🕗24.05.2008 | 🙋 | 👀27 775 | ✍️0

Ang artikulong ito ay pangunahing inilaan para sa mga nagsisimula pa lamang sa kanilang mga unang hakbang sa larangan ng radio engineering, ngunit maaari rin itong maging kapaki-pakinabang para sa mga may karanasang radio amateur o mga mag-aaral.

Sa unang bahagi ng artikulo, ipinaliwanag ang mga prosesong nagaganap sa semiconductors sa antas ng atomic, tulad ng mga konsepto tulad ng bandang valence, banda ng pagpapadaloy, intrinsic electrical conductivity at iba pa.
Ang natitirang limang bahagi ay unti-unting ilalatag sa seksyong "Mga Nagsisimula."

Mga diagram ng istruktura at enerhiya ng isang purong semiconductor

Ang mga semiconductor ay mga sangkap na, sa kanilang resistivity, ay sumasakop sa isang intermediate na posisyon sa pagitan ng mga conductor at dielectrics. katangian na tampok Semiconductor, na nagpapakilala sa kanila mula sa iba pang mga sangkap, ay ang malakas na pag-asa ng kanilang paglaban sa temperatura at konsentrasyon ng karumihan.

Sa paggawa ng mga aparatong semiconductor, ang pinakamalawak na ginagamit na materyales ay germanium at silikon. Mayroon silang mala-kristal na istraktura at matatagpuan sa pangkat IV ng periodic table.

Ang lahat ng mga sangkap ay binubuo ng mga atomo. Kasama sa isang atom ang isang positibong sisingilin na nucleus at mga electron na umiikot sa paligid nito sa mga orbit na may isang tiyak na radius.

Ang enerhiya ng mga electron ng isang atom ay maaaring katawanin bilang isang diagram (Larawan 3.1, a). Tulad ng makikita mula sa figure, ang mga electron sa isang atom ay maaari lamang magkaroon ng enerhiya na katumbas ng W1, W2, W3, W4, at hindi maaaring magkaroon ng mga intermediate na antas.

Ang mga electron na umiikot sa mga panlabas na shell ay tinatawag na valence electron. Ito ay itinatag na hindi hihigit sa dalawang electron ang maaaring magkaroon ng parehong enerhiya sa isang atom ng anumang sangkap. Sa madaling salita, hindi hihigit sa dalawang electron ang maaaring nasa isang antas ng enerhiya. Dahil ang sangkap ay naglalaman ng isang malaking bilang ng mga atom, dahil sa kanilang pakikipag-ugnayan, ang mga antas ng enerhiya ng mga electron na umiikot sa parehong mga orbit ay nagbabago kaugnay sa mga antas ng enerhiya ng parehong mga electron sa isang hiwalay na "nakahiwalay" na atom. Bilang isang resulta, ang buong mga zone ng enerhiya ay nabuo, na binubuo ng malapit na pagitan ng mga antas ng enerhiya. Ang mga antas ng enerhiya na nabuo ng mga electron ng valence ay tinatawag bandang valence(Larawan 3.1, b).

Ang pagbuo ng mga libreng electron at mga butas sa isang semiconductor

Sa absolute zero (ang absolute zero ay ang pinakamababang posibleng temperatura na -273.16 ° C; sa kasalukuyan, naabot na ang mga temperatura na naiiba sa absolute zero sa pamamagitan ng mga hindi gaanong praksyon ng isang degree), lahat ng valence electron ay nasa mga orbit at matatag na nauugnay sa mga atomo. Samakatuwid, sa naturang semiconductor ay walang mga libreng electron at ito ay isang perpektong insulator (dielectric). Habang tumataas ang temperatura, ang mga valence electron ay nakakakuha ng karagdagang enerhiya at maaaring humiwalay sa atom. Ang hiwalay na elektron ay nagiging "libre". Ang mga antas ng enerhiya ng mga libreng electron ay bumubuo ng isang conduction band na matatagpuan sa itaas ng valence band at pinaghihiwalay mula dito ng isang band gap ng lapad ΔW (Larawan 3.1, c).
Ang mga libreng electron ay maaaring lumipat sa semiconductor at sa gayon ay lumahok sa pagbuo ng isang electric current. Ang mas maraming mga libreng electron sa bawat yunit ng dami ng isang sangkap, mas mababa ang resistensya nito.

Ang mga covalent bond ay umiiral sa pagitan ng mga atomo sa isang semiconductor na kristal. Ang isang covalent bond ay nabuo dahil sa pag-ikot ng dalawang electron na kabilang sa dalawang magkatabing atomo sa isang karaniwang orbit (Larawan 3.2, a). Ang Germanium at silicon ay mga tetravalent na elemento, at ang kanilang mga atomo ay may 4 na valence electron. Bilang resulta ng pagbuo ng ipinares mga covalent bond lahat ng germanium at silicon atoms ay magkakaugnay. Ang mga flat na modelo ng mga kristal na sala-sala ng purong germanium Ge at silicon Si ay ipinapakita sa Fig. 3.2b. Sa figure na ito, ang mga ipinares na covalent bond ay ipinapakita bilang dalawang parallel na linya na nagkokonekta sa dalawang magkalapit na atoms, at ang mga electron na bumubuo sa mga bond na ito ay ipinapakita bilang mga itim na tuldok.

Kapag ang karagdagang enerhiya ay ibinibigay sa elektron, ang covalent bond ay maaaring masira at ito ay magiging libre.
Ang lugar sa panlabas na orbit ng atom kung saan ang elektron ay dating matatagpuan ay tinatawag na isang butas. Sa diagram ng enerhiya, ang isang butas ay tumutugma sa isang libreng antas ng enerhiya sa valence band, kung saan ang electron ay dumaan sa conduction band (Larawan 3.2, d).

Ang pagbuo ng mga libreng electron sa conduction band at mga butas sa valence band ay tinatawag na henerasyon ng mga mobile charge carrier, o ang henerasyon ng mga pares ng electron-hole, dahil ang hitsura ng isang libreng electron sa conduction band ay kinakailangang sinamahan ng hitsura ng isang butas sa valence band.

Ang isang libreng elektron ay maaaring, na nawawala ang bahagi ng enerhiya nito, lumipat mula sa banda ng pagpapadaloy patungo sa banda ng valence, na pinupunan ang isa sa mga butas dito. Ibinabalik nito ang covalent bond. Ang prosesong ito ay tinatawag na recombination. Kaya, ang recombination ay palaging sinasamahan ng pagkawala ng isang pares ng electron-hole.

Mga electron at hole currents sa semiconductors

Sa isang ibinigay na temperatura, ang isang semiconductor ay palaging may sirang covalent bond, ibig sabihin, isang tiyak na bilang ng mga libreng electron at isang kaukulang bilang ng mga butas. Kung ang isang mapagkukunan ng boltahe ay konektado sa naturang semiconductor, ang mga libreng electron sa ilalim ng pagkilos ng nagreresulta electric field lilipat patungo sa positibong poste, lumilikha kuryente. Bilang karagdagan, ang mga electron ay maaaring mag-iwan ng ilang mga covalent bond at ibalik ang iba - ang mga nawasak. Kasabay nito, ang isang butas ay nawawala sa isang lugar, at lumilitaw sa isa pa, mula sa kung saan umalis ang elektron. Dahil dito, hindi lamang ang mga electron, kundi pati na rin ang mga butas ay maaaring lumipat sa isang semiconductor, at ang electric current ay may kasamang dalawang bahagi: isang electronic, na nabuo sa pamamagitan ng paglipat ng mga libreng electron, at isang butas, na nilikha ng paglipat ng mga butas. Ang isang butas ay may kondisyon na tumutugma sa isang positibong yunit ng singil, katumbas ng singil ng isang elektron.

Ang mga semiconductor na binubuo lamang ng germanium o silicon atoms ay tinatawag na pure, o intrinsic, at electrical conductivity (ang kakayahang magsagawa ng electric current), dahil sa pagkakaroon ng mga libreng electron at butas, ay tinatawag na intrinsic electrical conductivity.

Impurity n-type semiconductors

Upang maibigay ang mga kinakailangang katangian sa mga aparatong semiconductor, ang mga dumi ng iba pang mga elemento ay idinagdag sa mga semiconductor. Dahil dito, ang mga elemento ng penta- at trivalent na matatagpuan sa V at III pangkat mga periodic table.

Kapag ang mga elemento ng pentavalent (phosphorus P, arsenic As, antimony Sb, atbp.) ay ipinakilala sa germanium o silikon, apat na valence electron ng mga atom ng impurity ang bumubuo ng matatag na covalent bond na may mga atomo ng pangunahing sangkap. Ang ikalimang valence electron ng mga atomo ng karumihan ay lumalabas na sobra-sobra, parang, sila ay mahinang nakagapos sa mga atomo, at ang thermal energy na ibinibigay sa kanila sa temperatura ng silid ay sapat na para sa kanila na humiwalay sa mga atomo at maging malaya. Sa kasong ito, ang impurity atom ay nagiging positibong ion.

Ang hitsura ng mga libreng electron ay hindi sinamahan ng karagdagang pagkasira ng mga covalent bond, ngunit, sa kabaligtaran, ang ilang mga butas ay "nawala", muling pinagsama (pagpapanumbalik ng bono) na may mga libreng electron. Dahil dito, sa naturang mga semiconductor mayroong mas maraming libreng electron kaysa sa mga butas, at ang daloy ng kasalukuyang sa pamamagitan ng semiconductor ay higit na matutukoy ng paggalaw ng mga electron at, sa isang napakaliit na lawak, sa pamamagitan ng paggalaw ng mga butas. Ito ay mga n-type na semiconductors (mula sa salitang Latin na negatibo-negatibo), habang ang mga impurities ay tinatawag na mga donor. Ang diagram ng enerhiya ng isang n-type na semiconductor ay ipinapakita sa fig. 3.3, a.

Impurity p-type semiconductors

Kung ang mga trivalent atoms ng boron B, indium In, aluminum Al, gallium Ga, atbp. ay ipinakilala sa germanium o silicon, pagkatapos ay tatlong valence electron ng impurity atoms ang bumubuo ng matatag na covalent bond na may tatlong katabing atomo ng pangunahing sangkap. Upang makabuo ng ikaapat na covalent bond, ang impurity atoms ay kulang ng isang electron bawat isa. Natatanggap nila ang mga electron na ito bilang resulta ng pagkasira ng mga covalent bond sa pagitan ng mga atomo ng base substance. Bukod dito, ang isang butas ay nabuo bilang kapalit ng umalis na elektron, at ang mga impurity atoms na nakatanggap ng isang electron bawat isa ay nagiging mga negatibong ion. Kaya, ang isang karagdagang bilang ng mga butas ay nabuo sa semiconductor, at ang bilang ng mga libreng electron ay hindi tumataas. Ang electric current sa naturang semiconductor ay pangunahing nabuo sa pamamagitan ng paggalaw ng mga butas sa valence band at, sa isang maliit na lawak, sa pamamagitan ng paggalaw ng mga libreng electron sa conduction band. Ang mga ito ay p-type semiconductors (mula sa Latin na positibo - positibo). Ang mga impurities ay tinatawag na acceptors.

Ang diagram ng enerhiya ng isang impurity p-type semiconductor ay ipinapakita sa fig. 3.3b.
Ang mga mobile carrier ng electric charge, na nananaig sa isang semiconductor ng ganitong uri, ay tinatawag na basic, ang natitira - menor de edad. Sa isang n-type na semiconductor, ang karamihan sa mga carrier ng singil ay mga electron, at ang minorya ay mga butas; sa isang p-type na semiconductor, sa kabaligtaran, ang mga butas ay ang karamihan sa mga carrier, at ang mga electron ay mga minorya.

1.2. Istraktura ng semiconductor.

Ang konsepto ng isang butas

Ang istraktura ng semiconductor

Ang pinakakaraniwang semiconductor ay atomic semiconductors silicon Si, germanium Ge, at mga semiconductor compound tulad ng gallium arsenide GaAs, indium phosphide InP. Ginagamit din ang mga semiconductor
at
, saan at -mga elemento ng kaukulang pangkat ng periodic table.

Ang mga kristal na semiconductor ay may istrakturang tulad ng diyamante. Sa istrukturang kristal na ito, ang bawat atom ng kristal ay napapalibutan ng 4 na kapitbahay na nasa parehong distansya mula sa atom. Ang bono sa pagitan ng mga atomo sa isang kristal ay pairwise electronic o co
valente. Ipinapakita ng mga figure XXX ang three-dimensional at two-dimensional na bersyon ng silicon na sala-sala. Ang istraktura ng tetrahedral ay dalawang nakasentro sa mukha na mga kubiko na lattice na itinutulak sa isa't isa. Ang pag-aalis ng mga sala-sala na may kaugnayan sa bawat isa ay isinasagawa kasama ang pangunahing dayagonal ng kubo sa layo na katumbas ng isang quarter ng haba ng pangunahing dayagonal (tingnan ang Fig.)

Ang mga kumplikadong semiconductor compound tulad ng GaAs, InP, PbS at iba pang binary o ternary compound ay mayroon ding diamond type lattice. Ngunit sa mga compound na ito, ang isang atom ng isang elemento ay napapalibutan ng apat na atomo ng isa pa. Ang bono sa pagitan ng mga atomo ay covalent.

Ang konsepto ng isang butas

Kapag ang isang electron ay pumasa sa conduction band mula sa isang filled (valence) band, isang unfilled place ang nananatili sa valence band, na madaling sakupin ng anumang electron mula sa parehong banda. Bilang resulta, ang nagresultang bakante ay nakakakuha ng kakayahang lumipat sa loob ng valence band. Ang pag-uugali nito sa maraming paraan ay kahawig ng isang particle na may positibong singil.

Tulad ng nabanggit, ang mga semiconductor ay naiiba sa mga metal at dielectric dahil ang kanilang conduction band sa mga temperatura maliban sa absolute zero ay "halos walang laman", habang ang kanilang valence band ay "halos mapuno". Ngunit nangangahulugan ito na kapag isinasaalang-alang ang kondaktibiti sa mga semiconductor, kinakailangang isaalang-alang ang paggalaw ng kasalukuyang mga carrier kapwa sa conduction band at sa valence band.

Upang gawing simple ang pagsasaalang-alang ng transportasyon ng carrier sa isang "halos napuno" na valence band, ang konsepto ng isang "butas" ay ipinakilala. Gayunpaman, dapat isa palaging tandaan na mayroon lamang isang uri ng kasalukuyang carrier sa semiconductors - ito ay mga electron. Ang mga butas ay mga quasiparticle, ang pagpapakilala nito ay ginagawang posible lamang na gawing simple ang representasyon ng paggalaw ng mga electron sa valence band. Ang isang butas ay ang kawalan ng isang elektron. Ang mga katangian ng mga butas ay katulad ng sa mga electron, dahil sinasakop nila ang parehong estado ng enerhiya. Ngunit ang butas ay nagdadala ng positibong singil.

Ipinapakita ng figure ang diagram ng enerhiya ng isang semiconductor na inilagay sa isang panlabas electric field may tensyon . Ang gradient ng mga antas ng enerhiya ng band diagram ng isang semiconductor sa isang pare-parehong electric field ay magiging pare-pareho, at ito ay tinutukoy ng magnitude ng electric field (mamaya ay isasaalang-alang namin nang mas detalyado ang mga diagram ng enerhiya ng mga semiconductor sa ilalim ng pagkilos ng mga patlang ng kuryente).

Ang mga electron ng conduction band ay lumipat sa tapat ng direksyon ng panlabas na electric field, i.e. patungo sa pagbaba . Ang mga electron sa valence band ay gumagalaw sa parehong direksyon. Ang kabuuang electron current density ng valence band ay maaaring isulat bilang

saan ay ang dami ng semiconductor, ay ang singil ng isang elektron, -bilis i- na electron ng valence band. Ang pagsusuma ay isinasagawa sa lahat ng mga electron sa valence band. Ang expression na ito ay maaaring isulat sa ibang paraan, na ipinapahayag ito sa mga tuntunin ng bilang ng mga estado ng valence band na hindi inookupahan ng mga electron.

Ngunit ang kasalukuyang density na nabuo ng lahat ng mga electron sa napunong valence band ay zero. Samakatuwid, isang huling termino na lamang ang natitira sa huling pormula, na maaaring isulat bilang

Ang ratio na ito ay maaaring bigyang-kahulugan bilang mga sumusunod. Ang kasalukuyang ay nabuo sa pamamagitan ng mga positibong carrier na nauugnay sa mga walang tao na estado ng valence band. Ang mga carrier na ito ay tinatawag na mga butas. Ipinapaalala namin sa iyo na walang mga tunay na carrier - mga butas. Ito ay isang maginhawang modelo lamang para sa kumakatawan sa kasalukuyang nabuo ng mga electron sa valence band. Ang dahilan para sa pagpapakilala ng konsepto ng isang butas ay ginagawang posible na gawing simple ang paglalarawan ng isang grupo ng isang napakalaking bilang ng mga electron sa isang halos puno ng valence band. Ito ay madalas na nagiging mas maginhawa upang subaybayan ang mga magagamit na bakante, isinasaalang-alang ang mga ito bilang ilang hypothetical particle - mga butas (isang bula sa isang baso na may carbonated na inumin ay maaaring magsilbi bilang isang simpleng hydromechanical analogue ng isang butas). Ang mga butas na hindi tunay na bagay ng kalikasan ay kadalasang may mga kakaibang katangian. Kaya't ang kanilang epektibong masa ay hindi kailangang ipahayag bilang isang positibong numero, ngunit kadalasan ay nagiging isang halaga ng tensor. Kasama ng mga phonon, ang mga butas ay mga quasiparticle na ipinakilala sa teorya batay sa mga pagkakatulad sa mga formula na naglalarawan sa pag-uugali ng mga tunay na bagay. Tulad ng mga positibong particle, ang mga butas ay pinabilis ng isang electric field at nag-aambag sa conductivity ng mga semiconductor crystal.

Pansinin namin sa pagpasa na ang mga conduction electron, mahigpit na pagsasalita, ay mga quasiparticle din. Mula sa punto ng view ng quantum mechanics, ang lahat ng mga electron ng isang kristal ay sa panimula ay hindi nakikilala, na ginagawang walang kabuluhan na subukang sagutin ang tanong kung aling elektron ang dumaan sa conduction band. Ang electric current sa isang kristal ay dahil sa napakakomplikadong pag-uugali ng lahat ng mga electron na naroroon dito nang walang pagbubukod. Gayunpaman, ang mga equation na naglalarawan sa pag-uugali na ito ay nagpapakita ng malapit na pagkakahawig sa mga equation ng paggalaw ng napakaliit lamang na bilang ng mga sisingilin na particle - mga electron at butas.

Shurenkov V.V.

Ang layunin ng gawain ay upang maging pamilyar sa mga pisikal na proseso sa EHP, pag-aralan ang kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng germanium at silicon diodes at ang kanilang pag-asa sa band gap ng semiconductor at temperatura, matukoy ang band gap ng germanium, at pag-aralan ang p-n junction bilang light receiver (photodiode).

MGA ELECTRON AT BUTAS SA MGA SEMICONDUCTOR

Sa isang solid, ang mga atomo ay pinaghihiwalay mula sa isa't isa sa isang distansya ng pagkakasunud-sunod ng isang sukat ng atom, kaya sa loob nito ang mga electron ng valence ay maaaring dumaan mula sa isang atom patungo sa isa pa. Gayunpaman, ang prosesong ito ay hindi direktang humahantong sa electrical conductivity, dahil ang pamamahagi ng density ng elektron ay karaniwang mahigpit na naayos. Halimbawa, sa germanium at silikon, dalawang electron ang nagsasagawa ng covalent bond sa pagitan ng dalawang magkalapit na atomo sa kristal. Upang lumikha ng conductivity, kinakailangan upang masira ang hindi bababa sa isa sa mga bono, alisin ang isang elektron mula dito at ilipat ito sa ilang iba pang mga cell ng kristal, kung saan ang lahat ng mga bono ay napuno, at ang elektron na ito ay magiging labis. Ang gayong elektron ay lumilipat mula sa cell patungo sa cell. Ang pagiging sobra, nagdadala ito ng labis na negatibong singil, i.e. nagiging conduction electron.

Ang naputol na bono ay nagiging isang butas na gumagala sa kristal, dahil ang elektron ng kalapit na bono ay mabilis na pumalit sa lugar ng umalis. Ang kakulangan ng isang elektron sa isa sa mga bono ay nangangahulugan na ang isang pares ng mga atomo ay may isang positibong singil, na inililipat kasama ng butas. Ang mga electron at hole ay mga carrier ng libreng bayad sa semiconductors. Sa mga perpektong kristal, na walang mga impurities o mga depekto, ang paggulo ng isa sa mga nakagapos na electron at ang pagbabago nito sa isang conduction electron ay hindi maiiwasang maging sanhi ng paglitaw ng isang butas, upang ang mga konsentrasyon ng parehong uri ng mga carrier ay pantay.

Para sa pagbuo ng isang pares ng electron-hole, kinakailangan na gumastos ng enerhiya na lumampas sa band gap Ed; halimbawa, para sa germanium Ed = 0.66 eV. para sa silikon Ed=1.11 eV.

Bilang karagdagan sa proseso ng pagbuo ng mga electron at butas, mayroong isang reverse na proseso - ang kanilang pagkawala, o recombination. Ang conduction electron, na malapit sa butas, ay nagpapanumbalik ng nasirang bono. Sa kasong ito, nawawala ang isang conduction electron at isang butas. Sa kawalan ng mga panlabas na impluwensya, tulad ng liwanag, isang dynamic na balanse ng mga proseso na nagaganap sa parehong direksyon ay itinatag. Ang mga konsentrasyon ng equilibrium ng mga electron at butas ay tinutukoy ng ganap na temperatura T, band gap Ed, konsentrasyon ng karumihan, at iba pang mga kadahilanan. Gayunpaman, ang produkto ng mga konsentrasyon ng mga electron at butas (n at p, ayon sa pagkakabanggit) ay hindi nakasalalay sa dami ng mga impurities at tinutukoy para sa isang naibigay na semiconductor sa pamamagitan ng temperatura at halaga ng Ed:

kung saan ang k ay ang Boltzmann constant; Ang A ay ang koepisyent ng proporsyonalidad.

Isaalang-alang ang dalawang kahihinatnan ng formula. Sa isang intrinsic (walang impurity) semiconductor, ang parehong mga konsentrasyon ng mga electron at butas ay magiging katumbas ng

Sa impurity semiconductors, na may sapat na malaking halaga ng karumihan, ang konsentrasyon ng karamihan sa mga carrier ay humigit-kumulang katumbas ng konsentrasyon ng karumihan. Halimbawa, sa isang n-type na semiconductor, ang konsentrasyon ng elektron ay katumbas ng konsentrasyon ng mga atomo ng donor; kung gayon ang konsentrasyon ng mga butas (mga carrier ng minorya) ay katumbas ng:

ELECTRON-HOLE TRANSITION SA ISANG EQUILIBRIUM STATE

Sa isang solong kristal, posible na lumikha ng isang matalim na paglipat mula sa isang n-type na semiconductor patungo sa isang p-type na semiconductor. Sa figure, ang p-type na bahagi ng kristal, sa kaliwa ng linya ng MM, ay naglalaman ng mga pangunahing -carrier - mga butas, humigit-kumulang sa parehong bilang ng mga negatibong acceptor ions at isang hindi gaanong bilang ng mga electron. Ang kanang bahagi, n-type, ay naglalaman, ayon sa pagkakabanggit, mga conduction electron (pangunahing carrier), positibong mga donor ions, at isang maliit na bilang ng mga butas.

VOLT-AMPERE NA KATANGIAN NG IDEAL EMF

Ang I(U) dependence ay tinatawag na kasalukuyang-boltahe na katangian ng EAF (diode).

Depende sa halaga ng boltahe ng supply at ang polarity ng pinagmulan, ang taas ng hadlang sa EHP ay nagbabago nang hindi nagbabago ang polarity ng double layer ng mga singil. Dahil ang mga carrier ng minorya ay "gumaalis" sa hadlang, ang kasalukuyang minorya ay nananatiling pare-pareho habang nagbabago ang taas ng hadlang. Ang kasalukuyang ng mga pangunahing carrier, na "umakyat" sa hadlang, ay napaka-sensitibo sa taas nito: kapag ang hadlang ay itinaas, mabilis itong bumababa sa zero, at kapag ang hadlang ay ibinaba, maaari itong tumaas ng ilang mga order ng magnitude. Upang makuha ang pag-asa ng kasalukuyang sa boltahe, kinakailangang malaman ang spectrum ng enerhiya ng mga particle. Sa pangkalahatan, ang pag-asa na ito ay medyo kumplikado, ngunit upang ilarawan ang mga proseso sa EHP, kinakailangang malaman lamang ang pinaka "enerhiya" na bahagi ng spectrum, ang "buntot" ng pamamahagi, dahil sa mga praktikal na kaso lamang ang pinakamabilis na mga particle ay kayang malampasan ang hadlang. Ang spectrum ng naturang mabilis na mga electron ay exponential.

Sa pasulong na paghahalo, ang kasalukuyang dumadaloy sa positibong direksyon, habang may reverse bias, ang direksyon ng kasalukuyang ay baligtad. Magtalaga tayo ng plus sign sa boltahe U para sa forward bias at isang minus sign para sa reverse bias. Pagkatapos ay posible na makakuha ng dependence na naglalarawan sa kasalukuyang-boltahe na katangian ng isang perpektong paglipat ng electron-hole

Ang teoretikal na kasalukuyang-boltahe na katangian ng p - p junction, na kinakalkula ng formula sa temperatura ng silid T \u003d 295 K, ay ipinapakita sa figure at sa talahanayan (boltahe U sa volts). Ang dependence I(U) ay may binibigkas na nonlinearity, i.e. ang kondaktibiti (o paglaban) ng p - n junction ay lubos na nakadepende sa U. Sa isang reverse bias, ang isang kasalukuyang Ay ng mga minoryang carrier ay dumadaloy sa junction, na tinatawag na saturation current, na kadalasang maliit at halos hindi nakasalalay sa boltahe.

Tulad ng makikita mula sa formula, ang saturation current ay nagtatakda ng sukat sa kahabaan ng I axis ng kasalukuyang-boltahe na katangian. Ang halaga ng Is ay proporsyonal sa lugar ng paglipat, ang konsentrasyon ng mga carrier ng minorya, at ang kanilang bilis ng magulong paggalaw. Isinasaalang-alang ang formula, nakuha namin ang sumusunod na pag-asa ng kasalukuyang saturation sa band gap at temperatura:

kung saan ang C ay ang koepisyent ng proporsyonalidad, independiyente sa Ed at T.

Tinutukoy ng exponential factor ang malakas na pag-asa ng kasalukuyang sa parehong temperatura at band gap. Sa pagtaas ng Ed, halimbawa, kapag pinapalitan ang germanium ng silikon, ang kasalukuyang Ay bumababa ng ilang mga order ng magnitude, ang mga diode ng silikon ay halos hindi pumasa sa kasalukuyang sa kabaligtaran na direksyon; bilang kinahinatnan, ang CVC ay nagbabago na may pasulong na bias (sa husay, ang mga pagbabagong ito ay makikita sa Fig.). Ang kasalukuyang saturation ay tumataas sa pag-init; halimbawa, para sa germanium, ang pagkalkula ayon sa formula ay nagbibigay ng pagtaas sa kasalukuyang sa pamamagitan ng isang kadahilanan na 80 kapag pinainit mula sa temperatura ng silid ng 60 ° C (mula 295 hanggang 355 K). Ang mga pagbabago sa CVC sa panahon ng pag-init ay ipinapakita sa fig.

Mula sa eksperimento kung saan ang saturation current ay sinusukat sa iba't ibang temperatura, mahahanap mo ang halaga ng Unit. Ang resultang pag-asa ay dapat ihambing sa formula, na binago ng logarithm sa anyo

Kung ang mga punto ay namamalagi sa isang tuwid na linya, pagkatapos ay kinukumpirma ng karanasan ang exponential dependence ng kasalukuyang sa reciprocal na temperatura.

EDP ​​BILANG LIGHT RECEIVER (Photodiode)

Maaaring masira ng liwanag ang isang electronic bond sa isang semiconductor, na bumubuo ng conduction electron at isang butas (sa band diagram, isang electron ang gumagalaw mula sa valence band patungo sa conduction band). Sa kasong ito, ang konsentrasyon ng carrier (at ang conductivity ng semiconductor) ay nagiging higit sa halaga ng equilibrium. Ang prosesong ito ay tinatawag na panloob na photoelectric effect (sa kaibahan sa panlabas na photoelectric effect, na may panloob na photoelectric effect, ang elektron ay hindi lumipad palabas). Ang electronic bond ay nasira ng isang quantum ng liwanag (photon), ang enerhiya nito ay dapat lumampas sa halaga ng Unit. Samakatuwid, ang panloob na epekto ng photoelectric ay may "pulang hangganan". Para sa silicon, na mas mahaba kaysa sa wavelength ng nakikitang liwanag.

Kapag ang p-n junction ay iluminado, ang mga karagdagang pares ng electron-hole ay nabuo. Sa sapat na pag-iilaw, maaari nilang makabuluhang taasan ang konsentrasyon ng mga carrier ng minorya, na kakaunti, halos hindi binabago ang porsyento ng mga pangunahing carrier. Sa kasong ito, ang kasalukuyang ng mga carrier ng minorya - Ay, na umiral sa dilim, ay pupunan ng isang photocurrent - I, na dumadaloy sa parehong direksyon.

Ang photocurrent ay katumbas ng pagkakaiba sa pagitan ng kasalukuyang at ng kasalukuyang, na sa kasong ito ay tinatawag na madilim na kasalukuyang. Sa sapat na mataas na pag-iilaw, ang madilim na kasalukuyang ay maaaring maging isang maliit na bahagi ng kabuuang kasalukuyang. Ang isang electron-hole junction na espesyal na ginawa para sa pag-detect ng liwanag at pagpapatakbo sa ilalim ng reverse bias ay tinatawag na photodiode. Ito ay isang simple at maginhawang light receiver, ang photocurrent na kung saan ay proporsyonal sa pag-iilaw E.

DESCRIPTION NG LABORATORY SETUP

Ang isang pinasimple na diagram na hindi nagpapakita ng mga switch ay ipinapakita sa fig. Ang Diode D (silicon o germanium) sa pamamagitan ng isang risistor R ay konektado sa isang palaging pinagmumulan ng boltahe (SP) na nag-iiba mula 0 hanggang 15 V. Variable risistor Ginagamit din ang R1 upang baguhin ang boltahe sa diode. Gamit ang isang high-resistance digital voltmeter, sukatin ang mga boltahe U sa kabuuan ng diode at Ur sa isang kilalang resistance R upang kalkulahin ang kasalukuyang I=Ur/R. Upang sukatin ang maliliit na alon, ang isang malaking pagtutol ay nakatakda.

Ang dalawang diode, isang heater at isang thermocouple junction ay mahigpit na naayos sa isang metal plate na matatagpuan sa isang silid na may takip. Para sa mga eksperimento na may liwanag, ang proteksiyon na shell ng silicon diode ay tinanggal, at kapag nakabukas ang takip, ang p-n junction ay maaaring iluminado ng lampara. Ang isang thermocouple ay ginagamit upang sukatin ang temperatura ng mga diode. Binubuo ito ng dalawang metal conductor - tanso at constantan (espesyal na haluang metal), ang kantong kung saan ay nasa thermal contact sa mga diode sa sinusukat na temperatura T. Ang iba pang mga dulo ng mga wire ay konektado sa isang voltmeter, mayroon silang temperatura ng silid T 1 - 295 K. Kapag magkaiba ang temperatura T at T 1, lumilitaw ang thermopower U T sa circuit, proporsyonal sa pagkakaiba ng temperatura at sinusukat ng voltmeter. Ang temperatura ng mga diode sa Kelvin ay maaaring kalkulahin ng formula

T=295+24.4 U T ,

kung saan ang boltahe U T ay dapat kunin sa millivolts.

Mga paksa ng USE codifier: semiconductor, intrinsic at extrinsic conductivity ng semiconductors.

Hanggang ngayon, nagsasalita tungkol sa kakayahan ng mga sangkap na magsagawa ng electric current, hinati namin sila sa mga conductor at dielectrics. Ang tiyak na pagtutol ng mga ordinaryong konduktor ay nasa hanay ng Ohm m; ang resistivity ng dielectrics ay lumampas sa mga halagang ito sa karaniwan sa pamamagitan ng mga order ng magnitude: Ohm m.

Ngunit mayroon ding mga sangkap na, sa kanilang electrical conductivity, ay sumasakop sa isang intermediate na posisyon sa pagitan ng mga conductor at dielectrics. ito semiconductor: ang kanilang resistivity sa temperatura ng silid ay maaaring tumagal sa mga halaga sa isang napakalawak na hanay ng ohm m. Kasama sa mga semiconductor ang silicon, germanium, selenium, ilang iba pang elemento at compound ng kemikal (Ang mga semiconductor ay napakakaraniwan sa kalikasan. Halimbawa, mga 80% ng masa crust ng lupa ay mga sangkap na semiconductor). Ang silikon at germanium ay ang pinakakaraniwang ginagamit.

Ang pangunahing tampok ng semiconductors ay ang kanilang kondaktibiti ng kuryente ay tumataas nang husto sa pagtaas ng temperatura. Ang resistivity ng isang semiconductor ay bumababa sa pagtaas ng temperatura na humigit-kumulang tulad ng ipinapakita sa Fig. isa.

kanin. 1. Pag-asa para sa isang semiconductor

Sa madaling salita, sa mababang temperatura, ang mga semiconductor ay kumikilos tulad ng mga dielectric, at sa mataas na temperatura, kumikilos sila tulad ng medyo mahusay na mga conductor. Ito ang pagkakaiba sa pagitan ng mga semiconductor at mga metal: ang resistivity ng metal, tulad ng naaalala mo, ay tumataas nang linear sa pagtaas ng temperatura.

Mayroong iba pang mga pagkakaiba sa pagitan ng mga semiconductor at mga metal. Kaya, ang pag-iilaw ng isang semiconductor ay nagdudulot ng pagbaba sa paglaban nito (at ang liwanag ay halos walang epekto sa paglaban ng isang metal). Bilang karagdagan, ang electrical conductivity ng semiconductors ay maaaring magbago nang napakalakas sa pagpapakilala ng kahit na isang hindi gaanong halaga ng mga impurities.

Ipinapakita ng karanasan na, tulad ng sa kaso ng mga metal, kapag ang kasalukuyang dumadaloy sa isang semiconductor, walang paglilipat ng bagay. Samakatuwid, ang electric current sa semiconductors ay dahil sa paggalaw ng mga electron.

Ang pagbaba sa paglaban ng isang semiconductor kapag ito ay pinainit ay nagpapahiwatig na ang pagtaas ng temperatura ay humahantong sa pagtaas ng bilang ng mga libreng singil sa semiconductor. Walang ganito ang nangyayari sa mga metal; samakatuwid, ang mga semiconductor ay may ibang mekanismo ng electrical conductivity kaysa sa mga metal. At ang dahilan nito ay ang iba't ibang kalikasan kemikal na dumidikit sa pagitan ng metal at semiconductor atoms.

covalent bond

Ang metal na bono, tandaan, ay ibinibigay ng isang gas ng mga libreng electron, na, tulad ng pandikit, ay nagtataglay ng mga positibong ion sa mga site ng sala-sala. Ang mga semiconductor ay nakaayos nang iba - ang kanilang mga atomo ay pinagsama-sama covalent bond. Tandaan natin kung ano ito.

Mga electron na matatagpuan sa panlabas na antas ng elektroniko at tinatawag valence, ay mas mahinang nakagapos sa atom kaysa sa iba pang mga electron, na matatagpuan mas malapit sa nucleus. Sa proseso ng pagbuo ng isang covalent bond, dalawang atomo ang nag-aambag "sa karaniwang dahilan" ng isa sa kanilang mga valence electron. Ang dalawang electron na ito ay nakikisalamuha, iyon ay, sila ngayon ay nabibilang sa parehong mga atomo, at samakatuwid ay tinatawag na karaniwang pares ng elektron(Larawan 2).

kanin. 2. Covalent bond

Ang sosyalisadong pares ng mga electron ay humahawak lamang sa mga atomo malapit sa isa't isa (sa tulong ng mga puwersang pang-akit ng kuryente). Ang covalent bond ay isang bono na umiiral sa pagitan ng mga atomo dahil sa karaniwang mga pares ng elektron.. Para sa kadahilanang ito, ang isang covalent bond ay tinatawag din pares-elektron.

Crystal na istraktura ng silikon

Handa na kaming tingnan nang mabuti ang mga panloob ng semiconductor. Bilang halimbawa, isaalang-alang ang pinakakaraniwang semiconductor sa kalikasan - silikon. Ang pangalawang pinakamahalagang semiconductor, germanium, ay may katulad na istraktura.

Ang spatial na istraktura ng silikon ay ipinapakita sa fig. 3 (larawan ni Ben Mills). Ang mga silikon na atomo ay inilalarawan bilang mga bola, at ang mga tubo na nagkokonekta sa kanila ay mga channel ng covalent bonding sa pagitan ng mga atomo.

kanin. 3. Crystal na istraktura ng silikon

Tandaan na ang bawat silicon atom ay nakagapos sa apat mga kalapit na atomo. Bakit ganun?

Ang katotohanan ay ang silikon ay tetravalent - sa panlabas na shell ng elektron ng silicon atom mayroong apat na valence electron. Ang bawat isa sa apat na electron na ito ay handa na upang bumuo ng isang karaniwang pares ng elektron na may valence electron ng isa pang atom. At kaya nangyari ito! Bilang resulta, ang silicon na atom ay napapalibutan ng apat na naka-dock na mga atomo, na ang bawat isa ay nag-aambag ng isang valence electron. Alinsunod dito, mayroong walong electron sa paligid ng bawat atom (apat ang sarili at apat na dayuhan).

Nakikita natin ito nang mas detalyado sa isang flat diagram ng silicon crystal lattice (Fig. 4).

kanin. 4. Kristal na sala-sala ng silikon

Ang mga covalent bond ay ipinapakita bilang mga pares ng linyang nag-uugnay sa mga atomo; ang mga linyang ito ay nagbabahagi ng mga pares ng elektron. Ang bawat valence electron na matatagpuan sa naturang linya ay gumugugol ng halos lahat ng oras nito sa espasyo sa pagitan ng dalawang magkalapit na atomo.

Gayunpaman, ang mga valence electron ay hindi nangangahulugang "mahigpit na nakatali" sa mga katumbas na pares ng mga atomo. Nagsasapawan ang mga shell ng elektron lahat mga kalapit na atomo, upang ang anumang valence electron ay ang karaniwang pag-aari ng lahat ng kalapit na mga atomo. Mula sa ilang atom 1, ang gayong elektron ay maaaring pumunta sa kalapit nitong atom 2, pagkatapos ay sa kalapit nitong atom 3, at iba pa. Ang mga electron ng Valence ay maaaring lumipat sa buong espasyo ng kristal - sinasabing sila nabibilang sa buong kristal(sa halip na anumang solong pares ng atom).

Gayunpaman, ang mga valence electron ng silikon ay hindi libre (tulad ng kaso sa metal). Sa isang semiconductor, ang bono sa pagitan ng mga valence electron at atoms ay mas malakas kaysa sa isang metal; Ang mga silicon covalent bond ay hindi nasisira sa mababang temperatura. Ang enerhiya ng mga electron ay hindi sapat upang simulan ang isang maayos na paggalaw mula sa isang mas mababang potensyal sa isang mas mataas sa ilalim ng pagkilos ng isang panlabas na electric field. Samakatuwid, may sapat na mababang temperatura Ang mga semiconductor ay malapit sa dielectrics - hindi sila nagsasagawa ng kuryente.

Sariling kondaktibiti

Kung kasama sa de-koryenteng circuit elemento ng semiconductor at simulan itong painitin, pagkatapos ay tumataas ang kasalukuyang sa circuit. Samakatuwid, ang semiconductor paglaban bumababa na may pagtaas ng temperatura. Bakit ito nangyayari?

Habang tumataas ang temperatura, nagiging mas matindi ang mga thermal vibrations ng mga atomo ng silikon, at tumataas ang enerhiya ng mga valence electron. Para sa ilang mga electron, ang enerhiya ay umabot sa mga halaga na sapat upang masira ang mga covalent bond. Ang gayong mga electron ay umalis sa kanilang mga atomo at nagiging libre(o pagpapadaloy ng mga electron) ay eksaktong kapareho ng sa metal. Sa isang panlabas na patlang ng kuryente, ang mga libreng electron ay nagsisimula ng isang nakaayos na paggalaw, na bumubuo ng isang electric current.

Kung mas mataas ang temperatura ng silikon, mas malaki ang enerhiya ng mga electron, at mas malaki ang bilang ng mga covalent bond na hindi makatiis at masira. Ang bilang ng mga libreng electron sa isang silikon na kristal ay tumataas, na humahantong sa pagbaba sa paglaban nito.

Ang pagkasira ng mga covalent bond at ang hitsura ng mga libreng electron ay ipinapakita sa fig. 5 . Sa lugar ng isang sirang covalent bond, a butas ay isang bakante para sa isang elektron. Ang butas ay may positibo singil, dahil sa pag-alis ng isang negatibong sisingilin na elektron, isang hindi nabayarang positibong singil ng nucleus ng silikon na atom ay nananatili.

kanin. 5. Pagbubuo ng mga libreng electron at butas

Ang mga butas ay hindi nananatili sa lugar - maaari silang gumala sa paligid ng kristal. Ang katotohanan ay ang isa sa mga kalapit na valence electron, "naglalakbay" sa pagitan ng mga atomo, ay maaaring tumalon sa nabuong bakante, pinupunan ang butas; pagkatapos ay mawawala ang butas sa lugar na ito, ngunit lilitaw sa lugar kung saan nanggaling ang elektron.

Sa kawalan ng isang panlabas na electric field, ang paggalaw ng mga butas ay random, dahil ang mga valence electron ay gumagala sa pagitan ng mga atomo nang random. Gayunpaman, sa isang electric field nakadirekta paggalaw ng butas. Bakit? Madaling intindihin.

Sa fig. Ang 6 ay nagpapakita ng isang semiconductor na inilagay sa isang electric field. Sa kaliwang bahagi ng pigura ay ang paunang posisyon ng butas.

kanin. 6. Paggalaw ng isang butas sa isang electric field

Saan pupunta ang butas? Malinaw na ang pinaka-malamang ay hops "electron > hole" sa direksyon laban sa mga linya ng field (iyon ay, sa "mga plus" na lumilikha ng field). Ang isa sa mga jump na ito ay ipinapakita sa gitnang bahagi ng figure: ang electron ay tumalon sa kaliwa, pinupuno ang bakante, at ang butas, nang naaayon, ay lumipat sa kanan. Ang susunod na posibleng pagtalon ng isang electron na dulot ng isang electric field ay ipinapakita sa kanang bahagi ng figure; bilang isang resulta ng pagtalon na ito, ang butas ay kumuha ng isang bagong lugar, na matatagpuan higit pa sa kanan.

Nakikita namin na ang butas sa kabuuan ay gumagalaw patungo sa mga linya ng field - iyon ay, kung saan ang mga positibong singil ay dapat na lumipat. Muli naming binibigyang-diin na ang nakadirekta na paggalaw ng isang butas sa kahabaan ng field ay sanhi ng mga hops ng valence electron mula atom hanggang atom, na nangyayari nang nakararami sa direksyon laban sa field.

Kaya, mayroong dalawang uri ng mga tagadala ng singil sa isang kristal na silikon: mga libreng electron at mga butas. Kapag inilapat ang isang panlabas na electric field, lumilitaw ang isang electric current, sanhi ng kanilang iniutos na counter motion: ang mga libreng electron ay gumagalaw sa tapat ng field strength vector, at ang mga butas ay gumagalaw sa direksyon ng vector.

Ang paglitaw ng kasalukuyang dahil sa paggalaw ng mga libreng electron ay tinatawag elektronikong kondaktibiti, o n-type na kondaktibiti. Ang proseso ng maayos na paggalaw ng mga butas ay tinatawag kondaktibiti ng butas,o p-type na kondaktibiti(mula sa mga unang titik ng mga salitang Latin na negativus (negatibo) at positivus (positibo)). Parehong conductivities - electron at hole - magkasama ay tinatawag sariling conductivity semiconductor.

Ang bawat pag-alis ng isang electron mula sa isang sirang covalent bond ay bumubuo ng isang "libreng electron-hole" na pares. Samakatuwid, ang konsentrasyon ng mga libreng electron sa isang purong kristal na silikon ay katumbas ng konsentrasyon ng mga butas. Alinsunod dito, kapag ang kristal ay pinainit, ang konsentrasyon ng hindi lamang mga libreng electron, kundi pati na rin ang mga butas ay tumataas, na humahantong sa isang pagtaas sa intrinsic conductivity ng semiconductor dahil sa isang pagtaas sa parehong electronic at hole conductivity.

Kasabay ng pagbuo ng mga pares na "libreng electron-hole", ang reverse process ay nagaganap din: recombination libreng mga electron at butas. Ibig sabihin, ang isang libreng elektron, na nakakatugon sa isang butas, ay pumupuno sa bakanteng ito, na nagpapanumbalik ng sirang covalent bond at nagiging isang valence electron. Kaya, sa isang semiconductor, dynamic na balanse: ang average na bilang ng mga break ng covalent bonds at ang nagreresultang electron-hole pairs sa bawat unit time ay katumbas ng average na bilang ng recombining electron at hole. Tinutukoy ng estadong ito ng dynamic na equilibrium ang equilibrium na konsentrasyon ng mga libreng electron at mga butas sa isang semiconductor sa ilalim ng mga ibinigay na kondisyon.

Ang isang pagbabago sa mga panlabas na kondisyon ay nagbabago sa estado ng dinamikong ekwilibriyo sa isang direksyon o iba pa. Ang halaga ng equilibrium ng konsentrasyon ng mga carrier ng singil ay natural na nagbabago sa kasong ito. Halimbawa, ang bilang ng mga libreng electron at butas ay tumataas kapag ang isang semiconductor ay pinainit o naiilaw.

Sa temperatura ng silid, ang konsentrasyon ng mga libreng electron at mga butas sa silikon ay humigit-kumulang katumbas ng cm. Ang konsentrasyon ng mga atomo ng silikon ay humigit-kumulang cm. Sa madaling salita, mayroon lamang isang libreng elektron sa bawat atom ng silikon! Ito ay napakaliit. Sa mga metal, halimbawa, ang konsentrasyon ng mga libreng electron ay humigit-kumulang katumbas ng konsentrasyon ng mga atomo. Kaugnay nito, Ang intrinsic conductivity ng silicon at iba pang semiconductors sa ilalim ng normal na kondisyon ay maliit kumpara sa conductivity ng mga metal.

Impurity conductivity

Ang pinakamahalagang katangian ng semiconductors ay ang kanilang resistivity ay maaaring mabawasan ng ilang mga order ng magnitude sa pamamagitan ng pagpapasok ng kahit na isang napakaliit na halaga ng mga impurities. Bilang karagdagan sa sarili nitong kondaktibiti, ang isang semiconductor ay may nangingibabaw impurity conductivity. Ito ay salamat sa katotohanang ito na ang mga aparatong semiconductor ay nakahanap ng ganoon malawak na aplikasyon sa agham at teknolohiya.
Ipagpalagay, halimbawa, na ang isang maliit na pentavalent arsenic ay idinagdag sa silicon melt. Matapos ang pagkikristal ng pagkatunaw, lumalabas na ang mga arsenic atoms ay sumasakop sa mga lugar sa ilang mga site ng nabuo na silikon na kristal na sala-sala.

Ang panlabas na elektronikong antas ng isang arsenic atom ay may limang electron. Apat sa kanila ang bumubuo ng mga covalent bond sa pinakamalapit na kapitbahay - mga atomo ng silikon (Larawan 7). Ano ang kapalaran ng ikalimang elektron na hindi inookupahan sa mga bono na ito?

kanin. 7. N-type na semiconductor

At ang ikalimang elektron ay nagiging libre! Ang katotohanan ay ang nagbubuklod na enerhiya ng "dagdag" na elektron na ito na may arsenic atom na matatagpuan sa isang silikon na kristal ay mas mababa kaysa sa nagbubuklod na enerhiya ng mga electron ng valence na may mga atomo ng silikon. Samakatuwid, nasa temperatura ng silid, halos lahat ng mga arsenic atom, bilang isang resulta ng thermal motion, ay nananatiling walang ikalimang elektron, na nagiging mga positibong ion. At ang silikon na kristal, ayon sa pagkakabanggit, ay puno ng mga libreng electron, na hindi nakakabit mula sa mga arsenic atoms.

Ang pagpuno ng isang kristal na may mga libreng electron ay hindi na bago sa atin: nakita natin ito sa itaas nang ito ay pinainit malinis silikon (walang anumang mga impurities). Ngunit ngayon ang sitwasyon ay sa panimula ay naiiba: ang hitsura ng isang libreng elektron na umaalis sa arsenic atom ay hindi sinamahan ng hitsura ng isang mobile hole. Bakit? Ang dahilan ay pareho - ang bono ng mga electron ng valence na may mga atomo ng silikon ay mas malakas kaysa sa arsenic atom sa ikalimang bakante, kaya ang mga electron ng mga kalapit na atomo ng silikon ay hindi malamang na punan ang bakanteng ito. Kaya, ang bakante ay nananatili sa lugar; ito ay, parang, "nagyeyelo" sa arsenic atom at hindi nakikilahok sa paglikha ng kasalukuyang.

Sa ganitong paraan, ang pagpapakilala ng pentavalent arsenic atoms sa silicon crystal lattice ay lumilikha ng electronic conductivity, ngunit hindi humahantong sa simetriko na hitsura ng hole conductivity. Ang pangunahing papel sa paglikha ng kasalukuyang ngayon ay kabilang sa mga libreng electron, na sa kasong ito ay tinatawag pangunahing carrier singilin.

Ang intrinsic na mekanismo ng pagpapadaloy, siyempre, ay patuloy na gumagana kahit na sa pagkakaroon ng isang karumihan: ang mga covalent bond ay nasira pa rin dahil sa thermal motion, na bumubuo ng mga libreng electron at butas. Ngunit ngayon ay may mas kaunting mga butas kaysa sa mga libreng electron, na ibinibigay sa malalaking dami ng mga arsenic atom. Samakatuwid, ang mga butas sa kasong ito ay magiging mga carrier ng minorya singilin.

Ang mga impurities na ang mga atomo ay nag-donate ng mga libreng electron na walang hitsura ng pantay na bilang ng mga mobile hole ay tinatawag donor. Halimbawa, ang pentavalent arsenic ay isang donor impurity. Sa pagkakaroon ng karumihan ng donor sa semiconductor, ang mga libreng electron ang pangunahing tagapagdala ng singil, at ang mga butas ay ang mga menor de edad; sa madaling salita, ang konsentrasyon ng mga libreng electron ay mas mataas kaysa sa konsentrasyon ng mga butas. Samakatuwid, ang mga semiconductor na may mga donor impurities ay tinatawag mga elektronikong semiconductor, o n-type na mga semiconductor(o simple lang n-semiconductors).

At gaano kalaki, kawili-wili, ang maaaring lumampas sa konsentrasyon ng mga libreng electron sa konsentrasyon ng mga butas sa isang n-semiconductor? Gumawa tayo ng isang simpleng pagkalkula.

Ipagpalagay na ang karumihan ay , iyon ay, mayroong isang arsenic atom sa bawat libong silicon atoms. Ang konsentrasyon ng mga atomo ng silikon, tulad ng naaalala natin, ay nasa pagkakasunud-sunod ng cm.

Ang konsentrasyon ng arsenic atoms, ayon sa pagkakabanggit, ay magiging isang libong beses na mas kaunti: cm Ang konsentrasyon ng mga libreng electron na naibigay ng karumihan ay magiging pareho din - pagkatapos ng lahat, ang bawat arsenic atom ay nagbibigay ng isang elektron. At ngayon tandaan natin na ang konsentrasyon ng mga pares ng electron-hole na lumilitaw kapag ang mga silicon covalent bond ay nasira sa temperatura ng silid ay humigit-kumulang katumbas ng cm. Nararamdaman mo ba ang pagkakaiba? Ang konsentrasyon ng mga libreng electron sa kasong ito ay mas malaki kaysa sa konsentrasyon ng mga butas sa pamamagitan ng mga order ng magnitude, iyon ay, isang bilyong beses! Alinsunod dito, ang resistivity ng isang silicon semiconductor ay bumababa ng isang kadahilanan ng isang bilyon kapag ang isang maliit na halaga ng karumihan ay ipinakilala.

Ang pagkalkula sa itaas ay nagpapakita na sa n-type semiconductors, ang pangunahing papel ay talagang nilalaro ng electronic conductivity. Laban sa background ng tulad ng isang napakalaking superyoridad sa bilang ng mga libreng electron, ang kontribusyon ng paggalaw ng mga butas sa kabuuang kondaktibiti ay hindi gaanong maliit.

Posible, sa kabaligtaran, upang lumikha ng isang semiconductor na may pamamayani ng kondaktibiti ng butas. Mangyayari ito kung ang isang trivalent na karumihan ay ipinakilala sa isang silikon na kristal - halimbawa, indium. Ang resulta ng naturang pagpapatupad ay ipinapakita sa Fig. walo .

kanin. 8. semiconductor na uri ng p

Ano ang mangyayari sa kasong ito? Ang panlabas na elektronikong antas ng indium atom ay may tatlong mga electron na bumubuo ng mga covalent bond na may tatlong nakapalibot na mga atomo ng silikon. Para sa ikaapat na kalapit na silicon atom, ang indium atom ay wala nang sapat na elektron, at isang butas ang lilitaw sa lugar na ito.

At ang butas na ito ay hindi simple, ngunit espesyal - na may napakataas na nagbubuklod na enerhiya. Kapag ang isang electron mula sa isang kalapit na silicon atom ay pumasok dito, ito ay "mananatili magpakailanman" dito, dahil ang pagkahumaling ng isang elektron sa isang indium atom ay napakalaki - higit pa sa mga silikon na atom. Ang indium atom ay magiging isang negatibong ion, at sa lugar kung saan nagmula ang elektron, isang butas ang lilitaw - ngunit ngayon ay isang ordinaryong mobile hole sa anyo ng isang sirang covalent bond sa silicon crystal lattice. Ang butas na ito sa karaniwang paraan ay magsisimulang gumala sa paligid ng kristal dahil sa "relay" na paglipat ng mga valence electron mula sa isang silicon atom patungo sa isa pa.

At kaya, ang bawat impurity atom ng indium ay bumubuo ng isang butas, ngunit hindi humahantong sa simetriko na hitsura ng isang libreng elektron. Ang ganitong mga dumi, ang mga atomo kung saan "mahigpit" na kumukuha ng mga electron at sa gayon ay lumikha ng isang mobile hole sa kristal, ay tinatawag na tumanggap.

Ang trivalent indium ay isang halimbawa ng isang acceptor impurity.

Kung ang isang acceptor impurity ay ipinakilala sa isang kristal ng purong silikon, kung gayon ang bilang ng mga butas na nabuo ng karumihan ay magiging mas malaki kaysa sa bilang ng mga libreng electron na lumitaw dahil sa pagkasira ng mga covalent bond sa pagitan ng mga atomo ng silikon. Ang isang semiconductor na may acceptor dopant ay butas na semiconductor, o semiconductor na uri ng p(o simple lang p-semiconductor).

Ang mga butas ay may malaking papel sa pagbuo ng kasalukuyang sa isang p-semiconductor; butas - mga pangunahing tagadala ng bayad. Libreng mga electron - menor de edad carrier singilin sa isang p-semiconductor. Ang paggalaw ng mga libreng electron sa kasong ito ay hindi gumagawa ng isang makabuluhang kontribusyon: ang electric current ay ibinibigay pangunahin sa pamamagitan ng pagpapadaloy ng butas.

p–n junction

Ang contact point ng dalawang semiconductors na may iba't ibang uri Ang conductivity (electronic at hole) ay tinatawag paglipat ng electron-hole, o p–n junction. Sa rehiyon ng p–n junction, lumitaw ang isang kawili-wili at napakahalagang kababalaghan - one-way na pagpapadaloy.

Sa fig. 9 ay nagpapakita ng contact ng p- at n-type na mga rehiyon; Ang mga may kulay na bilog ay mga butas at libreng electron, na siyang mayorya (o menor de edad) na mga tagadala ng singil sa kani-kanilang mga rehiyon.

kanin. 9. Hinaharang ang layer p–n junction

Sa pamamagitan ng pagsasagawa ng thermal motion, tumagos ang mga charge carrier sa interface sa pagitan ng mga rehiyon.

Ang mga libreng electron ay pumasa mula sa n-rehiyon patungo sa p-rehiyon at muling pinagsama doon na may mga butas; Ang mga butas ay nagkakalat mula sa p-rehiyon hanggang sa n-rehiyon at muling pinagsama doon sa mga electron.

Bilang resulta ng mga prosesong ito, ang isang hindi nabayarang singil ng mga positibong ions ng donor impurity ay nananatili sa electronic semiconductor na malapit sa contact boundary, habang sa hole semiconductor (malapit din sa hangganan), ang isang hindi nabayarang negatibong singil ng acceptor impurity ions ay lumitaw. . Ang mga uncompensated space charges na ito ay bumubuo sa tinatawag na layer ng hadlang, na ang panloob na electric field ay pumipigil sa karagdagang pagsasabog ng mga libreng electron at mga butas sa pamamagitan ng hangganan ng contact.

Ikonekta natin ngayon ang isang kasalukuyang pinagmulan sa ating elemento ng semiconductor sa pamamagitan ng paglalapat ng "plus" ng pinagmulan sa n-semiconductor, at ang "minus" sa p-semiconductor (Fig. 10).

kanin. 10. I-on sa baligtad: walang kasalukuyang

Nakikita namin na ang panlabas na electric field ay tumatagal ng karamihan sa mga carrier ng singil na mas malayo mula sa hangganan ng contact. Ang lapad ng barrier layer ay tumataas, at ang electric field nito ay tumataas. Ang paglaban ng layer ng hadlang ay mataas, at ang mga pangunahing carrier ay hindi kayang pagtagumpayan ang p–n junction. Ang electric field ay nagbibigay-daan lamang sa mga minoryang carrier na tumawid sa hangganan, gayunpaman, dahil sa napakababang konsentrasyon ng mga minoryang carrier, ang kasalukuyang nilikha nila ay bale-wala.

Tinatawag ang isinasaalang-alang na pamamaraan pag-on sa p–n junction sa kabilang direksyon. Walang electric current ng mga pangunahing carrier; mayroon lamang isang bale-wala na kasalukuyang carrier ng minorya. Sa kasong ito, ang p–n junction ay sarado.

Ngayon baguhin natin ang polarity ng koneksyon at ilapat ang "plus" sa p-semiconductor, at "minus" sa n-semiconductor (Fig. 11). Ang iskema na ito ay tinatawag lumilipat sa pasulong na direksyon.

kanin. 11. Pasulong na paglipat: kasalukuyang mga daloy

Sa kasong ito, ang panlabas na electric field ay nakadirekta laban sa blocking field at nagbubukas ng daan para sa mga pangunahing carrier sa pamamagitan ng p–n junction. Ang layer ng barrier ay nagiging mas payat, ang paglaban nito ay bumababa.

Mayroong mass na paggalaw ng mga libreng electron mula sa n-rehiyon hanggang sa p-rehiyon, at ang mga butas, sa turn, ay sama-samang nagmamadali mula sa p-rehiyon hanggang sa n-rehiyon.

Ang isang kasalukuyang arises sa circuit, sanhi ng paggalaw ng mga pangunahing carrier ng singil (Ngayon, gayunpaman, ang electric field ay humahadlang sa kasalukuyang ng minorya carrier, ngunit ito bale-wala kadahilanan ay walang isang kapansin-pansin na epekto sa pangkalahatang kondaktibiti).

Ang isang panig na pagpapadaloy ng p–n junction ay ginagamit sa semiconductor diodes . Ang isang diode ay isang aparato na nagsasagawa ng kasalukuyang sa isang direksyon lamang; sa tapat na direksyon, walang kasalukuyang dumadaan sa diode (sinasara daw ang diode). Ang isang eskematiko na representasyon ng diode ay ipinapakita sa fig. 12 .

kanin. 12. Diode

Sa kasong ito, ang diode ay bukas sa direksyon mula kaliwa hanggang kanan: ang mga singil ay tila dumadaloy kasama ang arrow (tingnan ito sa figure?). Sa direksyon mula sa kanan papuntang kaliwa, ang mga singil ay tila nakapatong sa dingding - ang diode ay sarado.

Transistor

Pagwawasto sa isang semiconductor junction

Mga paglipat sa pagitan ng mga semiconductor

epekto ng bulwagan

Impurity semiconductors

Mga electron at butas sa semiconductor

KABANATA 12 MGA SEMICONDUCTOR

Huwag lamang subukang gawing masyadong makitid ang pakete.

Ang isa sa mga pinaka-kapansin-pansin at kapana-panabik na mga pagtuklas ng mga nakaraang taon ay ang aplikasyon ng pisika matibay na katawan sa teknikal na pag-unlad ng isang bilang ng mga de-koryenteng aparato, tulad ng mga transistor. Ang pag-aaral ng semiconductor ay humantong sa pagkatuklas ng kanilang kapaki-pakinabang na mga katangian at sa maraming praktikal na aplikasyon. Ang mga bagay ay napakabilis na nagbabago sa lugar na ito na kung ano ang sinabi sa iyo ngayon ay maaaring hindi totoo, o hindi bababa sa hindi kumpleto, sa loob ng isang taon. At malinaw na sa pamamagitan ng pag-aaral ng mga naturang sangkap nang mas detalyado, sa kalaunan ay makakagawa tayo ng higit pang mga kamangha-manghang bagay. Hindi mo kakailanganin ang materyal sa kabanatang ito upang maunawaan ang mga susunod na kabanata, ngunit malamang na interesado kang makita na ang ilan sa iyong natutuhan ay may kinalaman pa rin sa mga praktikal na bagay.

Maraming semiconductors ang kilala, ngunit lilimitahan natin ang ating sarili sa mga pinaka ginagamit ngayon sa teknolohiya. Bilang karagdagan, ang mga ito ay pinag-aralan nang mas mahusay kaysa sa iba, upang kapag naunawaan ang mga ito, mauunawaan natin ang marami pang iba sa ilang lawak. Ang pinaka-tinatanggap na ginagamit na materyales ng semiconductor ay silikon at germanium. Ang mga elementong ito ay nag-kristal sa isang diamond-type na sala-sala - sa isang kubiko na istraktura kung saan ang mga atom ay may apat na apat na (tetrahedral) na bono sa kanilang pinakamalapit na kapitbahay. Sa napakababang temperatura (malapit sa ganap na zero) sila ay mga insulator, bagaman sa temperatura ng silid ay nagsasagawa sila ng kuryente nang kaunti. Ang mga ito ay hindi mga metal; tinawag sila semiconductor.

Kung kahit papaano ay nagpapasok tayo ng karagdagang elektron sa isang silikon o germanium na kristal sa mababang temperatura, kung gayon ang mangyayari ay ang inilarawan sa nakaraang kabanata. Ang gayong elektron ay magsisimulang gumala sa paligid ng kristal, tumatalon mula sa lugar kung saan nakatayo ang isang atom patungo sa lugar kung saan nakatayo ang isa pa. Isinaalang-alang lamang namin ang pag-uugali ng isang atom sa isang hugis-parihaba na sala-sala, at para sa isang tunay na sala-sala ng silikon o germanium, ang mga equation ay magkakaiba. Ngunit ang lahat ng mahalaga ay maaaring maging malinaw na mula sa mga resulta para sa isang hugis-parihaba na sala-sala.

Gaya ng nakita natin sa Chap. At, para sa mga electron na ito, ang mga enerhiya ay maaari lamang sa isang tiyak na banda ng mga halaga, na tinatawag conduction zone. Sa banda na ito, ang enerhiya ay nauugnay sa wavenumber k amplitude ng posibilidad MULA SA[cm. (11.24)1 formula

Iba-iba A- ay ang mga amplitude ng mga paglukso sa mga direksyon x, y at z, at a, b, c - ito ay mga lattice constants (mga agwat sa pagitan ng mga node) sa mga direksyong ito.

Para sa mga enerhiya na malapit sa ilalim ng zone, ang formula (12.1) ay maaaring isulat nang humigit-kumulang tulad ng sumusunod:

(tingnan ang Ch. 11, § 4).

Kung kami ay interesado sa paggalaw ng isang elektron sa ilang partikular na direksyon, upang ang ratio ng mga bahagi k palaging pareho, pagkatapos ay ang enerhiya ay quadratic function wave number at samakatuwid ang momentum ng electron. Maaari kang magsulat

kung saan ang a ay pare-pareho, at gumuhit ng dependency graph E mula sa k(Larawan 12.1).

Fig. 12.1. Energy diagram para sa isang electron sa isang insulator crystal.

Tatawagin natin ang gayong graph bilang isang "diagram ng enerhiya". Ang isang electron sa isang tiyak na estado ng enerhiya at momentum ay maaaring katawanin sa naturang graph sa pamamagitan ng isang tuldok ( S sa larawan).

Nabanggit na natin sa Chap. 11 ano ang pareho lalabas ang sitwasyon kung tayo tanggalin electron mula sa isang neutral na insulator. Pagkatapos ang isang elektron mula sa isang kalapit na atom ay maaaring tumalon sa lugar na ito. Pupunuin niya ang "butas", at mag-iiwan siya ng bagong "butas" sa lugar kung saan siya nakatayo. Maaari naming ilarawan ang pag-uugali na ito sa pamamagitan ng pagtukoy sa amplitude ng kung ano butas ay malapit sa partikular na atom na ito, at sinasabi iyon butas maaaring tumalon mula sa atom patungo sa atom. (Bukod dito, malinaw na ang amplitude PERO na ang butas ay tumalon mula sa atom a sa atom b, eksaktong katumbas ng amplitude na ang electron mula sa atom b tumalon sa butas mula sa atom a.)

Math para sa butas ay kapareho ng para sa karagdagang elektron, at muli nating nalaman na ang enerhiya ng butas ay nauugnay sa numero ng alon nito sa pamamagitan ng isang equation na eksaktong tumutugma sa (12.1) at (12.2), ngunit, siyempre, sa iba pang mga numerical na halaga ​ng mga amplitude A x, A y at At si z. Ang isang butas ay mayroon ding isang enerhiya na nauugnay sa wavenumber ng mga amplitude ng posibilidad nito. Ang enerhiya nito ay namamalagi sa isang tiyak na limitadong zone at, malapit sa ilalim ng zone, nagbabago nang quadratically na may pagtaas sa numero ng alon (o momentum) sa parehong paraan tulad ng sa Fig. 12.1. Inuulit ang aming pangangatwiran sa Chap. 11, § 3, nakita namin iyon ang butas ay kumikilos din tulad ng isang klasikal na butil na may ilang tiyak na epektibong masa, na ang pagkakaiba lamang ay sa mga non-cubic na kristal ang masa ay nakasalalay sa direksyon ng paggalaw. Kaya parang ang butas isang particle na may positibong singil gumagalaw sa pamamagitan ng kristal. Ang singil ng butil ng butas ay positibo dahil ito ay puro sa lugar kung saan walang elektron; at kapag ito ay gumagalaw sa isang direksyon, ito ay aktwal na mga electron na gumagalaw sa tapat na direksyon.

Kung ang ilang mga electron ay inilagay sa isang neutral na kristal, kung gayon ang kanilang paggalaw ay magiging katulad ng paggalaw ng mga atomo sa isang gas sa ilalim ng mababang presyon. Kung hindi masyadong marami sa kanila, maaaring mapabayaan ang kanilang pakikipag-ugnayan. Kung ang isang electric field ay inilapat sa kristal, ang mga electron ay magsisimulang gumalaw at ang isang electric current ay dadaloy. Sa prinsipyo, dapat silang magtapos sa gilid ng kristal at, kung mayroong isang metal na elektrod, pumunta dito, na iniiwan ang neutral na kristal.

Katulad nito, maraming mga butas ang maaaring ipasok sa kristal. Magsisimula silang maglibot sa buong lugar. Kung ang isang electric field ay inilapat, pagkatapos ay dadaloy sila sa negatibong elektrod at pagkatapos ay maaari silang "maalis" mula dito, na nangyayari kapag sila ay na-neutralize ng mga electron mula sa metal na elektrod.

Ang mga electron at butas ay maaaring nasa kristal sa parehong oras. Kung hindi na masyadong marami sa kanila, mag-iisa silang gumala-gala. Sa isang electric field, lahat sila ay mag-aambag sa kabuuang kasalukuyang. Para sa malinaw na mga kadahilanan, ang mga electron ay tinatawag negatibong carrier, at ang mga butas positibong carrier.

Hanggang ngayon, ipinapalagay namin na ang mga electron ay ipinapasok sa kristal mula sa labas o (upang bumuo ng isang butas) ay tinanggal mula dito. Ngunit maaari ka ring "lumikha" ng isang pares ng electron-hole sa pamamagitan ng pag-alis ng nakatali na electron mula sa isang neutral na atom at paglalagay nito sa parehong kristal sa ilang distansya. Pagkatapos ay magkakaroon tayo ng isang libreng elektron at isang libreng butas, at ang kanilang paggalaw ay magiging tulad ng inilarawan natin.

Ang enerhiya na kinakailangan upang ilagay ang isang elektron sa isang estado S(sinasabi namin: upang "lumikha" ng isang estado S), ay ang enerhiya E - , ipinapakita sa FIG. 12.2.

Fig. 12.2, Energy E kinakailangan para sa "kapanganakan" ng libre

elektron.

Ito ay ilang enerhiya

lumalampas E - min . Ang enerhiya na kinakailangan upang "lumikha" ng isang butas sa ilang estado S"ay ang enerhiya E+(Larawan 12.3), na ilang fraction na mas mataas kaysa sa E (= E + min ).

Fig. 12.3. Ang enerhiya E + na kinakailangan para sa "kapanganakan" ng isang butas sa estado S".

At upang lumikha ng isang pares sa mga estado S at S", kailangan lang ng energy E -+E + .

Ang pagpapares ay, gaya ng makikita natin sa ibang pagkakataon, isang napakakaraniwang proseso, at mas gusto ng maraming tao na maglagay ng mga igos. 12.2 at 12.3 bawat pagguhit, at ang enerhiya butas ipagpaliban pababa, bagaman, siyempre, ang enerhiya na ito positibo. Sa FIG. 12.4 pinagsama namin ang dalawang graph na ito.

Fig. 12.4. Mga diagram ng enerhiya para sa isang electron at isang butas.

Ang bentahe ng naturang iskedyul ay ang enerhiya E mag-asawa \u003d E - + E +, kinakailangan upang makabuo ng isang pares (isang electron in S at mga butas S') ay ibinibigay lamang sa pamamagitan ng patayong distansya sa pagitan S at S", tulad ng ipinapakita sa FIG. 12.4. Ang pinakamaliit na enerhiya na kinakailangan upang bumuo ng isang pares ay tinatawag na lapad ng enerhiya, o lapad ng puwang, at katumbas ng

e - min +e + min.

Minsan maaari kang makakita ng mas simpleng diagram. Ito ay iginuhit ng mga hindi interesado sa variable k, tinatawag itong energy level diagram. Ang diagram na ito (ipinapakita sa Fig. 12.5) ay nagpapahiwatig lamang ng pinahihintulutang enerhiya ng mga electron at butas.

Fig. 12.5. Diagram ng antas ng enerhiya para sa mga electron at butas.

Paano nilikha ang isang pares ng electron-hole? Mayroong ilang mga paraan. Halimbawa, mga light photon (o x-ray)

ay maaaring makuha at bumuo ng isang pares, kung ang enerhiya lamang ng photon ay mas malaki kaysa sa lapad ng enerhiya. Ang rate ng pagbuo ng pares ay proporsyonal sa intensity ng liwanag. Kung pinindot mo ang dalawang electrodes sa mga dulo ng kristal at mag-apply ng isang "bias" na boltahe, kung gayon ang mga electron at butas ay maaakit sa mga electrodes. Ang kasalukuyang nasa circuit ay magiging proporsyonal sa intensity ng liwanag. Ang mekanismong ito ay responsable para sa hindi pangkaraniwang bagay ng photoconductivity at para sa pagpapatakbo ng mga photocell. Ang mga pares ng electron-hole ay maaari ding mabuo ng mga particle na may mataas na enerhiya. Kapag ang isang mabilis na gumagalaw na sisingilin na particle (halimbawa, isang proton o isang pion na may lakas na sampu at daan-daang MeV) lumilipad sa pamamagitan ng kristal, maaaring hilahin ng electric field nito ang mga electron palabas ng kanilang mga nakatali na estado, na bumubuo ng mga pares ng electron-hole. Daan-daan at libu-libong mga katulad na phenomena ang nangyayari sa bawat milimetro ng track. Matapos dumaan ang butil, ang mga carrier ay maaaring kolektahin at sa gayon ay magbuod ng isang electrical impulse. Narito ang mekanismo ng kung ano ang nilalaro sa mga semiconductor counter, kamakailang ginamit sa mga eksperimento sa nuclear physics. Ang mga semiconductor ay hindi kailangan para sa mga naturang counter; maaari rin silang gawin mula sa mga mala-kristal na insulator. At sa katunayan, ang una sa mga counter na ito ay gawa sa brilyante, na isang insulator sa temperatura ng silid. Ngunit kailangan ang napakadalisay na kristal kung gusto natin ng mga electron at butas

Makakarating ako sa mga electrodes nang walang takot na mahuli. Ito ang dahilan kung bakit ginagamit ang silicon at germanium dahil ang mga sample ng mga semiconductor na ito na may makatwirang laki (sa pagkakasunud-sunod ng isang sentimetro) ay maaaring makuha sa mataas na kadalisayan.

Sa ngayon, nakipag-ugnayan lamang kami sa mga katangian ng mga kristal na semiconductor sa mga temperatura na malapit sa ganap na zero. Sa anumang hindi-zero na temperatura, mayroong isa pang mekanismo para sa paglikha ng mga pares ng electron-hole. Ang thermal energy ng kristal ay maaaring magbigay ng enerhiya sa singaw. Ang mga thermal vibrations ng kristal ay maaaring ilipat ang kanilang enerhiya sa pares, na nagiging sanhi ng "kusang" paglikha ng mga pares.

Ang posibilidad (bawat yunit ng oras) na ang enerhiya ay umabot sa puwang ng enerhiya E gap, ay tututuon sa lokasyon ng isa sa mga atomo, ay proporsyonal sa exp(- E shcheyai /kT), saan T- temperatura, at k - Ang pare-pareho ni Boltzmann [tingnan. ch. 40 (isyu 4)]. Malapit sa ganap na zero, ang posibilidad na ito ay halos hindi napapansin, ngunit habang ang temperatura ay tumataas, ang posibilidad ng pagbuo ng naturang mga pares ay tumataas. Ang pagbuo ng mga pares sa anumang panghuling temperatura ay dapat magpatuloy nang walang hanggan, na nagbibigay sa lahat ng oras sa isang pare-parehong bilis ng higit at higit pang mga positibo at negatibong carrier. Siyempre, hindi ito aktwal na mangyayari, dahil pagkatapos ng ilang sandali, ang mga electron ay hindi sinasadyang matugunan muli ang mga butas, ang elektron ay gumulong sa butas, at ang inilabas na enerhiya ay mapupunta sa sala-sala. Sasabihin natin na ang isang elektron na may butas ay "napuksa". Mayroong isang tiyak na posibilidad na ang isang butas ay makakatagpo ng isang elektron at pareho silang magwawasak sa isa't isa.

Kung ang bilang ng mga electron sa bawat dami ng yunit ay N n (n nangangahulugang negatibo, o negatibo, mga carrier), at ang density ng mga positibo (positibong) carrier N p , kung gayon ang posibilidad na, bawat yunit ng oras, ang isang electron at isang butas ay magtagpo at mapuksa ay proporsyonal sa produkto N n N p . Sa equilibrium, ang rate na ito ay dapat na katumbas ng rate kung saan nabuo ang mga singaw. Samakatuwid, sa ekwilibriyo, ang produkto N n N p ay dapat na katumbas ng produkto ng ilang pare-pareho at ang Boltzmann factor

Sa pagsasalita tungkol sa isang pare-pareho, ang ibig naming sabihin ay ang tinatayang katatagan nito. Ang isang mas kumpletong teorya, na isinasaalang-alang ang iba't ibang mga detalye kung paano "hanapin" ng mga electron at butas ang isa't isa, ay nagpapakita na ang "constant" ay bahagyang nakasalalay sa temperatura; ngunit ang pangunahing pag-asa sa temperatura ay nasa exponential pa rin.

Kunin, halimbawa, ang isang purong sangkap na orihinal na neutral. Sa isang may hangganang temperatura, aasahan ng isa na ang bilang ng mga positibo at negatibong carrier ay pareho, N n= N r. Nangangahulugan ito na ang bawat isa sa mga numerong ito ay dapat magbago sa temperatura bilang . Ang pagbabago sa maraming mga katangian ng isang semiconductor (halimbawa, ang conductivity nito) ay pangunahing tinutukoy ng isang exponential factor, dahil ang lahat ng iba pang mga kadahilanan ay higit na nakadepende sa temperatura. Ang lapad ng gap para sa germanium ay humigit-kumulang 0.72 ev, at para sa silicon 1.1 ev.

Sa temperatura ng silid k T ay tungkol sa 1/40 ev. Sa ganitong mga temperatura, mayroon nang sapat na mga butas at mga electron upang magbigay ng kapansin-pansing pagpapadaloy, habang, sabihin nating, sa 30°K (isang-sampung bahagi ng temperatura ng silid) ang pagpapadaloy ay hindi mahahalata. Ang lapad ng gap ng isang brilyante ay 6-7 ev, samakatuwid, sa temperatura ng silid, ang brilyante ay isang mahusay na insulator.