🕗24.05.2008 | 🙋 | 👀27 775 | ✍️0

Tämä artikkeli on tarkoitettu pääasiassa niille, jotka ovat vasta aloittaneet ensimmäiset askeleensa radiotekniikan alalla, mutta siitä voi olla hyötyä myös kokeneille radioamatööreille tai opiskelijoille.

Artikkelin ensimmäisessä osassa selitetään puolijohteissa atomitasolla tapahtuvia prosesseja, kuten käsitteitä mm. valenssinauha, johtumisnauha, sisäinen sähkönjohtavuus ja muut.
Loput viisi osaa esitetään vähitellen "Aloittelijat" -osiossa.

Puhtaan puolijohteen rakenne- ja energiakaaviot

Puolijohteet ovat aineita, jotka resistiivisessään ovat väliasemassa johtimien ja eristeiden välillä. ominaispiirre Puolijohteet, mikä erottaa ne muista aineista, on niiden vastuksen voimakas riippuvuus lämpötilasta ja epäpuhtauspitoisuudesta.

Puolijohdelaitteiden valmistuksessa käytetyimmät materiaalit ovat germanium ja pii. Niillä on kiderakenne ja ne sijaitsevat jaksollisen järjestelmän ryhmässä IV.

Kaikki aineet koostuvat atomeista. Atomi sisältää positiivisesti varautuneen ytimen ja sen ympärillä kiertäviä elektroneja tietyn säteen omaavilla kiertoradoilla.

Atomin elektronien energia voidaan esittää kaaviona (kuva 3.1, a). Kuten kuvasta voidaan nähdä, atomin elektronien energia voi olla vain yhtä suuri W1, W2, W3, W4, eikä sillä voi olla keskitasoa.

Ulkokuorilla pyöriviä elektroneja kutsutaan valenssielektroneiksi. On osoitettu, että enintään kahdella elektronilla voi olla sama energia minkä tahansa aineen atomissa. Toisin sanoen yhdellä energiatasolla voi olla enintään kaksi elektronia. Koska aine sisältää suuren määrän atomeja, niiden vuorovaikutuksesta johtuen samoilla kiertoradoilla pyörivien elektronien energiatasot siirtyvät suhteessa samojen elektronien energiatasoihin erillisessä "eristetyssä" atomissa. Tämän seurauksena muodostuu kokonaisia ​​energiavyöhykkeitä, jotka koostuvat lähekkäin olevista energiatasoista. Valenssielektronien muodostamia energiatasoja kutsutaan valenssinauha(Kuva 3.1, b).

Vapaiden elektronien ja reikien muodostuminen puolijohteessa

Absoluuttisessa nollapisteessä (absoluuttinen nolla on alin mahdollinen lämpötila -273,16 °C; tällä hetkellä on saavutettu lämpötiloja, jotka eroavat absoluuttisesta nollasta merkityksettömillä asteen murto-osilla) kaikki valenssielektronit ovat kiertoradalla ja liittyvät tiukasti atomeihin. Siksi tällaisessa puolijohteessa ei ole vapaita elektroneja ja se on ihanteellinen eriste (dielektrinen). Lämpötilan noustessa valenssielektronit saavat lisäenergiaa ja voivat irtautua atomista. Irronnut elektroni muuttuu "vapaaksi". Vapaiden elektronien energiatasot muodostavat johtavuuskaistan, joka sijaitsee valenssikaistan yläpuolella ja on erotettu siitä kaistanvälillä, jonka leveys on ΔW (kuva 3.1, c).
Vapaat elektronit voivat liikkua puolijohteen läpi ja siten osallistua sähkövirran muodostukseen. Mitä enemmän vapaita elektroneja aineen tilavuusyksikköä kohti, sitä pienempi sen vastus.

Puolijohdekiteen atomien välillä on kovalenttisia sidoksia. Kovalenttinen sidos muodostuu kahden vierekkäiseen atomiin kuuluvan kahden elektronin pyöriessä yhdellä yhteisellä kiertoradalla (kuva 3.2, a). Germanium ja pii ovat neliarvoisia alkuaineita, ja niiden atomeissa on kummassakin 4 valenssielektronia. Parin muodostumisen seurauksena kovalenttiset sidokset kaikki germanium- ja piiatomit ovat yhteydessä toisiinsa. Litteät mallit puhtaan germanium Ge:n ja pii Si:n kidehiloista on esitetty kuvassa. 3.2b. Tässä kuvassa parilliset kovalenttiset sidokset on esitetty kahtena rinnakkaisena viivana, jotka yhdistävät kaksi vierekkäistä atomia, ja nämä sidokset muodostavat elektronit on esitetty mustina pisteinä.

Kun elektroniin välitetään lisäenergiaa, kovalenttinen sidos voi katketa ​​ja se vapautuu.
Atomin ulkoradalla olevaa paikkaa, jossa elektroni oli aiemmin, kutsutaan aukoksi. Energiakaaviossa reikä vastaa valenssikaistan vapaata energiatasoa, josta elektroni siirtyi johtavuuskaistalle (kuva 3.2, d).

Vapaiden elektronien muodostumista johtavuusvyöhykkeellä ja reikiä valenssikaistalla kutsutaan liikkuvien varauksenkuljettajien syntymiseksi tai elektroni-aukko-parien syntymiseksi, koska vapaan elektronin ilmaantumiseen johtavuuskaistaan ​​liittyy välttämättä ilmaantuminen. valenssinauhassa olevasta reiästä.

Vapaa elektroni voi menettää osan energiastaan ​​siirtyä johtavuuskaistalta valenssikaistalle ja täyttää yhden siinä olevista rei'istä. Tämä palauttaa kovalenttisen sidoksen. Tätä prosessia kutsutaan rekombinaatioksi. Siten rekombinaatioon liittyy aina elektroni-aukko-parin häviäminen.

Elektroni- ja aukkovirrat puolijohteissa

Tietyssä lämpötilassa puolijohteessa on aina katkenneita kovalenttisia sidoksia, eli tietty määrä vapaita elektroneja ja vastaava määrä reikiä. Jos jännitelähde on kytketty tällaiseen puolijohteeseen, vapaita elektroneja syntyy tuloksena sähkökenttä siirtyy kohti positiivista napaa luoden sähköä. Lisäksi elektronit voivat jättää joitain kovalenttisia sidoksia ja palauttaa toiset - tuhoutuneita. Samaan aikaan reikä katoaa yhteen paikkaan ja ilmestyy toiseen paikkaan, josta elektroni lähti. Näin ollen puolijohteessa ei vain elektronit, vaan myös reiät voivat liikkua, ja sähkövirta sisältää kaksi komponenttia: elektronisen, joka muodostuu liikkuvista vapaista elektroneista, ja reiän, joka syntyy liikkuvien reikien avulla. Reikä vastaa ehdollisesti positiivista yksikkövarausta, joka on yhtä suuri kuin elektronin varaus.

Puolijohteita, jotka koostuvat vain germanium- tai piiatomeista, kutsutaan puhtaiksi tai luontaisiksi, ja sähkönjohtavuutta (kykyä johtaa sähkövirtaa), joka johtuu vapaiden elektronien ja reikien läsnäolosta, kutsutaan sisäiseksi sähkönjohtavuudeksi.

Epäpuhtaudet n-tyypin puolijohteet

Puolijohdelaitteisiin tarvittavien ominaisuuksien antamiseksi puolijohteisiin lisätään muiden alkuaineiden epäpuhtauksia. Sellaisenaan viisi- ja kolmiarvoiset elementit sijaitsevat V ja III ryhmät jaksolliset taulukot.

Kun viisiarvoisia alkuaineita (fosfori P, arseeni As, antimoni Sb jne.) lisätään germaniumiin tai piihin, neljä epäpuhtausatomien valenssielektronia muodostaa stabiileja kovalenttisia sidoksia pääaineen atomien kanssa. Epäpuhtausatomien viidennen valenssielektroni osoittautuu tarpeettomaksi, ikään kuin ne ovat heikosti sidottu atomeihin, ja niille huoneenlämmössä välittyvä lämpöenergia riittää irtautumaan atomeista ja vapautumaan. Tässä tapauksessa epäpuhtausatomi muuttuu positiiviseksi ioniksi.

Vapaiden elektronien ilmestymiseen ei liity kovalenttisten sidosten ylimääräistä tuhoutumista, vaan päinvastoin, jotkut reiät "katoavat" yhdistyen (palauttamalla sidoksen) vapaiden elektronien kanssa. Näin ollen tällaisissa puolijohteissa on paljon enemmän vapaita elektroneja kuin reikiä, ja virran virtaus puolijohteen läpi määräytyy pääasiassa elektronien liikkeen ja hyvin pienessä määrin reikien liikkeen perusteella. Nämä ovat n-tyypin puolijohteita (latinan sanasta negatiivinen negatiivinen), kun taas epäpuhtauksia kutsutaan luovuttajiksi. N-tyypin puolijohteen energiakaavio on esitetty kuvassa. 3.3, a.

Epäpuhtaudet p-tyyppiset puolijohteet

Jos boori B:n, indium In:n, alumiinin Al:n, gallium Ga:n jne. kolmiarvoisia atomeja viedään germaniumiin tai piihin, niin kolme epäpuhtausatomien valenssielektronia muodostaa stabiileja kovalenttisia sidoksia kolmen vierekkäisen pääaineen atomin kanssa. Neljännen kovalenttisen sidoksen muodostamiseksi epäpuhtausatomeista puuttuu yksi elektroni. Ne vastaanottavat nämä elektronit emäsaineen atomien välisten kovalenttisten sidosten katkeamisen seurauksena. Lisäksi poistuneen elektronin tilalle muodostuu reikä, ja elektronin vastaanottaneet epäpuhtausatomit muuttuvat kukin negatiivisiksi ioneiksi. Siten puolijohteeseen muodostuu lisämäärä reikiä, eikä vapaiden elektronien määrä kasva. Sähkövirta tällaisessa puolijohteessa syntyy pääasiassa valenssikaistan reikien liikkeestä ja vähäisessä määrin johtavuuskaistan vapaiden elektronien liikkeestä. Nämä ovat p-tyypin puolijohteita (latinalaisesta positiivisesta - positiivisesta). Epäpuhtauksia kutsutaan akseptoreiksi.

Epäpuhtauden p-tyyppisen puolijohteen energiakaavio on esitetty kuvassa. 3.3b.
Tämän tyyppisessä puolijohteessa vallitsevia liikkuvia sähkövarauksen kantajia kutsutaan perus-, loput - vähäisiksi. N-tyypin puolijohteessa valtaosa varauksenkantajista on elektroneja ja vähemmistö on reikiä; p-tyypin puolijohteessa päinvastoin reiät ovat enemmistön kantajia ja elektronit vähemmistöjä.

1.2. Puolijohteiden rakenne.

Reiän käsite

Puolijohderakenne

Yleisimmät puolijohteet ovat atomipuolijohteet pii Si, germanium Ge ja puolijohdeyhdisteet, kuten galliumarsenidi GaAs, indiumfosfidi InP. Myös puolijohteita käytetään
Ja
, Missä Ja -jaksollisen järjestelmän vastaavien ryhmien elementit.

Puolijohdekiteillä on timanttimainen rakenne. Tässä kiderakenteessa kiteen jokaista atomia ympäröi 4 naapuria, jotka ovat samalla etäisyydellä atomista. Kiteen atomien välinen sidos on pareittain elektroninen tai co
valentti. Kuvat XXX esittävät piihilan kolmiulotteisia ja kaksiulotteisia versioita. Tetraederinen rakenne on kaksi kasvokeskeistä kuutiohilaa, jotka on työnnetty toisiinsa. Hilojen siirtyminen toisiinsa nähden suoritetaan kuution päädiagonaalia pitkin etäisyydellä, joka on yhtä suuri kuin neljäsosa päädiagonaalin pituudesta (katso kuva).

Monimutkaisilla puolijohdeyhdisteillä, kuten GaAs, InP, PbS ja muilla binääri- tai kolmikomponenttisilla yhdisteillä on myös timanttityyppinen hila. Mutta näissä yhdisteissä yhden alkuaineen yhtä atomia ympäröi neljä toisen atomia. Atomien välinen sidos on kovalenttinen.

Reiän käsite

Kun elektroni siirtyy johtavuuskaistalle täytetystä (valenssi)kaistasta, valenssikaistalle jää täyttämätön paikka, jonka mikä tahansa elektroni samalta kaistalta voi helposti miehittää. Tämän seurauksena tuloksena oleva vapaa paikka saa kyvyn liikkua valenssialueen sisällä. Sen käyttäytyminen muistuttaa monella tapaa positiivisen varauksen omaavaa hiukkasta.

Kuten todettiin, puolijohteet eroavat metalleista ja dielektrisistä siinä, että niiden johtavuuskaista muissa lämpötiloissa kuin absoluuttinen nolla on "melkein tyhjä", kun taas niiden valenssikaista on "melkein täytetty". Mutta tämä tarkoittaa, että kun tarkastellaan puolijohteiden johtavuutta, on tarpeen ottaa huomioon virran kantajien liike sekä johtavuuskaistalla että valenssikaistalla.

"Melkein täytetyllä" valenssivyöhykkeellä tapahtuvan kuljetusliikkeen tarkastelun yksinkertaistamiseksi otetaan käyttöön "reiän" käsite. On kuitenkin aina muistettava, että puolijohteissa on vain yhden tyyppisiä virrankantajia - nämä ovat elektroneja. Reiät ovat kvasihiukkasia, joiden käyttöönotto mahdollistaa vain elektronien liikkeen esittämisen valenssikaistalla. Reikä on elektronin puuttuminen. Reikien ominaisuudet ovat samankaltaisia ​​kuin elektronien, koska niillä on sama energiatila. Mutta reikä kantaa positiivista varausta.

Kuvassa on ulkoiseen koteloon sijoitetun puolijohteen energiakaavio sähkökenttä jännityksen kanssa . Tasaisessa sähkökentässä olevan puolijohteen kaistakaavion energiatasojen gradientti on vakio, ja sen määrää sähkökentän suuruus (myöhemmin tarkastellaan yksityiskohtaisemmin puolijohteiden energiakaavioita sähkökentät).

Johtavuuskaistan elektronit liikkuvat vastakkaisesti ulkoisen sähkökentän suuntaan, ts. laskua kohti . Valenssikaistan elektronit liikkuvat samaan suuntaan. Valenssikaistan kokonaiselektronivirran tiheys voidaan kirjoittaa muodossa

Missä on puolijohteen tilavuus, on elektronin varaus, -nopeus i- valenssikaistan elektroni. Summaus suoritetaan kaikille valenssikaistan elektroneille. Tämä lauseke voidaan kirjoittaa eri tavalla ilmaisemalla se valenssikaistan tilojen lukumääränä, joita elektronit eivät miehitä.

Mutta kaikkien täytetyllä valenssikaistalla olevien elektronien tuottama virrantiheys on nolla. Siksi viimeiseen kaavaan jää vain yksi viimeinen termi, joka voidaan kirjoittaa muodossa

Tämä suhde voidaan tulkita seuraavasti. Virran tuottavat positiiviset kantoaallot, jotka liittyvät valenssikaistan varaamattomiin tiloihin. Näitä kannattimia kutsutaan reikiksi. Muistutamme, että todellisia kantolaitteita - reikiä ei ole. Tämä on vain kätevä malli edustamaan valenssikaistalla olevien elektronien tuottamaa virtaa. Syynä reiän käsitteen käyttöönotolle on se, että sen avulla on mahdollista yksinkertaistaa sellaisen ryhmän kuvausta, jossa on hyvin suuri määrä elektroneja lähes täytetyllä valenssikaistalla. Usein osoittautuu helpommaksi seurata käytettävissä olevia avoimia työpaikkoja, pitäen niitä hypoteettisina hiukkasina - reikinä (kupla lasissa hiilihapotetun juoman kanssa voi toimia yksinkertaisena reiän hydromekaanisena analogina). Aukoilla, jotka eivät ole todellisia luonnon esineitä, on usein hyvin eksoottisia ominaisuuksia. Niiden tehollista massaa ei siis tarvitse ilmaista positiivisena lukuna, vaan se usein osoittautuu tensoriarvoksi. Fononien ohella reiät ovat kvasihiukkasia, jotka on tuotu teoriaan analogioiden perusteella todellisten esineiden käyttäytymistä kuvaavien kaavojen kanssa. Kuten positiiviset hiukkaset, reikiä kiihdyttää sähkökenttä ja ne edistävät puolijohdekiteiden johtavuutta.

Huomaamme ohimennen, että johtavuuselektronit ovat varsinaisesti myös kvasihiukkasia. Kvanttimekaniikan näkökulmasta kaikki kiteen elektronit ovat pohjimmiltaan erottamattomia, minkä vuoksi on merkityksetöntä yrittää vastata kysymykseen, mikä elektroni on siirtynyt johtavuuskaistalle. Kiteen sähkövirta johtuu poikkeuksetta kaikkien siinä olevien elektronien hyvin monimutkaisesta käyttäytymisestä. Tätä käyttäytymistä kuvaavat yhtälöt ovat kuitenkin hyvin samankaltaisia ​​kuin vain hyvin pienen määrän varautuneita hiukkasia - elektroneja ja reikiä - liikeyhtälöitä.

Shurenkov V.V.

Työn tarkoituksena on perehtyä EHP:n fysikaalisiin prosesseihin, tutkia germanium- ja piidiodien virta-jänniteominaisuuksia ja niiden riippuvuutta puolijohteen kaistavälistä ja lämpötilasta, määrittää germaniumin kaistaväli sekä tutkia p-n-liitos valonvastaanottimena (fotodiodi).

ELEKTRONIT JA REIKÄT PUOLIJOHTEISISSA

Kiinteässä aineessa atomit ovat erotettu toisistaan ​​atomikoon suuruusluokan etäisyydellä, joten siinä valenssielektronit voivat siirtyä atomista toiseen. Tämä prosessi ei kuitenkaan johda suoraan sähkönjohtavuuteen, koska elektronitiheysjakauma on yleensä jäykästi kiinteä. Esimerkiksi germaniumissa ja piissä kaksi elektronia muodostaa kovalenttisen sidoksen kiteen kahden vierekkäisen atomin välillä. Johtavuuden luomiseksi on tarpeen katkaista ainakin yksi sidoksista, poistaa siitä elektroni ja siirtää se johonkin toiseen kiteen kennoon, jossa kaikki sidokset täyttyvät, ja tämä elektroni on tarpeeton. Tällainen elektroni liikkuu sitten solusta soluun. Ylimääräisenä se kantaa mukanaan liiallisen negatiivisen varauksen, ts. muuttuu johtumiselektroniksi.

Katkeneesta sidoksesta tulee kiteen läpi vaeltava reikä, koska viereisen sidoksen elektroni ottaa nopeasti poistuneen paikan. Elektronin puuttuminen yhdessä sidoksesta tarkoittaa, että atomiparilla on yksi positiivinen varaus, joka siirtyy reiän mukana. Elektronit ja reiät ovat puolijohteiden vapaita varauksen kantajia. Ihanteellisissa kiteissä, joissa ei ole epäpuhtauksia tai vikoja, yhden sitoutuneen elektronin virittyminen ja sen muuntuminen johtavuuselektroniksi aiheuttaa väistämättä reiän ilmaantumisen, jolloin molempien kantoaaltojen pitoisuus on sama.

Elektroni-aukko-parin muodostamiseksi on tarpeen kuluttaa energiaa, joka ylittää kaistavälin Ed; esimerkiksi germaniumille Ed = 0,66 eV. piille Ed = 1,11 eV.

Elektronien ja reikien muodostumisprosessin lisäksi tapahtuu käänteinen prosessi - niiden katoaminen tai rekombinaatio. Johtoelektroni, joka on lähellä reikää, palauttaa katkenneen sidoksen. Tässä tapauksessa yksi johtavuuselektroni ja yksi reikä katoavat. Ulkoisten vaikutusten, kuten valon, puuttuessa syntyy molempiin suuntiin tapahtuvien prosessien dynaaminen tasapaino. Elektronien ja reikien tasapainopitoisuudet määräytyvät absoluuttisen lämpötilan T, kaistavälin Ed, epäpuhtauspitoisuuden ja muiden tekijöiden perusteella. Elektronien ja reikien (vastaavasti n ja p) pitoisuuksien tulo ei kuitenkaan riipu epäpuhtauksien määrästä, ja se määräytyy tietylle puolijohteelle lämpötilan ja Ed:n arvon perusteella:

missä k on Boltzmannin vakio; A on suhteellisuuskerroin.

Harkitse kaavan kahta seurausta. Sisäisessä (epäpuhtaudettomassa) puolijohteessa samat elektronien ja reikien pitoisuudet ovat yhtä suuria kuin

Epäpuhtauspuolijohteissa, joissa on riittävän suuri määrä epäpuhtauksia, enemmistön kantajien pitoisuus on suunnilleen sama kuin epäpuhtauspitoisuus. Esimerkiksi n-tyypin puolijohteessa elektronipitoisuus on yhtä suuri kuin luovuttajaatomien pitoisuus; silloin reikien (vähemmistökantajien) pitoisuus on yhtä suuri:

ELEKTRONI-AUKOSIIRTYMÄ TASAPAUTILASSA

Yksikiteessä on mahdollista luoda terävä siirtymä n-tyypin puolijohteesta p-tyypin puolijohteeseen. Kuvassa kiteen p-tyyppinen osa, MM-viivan vasemmalla puolella, sisältää pää-kantajia-reiät, suunnilleen saman määrän negatiivisia akseptori-ioneja ja merkityksettömän määrän elektroneja. Oikea puoli, n-tyyppi, sisältää vastaavasti johtavuuselektroneja (pääkantoaaltoja), positiivisia luovuttaja-ioneja ja pienen määrän reikiä.

VOLT-AMPERE OMINAISUUDET IDEAL EMF

I(U)-riippuvuutta kutsutaan EAF:n (diodin) virta-jännite-ominaiskäyräksi.

Riippuen syöttöjännitteen arvosta ja lähteen polariteetista, esteen korkeus EHP:ssä muuttuu, kun varausten kaksoiskerroksen napaisuus pysyy muuttumattomana. Koska vähemmistökantajat "vierii pois" esteestä, vähemmistövirta pysyy vakiona esteen korkeuden muuttuessa. Esteen "kiipeävien" pääkantoaaltojen virta on erittäin herkkä sen korkeudelle: estettä nostettaessa se laskee nopeasti nollaan, ja kun este lasketaan, se voi kasvaa useita suuruusluokkia. Jotta saataisiin virran riippuvuus jännitteestä, on tarpeen tietää hiukkasten energiaspektri. Yleensä tämä riippuvuus on melko monimutkainen, mutta EHP:n prosessien kuvaamiseksi on tarpeen tuntea vain spektrin "energiaisin" osa, jakauman "häntä", koska käytännössä vain nopeimmat hiukkaset pystyvät ylittämään esteen. Tällaisten nopeiden elektronien spektri on eksponentiaalinen.

Eteenpäin sekoitettuna virta kulkee positiiviseen suuntaan, kun taas käänteisessä biasissa virran suunta on päinvastainen. Merkitään plusmerkki jännitteelle U eteenpäin biasille ja miinusmerkki käänteiselle biasille. Sitten on mahdollista saada riippuvuus, joka kuvaa ihanteellisen elektroni-reikäsiirtymän virta-jännite-ominaisuutta

P - p -liitoksen teoreettinen virta-jännite-ominaisuus, joka on laskettu kaavalla huoneenlämpötilassa T \u003d 295 K, on ​​esitetty kuvassa ja taulukossa (jännite U voltteina). Riippuvuudella I(U) on selvä epälineaarisuus, ts. p - n -liitoksen johtavuus (tai resistanssi) on erittäin riippuvainen U:sta. Käänteisellä biasilla liitoksen läpi kulkee vähemmistökantoaaltojen virta Is, jota kutsutaan kyllästysvirraksi, joka on yleensä pieni ja lähes jännitteestä riippumaton.

Kuten kaavasta voidaan nähdä, kyllästysvirta asettaa asteikon virta-jännite-ominaiskäyrän I-akselilla. Is:n arvo on verrannollinen siirtymän pinta-alaan, vähemmistökantoaaltojen keskittymiseen ja niiden kaoottisen liikkeen nopeuteen. Kaava huomioon ottaen saadaan seuraava kyllästysvirran riippuvuus kaistavälistä ja lämpötilasta:

jossa C on suhteellisuuskerroin, joka on riippumaton Edistä ja T:stä.

Eksponentiaalinen kerroin määrittää virran voimakkaan riippuvuuden sekä lämpötilasta että kaistavälistä. Ed-arvon kasvaessa, esimerkiksi korvattaessa germanium piillä, Is-virta pienenee useita suuruusluokkia, piidiodit eivät melkein kulje virtaa vastakkaiseen suuntaan; tämän seurauksena CVC muuttuu eteenpäin poikkeamalla (laadullisesti nämä muutokset näkyvät kuvassa). Kyllästysvirta kasvaa kuumentaessa; esimerkiksi germaniumille kaavan mukainen laskenta antaa virran kasvun kertoimella 80, kun sitä kuumennetaan huoneenlämpötilasta 60 ° C: lla (295 - 355 K). Muutokset CVC:ssä lämmityksen aikana on esitetty kuvassa.

Kokeesta, jossa kyllästysvirta mitataan eri lämpötiloissa, löydät yksikön arvon. Tuloksena olevaa riippuvuutta tulee verrata kaavaan, joka muunnetaan logaritmin avulla muotoon

Jos pisteet sijaitsevat suoralla, niin kokemus vahvistaa virran eksponentiaalisen riippuvuuden käänteislämpötilasta.

EDP ​​VALONVASTAANOTTIMENA (Photodiodi)

Valo voi katkaista elektronisen sidoksen puolijohteessa muodostaen johtavuuselektronin ja reiän (kaistakaaviossa elektroni siirtyy valenssikaistalta johtavuuskaistalle). Tässä tapauksessa kantoainepitoisuudesta (ja puolijohteen johtavuudesta) tulee enemmän kuin tasapainoarvo. Tätä prosessia kutsutaan sisäiseksi valosähköiseksi efektiksi (toisin kuin ulkoisessa valosähköisessä efektissä, sisäisessä valosähköisessä efektissä elektroni ei lennä ulos). Elektronisen sidoksen katkaisee yksi valokvantti (fotoni), jonka energian tulee ylittää yksikön arvo. Siksi sisäisellä valosähköisellä efektillä on "punainen reuna". Piille, joka on pidempi kuin näkyvän valon aallonpituus.

Kun p-n-liitos on valaistu, muodostuu lisää elektroni-reikäpareja. Riittävällä valaistuksella ne voivat lisätä merkittävästi vähemmistökantajien pitoisuutta, joita oli vähän, käytännössä muuttamatta suurten kantajien prosenttiosuutta. Tässä tapauksessa vähemmistökantoaaltojen - Is -virtaa, joka oli olemassa pimeässä, täydentää valovirta - I, joka virtaa samaan suuntaan.

Valovirta on yhtä suuri kuin virran ja virran välinen ero, jota tässä tapauksessa kutsutaan pimeäksi virraksi. Riittävän korkealla valaistuksella tumma virta voi olla mitättömän pieni osa kokonaisvirrasta. Erityisesti valon havaitsemiseen tehtyä elektroni-reikäliitosta, joka toimii käänteisessä biasissa, kutsutaan fotodiodiksi. Tämä on yksinkertainen ja kätevä valovastaanotin, jonka valovirta on verrannollinen valaistukseen E.

LABORATORIOASETUSTEN KUVAUS

Yksinkertaistettu kaavio, joka ei näytä kytkimiä, on esitetty kuvassa. Diodi D (pii tai germanium) on kytketty vastuksen R kautta vakiojännitelähteeseen (SP), joka vaihtelee välillä 0 - 15 V. Muuttuva vastus R1:tä käytetään myös muuttamaan jännitettä diodin yli. Korkean vastuksen digitaalisella volttimittarilla mitataan jännitteet U diodin yli ja Ur tunnetun resistanssin R yli virran I=Ur/R laskemiseksi. Pienten virtojen mittaamiseksi asetetaan suuri vastus.

Kaksi diodia, lämmitin ja yksi termopariliitos on kiinnitetty tiukasti metallilevyyn, joka sijaitsee kannellisessa kammiossa. Valokokeissa piidiodin suojakuori poistetaan ja kannen ollessa auki p-n-liitos voidaan valaista lampulla. Termoparia käytetään mittaamaan diodien lämpötilaa. Se koostuu kahdesta metallijohtimesta - kuparista ja konstantaanista (erikoiseos), joiden liitoskohta on lämpökosketuksessa diodien kanssa mitatussa lämpötilassa T. Johtojen muut päät on kytketty volttimittariin, niillä on huoneenlämpötila T 1 - 295 K. Kun lämpötilat T ja T 1 ovat erilaiset, piiriin ilmestyy lämpöteho U T, joka on verrannollinen lämpötilaeroon ja mitattuna volttimittarilla. Diodien lämpötila kelvineinä voidaan laskea kaavalla

T=295+24,4 U T ,

jossa jännite U T tulee ottaa millivoltteina.

USE-kooderin aiheita: puolijohteet, puolijohteiden sisäinen ja ulkoinen johtavuus.

Tähän asti, kun puhutaan aineiden kyvystä johtaa sähkövirtaa, jaoimme ne johtimiin ja eristeisiin. Tavallisten johtimien ominaisresistanssi on alueella Ohm m; eristeiden ominaisvastus ylittää nämä arvot keskimäärin suuruusluokilla: Ohm·m.

Mutta on myös aineita, jotka sähkönjohtavuudessaan ovat johtimien ja eristeiden välissä. Tämä puolijohteet: niiden ominaisvastus huoneenlämmössä voi saada arvoja erittäin laajalla ohm m alueella. Puolijohteita ovat pii, germanium, seleeni, jotkut muut kemialliset alkuaineet ja yhdisteet (Puolijohteet ovat luonnossa erittäin yleisiä. Esimerkiksi noin 80 % massasta maankuorta ovat puolijohteita). Pii ja germanium ovat yleisimmin käytettyjä.

Puolijohteiden pääominaisuus on, että niiden sähkönjohtavuus kasvaa jyrkästi lämpötilan noustessa. Puolijohteen ominaisvastus pienenee lämpötilan noustessa suunnilleen kuvan 1 mukaisesti. 1 .

Riisi. 1. Puolijohteen riippuvuus

Toisin sanoen alhaisissa lämpötiloissa puolijohteet käyttäytyvät kuin eristeet ja korkeissa lämpötiloissa melko hyviä johtimia. Tämä on ero puolijohteiden ja metallien välillä: metallin ominaisvastus, kuten muistat, kasvaa lineaarisesti lämpötilan noustessa.

Puolijohteiden ja metallien välillä on muitakin eroja. Siten puolijohteen valaistus pienentää sen vastusta (ja valolla ei ole juuri mitään vaikutusta metallin resistanssiin). Lisäksi puolijohteiden sähkönjohtavuus voi muuttua erittäin voimakkaasti, kun epäpuhtauksia tulee vähäisenkin verran.

Kokemus osoittaa, että kuten metallien tapauksessa, kun virta kulkee puolijohteen läpi, aineen siirtoa ei tapahdu. Siksi puolijohteiden sähkövirta johtuu elektronien liikkeestä.

Puolijohteen resistanssin lasku kuumennettaessa osoittaa, että lämpötilan nousu johtaa puolijohteen vapaiden varausten määrän kasvuun. Mitään tällaista ei tapahdu metalleissa; siksi puolijohteilla on erilainen sähkönjohtavuusmekanismi kuin metalleilla. Ja syy tähän on erilainen luonne kemiallinen sidos metallin ja puolijohdeatomien välillä.

kovalenttisidos

Muista, että metallisidos saadaan vapaiden elektronien kaasusta, joka liiman tavoin pitää positiiviset ionit hilakohdissa. Puolijohteet on järjestetty eri tavalla - niiden atomit pidetään yhdessä kovalenttisidos. Muistetaan mikä se on.

Elektronit sijaitsevat ulommalla elektronisella tasolla ja kutsutaan valenssi, ovat heikommin sitoutuneita atomiin kuin muut elektronit, jotka sijaitsevat lähempänä ydintä. Kovalenttisen sidoksen muodostusprosessissa kaksi atomia osallistuu "yhteiseen asiaan" yhden valenssielektroninsa kanssa. Nämä kaksi elektronia ovat sosiaalistuneet, eli ne kuuluvat nyt molempiin atomeihin, ja siksi niitä kutsutaan yhteinen elektronipari(Kuva 2).

Riisi. 2. Kovalenttinen sidos

Sosialisoitu elektronipari pitää vain atomit lähellä toisiaan (sähköisten vetovoimien avulla). Kovalenttinen sidos on sidos, joka on olemassa atomien välillä yhteisten elektroniparien vuoksi.. Tästä syystä kovalenttiseksi sidokseksi kutsutaan myös pari-elektroni.

Piin kiderakenne

Olemme nyt valmiita tarkastelemaan asiaa tarkemmin sisäinen organisaatio puolijohteet. Harkitse esimerkkinä yleisintä puolijohdetta luonnossa - piitä. Toiseksi tärkeimmällä puolijohteella, germaniumilla, on samanlainen rakenne.

Piin tilarakenne on esitetty kuvassa. 3 (kuva Ben Mills). Piiatomit on kuvattu palloina, ja niitä yhdistävät putket ovat atomien välisen kovalenttisen sidoksen kanavia.

Riisi. 3. Piin kiderakenne

Huomaa, että jokainen piiatomi on sitoutunut neljä viereisiä atomeja. Miksi se on niin?

Tosiasia on, että pii on neliarvoinen - piiatomin ulkoisessa elektronikuoressa on neljä valenssielektronia. Jokainen näistä neljästä elektronista on valmis muodostamaan yhteisen elektroniparin toisen atomin valenssielektronin kanssa. Ja niin tapahtuu! Tämän seurauksena piiatomia ympäröi neljä telakoitua atomia, joista jokainen muodostaa yhden valenssielektronin. Vastaavasti jokaisen atomin ympärillä on kahdeksan elektronia (neljä omaa ja neljä vierasta).

Näemme tämän tarkemmin litteässä piikidehilan kaaviossa (kuva 4).

Riisi. 4. Piin kristallihila

Kovalenttiset sidokset on esitetty atomeja yhdistävien viivojen pareina; nämä viivat jakavat elektroniparit. Jokainen sellaisella viivalla sijaitseva valenssielektroni viettää suurimman osan ajastaan ​​kahden vierekkäisen atomin välisessä tilassa.

Valenssielektronit eivät kuitenkaan ole mitenkään "tiukasti sidottu" vastaaviin atomipareihin. Elektronikuoret menevät päällekkäin kaikki naapuriatomit, joten mikä tahansa valenssielektroni on kaikkien vierekkäisten atomien yhteinen ominaisuus. Jostakin atomista 1 tällainen elektroni voi siirtyä naapuriatomiinsa 2, sitten naapuriatomiinsa 3 ja niin edelleen. Valenssielektronit voivat liikkua koko kiteen tilassa - niiden sanotaan liikkuvan kuuluvat koko kristalliin(eikä mitään yksittäistä atomiparia).

Piin valenssielektronit eivät kuitenkaan ole vapaita (kuten metallissa). Puolijohteessa valenssielektronien ja atomien välinen sidos on paljon vahvempi kuin metallissa; kovalenttiset piisidokset eivät katkea alhaisissa lämpötiloissa. Elektronien energia ei riitä käynnistämään säännöllistä liikettä alemmasta potentiaalista korkeampaan ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Siksi riittävästi matalat lämpötilat Puolijohteet ovat lähellä dielektrisiä - ne eivät johda sähköä.

Oma johtavuus

Jos sisällytetään virtapiiri puolijohdeelementti ja alkaa lämmittää sitä, niin virtapiirissä kasvaa. Siksi puolijohteen vastus vähenee lämpötilan nousun kanssa. Miksi tämä tapahtuu?

Lämpötilan noustessa piiatomien lämpövärähtely voimistuu ja valenssielektronien energia kasvaa. Joidenkin elektronien energia saavuttaa arvot, jotka ovat riittävät katkaisemaan kovalenttiset sidokset. Tällaiset elektronit jättävät atomeistaan ​​ja tulevat vapaa(tai johtavuuselektroneja) on täsmälleen sama kuin metallissa. Ulkoisessa sähkökentässä vapaat elektronit aloittavat järjestetyn liikkeen muodostaen sähkövirran.

Mitä korkeampi piin lämpötila on, sitä suurempi on elektronien energia ja sitä suurempi määrä kovalenttisia sidoksia ei kestä ja katkeaa. Vapaiden elektronien määrä piikiteessä kasvaa, mikä johtaa sen vastuksen laskuun.

Kovalenttisten sidosten katkeaminen ja vapaiden elektronien ilmaantuminen on esitetty kuvassa. 5. Kovalenttisen sidoksen katkenneessa a reikä on elektronin vapaa paikka. Reiässä on positiivinen varaus, koska negatiivisesti varautuneen elektronin poistuessa piiatomin ytimen kompensoimaton positiivinen varaus jää jäljelle.

Riisi. 5. Vapaiden elektronien ja reikien muodostuminen

Reiät eivät pysy paikoillaan - ne voivat vaeltaa kristallin ympärillä. Tosiasia on, että yksi viereisistä valenssielektroneista, "matkalla" atomien välillä, voi hypätä muodostuneeseen tyhjään paikkaan ja täyttää aukon; silloin reikä tässä paikassa katoaa, mutta ilmestyy paikkaan, josta elektroni tuli.

Ulkoisen sähkökentän puuttuessa reikien liike on satunnaista, koska valenssielektronit vaeltavat atomien välillä satunnaisesti. Kuitenkin sähkökentässä ohjattu reiän liike. Miksi? Se on helppo ymmärtää.

Kuvassa Kuvassa 6 on esitetty sähkökenttään asetettu puolijohde. Kuvan vasemmalla puolella on reiän alkusijainti.

Riisi. 6. Reiän liike sähkökentässä

Minne reikä menee? On selvää, että todennäköisimpiä ovat humalat "elektroni > reikä" suunnassa vastaan kenttäviivat (eli "plussiin", jotka luovat kentän). Yksi näistä hyppyistä on esitetty kuvan keskiosassa: elektroni hyppäsi vasemmalle täyttäen tyhjän paikan ja vastaavasti reikä siirtyi oikealle. Seuraava sähkökentän aiheuttama mahdollinen elektronin hyppy on esitetty kuvan oikealla puolella; tämän hypyn seurauksena reikä sai uuden paikan, joka sijaitsi vieläkin oikealla.

Näemme, että reikä kokonaisuudessaan liikkuu kohti kenttäviivat - eli missä positiivisten varausten oletetaan liikkuvan. Korostamme vielä kerran, että reiän suunnattu liike kenttää pitkin johtuu valenssielektronien hyppyistä atomista atomiin, jotka tapahtuvat pääasiassa kenttää vasten.

Siten piikiteessä on kahdenlaisia ​​varauksenkuljettajia: vapaita elektroneja ja reikiä. Kun ulkoinen sähkökenttä kohdistetaan, syntyy sähkövirtaa, joka johtuu niiden järjestetystä vastaliikkeestä: vapaat elektronit liikkuvat kentänvoimakkuusvektoria vastapäätä ja reiät liikkuvat vektorin suuntaan.

Vapaiden elektronien liikkeestä johtuvaa virran esiintymistä kutsutaan elektroninen johtavuus, tai n-tyypin johtavuus. Reikien säännöllisen liikkeen prosessia kutsutaan reiän johtavuus,tai p-tyypin johtavuus(latinan sanojen negativus (negatiivinen) ja positivus (positiivinen) ensimmäisistä kirjaimista. Molempia johtavuuksia - elektronia ja aukkoa - kutsutaan yhdessä oma johtavuus puolijohde.

Jokainen elektronin irtoaminen katkenneesta kovalenttisesta sidoksesta muodostaa "vapaan elektronireikä" -parin. Siksi vapaiden elektronien pitoisuus puhtaassa piikiteessä on yhtä suuri kuin reikien pitoisuus. Vastaavasti, kun kidettä kuumennetaan, ei vain vapaiden elektronien, vaan myös reikien pitoisuus kasvaa, mikä johtaa puolijohteen sisäisen johtavuuden kasvuun sekä elektronisen että reiän johtavuuden lisääntymisen vuoksi.

"Vapaiden elektronien reikä" -parien muodostumisen ohella tapahtuu myös käänteinen prosessi: rekombinaatio vapaita elektroneja ja reikiä. Nimittäin vapaa elektroni, joka kohtaa aukon, täyttää tämän tyhjän paikan palauttaen katkenneen kovalenttisen sidoksen ja muuttuen valenssielektroniksi. Siten puolijohteessa dynaaminen tasapaino: kovalenttisten sidosten katkeamisten ja tuloksena olevien elektroni-reikä-parien keskimääräinen lukumäärä aikayksikköä kohti on yhtä suuri kuin rekombinoituvien elektronien ja reikien keskimääräinen lukumäärä. Tämä dynaamisen tasapainon tila määrittää vapaiden elektronien ja reikien tasapainopitoisuuden puolijohteessa tietyissä olosuhteissa.

Muutos ulkoisissa olosuhteissa siirtää dynaamisen tasapainon tilaa suuntaan tai toiseen. Varauksenkuljettajien pitoisuuden tasapainoarvo muuttuu luonnollisesti tässä tapauksessa. Esimerkiksi vapaiden elektronien ja reikien määrä kasvaa, kun puolijohde kuumennetaan tai valaistaan.

Huoneenlämmössä vapaiden elektronien ja reikien pitoisuus piissä on suunnilleen cm. Piiatomien pitoisuus on noin cm. Toisin sanoen, vapaata elektronia on vain yksi piiatomia kohden! Tämä on hyvin vähän. Esimerkiksi metalleissa vapaiden elektronien pitoisuus on suunnilleen sama kuin atomien pitoisuus. Vastaavasti, piin ja muiden puolijohteiden sisäinen johtavuus normaaleissa olosuhteissa on pieni verrattuna metallien johtavuuteen.

Epäpuhtauksien johtavuus

Puolijohteiden tärkein ominaisuus on, että niiden resistiivisyyttä voidaan pienentää useita suuruusluokkia lisäämällä jopa hyvin pieniä määriä epäpuhtauksia. Puolijohteella on oman johtavuutensa lisäksi dominantti epäpuhtauksien johtavuus. Tämän tosiasian ansiosta puolijohdelaitteet ovat löytäneet sellaisen laaja sovellus tieteessä ja tekniikassa.
Oletetaan esimerkiksi, että piisulaan lisätään hieman viisiarvoista arseenia. Sulan kiteytymisen jälkeen käy ilmi, että arseeniatomit ottavat paikkoja muodostuneen piikidehilan joissakin kohdissa.

Arseeniatomin ulkoelektronitasolla on viisi elektronia. Neljä niistä muodostaa kovalenttisia sidoksia lähimpien naapureiden - piiatomien - kanssa (kuva 7). Mikä on viidennen elektronin kohtalo, joka ei ole miehitetty näissä sidoksissa?

Riisi. 7. N-tyypin puolijohde

Ja viides elektroni vapautuu! Tosiasia on, että tämän piikiteessä sijaitsevan arseeniatomin sisältävän "ylimääräisen" elektronin sitoutumisenergia on paljon pienempi kuin valenssielektronien sitoutumisenergia piiatomien kanssa. Siksi jo huoneenlämpötilassa lähes kaikki arseeniatomit jäävät lämpöliikkeen seurauksena ilman viidettä elektronia muuttuen positiivisiksi ioneiksi. Ja vastaavasti piikide on täynnä vapaita elektroneja, jotka on irrotettu arseeniatomeista.

Kiteen täyttäminen vapailla elektroneilla ei ole meille uutta: olemme nähneet sen edellä, kun sitä kuumennettiin puhdas pii (ilman epäpuhtauksia). Mutta nyt tilanne on pohjimmiltaan erilainen: arseeniatomista poistuvan vapaan elektronin ilmaantumiseen ei liity liikkuvan reiän ilmaantumista. Miksi? Syy on sama - valenssielektronien sidos piiatomien kanssa on paljon vahvempi kuin viidennessä tyhjiössä olevan arseeniatomin kanssa, joten viereisten piiatomien elektronit eivät yleensä täytä tätä tyhjää tilaa. Siten tyhjiö pysyy paikallaan; se on ikään kuin "jäätynyt" arseeniatomiin eikä osallistu virran luomiseen.

Täten, viidenarvoisten arseeniatomien lisääminen piikidehilaan luo elektronisen johtavuuden, mutta ei johda reiän johtavuuden symmetriseen ilmenemiseen. Päärooli virran luomisessa kuuluu nyt vapaille elektroneille, joita tässä tapauksessa kutsutaan tärkeimmät kantajat veloittaa.

Sisäinen johtavuusmekanismi tietysti jatkaa toimintaansa myös epäpuhtauksien läsnä ollessa: kovalenttiset sidokset katkeavat edelleen lämpöliikkeen vuoksi, jolloin syntyy vapaita elektroneja ja reikiä. Mutta nyt on paljon vähemmän reikiä kuin vapaita elektroneja, joita arseeniatomit tarjoavat suuria määriä. Siksi reikiä tässä tapauksessa tulee olemaan vähemmistöliikenteen harjoittajat veloittaa.

Epäpuhtaudet, joiden atomit luovuttavat vapaita elektroneja ilman yhtä suuren määrän liikkuvia reikiä, kutsutaan nimellä luovuttaja. Esimerkiksi viidenarvoinen arseeni on luovuttava epäpuhtaus. Kun puolijohteessa on luovuttajaepäpuhtautta, vapaat elektronit ovat päävarauksen kantajia ja reiät ovat vähäisiä; toisin sanoen vapaiden elektronien pitoisuus on paljon suurempi kuin reikien pitoisuus. Siksi puolijohteita, joissa on luovuttavia epäpuhtauksia, kutsutaan elektroniset puolijohteet, tai n-tyypin puolijohteet(tai yksinkertaisesti n-puolijohteet).

Ja kuinka paljon, mielenkiintoista kyllä, vapaiden elektronien pitoisuus voi ylittää n-puolijohteen reikien pitoisuuden? Tehdään yksinkertainen laskelma.

Oletetaan, että epäpuhtaus on , eli tuhatta piiatomia kohden on yksi arseeniatomi. Piiatomien pitoisuus, kuten muistamme, on luokkaa cm.

Arseeniatomien konsentraatio on vastaavasti tuhat kertaa pienempi: cm. Myös epäpuhtauden luovuttamien vapaiden elektronien pitoisuus tulee olemaan sama - jokainen arseeniatomi luovuttaa elektronin. Ja nyt muistetaan, että piikovalenttisten sidosten katketessa huoneenlämmössä ilmaantuvien elektroni-reikäparien pitoisuus on suunnilleen yhtä kuin cm. Tunnetko eron? Vapaiden elektronien pitoisuus on tässä tapauksessa suurempi kuin reikien pitoisuus suuruusluokilla, eli miljardi kertaa! Näin ollen piipuolijohteen ominaisvastus pienenee miljardin verran, kun niin pieni määrä epäpuhtautta lisätään.

Yllä oleva laskelma osoittaa, että n-tyypin puolijohteissa päärooli on todellakin elektronisella johtavuudella. Tällaisen vapaiden elektronien määrän valtavan ylivoiman taustalla reikien liikkeen osuus kokonaisjohtavuudesta on mitättömän pieni.

Päinvastoin, on mahdollista luoda puolijohde, jossa on hallitseva reikäjohtavuus. Tämä tapahtuu, jos piikiteeseen lisätään kolmiarvoinen epäpuhtaus - esimerkiksi indium. Tällaisen toteutuksen tulos on esitetty kuvassa. 8.

Riisi. 8. p-tyyppinen puolijohde

Mitä tässä tapauksessa tapahtuu? Indiumatomin ulommalla elektronitasolla on kolme elektronia, jotka muodostavat kovalenttisia sidoksia kolmen ympäröivän piiatomin kanssa. Neljännelle viereiselle piiatomille indiumatomilla ei enää ole tarpeeksi elektroneja, ja tähän paikkaan ilmestyy reikä.

Ja tämä reikä ei ole yksinkertainen, vaan erityinen - erittäin korkealla sitoutumisenergialla. Kun elektroni viereisestä piiatomista tulee siihen, se "juutuu ikuisesti" siihen, koska elektronin vetovoima indiumatomiin on erittäin suuri - enemmän kuin piiatomeihin. Indiumatomi muuttuu negatiiviseksi ioniksi, ja paikkaan, josta elektroni tuli, ilmestyy reikä - mutta nyt tavallinen liikkuva reikä katkenneen kovalenttisen sidoksen muodossa piikidehilassa. Tämä reikä tavanomaisella tavalla alkaa vaeltaa kiteen ympärillä valenssielektronien "releen" siirron vuoksi piiatomista toiseen.

Ja niin, jokainen indiumin epäpuhtausatomi muodostaa reiän, mutta ei johda vapaan elektronin symmetriseen ulkonäköön. Sellaisia ​​epäpuhtauksia, joiden atomit "tiiviisti" vangitsevat elektroneja ja muodostavat siten liikkuvan reiän kiteen, kutsutaan tunnustaja.

Kolmiarvoinen indium on esimerkki akseptoriepäpuhtaudesta.

Jos akseptoriepäpuhtaus viedään puhtaan piin kiteen, epäpuhtauden synnyttämien reikien määrä on paljon suurempi kuin vapaiden elektronien määrä, joka on syntynyt piiatomien välisten kovalenttisten sidosten katkeamisen vuoksi. Puolijohde, jossa on akseptoriseostusaine, on reikäinen puolijohde, tai p-tyyppinen puolijohde(tai yksinkertaisesti p-puolijohde).

Aukoilla on tärkeä rooli virran tuottamisessa p-puolijohteessa; reikiä - tärkeimmät varauksen kantajat. Vapaat elektronit - pienet kuljettajat varaus p-puolijohteessa. Vapaiden elektronien liikkeellä ei tässä tapauksessa ole merkittävää vaikutusta: sähkövirta saadaan ensisijaisesti aukkojohtamisesta.

p–n risteys

Kahden puolijohteen kosketuspiste erilaisia ​​tyyppejä johtavuutta (elektronista ja aukkoa) kutsutaan elektronireikä siirtymä, tai p–n risteys. P–n-liitoksen alueella syntyy mielenkiintoinen ja erittäin tärkeä ilmiö - yksisuuntainen johtuminen.

Kuvassa kuvio 9 esittää p- ja n-tyypin alueiden kontaktia; värilliset ympyrät ovat reikiä ja vapaita elektroneja, jotka ovat suurimmat (tai pienet) varauksenkantajat vastaavilla alueilla.

Riisi. 9. Estokerroksen p–n liitos

Lämpöliikettä suorittamalla varauksenkantajat tunkeutuvat alueiden välisen rajapinnan läpi.

Vapaat elektronit siirtyvät n-alueelta p-alueelle ja yhdistyvät siellä reikien kanssa; reiät diffundoituvat p-alueelta n-alueelle ja yhdistyvät siellä uudelleen elektronien kanssa.

Näiden prosessien seurauksena luovuttajaepäpuhtauden positiivisten ionien kompensoimaton varaus jää elektroniikkapuolijohteeseen lähelle kosketusrajaa ja akseptoriepäpuhtausionien kompensoimaton negatiivinen varaus syntyy reikäpuolijohteessa (myös lähellä rajaa). Nämä kompensoimattomat tilavaraukset muodostavat ns estekerros, jonka sisäinen sähkökenttä estää vapaiden elektronien ja reikien diffuusion kosketusrajan läpi.

Yhdistetään nyt virtalähde puolijohdeelementtiimme soveltamalla lähteen "plus" n-puolijohteeseen ja "miinus" p-puolijohteeseen (kuva 10).

Riisi. 10. Kytke päälle päinvastoin: ei virtaa

Näemme, että ulkoinen sähkökenttä vie suurimman osan varauksenkuljettajista kauemmaksi kosketusrajasta. Estekerroksen leveys kasvaa ja sen sähkökenttä kasvaa. Estekerroksen vastus on korkea, eivätkä pääkannattimet pysty ylittämään p–n-risteystä. Sähkökenttä sallii vain vähemmistökantoaaltojen ylittää rajan, mutta vähemmistökantoaaltojen erittäin alhaisesta pitoisuudesta johtuen niiden luoma virta on mitätön.

Tarkasteltu kaavio on ns kääntämällä p–n-risteyksen vastakkaiseen suuntaan. Pääkantajien sähkövirtaa ei ole; kantoaaltovirtaa on vain mitätön. Tässä tapauksessa p–n-risteys on suljettu.

Muutetaan nyt yhteyden napaisuutta ja laitetaan "plus" p-puolijohteeseen ja "miinus" n-puolijohteeseen (kuva 11). Tätä kaavaa kutsutaan vaihtaminen eteenpäin.

Riisi. 11. Eteenpäinkytkentä: virta kulkee

Tässä tapauksessa ulkoinen sähkökenttä on suunnattu estokenttää vastaan ​​ja avaa tien pääkantoaaltoille p–n-liitoksen kautta. Estekerros ohenee, sen vastus pienenee.

Vapaiden elektronien massa liikkuu n-alueelta p-alueelle ja reiät vuorostaan ​​ryntäävät yhteen p-alueelta n-alueelle.

Piiriin syntyy virta, joka aiheutuu päävarauksenkuljettajien liikkeestä (Nyt sähkökenttä kuitenkin estää vähemmistökantajan virran, mutta tällä mitättömällä tekijällä ei ole havaittavaa vaikutusta kokonaisjohtavuuteen).

P–n-liitoksen yksipuolista johtumista käytetään puolijohdediodit . Diodi on laite, joka johtaa virtaa vain yhteen suuntaan; vastakkaiseen suuntaan diodin läpi ei kulje virtaa (diodin sanotaan olevan kiinni). Kaavamainen esitys diodista on esitetty kuvassa. 12.

Riisi. 12. Diodi

Tässä tapauksessa diodi on auki suunnassa vasemmalta oikealle: varaukset näyttävät virtaavan nuolta pitkin (katso se kuvassa?). Oikealta vasemmalle suunnassa lataukset näyttävät lepäävän seinää vasten - diodi on kiinni.

Transistori

Tasasuuntaus puolijohdeliitoksessa

Siirtymät puolijohteiden välillä

Hall-ilmiö

Epäpuhtaudet puolijohteet

Elektronit ja reiät puolijohteessa

LUKU 12 PUOLIJOHTEET

Älä vain yritä tehdä paketista liian kapeaa.

Yksi viime vuosien merkittävimmistä ja jännittävimmistä löydöistä on ollut fysiikan soveltaminen kiinteä runko useiden sähkölaitteiden, kuten transistorien, tekniseen kehittämiseen. Puolijohteiden tutkimus johti niiden löytämiseen hyödyllisiä ominaisuuksia ja moniin käytännön sovelluksiin. Asiat muuttuvat tällä alueella niin nopeasti, että se, mitä sinulle on kerrottu tänään, ei ehkä ole totta tai ainakin epätäydellistä vuoden kuluttua. Ja on aivan selvää, että tutkimalla tällaisia ​​aineita tarkemmin, voimme lopulta tehdä paljon hämmästyttävämpiä asioita. Et tarvitse tämän luvun materiaalia ymmärtääksesi seuraavat luvut, mutta olet todennäköisesti kiinnostunut näkemään, että ainakin osa oppimastasi liittyy edelleen käytännön asioihin.

Puolijohteita tunnetaan paljon, mutta rajoitamme vain niihin, joita nykyään käytetään eniten tekniikassa. Lisäksi niitä on tutkittu paremmin kuin muita, joten kun ne on ymmärretty, ymmärrämme jossain määrin monia muitakin. Yleisimmin käytetyt puolijohdemateriaalit ovat pii ja germanium. Nämä alkuaineet kiteytyvät timanttityyppisessä hilassa - sellaisessa kuutiorakenteessa, jossa atomeilla on nelinkertainen (tetraedri) sidos lähimpien naapuriensa kanssa. Hyvin matalissa lämpötiloissa (lähellä absoluuttista nollaa) ne ovat eristeitä, vaikka huoneenlämpötilassa ne johtavat vähän sähköä. Nämä eivät ole metalleja; niitä kutsutaan puolijohteet.

Jos jollakin tavalla viemme ylimääräisen elektronin pii- tai germaniumkiteeseen alhaisessa lämpötilassa, niin tapahtuu edellisessä luvussa kuvattua. Tällainen elektroni alkaa vaeltaa kiteen ympärillä hyppäämällä paikasta, jossa yksi atomi seisoo, paikkaan, jossa toinen seisoo. Olemme ottaneet huomioon vain atomin käyttäytymisen suorakaiteen muotoisessa hilassa, ja todellisen pii- tai germaniumhilan yhtälöt olisivat erilaisia. Mutta kaikki olennainen voi tulla selväksi jo suorakaiteen muotoisen hilan tuloksista.

Kuten näimme Chap. Ja näille elektroneille energiat voivat olla vain tietyllä arvoalueella, ns johtumisvyöhyke. Tällä kaistalla energia on suhteessa aaltonumeroon k todennäköisyysamplitudit KANSSA[cm. (11.24)1 kaava

Eri A- ovat hyppyjen amplitudit suuntiin x, y ja z ja a, b, c - nämä ovat hilavakitoja (solmujen välisiä intervalleja) näissä suunnissa.

Lähellä vyöhykkeen pohjaa oleville energioille kaava (12.1) voidaan kirjoittaa suunnilleen seuraavasti:

(katso luku 11, § 4).

Jos olemme kiinnostuneita elektronin liikkeestä johonkin tiettyyn suuntaan, niin komponenttien suhde k aina sama, silloin energia on neliöfunktio aaltoluku ja siten elektronin liikemäärä. Sinä voit kirjoittaa

jossa a on jokin vakio, ja piirrä riippuvuusgraafi E alkaen k(Kuva 12.1).

Kuva. 12.1. Energiakaavio elektronille eristekiteessä.

Kutsumme tällaista kuvaajaa "energiakaavioksi". Tietyssä energia- ja liikemäärätilassa oleva elektroni voidaan esittää tällaisessa kaaviossa pisteellä ( S kuvassa).

Olemme jo maininneet kohdassa Chap. 11 mikä on sama asiaintila syntyy, jos me Poista elektroni neutraalista eristeestä. Sitten viereisen atomin elektroni voi hypätä tähän paikkaan. Hän täyttää "reiän" ja jättää uuden "reiän" paikkaan, jossa hän seisoi. Voimme kuvata tätä käyttäytymistä määrittämällä minkä amplitudin reikä on lähellä tätä tiettyä atomia ja sanoo sen reikä voi hypätä atomista atomiin. (Lisäksi on selvää, että amplitudi A että reikä hyppää atomista A atomille b, täsmälleen sama kuin amplitudi, joka elektronin atomista b hyppää reikään atomista a.)

Matematiikka varten reikiä on sama kuin lisäelektronille, ja havaitsemme jälleen, että reiän energia liittyy sen aaltolukuon yhtälöllä, joka on täsmälleen sama kuin (12.1) ja (12.2), mutta tietysti muiden numeeristen arvojen kanssa. amplitudeista A x, A y Ja Ja z. Reiällä on myös energia, joka liittyy sen todennäköisyysamplitudien aaltolukuihin. Sen energia on tietyllä rajoitetulla vyöhykkeellä ja lähellä vyöhykkeen pohjaa muuttuu neliöllisesti aaltoluvun (tai liikemäärän) kasvaessa samalla tavalla kuin kuvassa 1. 12.1. Toistamme päättelymme luvussa. 11, § 3, huomaamme sen reikä käyttäytyy myös klassisen hiukkasen tavoin jollakin tietyllä tehollisella massalla, sillä ainoa ero on, että ei-kuutiokiteissä massa riippuu liikkeen suunnasta. Eli reikä näyttää tältä hiukkanen, jolla on positiivinen varaus liikkuvat kristallin läpi. Reikähiukkasen varaus on positiivinen, koska se on keskittynyt paikkaan, jossa ei ole elektronia; ja kun se liikkuu yhteen suuntaan, se on itse asiassa elektroneja, jotka liikkuvat vastakkaiseen suuntaan.

Jos neutraaliin kiteen sijoitetaan useita elektroneja, niiden liike on hyvin samanlainen kuin atomien liike matalapaineisessa kaasussa. Jos niitä ei ole liikaa, niiden vuorovaikutus voidaan jättää huomiotta. Jos kiteen sitten kohdistetaan sähkökenttä, elektronit alkavat liikkua ja sähkövirta kulkee. Periaatteessa niiden tulisi päätyä kiteen reunaan ja, jos on metallielektrodi, mennä siihen jättäen kiteen neutraaliksi.

Samoin kiteen voitiin tehdä monia reikiä. He alkaisivat vaeltaa kaikkialla. Jos sähkökenttä kohdistetaan, ne virtaavat negatiiviselle elektrodille ja sitten ne voidaan "poistaa" siitä, mikä tapahtuu, kun ne neutraloivat elektronit metallielektrodista.

Kiteessä voivat olla elektroneja ja reikiä yhtä aikaa. Jos heitä ei ole enää kovin monta, he vaeltavat itsenäisesti. Sähkökentässä ne kaikki edistävät kokonaisvirta. Ilmeisistä syistä elektroneja kutsutaan negatiiviset kantajat, ja reikiä positiivisia kantajia.

Tähän asti olemme olettaneet, että elektronit viedään kiteen ulkopuolelta tai (reiän muodostamiseksi) poistetaan siitä. Mutta voit myös "luoda" elektroni-aukko-parin poistamalla sitoutuneen elektronin neutraalista atomista ja sijoittamalla sen samaan kiteen tietylle etäisyydelle. Sitten meillä on vapaa elektroni ja vapaa aukko, ja niiden liike on kuvattu.

Energia, joka tarvitaan elektronin saattamiseksi tilaan S(sanomme: "luoda" valtio S), on energiaa E-, kuviossa 1 esitetty. 12.2.

Kuva. 12.2, Vapaan "syntymiseen" tarvitaan energiaa E

elektroni.

Se on vähän energiaa

ylittää E - min . Energia, joka tarvitaan "luomaan" reikä johonkin tilaan S"on energiaa E+(Kuva 12.3), joka on jonkin verran suurempi kuin E (= E + min ).

Kuva. 12.3. Energia E +, joka tarvitaan reiän "syntymiseen" tilassa S".

Ja luoda pari osavaltioissa S Ja S", tarvitsee vain energiaa E -+E + .

Pariliitos on, kuten näemme myöhemmin, hyvin yleinen prosessi, ja monet ihmiset haluavat sijoittaa viikunoita. 12,2 ja 12,3 per piirustus ja energia reikiä lykätä alas, vaikka tietysti tämä energia positiivinen. Kuviossa 3 12.4 olemme yhdistäneet nämä kaksi kuvaajaa.

Kuva. 12.4. Energiakaaviot elektronille ja aukolle.

Tällaisen aikataulun etuna on, että energiaa E parit \u003d E - + E +, tarvitaan muodostamaan pari (elektroni sisään S ja reikiä sisään S') saadaan yksinkertaisesti niiden välisen pystyetäisyyden perusteella S Ja S", kuten kuviossa 1 on esitetty. 12.4. Pienintä parin muodostamiseen tarvittavaa energiaa kutsutaan energian leveydeksi tai raon leveydeksi, ja se on yhtä suuri kuin

e - min +e + min.

Joskus saatat törmätä yksinkertaisempaan kaavioon. Sen piirtävät ne, jotka eivät ole kiinnostuneita muuttujasta k, kutsumalla sitä energiatasokaavioksi. Tämä kaavio (näkyy kuvassa 12.5) osoittaa yksinkertaisesti elektronien ja reikien sallitut energiat.

Kuva. 12.5. Elektronien ja reikien energiatasokaavio.

Miten elektroni-aukko-pari luodaan? On olemassa useita tapoja. Esimerkiksi valofotonit (tai röntgensäteet)

voi absorboitua ja muodostaa parin, jos vain fotonin energia on suurempi kuin energian leveys. Parin muodostumisnopeus on verrannollinen valon voimakkuuteen. Jos painat kaksi elektrodia kiteen päihin ja käytät "esijännitettä", elektronit ja reiät houkuttelevat elektrodeja. Virta piirissä on verrannollinen valon voimakkuuteen. Tämä mekanismi on vastuussa valonjohtavuusilmiöstä ja valokennojen toiminnasta. Elektroni-reikä-pareja voidaan muodostaa myös korkeaenergisista hiukkasista. Kun nopeasti liikkuva varautunut hiukkanen (esimerkiksi protoni tai pioni, jonka energia on kymmeniä ja satoja MeV) lentää kiteen läpi, sen sähkökenttä voi vetää elektronit pois sidotuista tiloistaan ​​muodostaen elektroni-aukko-pareja. Satoja ja tuhansia samanlaisia ​​ilmiöitä tapahtuu radan jokaisella millimetrillä. Kun hiukkanen on kulkenut sen läpi, kantajat voidaan kerätä ja siten saada aikaan sähköinen impulssi. Tässä on puolijohdelaskurien mekanismi, jota on hiljattain käytetty ydinfysiikan kokeissa. Tällaisiin laskureihin ei tarvita puolijohteita, ne voidaan valmistaa myös kiteisistä eristeistä. Niin se itse asiassa oli: ensimmäinen näistä laskureista tehtiin timantista, joka on huoneenlämpötilassa eriste. Mutta erittäin puhtaita kiteitä tarvitaan, jos haluamme elektroneja ja reikiä

Pääsin elektrodeille ilman pelkoa kiinni jäämisestä. Tästä syystä piitä ja germaniumia käytetään, koska näistä puolijohteista voidaan saada kohtuullisen kokoisia (senttimetrin luokkaa) näytteitä erittäin puhtaina.

Toistaiseksi olemme käsitelleet vain puolijohdekiteiden ominaisuuksia lämpötilan lähellä absoluuttista nollaa. Missä tahansa nollasta poikkeavassa lämpötilassa on toinen mekanismi elektroni-reikäparien luomiseksi. Kiteen lämpöenergia voi toimittaa energiaa höyrylle. Kiteen lämpövärähtelyt voivat siirtää energiansa pariin, mikä aiheuttaa "spontaanien" parien muodostumisen.

Todennäköisyys (aikayksikköä kohti), että energia saavuttaa energiaraon E aukko, keskittyy yhden atomin sijaintiin, on verrannollinen exp(- E shcheyai /kT), Missä T- lämpötila ja k - Boltzmannin vakio [katso. ch. 40 (numero 4)]. Lähellä absoluuttista nollaa tämä todennäköisyys on tuskin havaittavissa, mutta lämpötilan noustessa tällaisten parien muodostumisen todennäköisyys kasvaa. Parien muodostumisen missä tahansa loppulämpötilassa täytyy jatkua loputtomiin antaen koko ajan tasaisella nopeudella enemmän ja enemmän positiivisia ja negatiivisia kantajia. Tämä ei tietenkään todellisuudessa tapahdu, koska hetken kuluttua elektronit kohtaavat vahingossa uudelleen reikiä, elektroni kiertyy reikään ja vapautunut energia menee hilaan. Sanomme, että elektroni, jossa on reikä, "tuhoutui". On tietty todennäköisyys, että reikä kohtaa elektronin ja molemmat tuhoavat toisensa.

Jos elektronien lukumäärä tilavuusyksikköä kohti on N n (n tarkoittaa negatiivisia tai negatiivisia kantajia) ja positiivisten (positiivisten) kantajien tiheyttä N p , silloin todennäköisyys, että elektroni ja reikä kohtaavat ja tuhoutuvat aikayksikköä kohti, on verrannollinen tuotteeseen N n N p . Tasapainotilassa tämän nopeuden tulisi olla yhtä suuri kuin nopeus, jolla höyryt muodostuvat. Siksi tasapainossa tuote N n N p on oltava yhtä suuri kuin jonkin vakion ja Boltzmann-tekijän tulo

Vakiosta puhuttaessa tarkoitamme sen likimääräistä vakioisuutta. Täydellisempi teoria, jossa otetaan huomioon erilaiset yksityiskohdat siitä, kuinka elektronit ja reiät "löytävät" toisensa, osoittaa, että "vakio" riippuu myös hieman lämpötilasta; mutta suurin riippuvuus lämpötilasta on silti eksponentiaalisessa.

Otetaan esimerkiksi puhdas aine, joka oli alun perin neutraali. Äärillisessä lämpötilassa positiivisten ja negatiivisten kantajien lukumäärän voisi odottaa olevan sama, N n= N r. Tämä tarkoittaa, että jokaisen näistä numeroista tulisi muuttua lämpötilan mukaan as . Puolijohteen monien ominaisuuksien (esimerkiksi sen johtavuuden) muutos määräytyy pääasiassa eksponentiaalisella tekijällä, koska kaikki muut tekijät ovat paljon vähemmän riippuvaisia ​​lämpötilasta. Raon leveys germaniumille on noin 0,72 ev, ja piille 1.1 ev.

Huoneenlämmössä k T on noin 1/40 ev. Tällaisissa lämpötiloissa on jo tarpeeksi reikiä ja elektroneja mahdollistamaan huomattava johtuminen, kun taas esimerkiksi 30°K:ssa (kymmenesosa huoneenlämpötilasta) johtuminen on huomaamatonta. Timantin raon leveys on 6-7 ev, siksi huoneenlämmössä timantti on hyvä eriste.