Προϋποθέσεις για την εμφάνιση ρεύματος σε έναν ημιαγωγό. Ηλεκτρικό ρεύμα σε ημιαγωγούς. Δίοδος ημιαγωγών. Συσκευές ημιαγωγών. Ηλεκτρικό ρεύμα στο κενό

Σε αυτό το μάθημα θα εξετάσουμε ένα τέτοιο μέσο για τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος όπως οι ημιαγωγοί. Θα εξετάσουμε την αρχή της αγωγιμότητάς τους, την εξάρτηση αυτής της αγωγιμότητας από τη θερμοκρασία και την παρουσία ακαθαρσιών, θα εξετάσουμε μια τέτοια έννοια όπως μια διασταύρωση p-n και βασικές συσκευές ημιαγωγών.

Εάν πραγματοποιήσετε απευθείας σύνδεση, τότε το εξωτερικό πεδίο θα εξουδετερώσει το μπλοκάρισμα και το ρεύμα θα μεταφερθεί από τους κύριους φορείς φόρτισης (Εικ. 9).

Ρύζι. 9. Διασταύρωση p-n με απευθείας σύνδεση ()

Σε αυτή την περίπτωση το ρεύμα των μειοψηφικών φορέων είναι αμελητέο, είναι πρακτικά ανύπαρκτο. Επομένως, η διασταύρωση p-n παρέχει μονόδρομη αγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος.

Ρύζι. 10. Ατομική δομή πυριτίου με αυξανόμενη θερμοκρασία

Η αγωγιμότητα των ημιαγωγών είναι ηλεκτρόνιο-οπή, και αυτή η αγωγιμότητα ονομάζεται εγγενής αγωγιμότητα. Και σε αντίθεση με τα μέταλλα αγωγών, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, ο αριθμός των ελεύθερων φορτίων αυξάνεται (στην πρώτη περίπτωση δεν αλλάζει), επομένως η αγωγιμότητα των ημιαγωγών αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και η αντίσταση μειώνεται (Εικ. 10).

Ένα πολύ σημαντικό ζήτημα στη μελέτη των ημιαγωγών είναι η παρουσία ακαθαρσιών σε αυτούς. Και στην περίπτωση της παρουσίας ακαθαρσιών, θα πρέπει ήδη να μιλάμε για αγωγιμότητα ακαθαρσιών.

Συσκευές ημιαγωγών

Το μικρό μέγεθος και η πολύ υψηλή ποιότητα των μεταδιδόμενων σημάτων έχουν κάνει τις συσκευές ημιαγωγών πολύ διαδεδομένες στη σύγχρονη ηλεκτρονική τεχνολογία. Η σύνθεση τέτοιων συσκευών μπορεί να περιλαμβάνει όχι μόνο το προαναφερθέν πυρίτιο με ακαθαρσίες, αλλά επίσης, για παράδειγμα, γερμάνιο.

Μια τέτοια συσκευή είναι μια δίοδος - μια συσκευή ικανή να διέρχεται ρεύμα προς μια κατεύθυνση και να εμποδίζει τη διέλευσή του από την άλλη. Λαμβάνεται με την εμφύτευση ενός ημιαγωγού άλλου τύπου σε έναν κρύσταλλο ημιαγωγού τύπου p ή n (Εικ. 11).

Ρύζι. 11. Ονομασία της διόδου στο διάγραμμα και το διάγραμμα της συσκευής της, αντίστοιχα

Μια άλλη συσκευή, τώρα με δύο συνδέσεις p-n, ονομάζεται τρανζίστορ. Χρησιμεύει όχι μόνο για την επιλογή της κατεύθυνσης μετάδοσης του ρεύματος, αλλά και για τον μετασχηματισμό της (Εικ. 12).

Ρύζι. 12. Διάγραμμα της δομής του τρανζίστορ και η ονομασία του στο ηλεκτρικό διάγραμμα, αντίστοιχα ()

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα σύγχρονα μικροκυκλώματα χρησιμοποιούν πολλούς συνδυασμούς διόδων, τρανζίστορ και άλλων ηλεκτρικών συσκευών.

Στο επόμενο μάθημα θα δούμε τη διάδοση του ηλεκτρικού ρεύματος στο κενό.

Βιβλιογραφία

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Φυσική (βασικό επίπεδο) - Μ.: Μνημοσύνη, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Φυσική 10η τάξη. - Μ.: Ilexa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Η φυσικη. Ηλεκτροδυναμική. - Μ.: 2010.

1. Αρχές λειτουργίας συσκευών ().
2. Εγκυκλοπαίδεια Φυσικής και Τεχνολογίας ().

Εργασία για το σπίτι

1. Τι προκαλεί την εμφάνιση ηλεκτρονίων αγωγιμότητας σε έναν ημιαγωγό;
2. Ποια είναι η εγγενής αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού;
3. Πώς εξαρτάται η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού από τη θερμοκρασία;
4. Πώς διαφέρει μια ακαθαρσία δότη από μια ακαθαρσία δέκτη;
5. *Ποια είναι η αγωγιμότητα του πυριτίου με πρόσμιξη α) γαλλίου, β) ινδίου, γ) φωσφόρου, δ) αντιμονίου;

Οι ημιαγωγοί είναι ουσίες που από την άποψη της ηλεκτρικής αγωγιμότητας καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ καλών αγωγών και καλών μονωτών (διηλεκτρικά).

Οι ημιαγωγοί είναι τόσο χημικά στοιχεία (γερμάνιο Ge, πυρίτιο Si, σελήνιο Se, τελλούριο Te) όσο και ενώσεις χημικών στοιχείων (PbS, CdS κ.λπ.).

Η φύση των φορέων ρεύματος σε διαφορετικούς ημιαγωγούς είναι διαφορετική. Σε μερικά από αυτά, οι φορείς φορτίου είναι ιόντα. Σε άλλα, οι φορείς φορτίου είναι ηλεκτρόνια.

Εγγενής αγωγιμότητα ημιαγωγών

Υπάρχουν δύο τύποι εγγενούς αγωγιμότητας των ημιαγωγών: η ηλεκτρονική αγωγιμότητα και η αγωγιμότητα των οπών των ημιαγωγών.

1. Ηλεκτρονική αγωγιμότητα ημιαγωγών.

Η ηλεκτρονική αγωγιμότητα πραγματοποιείται από την κατευθυνόμενη κίνηση στον διατομικό χώρο των ελεύθερων ηλεκτρονίων που έχουν εγκαταλείψει το κέλυφος σθένους του ατόμου ως αποτέλεσμα εξωτερικών επιρροών.

2. Αγωγιμότητα οπών ημιαγωγών.

Η αγωγιμότητα της οπής συμβαίνει με την κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρονίων σθένους σε κενές θέσεις σε δεσμούς ζευγών ηλεκτρονίων - οπές. Το ηλεκτρόνιο σθένους ενός ουδέτερου ατόμου που βρίσκεται σε κοντινή απόσταση από ένα θετικό ιόν (οπή) έλκεται από την οπή και πηδά μέσα σε αυτήν. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζεται ένα θετικό ιόν (οπή) στη θέση ενός ουδέτερου ατόμου και ένα ουδέτερο άτομο στη θέση ενός θετικού ιόντος (τρύπα).

Σε έναν ιδανικά καθαρό ημιαγωγό χωρίς ξένες ακαθαρσίες, κάθε ελεύθερο ηλεκτρόνιο αντιστοιχεί στο σχηματισμό μιας οπής, δηλ. ο αριθμός των ηλεκτρονίων και των οπών που εμπλέκονται στη δημιουργία του ρεύματος είναι ο ίδιος.

Η αγωγιμότητα στην οποία εμφανίζεται ο ίδιος αριθμός φορέων φορτίου (ηλεκτρόνια και οπές) ονομάζεται εγγενής αγωγιμότητα των ημιαγωγών.

Η εγγενής αγωγιμότητα των ημιαγωγών είναι συνήθως χαμηλή, καθώς ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι μικρός. Τα παραμικρά ίχνη ακαθαρσιών αλλάζουν ριζικά τις ιδιότητες των ημιαγωγών.

Ηλεκτρική αγωγιμότητα ημιαγωγών παρουσία ακαθαρσιών

Ως ακαθαρσίες σε έναν ημιαγωγό θεωρούνται άτομα ξένων χημικών στοιχείων που δεν περιέχονται στον κύριο ημιαγωγό.

Αγωγιμότητα ακαθαρσιώνείναι η αγωγιμότητα των ημιαγωγών λόγω της εισαγωγής ακαθαρσιών στα κρυσταλλικά τους πλέγματα.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, η επίδραση των ακαθαρσιών εκδηλώνεται στο γεγονός ότι ο μηχανισμός αγωγιμότητας της «τρύπας» γίνεται πρακτικά αδύνατος και το ρεύμα στον ημιαγωγό πραγματοποιείται κυρίως από την κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Τέτοιοι ημιαγωγοί ονομάζονται ηλεκτρονικών ημιαγωγώνή ημιαγωγοί τύπου n(από τη λατινική λέξη negativus - αρνητικός). Οι περισσότεροι φορείς φορτίου είναι ηλεκτρόνια και οι μη πλειοψηφικοί φορείς φορτίου είναι οπές. Οι ημιαγωγοί τύπου Ν είναι ημιαγωγοί με ακαθαρσίες δότη.

1. Ακαθαρσίες δότη.

Οι προσμίξεις που δίνουν εύκολα ηλεκτρόνια και επομένως αυξάνουν τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων ονομάζονται προσμίξεις δότη. Οι ακαθαρσίες του δότη παρέχουν ηλεκτρόνια αγωγιμότητας χωρίς να δημιουργούν τον ίδιο αριθμό οπών.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα ακαθαρσίας δότη στο τετρασθενές γερμάνιο Ge είναι τα πεντασθενή άτομα αρσενικού As.

Σε άλλες περιπτώσεις, η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων γίνεται πρακτικά αδύνατη και το ρεύμα πραγματοποιείται μόνο με την κίνηση των οπών. Αυτοί οι ημιαγωγοί ονομάζονται ημιαγωγοί οπώνή ημιαγωγοί τύπου p(από τη λατινική λέξη positivus - θετικός). Οι περισσότεροι φορείς φορτίου είναι οπές, όχι οι περισσότεροι φορείς φορτίου - ηλεκτρόνια. . Οι ημιαγωγοί τύπου P είναι ημιαγωγοί με ακαθαρσίες δέκτη.

Οι ακαθαρσίες δέκτη είναι ακαθαρσίες στις οποίες δεν υπάρχουν αρκετά ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν κανονικούς δεσμούς ζεύγους ηλεκτρονίων.

Ένα παράδειγμα μιας ακαθαρσίας δέκτη στο γερμάνιο Ge είναι τα τρισθενή άτομα γαλλίου Ga

Ηλεκτρικό ρεύμα μέσω της επαφής ημιαγωγών τύπου p και τύπου n Μια διασταύρωση p-n είναι ένα στρώμα επαφής δύο ημιαγωγών ακαθαρσιών τύπου p και τύπου n. Μια σύνδεση p-n είναι τα όρια που χωρίζουν τις περιοχές με αγωγιμότητα οπής (p) και ηλεκτρονική (n) αγωγιμότητα στον ίδιο μονοκρύσταλλο.

Άμεση διασταύρωση p-n

Εάν ο n-ημιαγωγός συνδέεται με τον αρνητικό πόλο της πηγής ισχύος και ο θετικός πόλος της πηγής ισχύος συνδέεται με τον ημιαγωγό p, τότε υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου, τα ηλεκτρόνια στον n-ημιαγωγό και οι οπές στον p-ημιαγωγό θα κινούνται ο ένας προς τον άλλο προς τη διεπαφή των ημιαγωγών. Τα ηλεκτρόνια, που διασχίζουν το όριο, «γεμίζουν» τρύπες, το ρεύμα μέσω της διασταύρωσης p-n πραγματοποιείται από τους κύριους φορείς φόρτισης. Ως αποτέλεσμα, η αγωγιμότητα ολόκληρου του δείγματος αυξάνεται. Με μια τέτοια προς τα εμπρός (μέσω) κατεύθυνση του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, το πάχος του στρώματος μπλοκαρίσματος και η αντίστασή του μειώνονται.

Σε αυτή την κατεύθυνση, το ρεύμα διέρχεται από τα όρια των δύο ημιαγωγών.

Αντίστροφη διασταύρωση pn

Εάν ένας n-ημιαγωγός συνδέεται στον θετικό πόλο της πηγής ισχύος και ένας p-ημιαγωγός συνδέεται στον αρνητικό πόλο της πηγής ισχύος, τότε τα ηλεκτρόνια στον n-ημιαγωγό και οι οπές στον p-ημιαγωγό υπό την επίδραση το ηλεκτρικό πεδίο θα κινηθεί από τη διεπαφή σε αντίθετες κατευθύνσεις, το ρεύμα μέσω p Η διασταύρωση -n πραγματοποιείται από φορείς μειοψηφίας φορτίου. Αυτό οδηγεί σε πάχυνση του στρώματος φραγμού και αύξηση της αντοχής του. Ως αποτέλεσμα, η αγωγιμότητα του δείγματος αποδεικνύεται ασήμαντη και η αντίσταση είναι μεγάλη.

Σχηματίζεται ένα λεγόμενο στρώμα φραγμού. Με αυτή την κατεύθυνση του εξωτερικού πεδίου, το ηλεκτρικό ρεύμα πρακτικά δεν διέρχεται από την επαφή των p- και n- ημιαγωγών.

Έτσι, η μετάβαση ηλεκτρονίου-οπής έχει αγωγιμότητα μονής κατεύθυνσης.

Η εξάρτηση του ρεύματος από την τάση - το χαρακτηριστικό volt-ampere της σύνδεσης p-n φαίνεται στο σχήμα (το χαρακτηριστικό volt-ampere της απευθείας σύνδεσης p-n απεικονίζεται με μια συνεχή γραμμή, το χαρακτηριστικό volt-ampere της αντίστροφης σύνδεσης p-n απεικονίζεται με διακεκομμένη γραμμή).

Συσκευές ημιαγωγών:

Μια δίοδος ημιαγωγών χρησιμοποιείται για την ανόρθωση εναλλασσόμενου ρεύματος και χρησιμοποιεί μια διασταύρωση p-n με διαφορετικές αντιστάσεις: στην προς τα εμπρός κατεύθυνση, η αντίσταση της διασταύρωσης p-n είναι σημαντικά μικρότερη από την αντίστροφη κατεύθυνση.

Φωτοαντιστάσεις - για καταγραφή και μέτρηση ασθενών ροών φωτός. Με τη βοήθειά τους, καθορίζουν την ποιότητα των επιφανειών και ελέγχουν τις διαστάσεις των προϊόντων.

Θερμίστορ - για απομακρυσμένη μέτρηση θερμοκρασίας, συναγερμοί πυρκαγιάς.

Οι ημιαγωγοί είναι μια κατηγορία ουσιών των οποίων η αγωγιμότητα αυξάνεται και η ηλεκτρική αντίσταση μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Έτσι διαφέρουν θεμελιωδώς οι ημιαγωγοί από τα μέταλλα.

Τυπικοί ημιαγωγοί είναι οι κρύσταλλοι γερμανίου και πυριτίου, στους οποίους τα άτομα ενώνονται με ομοιοπολικό δεσμό. Σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, οι ημιαγωγοί περιέχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου μπορούν να κινηθούν στον κρύσταλλο, δημιουργώντας ένα ρεύμα ηλεκτρονικής αγωγής. Η αφαίρεση ενός ηλεκτρονίου από το εξωτερικό περίβλημα ενός από τα άτομα του κρυσταλλικού πλέγματος οδηγεί στη μετατροπή αυτού του ατόμου σε θετικό ιόν. Αυτό το ιόν μπορεί να εξουδετερωθεί συλλαμβάνοντας ένα ηλεκτρόνιο από ένα από τα γειτονικά του άτομα. Περαιτέρω, ως αποτέλεσμα της μετάβασης ηλεκτρονίων από άτομα σε θετικά ιόντα, εμφανίζεται μια διαδικασία χαοτικής κίνησης του τόπου με το ηλεκτρόνιο που λείπει στον κρύσταλλο. Εξωτερικά, αυτή η διαδικασία γίνεται αντιληπτή ως η κίνηση ενός θετικού ηλεκτρικού φορτίου, που ονομάζεται τρύπα.

Όταν ένας κρύσταλλος τοποθετείται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, εμφανίζεται μια διατεταγμένη κίνηση οπών - ρεύμα αγωγιμότητας οπής.

Σε έναν ιδανικό κρύσταλλο ημιαγωγών, το ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργείται από την κίνηση ίσου αριθμού αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων και θετικά φορτισμένων οπών. Η αγωγιμότητα στους ιδανικούς ημιαγωγούς ονομάζεται εγγενής αγωγιμότητα.

Οι ιδιότητες των ημιαγωγών εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες. Υπάρχουν δύο τύποι ακαθαρσιών - δότης και δέκτης.

Οι προσμίξεις που δίνουν ηλεκτρόνια και δημιουργούν ηλεκτρονική αγωγιμότητα ονομάζονται δότης(ακαθαρσίες που έχουν σθένος μεγαλύτερο από αυτό του κύριου ημιαγωγού). Οι ημιαγωγοί στους οποίους η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων υπερβαίνει τη συγκέντρωση των οπών ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου n.

Οι ακαθαρσίες που αιχμαλωτίζουν ηλεκτρόνια και έτσι δημιουργούν κινητές οπές χωρίς να αυξάνουν τον αριθμό των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας ονομάζονται αποδέκτης(ακαθαρσίες που έχουν σθένος μικρότερο από αυτό του κύριου ημιαγωγού).

Σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι κύριοι φορείς ρεύματος σε έναν κρύσταλλο ημιαγωγών με ακαθαρσία δέκτη είναι οι τρύπες και όχι οι κύριοι φορείς - τα ηλεκτρόνια. Οι ημιαγωγοί στους οποίους η συγκέντρωση των οπών υπερβαίνει τη συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας ονομάζονται ημιαγωγοί οπών ή ημιαγωγοί τύπου p. Ας εξετάσουμε την επαφή δύο ημιαγωγών με διαφορετικούς τύπους αγωγιμότητας.

Η αμοιβαία διάχυση των πλειοψηφικών φορέων συμβαίνει κατά μήκος των ορίων αυτών των ημιαγωγών: ηλεκτρόνια από τον n-ημιαγωγό διαχέονται στον p-ημιαγωγό και οπές από τον p-ημιαγωγό στον n-ημιαγωγό. Ως αποτέλεσμα, η περιοχή του n-ημιαγωγού δίπλα στην επαφή θα εξαντληθεί από ηλεκτρόνια και θα σχηματιστεί ένα πλεονάζον θετικό φορτίο σε αυτό λόγω της παρουσίας γυμνών ιόντων ακαθαρσίας. Η κίνηση των οπών από τον p-ημιαγωγό στον n-ημιαγωγό οδηγεί στην εμφάνιση ενός υπερβολικού αρνητικού φορτίου στην οριακή περιοχή του p-ημιαγωγού. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα και δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο επαφής, το οποίο εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση των κύριων φορέων φορτίου. Αυτό το στρώμα ονομάζεται κλείδωμα.

Ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο επηρεάζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα του στρώματος φραγμού. Εάν οι ημιαγωγοί είναι συνδεδεμένοι στην πηγή όπως φαίνεται στο Σχ. 55, τότε υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου οι κύριοι φορείς φορτίου -ελεύθερα ηλεκτρόνια στον ημιαγωγό p και οπές στον p-ημιαγωγό- θα κινηθούν ο ένας προς τον άλλο προς τη διεπαφή των ημιαγωγών, ενώ το πάχος της σύνδεσης p-n μειώνεται, επομένως, μειώνεται η αντίστασή του. Σε αυτή την περίπτωση, η ισχύς του ρεύματος περιορίζεται από την εξωτερική αντίσταση. Αυτή η κατεύθυνση του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου ονομάζεται άμεση. Η απευθείας σύνδεση της διασταύρωσης p-n αντιστοιχεί στο τμήμα 1 σχετικά με το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης (βλ. Εικ. 57).

Οι φορείς ηλεκτρικού ρεύματος σε διάφορα περιβάλλοντα και τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης συνοψίζονται στον Πίνακα. 1.

Εάν οι ημιαγωγοί είναι συνδεδεμένοι στην πηγή όπως φαίνεται στο Σχ. 56, τότε τα ηλεκτρόνια στον n-ημιαγωγό και οι οπές στον p-ημιαγωγό θα κινηθούν υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου από το όριο σε αντίθετες κατευθύνσεις. Το πάχος του στρώματος φραγμού και, ως εκ τούτου, η αντίστασή του αυξάνεται. Με αυτή την κατεύθυνση του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου - αντίστροφη (μπλοκάρισμα), μόνο οι φορείς φόρτισης μειοψηφίας διέρχονται από τη διεπαφή, η συγκέντρωση των οποίων είναι πολύ χαμηλότερη από την πλειοψηφία και το ρεύμα είναι πρακτικά ίσο με μηδέν. Η αντίστροφη ενεργοποίηση της διασταύρωσης pn αντιστοιχεί στο τμήμα 2 σχετικά με το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης (Εικ. 57).

Έτσι, η σύνδεση pn έχει ασύμμετρη αγωγιμότητα. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται σε διόδους ημιαγωγών που περιέχουν μία μόνο σύνδεση pn και χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, για διόρθωση ή ανίχνευση AC.

Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύγχρονη ηλεκτρονική τεχνολογία.

Η εξάρτηση της ηλεκτρικής αντίστασης των μετάλλων ημιαγωγών από τη θερμοκρασία χρησιμοποιείται σε ειδικές συσκευές ημιαγωγών - θερμίστορ. Οι συσκευές που χρησιμοποιούν την ιδιότητα των κρυστάλλων ημιαγωγών να αλλάζουν την ηλεκτρική τους αντίσταση όταν φωτίζονται με φως ονομάζονται φωτοαντιστάσεις.

Ηλεκτρικό ρεύμα στο κενό

Εάν δύο ηλεκτρόδια τοποθετηθούν σε ένα σφραγισμένο δοχείο και αφαιρεθεί αέρας από το δοχείο, τότε δεν προκύπτει ηλεκτρικό ρεύμα στο κενό - δεν υπάρχουν φορείς ηλεκτρικού ρεύματος. Ο Αμερικανός επιστήμονας T. A. Edison (1847-1931) ανακάλυψε το 1879 ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να προκύψει σε μια γυάλινη φιάλη κενού εάν ένα από τα ηλεκτρόδια σε αυτήν θερμανθεί σε υψηλή θερμοκρασία. Το φαινόμενο της εκπομπής ελεύθερων ηλεκτρονίων από την επιφάνεια των θερμαινόμενων σωμάτων ονομάζεται θερμιονική εκπομπή. Η εργασία που χρειάζεται να γίνει για να απελευθερωθεί ένα ηλεκτρόνιο από την επιφάνεια ενός σώματος ονομάζεται συνάρτηση εργασίας. Το φαινόμενο της θερμιονικής εκπομπής εξηγείται από το γεγονός ότι όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του σώματος, αυξάνεται η κινητική ενέργεια ορισμένων από τα ηλεκτρόνια της ουσίας. Εάν η κινητική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου υπερβαίνει τη συνάρτηση εργασίας, τότε μπορεί να υπερνικήσει τις ελκτικές δυνάμεις που ασκούνται από τα θετικά ιόντα και να αφήσει την επιφάνεια του σώματος σε κενό. Η λειτουργία διαφόρων σωλήνων ηλεκτρονίων βασίζεται στο φαινόμενο της θερμιονικής εκπομπής.

Ημιαγωγός- πρόκειται για μια ουσία στην οποία η ειδική αντίσταση μπορεί να ποικίλλει σε μεγάλο εύρος και μειώνεται πολύ γρήγορα με την αύξηση της θερμοκρασίας, πράγμα που σημαίνει ότι αυξάνεται η ηλεκτρική αγωγιμότητα (1/R).
- παρατηρείται σε πυρίτιο, γερμάνιο, σελήνιο και ορισμένες ενώσεις.

Μηχανισμός αγωγήςσε ημιαγωγούς

Οι κρύσταλλοι ημιαγωγών έχουν ένα ατομικό κρυσταλλικό πλέγμα όπου τα εξωτερικά ηλεκτρόνια συνδέονται με γειτονικά άτομα με ομοιοπολικούς δεσμούς.

Σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι καθαροί ημιαγωγοί δεν έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια και συμπεριφέρονται σαν μονωτές.

Οι ημιαγωγοί είναι καθαροί (χωρίς ακαθαρσίες)

Αν ο ημιαγωγός είναι καθαρός (χωρίς ακαθαρσίες), τότε έχει τα δικάαγωγιμότητα, η οποία είναι χαμηλή.

Υπάρχουν δύο τύποι εγγενούς αγωγιμότητας:

1 ηλεκτρονικός(αγωγιμότητα "n" - τύπος)

Σε χαμηλές θερμοκρασίες στους ημιαγωγούς, όλα τα ηλεκτρόνια συνδέονται με τους πυρήνες και η αντίσταση είναι υψηλή. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η κινητική ενέργεια των σωματιδίων αυξάνεται, οι δεσμοί διασπώνται και εμφανίζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια - η αντίσταση μειώνεται.
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται αντίθετα από το διάνυσμα έντασης ηλεκτρικού πεδίου.
Η ηλεκτρονική αγωγιμότητα των ημιαγωγών οφείλεται στην παρουσία ελεύθερων ηλεκτρονίων.

2. τρύπα(Αγωγιμότητα τύπου "p")

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, οι ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ των ατόμων, που πραγματοποιούνται από ηλεκτρόνια σθένους, καταστρέφονται και σχηματίζονται μέρη με ένα ηλεκτρόνιο που λείπει - μια «τρύπα».
Μπορεί να κινηθεί σε όλο τον κρύσταλλο, γιατί η θέση του μπορεί να αντικατασταθεί από ηλεκτρόνια σθένους. Η μετακίνηση μιας «τρύπας» ισοδυναμεί με τη μετακίνηση ενός θετικού φορτίου.
Η οπή κινείται προς την κατεύθυνση του διανύσματος έντασης ηλεκτρικού πεδίου.

Εκτός από τη θέρμανση, το σπάσιμο των ομοιοπολικών δεσμών και η εμφάνιση της εγγενούς αγωγιμότητας των ημιαγωγών μπορεί να προκληθεί από το φωτισμό (φωτοαγωγιμότητα) και τη δράση ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων

Η συνολική αγωγιμότητα ενός καθαρού ημιαγωγού είναι το άθροισμα των αγωγιμότητας των τύπων "p" και "n"
και ονομάζεται αγωγιμότητα ηλεκτρονίου-οπής.

Ημιαγωγοί με ακαθαρσίες

Εχουν δικός + ακαθαρσίααγώγιμο
Η παρουσία ακαθαρσιών αυξάνει σημαντικά την αγωγιμότητα.
Όταν η συγκέντρωση των ακαθαρσιών αλλάζει, ο αριθμός των φορέων ηλεκτρικού ρεύματος - ηλεκτρονίων και οπών - αλλάζει.
Η ικανότητα ελέγχου του ρεύματος αποτελεί τη βάση της ευρείας χρήσης των ημιαγωγών.

Υπάρχει:

1)δότηςακαθαρσίες (που εκπέμπουν)

Είναι πρόσθετοι προμηθευτές ηλεκτρονίων σε κρυστάλλους ημιαγωγών, εγκαταλείπουν εύκολα ηλεκτρόνια και αυξάνουν τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων στον ημιαγωγό.
Αυτοί είναι οι αγωγοί "n" - τύπος, δηλ. ημιαγωγοί με ακαθαρσίες δότη, όπου ο κύριος φορέας φορτίου είναι τα ηλεκτρόνια και ο μειοψηφικός φορέας φορτίου είναι οι τρύπες.
Ένας τέτοιος ημιαγωγός έχει ηλεκτρονική αγωγιμότητα ακαθαρσιών.

Για παράδειγμα, αρσενικό.

2. αποδέκτηςακαθαρσίες (λήψη)

Δημιουργούν «τρύπες» απορροφώντας ηλεκτρόνια.
Αυτοί είναι ημιαγωγοί "p" - όπως,εκείνοι. ημιαγωγοί με ακαθαρσίες δέκτη, όπου ο κύριος φορέας φορτίου είναι οι οπές και ο μειοψηφικός φορέας φορτίου είναι τα ηλεκτρόνια.
Ένας τέτοιος ημιαγωγός έχει αγωγιμότητα ακαθαρσιών οπών.

Για παράδειγμα - ίνδιο.

Ηλεκτρικές ιδιότητες της διασταύρωσης p-n

μετάβαση "p-n".(ή μετάβαση ηλεκτρονίου-οπής) - η περιοχή επαφής δύο ημιαγωγών, όπου η αγωγιμότητα αλλάζει από ηλεκτρονική σε οπή (ή αντίστροφα).

Τέτοιες περιοχές μπορούν να δημιουργηθούν σε κρύσταλλο ημιαγωγών με την εισαγωγή ακαθαρσιών. Στη ζώνη επαφής δύο ημιαγωγών με διαφορετική αγωγιμότητα, θα γίνει αμοιβαία διάχυση. ηλεκτρόνια και οπές και σχηματίζεται ένα ηλεκτρικό στρώμα αποκλεισμού Το ηλεκτρικό πεδίο του στρώματος αποκλεισμού εμποδίζει την περαιτέρω διέλευση ηλεκτρονίων και οπών κατά μήκος του ορίου. Το στρώμα μπλοκαρίσματος έχει αυξημένη αντίσταση σε σύγκριση με άλλες περιοχές του ημιαγωγού.

Τρόπος παροχής σύνδεσης p-n:

Όταν το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο είναι σε κατεύθυνση αποκλεισμού (αντίστροφη), δεν θα περάσει ηλεκτρικό ρεύμα από την περιοχή επαφής δύο ημιαγωγών.
Επειδή Καθώς τα ηλεκτρόνια και οι οπές κινούνται από το όριο σε αντίθετες κατευθύνσεις, το στρώμα μπλοκαρίσματος πυκνώνει και η αντίστασή του αυξάνεται.

Λειτουργία αποκλεισμού της διασταύρωσης p-n.

Οι ημιαγωγοί είναι ουσίες των οποίων η ειδική αντίσταση είναι πολλές φορές μικρότερη από αυτή των διηλεκτρικών και πολύ μεγαλύτερη από αυτή των μετάλλων. Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι ημιαγωγοί είναι το πυρίτιο και το γερμάνιο.

Το κύριο χαρακτηριστικό των ημιαγωγών είναι η εξάρτηση της αποτελεσματικής αντίστασής τους από εξωτερικές συνθήκες (θερμοκρασία, φωτισμός, ηλεκτρικό πεδίο) και από την παρουσία ακαθαρσιών. Τον 20ο αιώνα, επιστήμονες και μηχανικοί άρχισαν να χρησιμοποιούν αυτό το χαρακτηριστικό των ημιαγωγών για να δημιουργήσουν εξαιρετικά μικροσκοπικές, πολύπλοκες συσκευές με αυτοματοποιημένο έλεγχο - για παράδειγμα, υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα και οικιακές συσκευές.

Η ταχύτητα των υπολογιστών έχει αυξηθεί εκατομμύρια φορές σε περίπου μισό αιώνα της ύπαρξής τους. Αν την ίδια χρονική περίοδο η ταχύτητα των αυτοκινήτων αυξήθηκε επίσης εκατομμύρια φορές, τότε θα αγωνίζονταν σήμερα με ταχύτητα που πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός!

Εάν σε έναν (δεν είναι υπέροχος!) οι στιγμιαίοι ημιαγωγοί «αρνούνταν να δουλέψουν», οι οθόνες των υπολογιστών και της τηλεόρασης θα σκοτείνιαζαν αμέσως, τα κινητά τηλέφωνα θα σιωπούσαν και οι τεχνητοί δορυφόροι θα έχαναν τον έλεγχο. Χιλιάδες βιομηχανίες θα σταματούσαν, αεροπλάνα και πλοία θα συντρίβονταν, καθώς και εκατομμύρια αυτοκίνητα.

Φορείς φόρτισης σε ημιαγωγούς

Ηλεκτρονική αγωγιμότητα.Στους ημιαγωγούς, τα ηλεκτρόνια σθένους ανήκουν σε δύο γειτονικά άτομα. Για παράδειγμα, σε έναν κρύσταλλο πυριτίου, κάθε ζεύγος γειτονικών ατόμων έχει δύο «κοινά» ηλεκτρόνια. Αυτό φαίνεται σχηματικά στο Σχήμα 60.1 (μόνο τα ηλεκτρόνια σθένους φαίνονται εδώ).

Η σύνδεση μεταξύ ηλεκτρονίων και ατόμων στους ημιαγωγούς είναι ασθενέστερη από ότι στα διηλεκτρικά. Επομένως, ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, η θερμική ενέργεια ορισμένων ηλεκτρονίων σθένους είναι αρκετή για να αποσπαστούν από το ζεύγος των ατόμων τους και να γίνουν ηλεκτρόνια αγωγιμότητας. Έτσι εμφανίζονται οι φορείς αρνητικού φορτίου σε έναν ημιαγωγό.

Η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού, που προκαλείται από την κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων, ονομάζεται ηλεκτρονική.

Αγωγιμότητα οπών.Όταν το ηλεκτρόνιο σθένους γίνεται ηλεκτρόνιο αγωγιμότητας, ελευθερώνει έναν χώρο στον οποίο εμφανίζεται ένα μη αντισταθμισμένο θετικό φορτίο. Αυτό το μέρος ονομάζεται τρύπα. Η οπή αντιστοιχεί σε θετικό φορτίο, ίσο σε μέγεθος με το φορτίο του ηλεκτρονίου.