Tingimused voolu tekkeks pooljuhis. Elektrivool pooljuhtides. pooljuhtdiood. Pooljuhtseadmed. Elektrivool vaakumis

Selles õppetükis käsitleme sellist elektrivoolu läbilaskekeskkonda pooljuhtidena. Vaatleme nende juhtivuse põhimõtet, selle juhtivuse sõltuvust temperatuurist ja lisandite olemasolust, kaalume sellist kontseptsiooni nagu p-n-ristmik ja põhilised pooljuhtseadmed.

Kui teete otseühenduse, siis välisväli neutraliseerib lukustuse ja voolu tekitavad peamised laengukandjad (joonis 9).

Riis. 9. p-n ristmik otseühendusega ()

Sel juhul on vähemuskandjate vool tühine, see on praktiliselt olematu. Seetõttu tagab p-n-siire elektrivoolu ühesuunalise juhtimise.

Riis. 10. Räni aatomstruktuur temperatuuri tõusuga

Pooljuhtide juhtivus on elektron-auk ja sellist juhtivust nimetatakse sisejuhtivuseks. Ja erinevalt juhtivatest metallidest, kui temperatuur tõuseb, vabade laengute arv lihtsalt suureneb (esimesel juhul see ei muutu), mistõttu pooljuhtide juhtivus suureneb temperatuuri tõustes ja takistus väheneb (joonis 10).

Väga oluline küsimus pooljuhtide uurimisel on lisandite olemasolu neis. Ja lisandite olemasolu korral tuleks rääkida lisandite juhtivusest.

Pooljuhid

Edastatavate signaalide väiksus ja väga kõrge kvaliteet on muutnud pooljuhtseadmed kaasaegses elektroonikatehnoloogias väga levinud. Selliste seadmete koostis võib sisaldada mitte ainult eelnimetatud lisanditega räni, vaid ka näiteks germaaniumi.

Üks nendest seadmetest on diood – seade, mis suudab voolu ühes suunas edasi juhtida ja teises suunas selle läbimist takistada. See saadakse teist tüüpi pooljuhtide implanteerimisel p- või n-tüüpi pooljuhtkristallidesse (joonis 11).

Riis. 11. Dioodi tähistus skeemil ja vastavalt selle seadme skeem

Teist seadet, nüüd kahe p-n-siirdega, nimetatakse transistoriks. Selle ülesandeks on mitte ainult voolu suuna valimine, vaid ka selle teisendamine (joonis 12).

Riis. 12. Transistori struktuuri skeem ja selle tähistus vastavalt elektriahelale ()

Tuleb märkida, et kaasaegsetes mikroskeemides kasutatakse palju dioodide, transistoride ja muude elektriseadmete kombinatsioone.

Järgmises tunnis vaatleme elektrivoolu levimist vaakumis.

Bibliograafia

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Füüsika (algtase) - M.: Mnemozina, 2012.
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Füüsika klass 10. - M.: Ileksa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Füüsika. Elektrodünaamika. - M.: 2010.

1. Seadmete tööpõhimõtted ().
2. Füüsika ja tehnoloogia entsüklopeedia ().

Kodutöö

1. Mis põhjustab juhtivuselektrone pooljuhtides?
2. Mis on pooljuhi sisejuhtivus?
3. Kuidas sõltub pooljuhi juhtivus temperatuurist?
4. Mis vahe on doonori lisandil ja aktseptori lisandil?
5. * Milline on räni juhtivus a) galliumi, b) indiumi, c) fosfori, d) antimoni seguga?

Pooljuhid on ained, mis on elektrijuhtivuse mõttes heade juhtide ja heade isolaatorite (dielektrikute) vahel.

Pooljuhid on ka keemilised elemendid (germaanium Ge, räni Si, seleen Se, telluur Te) ja keemiliste elementide ühendid (PbS, CdS jne).

Erinevate pooljuhtide voolukandjate olemus on erinev. Mõnes neist on laengukandjateks ioonid; teistes on laengukandjateks elektronid.

Pooljuhtide sisejuhtivus

Pooljuhtides on kahte tüüpi sisejuhtivust: elektrooniline juhtivus ja aukjuhtivus pooljuhtides.

1. Pooljuhtide elektrooniline juhtivus.

Elektrooniline juhtivus toimub aatomi valentskihist välismõjude tagajärjel lahkunud vabade elektronide suunatud liikumisega aatomitevahelises ruumis.

2. Pooljuhtide aukjuhtivus.

Aukude juhtivus viiakse läbi valentselektronide suunatud liikumisega elektronpaarsidemetes - aukudes - vabadesse kohtadesse. Positiivse iooni (augu) vahetus läheduses paikneva neutraalse aatomi valentselektron tõmbab auku ja hüppab sellesse. Sel juhul tekib neutraalse aatomi asemel positiivne ioon (auk) ja positiivse iooni (auk) asemele neutraalne aatom.

Ideaalselt puhtas, ilma võõrlisanditeta pooljuhis vastab igale vabale elektronile ühe augu teke, s.t. voolu tekitamisel osalevate elektronide ja aukude arv on sama.

Juhtivust, mille juures esineb sama arv laengukandjaid (elektrone ja auke), nimetatakse pooljuhtide sisejuhtivuseks.

Pooljuhtide sisejuhtivus on tavaliselt väike, kuna vabade elektronide arv on väike. Väiksemad lisandite jäljed muudavad pooljuhtide omadusi radikaalselt.

Pooljuhtide elektrijuhtivus lisandite juuresolekul

Pooljuhis sisalduvad lisandid on võõraste keemiliste elementide aatomid, mida põhipooljuht ei sisalda.

Lisandite juhtivus- see on pooljuhtide juhtivus, mis on tingitud lisandite sattumisest nende kristallvõredesse.

Mõnel juhul avaldub lisandite mõju selles, et "augu" juhtivuse mehhanism muutub praktiliselt võimatuks ja vool pooljuhis toimub peamiselt vabade elektronide liikumisel. Selliseid pooljuhte nimetatakse elektroonilised pooljuhid või n-tüüpi pooljuhid(ladina sõnast negativus - negatiivne). Peamised laengukandjad on elektronid, mitte aga augud. n-tüüpi pooljuhid on doonorlisanditega pooljuhid.

1. Doonori lisandid.

Doonorlisandid on need, mis kergesti loovutavad elektrone ja suurendavad sellest tulenevalt vabade elektronide arvu. Doonorlisandid varustavad juhtivuselektrone ilma sama arvu aukudeta.

Tüüpiline näide tetravalentse germaaniumi Ge doonorlisandi kohta on viievalentsed arseeni aatomid As.

Muudel juhtudel muutub vabade elektronide liikumine praktiliselt võimatuks ja voolu teostab ainult aukude liikumine. Neid pooljuhte nimetatakse aukudega pooljuhid või p-tüüpi pooljuhid(ladina sõnast positivus - positiivne). Peamised laengukandjad on augud, mitte peamised - elektronid. . P-tüüpi pooljuhid on aktseptori lisanditega pooljuhid.

Aktseptorlisandid on lisandid, milles ei ole piisavalt elektrone normaalsete elektronpaarsidemete moodustamiseks.

Germaaniumi Ge aktseptori lisandi näiteks on kolmevalentsed galliumi aatomid Ga

Elektrivool p-tüüpi ja n-tüüpi p-n-siirde pooljuhtide kokkupuutel on kahe p-tüüpi ja n-tüüpi lisandi pooljuhi kontaktkiht; P-n-siire on piir, mis eraldab samas monokristallis auku (p) juhtivuse ja elektroonilise (n) juhtivusega piirkondi.

otsene p-n ristmik

Kui n-pooljuht on ühendatud toiteallika negatiivse poolusega ja toiteallika positiivne pooljuht on ühendatud p-pooljuhiga, siis elektrivälja toimel n-pooljuhis olevad elektronid ja p-pooljuhi augud liiguvad üksteise poole pooljuhtide liidesesse. Piiri ületavad elektronid "täidavad" augud, pn-siirde voolu juhivad peamised laengukandjad. Selle tulemusena suureneb kogu proovi juhtivus. Sellise välise elektrivälja otsese (läbilaske) suuna korral barjäärikihi paksus ja selle takistus vähenevad.

Selles suunas läbib vool kahe pooljuhi piiri.

Tagurpidi pn-ristmik

Kui n-pooljuht on ühendatud toiteallika positiivse poolusega ja p-pooljuht on ühendatud toiteallika negatiivse poolusega, siis mõjuvad n-pooljuhis olevad elektronid ja p-pooljuhi augud. elektrivälja liikumine liidesest vastupidises suunas, p -n-siirde kaudu voolu teostavad väikesed laengukandjad. See toob kaasa tõkkekihi paksenemise ja selle vastupidavuse suurenemise. Selle tulemusena osutub proovi juhtivus ebaoluliseks ja takistus on suur.

Tekib nn tõkkekiht. Sellise välisvälja suuna korral elektrivool p- ja n-pooljuhtide kontakti praktiliselt ei läbi.

Seega on elektron-augu üleminekul ühepoolne juhtivus.

Voolu sõltuvus pingest - volt - p-n-siirde voolu karakteristik on näidatud joonisel (volt - otsese p-n-siirde voolu karakteristik on näidatud pideva joonega, volt - ampere p-n-siirde karakteristik on näidatud punktiirjoonega).

Pooljuhid:

Pooljuhtdiood - vahelduvvoolu alaldamiseks kasutab ta ühte p - n - üleminekut erinevate takistustega: edasisuunas on p - n - ülemineku takistus palju väiksem kui vastupidises suunas.

Fototakistid - nõrkade valgusvoogude registreerimiseks ja mõõtmiseks. Nende abiga määrake pindade kvaliteet, kontrollige toodete mõõtmeid.

Termistorid - temperatuuri kaugmõõtmiseks, tulekahjusignalisatsioonid.

Pooljuhid on ainete klass, milles temperatuuri tõustes juhtivus suureneb ja elektritakistus väheneb. Need pooljuhid erinevad metallidest põhimõtteliselt.

Tüüpilised pooljuhid on germaaniumi ja räni kristallid, milles aatomid on ühendatud kovalentse sidemega. Pooljuhtidel on vabad elektronid igal temperatuuril. Välise elektrivälja toimel olevad vabad elektronid võivad kristallis liikuda, tekitades elektroonilist juhtivusvoolu. Elektroni eemaldamine kristallvõre ühe aatomi väliskihist viib selle aatomi muutumiseni positiivseks iooniks. Seda iooni saab neutraliseerida, püüdes kinni mõnest naaberaatomist elektroni. Lisaks toimub elektronide üleminekute tulemusena aatomitelt positiivseteks ioonideks puuduva elektroniga koha kristallis kaootiline liikumine. Väliselt tajutakse seda protsessi positiivse elektrilaengu liikumisena, nn auk.

Kristalli asetamisel elektrivälja toimub aukude järjestatud liikumine – aukude juhtivusvool.

Ideaalses pooljuhtkristallis tekib elektrivool võrdse arvu negatiivselt laetud elektronide ja positiivselt laetud aukude liikumisel. Juhtivust ideaalsetes pooljuhtides nimetatakse sisejuhtivuseks.

Pooljuhtide omadused sõltuvad suuresti lisandite sisaldusest. Lisandeid on kahte tüüpi - doonor ja aktseptor.

Lisandeid, mis loovutavad elektrone ja loovad elektroonilist juhtivust, nimetatakse doonor(lisandid, mille valents on suurem kui peamise pooljuhi valents). Pooljuhte, milles elektronide kontsentratsioon ületab aukude kontsentratsiooni, nimetatakse n-tüüpi pooljuhtideks.

Nimetatakse lisandeid, mis püüavad elektrone kinni ja loovad seeläbi liikuvaid auke ilma juhtivuselektronide arvu suurendamata aktsepteerija(lisandid, mille valents on väiksem kui põhipooljuhil).

Madalatel temperatuuridel on aktseptori lisandiga pooljuhtkristalli peamised voolukandjad augud ja elektronid ei ole peamised kandjad. Pooljuhte, milles aukude kontsentratsioon ületab juhtivuselektronide kontsentratsiooni, nimetatakse aukpooljuhtideks või p-tüüpi pooljuhtideks. Mõelge kahe erinevat tüüpi juhtivusega pooljuhi kokkupuutele.

Põhikandjate vastastikune difusioon toimub nende pooljuhtide piiride kaudu: elektronid difundeeruvad n-pooljuhist p-pooljuhisse ja augud p-pooljuhist n-pooljuhisse. Selle tulemusena kahaneb kontaktiga külgnev n-pooljuhi osa elektronidest ja selles tekib paljaste lisandite ioonide olemasolu tõttu liigne positiivne laeng. Aukude liikumine p-pooljuhilt n-pooljuhile viib liigse negatiivse laengu ilmnemiseni p-pooljuhi piirpiirkonnas. Selle tulemusena moodustub kahekordne elektrikiht ja tekib kontaktelektriväli, mis takistab peamiste laengukandjate edasist difusiooni. Seda kihti nimetatakse lukustamine.

Väline elektriväli mõjutab tõkkekihi elektrijuhtivust. Kui pooljuhid on allikaga ühendatud, nagu on näidatud joonisel fig. 55, siis välise elektrivälja toimel liiguvad peamised laengukandjad - vabad elektronid n-pooljuhis ja augud p-pooljuhis - üksteise poole pooljuhtide liidese poole, samas kui p-n paksus. ristmik väheneb, seetõttu väheneb selle takistus. Sel juhul piirab voolu tugevust välistakistus. Seda välise elektrivälja suunda nimetatakse otseseks. P-n-siirde otseühendus vastab voolu-pinge karakteristiku jaotisele 1 (vt joonis 57).

Erinevates keskkondades olevad elektrivoolukandjad ja voolu-pinge karakteristikud on kokku võetud tabelis. 1.

Kui pooljuhid on allikaga ühendatud, nagu on näidatud joonisel fig. 56, siis liiguvad elektronid n-pooljuhis ja augud p-pooljuhis välise elektrivälja toimel piirilt vastassuundades. Tõkkekihi paksus ja seega ka takistus suureneb. Selle välise elektrivälja suunaga - tagurpidi (blokeerides) läbivad liidest ainult väikesed laengukandjad, mille kontsentratsioon on palju väiksem kui põhilistel ja vool on praktiliselt null. Pn-siirde vastupidine kaasamine vastab voolu-pinge karakteristiku jaotisele 2 (joonis 57).

Seega on p-n-siirtel asümmeetriline juhtivus. Seda omadust kasutatakse pooljuhtdioodides, mis sisaldavad ühte p-n-siirdet ja mida kasutatakse näiteks vahelduvvoolu alaldamiseks või tuvastamiseks.

Pooljuhte kasutatakse laialdaselt kaasaegses elektroonikatehnoloogias.

Pooljuhtmetallide elektritakistuse sõltuvust temperatuurist kasutatakse spetsiaalsetes pooljuhtseadmetes - termistorid. Seadmeid, mis kasutavad pooljuhtkristallide omadust muuta nende elektritakistust valguse valguses, nimetatakse fototakistid.

Elektrivool vaakumis

Kui kaks elektroodi asetada suletud anumasse ja anumast õhk eemaldada, siis vaakumis elektrivoolu ei teki - elektrivoolu kandjaid pole. Ameerika teadlane T. A. Edison (1847-1931) avastas 1879. aastal, et klaasvaakukolvis võib tekkida elektrivool, kui ühte selles olevatest elektroodidest kuumutatakse kõrge temperatuurini. Kuumutatud kehade pinnalt vabanevate vabade elektronide emissiooni nähtust nimetatakse termoemissiooniks. Tööd, mida tuleb teha elektroni vabastamiseks keha pinnalt, nimetatakse tööfunktsiooniks. Termoemissiooni nähtus on seletatav asjaoluga, et kehatemperatuuri tõusuga suureneb aine teatud osa elektronide kineetiline energia. Kui elektroni kineetiline energia ületab tööfunktsiooni, võib see ületada positiivsete ioonide külgetõmbejõudude mõju ja jätta keha pinna vaakumisse. Erinevate elektrontorude töö põhineb termoemissiooni nähtusel.

Pooljuht- see on aine, mille eritakistus võib varieeruda laias vahemikus ja väheneb temperatuuri tõustes väga kiiresti, mis tähendab, et elektrijuhtivus (1/R) suureneb.
- täheldatud ränis, germaaniumis, seleenis ja mõnedes ühendites.

Juhtimismehhanism pooljuhid

Pooljuhtkristallidel on aatomkristallvõre, kus välised elektronid on kovalentsete sidemetega seotud naaberaatomitega.

Madalatel temperatuuridel pole puhastel pooljuhtidel vabu elektrone ja see käitub nagu dielektrik.

Pooljuhid on puhtad (ilma lisanditeta)

Kui pooljuht on puhas (ilma lisanditeta), siis on oma juhtivus, mis on väike.

Sisemist juhtivust on kahte tüüpi:

1 elektrooniline(juhtivus "n" - tüüp)

Madalatel temperatuuridel pooljuhtides on kõik elektronid seotud tuumadega ja takistus on suur; temperatuuri tõustes suureneb osakeste kineetiline energia, sidemed katkevad ja tekivad vabad elektronid - takistus väheneb.
Vabad elektronid liiguvad vastupidiselt elektrivälja tugevusvektorile.
Pooljuhtide elektrooniline juhtivus on tingitud vabade elektronide olemasolust.

2. perforeeritud(juhtivus "p"-tüüp)

Temperatuuri tõusuga hävivad aatomitevahelised kovalentsed sidemed, need viiakse läbi valentselektronide poolt ja moodustuvad puuduva elektroniga kohad - "auk".
See võib liikuda läbi kogu kristalli, sest. selle koha saab asendada valentselektronidega. "Auku" liigutamine võrdub positiivse laengu liigutamisega.
Auk liigub elektrivälja tugevuse vektori suunas.

Lisaks kuumutamisele võib kovalentsete sidemete katkemist ja pooljuhtide sisejuhtivuse ilmnemist põhjustada valgustus (fotojuhtivus) ja tugevate elektriväljade toime.

Puhta pooljuhi kogujuhtivus on "p" ja "n" tüüpi juhtivuste summa
ja seda nimetatakse elektron-augu juhtivuseks.

Pooljuhid lisandite juuresolekul

Neil on oma + lisand juhtivus
Lisandite olemasolu suurendab oluliselt juhtivust.
Kui lisandite kontsentratsioon muutub, muutub elektrivoolu kandjate - elektronide ja aukude - arv.
Pooljuhtide laialdase kasutamise aluseks on voolu juhtimise võime.

Olemas:

1)doonor lisandid (eralduvad)

Nad on pooljuhtkristallide täiendavad elektronide tarnijad, annavad kergesti elektrone ja suurendavad vabade elektronide arvu pooljuhis.
Need on dirigendid "n" - tüüp, st. doonorlisanditega pooljuhid, kus peamiseks laengukandjaks on elektronid ja vähemusse augud.
Sellisel pooljuhil on elektrooniline lisandite juhtivus.

Näiteks arseen.

2. aktsepteerija lisandid (peremees)

Nad loovad "auke", võttes endasse elektrone.
Need on pooljuhid "p" - tüüp, need. aktseptorlisanditega pooljuhid, kus peamiseks laengukandjaks on augud ja vähemusel elektronid.
Sellisel pooljuhil on auku lisandite juhtivus.

Näiteks indium.

"P-n" ristmiku elektrilised omadused

"p-n" üleminek(või elektron-augu üleminek) - kahe pooljuhi kontaktpind, kus juhtivus muutub elektroonilisest auku (või vastupidi).

Pooljuhtkristallides saab selliseid piirkondi luua lisandite sisseviimisega. Kahe erineva juhtivusega pooljuhi kontakttsoonis toimub vastastikune difusioon. elektronid ja augud ning tekib blokeeriv elektrikiht Blokeeriva kihi elektriväli takistab elektronide ja aukude edasist üleminekut läbi piiri. Tõkkekihil on võrreldes teiste pooljuhi piirkondadega suurem takistus.

Juurdepääsurežiimi p-n üleminek:

Välise elektrivälja blokeeriva (tagurpidi) suuna korral ei liigu elektrivool läbi kahe pooljuhi kontaktala.
Sest elektronid ja augud liiguvad piirilt vastassuundades, siis blokeeriv kiht pakseneb, selle takistus suureneb.

Blokeerimisrežiimi p-n üleminek.

Pooljuhid on ained, mille eritakistus on kordades väiksem kui dielektrikutel, kuid palju suurem kui metallidel. Enim kasutatavad pooljuhid on räni ja germaanium.

Pooljuhtide peamine omadus on nende eritakistuse sõltuvus välistingimustest (temperatuur, valgustus, elektriväli) ja lisandite olemasolust. 20. sajandil hakkasid teadlased ja insenerid seda pooljuhtide omadust kasutama, et luua ülipisikesed ja keerukad automatiseeritud juhtimisega seadmed, nagu arvutid, mobiiltelefonid, kodumasinad.

Arvutite kiirus on umbes poole sajandi jooksul nende olemasolust kasvanud miljoneid kordi. Kui sama aja jooksul kasvaks ka autode kiirus miljoneid kordi, siis täna kihutaksid nad valguse kiirusele läheneva kiirusega!

Kui ühel (kaugelt täiuslikust!) hetkel pooljuhid “keelduksid töötamast”, kustuksid kohe arvutite ja telerite ekraanid, vaikiksid mobiiltelefonid, tehissatelliidid kaotaksid juhitavuse. Tuhanded tööstused seisaksid, lennukid ja laevad kukuks alla, aga ka miljonid autod.

Laengukandjad pooljuhtides

elektrooniline juhtivus. Pooljuhtides "kuuluvad" valentselektronid kahele naaberaatomile. Näiteks ränikristallis on igal naaberaatomi paaril kaks "ühist" elektroni. See on skemaatiliselt näidatud joonisel 60.1 (siin on näidatud ainult valentselektronid).

Side elektronide ja aatomite vahel pooljuhtides on nõrgem kui dielektrikutes. Seetõttu on isegi toatemperatuuril mõne valentselektroni soojusenergia piisav, et nad saaksid oma aatomipaarist lahti murda, muutudes juhtivuse elektronideks. Seega on pooljuhis negatiivsed laengukandjad.

Vabade elektronide liikumisest tingitud pooljuhi juhtivust nimetatakse elektrooniliseks.

augu juhtivus. Kui valentselektronist saab juhtivuselektron, vabaneb see kohast, kus tekib kompenseerimata positiivne laeng. Seda kohta nimetatakse auguks. Auk vastab positiivsele laengule, mis on absoluutväärtuselt võrdne elektroni laenguga.