاژ در مقاومت R دریافت می کنیم. .

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

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

3

نیمه هادی ها موادی هستند که در شرایط عادی عایق هستند اما با افزایش دما تبدیل به هادی می شوند. یعنی در نیمه هادی ها با افزایش دما، مقاومت کاهش می یابد.

ساختار یک نیمه رسانا به عنوان مثال یک کریستال سیلیکون

ساختار نیمه هادی ها و انواع اصلی رسانایی در آنها را در نظر بگیرید. به عنوان مثال، یک کریستال سیلیکون را در نظر بگیرید.

سیلیکون یک عنصر چهار ظرفیتی است. بنابراین، در لایه بیرونی آن چهار الکترون وجود دارد که به طور ضعیفی به هسته اتم متصل هستند. هر کدام چهار اتم دیگر در همسایگی خود دارند.

اتم ها با یکدیگر تعامل دارند و پیوندهای کووالانسی تشکیل می دهند. یک الکترون از هر اتم در چنین پیوندی شرکت می کند. نمودار دستگاه سیلیکونی در شکل زیر نشان داده شده است.

تصویر

پیوندهای کووالانسی به اندازه کافی قوی هستند و در دماهای پایین شکسته نمی شوند. بنابراین، هیچ حامل شارژ رایگان در سیلیکون وجود ندارد و در دماهای پایین یک دی الکتریک است. دو نوع رسانایی در نیمه هادی ها وجود دارد: الکترون و حفره.

هدایت الکترونیکی

هنگامی که سیلیکون گرم می شود، انرژی اضافی به آن منتقل می شود. انرژی جنبشیذرات افزایش می یابد و برخی از پیوندهای کووالانسی شکسته می شوند. این باعث ایجاد الکترون های آزاد می شود.

در یک میدان الکتریکی، این الکترون ها بین گره های شبکه کریستالی حرکت می کنند. در این صورت جریان الکتریکی در سیلیکون ایجاد می شود.

از آنجایی که حامل های بار اصلی الکترون های آزاد هستند، به این نوع رسانش، هدایت الکترونیکی می گویند. تعداد الکترون های آزاد به دما بستگی دارد. هر چه سیلیکون را بیشتر گرم کنیم، پیوندهای کووالانسی بیشتری شکسته می شوند و در نتیجه الکترون های آزاد بیشتری ظاهر می شوند. این منجر به کاهش مقاومت می شود. و سیلیسیم تبدیل به هادی می شود.

هدایت سوراخ

هنگامی که یک پیوند کووالانسی شکسته می شود، به جای الکترون پرتاب شده، الف جای خالی، که می تواند توسط یک الکترون دیگر اشغال شود. به این مکان سوراخ می گویند. سوراخ دارای بار مثبت اضافی است.

موقعیت یک سوراخ در کریستال دائماً در حال تغییر است، هر الکترونی می تواند این موقعیت را بگیرد و حفره به جایی که الکترون از آنجا پریده است حرکت می کند. اگر میدان الکتریکی وجود نداشته باشد، حرکت سوراخ ها تصادفی است و بنابراین جریانی رخ نمی دهد.

در صورت وجود نظمی در حرکت سوراخ ها وجود دارد و علاوه بر جریانی که ایجاد می شود الکترون های آزاد، هنوز جریانی وجود دارد که توسط سوراخ ها ایجاد می شود. حفره ها در جهت مخالف الکترون ها حرکت خواهند کرد.

بنابراین، در نیمه هادی ها، رسانایی الکترون-حفره است. جریان هم توسط الکترون ها و هم توسط سوراخ ها تولید می شود. به این نوع رسانایی، رسانایی ذاتی نیز گفته می شود، زیرا عناصر تنها یک اتم درگیر هستند.