Az áram keletkezésének feltételei a félvezetőben. Elektromos áram a félvezetőkben. Félvezető dióda. Félvezető eszközök. Elektromos áram vákuumban

Ebben a leckében az elektromos áram áthaladására szolgáló olyan közeget fogunk megvizsgálni, mint félvezetőket. Megvizsgáljuk vezetőképességük elvét, ennek a vezetőképességnek a hőmérséklettől való függését és a szennyeződések jelenlétét, figyelembe vesszük a p-n átmenetet és az alapvető félvezető eszközöket.

Ha közvetlen kapcsolatot létesítünk, akkor a külső mező semlegesíti a blokkolót, és az áramot a fő töltéshordozók viszik (9. ábra).

Rizs. 9. p-n átmenet közvetlen csatlakozással ()

Ebben az esetben a kisebbségi vivőáram elhanyagolható, gyakorlatilag nem létezik. Ezért a p-n átmenet egyirányú elektromos áramvezetést biztosít.

Rizs. 10. A szilícium atomszerkezete növekvő hőmérséklettel

A félvezetők vezetőképessége elektronlyuk, és ezt a vezetőképességet belső vezetőképességnek nevezzük. A vezető fémekkel ellentétben pedig a hőmérséklet emelkedésével a szabad töltések száma nő (az első esetben nem változik), ezért a félvezetők vezetőképessége a hőmérséklet emelkedésével nő, az ellenállás pedig csökken (10. ábra).

A félvezetők tanulmányozása során nagyon fontos kérdés a bennük lévő szennyeződések jelenléte. A szennyeződések jelenléte esetén pedig a szennyeződés vezetőképességéről kell beszélnünk.

Félvezető eszközök

A kis méret és az átvitt jelek nagyon jó minősége a félvezető eszközöket igen elterjedtté tette a modern elektronikai technológiában. Az ilyen eszközök összetétele nemcsak a fent említett szilíciumot tartalmazhatja szennyeződésekkel, hanem például germániumot is.

Az egyik ilyen eszköz egy dióda - egy olyan eszköz, amely képes az áramot az egyik irányba átadni, és megakadályozni az áthaladást a másikban. Más típusú félvezető p- vagy n-típusú félvezető kristályba történő beültetésével nyerik (11. ábra).

Rizs. 11. A dióda jelölése a diagramon, illetve a készülék diagramja

Egy másik, immár két p-n átmenettel rendelkező eszközt tranzisztornak neveznek. Nemcsak az áramátvitel irányának kiválasztására, hanem annak átalakítására is szolgál (12. ábra).

Rizs. 12. A tranzisztor felépítésének diagramja és jelölése az elektromos diagramon, ill.

Meg kell jegyezni, hogy a modern mikroáramkörök diódák, tranzisztorok és egyéb elektromos eszközök sok kombinációját használják.

A következő leckében megvizsgáljuk az elektromos áram terjedését vákuumban.

Bibliográfia

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (alapfok) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. osztály. - M.: Ilexa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizika. Elektrodinamika. - M.: 2010.

1. Az eszközök működési elvei ().
2. Fizikai és Technológiai Enciklopédia ().

Házi feladat

1. Mi okozza a vezetési elektronok megjelenését a félvezetőben?
2. Mekkora a félvezető belső vezetőképessége?
3. Hogyan függ a félvezető vezetőképessége a hőmérséklettől?
4. Miben különbözik a donor szennyeződés az akceptor szennyeződéstől?
5. *Mekkora a szilícium vezetőképessége a) gallium, b) indium, c) foszfor, d) antimon keverékével?

A félvezetők olyan anyagok, amelyek az elektromos vezetőképesség szempontjából köztes helyet foglalnak el a jó vezetők és a jó szigetelők (dielektrikumok) között.

A félvezetők kémiai elemek (germánium Ge, szilícium Si, szelén Se, tellúr Te) és kémiai elemek vegyületei (PbS, CdS stb.).

A különböző félvezetőkben lévő áramhordozók természete eltérő. Némelyikükben a töltéshordozók ionok; másokban a töltéshordozók elektronok.

Félvezetők belső vezetőképessége

A félvezetők belső vezetőképességének két típusa van: az elektronikus vezetőképesség és a félvezetők lyukvezetőképessége.

1. Félvezetők elektronikus vezetőképessége.

Az elektronikus vezetőképességet az atom vegyértékhéját külső hatások következtében elhagyó szabad elektronok irányított mozgása biztosítja az atomközi térben.

2. Félvezetők furatvezetőképessége.

A lyukvezetés a vegyértékelektronok irányított mozgásával történik az elektronpáros kötésekben - lyukak - üres pozíciókba. A pozitív ion (lyuk) közvetlen közelében elhelyezkedő semleges atom vegyértékelektronja a lyukhoz vonzódik és beugrik. Ebben az esetben semleges atom helyett pozitív ion (lyuk), pozitív ion (lyuk) helyett semleges atom keletkezik.

Ideálisan tiszta, idegen szennyeződésektől mentes félvezetőben minden szabad elektron egy lyuk keletkezésének felel meg, azaz. az áram létrehozásában részt vevő elektronok és lyukak száma azonos.

Azt a vezetőképességet, amelynél ugyanannyi töltéshordozó (elektronok és lyukak) jelenik meg, a félvezetők belső vezetőképességének nevezzük.

A félvezetők belső vezetőképessége általában alacsony, mivel a szabad elektronok száma kicsi. A szennyeződések legkisebb nyomai is gyökeresen megváltoztatják a félvezetők tulajdonságait.

Félvezetők elektromos vezetőképessége szennyeződések jelenlétében

A félvezetőben lévő szennyeződések olyan idegen kémiai elemek atomjai, amelyeket a fő félvezető nem tartalmaz.

Szennyeződés vezetőképesség a félvezetők vezetőképessége a kristályrácsukba szennyeződéseknek köszönhetően.

Egyes esetekben a szennyeződések hatása abban nyilvánul meg, hogy a „lyuk” vezetési mechanizmus gyakorlatilag lehetetlenné válik, és a félvezetőben lévő áramot elsősorban a szabad elektronok mozgása végzi. Az ilyen félvezetőket ún elektronikus félvezetők vagy n típusú félvezetők(a latin negativus szóból - negatív). A többségi töltéshordozók elektronok, a nem többségi töltéshordozók pedig lyukak. Az N-típusú félvezetők donor szennyeződéseket tartalmazó félvezetők.

1. Donor szennyeződések.

Azokat a szennyeződéseket, amelyek könnyen adnak elektronokat, és ezáltal növelik a szabad elektronok számát, donor szennyeződéseknek nevezzük. A donor szennyeződések vezetési elektronokat szolgáltatnak anélkül, hogy ugyanannyi lyukat hoznának létre.

A négy vegyértékű germánium Ge-ben található donor szennyeződés tipikus példája az ötértékű arzénatomok As.

Más esetekben a szabad elektronok mozgása gyakorlatilag lehetetlenné válik, és az áramot csak a lyukak mozgása hajtja végre. Ezeket a félvezetőket ún lyuk félvezetők vagy p-típusú félvezetők(a latin positivus szóból - pozitív). A fő töltéshordozók a lyukak, nem a fő töltéshordozók - az elektronok. . A P-típusú félvezetők akceptor szennyeződésekkel rendelkező félvezetők.

Az akceptor szennyeződések olyan szennyeződések, amelyekben nincs elég elektron ahhoz, hogy normális pár-elektronikus kötést hozzon létre.

A germánium Ge akceptor szennyeződésére példa a Ga három vegyértékű galliumatom

Elektromos áram a p-típusú és n-típusú félvezetők érintkezésén keresztül A p-n átmenet két, p-típusú és n-típusú szennyező félvezető érintkezési rétege; A p-n átmenet a lyuk (p) vezetőképességű és elektronikus (n) vezetőképességű határterületeket jelenti ugyanabban az egykristályban.

Közvetlen p-n átmenet

Ha az áramforrás negatív pólusára n-félvezetőt, a p-félvezetőre pedig az áramforrás pozitív pólusát kötjük, akkor az elektromos tér hatására az n-es félvezetőben elektronok és lyukak keletkeznek. a p-félvezető egymás felé fog mozogni a félvezetők határfelülete felé. A határt átlépő elektronok „töltik” a lyukakat, a p-n átmeneten áthaladó áramot a fő töltéshordozók végzik. Ennek eredményeként a teljes minta vezetőképessége megnő. A külső elektromos tér ilyen előre (átmenő) irányával a blokkolóréteg vastagsága és ellenállása csökken.

Ebben az irányban az áram áthalad a két félvezető határán.

Fordított pn átmenet

Ha az áramforrás pozitív pólusára egy n-félvezetőt, az áramforrás negatív pólusára pedig egy p-félvezetőt kötünk, akkor az n-félvezetőben az elektronok és a p-félvezetőben lévő lyukak az áramforrás hatása alatt. az elektromos tér ellentétes irányba fog elmozdulni a határfelületről, az áram p-n keresztül Az -n átmenetet kisebbségi töltéshordozók hajtják végre. Ez a záróréteg megvastagodásához és ellenállásának növekedéséhez vezet. Ennek eredményeként a minta vezetőképessége jelentéktelennek bizonyul, és az ellenállás nagy.

Egy úgynevezett gátréteg képződik. A külső tér ezen irányával az elektromos áram gyakorlatilag nem halad át a p- és n-félvezető érintkezésén.

Így az elektron-lyuk átmenetnek egyirányú vezetőképessége van.

Az áram feszültségtől való függése - a p-n átmenet volt-amper karakterisztikája az ábrán látható (a közvetlen p-n átmenet volt-amper karakterisztikáját egy folytonos vonal ábrázolja, a fordított p-n átmenet volt-amper karakterisztikáját pontozott vonallal ábrázolva).

Félvezető eszközök:

A váltóáram egyenirányításához félvezető diódát használnak, amely egy különböző ellenállású p-n átmenetet használ: előrefelé a p-n átmenet ellenállása lényegesen kisebb, mint fordított irányban.

Fotoellenállások - gyenge fényáramok rögzítésére és mérésére. Segítségükkel meghatározzák a felületek minőségét és szabályozzák a termékek méreteit.

Termisztorok - távhőmérsékletméréshez, tűzriasztásokhoz.

A félvezetők olyan anyagok, amelyek vezetőképessége nő, elektromos ellenállása pedig csökken a hőmérséklet emelkedésével. Így különböznek a félvezetők alapvetően a fémektől.

A tipikus félvezetők a germánium és a szilícium kristályai, amelyekben az atomokat kovalens kötés köti össze. Bármilyen hőmérsékleten a félvezetők szabad elektronokat tartalmaznak. A szabad elektronok külső elektromos tér hatására elmozdulhatnak a kristályban, és ezáltal elektronikus vezetési áramot hoznak létre. Az elektron eltávolítása a kristályrács egyik atomjának külső héjáról az atom pozitív ionná történő átalakulásához vezet. Ez az ion semlegesíthető az egyik szomszédos atom elektronjának befogásával. Továbbá, az elektronok atomokról pozitív ionokra való átmenetének eredményeként a kristályban a hiányzó elektronnal rendelkező hely kaotikus mozgása következik be. Külsőleg ezt a folyamatot pozitív elektromos töltés mozgásaként érzékelik, ún lyuk.

Amikor egy kristályt elektromos mezőbe helyezünk, a lyukak rendezett mozgása következik be - lyukvezetési áram.

Egy ideális félvezető kristályban az elektromos áramot egyenlő számú negatív töltésű elektron és pozitív töltésű lyuk mozgása hozza létre. Az ideális félvezetőkben való vezetést belső vezetőképességnek nevezzük.

A félvezetők tulajdonságai nagymértékben függnek a szennyeződéstől. Kétféle szennyeződés létezik: donor és akceptor.

Az elektronokat adományozó és elektronikus vezetőképességet létrehozó szennyeződéseket nevezzük donor(olyan szennyeződések, amelyek vegyértéke nagyobb, mint a fő félvezetőé). Azokat a félvezetőket, amelyekben az elektronok koncentrációja meghaladja a lyukak koncentrációját, n-típusú félvezetőknek nevezzük.

Azokat a szennyeződéseket, amelyek befogják az elektronokat, és ezáltal mozgó lyukakat hoznak létre anélkül, hogy növelnék a vezetési elektronok számát elfogadó(olyan szennyeződések, amelyek vegyértéke kisebb, mint a fő félvezetőé).

Alacsony hőmérsékleten az akceptor-szennyeződésű félvezető kristály fő áramhordozói lyukak, és nem a fő hordozók - az elektronok. Azokat a félvezetőket, amelyekben a lyukak koncentrációja meghaladja a vezetési elektronok koncentrációját, lyukfélvezetőknek vagy p-típusú félvezetőknek nevezzük. Tekintsük két különböző vezetőképességű félvezető érintkezését.

A többségi hordozók kölcsönös diffúziója megy végbe e félvezetők határán: az n-félvezető elektronjai a p-félvezetőbe diffundálnak, a p-félvezetőből pedig a lyukak az n-félvezetőbe. Ennek eredményeként az n-félvezető érintkezővel szomszédos tartománya kimerül az elektronoktól, és a csupasz szennyező ionok jelenléte miatt többlet pozitív töltés képződik benne. A lyukak mozgása a p-félvezetőtől az n-félvezető felé túlzott negatív töltés megjelenéséhez vezet a p-félvezető határterületén. Ennek eredményeként elektromos kettős réteg képződik, és kontakt elektromos mező keletkezik, amely megakadályozza a fő töltéshordozók további diffúzióját. Ezt a réteget ún záró.

A külső elektromos tér befolyásolja a gátréteg elektromos vezetőképességét. Ha a félvezetőket az ábrán látható módon csatlakoztatjuk a forráshoz. 55, akkor külső elektromos tér hatására a fő töltéshordozók - szabad elektronok a p-félvezetőben és lyukak a p-félvezetőben - egymás felé mozognak a félvezetők határfelülete felé, míg a p-n átmenet vastagsága csökken, ezért az ellenállása csökken. Ebben az esetben az áramot külső ellenállás korlátozza. A külső elektromos tér ezen irányát közvetlennek nevezzük. A p-n átmenet közvetlen csatlakoztatása megfelel az áram-feszültség karakterisztika 1. szakaszának (lásd 57. ábra).

Az elektromos áramhordozók különböző környezetekben és az áram-feszültség jellemzői a táblázatban találhatók. 1.

Ha a félvezetőket az ábrán látható módon csatlakoztatjuk a forráshoz. 56. ábra, akkor az n-félvezetőben lévő elektronok és a p-félvezetőben lévő lyukak külső elektromos tér hatására a határról ellentétes irányban mozognak. Növekszik a záróréteg vastagsága és ezáltal az ellenállása. A külső elektromos tér ezen irányával - fordított (blokkoló) - csak kisebbségi töltéshordozók haladnak át az interfészen, amelyek koncentrációja jóval alacsonyabb, mint a többségiek, és az áram gyakorlatilag nullával egyenlő. A pn átmenet fordított bekapcsolása megfelel az áram-feszültség karakterisztika 2. szakaszának (57. ábra).

Így a pn átmenet aszimmetrikus vezetőképességű. Ezt a tulajdonságot egyetlen pn átmenetet tartalmazó félvezető diódákban használják, és például váltakozó áramú egyenirányításra vagy érzékelésre használják.

A félvezetőket széles körben használják a modern elektronikai technológiában.

A félvezető fémek elektromos ellenállásának a hőmérséklettől való függését speciális félvezető eszközökben használják - termisztorok. Azokat az eszközöket, amelyek a félvezető kristályok tulajdonságát arra használják, hogy fénnyel megvilágítva megváltoztassák elektromos ellenállásukat, ún. fotoellenállások.

Elektromos áram vákuumban

Ha két elektródát helyezünk egy lezárt edénybe, és eltávolítjuk a levegőt az edényből, akkor vákuumban nem keletkezik elektromos áram - nincsenek elektromos áramhordozók. T. A. Edison (1847-1931) amerikai tudós 1879-ben fedezte fel, hogy egy vákuumüveg lombikban elektromos áram keletkezhet, ha az egyik elektródát magas hőmérsékletre hevítik. A felmelegített testek felületéről szabad elektronok kibocsátásának jelenségét termionikus emissziónak nevezzük. Azt a munkát, amelyet el kell végezni ahhoz, hogy egy elektront felszabadítsunk a test felületéről, munkafüggvénynek nevezzük. A termikus emisszió jelenségét az magyarázza, hogy a testhőmérséklet emelkedésével az anyagban lévő egyes elektronok mozgási energiája nő. Ha egy elektron kinetikus energiája meghaladja a munkafunkciót, akkor képes legyőzni a pozitív ionokból származó vonzó erők hatását, és vákuumban hagyja el a test felületét. A különböző elektroncsövek működése a termikus emisszió jelenségén alapul.

Félvezető- ez egy olyan anyag, amelynek ellenállása széles tartományban változhat, és nagyon gyorsan csökken a hőmérséklet emelkedésével, ami azt jelenti, hogy az elektromos vezetőképesség (1/R) nő.
- megfigyelhető szilíciumban, germániumban, szelénben és egyes vegyületekben.

Vezetési mechanizmus félvezetőkben

A félvezető kristályoknak atomi kristályrácsuk van, ahol a külső elektronok kovalens kötésekkel kötődnek a szomszédos atomokhoz.

Alacsony hőmérsékleten a tiszta félvezetőknek nincs szabad elektronja, és szigetelőként viselkednek.

A félvezetők tiszták (szennyeződések nélkül)

Ha a félvezető tiszta (szennyeződések nélkül), akkor van saját vezetőképesség, ami alacsony.

A belső vezetőképességnek két típusa van:

1 elektronikus(vezetőképesség "n" - típus)

A félvezetők alacsony hőmérsékletén az összes elektron az atommagokhoz kötődik, és az ellenállás nagy; A hőmérséklet emelkedésével a részecskék mozgási energiája nő, a kötések felbomlanak és szabad elektronok jelennek meg - az ellenállás csökken.
A szabad elektronok az elektromos térerősség-vektorral szemben mozognak.
A félvezetők elektronikus vezetőképessége a szabad elektronok jelenlétének köszönhető.

2. lyuk("p" típusú vezetőképesség)

A hőmérséklet emelkedésével az atomok közötti kovalens kötések, amelyeket vegyértékelektronok hoznak létre, megsemmisülnek, és hiányzó elektronokkal rendelkező helyek - „lyuk” keletkeznek.
Az egész kristályban mozoghat, mert helye vegyértékelektronokkal helyettesíthető. Egy "lyuk" mozgatása egyenértékű a pozitív töltés mozgatásával.
A lyuk az elektromos térerősség vektorának irányába mozog.

A kovalens kötések felszakadását és a félvezetők belső vezetőképességének kialakulását a melegítés mellett a megvilágítás (fényvezetőképesség) és az erős elektromos mezők hatása is okozhatja.

A tiszta félvezető teljes vezetőképessége a „p” és „n” típusú vezetőképességek összege
és elektronlyuk vezetőképességnek nevezzük.

Félvezetők szennyeződésekkel

Van nekik saját + szennyeződés vezetőképesség
A szennyeződések jelenléte nagymértékben növeli a vezetőképességet.
A szennyeződések koncentrációjának változásával az elektromos áramhordozók - elektronok és lyukak - száma megváltozik.
A félvezetők széles körben elterjedt használatának hátterében az áramszabályozás képessége áll.

Létezik:

1)donor szennyeződések (kibocsátása)

A félvezető kristályok további elektronszállítói, könnyen feladják az elektronokat és növelik a szabad elektronok számát a félvezetőben.
Ezek a karmesterek "n" - típus, azaz donorszennyeződésű félvezetők, ahol a többségi töltéshordozó elektronok, a kisebbségi töltéshordozó pedig a lyukak.
Egy ilyen félvezető elektronikus szennyező vezetőképességgel rendelkezik.

Például az arzén.

2. elfogadó szennyeződések (befogadás)

Az elektronok elnyelésével „lyukakat” hoznak létre.
Ezek félvezetők "p" - tetszik, azok. akceptor szennyeződésű félvezetők, ahol a fő töltéshordozó a lyukak, a kisebb töltéshordozó pedig az elektronok.
Egy ilyen félvezető lyukszennyeződés vezetőképességgel rendelkezik.

Például - indium.

A p-n átmenet elektromos tulajdonságai

"p-n" átmenet(vagy elektron-lyuk átmenet) - két félvezető érintkezési területe, ahol a vezetőképesség elektronikusról lyukra változik (vagy fordítva).

Ilyen régiókat lehet létrehozni egy félvezető kristályban szennyeződések bejuttatásával. Két különböző vezetőképességű félvezető érintkezési zónájában kölcsönös diffúzió megy végbe. elektronok és lyukak és blokkoló elektromos réteg jön létre.A blokkoló réteg elektromos tere megakadályozza az elektronok és lyukak további átjutását a határon. A blokkoló réteg ellenállása megnövekedett a félvezető többi területéhez képest.

A p-n átmenet átviteli módja:

Ha a külső elektromos mező blokkoló (fordított) irányú, akkor nem halad át elektromos áram két félvezető érintkezési területén.
Mert Ahogy az elektronok és a lyukak a határról ellentétes irányba mozognak, a blokkoló réteg megvastagszik, ellenállása pedig megnő.

A p-n átmenet blokkolási módja.

A félvezetők olyan anyagok, amelyek ellenállása sokszor kisebb, mint a dielektrikumé, és sokkal nagyobb, mint a fémeké. A legszélesebb körben használt félvezetők a szilícium és a germánium.

A félvezetők fő jellemzője, hogy effektív ellenállásuk függ a külső körülményektől (hőmérséklet, megvilágítás, elektromos tér) és a szennyeződések jelenlététől. A 20. században a tudósok és mérnökök elkezdték használni a félvezetők e tulajdonságát rendkívül miniatűr, összetett, automatizált vezérlésű eszközök – például számítógépek, mobiltelefonok és háztartási készülékek – létrehozására.

A számítógépek sebessége fennállásuk mintegy fél évszázada alatt milliószorosára nőtt. Ha ugyanebben az időszakban az autók sebessége is milliószorosára nőne, akkor ma már a fénysebességet megközelítő sebességgel száguldoznának!

Ha az egyik (messze nem csodálatos!) pillanatnyi félvezetők „nem hajlandók működni”, akkor a számítógép és a televízió képernyője azonnal elsötétül, a mobiltelefonok elhallgatnak, a mesterséges műholdak pedig elveszítik az irányítást. Iparágak ezrei állnának le, repülőgépek és hajók zuhannának le, valamint autók milliói.

Töltéshordozók félvezetőkben

Elektronikus vezetőképesség. A félvezetőkben a vegyértékelektronokat két szomszédos atom „tulajdonolja”. Például egy szilíciumkristályban minden szomszédos atompárnak két „megosztott” elektronja van. Ezt sematikusan a 60.1. ábra mutatja (itt csak a vegyértékelektronok láthatók).

A félvezetőkben az elektronok és az atomok közötti kapcsolat gyengébb, mint a dielektrikumokban. Ezért néhány vegyértékelektron hőenergiája még szobahőmérsékleten is elegendő ahhoz, hogy elszakadjanak atompárjuktól, és vezetési elektronokká váljanak. Így jelennek meg a negatív töltéshordozók egy félvezetőben.

A félvezetők szabad elektronok mozgása által okozott vezetőképességét elektronnak nevezzük.

Lyuk vezetőképesség. Amikor a vegyértékelektron vezetési elektronná válik, felszabadít egy teret, amelyben kompenzálatlan pozitív töltés lép fel. Ezt a helyet lyuknak hívják. A lyuk egy pozitív töltésnek felel meg, nagysága megegyezik az elektron töltésével.