Yksi viime vuosien merkittävimmistä ja jännittävimmistä löydöistä on ollut fysiikan soveltaminen kiinteä runko useiden sähkölaitteiden, kuten transistorien, tekniseen kehittämiseen. Puolijohteiden tutkimus johti niiden hyödyllisten ominaisuuksien löytämiseen ja moniin käytännön sovelluksia. 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 matalat lämpötilat(lähellä absoluuttista nollaa) ne ovat eristeitä, vaikka huoneenlämpötilassa ne johtavat vähän sähköä. Nämä eivät ole metalleja; niitä kutsutaan puolijohteiksi.

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. Kuviossa 11 näillä elektroneilla voi olla energiat vain tietyllä arvoalueella, jota kutsutaan johtavuuskaistaksi. Tällä vyöhykkeellä energia on suhteessa todennäköisyysamplitudin aaltonumeroon [katso (11.24)] kaavalla

Erilaiset ovat hyppyjen amplitudit suuntiin , ja , ja , ovat hilavakiot (solmujen väliset intervallit) 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 että komponenttien suhde on koko ajan sama, niin energia on neliöfunktio aaltoluku ja siten elektronin liikemäärä. Sinä voit kirjoittaa

, (12.3)

jossa - jokin vakio, ja piirrä kuvaaja riippuen (Kuva 12.1). Kutsumme tällaista kuvaajaa "energiakaavioksi". Tietyssä energia- ja liikemäärätilassa oleva elektroni voidaan esittää tällaisessa kaaviossa pisteellä (kuvassa).

Kuva. 12.1. Energiakaavio elektronille eristekiteessä.

Olemme jo maininneet kohdassa Chap. 11, että sama tilanne tapahtuisi, jos poistaisimme elektronin 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 antamalla amplitudin, että reikä on lähellä tiettyä atomia, ja sanomalla, että reikä voi hypätä atomista atomiin. (Lisäksi on selvää, että reiän amplitudi hyppää atomista atomiin on täsmälleen sama kuin amplitudi, jolla elektroni hyppää atomista atomista reikään.) Reiän matematiikka on sama kuin ylimääräinen elektroni, ja jälleen havaitsemme, että reiän energia liittyy sen aaltonumeroon yhtälöllä, joka on täsmälleen sama kuin (12.1) ja (12.2), mutta tietysti muiden amplitudien numeeristen arvojen kanssa, ja . 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, tulemme huomaamaan, että myös reikä käyttäytyy kuin klassinen hiukkanen, jolla on tietty tehollinen massa, sillä ainoalla erolla, että ei-kuutiokiteissä massa riippuu liikkeen suunnasta. Joten reikä muistuttaa hiukkasta, jolla on positiivinen varaus, joka liikkuu kiteen 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 sitten levitetään kiteen sähkökenttä, silloin elektronit alkavat liikkua ja virrata sähköä. 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 negatiivisiksi kantoaaltoiksi ja reikiä positiivisiksi kantajiksi.

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 asettamiseen tilaan (sanomme: tilan "luomiseksi") on kuvassa 1 esitetty energia. 12.2. Tämä on energiaa, joka ylittää . Jossain tilassa olevan reiän "luomiseen" tarvittava energia on energiaa (kuva 12.3), joka on murto-osa suurempi kuin . Ja muodostaaksesi parin tiloissa ja tarvitset vain energiaa.

Kuva. 12.2. Vapaan elektronin "syntymiseen" tarvittava energia.

Kuva. 12.3. Energiaa, jota tarvitaan tilassa olevan reiän "syntymiseen".

Pariliitos on, kuten näemme myöhemmin, hyvin yleinen prosessi, ja monet ihmiset haluavat sijoittaa viikunoita. 12.2 ja 12.3 yhdessä piirustuksessa, ja reikien energia on asetettu, vaikka tämä energia on tietysti positiivinen. Kuviossa 3 12.4 olemme yhdistäneet nämä kaksi kuvaajaa. Tällaisen aikataulun etuna on, että energiaa parin muodostamiseen tarvittava (elektroni sisään ja reikä sisään) saadaan yksinkertaisesti pystysuoralla etäisyydellä välillä ja, kuten kuviossa 1 on esitetty. 12.4. Pienintä parin muodostamiseen tarvittavaa energiaa kutsutaan energian leveydeksi tai raon leveydeksi, ja se on yhtä suuri kuin .

Kuva. 12.4. Energiakaaviot elektronille ja aukolle.

Joskus saatat törmätä yksinkertaisempaan kaavioon. Sen piirtävät ne, jotka eivät ole kiinnostuneita muuttujasta, kutsuen 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) voivat absorboitua ja muodostaa parin, kunhan 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 (kuten protoni tai pioni, jonka energia on kymmeniä tai satoja MeV) lentää kiteen läpi, sen sähkökenttä voi vetää elektronit pois sidotuista tiloistaan ​​muodostaen elektroni-reikäpareja. 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. Ja niin se itse asiassa oli: ensimmäinen näistä laskureista tehtiin timantista, joka on huoneenlämmössä eriste. Mutta tarvitsemme erittäin puhtaita kiteitä, jos haluamme elektronien ja reikien pääsevän elektrodeille ilman sieppauksen pelkoa. 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 energiaraon saavuttava energia keskittyy jonkin atomin sijaintiin, on verrannollinen , missä on lämpötila ja on 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.

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 voidaan odottaa, että positiivisten ja negatiivisten kantajien määrä on sama, . Tämä tarkoittaa, että jokaisen näistä numeroista tulisi muuttua lämpötilan mukaan. Puolijohteen monien ominaisuuksien (esimerkiksi sen johtavuuden) muutos määräytyy pääasiassa eksponentiaalisella tekijällä, koska kaikki muut tekijät ovat paljon vähemmän riippuvaisia ​​lämpötilasta. Raon leveys germaniumilla on noin 0,72 eV ja piillä 1,1 eV.

Huoneenlämmössä 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, joten timantti on hyvä eriste huoneenlämmössä.

elektroneja ja reikiä sisään kristallihila puolijohde

Kun tietty määrä energiaa välitetään kidehilaan, yksittäiset elektronit voivat poistua valenssisidoksesta ja muuttua vapaiksi varauksenkantajiksi.

Kuitenkin elektronin irtautuminen atomistaan ​​rikkoo sen sähköisen neutraaliuden, ytimen positiivinen varaus osoittautuu kompensoimattomaksi yhdellä yksikkövarauksella (elektronivarauksella) ja atomi muuttuu positiivisesti varautuneeksi ioniksi (kuva 2.1, a).

Tarkkaan ottaen, koska tämä elektroni oli yhteinen kahdelle atomille, ei voida sanoa, että yksi näistä atomeista olisi ionisoitunut. Elektronin poistuminen johtaa kahden vierekkäisen atomin osittaiseen ionisaatioon. Siksi tässä tapauksessa esiintyvä yksittäinen positiivinen varaus, joka on absoluuttisesti yhtä suuri kuin elektronin varaus, ei liity tähän tai tuohon atomiin, vaan elektronin jättämään vialliseen sidokseen. Tätä positiivista varausta kutsutaan reikä .

Riisi. 2.1 Malli valenssisidoksen katkeamisesta ja elektronin esiintymisestä vapaana varauksenkantajana:

a) tasokuvassa; b) kaistan energiakaaviossa.

Joten kun elektroni poistuu yhdessä valenssisidoksesta, ilmaantuu "vapaa" paikka, jonka voi miehittää yksi viereisten sidosten valenssielektroneista. Vyöhykemallissa tällaista elektronin siirtymistä täytetystä sidoksesta vialliseen edustaa elektronisiirtymä valenssikaistan sisällä vapaalle tasolle.

Luonnollisesti, kun elektroni siirtyy täytetystä sidoksesta vialliseen sidokseen, viallinen sidos täyttyy ja täytetty sidos tulee vialliseksi. Elektronin siirtymä vastaa reiän liikettä vastakkaiseen suuntaan. Elektroninsiirtoprosessi jatkuu. Vika (reikä) siirtyy sitten sidoksesta sidokselle. Tämän myötä myös positiivinen varaus siirtyy sidoksesta sidoksiin. Tämä prosessi on luonteeltaan satunnainen, reiän liikerata noudattaa kaoottisen liikkeen lakeja. Tämä tapahtuu kuitenkin vain, jos kristallissa ei ole sähkökenttää. Jos asetamme kiteen sähkökenttään, elektronien siirtymät sidoksesta sidoksiin, joissa reikä (positiivinen varaus) liikkuisi linjoja pitkin sähkökenttä, tulee todennäköisemmiksi

Positiivisen varauksen - reiän - suunnattu liike sähkökentässä on jo sähkövirta. Tarkkaan ottaen myös varauksen kantajat ovat tässä tapauksessa elektroneja. Virran siirto tapahtuu johtuen elektronien peräkkäisestä siirtymisestä sidoksesta toiseen, ts. valenssielektronien peräkkäisen siirtymisen vuoksi valenssikaistalla. Käytännössä on kuitenkin paljon kätevämpää tarkastella viallisessa sidoksessa muodostuneen positiivisen varauksen jatkuvaa liikettä kuin elektronien peräkkäistä liikettä sidoksesta sidokselle.

Reikää ei saa sekoittaa ionin kanssa esimerkiksi elektrolyytissä. Elektrolyytissä ionisoitunut atomi liikkuu avaruudessa. Kidehilassa atomit eivät liiku ja ovat paikallaan hilakohdissa. Reiän liike on liikkumattomien atomien peräkkäistä ionisaatiota.

Siten lämpöenergian aiheuttama valenssisidoksen rikkominen johtaa kahden vapaan varauksenkuljettajan ilmestymiseen puolijohdekiteeseen: negatiivinen yksikkövaraus - elektroni ja positiivinen yksikkövaraus sitä vastapäätä - reikä. Puolijohdekiteessä valenssisidosten rikkoutumisesta johtuvaa sähkönjohtavuutta kutsutaan ns. oma sähkönjohtavuus .

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. se 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. yksi .

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 syynä tähän on metallien ja puolijohteiden atomien välisen kemiallisen sidoksen erilainen luonne.

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 lähemmin puolijohteiden sisäosia. 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 riittävän alhaisissa lämpötiloissa puolijohteet ovat lähellä dielektrisiä - ne eivät johda sähkövirtaa.

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 rikkoutumaan 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 puolijohde sijoitettuna sähkökenttään. 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.

Tällä tavalla, 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. kahdeksan.

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, kun taas reikäpuolijohteessa (myös lähellä rajaa) syntyy vastaanottajan epäpuhtausionien kompensoimaton negatiivinen varaus. . 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.

Reikä
Symboli:	h(eng. reikä)
Kun elektroni lähtee heliumatomista, sen tilalle jää reikä. Tässä tapauksessa atomi varautuu positiivisesti.
Yhdiste:	Kvasihiukkanen
Luokitus:	Kevyitä reikiä, painavia reikiä
Kenen ja/tai minkä mukaan se on nimetty?	Elektronin puuttuminen
Quantum0-luvut:
Sähkövaraus :	+1
Pyöritä:	Määräytyy valenssikaistan elektronien spinin perusteella ħ

Määritelmä GOST 22622-77:n mukaan: "Täyttämätön valenssisidos, joka ilmenee positiivisena varauksena, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin elektronin varaus."

Reiän johtuminen voidaan selittää seuraavalla analogialla: Auditoriossa, jossa ei ole varatuoleja, istuu joukko ihmisiä. Jos joku keskellä riviä haluaa lähteä, hän kiipeää tuolin selkänojan yli tyhjään riviin ja lähtee. Tässä tyhjä rivi on analoginen johtavuuskaistan kanssa ja poistunutta henkilöä voidaan verrata vapaaseen elektroniin. Kuvittele, että joku muu tuli ja haluaa istua alas. Sitä on vaikea nähdä tyhjästä rivistä, joten hän ei istu siellä. Sen sijaan tyhjän tuolin lähellä istuva henkilö siirtyy siihen, ja kaikki hänen naapurit seuraavat häntä. Siten tyhjä tila siirtyy ikään kuin rivin reunaan. Kun tämä paikka on uuden katsojan vieressä, hän voi istua alas.

Tässä prosessissa jokainen istuva liikkui riviä pitkin. Jos yleisöllä olisi negatiivinen varaus, tällainen liike olisi sähkönjohtavuutta. Jos lisäksi tuolit ovat positiivisesti varattuja, vain tyhjällä istuimella on nollasta poikkeava kokonaisvaraus. se yksinkertainen malli näyttää kuinka reiän johtuminen toimii. Itse asiassa kidehilan ominaisuuksista johtuen reikä ei kuitenkaan sijaitse tietyssä paikassa, kuten edellä on kuvattu, vaan se on levinnyt useiden satojen alkeissolujen kokoiselle alueelle.

Reikien luomiseksi puolijohteisiin käytetään kiteiden seostusta akseptoriepäpuhtauksilla. Lisäksi reikiä voi syntyä myös ulkoisten vaikutusten seurauksena: elektronien terminen viritys valenssikaistalta johtavuuskaistalle, valon aiheuttama valaistus tai altistuminen ionisoivalle säteilylle.

Reiän ja elektronin Coulombin vuorovaikutuksen tapauksessa johtavuuskaistasta muodostuu sidottu tila, jota kutsutaan eksitoniksi.

raskaita reikiä- kiteen valenssikaistan energiaspektrin yhden haaran nimi.

Kvanttikemian reikiä

Termiä reikä käytetään myös laskennallisessa kemiassa, jossa molekyylin perustila tulkitaan tyhjiötilaksi - tässä tilassa ei ole elektroneja. Tällaisessa kaaviossa normaalisti täytetyssä tilassa olevan elektronin puuttumista kutsutaan aukoksi ja sitä käsitellään hiukkasena. Ja elektronin läsnäoloa normaalisti tyhjässä tilassa kutsutaan yksinkertaisesti elektroniksi.

Puolijohdekiteet muodostuvat atomeista, jotka on järjestetty tiettyyn järjestykseen. Nykyaikaisten käsitteiden mukaan atomit koostuvat positiivisesti varautuneista ytimistä, joiden ympärillä sijaitsevat elektroneilla täytetyt kuoret. Tässä tapauksessa jokainen elektroni vastaa tiukasti määriteltyä tasoa, jolla ei voi olla enempää kuin kaksi elektronia. erilaisia ​​arvoja spin, joka luonnehtii elektronin pyörimistä. Kvanttimekaniikan lakien mukaan elektronit voivat olla olemassa vain tiukasti määritellyissä energiatiloissa. Elektronin energian muutos on mahdollista, kun sähkömagneettisen säteilyn kvantti absorboituu tai emittoituu energialla, joka on yhtä suuri kuin alku- ja lopputason energioiden välinen ero.

Kun kaksi atomia, kuten vety, lähestyy toisiaan, niiden kiertoradat alkavat mennä päällekkäin ja niiden välillä voi syntyä sidos. On olemassa sääntö, jonka mukaan molekyylin orbitaalien lukumäärä on yhtä suuri kuin atomien kiertoratojen lukumäärä, kun taas atomien vuorovaikutus johtaa siihen, että molekyylin tasot jakautuvat ja mitä pienempi on etäisyys niiden välillä. mitä atomeja, sitä voimakkaampi tämä halkeaminen.

Kuvassa 1.6. Kuvassa on viiden atomin tasonjakokaavio niiden välisen etäisyyden pienentyessä. Kuten kaavioista voidaan nähdä, kun atomien välille muodostuu sidoksia, valenssielektronit muodostavat elektroneille sallittuja vyöhykkeitä ja tilojen lukumäärä näillä vyöhykkeillä on sitä suurempi, mitä enemmän vuorovaikutuksessa atomeja. Kiteissä atomien lukumäärä on yli 10 22 cm -3, suunnilleen sama määrä tasoja vyöhykkeissä. Tällöin tasojen välinen etäisyys tulee erittäin pieneksi, mikä mahdollistaa sen, että sallitun kaistan energia muuttuu jatkuvasti. Tällöin vapaalle vyöhykkeelle pudonnutta elektronia voidaan pitää klassisena, kun otetaan huomioon, että sähkökentän vaikutuksesta se saa energiaa jatkuvasti, ei kvanttien, ts. käyttäytyy kuin klassinen hiukkanen.

Riisi. 1.6. Energian jakautuminen 1s ja 2s tasoilla viidelle atomille riippuen niiden välisestä etäisyydestä

Kiteiden muodostumisen aikana valenssielektronien muodostamat nauhat voivat olla osittain täytettyjä, vapaita tai kokonaan täynnä elektroneja. Lisäksi, jos täytetyn ja vapaan tilan välillä ei ole kaistaväliä, niin materiaali on johdin, jos kaistaväli on pieni, niin se on puolijohde, jos kaistaväli on suuri ja elektronit eivät pääse siihen sisään lämpöenergia, tämä on eriste. Kuva 1.7. kuvaa mahdollisia vyöhykekonfiguraatioita.

Johtimien sallittu kaista on osittain täytetty elektroneilla, joten jopa ulkoista jännitettä käytettäessä ne voivat saada energiaa ja liikkua kiteen ympäri. Tällainen nauharakenne on ominainen metalleille. F-tasoa, joka erottaa nauhan täytetyn ja täyttämättömän osan, kutsutaan Fermi-tasoksi. Muodollisesti se määritellään tasoksi, jonka todennäköisyys täyttyä elektroneilla on 1/2.

Riisi. 1.7. Kiteiden valenssielektronien luomien energiavyöhykkeiden mahdollinen rakenne

Puolijohteiden ja eristeiden kaistarakenne on sellainen, että alempi sallittu kaista on täysin täynnä valenssielektroneja, joten sitä kutsutaan valenssikaistaksi. Valenssikaistan yläosa on merkitty Ev. Siinä elektronit eivät voi liikkua kentän vaikutuksen alaisena (ja vastaavasti saada energiaa), koska kaikki energiatasot ovat varattuja, ja Paulin periaatteen mukaan elektroni ei voi siirtyä miehitetystä tilasta varattuun. Siksi täysin täytetyssä valenssikaistassa olevat elektronit eivät osallistu sähkönjohtavuuden luomiseen. Puolijohteiden ja eristeiden ylempi vyöhyke ulkoisen virityksen puuttuessa on vapaa elektroneista, ja jos elektroni jotenkin heitetään sinne, niin se voi sähkökentän vaikutuksesta luoda sähkönjohtavuuden, joten tätä vyöhykettä kutsutaan johtavuuskaistaksi. Johtonauhan alaosaa merkitään yleensä Ec. Johtavuuskaistan ja valenssikaistan välissä on kaistaväli Eg, jossa kvanttimekaniikan lakien mukaan elektronit eivät voi olla (kuten atomin elektroneilla ei voi olla energioita, jotka eivät vastaa elektronikuorten energioita) . Bändivälille voimme kirjoittaa:

Eg = Ec - Ev (1.4.)

Puolijohteissa, toisin kuin eristimissä, kaistaväli on pienempi, mikä vaikuttaa siihen, että materiaalia kuumennettaessa puolijohteen johtavuuskaistalle pääsee lämpöenergian vaikutuksesta paljon enemmän elektroneja kuin eristeen johtavuuskaistalle ja eristimen johtavuuteen. puolijohde voi olla useita suuruusluokkia suurempi kuin eristeen johtavuus, mutta puolijohteen ja eristimen välinen raja on ehdollinen.

Koska ulkoisen virityksen puuttuessa valenssikaista on täysin täytetty (todennäköisyys löytää elektroni kohdassa Ev = 1), johtavuuskaista on täysin vapaa (todennäköisyys löytää elektroni kohdassa Ec = 0), niin muodollisesti Fermi-tason, jonka täyttymistodennäköisyys on ½, tulisi olla nauharaossa. Laskelmat osoittavat, että se on todellakin seostamattomissa, virheettömissä puolijohteissa ja dielektrikissä (niitä kutsutaan yleensä luontaisiksi) se sijaitsee lähellä kaistavälin keskikohtaa. Elektroneja ei kuitenkaan voi olla siellä, koska niissä ei ole sallittuja energiatasoja.

Riisi. 1.7. Kaavioesitys virheettömistä piikiteistä.

Perusalkeispuolijohteet kuuluvat jaksollisen järjestelmän neljänteen ryhmään, niiden ulkokuoressa on 4 elektronia. Vastaavasti nämä elektronit ovat S:ssä (1 elektroni) ja p:ssä (3 elektronia). Kun kide muodostuu, ulommat elektronit ovat vuorovaikutuksessa ja muodostavat täysin täytetyn kuoren kahdeksalla elektronilla, kuten kuvion 1 kaaviossa esitetään. 1.7.

Tässä tapauksessa atomi voi muodostua kemialliset sidokset neljän naapurin kanssa, ts. on neljä kertaa koordinoitu. Kaikki sidokset ovat ekvivalentteja ja muodostavat tetraederisen hilan (tetraedri on kuvio, jossa on neljä identtistä pintaa).

Tetraedrin rakenne on tyypillinen timanttikiteille. Tunnetuilla puolijohteilla, kuten Si ja Ge, on timanttityyppinen rakenne.

Kun elektroni lähtee johtavuuskaistalle, se siirtyy ja voi liikkua kaistaa pitkin atomista toiseen. Siitä tulee johtavuuselektroni ja se voi luoda sähkövirran. Yleensä he sanovat: vapaa varauksenkantaja ilmestyi, vaikka itse asiassa elektroni ei poistunut kiteestä, se sai vain mahdollisuuden siirtyä kiteen paikasta toiseen.

Paikkaan, josta elektroni lähti, sähköinen neutraalisuusehto rikotaan ja ilmaantuu positiivisesti varautunut elektronivakanssi, jota kutsutaan yleisesti aukoksi (positiivinen varaus johtuu ytimen kompensoimattomasta varauksesta).

Viereinen elektroni voi siirtyä paikkaan, josta elektroni lähti, mikä johtaa positiivisesti varautuneen reiän siirtymiseen. Siten vapaan elektronisen tilan täyttävien valenssielektronien liike (Pauli-kielto kumotaan) johtaa sellaisen tyhjiön liikkumiseen, jossa varauksen kompensointiehtoa rikotaan, ts. reikiä. Sen sijaan, että otettaisiin huomioon valenssielektronien liikettä, joita valenssikaistalla on erittäin paljon, he harkitsevat positiivisesti varautuneiden reikien liikettä, joita on vähän ja jotka voivat elektronien tavoin siirtää varausta. Tämä prosessi on kuvattu kuvassa. 1.10.

Kuvassa 1.10 on esitetty kide, jossa jollain ulkoisella virityksellä, esimerkiksi valokvantilla, jonka hν > Eg, yksi elektroneista siirtyy johtavuuskaistalle (vapautuu), ts. yhden atomin yksi valenssisidos oli katkennut. Sitten atomiin sitoutumattoman elektronin lisäksi kiteeseen ilmestyi positiivisesti varautunut ioni. Itse ionin kyky liikkua kentän vaikutuksesta on hyvin pieni, joten sitä ei pidä ottaa huomioon. Koska kiteen atomit sijaitsevat lähellä toisiaan, viereisen atomin elektroni voidaan vetää tähän ioniin. Tässä tapauksessa naapuriatomiin ilmestyy positiivinen reikä, josta valenssielektroni lähti jne. Täydellisen kiteen saamiseksi, jossa ei ole epäpuhtauksia ja vikoja, elektronipitoisuus on yhtä suuri kuin aukon pitoisuus. se oma varauksenkantajien keskittymä n i = p i, ikoni i tarkoittaa kantoaaltojen pitoisuutta sisäiselle puolijohteelle (intrinsic - intrinsic). Elektronien ja reikien pitoisuuksien tulolle voimme kirjoittaa:

np = n i 2 (1,5)

On huomattava, että tämä suhde ei päde vain sisäisille puolijohteille, vaan myös seostetuille kiteille, joissa elektronipitoisuus ei ole yhtä suuri kuin aukon pitoisuus.

Riisi. 1.10. Kaavioesitys elektronin ja reiän ulkonäöstä valon absorboituessa

Reiän liikesuunta on vastakkainen elektronin liikesuuntaan nähden. Jokaiselle valenssisidoksessa olevalle elektronille on ominaista oma tasonsa. Kaikki valenssielektronien tasot sijaitsevat hyvin lähellä ja muodostavat valenssikaistan, joten reiän liikettä voidaan pitää jatkuvana prosessina, joka muistuttaa klassisen vapaan hiukkasen liikettä. Vastaavasti, koska energiatasot ovat johtavuuskaistalla hyvin lähellä, voidaan energian riippuvuutta liikemäärästä pitää jatkuvana ja vastaavasti elektronin liikettä voidaan pitää ensimmäisessä approksimaatiossa klassisen vapaan hiukkasen liikkeenä.

1.2.3. Kiteiden seostus luovuttaja- tai akseptoriepäpuhtaudella, "n"- ja "p"-tyyppisillä puolijohteilla.

Epäpuhtauksien ja vikojen esiintyminen kiteessä johtaa energiatasojen ilmaantumiseen kaistaväliin, joiden sijainti riippuu epäpuhtauden tai vian tyypistä. Puolijohteiden sähköisten ominaisuuksien hallitsemiseksi niihin lisätään erityisesti epäpuhtauksia (dopingia). Joten jaksollisen elementtijärjestelmän ryhmän IV alkeispuolijohteen käyttöönotto, esimerkiksi Si, ryhmän V elementtien epäpuhtaudet (luovuttajat) johtaa ylimääräisten elektronien ilmestymiseen ja vastaavasti elektronisen johtavuuden (n - tyyppi) hallitsemiseen ), elementtien käyttöönotto Ryhmä III aiheuttaa lisäreikiä (p-tyyppi).

Riisi. 1.12. Kaavio vapaan elektronin ja varautuneen luovuttajaatomin muodostumisesta Si:n dopingissa jaksollisen järjestelmän ryhmän V elementtien kanssa

Kuvassa 1.12 esittää kaavion Si-kiteestä, johon on lisätty fosforia (V-ryhmä). Ryhmän V alkuaineessa (luovuttaja) on 5 valenssielektronia, joista neljä muodostaa sidoksia viereisten Si-atomien kanssa, viides elektroni on sitoutunut vain epäpuhtausatomiin ja tämä sidos on muita heikompi, joten kiteen kuumennettaessa tämä elektroni irtoaa ensin, kun taas fosforiatomi saa positiivisen varauksen muuttuen ioniksi.

(1.7)

jossa E d on luovuttajaatomin ionisaatio- (aktivaatio)energia.

Luovuttajien ionisaatioenergia ei pääsääntöisesti ole korkea (0,005 - 0,01 eV) ja huoneenlämmössä lähes kaikki luovuttavat elektroninsa. Tässä tapauksessa luovuttajien ionisaatiosta johtuen ilmaantuneiden elektronien pitoisuus on suunnilleen sama kuin lisättyjen epäpuhtausatomien pitoisuus ja ylittää merkittävästi elektronien ja reikien sisäisen pitoisuuden n>> n i , joten tällaisia ​​materiaaleja kutsutaan elektronisiksi materiaaleiksi ( n-tyyppi).

Kutsumme niissä olevia elektroneja pääkantajiksi ja nimeämme vastaavasti n n , reikiä kutsutaan pieniksi varauksenkuljettajiksi ja p n .

Mieti, mitä tapahtuu, kun ryhmän III alkuaine, esimerkiksi B, viedään samaan Si:iin. Ryhmän III elementissä on 3 valenssielektronia, jotka muodostavat sidoksia viereisiin Si-atomeihin, neljäs sidos voi muodostua, jos jostakin sen elektronista tulee toinen elektroni. lähimmät naapurit, katso kuva. 10. Tällaisen siirtymän energia ei ole korkea, joten vastaava energiatason vastaanottava (akseptori) elektroni sijaitsee lähellä valenssikaistaa. Tässä tapauksessa booriatomi ionisoituu varautumalla negatiivisesti, ja elektronin poistumispaikkaan muodostuu positiivisesti varautunut reikä, joka voi osallistua varauksen siirtoon.

missä e v on valenssikaistan elektroni, E a on akseptoritason energia suhteessa valenssikaistan yläosaan.

Riisi. 1.13. Kaavio vapaan reiän ja varautuneen akseptoriatomin muodostumisesta Si:n dopingissa jaksollisen järjestelmän ryhmän III elementtien kanssa

Lisäksi ilmaantuneiden reikien määrä vastaa suunnilleen tuotujen akseptoriatomien määrää ja pääsääntöisesti ylittää merkittävästi valenssikaistalta siirtymien vuoksi syntyvien elektronien määrän, joten akseptoriepäpuhtaudella seostettu materiaali on reikä (p tyyppi).

Akseptoriepäpuhtauden lisääminen johtaa reikäpitoisuuden kasvuun ja vastaavasti Fermi-tason siirtymiseen valenssikaistalle (mitä lähempänä se on, sitä suurempi reikäpitoisuus).

Testikysymykset.

1. Miksi puolijohdekiteen elektronit voivat siirtää varausta, jos ne ovat johtavuuskaistalla, eivätkä voi siirtää varausta, jos ne ovat täytetyllä valenssikaistalla?

2. Selitä, miksi ensimmäisen ryhmän alkuaineista koostuvat kiteet ovat hyviä johtimia?

3. Mitä luulet, jos kiteistä vetyä olisi mahdollista saada, olisiko se johdin vai puolijohde?

4. Miksi alkuaineiden jaksollisen järjestelmän viidenteen ryhmään kuuluvien epäpuhtausatomien lisääminen piihin (germanium) johtaa vapaiden elektronien ilmaantumiseen johtavuuskaistalle?

5. Miksi jaksollisen alkuainejärjestelmän kolmanteen ryhmään kuuluvien epäpuhtausatomien lisääminen piiin (germanium) johtaa vapaiden reikien ilmaantumiseen johtavuuskaistalle?