Betingelser for forekomst av strøm i en halvleder. Elektrisk strøm i halvledere. halvlederdiode. Halvlederenheter. Elektrisk strøm i vakuum

I denne leksjonen vil vi vurdere et slikt medium for passering av elektrisk strøm som halvledere. Vi vil vurdere prinsippet om deres ledningsevne, avhengigheten av denne ledningsevnen på temperatur og tilstedeværelsen av urenheter, vurdere et slikt konsept som p-n-kryss og grunnleggende halvlederenheter.

Hvis du oppretter en direkte forbindelse, vil det eksterne feltet nøytralisere den låsende, og strømmen vil bli laget av hovedladebærerne (fig. 9).

Ris. 9. p-n-kryss med direkte tilkobling ()

I dette tilfellet er strømmen av minoritetsbærere ubetydelig, den er praktisk talt ikke-eksisterende. Derfor gir p-n-krysset enveis ledning av elektrisk strøm.

Ris. 10. Atomstruktur av silisium med økende temperatur

Ledningen til halvledere er elektron-hull, og slik ledning kalles egenledning. Og i motsetning til ledende metaller, når temperaturen øker, øker antallet gratis ladninger bare (i det første tilfellet endres det ikke), slik at ledningsevnen til halvledere øker med økende temperatur, og motstanden avtar (fig. 10).

Et veldig viktig spørsmål i studiet av halvledere er tilstedeværelsen av urenheter i dem. Og i tilfelle av tilstedeværelsen av urenheter, bør man snakke om urenhetsledningsevne.

Halvledere

Den lille størrelsen og svært høye kvaliteten på overførte signaler har gjort halvlederenheter svært vanlige i moderne elektronisk teknologi. Sammensetningen av slike enheter kan inkludere ikke bare det nevnte silisium med urenheter, men også for eksempel germanium.

En av disse enhetene er en diode - en enhet som er i stand til å sende strøm i én retning og hindre dens passasje i den andre. Den oppnås ved å implantere en annen type halvleder i en p- eller n-type halvlederkrystall (fig. 11).

Ris. 11. Betegnelsen til dioden på henholdsvis diagrammet og diagrammet til enheten

En annen enhet, nå med to p-n-kryss, kalles en transistor. Den tjener ikke bare til å velge strømretningen, men også til å konvertere den (fig. 12).

Ris. 12. Skjema for strukturen til transistoren og dens betegnelse på henholdsvis den elektriske kretsen ()

Det skal bemerkes at moderne mikrokretser bruker mange kombinasjoner av dioder, transistorer og andre elektriske enheter.

I neste leksjon skal vi se på forplantningen av elektrisk strøm i et vakuum.

Bibliografi

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

1. Prinsipper for drift av enheter ().
2. Encyclopedia of Physics and Technology ().

Hjemmelekser

1. Hva forårsaker ledningselektroner i en halvleder?
2. Hva er den indre ledningsevnen til en halvleder?
3. Hvordan avhenger ledningsevnen til en halvleder av temperaturen?
4. Hva er forskjellen mellom en donorurenhet og en akseptorurenhet?
5. * Hva er ledningsevnen til silisium med en blanding av a) gallium, b) indium, c) fosfor, d) antimon?

Halvledere er stoffer som inntar en mellomposisjon når det gjelder elektrisk ledningsevne mellom gode ledere og gode isolatorer (dielektriske).

Halvledere er også kjemiske elementer (germanium Ge, silisium Si, selen Se, tellur Te), og forbindelser av kjemiske elementer (PbS, CdS, etc.).

Naturen til strømbærere i forskjellige halvledere er forskjellig. I noen av dem er ladningsbærere ioner; i andre er ladningsbærerne elektroner.

Indre ledningsevne til halvledere

Det er to typer egenledning i halvledere: elektronisk ledning og hullledning i halvledere.

1. Elektronisk ledningsevne av halvledere.

Elektronisk ledningsevne utføres ved rettet bevegelse i det interatomiske rommet til frie elektroner som har forlatt valensskallet til atomet som følge av ytre påvirkninger.

2. Hullledningsevne til halvledere.

Hullledning utføres med rettet bevegelse av valenselektroner til ledige steder i parelektronbindinger - hull. Valenselektronet til et nøytralt atom som ligger i nærheten av et positivt ion (hull) tiltrekkes av hullet og hopper inn i det. I dette tilfellet dannes et positivt ion (hull) i stedet for et nøytralt atom, og et nøytralt atom dannes i stedet for et positivt ion (hull).

I en ideelt ren halvleder uten noen fremmede urenheter, tilsvarer hvert fritt elektron dannelsen av ett hull, dvs. antall elektroner og hull som er involvert i dannelsen av strømmen er det samme.

Konduktiviteten som det samme antall ladningsbærere (elektroner og hull) oppstår ved kalles halvlederes egenledningsevne.

Den iboende ledningsevnen til halvledere er vanligvis liten, siden antallet frie elektroner er lite. De minste spor av urenheter endrer radikalt egenskapene til halvledere.

Elektrisk ledningsevne av halvledere i nærvær av urenheter

Urenheter i en halvleder er atomer av fremmede kjemiske elementer som ikke finnes i hovedhalvlederen.

Urenhetsledningsevne- dette er ledningsevnen til halvledere, på grunn av introduksjonen av urenheter i krystallgitteret deres.

I noen tilfeller manifesterer påvirkningen av urenheter seg i det faktum at "hull"-mekanismen for ledning blir praktisk talt umulig, og strømmen i halvlederen utføres hovedsakelig ved bevegelse av frie elektroner. Slike halvledere kalles elektroniske halvledere eller n-type halvledere(fra det latinske ordet negativus - negativ). De viktigste ladningsbærerne er elektroner, og ikke de viktigste er hull. n-type halvledere er halvledere med donorurenheter.

1. Donorurenheter.

Donorurenheter er de som enkelt donerer elektroner og som følgelig øker antallet frie elektroner. Donorurenheter tilfører ledningselektroner uten utseendet til samme antall hull.

Et typisk eksempel på en donorurenhet i fireverdig germanium Ge er femverdige arsenatomer As.

I andre tilfeller blir bevegelsen av frie elektroner praktisk talt umulig, og strømmen utføres bare ved bevegelse av hull. Disse halvlederne kalles hull halvledere eller p-type halvledere(fra det latinske ordet positivus - positiv). De viktigste ladningsbærerne er hull, og ikke hovedelektronene. . Halvledere av p-typen er halvledere med akseptorurenheter.

Akseptorurenheter er urenheter der det ikke er nok elektroner til å danne normale par-elektronbindinger.

Et eksempel på en akseptorurenhet i germanium Ge er treverdige galliumatomer Ga

Elektrisk strøm gjennom kontakten til halvledere av p-type og n-type p-n-kryss er kontaktlaget til to urenhetshalvledere av p-type og n-type; P-n-krysset er en grense som skiller regioner med hull (p) ledning og elektronisk (n) ledning i samme enkeltkrystall.

direkte p-n-kryss

Hvis n-halvlederen er koblet til den negative polen til strømkilden, og den positive polen til strømkilden er koblet til p-halvlederen, vil elektronene i n-halvlederen under påvirkning av et elektrisk felt og hull i p-halvlederen vil bevege seg mot hverandre til halvledergrensesnittet. Elektroner, som krysser grensen, "fyller" hullene, strømmen gjennom pn-krysset utføres av hovedladningsbærerne. Som et resultat øker ledningsevnen til hele prøven. Med en slik direkte (gjennomstrømnings) retning av det eksterne elektriske feltet, reduseres tykkelsen på barrierelaget og motstanden.

I denne retningen går strømmen gjennom grensen til de to halvlederne.

Omvendt pn-kryss

Hvis n-halvlederen er koblet til den positive polen til strømkilden, og p-halvlederen er koblet til den negative polen til strømkilden, så elektronene i n-halvlederen og hullene i p-halvlederen under handlingen av et elektrisk felt vil bevege seg fra grensesnittet i motsatte retninger, strømmen gjennom p -n-overgang utføres av mindre ladningsbærere. Dette fører til en fortykkelse av barrierelaget og en økning i motstanden. Som et resultat viser ledningsevnen til prøven seg å være ubetydelig, og motstanden er stor.

Det dannes et såkalt barrierelag. Med denne retningen av det ytre feltet passerer den elektriske strømmen praktisk talt ikke gjennom kontakten til p- og n-halvlederne.

Dermed har elektron-hull-overgangen ensidig ledning.

Strømmens avhengighet av spenningen - volt - strømkarakteristikken til p-n-krysset er vist i figuren (volt - strømkarakteristikk for det direkte p-n-krysset er vist med en heltrukket linje, volt - ampere-karakteristikk for det omvendte p-n-krysset er vist med en stiplet linje).

Halvledere:

Halvlederdiode - for å likerette vekselstrøm bruker den ett p - n - kryss med forskjellige motstander: i foroverretningen er motstanden til p - n - krysset mye mindre enn i motsatt retning.

Fotomotstander - for registrering og måling av svake lysstrømmer. Med deres hjelp, bestemme kvaliteten på overflater, kontroller dimensjonene til produktene.

Termistorer - for fjerntemperaturmåling, brannalarm.

Halvledere er en klasse av stoffer der ledningsevnen øker med økende temperatur og den elektriske motstanden avtar. Disse halvlederne er fundamentalt forskjellige fra metaller.

Typiske halvledere er krystaller av germanium og silisium, hvor atomene er forent med en kovalent binding. Halvledere har frie elektroner ved enhver temperatur. Frie elektroner under påvirkning av et eksternt elektrisk felt kan bevege seg i krystallen og skape en elektronisk ledningsstrøm. Fjerning av et elektron fra det ytre skallet til et av atomene i krystallgitteret fører til transformasjonen av dette atomet til et positivt ion. Dette ionet kan nøytraliseres ved å fange et elektron fra et av naboatomene. Videre, som et resultat av overganger av elektroner fra atomer til positive ioner, oppstår en prosess med kaotisk bevegelse i krystallen på stedet med det manglende elektronet. Eksternt oppfattes denne prosessen som bevegelsen av en positiv elektrisk ladning, kalt hull.

Når en krystall er plassert i et elektrisk felt, oppstår en ordnet bevegelse av hull - en hullledningsstrøm.

I en ideell halvlederkrystall skapes en elektrisk strøm ved bevegelse av et likt antall negativt ladede elektroner og positivt ladede hull. Konduktivitet i ideelle halvledere kalles indre konduktivitet.

Egenskapene til halvledere er svært avhengig av innholdet av urenheter. Urenheter er av to typer - donor og akseptor.

Urenheter som donerer elektroner og skaper elektronisk ledningsevne kalles giver(urenheter som har en valens som er større enn den til hovedhalvlederen). Halvledere hvor konsentrasjonen av elektroner overstiger konsentrasjonen av hull kalles n-type halvledere.

Urenheter som fanger opp elektroner og derved lager mobile hull uten å øke antall ledningselektroner kalles akseptor(urenheter som har en valens som er mindre enn den til hovedhalvlederen).

Ved lave temperaturer er hull hovedstrømbærerne i en halvlederkrystall med en akseptorurenhet, og elektroner er ikke hovedbærerne. Halvledere der konsentrasjonen av hull overstiger konsentrasjonen av ledningselektroner kalles hullhalvledere eller p-type halvledere. Tenk på kontakten mellom to halvledere med forskjellige typer ledningsevne.

Gjensidig diffusjon av majoritetsbærerne skjer gjennom grensen til disse halvlederne: elektroner diffunderer fra n-halvlederen inn i p-halvlederen, og hull fra p-halvlederen inn i n-halvlederen. Som et resultat vil delen av n-halvlederen ved siden av kontakten bli tømt for elektroner, og en overflødig positiv ladning vil dannes i den, på grunn av tilstedeværelsen av nakne urenheter. Bevegelsen av hull fra p-halvlederen til n-halvlederen fører til utseendet av en overflødig negativ ladning i grenseområdet til p-halvlederen. Som et resultat dannes det et dobbelt elektrisk lag, og det oppstår et elektrisk kontaktfelt, som hindrer videre diffusjon av hovedladningsbærerne. Dette laget kalles låse.

Et eksternt elektrisk felt påvirker den elektriske ledningsevnen til barrierelaget. Hvis halvlederne er koblet til kilden som vist i fig. 55, så under påvirkning av et eksternt elektrisk felt, vil hovedladningsbærerne - frie elektroner i n-halvlederen og hull i p-halvlederen - bevege seg mot hverandre til grensesnittet til halvlederne, mens tykkelsen på p-n krysset avtar, derfor reduseres motstanden. I dette tilfellet er strømstyrken begrenset av ytre motstand. Denne retningen til det eksterne elektriske feltet kalles direkte. Den direkte koblingen av p-n-krysset tilsvarer seksjon 1 om strøm-spenningskarakteristikk (se fig. 57).

Elektriske strømbærere i ulike medier og strømspenningskarakteristikker er oppsummert i tabell. 1.

Hvis halvlederne er koblet til kilden som vist i fig. 56, så vil elektronene i n-halvlederen og hullene i p-halvlederen bevege seg under påvirkning av et eksternt elektrisk felt fra grensen i motsatte retninger. Tykkelsen på barrierelaget og dermed motstanden øker. Med denne retningen av det eksterne elektriske feltet - omvendt (blokkerende) passerer bare mindre ladningsbærere gjennom grensesnittet, hvis konsentrasjon er mye mindre enn de viktigste, og strømmen er praktisk talt null. Den omvendte inkluderingen av pn-overgangen tilsvarer seksjon 2 om strøm-spenningskarakteristikk (fig. 57).

Dermed har p-n-overgangen en asymmetrisk ledningsevne. Denne egenskapen brukes i halvlederdioder som inneholder en enkelt p-n-overgang og brukes for eksempel for AC-likretting eller deteksjon.

Halvledere er mye brukt i moderne elektronisk teknologi.

Avhengigheten av den elektriske motstanden til halvledermetaller på temperatur brukes i spesielle halvlederenheter - termistorer. Enheter som bruker egenskapen til halvlederkrystaller til å endre deres elektriske motstand når de blir opplyst av lys, kalles fotomotstander.

Elektrisk strøm i vakuum

Hvis to elektroder er plassert i et forseglet kar og luft fjernes fra karet, oppstår det ikke en elektrisk strøm i et vakuum - det er ingen elektriske strømbærere. Den amerikanske vitenskapsmannen T. A. Edison (1847-1931) oppdaget i 1879 at en elektrisk strøm kan oppstå i en vakuumglasskolbe hvis en av elektrodene i den varmes opp til høy temperatur. Fenomenet med utslipp av frie elektroner fra overflaten til oppvarmede legemer kalles termionisk emisjon. Arbeidet som må gjøres for å frigjøre et elektron fra kroppens overflate kalles arbeidsfunksjonen. Fenomenet termionisk utslipp forklares av det faktum at med en økning i kroppstemperaturen øker den kinetiske energien til en viss del av elektronene i stoffet. Hvis den kinetiske energien til et elektron overskrider arbeidsfunksjonen, kan det overvinne virkningen av attraktive krefter fra positive ioner og forlate kroppens overflate i et vakuum. Driften av ulike elektronrør er basert på fenomenet termionisk emisjon.

Halvleder- dette er et stoff hvor resistiviteten kan variere over et bredt område og avtar veldig raskt med økende temperatur, noe som betyr at den elektriske ledningsevnen (1/R) øker.
- observert i silisium, germanium, selen og i noen forbindelser.

Ledningsmekanisme halvledere

Halvlederkrystaller har et atomisk krystallgitter, hvor ytre elektroner er bundet til naboatomer med kovalente bindinger.

Ved lave temperaturer har rene halvledere ingen frie elektroner, og den oppfører seg som et dielektrikum.

Halvledere er rene (ingen urenheter)

Hvis halvlederen er ren (uten urenheter), så har den egen ledningsevne, som er liten.

Det er to typer indre ledning:

1 elektronisk(ledningsevne "n" - type)

Ved lave temperaturer i halvledere er alle elektroner assosiert med kjerner og motstanden er stor; når temperaturen øker, øker den kinetiske energien til partiklene, bindingene brytes og frie elektroner oppstår – motstanden avtar.
Frie elektroner beveger seg motsatt av vektoren for elektrisk feltstyrke.
Den elektroniske ledningsevnen til halvledere skyldes tilstedeværelsen av frie elektroner.

2. perforert(konduktivitet "p"-type)

Med en økning i temperatur blir de kovalente bindingene mellom atomer ødelagt, utført av valenselektroner, og steder med et manglende elektron dannes - et "hull".
Den kan bevege seg gjennom hele krystallen, fordi. dens plass kan erstattes av valenselektroner. Å flytte et "hull" tilsvarer å flytte en positiv ladning.
Hullet beveger seg i retning av vektoren for elektrisk feltstyrke.

I tillegg til oppvarming, kan brudd av kovalente bindinger og utseendet av egen ledningsevne til halvledere være forårsaket av belysning (fotokonduktivitet) og virkningen av sterke elektriske felt.

Den totale ledningsevnen til en ren halvleder er summen av ledningsevnen til typene "p" og "n"
og kalles elektron-hulls ledningsevne.

Halvledere i nærvær av urenheter

De har egen + urenhet ledningsevne
Tilstedeværelsen av urenheter øker ledningsevnen betydelig.
Når konsentrasjonen av urenheter endres, endres antallet bærere av den elektriske strømmen - elektroner og hull.
Evnen til å kontrollere strømmen ligger til grunn for den utbredte bruken av halvledere.

Eksistere:

1)giver urenheter (avgir)

De er ekstra leverandører av elektroner til halvlederkrystaller, donerer enkelt elektroner og øker antallet frie elektroner i en halvleder.
Dette er konduktører "n" - type, dvs. halvledere med donorurenheter, hvor hovedladningsbæreren er elektroner, og minoriteten er hull.
En slik halvleder har elektronisk urenhetsledningsevne.

For eksempel arsenikk.

2. akseptor urenheter (vert)

De lager "hull" ved å ta elektroner inn i seg selv.
Dette er halvledere "p" - type, de. halvledere med akseptorurenheter, hvor hovedladningsbæreren er hull, og minoriteten er elektroner.
En slik halvleder har hullforurensningskonduktivitet.

For eksempel indium.

Elektriske egenskaper til "p-n" kryss

"p-n" overgang(eller elektron-hull-overgang) - kontaktområdet til to halvledere, der ledningsevnen endres fra elektronisk til hull (eller omvendt).

I en halvlederkrystall kan slike områder skapes ved å introdusere urenheter. I kontaktsonen til to halvledere med ulik konduktivitet vil gjensidig diffusjon finne sted. elektroner og hull og det dannes et blokkerende elektrisk lag.Det elektriske feltet til blokkeringslaget hindrer videre overgang av elektroner og hull gjennom grensen. Barrierelaget har en økt motstand sammenlignet med andre områder av halvlederen.

Tilgangsmodus p-n overgang:

Med blokkeringsretningen (omvendt) av det eksterne elektriske feltet, vil den elektriske strømmen ikke passere gjennom kontaktområdet til de to halvlederne.
Fordi elektroner og hull beveger seg fra grensen i motsatte retninger, deretter tykner det blokkerende laget, motstanden øker.

Blokkeringsmodus p-n overgang.

Halvledere er stoffer hvis resistivitet er mange ganger mindre enn dielektriske, men mye mer enn metaller. De mest brukte halvlederne er silisium og germanium.

Hovedtrekket til halvledere er avhengigheten av deres spesifikke motstand på ytre forhold (temperatur, belysning, elektrisk felt) og tilstedeværelsen av urenheter. På 1900-tallet begynte forskere og ingeniører å bruke denne funksjonen til halvledere for å lage ekstremt små, komplekse enheter med automatisert kontroll, for eksempel datamaskiner, mobiltelefoner, husholdningsapparater.

Hastigheten til datamaskiner i omtrent et halvt århundre av deres eksistens har økt millioner av ganger. Hvis hastigheten til biler i løpet av samme tidsrom også økte millioner av ganger, ville de i dag hastet med en hastighet som nærmet seg lysets hastighet!

Hvis halvlederne i ett (langt fra perfekt!) øyeblikk "nektet å fungere", ville skjermene på datamaskiner og TV-apparater umiddelbart gå ut, mobiltelefoner ville bli stille, og kunstige satellitter ville miste kontrollen. Tusenvis av industrier ville stoppe, fly og skip ville krasje, i tillegg til millioner av biler.

Ladebærere i halvledere

elektronisk ledningsevne. I halvledere "tilhører" valenselektroner to naboatomer. For eksempel, i en silisiumkrystall, har hvert par av naboatomer to "vanlige" elektroner. Dette er vist skjematisk i figur 60.1 (bare valenselektroner er vist her).

Bindingen mellom elektroner og atomer i halvledere er svakere enn i dielektriske. Derfor, selv ved romtemperatur, er den termiske energien til noen valenselektroner tilstrekkelig til at de kan bryte seg bort fra atomparet og bli ledningselektroner. Så i en halvleder er det negative ladningsbærere.

Konduktiviteten til en halvleder på grunn av bevegelsen av frie elektroner kalles elektronisk.

ledning av hull. Når et valenselektron blir et ledningselektron, forlater det et sted der en ukompensert positiv ladning oppstår. Dette stedet kalles et hull. Et hull tilsvarer en positiv ladning, lik i absolutt verdi ladningen til et elektron.