Courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. Courant électrique dans les semi-conducteurs. Diode semi-conductrice. Dispositifs semi-conducteurs
Lire aussi
Les semi-conducteurs sont des substances qui ont une conductivité électrique position intermédiaire entre bons guides Et bons isolants(diélectriques).
Les semi-conducteurs sont à la fois des éléments chimiques (germanium Ge, silicium Si, sélénium Se, tellure Te) et des composés éléments chimiques(PbS, CdS, etc.).
La nature des porteurs de courant dans les différents semi-conducteurs est différente. Dans certains d’entre eux, les porteurs de charge sont des ions ; dans d'autres, les porteurs de charge sont des électrons.
Conductivité intrinsèque des semi-conducteurs
Il existe deux types de conductivité intrinsèque des semi-conducteurs : la conductivité électronique et la conductivité des trous des semi-conducteurs.
1. Conductivité électronique des semi-conducteurs.
La conductivité électronique est réalisée par le mouvement dirigé dans l'espace interatomique d'électrons libres qui ont quitté la couche de valence de l'atome à la suite d'influences extérieures.
2. Conductivité des trous des semi-conducteurs.
La conduction par trous se produit avec le mouvement dirigé des électrons de valence vers des positions vacantes dans les liaisons paires d'électrons - les trous. L'électron de valence d'un atome neutre situé à proximité immédiate d'un ion positif (trou) est attiré par le trou et y saute. Dans ce cas, un ion positif (trou) se forme à la place d'un atome neutre et un atome neutre se forme à la place d'un ion positif (trou).
Dans un semi-conducteur idéalement pur sans aucune impureté étrangère, chaque électron libre correspond à la formation d'un trou, c'est-à-dire le nombre d'électrons et de trous impliqués dans la création du courant est le même.
Conductivité à laquelle se produit même nombre porteurs de charge (électrons et trous) est appelée conductivité intrinsèque des semi-conducteurs.
La conductivité intrinsèque des semi-conducteurs est généralement faible, car le nombre d’électrons libres est faible. La moindre trace d'impuretés modifie radicalement les propriétés des semi-conducteurs.
Conductivité électrique des semi-conducteurs en présence d'impuretés
Les impuretés présentes dans un semi-conducteur sont considérées comme des atomes d'éléments chimiques étrangers qui ne sont pas contenus dans le semi-conducteur principal.
Conductivité des impuretés est la conductivité des semi-conducteurs due à l'introduction d'impuretés dans leurs réseaux cristallins.
Dans certains cas, l'influence des impuretés se manifeste par le fait que le mécanisme de conduction des « trous » devient pratiquement impossible et que le courant dans le semi-conducteur est réalisé principalement par le mouvement des électrons libres. De tels semi-conducteurs sont appelés semi-conducteurs électroniques ou semi-conducteurs de type n(du mot latin negativus - négatif). Les porteurs de charge majoritaires sont des électrons et les porteurs de charge non majoritaires sont des trous. Les semi-conducteurs de type N sont des semi-conducteurs contenant des impuretés donneuses.
1. Impuretés du donneur.
Les impuretés qui donnent facilement des électrons et augmentent donc le nombre d’électrons libres sont appelées impuretés donneuses. Les impuretés donneuses fournissent des électrons de conduction sans créer le même nombre de trous.
Un exemple typique d’impureté donneuse dans le germanium tétravalent Ge est les atomes d’arsenic pentavalent As.
Dans d'autres cas, le mouvement des électrons libres devient pratiquement impossible et le courant s'effectue uniquement par le mouvement des trous. Ces semi-conducteurs sont appelés semi-conducteurs à trous ou semi-conducteurs de type p(du mot latin positivus - positif). Les porteurs de charge majoritaires sont des trous, et non les porteurs de charge majoritaires - les électrons. . Les semi-conducteurs de type P sont des semi-conducteurs contenant des impuretés accepteurs.
Les impuretés accepteurs sont des impuretés dans lesquelles il n’y a pas suffisamment d’électrons pour former des liaisons paires-électrons normales.
Un exemple d'impureté acceptrice dans le germanium Ge est les atomes de gallium trivalent Ga
Électricité par le contact de semi-conducteurs de type p et de type n jonction p-n- il s'agit d'une couche de contact de deux semi-conducteurs à impuretés de type p et de type n ; Une jonction pn est la limite séparant les régions avec une conductivité de trou (p) et une conductivité électronique (n) dans le même monocristal.
Jonction p-n directe
Si un semi-conducteur n est connecté au pôle négatif de la source d'alimentation et que le pôle positif de la source d'alimentation est connecté au semi-conducteur p, alors sous l'influence champ électrique les électrons dans un semi-conducteur n et les trous dans un semi-conducteur p se rapprocheront les uns des autres vers l'interface semi-conductrice. Les électrons, traversant la frontière, « remplissent » les trous, le courant à travers la jonction p-n est réalisé par les principaux porteurs de charge. En conséquence, la conductivité de l’ensemble de l’échantillon augmente. Avec une telle direction vers l'avant (traversante) du champ électrique externe, l'épaisseur de la couche de blocage et sa résistance diminuent.
Dans cette direction, le courant traverse la frontière des deux semi-conducteurs.
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Jonction pn inversée
Si un semi-conducteur n est connecté au pôle positif de la source d'alimentation et qu'un semi-conducteur p est connecté au pôle négatif de la source d'alimentation, alors les électrons du semi-conducteur n et les trous du semi-conducteur p sous l'influence de le champ électrique se déplacera depuis l'interface dans des directions opposées, le courant traversant p La jonction -n est réalisée par des porteurs de charge minoritaires. Cela entraîne un épaississement de la couche barrière et une augmentation de sa résistance. En conséquence, la conductivité de l'échantillon s'avère insignifiante et la résistance est grande.
Une couche dite barrière se forme. Avec cette direction du champ externe, le courant électrique ne passe pratiquement pas par le contact des semi-conducteurs p et n.
Ainsi, la transition électron-trou a une conductivité unidirectionnelle.
Dépendance du courant sur la tension - volt - ampère caractéristique p-n la transition est représentée sur la figure (caractéristique volt-ampère du direct jonction р-n représenté par une ligne continue, caractéristique volt-ampère p-n inversé la transition est représentée par une ligne pointillée).
Diode semi-conductrice- pour le lissage courant alternatif, il utilise une jonction p-n avec des résistances différentes : dans le sens direct, la résistance de la jonction p-n est nettement inférieure à celle dans le sens inverse.
Photorésistances - pour enregistrer et mesurer de faibles flux lumineux. Avec leur aide, ils déterminent la qualité des surfaces et contrôlent les dimensions des produits.
Thermistances - pour la mesure de température à distance, les alarmes incendie.
Dans les semi-conducteurs, il s’agit du mouvement dirigé des trous et des électrons, influencé par un champ électrique.
À la suite d'expériences, il a été constaté que le courant électrique dans les semi-conducteurs ne s'accompagne pas d'un transfert de matière - non des modifications chimiques. Ainsi, les électrons peuvent être considérés comme porteurs de courant dans les semi-conducteurs.
La capacité d'un matériau à y former un courant électrique peut être déterminée selon cet indicateur, les conducteurs occupent une position intermédiaire entre les conducteurs et les diélectriques. Les semi-conducteurs sont différentes sortes minéraux, certains métaux, sulfures métalliques, etc. Le courant électrique dans les semi-conducteurs est dû à la concentration d’électrons libres, qui peuvent se déplacer de manière directionnelle dans la substance. En comparant les métaux et les conducteurs, on peut noter qu'il existe une différence entre influence de la température sur leur conductivité. Une augmentation de la température entraîne une diminution de la conductivité des semi-conducteurs. Si la température dans un semi-conducteur augmente, le mouvement des électrons libres sera plus chaotique. Cela est dû à une augmentation du nombre de collisions. Cependant, dans les semi-conducteurs, par rapport aux métaux, la concentration d'électrons libres augmente considérablement. Ces facteurs ont l'effet inverse sur la conductivité : plus il y a de collisions, plus la conductivité est faible ; plus la concentration est élevée, plus elle est élevée. Dans les métaux, il n'y a aucune relation entre la température et la concentration d'électrons libres, donc avec un changement de conductivité avec une température croissante, la possibilité d'un mouvement ordonné des électrons libres ne fait que diminuer. Quant aux semi-conducteurs, l’effet de l’augmentation de la concentration est plus important. Ainsi, plus la température augmente, plus la conductivité sera grande.
Il existe une relation entre le mouvement des porteurs de charge et un concept tel que le courant électrique dans les semi-conducteurs. Dans les semi-conducteurs, l'apparition des porteurs de charge est caractérisée par divers facteurs, parmi lesquels la température et la pureté du matériau sont particulièrement importantes. En fonction de leur pureté, les semi-conducteurs sont divisés en impuretés et semi-conducteurs intrinsèques.
Quant au conducteur propre, l'influence des impuretés à une certaine température ne peut être considérée comme significative pour eux. Étant donné que la bande interdite dans les semi-conducteurs est petite, dans le semi-conducteur natif, lorsque la température atteint, la bande de valence est complètement remplie d'électrons. Mais la bande de conduction est totalement libre : elle ne contient aucune conductivité électrique et elle fonctionne comme un diélectrique idéal. À d’autres températures, il est possible qu’en raison des fluctuations thermiques, certains électrons franchissent la barrière de potentiel et se retrouvent dans la bande de conduction.
Effet Thomson
Le principe de l'effet thermoélectrique de Thomson : lorsqu'un courant électrique traverse des semi-conducteurs le long desquels existe un gradient de température, en plus de la chaleur Joule, des quantités supplémentaires de chaleur seront libérées ou absorbées selon la direction dans laquelle circule le courant.
Un chauffage insuffisamment uniforme d'un échantillon ayant une structure homogène affecte ses propriétés, ce qui rend la substance inhomogène. Le phénomène de Thomson est donc un phénomène spécifique de Pelte. La seule différence est que ce n’est pas la composition chimique différente de l’échantillon, mais la température inhabituelle qui provoque cette hétérogénéité.
Les semi-conducteurs occupent une position intermédiaire en conductivité électrique (ou résistivité) entre les conducteurs et les diélectriques. Cependant, cette division de toutes les substances selon leur propriété de conductivité électrique est conditionnelle, car sous l'influence d'un certain nombre de raisons (impuretés, irradiation, échauffement), la conductivité électrique et la résistivité de nombreuses substances changent de manière très significative, notamment dans les semi-conducteurs.
À cet égard, les semi-conducteurs se distinguent des métaux par un certain nombre de caractéristiques :
1. La résistivité des semi-conducteurs dans des conditions normales est bien supérieure à celle des métaux ;
2. La résistivité des semi-conducteurs purs diminue avec l'augmentation de la température (pour les métaux, elle augmente) ;
3. lorsque les semi-conducteurs sont éclairés, leur résistance diminue considérablement (la lumière n'a quasiment aucun effet sur la résistance des métaux) :
4. Une infime quantité d’impuretés a un effet important sur la résistance des semi-conducteurs.
Les semi-conducteurs comprennent 12 éléments chimiques dans la partie médiane du tableau périodique (Fig. 1) - B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, composés d'éléments du troisième groupe avec des éléments du cinquième groupe, de nombreux oxydes et sulfures métalliques, plusieurs autres composants chimiques, quelques matière organique. Le germanium Ge et le silicium Si ont la plus grande application en science et technologie.
Les semi-conducteurs peuvent être purs ou contenir des impuretés. En conséquence, une distinction est faite entre la conductivité intrinsèque et celle des impuretés des semi-conducteurs. Les impuretés, à leur tour, sont divisées en donneur et accepteur.
Conductivité électrique intrinsèque
Pour comprendre le mécanisme de conductivité électrique dans les semi-conducteurs, considérons la structure des cristaux semi-conducteurs et la nature des liaisons qui maintiennent les atomes du cristal les uns près des autres. Les cristaux de germanium et d'autres semi-conducteurs ont un réseau cristallin atomique (Fig. 2).
Un diagramme plan de la structure du germanium est présenté à la figure 3.
Le germanium est un élément tétravalent ; dans la coque externe de l’atome se trouvent quatre électrons qui sont plus faiblement liés au noyau que les autres. Le nombre de voisins les plus proches de chaque atome de germanium est également de 4. Les quatre électrons de valence de chaque atome de germanium sont liés aux mêmes électrons des atomes voisins par des paires chimiques d'électrons ( covalent) Connexions. Dans la formation de cette liaison participe un électron de valence de chaque atome, qui est séparé des atomes (collectivisés par le cristal) et, pendant leur mouvement, passe la plupart du temps dans l'espace entre les atomes voisins. Leur charge négative maintient les ions germanium positifs les uns à côté des autres. Ce type de connexion peut être classiquement représenté par deux lignes reliant les noyaux (voir Fig. 3).
Mais la paire d’électrons itinérante n’appartient pas qu’à deux atomes. Chaque atome forme quatre liaisons avec ses voisins, et un électron de valence donné peut se déplacer le long de n'importe laquelle d'entre elles (Fig. 4). Ayant atteint un atome voisin, il peut passer au suivant, puis plus loin dans tout le cristal. Les électrons de valence collectivisés appartiennent au cristal entier.
Les liaisons covalentes du germanium sont assez fortes même à basses températures ne casse pas. Le germanium ne conduit donc pas le courant électrique à basse température. Les électrons de valence impliqués dans la liaison des atomes sont fermement attachés au réseau cristallin et le champ électrique externe n'a pas d'effet notable sur leur mouvement. Le cristal de silicium a une structure similaire.
La conductivité électrique d'un semi-conducteur chimiquement pur est possible lorsque les liaisons covalentes dans les cristaux sont rompues et que des électrons libres apparaissent.
L’énergie supplémentaire qui doit être dépensée pour rompre une liaison covalente et libérer un électron est appelée énergie d'activation.
Les électrons peuvent obtenir cette énergie en chauffant le cristal, en l'irradiant à haute fréquence. ondes électromagnétiques etc.
Dès qu'un électron, ayant acquis l'énergie nécessaire, quitte une liaison localisée, une vacance se forme dessus. Cette lacune peut facilement être comblée par un électron provenant d’une liaison voisine, ce qui crée ainsi également une lacune. Ainsi, en raison du mouvement des électrons de liaison, les lacunes se déplacent dans tout le cristal. Cette lacune se comporte exactement de la même manière qu’un électron libre : elle se déplace librement dans tout le volume du semi-conducteur. De plus, en tenant compte du fait que le semi-conducteur dans son ensemble et chacun de ses atomes avec des liaisons covalentes ininterrompues sont électriquement neutres, on peut dire que le départ d'un électron d'une liaison et la formation d'une lacune équivaut en réalité à l'apparition de une charge positive excédentaire sur cette obligation. Par conséquent, la vacance qui en résulte peut être formellement considérée comme porteuse d'une charge positive, appelée trou(Fig.5).
Ainsi, le départ d'un électron d'une liaison localisée génère une paire de porteurs de charge libres : un électron et un trou. Leur concentration dans un semi-conducteur pur est la même. À température ambiante La concentration de porteurs libres dans les semi-conducteurs purs est faible, environ 10 9 ÷ 10 10 fois inférieure à la concentration des atomes, mais elle augmente rapidement avec l'augmentation de la température.
- Comparez avec les métaux : là-bas, la concentration d'électrons libres est approximativement égale à la concentration d'atomes.
En l’absence de champ électrique externe, ces électrons et trous libres se déplacent de manière chaotique dans le cristal semi-conducteur.
À l'extérieur champ électrique les électrons se déplacent dans la direction opposée à la direction de l’intensité du champ électrique. Les trous positifs se déplacent dans la direction de l’intensité du champ électrique (Fig. 6). Le processus de déplacement des électrons et des trous dans un champ externe se produit dans tout le volume du semi-conducteur.
La conductivité électrique totale d’un semi-conducteur est constituée des conductivités des trous et des électrons. De plus, dans les semi-conducteurs purs, le nombre d’électrons de conduction est toujours égal au nombre de trous. Par conséquent, ils disent que les semi-conducteurs purs ont conductivité électron-trou, ou propre conductivité.
Avec l'augmentation de la température, le nombre de ruptures de liaisons covalentes augmente et le nombre d'électrons libres et de trous dans les cristaux de semi-conducteurs purs augmente et, par conséquent, la conductivité électrique augmente et la résistivité des semi-conducteurs purs diminue. Un graphique de la résistivité d'un semi-conducteur pur en fonction de la température est présenté sur la figure. 7.
En plus de l'échauffement, la rupture des liaisons covalentes et, par conséquent, l'émergence de la conductivité intrinsèque des semi-conducteurs et une diminution de la résistivité peuvent être provoquées par l'éclairage (photoconductivité d'un semi-conducteur), ainsi que par l'action de champs électriques puissants. .
Conductivité des impuretés des semi-conducteurs
La conductivité des semi-conducteurs augmente avec l'introduction d'impuretés, lorsqu'en plus de leur propre conductivité, une conductivité d'impuretés supplémentaire apparaît.
Conductivité des impuretés Les semi-conducteurs sont appelés conductivité en raison de la présence d'impuretés dans le semi-conducteur.
Les centres d’impuretés peuvent être :
1. atomes ou ions d’éléments chimiques intégrés dans un réseau semi-conducteur ;
2. excès d'atomes ou d'ions noyés dans les interstices du réseau ;
3. divers autres défauts et distorsions du réseau cristallin : nœuds vides, fissures, déplacements qui se produisent lors de la déformation des cristaux, etc.
En modifiant la concentration d'impuretés, vous pouvez augmenter considérablement le nombre de porteurs de charge d'un signe ou d'un autre et créer des semi-conducteurs avec une concentration prédominante de porteurs chargés négativement ou positivement.
Les impuretés peuvent être divisées en impuretés donneuses (donner) et accepteuses (réceptrices).
Impureté du donneur
- Du latin « donare » – donner, sacrifier.
Considérons le mécanisme de conductivité électrique d'un semi-conducteur avec une impureté donneuse pentavalente d'arsenic As, qui est introduite dans un cristal, par exemple du silicium. L'atome d'arsenic pentavalent donne quatre électrons de valence pour former des liaisons covalentes, et le cinquième électron est inoccupé dans ces liaisons (Fig. 8).
L'énergie d'abstraction (énergie d'ionisation) du cinquième électron de valence de l'arsenic dans le silicium est de 0,05 eV = 0,08⋅10 -19 J, soit 20 fois inférieure à l'énergie d'abstraction électronique d'un atome de silicium. Par conséquent, déjà à température ambiante, presque tous les atomes d’arsenic perdent un de leurs électrons et deviennent des ions positifs. Les ions positifs de l’arsenic ne peuvent pas capturer les électrons des atomes voisins, puisque les quatre liaisons sont déjà équipées d’électrons. Dans ce cas, il n'y a pas de mouvement de la lacune électronique - le « trou » et la conductivité du trou sont très faibles, c'est-à-dire pratiquement absent.
Impuretés du donneur- ce sont des impuretés qui cèdent facilement des électrons et augmentent donc le nombre d'électrons libres. En présence d'un champ électrique, les électrons libres entrent en mouvement ordonné dans un cristal semi-conducteur et la conductivité des impuretés électroniques y apparaît. Le résultat est un semi-conducteur à conductivité principalement électronique, appelé semi-conducteur de type n. (Du latin negativus - négatif).
Puisque dans un semi-conducteur de type n, le nombre d’électrons est nettement supérieur au nombre de trous, les électrons sont les porteurs de charge majoritaires et les trous sont les porteurs minoritaires.
Impureté accepteur
- Du latin « accepteur » – récepteur.
Dans le cas d'une impureté acceptrice, par exemple l'indium trivalent In, l'atome de l'impureté peut céder ses trois électrons pour établir une liaison covalente avec seulement trois atomes de silicium voisins, et un électron est « manquant » (Fig. 9). L'un des électrons des atomes de silicium voisins peut remplir cette liaison, puis l'atome In deviendra un ion négatif stationnaire et un trou se formera à la place de l'électron qui a quitté l'un des atomes de silicium. Les impuretés accepteurs, capturant les électrons et créant ainsi des trous mobiles, n'augmentent pas le nombre d'électrons de conduction. Les porteurs de charge majoritaires dans un semi-conducteur avec une impureté acceptrice sont des trous, et les porteurs de charge minoritaires sont des électrons.
Impuretés accepteurs- ce sont des impuretés qui assurent la conductivité des trous.
Les semi-conducteurs dans lesquels la concentration de trous dépasse la concentration d'électrons de conduction sont appelés semi-conducteurs de type P (du latin positivus - positif.).
Il convient de noter que l'introduction d'impuretés dans les semi-conducteurs, comme dans tous les métaux, perturbe la structure du réseau cristallin et entrave le mouvement des électrons. Cependant, la résistance n'augmente pas car l'augmentation de la concentration en porteurs de charge réduit considérablement la résistance. Ainsi, l'introduction d'impuretés de bore à raison de 1 atome pour cent mille atomes de silicium réduit la spécificité résistance électrique le silicium environ mille fois, et le mélange d'un atome d'indium avec 10 8 à 10 9 atomes de germanium réduit la résistivité électrique du germanium des millions de fois.
Si des impuretés donneuses et acceptrices sont introduites simultanément dans un semi-conducteur, alors la nature de la conductivité du semi-conducteur (type n ou p) est déterminée par l'impureté avec une concentration plus élevée de porteurs de charge.
Transition électron-trou
Une jonction électron-trou (en abrégé jonction p-n) se produit dans un cristal semi-conducteur qui possède simultanément des régions avec des conductivités de type n (contient des impuretés donneuses) et de type p (avec des impuretés accepteurs) à la frontière entre ces régions.
Disons que nous avons un cristal dans lequel se trouve une région semi-conductrice avec une conductivité de trou (type p) à gauche et une conductivité électronique (type n) à droite (Fig. 10). Grâce à mouvement thermique Lorsqu'un contact est formé, les électrons du semi-conducteur de type n diffusent dans la région de type p. Dans ce cas, un ion donneur positif non compensé restera dans la région de type n. Après avoir traversé la région avec une conductivité de trou, l'électron se recombine très rapidement avec le trou et un ion accepteur non compensé se forme dans la région de type p.
Semblables aux électrons, les trous de la région de type p diffusent dans la région des électrons, laissant un ion accepteur chargé négativement non compensé dans la région des trous. Passé dans la région électronique, le trou se recombine avec un électron. En conséquence, un ion donneur positif non compensé est formé dans la région électronique.
À la suite de la diffusion, une double couche électrique d'ions de charges opposées se forme à la frontière entre ces régions, l'épaisseur je qui ne dépasse pas les fractions de micromètre.
Un champ électrique d'une intensité de E je. Le champ électrique d’une jonction électron-trou (jonction pn) empêche les électrons et les trous de traverser davantage l’interface entre deux semi-conducteurs. La couche de blocage a une résistance accrue par rapport aux autres volumes de semi-conducteurs.
Champ électrique externe avec intensité E affecte la résistance du champ électrique bloquant. Si le semi-conducteur n est connecté au pôle négatif de la source et que le plus de la source est connecté au semi-conducteur p, alors sous l'influence d'un champ électrique, les électrons du semi-conducteur n et les trous du semi-conducteur p- Les semi-conducteurs se rapprocheront l'un de l'autre vers l'interface des semi-conducteurs (Fig. 11). Les électrons, franchissant la frontière, « remplissent » les trous. Avec une telle direction vers l’avant du champ électrique externe, l’épaisseur de la couche de blocage et sa résistance diminuent continuellement. Dans cette direction, le courant électrique traverse la jonction pn.
La direction considérée de la jonction pn est appelée direct. La dépendance du courant à la tension, c'est-à-dire caractéristiques voltampère transition directe, illustrée à la Fig. 12 avec une ligne continue.
Si le semi-conducteur n est connecté au pôle positif de la source et le semi-conducteur p au négatif, alors les électrons du semi-conducteur n et les trous du semi-conducteur p sous l'influence du champ électrique se déplaceront de l'interface. dans des directions opposées (Fig. 13). Cela entraîne un épaississement de la couche barrière et une augmentation de sa résistance. La direction du champ électrique externe qui étend la couche de blocage est appelée verrouillage (inverse). Avec cette direction du champ externe, le courant électrique des principaux porteurs de charge ne passe pas par le contact de deux semi-conducteurs p et p.
Le courant traversant la jonction pn est désormais dû aux électrons présents dans le semi-conducteur de type p et aux trous du semi-conducteur de type n. Mais il y a très peu de porteurs de charge minoritaires, donc la conductivité de la jonction s'avère insignifiante et sa résistance est grande. La direction considérée de la jonction pn est appelée inverse, sa caractéristique courant-tension est représentée sur la Fig. 12 lignes pointillées.
Veuillez noter que l'échelle de mesure du courant pour les transitions avant et arrière diffère mille fois.
Notez qu'à une certaine tension appliquée dans le sens opposé, panne(c'est-à-dire destruction) de la jonction p-n.
Dispositifs semi-conducteurs
Thermistances
La résistance électrique des semi-conducteurs dépend fortement de la température. Cette propriété est utilisée pour mesurer la température en fonction de l'intensité du courant dans un circuit avec un semi-conducteur. De tels appareils sont appelés thermistances ou thermistances. La substance semi-conductrice est placée dans un métal étui de protection, dans lequel se trouvent des bornes isolées pour connecter la thermistance au circuit électrique.
La modification de la résistance des thermistances lors du chauffage ou du refroidissement permet de les utiliser dans des instruments de mesure de la température pour maintenir une température constante dans appareils automatiques- dans des chambres thermostatées fermées, pour fournir des alarmes incendie, etc. Il existe des thermistances pour mesurer à la fois des valeurs très élevées ( T≈ 1300 K) et très faible ( T≈ 4 - 80 K).
Une représentation schématique (Fig. a) et une photographie (Fig. b) de la thermistance sont présentées à la Figure 14.
Riz. 14 Photorésistances
La conductivité électrique des semi-conducteurs augmente non seulement lorsqu'ils sont chauffés, mais également lorsqu'ils sont éclairés. La conductivité électrique augmente en raison de la rupture des liaisons et de la formation d'électrons libres et de trous dus à l'énergie de la lumière incidente sur le semi-conducteur.
Les dispositifs qui prennent en compte la dépendance de la conductivité électrique des semi-conducteurs à l'éclairage sont appelés photorésistances.
Les matériaux pour la fabrication des photorésistances sont des composés tels que le CdS, le CdSe, le PbS et plusieurs autres.
La taille miniature et la haute sensibilité des photorésistances permettent de les utiliser pour enregistrer et mesurer de faibles flux lumineux. Les photorésistances sont utilisées pour déterminer la qualité des surfaces, contrôler les dimensions des produits, etc.
Une représentation schématique (Fig. a) et une photographie (Fig. b) de la photorésistance sont présentées à la Figure 15.
Riz. 15 Diode semi-conductrice
La capacité d'une jonction pn à faire passer le courant dans une direction est utilisée dans les dispositifs semi-conducteurs appelés diodes.
Les diodes semi-conductrices sont fabriquées à partir de germanium, de silicium, de sélénium et d'autres substances.
Pour prévenir effets nuisibles l'air et la lumière, le cristal de germanium est placé dans un endroit hermétiquement fermé boîtier métallique. Les diodes semi-conductrices sont les principaux éléments des redresseurs AC (plus précisément, elles servent à convertir le courant alternatif en courant continu pulsé.)
Un diagramme schématique (Fig. a) et une photographie (Fig. b) d'une diode semi-conductrice sont présentés à la figure 16.
Riz. 16 LED
Diode électro-luminescente ou diode électro-luminescente- un dispositif semi-conducteur avec une jonction p-n qui crée un rayonnement optique lorsqu'un courant électrique le traverse.
La lumière émise se situe dans une plage étroite du spectre, ses caractéristiques spectrales dépendent entre autres de composition chimique semi-conducteurs utilisés.
Littérature
- Aksenovich L. A. Physique à lycée: Théorie. Tâches. Tests : Manuel. allocation pour les établissements dispensant un enseignement général. environnement, éducation / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino ; Éd. KS Farino. - Mn. : Adukatsiya i viakhavanne, 2004. - P. 300-308.
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Leçon n°41-169 Courant électrique dans les semi-conducteurs. Diode semi-conductrice. Dispositifs semi-conducteurs.
Un semi-conducteur est une substance dans laquelle la résistivité peut varier dans une large plage et diminue très rapidement avec l'augmentation de la température, ce qui signifie que la conductivité électrique augmente. On l'observe dans le silicium, le germanium, le sélénium et dans certains composés. Mécanisme de conduction dans les semi-conducteurs
Les cristaux semi-conducteurs ont un réseau cristallin atomique dans lequel les électrons externes sont liés aux atomes voisins par des liaisons covalentes. À basse température, les semi-conducteurs purs n’ont pas d’électrons libres et se comportent comme un isolant. Si le semi-conducteur est pur (sans impuretés), alors il a sa propre conductivité (faible). La conductivité intrinsèque est de deux types : 1) électronique (conductivité " P."-type) À basse température dans les semi-conducteurs, tous les électrons sont associés aux noyaux et la résistance est élevée ; à mesure que la température augmente, l'énergie cinétique des particules augmente, les liaisons se rompent et des électrons libres apparaissent - la résistance diminue. Électrons libres se déplacer à l'opposé du vecteur d'intensité du champ électrique. La conductivité électronique des semi-conducteurs est due à la présence d'électrons libres. 2) conductivité de type "p" Avec l'augmentation de la température, les liaisons covalentes entre les électrons de valence sont détruites et les endroits manquants. des électrons se forment - un "trou" peut être remplacé par des électrons de valence. Le mouvement du "trou" est équivalent au mouvement d'une charge positive. Le mouvement du trou se produit dans la direction du vecteur d'intensité du champ électrique. La rupture des liaisons covalentes et l'émergence de la conductivité intrinsèque des semi-conducteurs peuvent être provoquées par l'échauffement, l'éclairage (photoconductivité) et l'action de champs électriques puissants. 
Dépendance R(t) : thermistance
- télémesure t ; - alarme incendie
1) les impuretés du donneur (don) - sont supplémentaires fournisseurs d'électrons aux cristaux semi-conducteurs, donnent facilement des électrons et augmentent le nombre d'électrons libres dans le semi-conducteur. Ce sont les conducteurs" n "-type, c'est-à-dire des semi-conducteurs avec des impuretés donneuses, où le porteur de charge principal est constitué d'électrons et le porteur de charge minoritaire est constitué de trous. Un tel semi-conducteur a une conductivité d'impuretés électroniques (par exemple, l'arsenic). 2
) les impuretés accepteurs (récepteurs) créent des « trous » en prenant des électrons en eux-mêmes. Ce sont des semi-conducteurs de type « p », c'est-à-dire semi-conducteurs avec impuretés accepteurs, où le porteur de charge principal est des trous et la minorité - des électrons. Un tel semi-conducteur possède conductivité des impuretés du trou (exemple - indium). Propriétés électriques "p-
n"transitions.La jonction "pn" (ou jonction électron-trou) est la zone de contact de deux semi-conducteurs où la conductivité passe de l'électronique au trou (ou vice versa). DANS 
De telles régions peuvent être créées dans un cristal semi-conducteur en introduisant des impuretés. Dans la zone de contact de deux semi-conducteurs de conductivités différentes, une diffusion mutuelle d'électrons et de trous aura lieu et une barrière de blocage se formera. couche électrique. Le champ électrique de la couche barrière empêchetransition ultérieure des électrons et des trous à travers la frontière. La couche de blocage a une résistance accrue par rapport aux autres zones du semi-conducteur. DANS 
Le champ électrique externe affecte la résistance de la couche barrière. Dans le sens direct (traversant) du champ électrique externe, le courant traverse la limite de deux semi-conducteurs. Parce que les électrons et les trous se rapprochent les uns des autres vers l'interface, puis les électrons en passant la frontière, ils comblent les trous. L'épaisseur de la couche barrière et sa résistance diminuent continuellement.P. 
En cas de blocage (sens inverse du champ électrique externe), le courant ne traversera pas la zone de contact des deux semi-conducteurs. Parce que les électrons et les trous se déplacent depuis la frontière dans des directions opposées, puis la couche de blocage s'épaissit, sa résistance augmente. Ainsi, la transition électron-trou a une conductivité unidirectionnelle.
Diode semi-conductrice- semi-conducteur avec une jonction pn.P. 
Les diodes semi-conductrices sont les principaux éléments des redresseurs AC.
Lorsqu'un champ électrique est appliqué : dans un sens la résistance du semi-conducteur est élevée, dans le sens opposé la résistance est faible.
Transistors.(depuis mots anglais transfert - transfert, résistance - résistance) Considérons l'un des types de transistors en germanium ou en silicium dans lesquels sont introduites des impuretés donneurs et accepteurs. La répartition des impuretés est telle qu'une couche très fine (de l'ordre de plusieurs micromètres) de semi-conducteur de type n se crée entre deux couches de semi-conducteur de type p (voir figure). 
Cette fine couche est appelée base ou base. Deux se forment dans le cristal R.-n jonctions dont les directions vers l'avant sont opposées. Trois sorties de zones avec divers types la conductivité vous permet d'inclure un transistor dans le circuit illustré sur la figure. Avec cet interrupteur allumé, la gauche R.-n-transition est direct et sépare la base de la région avec une conductivité de type p, appelée émetteur. S'il n'y avait pas de droit R.-n-jonction, dans le circuit émetteur-base il y aurait un courant dépendant de la tension des sources (batteries B1 et source de tension alternative) et la résistance du circuit, y compris la faible résistance de la jonction directe émetteur-base. Batterie B2 allumé pour que le droit R. La jonction -n dans le circuit (voir figure) est inverse. Il sépare la base de la région droite avec une conductivité de type p, appelée collectionneur. S'il n'en restait plus R.-n jonction, le courant dans le circuit collecteur serait proche de zéro, puisque la résistance de la jonction inverse est très élevée. S'il y a un courant à gauche R.-n jonction, un courant apparaît dans le circuit collecteur et le courant dans le collecteur n'est que légèrement inférieur au courant dans l'émetteur (si une tension négative est appliquée à l'émetteur, alors la gauche R. La jonction -n sera inversée et il n'y aura pratiquement aucun courant dans le circuit émetteur ou le circuit collecteur). Lorsqu'une tension est créée entre l'émetteur et la base, les porteurs majoritaires d'un semi-conducteur de type P - les trous - pénètrent dans la base, où ils sont déjà des porteurs minoritaires. Étant donné que l'épaisseur de la base est très faible et que le nombre de porteurs majoritaires (électrons) qu'elle contient est faible, les trous qui y pénètrent ne se combinent presque pas (ne se recombinent pas) avec les électrons de la base et pénètrent dans le collecteur en raison à la diffusion. Droite R. La jonction -n est fermée aux principaux porteurs de charge de la base - les électrons, mais pas aux trous. Dans le collecteur, des trous sont emportés par le champ électrique et complètent le circuit. L'intensité du courant se ramifiant dans le circuit émetteur à partir de la base est très faible, car la section transversale de la base dans le plan horizontal (voir figure ci-dessus) est beaucoup plus petite que la section transversale dans le plan vertical.
Le courant dans le collecteur, qui est presque égal au courant dans l'émetteur, change avec le courant dans l'émetteur. Résistance R a peu d'effet sur le courant du collecteur et cette résistance peut être rendue assez grande. En contrôlant le courant de l'émetteur à l'aide d'une source de tension alternative connectée à son circuit, on obtient un changement synchrone de la tension aux bornes de la résistance R .
Avec une grande résistance, la variation de tension à ses bornes peut être des dizaines de milliers de fois supérieure à la variation de tension du signal dans le circuit émetteur. Cela signifie une tension accrue. Par conséquent, à la charge R Il est possible d'obtenir des signaux électriques dont la puissance est plusieurs fois supérieure à la puissance entrant dans le circuit émetteur.
Application des transistors Propriétés R. Les jonctions -n dans les semi-conducteurs sont utilisées pour amplifier et générer des oscillations électriques.
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Les semi-conducteurs sont des matériaux qui sont diélectriques dans des conditions normales, mais qui deviennent conducteurs lorsque la température augmente. Autrement dit, dans les semi-conducteurs, à mesure que la température augmente, la résistance diminue.
La structure d'un semi-conducteur à l'aide de l'exemple d'un cristal de silicium
Considérons la structure des semi-conducteurs et leurs principaux types de conductivité. À titre d'exemple, considérons un cristal de silicium.
Le silicium est un élément tétravalent. Par conséquent, dans sa coque externe se trouvent quatre électrons faiblement liés au noyau de l’atome. Chacun a quatre atomes supplémentaires dans son voisinage.
Les atomes interagissent les uns avec les autres et forment des liaisons covalentes. Un électron de chaque atome participe à une telle liaison. Le schéma du dispositif au silicium est présenté dans la figure suivante.
image
Les liaisons covalentes sont assez fortes et ne se rompent pas à basse température. Par conséquent, le silicium ne contient pas de porteurs de charge libres et, à basse température, il s'agit d'un diélectrique. Il existe deux types de conductivité dans les semi-conducteurs : les électrons et les trous.
Conductivité électronique
Lorsque le silicium est chauffé, une énergie supplémentaire lui est transmise. Énergie cinétique les particules augmentent et certaines liaisons covalentes sont rompues. Cela crée des électrons libres.
Dans un champ électrique, ces électrons se déplacent entre les nœuds du réseau cristallin. Dans ce cas, un courant électrique va être créé dans le silicium.
Les principaux porteurs de charge étant des électrons libres, ce type de conductivité est appelé conductivité électronique. Le nombre d'électrons libres dépend de la température. Plus on chauffe le silicium, plus les liaisons covalentes seront rompues, et donc plus d’électrons libres apparaîtront. Cela conduit à une diminution de la résistance. Et le silicium devient conducteur.
Conductivité du trou
Lorsqu'une liaison covalente se rompt, un place vacante, qui peut être occupé par un autre électron. Cet endroit s'appelle un trou. Le trou a une charge positive en excès.
La position du trou dans le cristal change constamment ; n'importe quel électron peut occuper cette position et le trou se déplacera vers l'endroit d'où l'électron a sauté. S’il n’y a pas de champ électrique, alors le mouvement des trous est aléatoire et donc aucun courant ne se produit.
En sa présence, un mouvement ordonné des trous se produit, et en plus du courant créé électrons libres, un autre courant apparaît, créé par les trous. Les trous se déplaceront dans la direction opposée aux électrons.
Ainsi, dans les semi-conducteurs, la conductivité est électron-trou. Le courant est créé à la fois par des électrons et des trous. Ce type de conductivité est également appelé conductivité intrinsèque, car les éléments d’un seul atome sont impliqués.