เงื่อนไขการเกิดกระแสในสารกึ่งตัวนำ กระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ ไดโอดสารกึ่งตัวนำ อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ กระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ

ในบทนี้เราจะพิจารณาสื่อดังกล่าวสำหรับทางเดินของกระแสไฟฟ้าเช่นเซมิคอนดักเตอร์ เราจะพิจารณาหลักการของการนำไฟฟ้า การพึ่งพาการนำไฟฟ้านี้กับอุณหภูมิและการมีสิ่งเจือปน พิจารณาแนวคิดเช่นจุดแยก p-n และอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์พื้นฐาน

หากคุณทำการเชื่อมต่อโดยตรง ฟิลด์ภายนอกจะทำให้ตัวล็อคเป็นกลาง และกระแสจะถูกสร้างโดยตัวพาประจุหลัก (รูปที่ 9)

ข้าว. 9. ทางแยก p-n พร้อมการเชื่อมต่อโดยตรง ()

ในกรณีนี้กระแสของผู้ให้บริการส่วนน้อยนั้นเล็กน้อย แทบไม่มีอยู่จริง ดังนั้นทางแยก p-n จึงให้กระแสไฟฟ้าทางเดียว

ข้าว. 10. โครงสร้างอะตอมของซิลิกอนเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

การนำสารกึ่งตัวนำคืออิเล็กตรอนโฮล และการนำไฟฟ้าดังกล่าวเรียกว่าการนำไฟฟ้าภายใน และไม่เหมือนกับโลหะนำไฟฟ้า เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น จำนวนของประจุอิสระจะเพิ่มขึ้น (ในกรณีแรก จะไม่เปลี่ยนแปลง) ดังนั้นการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และความต้านทานจะลดลง (รูปที่ 10)

ปัญหาที่สำคัญมากในการศึกษาเซมิคอนดักเตอร์คือการมีสิ่งเจือปนอยู่ในนั้น และในกรณีที่มีสิ่งเจือปน ควรพูดถึงการนำสิ่งเจือปน

เซมิคอนดักเตอร์

ขนาดที่เล็กและคุณภาพของสัญญาณที่ส่งสูงทำให้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เป็นเรื่องธรรมดามากในเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ องค์ประกอบของอุปกรณ์ดังกล่าวอาจรวมถึงซิลิกอนดังกล่าวด้วยสิ่งเจือปน แต่ยังรวมถึงเจอร์เมเนียมด้วย

หนึ่งในอุปกรณ์เหล่านี้คือไดโอด - อุปกรณ์ที่สามารถผ่านกระแสในทิศทางเดียวและป้องกันการผ่านในอีกทิศทางหนึ่ง ได้มาจากการฝังเซมิคอนดักเตอร์ชนิดอื่นลงในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p หรือ n (รูปที่ 11)

ข้าว. 11. การกำหนดไดโอดบนไดอะแกรมและไดอะแกรมของอุปกรณ์ตามลำดับ

อุปกรณ์อื่นที่มีจุดเชื่อมต่อ p-n สองจุดเรียกว่าทรานซิสเตอร์ ไม่เพียงทำหน้าที่เลือกทิศทางการไหลของกระแสเท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่แปลงด้วย (รูปที่ 12)

ข้าว. 12. แผนผังโครงสร้างของทรานซิสเตอร์และการกำหนดบนวงจรไฟฟ้าตามลำดับ ()

ควรสังเกตว่าวงจรไมโครสมัยใหม่ใช้ไดโอดทรานซิสเตอร์และอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่น ๆ หลายอย่างรวมกัน

ในบทเรียนต่อไป เราจะดูการแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ

บรรณานุกรม

1. Tikhomirova S.A. , Yavorsky B.M. ฟิสิกส์ (ระดับพื้นฐาน) - ม.: Mnemozina, 2012
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. ฟิสิกส์เกรด 10 - ม.: Ileksa, 2548.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. ฟิสิกส์. ไฟฟ้ากระแส. - ม.: 2553.

1. หลักการทำงานของอุปกรณ์ ()
2. สารานุกรมฟิสิกส์และเทคโนโลยี ().

การบ้าน

1. อะไรทำให้อิเล็กตรอนนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ?
2. ค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงของเซมิคอนดักเตอร์คืออะไร?
3. การนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างไร?
4. อะไรคือความแตกต่างระหว่างสิ่งเจือปนของผู้บริจาคและสิ่งเจือปนของผู้รับ?
5. * ค่าการนำไฟฟ้าของซิลิกอนที่มีส่วนผสมของ a) แกลเลียม, b) อินเดียม, c) ฟอสฟอรัส, d) พลวงคืออะไร?

สารกึ่งตัวนำเป็นสารที่มีสถานะเป็นสื่อกลางในแง่ของการนำไฟฟ้าระหว่างตัวนำที่ดีและฉนวนที่ดี (ไดอิเล็กทริก)

สารกึ่งตัวนำยังเป็นองค์ประกอบทางเคมี (เจอร์เมเนียม Ge, ซิลิกอน Si, ซีลีเนียม Se, เทลลูเรียม Te) และสารประกอบขององค์ประกอบทางเคมี (PbS, CdS เป็นต้น)

ลักษณะของพาหะปัจจุบันในเซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ นั้นแตกต่างกัน ในบางส่วนของพวกเขา ผู้ให้บริการประจุเป็นไอออน ในส่วนอื่น ๆ ตัวพาประจุคืออิเล็กตรอน

การนำไฟฟ้าที่แท้จริงของสารกึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำภายในมีอยู่ 2 ประเภท ได้แก่ การนำไฟฟ้าและการนำไฟฟ้าแบบโฮลในสารกึ่งตัวนำ

1. การนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์

การนำไฟฟ้านั้นดำเนินการโดยการเคลื่อนที่โดยตรงในช่องว่างระหว่างอะตอมของอิเล็กตรอนอิสระที่ออกจากเปลือกวาเลนซ์ของอะตอมอันเป็นผลมาจากอิทธิพลภายนอก

2. การนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์

การนำโฮลนั้นดำเนินการโดยการเคลื่อนที่โดยตรงของเวเลนซ์อิเล็กตรอนไปยังตำแหน่งที่ว่างในพันธะอิเล็กตรอนคู่ - รู เวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมที่เป็นกลางซึ่งอยู่ใกล้กับไอออนบวก (รู) จะถูกดึงดูดไปที่รูและกระโดดเข้าไปในรูนั้น ในกรณีนี้ ไอออนบวก (รู) จะเกิดขึ้นแทนที่อะตอมที่เป็นกลาง และอะตอมที่เป็นกลางจะก่อตัวขึ้นแทนที่ไอออนบวก (รู)

ในสารกึ่งตัวนำที่บริสุทธิ์ในอุดมคติโดยไม่มีสิ่งเจือปนแปลกปลอมใดๆ อิเล็กตรอนอิสระแต่ละตัวจะสอดคล้องกับการก่อตัวของหนึ่งรู นั่นคือ จำนวนอิเล็กตรอนและโฮลที่เกี่ยวข้องกับการสร้างกระแสจะเท่ากัน

ค่าการนำไฟฟ้าที่พาหะประจุ (อิเล็กตรอนและรู) จำนวนเท่ากันเรียกว่าค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงของสารกึ่งตัวนำ

ค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงของสารกึ่งตัวนำมักมีค่าน้อย เนื่องจากจำนวนอิเล็กตรอนอิสระมีน้อย ร่องรอยของสิ่งเจือปนเพียงเล็กน้อยจะเปลี่ยนคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์อย่างรุนแรง

การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำในที่มีสิ่งเจือปน

สิ่งเจือปนในสารกึ่งตัวนำคืออะตอมขององค์ประกอบทางเคมีแปลกปลอมที่ไม่มีอยู่ในสารกึ่งตัวนำหลัก

การนำสิ่งเจือปน- นี่คือการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากการนำสิ่งเจือปนเข้าสู่โครงผลึก

ในบางกรณีอิทธิพลของสิ่งเจือปนแสดงให้เห็นว่ากลไกการนำ "รู" นั้นเป็นไปไม่ได้จริงและกระแสในเซมิคอนดักเตอร์นั้นดำเนินการโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระเป็นหลัก สารกึ่งตัวนำดังกล่าวเรียกว่า สารกึ่งตัวนำอิเล็กทรอนิกส์หรือ สารกึ่งตัวนำชนิด n(จากคำภาษาละติน negativus - ลบ) ตัวพาประจุหลักคืออิเล็กตรอน และตัวพาประจุหลักไม่ใช่โฮล สารกึ่งตัวนำชนิด n เป็นสารกึ่งตัวนำที่มีสารเจือปนจากผู้บริจาค

1. สิ่งเจือปนของผู้บริจาค

สิ่งเจือปนของผู้บริจาคคือสิ่งที่บริจาคอิเล็กตรอนได้ง่าย และเป็นผลให้เพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนอิสระ สิ่งเจือปนของผู้บริจาคให้อิเลคตรอนนำไฟฟ้าโดยไม่ปรากฏว่ามีจำนวนรูเท่ากัน

ตัวอย่างทั่วไปของสิ่งเจือปนจากผู้บริจาคในเจอร์เมเนียมชนิดเตตระวาเลนต์ Ge คืออะตอมของสารหนูเพนทาวาเลนต์ As

ในกรณีอื่น ๆ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย และกระแสจะเกิดขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของรูเท่านั้น สารกึ่งตัวนำเหล่านี้เรียกว่า เซมิคอนดักเตอร์รูหรือ สารกึ่งตัวนำชนิด p(จากคำภาษาละติน positivus - บวก) พาหะประจุหลักคือรู ไม่ใช่อิเล็กตรอนหลัก . สารกึ่งตัวนำประเภท p เป็นสารกึ่งตัวนำที่มีตัวรับเจือปน

สิ่งเจือปนของตัวรับคือสิ่งเจือปนซึ่งมีอิเล็กตรอนไม่เพียงพอที่จะสร้างพันธะอิเล็กตรอนคู่ปกติ

ตัวอย่างของการเจือปนของตัวรับในเจอร์เมเนียม Ge คืออะตอมของแกลเลียมไตรวาเลนต์ Ga

กระแสไฟฟ้าผ่านการสัมผัสของสารกึ่งตัวนำของ p-type และ n-type p-n ทางแยกคือชั้นสัมผัสของสารกึ่งตัวนำที่ไม่บริสุทธิ์สองตัวของ p-type และ n-type จุดแยก p-n เป็นขอบเขตที่แบ่งเขตที่มีโฮล (p) conduction และ electronic (n) conduction ในผลึกเดี่ยวเดียวกัน

ทางแยก p-n โดยตรง

ถ้าสารกึ่งตัวนำ n เชื่อมต่อกับขั้วลบของแหล่งพลังงาน และขั้วบวกของแหล่งพลังงานเชื่อมต่อกับสารกึ่งตัวนำ p จากนั้นภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำ n และ รูใน p-semiconductor จะเคลื่อนที่เข้าหากันไปยังส่วนติดต่อของสารกึ่งตัวนำ อิเล็กตรอนข้ามขอบเขต "เติม" รู กระแสผ่านทางแยก pn นั้นดำเนินการโดยพาหะประจุหลัก เป็นผลให้ค่าการนำไฟฟ้าของตัวอย่างทั้งหมดเพิ่มขึ้น ด้วยทิศทางโดยตรง (ปริมาณงาน) ของสนามไฟฟ้าภายนอก ความหนาของชั้นกั้นและความต้านทานจะลดลง

ในทิศทางนี้ กระแสจะผ่านขอบเขตของสารกึ่งตัวนำทั้งสอง

ทางแยก pn ย้อนกลับ

ถ้าสารกึ่งตัวนำ n เชื่อมต่อกับขั้วบวกของแหล่งพลังงาน และสารกึ่งตัวนำ p เชื่อมต่อกับขั้วลบของแหล่งพลังงาน อิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำ n และรูในสารกึ่งตัวนำ p ภายใต้การกระทำ ของสนามไฟฟ้าจะเคลื่อนที่จากอินเทอร์เฟซในทิศทางตรงกันข้าม กระแสผ่าน p -n-transition ดำเนินการโดยพาหะประจุเล็กน้อย สิ่งนี้นำไปสู่ความหนาของชั้นกั้นและเพิ่มความต้านทาน เป็นผลให้ค่าการนำไฟฟ้าของตัวอย่างไม่มีนัยสำคัญและค่าความต้านทานสูง

ชั้นกั้นที่เรียกว่าถูกสร้างขึ้น ด้วยทิศทางของสนามภายนอกนี้ กระแสไฟฟ้าจึงไม่ผ่านการสัมผัสของ p- และ n-semiconductors

ดังนั้น การเปลี่ยนผ่านของรูอิเล็กตรอนจึงมีการนำด้านเดียว

การพึ่งพากระแสกับลักษณะแรงดัน - โวลต์ - กระแสของทางแยก p-n แสดงอยู่ในรูป (ลักษณะโวลต์ - กระแสของทางแยก p-n โดยตรงแสดงโดยเส้นทึบ ลักษณะโวลต์ - แอมแปร์ของทางแยก p-n ย้อนกลับ โดยเส้นประ).

เซมิคอนดักเตอร์:

เซมิคอนดักเตอร์ไดโอด - สำหรับการแก้ไขกระแสสลับจะใช้หนึ่ง p - n - ทางแยกที่มีความต้านทานต่างกัน: ในทิศทางไปข้างหน้าความต้านทานของ p - n - ทางแยกจะน้อยกว่าในทิศทางย้อนกลับ

โฟโตรีซีสเตอร์ - สำหรับการลงทะเบียนและการวัดฟลักซ์แสงที่อ่อนแอ ด้วยความช่วยเหลือกำหนดคุณภาพของพื้นผิวควบคุมขนาดของผลิตภัณฑ์

เทอร์มิสเตอร์ - สำหรับการวัดอุณหภูมิระยะไกล สัญญาณเตือนไฟไหม้

เซมิคอนดักเตอร์เป็นกลุ่มของสารที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น ค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้น และความต้านทานไฟฟ้าลดลง สารกึ่งตัวนำนี้แตกต่างจากโลหะโดยพื้นฐาน

สารกึ่งตัวนำทั่วไปคือผลึกของเจอร์เมเนียมและซิลิกอน ซึ่งอะตอมจะรวมเข้าด้วยกันด้วยพันธะโควาเลนต์ สารกึ่งตัวนำมีอิเล็กตรอนอิสระที่อุณหภูมิใดๆ อิเล็กตรอนอิสระภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายนอกสามารถเคลื่อนที่ในผลึกได้ ทำให้เกิดกระแสการนำไฟฟ้า การกำจัดอิเล็กตรอนออกจากเปลือกนอกของหนึ่งในอะตอมของโครงผลึกทำให้อะตอมนี้เปลี่ยนไปเป็นไอออนบวก ไอออนนี้สามารถทำให้เป็นกลางได้โดยการจับอิเล็กตรอนจากอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง นอกจากนี้ อันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากอะตอมเป็นไอออนบวก กระบวนการของการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายในผลึกของสถานที่ที่มีอิเล็กตรอนหายไปเกิดขึ้น ภายนอกกระบวนการนี้ถูกมองว่าเป็นการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าบวกซึ่งเรียกว่า รู.

เมื่อวางคริสตัลไว้ในสนามไฟฟ้า การเคลื่อนที่ตามคำสั่งของรูจะเกิดขึ้น - กระแสการนำของรู

ในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติ กระแสไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและโฮลที่มีประจุบวกในจำนวนที่เท่ากัน ค่าการนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำในอุดมคติเรียกว่าค่าการนำไฟฟ้าภายใน

คุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับเนื้อหาของสิ่งเจือปนเป็นอย่างมาก สิ่งเจือปนมีสองประเภท - ผู้บริจาคและผู้รับ

สิ่งเจือปนที่บริจาคอิเล็กตรอนและสร้างการนำไฟฟ้าเรียกว่า ผู้บริจาค(สิ่งเจือปนที่มีความจุมากกว่าสารกึ่งตัวนำหลัก) สารกึ่งตัวนำที่ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนเกินความเข้มข้นของรูเรียกว่า สารกึ่งตัวนำชนิด n

สิ่งเจือปนที่จับอิเล็กตรอนและสร้างรูเคลื่อนที่โดยไม่เพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนนำไฟฟ้าเรียกว่า ผู้รับ(สิ่งเจือปนที่มีวาเลนซ์น้อยกว่าเซมิคอนดักเตอร์หลัก)

ที่อุณหภูมิต่ำ รูเป็นตัวพากระแสหลักในผลึกเซมิคอนดักเตอร์ที่มีตัวรับเจือปน และอิเล็กตรอนไม่ใช่ตัวพาหลัก สารกึ่งตัวนำที่ความเข้มข้นของรูเกินกว่าความเข้มข้นของอิเล็กตรอนตัวนำเรียกว่าสารกึ่งตัวนำแบบโฮลหรือสารกึ่งตัวนำชนิด p พิจารณาหน้าสัมผัสของสารกึ่งตัวนำสองตัวที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน

การแพร่กระจายร่วมกันของพาหะส่วนใหญ่เกิดขึ้นผ่านขอบเขตของสารกึ่งตัวนำเหล่านี้: อิเล็กตรอนแพร่จากสารกึ่งตัวนำ n ไปยังสารกึ่งตัวนำ p และรูจากสารกึ่งตัวนำ p ไปยังสารกึ่งตัวนำ n เป็นผลให้ส่วนของ n-semiconductor ที่อยู่ติดกับหน้าสัมผัสจะหมดลงในอิเล็กตรอนและจะเกิดประจุบวกส่วนเกินขึ้นเนื่องจากมีไอออนที่ไม่บริสุทธิ์ การเคลื่อนที่ของรูจาก p-semiconductor ไปยัง n-semiconductor ทำให้เกิดประจุลบส่วนเกินในบริเวณขอบเขตของ p-semiconductor เป็นผลให้เกิดชั้นไฟฟ้าสองชั้นและสนามไฟฟ้าสัมผัสเกิดขึ้น ซึ่งป้องกันการแพร่กระจายเพิ่มเติมของตัวพาประจุหลัก ชั้นนี้เรียกว่า ล็อค.

สนามไฟฟ้าภายนอกส่งผลต่อการนำไฟฟ้าของชั้นกั้น หากต่อเซมิคอนดักเตอร์เข้ากับแหล่งกำเนิดตามที่แสดงในรูปที่ 55 จากนั้น ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายนอก ตัวพาประจุหลัก - อิเล็กตรอนอิสระใน n-สารกึ่งตัวนำ และรูใน p-สารกึ่งตัวนำ - จะเคลื่อนเข้าหากันไปยังส่วนต่อประสานของสารกึ่งตัวนำ ในขณะที่ความหนาของ p-n ทางแยกลดลง ดังนั้นความต้านทานจึงลดลง ในกรณีนี้ ความแรงของกระแสจะถูกจำกัดโดยความต้านทานภายนอก ทิศทางของสนามไฟฟ้าภายนอกนี้เรียกว่า ทางตรง การเชื่อมต่อโดยตรงของทางแยก p-n สอดคล้องกับส่วนที่ 1 เกี่ยวกับคุณลักษณะของแรงดันไฟฟ้าปัจจุบัน (ดูรูปที่ 57)

พาหะนำกระแสไฟฟ้าในตัวกลางต่างๆ และคุณลักษณะของกระแส-แรงดันสรุปไว้ในตาราง 1.

หากต่อเซมิคอนดักเตอร์เข้ากับแหล่งกำเนิดตามที่แสดงในรูปที่ 56 จากนั้นอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำ n และรูในสารกึ่งตัวนำ p จะเคลื่อนที่ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายนอกจากขอบเขตในทิศทางตรงกันข้าม ความหนาของชั้นกั้นและความต้านทานเพิ่มขึ้น ด้วยทิศทางของสนามไฟฟ้าภายนอกนี้ - การย้อนกลับ (การปิดกั้น) มีเพียงตัวพาประจุเล็กน้อยเท่านั้นที่ผ่านอินเทอร์เฟซซึ่งมีความเข้มข้นน้อยกว่าตัวหลักมากและกระแสเป็นศูนย์ การรวมย้อนกลับของทางแยก pn สอดคล้องกับส่วนที่ 2 ของลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบัน (รูปที่ 57)

ดังนั้น ทางแยก p-n จึงมีค่าการนำไฟฟ้าไม่สมมาตร คุณสมบัตินี้ใช้ในไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ที่มีจุดเชื่อมต่อ p-n เดียวและใช้สำหรับการแก้ไขหรือตรวจจับไฟฟ้ากระแสสลับ ตัวอย่างเช่น

เซมิคอนดักเตอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

การพึ่งพาความต้านทานไฟฟ้าของโลหะเซมิคอนดักเตอร์กับอุณหภูมิใช้ในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์พิเศษ - เทอร์มิสเตอร์. อุปกรณ์ที่ใช้คุณสมบัติของผลึกสารกึ่งตัวนำเพื่อเปลี่ยนความต้านทานไฟฟ้าเมื่อได้รับแสงสว่างเรียกว่า โฟโตรีซีสเตอร์.

กระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ

หากวางอิเล็กโทรดสองตัวไว้ในภาชนะที่ปิดสนิทและอากาศถูกกำจัดออกจากภาชนะ จะไม่มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในสุญญากาศ - ไม่มีตัวพากระแสไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน ที. เอ. เอดิสัน (พ.ศ. 2390-2474) ค้นพบในปี พ.ศ. 2422 ว่ากระแสไฟฟ้าสามารถเกิดขึ้นในขวดแก้วสุญญากาศได้หากขั้วไฟฟ้าตัวใดตัวหนึ่งอยู่ในนั้นถูกทำให้ร้อนจนมีอุณหภูมิสูง ปรากฏการณ์ของการปล่อยอิเล็กตรอนอิสระจากพื้นผิวของวัตถุที่ร้อนเรียกว่าการปล่อยความร้อน งานที่ต้องทำเพื่อปล่อยอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวของร่างกายเรียกว่า หน้าที่การทำงาน ปรากฏการณ์ของการปล่อยความร้อนอธิบายได้จากความจริงที่ว่าเมื่ออุณหภูมิของร่างกายเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนบางส่วนในสารจะเพิ่มขึ้น หากพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนมีมากเกินหน้าที่การทำงาน ก็จะสามารถเอาชนะแรงดึงดูดจากไอออนบวกและปล่อยให้พื้นผิวของร่างกายอยู่ในสุญญากาศได้ การทำงานของหลอดอิเลคตรอนต่างๆ ขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของการปล่อยความร้อน

สารกึ่งตัวนำ- นี่คือสารที่ความต้านทานสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในช่วงกว้างและลดลงอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่าค่าการนำไฟฟ้า (1 / R) เพิ่มขึ้น
- พบในซิลิคอน เจอร์เมเนียม ซีลีเนียม และในสารประกอบบางชนิด

กลไกการนำไฟฟ้าสารกึ่งตัวนำ

ผลึกเซมิคอนดักเตอร์มีโครงผลึกของอะตอม ซึ่งอิเล็กตรอนวงนอกจะจับกับอะตอมข้างเคียงด้วยพันธะโควาเลนต์

ที่อุณหภูมิต่ำ สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์จะไม่มีอิเล็กตรอนอิสระและจะทำงานเหมือนไดอิเล็กตริก

เซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์ (ไม่มีสิ่งเจือปน)

หากสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ (ไม่มีสิ่งเจือปน) แสดงว่ามี เป็นเจ้าของการนำไฟฟ้าซึ่งมีขนาดเล็ก

การนำภายในมีสองประเภท:

1 อิเล็กทรอนิกส์(การนำไฟฟ้า "n" - ประเภท)

ที่อุณหภูมิต่ำในสารกึ่งตัวนำ อิเล็กตรอนทั้งหมดจะเชื่อมโยงกับนิวเคลียสและความต้านทานจะมาก เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์ของอนุภาคจะเพิ่มขึ้น พันธะจะแตกออกและอิเล็กตรอนอิสระจะปรากฏขึ้น - ความต้านทานจะลดลง
อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ตรงข้ามกับเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้า
การนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์เกิดจากการมีอิเล็กตรอนอิสระ

2. พรุน(การนำไฟฟ้า "p"-ประเภท)

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมจะถูกทำลาย ดำเนินการโดยเวเลนซ์อิเล็กตรอน และสถานที่ที่มีอิเล็กตรอนหายไปจะเกิดเป็น "รู"
มันสามารถเคลื่อนไปทั่วทั้งคริสตัลได้เพราะว่า ตำแหน่งของมันสามารถถูกแทนที่ด้วยเวเลนซ์อิเล็กตรอน การย้าย "หลุม" เท่ากับการย้ายประจุบวก
รูเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้า

นอกจากการให้ความร้อนแล้ว การแตกหักของพันธะโควาเลนต์และลักษณะการนำไฟฟ้าภายในของเซมิคอนดักเตอร์อาจเกิดจากการส่องสว่าง (การนำไฟฟ้าด้วยแสง) และการกระทำของสนามไฟฟ้าแรงสูง

ค่าการนำไฟฟ้าทั้งหมดของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์คือผลรวมของค่าการนำไฟฟ้าประเภท "p" และ "n"
และเรียกว่าการนำไฟฟ้าแบบรูอิเล็กตรอน

เซมิคอนดักเตอร์ในที่มีสิ่งเจือปน

พวกเขามี ความเป็นเจ้าของ + สิ่งเจือปนการนำไฟฟ้า
การมีสิ่งเจือปนจะช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าได้อย่างมาก
เมื่อความเข้มข้นของสิ่งเจือปนเปลี่ยนไป จำนวนพาหะของกระแสไฟฟ้า - อิเล็กตรอนและโฮล - จะเปลี่ยนไป
ความสามารถในการควบคุมกระแสไฟฟ้านั้นมาจากการใช้เซมิคอนดักเตอร์อย่างแพร่หลาย

มีอยู่:

1)ผู้บริจาคสิ่งเจือปน (ให้ออก)

พวกเขาเป็นผู้จัดหาอิเล็กตรอนเพิ่มเติมให้กับผลึกเซมิคอนดักเตอร์ บริจาคอิเล็กตรอนได้อย่างง่ายดาย และเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนอิสระในเซมิคอนดักเตอร์
นี่คือตัวนำ "น" - ประเภท, เช่น. สารกึ่งตัวนำที่มีสารเจือปนจากผู้บริจาค โดยที่ตัวพาประจุหลักคืออิเล็กตรอน และส่วนน้อยคือโฮล
เซมิคอนดักเตอร์ดังกล่าวมีการนำสิ่งเจือปนทางอิเล็กทรอนิกส์

ตัวอย่างเช่นสารหนู

2. ผู้รับสิ่งเจือปน (โฮสต์)

พวกมันสร้าง "โฮล" โดยรับอิเล็กตรอนเข้าไปในตัวมันเอง
เหล่านี้เป็นสารกึ่งตัวนำ "p" - ประเภทเหล่านั้น. สารกึ่งตัวนำที่มีสิ่งเจือปนที่ตัวรับ โดยที่ตัวพาประจุหลักคือรู และส่วนน้อยคืออิเล็กตรอน
เซมิคอนดักเตอร์ดังกล่าวมีค่าการนำไฟฟ้าที่ไม่บริสุทธิ์

ตัวอย่างเช่นอินเดียม

คุณสมบัติทางไฟฟ้าของชุมทาง "p-n"

การเปลี่ยน "p-n"(หรือการเปลี่ยนผ่านของรูอิเล็กตรอน) - พื้นที่สัมผัสของเซมิคอนดักเตอร์สองตัวซึ่งการนำไฟฟ้าเปลี่ยนจากอิเล็กทรอนิกส์เป็นรู (หรือในทางกลับกัน)

ในผลึกสารกึ่งตัวนำ บริเวณดังกล่าวสามารถสร้างขึ้นได้โดยการเติมสารเจือปน ในเขตสัมผัสของสารกึ่งตัวนำสองตัวที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน การแพร่กระจายซึ่งกันและกันจะเกิดขึ้น อิเล็กตรอนและโฮลและเกิดชั้นไฟฟ้าปิดกั้นสนามไฟฟ้าของชั้นปิดกั้นป้องกันการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมของอิเล็กตรอนและโฮลผ่านขอบเขต ชั้นกั้นมีความต้านทานเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับบริเวณอื่นของเซมิคอนดักเตอร์

การเปลี่ยน p-n โหมดการเข้าถึง:

ด้วยการปิดกั้น (ย้อนกลับ) ทิศทางของสนามไฟฟ้าภายนอก กระแสไฟฟ้าจะไม่ผ่านพื้นที่สัมผัสของสารกึ่งตัวนำทั้งสอง
เพราะ อิเล็กตรอนและโฮลเคลื่อนที่จากขอบเขตในทิศทางตรงกันข้าม จากนั้นชั้นปิดกั้นจะหนาขึ้น ความต้านทานจะเพิ่มขึ้น

การเปลี่ยนโหมดการบล็อก p-n

เซมิคอนดักเตอร์เป็นสารที่มีความต้านทานน้อยกว่าไดอิเล็กตริกหลายเท่า แต่มากกว่าโลหะมาก เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ได้แก่ ซิลิกอนและเจอร์เมเนียม

คุณสมบัติหลักของเซมิคอนดักเตอร์คือการพึ่งพาความต้านทานเฉพาะต่อสภาวะภายนอก (อุณหภูมิ, แสงสว่าง, สนามไฟฟ้า) และการปรากฏตัวของสิ่งสกปรก ในศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรเริ่มใช้คุณสมบัตินี้ของเซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้างอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กมากและซับซ้อนด้วยการควบคุมอัตโนมัติ เช่น คอมพิวเตอร์ โทรศัพท์มือถือ เครื่องใช้ในบ้าน

ความเร็วของคอมพิวเตอร์ในประมาณครึ่งศตวรรษที่มีอยู่เพิ่มขึ้นหลายล้านเท่า หากในช่วงเวลาเดียวกันความเร็วของรถยนต์ก็เพิ่มขึ้นหลายล้านเท่าเช่นกัน วันนี้พวกเขาจะรีบเร่งด้วยความเร็วที่เข้าใกล้ความเร็วแสง!

หากในช่วงเวลาหนึ่ง (ยังห่างไกลจากความสมบูรณ์แบบ!) เซมิคอนดักเตอร์ "ไม่ยอมทำงาน" หน้าจอคอมพิวเตอร์และโทรทัศน์จะดับลงทันที โทรศัพท์มือถือจะเงียบลง และดาวเทียมเทียมจะสูญเสียการควบคุม อุตสาหกรรมหลายพันแห่งจะหยุดลง เครื่องบินและเรือจะพัง เช่นเดียวกับรถยนต์หลายล้านคัน

ผู้ให้บริการชาร์จในเซมิคอนดักเตอร์

การนำไฟฟ้าในเซมิคอนดักเตอร์ เวเลนต์อิเล็กตรอน "เป็นของ" อะตอมข้างเคียงสองอะตอม ตัวอย่างเช่น ในผลึกซิลิกอน อะตอมข้างเคียงแต่ละคู่มีอิเล็กตรอน "ร่วม" สองตัว ซึ่งแสดงเป็นแผนผังในรูปที่ 60.1 (แสดงเฉพาะเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่านั้น)

พันธะระหว่างอิเล็กตรอนและอะตอมในสารกึ่งตัวนำนั้นอ่อนแอกว่าในไดอิเล็กตริก ดังนั้นแม้ในอุณหภูมิห้อง พลังงานความร้อนของเวเลนซ์อิเล็กตรอนบางตัวก็เพียงพอที่จะแยกตัวออกจากอะตอมคู่ของพวกมัน กลายเป็นอิเล็กตรอนนำไฟฟ้า ดังนั้นในสารกึ่งตัวนำจึงมีตัวพาที่มีประจุลบ

การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระเรียกว่า อิเล็กทรอนิกส์

การนำหลุมเมื่อวาเลนซ์อิเล็กตรอนกลายเป็นอิเล็กตรอนนำไฟฟ้า มันจะออกจากตำแหน่งซึ่งมีประจุบวกที่ไม่ได้รับการชดเชยเกิดขึ้น สถานที่นี้เรียกว่าหลุม หลุมสอดคล้องกับประจุบวกซึ่งเท่ากับค่าสัมบูรณ์ของประจุของอิเล็กตรอน