Prąd elektryczny w materiałach półprzewodnikowych. Prąd elektryczny w półprzewodnikach. dioda półprzewodnikowa. Półprzewodniki
Przeczytaj także
Półprzewodniki to substancje klasyfikujące się pod względem przewodności elektrycznej pozycja pośrednia pomiędzy dobrzy dyrygenci oraz dobre izolatory(dielektryki).
Półprzewodniki to także pierwiastki chemiczne (german Ge, krzem Si, selen Se, tellur Te) oraz związki pierwiastki chemiczne(PbS, CdS itp.).
Charakter nośników prądu w różnych półprzewodnikach jest inny. W niektórych z nich nośnikami ładunku są jony; w innych nośnikami ładunku są elektrony.
Przewodnictwo własne półprzewodników
Istnieją dwa rodzaje przewodnictwa własnego w półprzewodnikach: przewodnictwo elektronowe i przewodnictwo dziurowe w półprzewodnikach.
1. Przewodnictwo elektronowe półprzewodników.
Przewodnictwo elektronowe jest realizowane przez ukierunkowany ruch w przestrzeni międzyatomowej swobodnych elektronów, które opuściły powłokę walencyjną atomu w wyniku wpływów zewnętrznych.
2. Przewodnictwo otworowe półprzewodników.
Przewodnictwo dziurowe odbywa się z ukierunkowanym ruchem elektronów walencyjnych do wolnych miejsc w wiązaniach para-elektronowych - dziurach. Elektron walencyjny obojętnego atomu znajdującego się w bliskiej odległości od jonu dodatniego (dziury) jest przyciągany do dziury i wskakuje do niej. W tym przypadku jon dodatni (dziura) powstaje w miejsce neutralnego atomu, a neutralny atom zamiast jonu dodatniego (dziura).
W idealnie czystym półprzewodniku bez obcych zanieczyszczeń każdy wolny elektron odpowiada powstawaniu jednej dziury, tj. liczba elektronów i dziur biorących udział w tworzeniu prądu jest taka sama.
Przewodność, przy której ten sam numer nośniki ładunku (elektrony i dziury) nazywane są przewodnictwem własnym półprzewodników.
Przewodność wewnętrzna półprzewodników jest zwykle niewielka, ponieważ liczba wolnych elektronów jest niewielka. Najmniejsze ślady zanieczyszczeń radykalnie zmieniają właściwości półprzewodników.
Przewodnictwo elektryczne półprzewodników w obecności zanieczyszczeń
Zanieczyszczenia w półprzewodniku to atomy obcych pierwiastków chemicznych, które nie są zawarte w głównym półprzewodniku.
Przewodność zanieczyszczeń- jest to przewodność półprzewodników, spowodowana wprowadzeniem zanieczyszczeń do ich sieci krystalicznych.
W niektórych przypadkach wpływ zanieczyszczeń objawia się tym, że „dziurowy” mechanizm przewodzenia staje się praktycznie niemożliwy, a prąd w półprzewodniku jest realizowany głównie przez ruch swobodnych elektronów. Takie półprzewodniki nazywają się półprzewodniki elektroniczne lub półprzewodniki typu n(od łacińskiego słowa negativus - negatywne). Głównymi nośnikami ładunku są elektrony, a nie głównymi są dziury. Półprzewodniki typu n to półprzewodniki z zanieczyszczeniami donorowymi.
1. Zanieczyszczenia dawcy.
Zanieczyszczenia donorowe to takie, które łatwo oddają elektrony, a w konsekwencji zwiększają liczbę wolnych elektronów. Zanieczyszczenia donora dostarczają elektrony przewodzące bez pojawiania się takiej samej liczby dziur.
Typowym przykładem zanieczyszczenia donorowego w czterowartościowym germanie Ge są pięciowartościowe atomy arsenu As.
W innych przypadkach ruch swobodnych elektronów staje się praktycznie niemożliwy, a prąd jest prowadzony tylko przez ruch dziur. Te półprzewodniki nazywają się półprzewodniki z otworami lub półprzewodniki typu p(od łacińskiego słowa positivus - pozytywny). Głównymi nośnikami ładunku są dziury, a nie główne - elektrony. . Półprzewodniki typu p to półprzewodniki z domieszkami akceptorowymi.
Zanieczyszczenia akceptorowe to zanieczyszczenia, w których nie ma wystarczającej ilości elektronów do utworzenia normalnych wiązań para-elektronowych.
Przykładem zanieczyszczenia akceptorowego w germanie Ge są trójwartościowe atomy galu Ga
Elektryczność poprzez kontakt półprzewodników typu p i typu n złącze p-n- jest to warstwa kontaktowa dwóch domieszek półprzewodników typu p i typu n; Złącze p-n jest granicą oddzielającą obszary z przewodnictwem dziurowym (p) i przewodnictwem elektronowym (n) w tym samym monokrysztale.
bezpośrednie złącze p-n
Jeśli n-półprzewodnik jest podłączony do ujemnego bieguna zasilacza, a dodatni biegun zasilacza jest podłączony do p-półprzewodnika, to pod działaniem pole elektryczne elektrony w n-półprzewodniku i dziury w p-półprzewodniku przesuną się ku sobie do granicy między półprzewodnikami. Elektrony, przekraczając granicę, „wypełniają” dziury, prąd przez złącze pn jest prowadzony przez główne nośniki ładunku. W rezultacie wzrasta przewodność całej próbki. Przy takim bezpośrednim (przepustowym) kierunku zewnętrznego pola elektrycznego zmniejsza się grubość warstwy barierowej i jej rezystancja.
W tym kierunku prąd przepływa przez granicę dwóch półprzewodników.
  |
Odwrotne złącze pn
Jeśli n-półprzewodnik jest podłączony do dodatniego bieguna zasilacza, a p-półprzewodnik jest połączony z ujemnym biegunem zasilacza, wówczas elektrony w n-półprzewodniku i dziury w p-półprzewodniku podlegają działaniu pola elektrycznego będzie przemieszczać się od interfejsu w przeciwnych kierunkach, prąd przez przejście p -n jest realizowany przez mniejsze nośniki ładunku. Prowadzi to do pogrubienia warstwy barierowej i wzrostu jej odporności. W rezultacie przewodnictwo próbki okazuje się nieistotne, a rezystancja duża.
Powstaje tak zwana warstwa barierowa. Przy takim kierunku pola zewnętrznego prąd elektryczny praktycznie nie przechodzi przez styk p- i n-półprzewodników.
Zatem przejście elektron-dziura ma przewodnictwo jednostronne.
Zależność natężenia prądu od napięcia - wolt - amper charakterystyczne p-n przejście pokazano na rysunku (charakterystyka napięciowo - prądowa prądu stałego) przejście p-n pokazany jako linia ciągła, charakterystyka woltamperowa odwrotna p-n przejście jest pokazane jako linia przerywana).
dioda półprzewodnikowa- do prostowania prąd przemienny, wykorzystuje jedno złącze p - n - o różnych rezystancjach: w kierunku do przodu rezystancja złącza p - n - jest znacznie mniejsza niż w kierunku odwrotnym.
Fotorezystory - do rejestracji i pomiaru słabych strumieni świetlnych. Z ich pomocą określ jakość powierzchni, kontroluj wymiary produktów.
Termistory - do zdalnego pomiaru temperatury, alarmów przeciwpożarowych.
W półprzewodnikach jest to ukierunkowany ruch dziur i elektronów, na który wpływa pole elektryczne.
W wyniku przeprowadzonych eksperymentów zauważono, że prądowi elektrycznemu w półprzewodnikach nie towarzyszy transfer materii – nie ulegają one żadnemu zmiany chemiczne. Tak więc elektrony można uznać za nośniki prądu w półprzewodnikach.
Można określić zdolność materiału do wytwarzania w nim prądu elektrycznego.Według tego wskaźnika przewodniki zajmują pozycję pośrednią między przewodnikami a dielektrykami. Półprzewodniki są Różne rodzaje minerały, niektóre metale, siarczki metali itp. Prąd elektryczny w półprzewodnikach powstaje w wyniku koncentracji wolnych elektronów, które mogą poruszać się w substancji w określonym kierunku. Porównując metale i przewodniki, można zauważyć, że istnieje różnica między wpływ temperatury za ich przewodnictwo. Wzrost temperatury prowadzi do spadku W półprzewodnikach wzrasta wskaźnik przewodnictwa. Jeśli temperatura w półprzewodniku wzrośnie, ruch swobodnych elektronów będzie bardziej chaotyczny. Wynika to ze wzrostu liczby kolizji. Jednak w półprzewodnikach, w porównaniu z metalami, znacznie wzrasta koncentracja wolnych elektronów. Czynniki te mają odwrotny wpływ na przewodnictwo: im więcej zderzeń, tym niższe przewodnictwo, im większe stężenie, tym wyższe. W metalach nie ma związku między temperaturą a koncentracją swobodnych elektronów, tak że wraz ze zmianą przewodności wraz ze wzrostem temperatury możliwość uporządkowanego ruchu swobodnych elektronów tylko maleje. W przypadku półprzewodników efekt zwiększenia stężenia jest wyższy. Zatem im bardziej wzrośnie temperatura, tym większa będzie przewodność.
Istnieje związek między ruchem nośników ładunku a takim pojęciem, jak prąd elektryczny w półprzewodnikach. W półprzewodnikach wygląd nośników ładunku charakteryzuje się: różne czynniki, wśród których szczególnie ważna jest temperatura i czystość materiału. Ze względu na czystość półprzewodniki dzielą się na zanieczyszczenia i samoistne.
Jeśli chodzi o przewodnik samoistny, wpływ zanieczyszczeń w określonej temperaturze nie może być dla nich uważany za istotny. Ponieważ przerwa wzbroniona w półprzewodnikach jest niewielka, w półprzewodniku samoistnym, gdy temperatura osiąga, pasmo walencyjne jest całkowicie wypełnione elektronami. Ale pasmo przewodnictwa jest całkowicie bezpłatne: nie ma w nim przewodności elektrycznej i działa jako doskonały dielektryk. W innych temperaturach istnieje możliwość, że podczas fluktuacji termicznych niektóre elektrony mogą pokonać barierę potencjału i znaleźć się w paśmie przewodnictwa.
Efekt Thomsona
Zasada działania termoelektrycznego efektu Thomsona: gdy prąd elektryczny przepływa przez półprzewodniki, wzdłuż których występuje gradient temperatury, oprócz ciepła Joule'a, dodatkowe ilości ciepła zostaną w nich uwolnione lub pochłonięte, w zależności od kierunku, w którym prąd przepływy.
Niewystarczająco równomierne nagrzanie próbki o jednorodnej strukturze wpływa na jej właściwości, w wyniku czego substancja staje się niejednorodna. Tak więc zjawisko Thomsona jest specyficznym zjawiskiem Pelte. Jedyna różnica polega na tym, że to nie skład chemiczny próbki jest inny, ale mimośród temperatury powoduje tę niejednorodność.
Półprzewodniki zajmują pozycję pośrednią w przewodności elektrycznej (lub rezystywności) między przewodnikami a dielektrykami. Jednak ten podział wszystkich substancji według ich właściwości przewodnictwa elektrycznego jest warunkowy, ponieważ pod wpływem wielu przyczyn (zanieczyszczenia, napromieniowanie, ogrzewanie) przewodnictwo elektryczne i oporność wielu substancji zmieniają się bardzo znacząco, zwłaszcza w przypadku półprzewodników.
Pod tym względem półprzewodniki różnią się od metali szeregiem cech:
1. Rezystywność półprzewodników w normalnych warunkach jest znacznie większa niż metali;
2. oporność właściwa czystych półprzewodników maleje wraz ze wzrostem temperatury (w przypadku metali wzrasta);
3. gdy półprzewodniki są oświetlone, ich rezystancja znacznie spada (światło prawie nie ma wpływu na rezystancję metali):
4. Niewielka ilość zanieczyszczeń ma silny wpływ na rezystancję półprzewodników.
Półprzewodniki zawierają 12 pierwiastków chemicznych w środkowej części układu okresowego (ryc. 1) - B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, związki pierwiastków trzeciej grupy z pierwiastkami piątej grupy, wieloma tlenkami i siarczkami metali, wieloma innymi związki chemiczne, niektóre materia organiczna. German Ge i krzem Si mają największe zastosowanie w nauce i technologii.
Półprzewodniki mogą być czyste lub domieszkowane. W związku z tym rozróżnia się przewodnictwo własne i domieszki półprzewodników. Z kolei zanieczyszczenia dzielą się na dawcę i akceptora.
Własna przewodność elektryczna
Aby zrozumieć mechanizm przewodnictwa elektrycznego w półprzewodnikach, rozważmy strukturę kryształów półprzewodnikowych i naturę wiązań, które utrzymują atomy kryształów blisko siebie. Kryształy germanu i innych półprzewodników mają atomową sieć krystaliczną (ryc. 2).
Płaski schemat budowy germanu pokazano na rysunku 3.
German jest pierwiastkiem czterowartościowym, w zewnętrznej powłoce atomu znajdują się cztery elektrony, które są słabiej połączone z jądrem niż reszta. Liczba najbliższych sąsiadów każdego atomu germanu również wynosi 4. Cztery elektrony walencyjne każdego atomu germanu są połączone z tymi samymi elektronami sąsiednich atomów elektronami par chemicznych ( kowalencyjny) połączenia. W tworzeniu tego wiązania uczestniczy jeden elektron walencyjny z każdego atomu, który odrywa się od atomów (kolektywizowanych przez kryształ) i podczas ich ruchu większość czasu spędzają w przestrzeni pomiędzy sąsiednimi atomami. Ich ujemny ładunek utrzymuje dodatnie jony germanu blisko siebie. Ten rodzaj połączenia można warunkowo przedstawić za pomocą dwóch linii łączących jądra (patrz rys. 3).
Ale wędrowna para elektronów należy do więcej niż tylko dwóch atomów. Każdy atom tworzy cztery wiązania ze swoimi sąsiadami, a dany elektron walencyjny może poruszać się wzdłuż każdego z nich (rys. 4). Po dotarciu do sąsiedniego atomu może przejść do następnego, a następnie dalej wzdłuż całego kryształu. Kolektywizowane elektrony walencyjne należą do całego kryształu.
Wiązania kowalencyjne germanu są dość silne i niskie temperatury Nie łamać. Dlatego german nie przewodzi prądu w niskich temperaturach. Elektrony walencyjne uczestniczące w wiązaniu atomów są mocno związane z siecią krystaliczną, a zewnętrzne pole elektryczne nie ma zauważalnego wpływu na ich ruch. Podobną strukturę ma kryształ krzemu.
Przewodność elektryczna chemicznie czystego półprzewodnika jest możliwa, gdy wiązania kowalencyjne w kryształach zostają zerwane i pojawiają się wolne elektrony.
Dodatkowa energia, którą należy wydać na zerwanie wiązania kowalencyjnego i uwolnienie elektronu, nazywa się energia aktywacji.
Elektrony mogą pozyskać tę energię, ogrzewając kryształ, napromieniowując go wysoką częstotliwością fale elektromagnetyczne itp.
Gdy tylko elektron, po uzyskaniu niezbędnej energii, opuści zlokalizowane wiązanie, powstaje na nim wakat. Tę wakat można łatwo wypełnić elektronem z sąsiedniego wiązania, na którym w związku z tym powstaje również wakat. Tak więc, ze względu na ruch elektronów wiążących, wakaty przemieszczają się w krysztale. Ta wakat zachowuje się dokładnie tak samo, jak swobodny elektron – porusza się swobodnie w masie półprzewodnika. Co więcej, biorąc pod uwagę, że zarówno półprzewodnik jako całość, jak i każdy z jego atomów są elektrycznie obojętne z nieprzerwanymi wiązaniami kowalencyjnymi, możemy powiedzieć, że opuszczanie wiązania przez elektron i tworzenie wakatu jest w rzeczywistości równoważne pojawieniu się nadmiernego ładunku dodatniego na ta więź. W związku z tym powstały wakat można formalnie uznać za dodatni nośnik ładunku, który nazywa się otwór(rys. 5).
W ten sposób odejście elektronu od zlokalizowanego wiązania generuje parę wolnych nośników ładunku - elektron i dziurę. Ich stężenie w czystym półprzewodniku jest takie samo. Na temperatura pokojowa stężenie wolnych nośników w czystych półprzewodnikach jest niskie, około 10 9 ÷ 10 10 razy mniejsze niż stężenie atomów, ale gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.
- Porównaj z metalami: tam stężenie wolnych elektronów jest w przybliżeniu równe stężeniu atomów.
W przypadku braku zewnętrznego pola elektrycznego te wolne elektrony i dziury poruszają się losowo w krysztale półprzewodnikowym.
Na zewnątrz pole elektryczne elektrony poruszają się w kierunku przeciwnym do kierunku pola elektrycznego. Otwory dodatnie poruszają się w kierunku natężenia pola elektrycznego (rys. 6). Proces ruchu elektronów i dziur w polu zewnętrznym zachodzi w całej objętości półprzewodnika.
Całkowite przewodnictwo elektryczne półprzewodnika jest sumą przewodnictwa dziury i elektronu. W tym przypadku w czystych półprzewodnikach liczba elektronów przewodzących jest zawsze równa liczbie dziur. Dlatego mówi się, że czyste półprzewodniki mają przewodność elektron-dziura, lub własna przewodność.
Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta liczba przerw w wiązaniach kowalencyjnych oraz liczba wolnych elektronów i dziur w kryształach czystych półprzewodników, a w konsekwencji wzrasta przewodność elektryczna i maleje rezystywność czystych półprzewodników. Wykres zależności rezystywności czystego półprzewodnika od temperatury przedstawiono na ryc. 7.
Oprócz nagrzewania, zerwanie wiązań kowalencyjnych i w rezultacie pojawienie się samoistnego przewodnictwa półprzewodników i spadek rezystywności może być spowodowane oświetleniem (fotoprzewodnictwo półprzewodnika), a także działaniem silnych pól elektrycznych .
Przewodnictwo domieszkowe półprzewodników
Przewodność półprzewodników wzrasta wraz z wprowadzeniem zanieczyszczeń, gdy wraz z przewodnością samoistną powstaje dodatkowa przewodność domieszki.
przewodność zanieczyszczeń półprzewodniki nazywane są przewodnictwem, ze względu na obecność zanieczyszczeń w półprzewodniku.
Ośrodki nieczystości mogą być:
1. atomy lub jony pierwiastków chemicznych osadzone w sieci półprzewodnikowej;
2. nadmiar atomów lub jonów osadzonych w szczelinach sieci;
3. różne inne defekty i zniekształcenia w sieci krystalicznej: puste węzły, pęknięcia, przesunięcia zachodzące podczas deformacji kryształów itp.
Zmieniając stężenie zanieczyszczeń, można znacznie zwiększyć liczbę nośników ładunku takiego lub innego znaku i stworzyć półprzewodniki z dominującą koncentracją nośników naładowanych ujemnie lub dodatnio.
Zanieczyszczenia można podzielić na dawcę (dawcę) i akceptanta (otrzymywanie).
Nieczystość dawcy
- Od łacińskiego „donare” - dawać, darować.
Rozważmy mechanizm przewodnictwa elektrycznego półprzewodnika z pięciowartościowym zanieczyszczeniem arsenu As, który jest wprowadzany do kryształu, na przykład krzemu. Pięciowartościowy atom arsenu oddaje cztery elektrony walencyjne, tworząc wiązania kowalencyjne, a piąty elektron jest w tych wiązaniach niezajęty (ryc. 8).
Energia oderwania (energia jonizacji) piątego elektronu walencyjnego arsenu w krzemie wynosi 0,05 eV = 0,08⋅10 -19 J, czyli 20 razy mniej niż energia oderwania elektronu od atomu krzemu. Dlatego już w temperaturze pokojowej prawie wszystkie atomy arsenu tracą jeden ze swoich elektronów i stają się jonami dodatnimi. Dodatnie jony arsenu nie mogą wychwytywać elektronów sąsiednich atomów, ponieważ wszystkie cztery ich wiązania są już wyposażone w elektrony. W tym przypadku ruch wakancji elektronu - „dziura” nie występuje, a przewodność dziury jest bardzo niska, tj. praktycznie nieobecny.
Zanieczyszczenia dawcy- są to zanieczyszczenia, które łatwo oddają elektrony, a w konsekwencji zwiększają liczbę wolnych elektronów. W obecności pola elektrycznego swobodne elektrony wchodzą w uporządkowany ruch w krysztale półprzewodnikowym i powstaje w nim przewodnictwo domieszki elektronowej. W rezultacie otrzymujemy półprzewodnik o przewodnictwie głównie elektronicznym, zwany półprzewodnikiem typu n. (z łac. negativus - negatywna).
Ponieważ liczba elektronów w półprzewodniku typu n jest znacznie większa niż liczba dziur, elektrony są większościowymi nośnikami ładunku, a dziury są nośnikami mniejszymi.
Nieczystość akceptora
- Od łacińskiego „akceptora” - odbiornika.
W przypadku zanieczyszczenia akceptorowego, na przykład trójwartościowego indu In, atom zanieczyszczenia może oddać swoje trzy elektrony do wiązania kowalencyjnego tylko z trzema sąsiednimi atomami krzemu, a jednego elektronu „brakuje” (rys. 9). Jeden z elektronów sąsiednich atomów krzemu może wypełnić to wiązanie, wtedy atom In stanie się nieruchomym jonem ujemnym, a w miejscu elektronu, który opuścił jeden z atomów krzemu, utworzy się dziura. Zanieczyszczenia akceptorowe, wychwytujące elektrony i tworzące w ten sposób ruchome dziury, nie zwiększają liczby elektronów przewodzących. Głównymi nośnikami ładunku w półprzewodniku z domieszką akceptorową są dziury, a nośnikami mniejszościowymi są elektrony.
Zanieczyszczenia akceptora są zanieczyszczeniami, które zapewniają przewodnictwo w otworach.
Półprzewodniki, w których koncentracja dziur przekracza koncentrację elektronów przewodzących, nazywamy półprzewodnikami typu p (z łac. positivus - dodatni.).
Należy zauważyć, że wprowadzenie zanieczyszczeń do półprzewodników, jak w każdym metalu, zaburza strukturę sieci krystalicznej i utrudnia ruch elektronów. Jednak rezystancja nie wzrasta ze względu na fakt, że zwiększenie stężenia nośników ładunku znacznie zmniejsza rezystancję. Tak więc wprowadzenie domieszki boru w ilości 1 atom na sto tysięcy atomów krzemu zmniejsza specyficzny opór elektryczny krzem około tysiąca razy, a domieszka jednego atomu indu na 108 - 109 atomów germanu zmniejsza oporność elektryczną germanu miliony razy.
Jeżeli do półprzewodnika wprowadza się jednocześnie zanieczyszczenia donorowe i akceptorowe, to o charakterze przewodnictwa półprzewodnika (typu n lub p) decyduje zanieczyszczenie o wyższym stężeniu nośników ładunku.
Przejście elektron-dziura
Przejście elektron-dziura (w skrócie p-n-złącze) zachodzi w krysztale półprzewodnikowym, który jednocześnie ma obszary o przewodności typu n (zawiera domieszki donorowe) i p (z domieszkami akceptorowymi) na granicy między tymi obszarami.
Załóżmy, że mamy kryształ, w którym po lewej stronie znajduje się obszar półprzewodnikowy z dziurą (typu p), a po prawej - z przewodnictwem elektronicznym (typu n) (ryc. 10). Dzięki ruch termiczny kiedy powstaje kontakt, elektrony z półprzewodnika typu n dyfundują do obszaru typu p. W takim przypadku nieskompensowany dodatni jon donorowy pozostanie w regionie typu n. Po przejściu w obszar o przewodności dziurowej elektron bardzo szybko rekombinuje z dziurą, aw obszarze typu p powstaje nieskompensowany jon akceptorowy.
Podobnie jak elektrony, dziury z obszaru typu p dyfundują do obszaru elektronicznego, pozostawiając nieskompensowany ujemnie naładowany jon akceptorowy w obszarze dziury. Po przejściu do obszaru elektronowego dziura rekombinuje z elektronem. W rezultacie w obszarze elektronowym powstaje nieskompensowany dodatni jon donorowy.
W wyniku dyfuzji na granicy tych obszarów powstaje podwójna warstwa elektryczna przeciwnie naładowanych jonów o grubości ja która nie przekracza ułamków mikrometra.
Pomiędzy warstwami jonów o sile powstaje pole elektryczne Ei. Pole elektryczne złącza elektron-dziura (złącze p-n) zapobiega dalszemu przechodzeniu elektronów i dziur przez granicę między dwoma półprzewodnikami. Warstwa blokująca ma zwiększoną odporność w porównaniu z resztą półprzewodników.
Zewnętrzne pole elektryczne o natężeniu mi wpływa na rezystancję blokującego pola elektrycznego. Jeśli n-półprzewodnik jest połączony z ujemnym biegunem źródła, a plus źródła jest połączony z p-półprzewodnikiem, to pod działaniem pola elektrycznego elektrony w n-półprzewodniku i dziury w p-semiconductor przesunie się do siebie do interfejsu półprzewodnikowego (ryc. 11). Elektrony przekraczające granicę „wypełniają” dziury. Przy tak bezpośrednim ukierunkowaniu zewnętrznego pola elektrycznego grubość warstwy barierowej i jej rezystancja stale się zmniejszają. W tym kierunku przez złącze p-n przepływa prąd elektryczny.
Rozważany kierunek połączenia p-n nazywa się bezpośredni. Zależność prądu od napięcia, tj. charakterystyka woltamperowa bezpośrednie przejście, pokazane na ryc. 12 jako linia ciągła.
Jeśli n-półprzewodnik jest połączony z dodatnim biegunem źródła, a p-półprzewodnik z ujemnym, to pod wpływem pola elektrycznego poruszają się elektrony w n-półprzewodniku i dziury w p-półprzewodniku od interfejsu w przeciwnych kierunkach (rys. 13). Prowadzi to do pogrubienia warstwy barierowej i wzrostu jej odporności. Nazywa się kierunek zewnętrznego pola elektrycznego, które rozszerza warstwę barierową zamykający (odwrócić). Przy tym kierunku pola zewnętrznego prąd elektryczny głównych nośników ładunku nie przechodzi przez styk dwóch półprzewodników p i p.
Prąd płynący przez złącze p-n jest teraz spowodowany przez elektrony znajdujące się w półprzewodniku typu p i dziury w półprzewodniku typu n. Ale jest bardzo mało nośników ładunku mniejszościowego, więc przewodnictwo przejścia okazuje się nieistotne, a jego rezystancja jest duża. Rozważany kierunek połączenia p-n nazywa się odwrócić, jego charakterystykę prądowo-napięciową pokazano na ryc. 12 linii przerywanej.
Należy pamiętać, że aktualna skala pomiaru dla przejść do przodu i do tyłu różni się tysiąc razy.
Zauważ, że przy określonym napięciu przyłożonym w przeciwnym kierunku występuje awaria(tj. zniszczenie) złącza p-n.
Półprzewodniki
Termistory
Opór elektryczny półprzewodników w dużym stopniu zależy od temperatury. Ta właściwość służy do pomiaru temperatury na podstawie natężenia prądu w obwodzie z półprzewodnikiem. Takie urządzenia nazywają się termistory lub termistory. Substancja półprzewodnikowa jest umieszczona w metalu ochronny pokrowiec, w którym znajdują się izolowane przewody do włączenia termistora w obwód elektryczny.
Zmiana rezystancji termistorów po podgrzaniu lub ochłodzeniu pozwala na ich stosowanie w przyrządach do pomiaru temperatury w celu utrzymania stałej temperatury w urządzenia automatyczne- w zamkniętych komorach termostatycznych, w celu zapewnienia alarmów przeciwpożarowych itp. Termistory istnieją do pomiaru zarówno bardzo wysokich ( T≈ 1300 K) i bardzo niskie ( T≈ 4 - 80 K) temperatury.
Schematyczne przedstawienie (rys. a) i zdjęcie (rys. b) termistora pokazano na rysunku 14.
Ryż. czternaście Fotorezystory
Przewodność elektryczna półprzewodników wzrasta nie tylko po podgrzaniu, ale także po oświetleniu. Przewodność elektryczna wzrasta w wyniku zrywania wiązań i powstawania wolnych elektronów i dziur w wyniku energii światła padającego na półprzewodnik.
Nazywa się urządzenia uwzględniające zależność przewodności elektrycznej półprzewodników od oświetlenia fotorezystory.
Materiałami do produkcji fotorezystorów są związki takie jak CdS, CdSe, PbS i szereg innych.
Niewielkie rozmiary i wysoka czułość fotorezystorów umożliwiają wykorzystanie ich do rejestracji i pomiaru słabych strumieni świetlnych. Za pomocą fotorezystorów określa się jakość powierzchni, kontroluje się wymiary produktów itp.
Schematyczne przedstawienie (rys. a) i zdjęcie (rys. b) fotorezystora pokazano na rysunku 15.
Ryż. piętnaście dioda półprzewodnikowa
Zdolność złącza p-n do przepuszczania prądu w jednym kierunku jest wykorzystywana w urządzeniach półprzewodnikowych zwanych diody.
Diody półprzewodnikowe wykonane są z germanu, krzemu, selenu i innych substancji.
Aby zapobiec Szkodliwe efekty powietrze i światło, kryształ germanu umieszczony jest w hermetycznym metalowe pudełeczko. Diody półprzewodnikowe są głównymi elementami prostowników prądu przemiennego (a dokładniej służą do przekształcania prądu przemiennego w pulsujący prąd stały).
Schematyczne przedstawienie (rys. a) i zdjęcie (rys. b) diody półprzewodnikowej pokazano na rysunku 16.
Ryż. szesnaście diody LED
Dioda LED lub dioda LED- urządzenie półprzewodnikowe ze złączem p-n, które wytwarza promieniowanie optyczne, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny.
Emitowane światło leży w wąskim zakresie widma, jego charakterystyka spektralna zależy m.in. od skład chemiczny zastosowane w nim półprzewodniki.
Literatura
- Aksenovich L. A. Fizyka w Liceum: Teoria. Zadania. Testy: proc. dodatek dla instytucji świadczących usługi ogólne. środowiska, edukacja / L.A. Aksenovich, N.N. Rakina, K.S. Farino; Wyd. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 300-308.
- Burov LI, Strelchenya V.M. Fizyka od A do Z: dla studentów, kandydatów, korepetytorów. - Mińsk: Paradoks, 2000. - S. 219-228.
- Myakishev G. Ya Fizyka: Elektrodynamika. 10 - 11 komórek: podręcznik do dogłębnego studiowania fizyki / G.Ya. Myakishev, A.Z. Siniakow, BA Słobodskow. - M.: Drop, 2005. - S. 309-320.
- Yavorsky BM, Seleznev Yu A. Przewodnik po fizyce dla osób rozpoczynających naukę na uniwersytetach i samokształceniu. - M.: Nauka, 1984. - S. 165-169.
Lekcja nr 41-169 Prąd elektryczny w półprzewodnikach. dioda półprzewodnikowa. Przyrządy półprzewodnikowe.
Półprzewodnik to substancja, której rezystywność może zmieniać się w szerokim zakresie i bardzo szybko maleje wraz ze wzrostem temperatury, co oznacza, że wzrasta przewodność elektryczna. Występuje w krzemie, germanie, selenu i niektórych związkach. Mechanizm przewodzenia w półprzewodnikach
Kryształy półprzewodnikowe mają atomową sieć krystaliczną, w której zewnętrzne elektrony są połączone wiązaniami kowalencyjnymi z sąsiednimi atomami. W niskich temperaturach czyste półprzewodniki nie mają wolnych elektronów i zachowują się jak dielektryk. Jeśli półprzewodnik jest czysty (bez zanieczyszczeń), to ma własną przewodność (małą). Istnieją dwa rodzaje przewodności własnej: 1) elektroniczne (przewodnictwo " P"-typ) W niskich temperaturach w półprzewodnikach wszystkie elektrony są związane z jądrami i opór jest duży; Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia kinetyczna cząstek, wiązania pękają i pojawiają się wolne elektrony - opór maleje. Swobodne elektrony poruszają się w przeciwną stronę do wektora natężenia pola elektrycznego. Przewodnictwo elektronowe półprzewodników wynika z obecności wolnych elektronów. 2) dziura (przewodnictwo typu "p"). Wraz ze wzrostem temperatury wiązania kowalencyjne prowadzone przez elektrony walencyjne między atomami ulegają zniszczeniu i powstają miejsca, w których brakuje elektronu - „dziura”. Jej miejsce można zastąpić elektronami walencyjnymi. Ruch „dziury” jest równoznaczny z ruchem ładunku dodatniego. Ruch dziury następuje w kierunku wektor natężenia pola elektrycznego. Zerwanie wiązań kowalencyjnych i występowanie przewodności samoistnej półprzewodników może być spowodowane nagrzewaniem, oświetleniem m (fotoprzewodnictwo) i działanie silnych pól elektrycznych. 
Zależność R(t): termistor
- pomiar zdalny t; - alarm przeciwpożarowy
1) zanieczyszczenia dawcy (dawstwo) - są dodatkowe dostawcy elektronów do kryształów półprzewodnikowych, łatwo oddają elektrony i zwiększają liczbę wolnych elektronów w półprzewodniku. To są przewodnicy typu n "-, czyli półprzewodników z domieszkami donorowymi, gdzie głównym nośnikiem ładunku są elektrony, a drobnym ładunkiem są dziury. Taki półprzewodnik ma przewodność elektronową domieszki (przykładem jest arsen). 2
) zanieczyszczenia akceptorowe (odbierające) tworzą „dziury”, zabierając w siebie elektrony. Są to półprzewodniki typu „p”, tj. półprzewodniki z zanieczyszczeniami akceptorowymi, gdzie głównym nośnikiem ładunku jest dziury, a mniejszość - elektrony. Taki półprzewodnik ma przewodnictwo zanieczyszczeń dziury (przykładem jest ind). Właściwości elektryczne „p-
nprzejścia.przejście "p-p" (lub przejście elektron-dziura) - obszar styku dwóch półprzewodników, w którym przewodnictwo zmienia się z elektronowego na dziurowe (lub odwrotnie). W 
Możliwe jest tworzenie takich obszarów w krysztale półprzewodnikowym przez wprowadzenie zanieczyszczeń. W strefie styku dwóch półprzewodników o różnych przewodnościach nastąpi wzajemna dyfuzja elektronów i dziur oraz powstanie bariera blokująca. warstwa elektryczna. Pole elektryczne warstwy barierowej zapobiegadalsze przejście elektronów i dziur przez granicę. Warstwa barierowa ma zwiększoną odporność w porównaniu z innymi obszarami półprzewodnika. W 
Zewnętrzne pole elektryczne wpływa na rezystancję warstwy barierowej. W kierunku bezpośrednim (transmisji) zewnętrznego pola elektrycznego prąd przepływa przez granicę dwóch półprzewodników. Ponieważ elektrony i dziury zbliżają się do siebie do granicy, następnie elektrony, przekraczając granicę, wypełnij dziury. Grubość warstwy barierowej i jej odporność stale maleją.P 
Przy blokowaniu (odwrotny kierunek zewnętrznego pola elektrycznego) prąd nie przejdzie przez obszar styku dwóch półprzewodników. Ponieważ elektrony i dziury przemieszczają się od granicy w przeciwnych kierunkach, następnie warstwa blokująca gęstnieje, wzrasta jego odporność. Zatem przejście elektron-dziura ma przewodnictwo jednostronne.
dioda półprzewodnikowa- półprzewodnik z jednym złączem „rn”.P 
Diody półprzewodnikowe to główne elementy prostowników prądu przemiennego.
Po przyłożeniu pola elektrycznego: w jednym kierunku rezystancja półprzewodnika jest wysoka, w przeciwnym kierunku rezystancja jest niska.
Tranzystory.(od angielskie słowa transfer - transfer, rezystor - rezystancja) Rozważmy jeden z typów tranzystorów wykonanych z germanu lub krzemu z wprowadzonymi do nich zanieczyszczeniami donorowymi i akceptorowymi. Rozkład zanieczyszczeń jest taki, że pomiędzy dwiema warstwami półprzewodnikowymi typu p tworzy się bardzo cienka (rzędu kilku mikrometrów) warstwa półprzewodnikowa typu n (patrz rys.). 
Ta cienka warstwa nazywa się podstawa lub baza. Kryształ ma dwa R-n-skrzyżowania, których bezpośrednie kierunki są przeciwne. Trzy szpilki z obszarów z różne rodzaje przewodnictwo pozwala na włączenie tranzystora do obwodu pokazanego na rysunku. Z tym włączeniem lewy R-n-skok to bezpośredni i oddziela bazę od regionu typu p zwanego emiter. Gdyby nie było racji R-n-złącze, w obwodzie podstawy emitera byłby prąd zależny od napięcia źródeł (akumulatorów B1 i źródło napięcia przemiennego) oraz rezystancję obwodu, w tym niską rezystancję bezpośredniego połączenia baza-emiter. Bateria B2 włączony tak, że prawy R-n-złącze w obwodzie (patrz rys.) is odwrócić. Oddziela podstawę od prawego regionu typu p zwanego kolektor. Gdyby nie było R-n-złącze, prąd w obwodzie kolektora byłby bliski zeru, ponieważ rezystancja złącza zwrotnego jest bardzo wysoka. W obecności prądu po lewej stronie R-n-prąd złącza pojawia się również w obwodzie kolektora, a prąd w kolektorze jest tylko nieznacznie mniejszy niż prąd w emiterze (jeśli do emitera przyłożone jest napięcie ujemne, to lewe R-n-złącze zostanie odwrócone i praktycznie nie będzie prądu w obwodzie emitera i w obwodzie kolektora). Gdy między emiterem a podstawą powstaje napięcie, główne nośniki półprzewodnika typu p - otwory wnikają w podstawę, gdzie są już nośnikami drugorzędnymi. Ponieważ grubość podstawy jest bardzo mała, a liczba nośników większości (elektronów) w niej jest niewielka, dziury, które w nią wpadły, prawie nie łączą się (nie łączą się) z elektronami podstawowymi i wnikają do kolektora na skutek dyfuzji. Dobrze R Złącze -n jest zamknięte dla głównych nośników ładunku bazy - elektronów, ale nie dla dziur. W kolektorze otwory są odprowadzane przez pole elektryczne i zamykają obwód. Siła rozgałęzienia prądu do obwodu emitera od podstawy jest bardzo mała, ponieważ powierzchnia przekroju podstawy w płaszczyźnie poziomej (patrz rys. powyżej) jest znacznie mniejsza niż powierzchnia przekroju w płaszczyźnie pionowej.
Prąd w kolektorze, który jest prawie równy prądowi emitera, zmienia się wraz z prądem emitera. Rezystancja rezystora R ma niewielki wpływ na prąd w kolektorze, a opór ten może być wystarczająco duży. Kontrolując prąd emitera za pomocą źródła napięcia zmiennego zawartego w jego obwodzie, otrzymujemy synchroniczną zmianę napięcia na rezystorze R .
Przy dużej rezystancji rezystora zmiana napięcia na nim może być dziesiątki tysięcy razy większa niż zmiana napięcia sygnału w obwodzie emitera. Oznacza to zwiększone napięcie. Dlatego na obciążeniu R możliwe jest uzyskanie sygnałów elektrycznych, których moc jest wielokrotnie większa niż moc wchodząca do obwodu emitera.
Zastosowanie tranzystorów Nieruchomości R-n-złącza w półprzewodnikach służą do wzmacniania i generowania oscylacji elektrycznych.
3
Półprzewodniki to materiały, które w normalnych warunkach są izolatorami, ale wraz ze wzrostem temperatury stają się przewodnikami. Oznacza to, że w półprzewodnikach wraz ze wzrostem temperatury opór maleje.
Struktura półprzewodnika na przykładzie kryształu krzemu
Rozważ strukturę półprzewodników i główne rodzaje przewodnictwa w nich. Jako przykład rozważmy kryształ krzemu.
Krzem jest pierwiastkiem czterowartościowym. Dlatego w jego zewnętrznej powłoce znajdują się cztery elektrony, które są słabo związane z jądrem atomu. Każdy ma w swoim sąsiedztwie jeszcze cztery atomy.
Atomy oddziałują ze sobą i tworzą wiązania kowalencyjne. W takim wiązaniu uczestniczy jeden elektron z każdego atomu. Schemat urządzenia silikonowego pokazano na poniższym rysunku.
zdjęcie
Wiązania kowalencyjne są wystarczająco mocne i nie pękają w niskich temperaturach. Dlatego w krzemie nie ma wolnych nośników ładunku, a w niskich temperaturach jest on dielektrykiem. W półprzewodnikach istnieją dwa rodzaje przewodnictwa: elektronowe i dziurowe.
Przewodność elektronowa
Gdy krzem zostanie podgrzany, zostanie mu przekazana dodatkowa energia. Energia kinetyczna ilość cząsteczek wzrasta i niektóre wiązania kowalencyjne są zerwane. To tworzy wolne elektrony.
W polu elektrycznym elektrony te poruszają się między węzłami sieci krystalicznej. W takim przypadku w krzemie powstanie prąd elektryczny.
Ponieważ głównymi nośnikami ładunku są swobodne elektrony, ten rodzaj przewodzenia nazywamy przewodnictwem elektronicznym. Liczba wolnych elektronów zależy od temperatury. Im bardziej podgrzejemy krzem, tym więcej wiązań kowalencyjnych pęknie, a zatem pojawi się więcej wolnych elektronów. Prowadzi to do spadku oporu. A krzem staje się przewodnikiem.
przewodzenie otworów
Kiedy wiązanie kowalencyjne zostaje zerwane, zamiast wyrzuconego elektronu, a Luka w zatrudnieniu, który może być zajęty przez inny elektron. To miejsce nazywa się dziurą. Dziura ma nadmierny ładunek dodatni.
Pozycja dziury w krysztale ciągle się zmienia, każdy elektron może zająć tę pozycję, a dziura przesunie się do miejsca, z którego elektron wyskoczył. Jeśli nie ma pola elektrycznego, ruch dziur jest przypadkowy, a zatem nie występuje prąd.
Jeśli jest obecny, istnieje porządek w ruchu dziur, a dodatkowo do prądu, który jest tworzony wolne elektrony, nadal istnieje prąd, który tworzą dziury. Dziury przesuną się w kierunku przeciwnym do elektronów.
Tak więc w półprzewodnikach przewodnictwo to dziura elektronowa. Prąd generowany jest zarówno przez elektrony, jak i przez dziury. Ten rodzaj przewodzenia nazywany jest również przewodnictwem samoistnym, ponieważ w grę wchodzą pierwiastki tylko jednego atomu.