Pogoji za pojav toka v polprevodniku. Električni tok v polprevodnikih. polprevodniška dioda. Polprevodniške naprave. Električni tok v vakuumu

V tej lekciji bomo obravnavali takšen medij za prehod električnega toka kot polprevodnike. Upoštevali bomo načelo njihove prevodnosti, odvisnost te prevodnosti od temperature in prisotnosti nečistoč, upoštevali tak koncept kot p-n spoj in osnovne polprevodniške naprave.

Če vzpostavite neposredno povezavo, bo zunanje polje nevtraliziralo zaklepno, tok pa bodo ustvarili glavni nosilci naboja (slika 9).

riž. 9. p-n spoj z neposredno povezavo ()

V tem primeru je tok manjšinskih nosilcev zanemarljiv, praktično ga ni. Zato p-n spoj zagotavlja enosmerno prevajanje električnega toka.

riž. 10. Atomska struktura silicija z naraščajočo temperaturo

Prevodnost polprevodnikov je elektron-luknja in tako prevodnost imenujemo intrinzična prevodnost. In za razliko od prevodnih kovin, ko se temperatura poveča, se število prostih nabojev samo poveča (v prvem primeru se ne spremeni), zato se prevodnost polprevodnikov povečuje z naraščajočo temperaturo, upor pa se zmanjšuje (slika 10).

Zelo pomembno vprašanje pri preučevanju polprevodnikov je prisotnost nečistoč v njih. In v primeru prisotnosti nečistoč je treba govoriti o prevodnosti nečistoč.

Polprevodniki

Zaradi majhnosti in zelo visoke kakovosti oddanih signalov so polprevodniške naprave zelo pogoste v sodobni elektronski tehnologiji. Sestava takšnih naprav lahko vključuje ne le prej omenjeni silicij z nečistočami, ampak tudi na primer germanij.

Ena od teh naprav je dioda - naprava, ki lahko prepušča tok v eno smer in preprečuje njegov prehod v drugo. Dobimo ga z vsaditvijo druge vrste polprevodnika v polprevodniški kristal p- ali n-tipa (slika 11).

riž. 11. Oznaka diode na diagramu in diagram njene naprave

Druga naprava, zdaj z dvema p-n spojema, se imenuje tranzistor. Služi ne le za izbiro smeri toka toka, ampak tudi za njegovo pretvorbo (slika 12).

riž. 12. Shema strukture tranzistorja in njegova oznaka na električnem tokokrogu oziroma ()

Treba je opozoriti, da sodobna mikrovezja uporabljajo številne kombinacije diod, tranzistorjev in drugih električnih naprav.

V naslednji lekciji si bomo ogledali širjenje električnega toka v vakuumu.

Bibliografija

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (osnovna raven) - M.: Mnemozina, 2012.
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. razred. - M.: Ileksa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizika. elektrodinamika. - M.: 2010.

1. Načela delovanja naprav ().
2. Enciklopedija fizike in tehnologije ().

Domača naloga

1. Kaj povzroča prevodne elektrone v polprevodniku?
2. Kaj je intrinzična prevodnost polprevodnika?
3. Kako je prevodnost polprevodnika odvisna od temperature?
4. Kakšna je razlika med donorno in akceptorsko nečistoto?
5. * Kakšna je prevodnost silicija s primesjo a) galija, b) indija, c) fosforja, d) antimona?

Polprevodniki so snovi, ki zavzemajo vmesni položaj glede električne prevodnosti med dobrimi prevodniki in dobrimi izolatorji (dielektriki).

Polprevodniki so tudi kemični elementi (germanij Ge, silicij Si, selen Se, telur Te) in spojine kemičnih elementov (PbS, CdS itd.).

Narava tokovnih nosilcev v različnih polprevodnikih je različna. V nekaterih od njih so nosilci naboja ioni; v drugih so nosilci naboja elektroni.

Lastna prevodnost polprevodnikov

Obstajata dve vrsti intrinzične prevodnosti v polprevodnikih: elektronska prevodnost in luknjasta prevodnost v polprevodnikih.

1. Elektronska prevodnost polprevodnikov.

Elektronska prevodnost se izvaja z usmerjenim gibanjem v medatomskem prostoru prostih elektronov, ki so zaradi zunanjih vplivov zapustili valenčno lupino atoma.

2. Luknjasta prevodnost polprevodnikov.

Prevod lukenj se izvaja z usmerjenim gibanjem valenčnih elektronov na prosta mesta v parnih elektronskih vezeh - luknjah. Valenčni elektron nevtralnega atoma, ki se nahaja v neposredni bližini pozitivnega iona (luknje), pritegne luknjo in skoči vanjo. V tem primeru se namesto nevtralnega atoma tvori pozitivni ion (luknja), namesto pozitivnega iona (luknja) pa nevtralni atom.

V idealno čistem polprevodniku brez tujih primesi vsak prosti elektron ustreza nastanku ene luknje, tj. število elektronov in lukenj, ki sodelujejo pri ustvarjanju toka, je enako.

Prevodnost, pri kateri se pojavi enako število nosilcev naboja (elektronov in lukenj), imenujemo lastna prevodnost polprevodnikov.

Lastna prevodnost polprevodnikov je običajno majhna, saj je število prostih elektronov majhno. Najmanjši sledovi nečistoč korenito spremenijo lastnosti polprevodnikov.

Električna prevodnost polprevodnikov v prisotnosti primesi

Nečistoče v polprevodniku so atomi tujih kemičnih elementov, ki jih glavni polprevodnik ne vsebuje.

Prevodnost nečistoč- to je prevodnost polprevodnikov zaradi vnosa nečistoč v njihove kristalne rešetke.

V nekaterih primerih se vpliv nečistoč kaže v tem, da "luknjast" mehanizem prevodnosti postane praktično nemogoč, tok v polprevodniku pa se izvaja predvsem z gibanjem prostih elektronov. Takšni polprevodniki se imenujejo elektronskih polprevodnikov oz polprevodniki n-tipa(iz latinske besede negativus - negativno). Glavni nosilci naboja so elektroni in ne glavni so luknje. Polprevodniki tipa n so polprevodniki z donorskimi primesmi.

1. Donatorske nečistoče.

Donatorske nečistoče so tiste, ki zlahka oddajo elektrone in posledično povečajo število prostih elektronov. Donatorske nečistoče dovajajo prevodne elektrone brez pojava enakega števila lukenj.

Tipičen primer donorske primesi v štirivalentnem germaniju Ge so petvalentni atomi arzena As.

V drugih primerih postane gibanje prostih elektronov praktično nemogoče, tok pa se izvaja le z gibanjem lukenj. Ti polprevodniki se imenujejo luknjasti polprevodniki oz polprevodniki p-tipa(iz latinske besede positivus - pozitiven). Glavni nosilci naboja so luknje in ne glavni - elektroni. . Polprevodniki p-tipa so polprevodniki z akceptorskimi primesmi.

Akceptorske nečistoče so nečistoče, v katerih ni dovolj elektronov za tvorbo normalnih parnih elektronskih vezi.

Primer akceptorske primesi v germaniju Ge so atomi trivalentnega galija Ga

Električni tok skozi stik polprevodnikov p-tipa in n-tipa p-n spoj je kontaktna plast dveh primesnih polprevodnikov p-tipa in n-tipa; P-n spoj je meja, ki ločuje območja z luknjasto (p) prevodnostjo in elektronsko (n) prevodnostjo v istem monokristalu.

neposredni p-n spoj

Če je n-polprevodnik priključen na negativni pol vira energije, pozitivni pol vira pa na p-polprevodnik, potem pod delovanjem električnega polja elektroni v n-polprevodniku in luknje v p-polprevodniku se bodo premikale druga proti drugi do polprevodniškega vmesnika. Elektroni, ki prečkajo mejo, "napolnijo" luknje, tok skozi pn spoj izvajajo glavni nosilci naboja. Posledično se poveča prevodnost celotnega vzorca. Pri tako neposredni (prepustni) smeri zunanjega električnega polja se zmanjšata debelina pregradne plasti in njen upor.

V tej smeri gre tok skozi mejo obeh polprevodnikov.

Povratni pn spoj

Če je n-polprevodnik povezan s pozitivnim polom vira energije, p-polprevodnik pa z negativnim polom vira energije, potem elektroni v n-polprevodniku in luknje v p-polprevodniku pod delovanjem električnega polja se bo premaknil od vmesnika v nasprotnih smereh, tok skozi p -n-prehod izvajajo manjši nosilci naboja. To vodi do odebelitve pregradne plasti in povečanja njene odpornosti. Posledično se izkaže, da je prevodnost vzorca nepomembna, upor pa velik.

Nastane tako imenovana pregradna plast. S to smerjo zunanjega polja električni tok praktično ne prehaja skozi stik p- in n-polprevodnikov.

Tako ima prehod elektron-luknja enostransko prevodnost.

Odvisnost toka od napetostno-volt-tokovne karakteristike p-n spoja je prikazana na sliki (volt-tokovna karakteristika direktnega p-n spoja je prikazana s polno črto, volt-amperska karakteristika reverznega p-n spoja je prikazana s pikčasto črto).

Polprevodniki:

Polprevodniška dioda - za usmerjanje izmeničnega toka uporablja en p - n - spoj z različnimi upornostmi: v smeri naprej je upornost p - n - spoja veliko manjša kot v obratni smeri.

Fotorezistorji - za registracijo in merjenje šibkih svetlobnih tokov. Z njihovo pomočjo določite kakovost površin, nadzirate dimenzije izdelkov.

Termistorji - za daljinsko merjenje temperature, požarni alarmi.

Polprevodniki so razred snovi, v katerih se z naraščajočo temperaturo poveča prevodnost in zmanjša električni upor. Ti polprevodniki se bistveno razlikujejo od kovin.

Tipični polprevodniki so kristali germanija in silicija, v katerih sta atoma povezana s kovalentno vezjo. Polprevodniki imajo proste elektrone pri kateri koli temperaturi. Prosti elektroni pod delovanjem zunanjega električnega polja se lahko premikajo v kristalu in ustvarjajo elektronski prevodni tok. Odstranitev elektrona iz zunanje lupine enega od atomov kristalne mreže vodi do transformacije tega atoma v pozitivni ion. Ta ion lahko nevtraliziramo tako, da zajamemo elektron enega od sosednjih atomov. Nadalje, kot posledica prehodov elektronov iz atomov v pozitivne ione, pride do procesa kaotičnega gibanja v kristalu mesta z manjkajočim elektronom. Navzven se ta proces zaznava kot gibanje pozitivnega električnega naboja, imenovanega luknja.

Ko kristal postavimo v električno polje, pride do urejenega gibanja lukenj - luknjičastega prevodnega toka.

V idealnem polprevodniškem kristalu električni tok nastane z gibanjem enakega števila negativno nabitih elektronov in pozitivno nabitih lukenj. Prevodnost v idealnih polprevodnikih imenujemo intrinzična prevodnost.

Lastnosti polprevodnikov so močno odvisne od vsebnosti primesi. Nečistoče so dveh vrst - donorske in akceptorske.

Imenujemo nečistoče, ki oddajajo elektrone in ustvarjajo elektronsko prevodnost darovalec(nečistoče z valenco, večjo od valence glavnega polprevodnika). Polprevodnike, v katerih je koncentracija elektronov večja od koncentracije lukenj, imenujemo polprevodniki tipa n.

Imenujejo se nečistoče, ki zajamejo elektrone in s tem ustvarijo mobilne luknje, ne da bi povečali število prevodnih elektronov akceptor(nečistoče z manjšo valenco od glavnega polprevodnika).

Pri nizkih temperaturah so luknje glavni nosilci toka v polprevodniškem kristalu z akceptorsko primesi, elektroni pa niso glavni nosilci. Polprevodnike, v katerih je koncentracija lukenj večja od koncentracije prevodnih elektronov, imenujemo luknjasti polprevodniki ali polprevodniki p-tipa. Razmislite o stiku dveh polprevodnikov z različnimi vrstami prevodnosti.

Skozi mejo teh polprevodnikov pride do medsebojne difuzije večinskih nosilcev: elektroni difundirajo iz n-polprevodnika v p-polprevodnik, luknje pa iz p-polprevodnika v n-polprevodnik. Posledično bo del n-polprevodnika, ki meji na kontakt, osiromašen z elektroni in v njem bo zaradi prisotnosti golih nečistoč nastal presežek pozitivnega naboja. Premikanje lukenj iz p-polprevodnika v n-polprevodnik vodi do pojava presežnega negativnega naboja v mejni regiji p-polprevodnika. Posledično nastane dvojna električna plast in nastane kontaktno električno polje, ki prepreči nadaljnjo difuzijo glavnih nosilcev naboja. Ta plast se imenuje zaklepanje.

Zunanje električno polje vpliva na električno prevodnost pregradne plasti. Če so polprevodniki povezani z virom, kot je prikazano na sl. 55, potem se pod delovanjem zunanjega električnega polja glavni nosilci naboja - prosti elektroni v n-polprevodniku in luknje v p-polprevodniku - premaknejo drug proti drugemu do vmesnika polprevodnikov, medtem ko se debelina p-n spoj zmanjša, zato se zmanjša njegov upor. V tem primeru je jakost toka omejena z zunanjim uporom. To smer zunanjega električnega polja imenujemo direktna. Neposredna povezava p-n-stičišča ustreza odseku 1 na tokovno-napetostni karakteristiki (glej sliko 57).

Nosilci električnega toka v različnih medijih in tokovno-napetostne karakteristike so povzete v tabeli. 1.

Če so polprevodniki povezani z virom, kot je prikazano na sl. 56, potem se bodo elektroni v n-polprevodniku in luknje v p-polprevodniku premaknili pod delovanjem zunanjega električnega polja od meje v nasprotnih smereh. Debelina pregradne plasti in s tem njena odpornost se povečata. S to smerjo zunanjega električnega polja - obratno (blokiranje) skozi vmesnik prehajajo samo manjši nosilci naboja, katerih koncentracija je veliko manjša od glavnih, tok pa je praktično nič. Povratna vključitev pn spoja ustreza odseku 2 na tokovno-napetostni karakteristiki (slika 57).

Tako ima p-n spoj asimetrično prevodnost. Ta lastnost se uporablja v polprevodniških diodah, ki vsebujejo en sam p-n spoj in se uporabljajo na primer za AC popravljanje ali zaznavanje.

Polprevodniki se pogosto uporabljajo v sodobni elektronski tehnologiji.

Odvisnost električnega upora polprevodniških kovin od temperature se uporablja v posebnih polprevodniških napravah - termistorji. Naprave, ki izkoriščajo lastnost polprevodniških kristalov, da spremenijo svoj električni upor, ko jih osvetli svetloba, imenujemo fotoupori.

Električni tok v vakuumu

Če dve elektrodi postavimo v zaprto posodo in iz posode odstranimo zrak, potem v vakuumu ne nastane električni tok - ni nosilcev električnega toka. Ameriški znanstvenik T. A. Edison (1847-1931) je leta 1879 ugotovil, da lahko v vakuumski steklenici nastane električni tok, če eno od elektrod v njej segrejemo na visoko temperaturo. Pojav emisije prostih elektronov s površine segretih teles imenujemo termionska emisija. Delo, ki ga je treba opraviti, da se elektron sprosti s površine telesa, imenujemo delo. Pojav termionske emisije pojasnjujemo s tem, da se s povišanjem telesne temperature poveča kinetična energija določenega dela elektronov v snovi. Če kinetična energija elektrona presega delovno funkcijo, potem lahko premaga delovanje privlačnih sil pozitivnih ionov in zapusti površino telesa v vakuumu. Delovanje različnih elektronskih cevi temelji na pojavu termionske emisije.

Polprevodnik- to je snov, pri kateri se lahko upornost spreminja v širokem območju in se zelo hitro zmanjšuje z naraščajočo temperaturo, kar pomeni, da se električna prevodnost (1 / R) poveča.
- opažen v siliciju, germaniju, selenu in v nekaterih spojinah.

Prevodni mehanizem polprevodniki

Polprevodniški kristali imajo atomsko kristalno mrežo, kjer so zunanji elektroni s kovalentnimi vezmi vezani na sosednje atome.

Pri nizkih temperaturah čisti polprevodniki nimajo prostih elektronov in se obnašajo kot dielektriki.

Polprevodniki so čisti (brez primesi)

Če je polprevodnik čist (brez primesi), potem je lasten prevodnost, ki je majhna.

Obstajata dve vrsti intrinzične prevodnosti:

1 elektronski(prevodnost "n" - vrsta)

Pri nizkih temperaturah v polprevodnikih so vsi elektroni povezani z jedri in upor je velik; z naraščanjem temperature se poveča kinetična energija delcev, vezi se pretrgajo in pojavijo se prosti elektroni – upor se zmanjša.
Prosti elektroni se gibljejo nasproti vektorju električne poljske jakosti.
Elektronska prevodnost polprevodnikov je posledica prisotnosti prostih elektronov.

2. perforirano(prevodnost tipa "p")

S povišanjem temperature se kovalentne vezi med atomi uničijo, izvajajo pa jih valenčni elektroni in nastanejo mesta z manjkajočim elektronom - "luknja".
Lahko se premika po celotnem kristalu, saj. njegovo mesto lahko nadomestijo valenčni elektroni. Premikanje "luknje" je enakovredno premikanju pozitivnega naboja.
Luknja se premika v smeri vektorja električne poljske jakosti.

Poleg segrevanja lahko pretrganje kovalentnih vezi in pojav intrinzične prevodnosti polprevodnikov povzročita tudi osvetlitev (fotoprevodnost) in delovanje močnih električnih polj.

Celotna prevodnost čistega polprevodnika je vsota prevodnosti tipa "p" in "n".
in se imenuje prevodnost elektronov.

Polprevodniki v prisotnosti nečistoč

Imajo lastno + primesi prevodnost
Prisotnost nečistoč močno poveča prevodnost.
Ko se spremeni koncentracija nečistoč, se spremeni število nosilcev električnega toka - elektronov in lukenj.
Sposobnost nadzora toka je osnova široke uporabe polprevodnikov.

obstajati:

1)darovalec nečistoče (oddajajo)

So dodatni dobavitelji elektronov polprevodniškim kristalom, zlahka oddajajo elektrone in povečujejo število prostih elektronov v polprevodniku.
To so dirigenti "n" - vrsta, tj. polprevodniki z donorskimi primesmi, kjer so glavni nosilec naboja elektroni, manjšinski pa luknje.
Takšen polprevodnik ima prevodnost elektronskih nečistoč.

Na primer, arzen.

2. akceptor nečistoče (gostitelj)

Ustvarjajo "luknje" s prevzemanjem elektronov vase.
To so polprevodniki "p" - vrsta, tiste. polprevodniki z akceptorskimi primesmi, kjer so glavni nosilec naboja luknje, manjšinski pa elektroni.
Takšen polprevodnik ima luknjasto nečistočo prevodnost.

Na primer indij.

Električne lastnosti "p-n" spoja

"p-n" prehod(ali prehod elektron-luknja) - območje stika dveh polprevodnikov, kjer se prevodnost spremeni iz elektronske v luknjo (ali obratno).

V polprevodniškem kristalu se lahko takšna področja ustvarijo z vnosom nečistoč. V kontaktnem območju dveh polprevodnikov z različno prevodnostjo bo potekala medsebojna difuzija. elektronov in lukenj in nastane blokirna električna plast.Električno polje blokirne plasti prepreči nadaljnji prehod elektronov in lukenj skozi mejo. Pregradna plast ima povečano odpornost v primerjavi z drugimi deli polprevodnika.

Način dostopa p-n prehod:

Z blokirno (obratno) smerjo zunanjega električnega polja električni tok ne bo šel skozi kontaktno območje obeh polprevodnikov.
Ker elektroni in luknje se premikajo od meje v nasprotnih smereh, nato se blokirna plast zgosti, njen upor se poveča.

Prehod p-n v načinu blokiranja.

Polprevodniki so snovi, katerih upornost je mnogokrat manjša od upornosti dielektrikov, vendar veliko večja od upornosti kovin. Najbolj razširjena polprevodnika sta silicij in germanij.

Glavna značilnost polprevodnikov je odvisnost njihove specifične upornosti od zunanjih pogojev (temperatura, osvetlitev, električno polje) in od prisotnosti nečistoč. V 20. stoletju so znanstveniki in inženirji začeli uporabljati to lastnost polprevodnikov za ustvarjanje izjemno majhnih, kompleksnih naprav z avtomatskim nadzorom, kot so računalniki, mobilni telefoni, gospodinjski aparati.

Hitrost računalnikov se je v približno pol stoletja njihovega obstoja povečala milijonkrat. Če bi se v istem času tudi hitrost avtomobilov povečala milijonkrat, potem bi ti danes hiteli s hitrostjo, ki se približuje svetlobni!

Če bi v enem (daleč od popolnega!) trenutku polprevodniki "zavrnili delo", bi zasloni računalnikov in televizorjev takoj ugasnili, mobilni telefoni bi utihnili in umetni sateliti bi izgubili nadzor. Na tisoče industrij bi se ustavilo, letala in ladje bi strmoglavili, pa tudi milijoni avtomobilov.

Nosilci naboja v polprevodnikih

elektronska prevodnost. V polprevodnikih valenčni elektroni "pripadajo" dvema sosednjima atomoma. Na primer, v kristalu silicija ima vsak par sosednjih atomov dva "skupna" elektrona. To je shematično prikazano na sliki 60.1 (tu so prikazani samo valenčni elektroni).

Vez med elektroni in atomi je v polprevodnikih šibkejša kot v dielektrikih. Zato tudi pri sobni temperaturi toplotna energija nekaterih valenčnih elektronov zadostuje, da se odcepijo od svojega para atomov in postanejo prevodni elektroni. V polprevodniku so torej nosilci negativnega naboja.

Prevodnost polprevodnika zaradi gibanja prostih elektronov imenujemo elektronska.

luknjasto prevodnost. Ko valenčni elektron postane prevodni elektron, sprosti mesto, v katerem se pojavi nekompenzirani pozitivni naboj. To mesto se imenuje luknja. Luknja ustreza pozitivnemu naboju, ki je v absolutni vrednosti enak naboju elektrona.