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 pagtuklas ng kanilang mga kapaki-pakinabang na katangian at sa marami 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 kahit papaano ang ilan sa iyong natutunan 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, sila ay napag-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-crystallize sa isang diamond-type na sala-sala - sa tulad ng isang kubiko na istraktura kung saan ang mga atom ay may isang quadruple (tetrahedral) na bono sa kanilang pinakamalapit na kapitbahay. Sa napaka mababang 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; sila ay tinatawag na 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. 11, ang mga electron na ito ay maaari lamang magkaroon ng mga enerhiya sa isang tiyak na hanay ng mga halaga, na tinatawag na conduction band. Sa zone na ito, ang enerhiya ay nauugnay sa wavenumber ng amplitude ng posibilidad [tingnan (11.24)] sa pamamagitan ng formula

Magkaiba ang mga amplitude ng mga paglukso sa mga direksyon , at , at , , 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 interesado tayo sa paggalaw ng isang elektron sa ilang partikular na direksyon, upang ang ratio ng mga bahagi ay pareho sa lahat ng oras, kung gayon ang enerhiya ay quadratic function wave number at samakatuwid ang momentum ng electron. Maaari kang magsulat

, (12.3)

kung saan - ilang pare-pareho, at gumuhit ng isang graph depende sa (Fig. 12.1). 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 (sa figure).

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

Nabanggit na natin sa Chap. 11 na ang parehong estado ng mga pangyayari ay magaganap kung aalisin natin ang isang elektron 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 nating ilarawan ang pag-uugaling ito sa pamamagitan ng pagbibigay ng amplitude na ang isang butas ay malapit sa isang partikular na atom, at sa pagsasabi na ang butas ay maaaring tumalon mula sa atom patungo sa atom. (Bukod dito, malinaw na ang amplitude para sa butas na tumalon mula sa atom patungo sa atom ay eksaktong katumbas ng amplitude para sa electron mula sa atom na tumalon sa butas mula sa atom.) Ang matematika para sa butas ay kapareho ng para sa ang dagdag na elektron, at muli nating nalaman na Ang enerhiya ng isang 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 amplitudes , at . 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, makikita natin na ang butas ay kumikilos din tulad ng isang klasikal na butil na may ilang tiyak na epektibong masa, na may pagkakaiba lamang na sa mga kristal na hindi kubiko ang masa ay nakasalalay sa direksyon ng paggalaw. Kaya, ang isang butas ay kahawig ng isang butil na may positibong singil na gumagalaw sa isang 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 pagkatapos ay inilapat sa kristal electric field, pagkatapos ay magsisimulang gumalaw at dumaloy ang mga electron kuryente. 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 na negatibong carrier at ang mga butas ay tinatawag na 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 isang 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 kailangan upang ilagay ang isang electron sa isang estado (sinasabi namin: upang "lumikha" ng isang estado) ay ang enerhiya na ipinapakita sa Fig. 12.2. Ito ay ilang enerhiya na lumampas sa . Ang enerhiya na kailangan upang "lumikha" ng isang butas sa ilang estado ay ang enerhiya (Fig. 12.3) na ilang fraction na mas mataas kaysa sa . At upang lumikha ng isang pares sa mga estado at , kailangan mo lang ng enerhiya.

Fig. 12.2. Ang enerhiya na kinakailangan para sa "kapanganakan" ng isang libreng elektron.

Fig. 12.3. Ang enerhiya , kinakailangan para sa "kapanganakan" ng isang butas sa estado .

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 sa isang pagguhit, at ang enerhiya ng mga butas ay inilatag, bagaman, siyempre, ang enerhiya na ito ay positibo. Sa FIG. 12.4 pinagsama namin ang dalawang graph na ito. Ang bentahe ng naturang iskedyul ay ang enerhiya kinakailangan upang bumuo ng isang pares (isang electron sa at isang butas sa ) ​​ay ibinibigay lamang ng patayong distansya sa pagitan ng at , 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 gap, at katumbas ng .

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

Minsan maaari kang makakita ng mas simpleng diagram. Ito ay iginuhit ng mga hindi interesado sa variable, na tinatawag itong diagram ng antas ng enerhiya. 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, ang mga light photon (o X-ray) ay maaaring masipsip at bumuo ng isang pares, hangga't ang enerhiya 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 (tulad ng isang proton o pion na may lakas na sampu o daan-daang MeV) ay lumipad sa isang kristal, ang electric field nito ay maaaring hilahin ang mga electron palabas ng kanilang mga nakagapos 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 natin ng napakadalisay na kristal kung gusto natin ang mga electron at butas na makarating sa mga electrodes nang walang takot na makuha. 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 na umabot sa puwang ng enerhiya ay magiging puro sa lokasyon ng isa sa mga atomo ay proporsyonal sa , nasaan ang temperatura, at ang Boltzmann constant [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.

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, maaaring asahan na ang bilang ng mga positibo at negatibong carrier ay magiging pareho, . 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 katumbas ng 0.72 eV, at para sa silicon 1.1 eV.

Sa temperatura ng silid ay humigit-kumulang 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, kaya ang brilyante ay isang magandang insulator sa temperatura ng kuwarto.

mga electron at butas sa loob kristal na sala-sala semiconductor

Kapag ang isang tiyak na halaga ng enerhiya ay ipinadala sa kristal na sala-sala, ang mga indibidwal na electron ay maaaring umalis sa mga valence bond at maging mga carrier ng libreng bayad.

Gayunpaman, ang pag-alis ng isang electron mula sa atom nito ay lumalabag sa elektrikal na neutralidad nito, ang positibong singil ng nucleus ay lumalabas na hindi nabayaran ng isang yunit ng singil (electron charge) at ang atom ay nagiging isang positibong sisingilin na ion (Fig. 2.1, a).

Sa mahigpit na pagsasalita, dahil ang elektron na ito ay karaniwan sa dalawang atomo, hindi masasabi na ang isa sa mga atomo na ito ay ionized. Ang pag-alis ng isang elektron ay hahantong sa bahagyang ionization ng dalawang magkalapit na atomo. Samakatuwid, ang nag-iisang positibong singil na lumilitaw sa kasong ito, na katumbas ng ganap na halaga sa singil ng elektron, ay iuugnay hindi sa ito o sa atom na iyon, ngunit sa may sira na bono na iniwan ng elektron. Ang positibong singil na ito ay tinatawag butas .

kanin. 2.1 Modelo ng pagsira sa valence bond at ang hitsura ng isang electron bilang isang carrier ng libreng bayad:

a) sa isang planar na imahe; b) sa diagram ng enerhiya ng banda.

Kaya, sa pag-alis ng isang elektron sa isa sa mga valence bond, lumilitaw ang isang "bakanteng" lugar, na maaaring sakupin ng isa sa mga valence electron ng mga kalapit na bono. Sa modelo ng banda, ang gayong paglipat ng elektron mula sa isang napunong bono patungo sa isang may sira ay kinakatawan ng isang paglipat ng elektron sa loob ng bandang valence patungo sa isang bakanteng antas.

Naturally, kapag ang isang electron ay pumasa mula sa isang napuno na bono patungo sa isang may sira na bono, ang may sira na bono ay napupuno, at ang napuno na bono ay nagiging may depekto. Ang paglipat ng isang elektron ay tumutugma sa paggalaw ng isang butas sa kabaligtaran na direksyon. Ang proseso ng paglilipat ng elektron ay magpapatuloy. Ang depekto (butas) ay lilipat mula sa bono patungo sa bono. Kasabay nito, ang isang positibong singil ay lilipat din mula sa bono patungo sa bono. Ang prosesong ito ay magiging random na kalikasan, ang trajectory ng butas ay susunod sa mga batas ng magulong paggalaw. Gayunpaman, ito ay magaganap lamang kung walang electric field sa kristal. Kung ilalagay natin ang kristal sa isang electric field, kung gayon ang mga paglipat ng mga electron mula sa bono hanggang sa bono, kung saan ang butas (positibong singil) ay lilipat sa mga linya. electric field, maging mas malamang

Direksyon na paggalaw ng isang positibong singil - isang butas - sa isang electric field ay mayroon nang daloy ng kuryente. Mahigpit na nagsasalita, ang mga carrier ng singil sa kasong ito ay mga electron din. Ang paglipat ng kasalukuyang ay isinasagawa dahil sa sunud-sunod na paglipat ng mga electron mula sa isang bono patungo sa isa pa, ibig sabihin, dahil sa sunud-sunod na pag-aalis ng mga valence electron sa valence band. Gayunpaman, sa pagsasagawa, mas maginhawang isaalang-alang ang patuloy na paggalaw ng isang positibong singil na nabuo sa isang depektong bono kaysa sa sunud-sunod na paggalaw ng mga electron mula sa bono patungo sa bono.

Ang isang butas ay hindi dapat ihalo sa isang ion, halimbawa, sa isang electrolyte. Sa isang electrolyte, ang isang ionized na atom ay gumagalaw sa espasyo. Sa isang kristal na sala-sala, ang mga atomo ay hindi gumagalaw at nakatigil sa mga lugar ng sala-sala. Ang paggalaw ng isang butas ay ang sunud-sunod na ionization ng hindi kumikibo na mga atomo.

Kaya, ang paglabag sa valence bond dahil sa thermal energy ay humahantong sa paglitaw sa semiconductor crystal ng dalawang free charge carrier: isang negatibong unit charge - isang electron, at isang positibong unit charge na kabaligtaran nito sa sign - isang butas. Ang electrical conductivity na nangyayari sa isang semiconductor crystal dahil sa paglabag sa valence bonds ay tinatawag sariling electrical conductivity .

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 katangian ng kemikal na bono sa pagitan ng mga atomo ng mga metal at semiconductors.

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 hawak lamang ang 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 atom ng silikon 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, sa sapat na mababang temperatura, ang mga semiconductor ay malapit sa dielectrics - hindi sila nagsasagawa ng electric current.

Sariling kondaktibiti

Kung kasama sa de-koryenteng circuit elemento ng semiconductor at simulan itong painitin, pagkatapos ay tumaas 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 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.

butas
Simbolo:	h(eng. butas)
Kapag ang isang elektron ay umalis sa isang helium atom, isang butas ang nananatili sa lugar nito. Sa kasong ito, ang atom ay nagiging positibong sisingilin.
Tambalan:	Quasiparticle
Pag-uuri:	Banayad na butas, mabigat na butas
Sino at/o ano ang ipinangalan dito?	Kawalan ng elektron
Quantum0 na numero:
singil sa kuryente:	+1
Paikutin :	Natutukoy sa pamamagitan ng pag-ikot ng mga electron sa valence band ħ

Depinisyon ayon sa GOST 22622-77: "Isang unfilled valence bond na nagpapakita ng sarili bilang positibong singil ayon sa bilang na katumbas ng electron charge."

Ang pagpapadaloy ng butas ay maaaring ipaliwanag sa sumusunod na pagkakatulad: Mayroong isang bilang ng mga tao na nakaupo sa isang auditorium kung saan walang mga ekstrang upuan. Kung may gustong umalis sa gitna ng row, aakyat siya sa likod ng upuan sa isang bakanteng hanay at aalis. Dito, ang walang laman na hilera ay kahalintulad sa banda ng pagpapadaloy, at ang umalis na tao ay maihahambing sa isang libreng elektron. Isipin na may ibang dumating at gustong umupo. Mahirap makita mula sa isang walang laman na hanay, kaya hindi siya umupo doon. Sa halip, ang isang taong nakaupo malapit sa isang bakanteng upuan ay lumipat dito, at lahat ng kanyang mga kapitbahay ay sumusunod sa kanya. Kaya, ang walang laman na espasyo, tulad nito, ay gumagalaw sa gilid ng hilera. Kapag ang lugar na ito ay katabi ng bagong manonood, makakaupo na siya.

Sa prosesong ito, ang bawat nakaupo ay lumipat sa hilera. Kung ang madla ay may negatibong singil, ang naturang paggalaw ay magiging electrical conduction. Kung, bilang karagdagan, ang mga upuan ay positibong sisingilin, kung gayon ang bakanteng upuan lamang ang magkakaroon ng hindi zero na kabuuang singil. ito simpleng modelo nagpapakita kung paano gumagana ang pagpapadaloy ng butas. Gayunpaman, sa katunayan, dahil sa mga katangian ng kristal na sala-sala, ang butas ay hindi matatagpuan sa isang tiyak na lugar, tulad ng inilarawan sa itaas, ngunit kumakalat sa isang lugar na maraming daan-daang elementarya ang laki.

Upang lumikha ng mga butas sa semiconductors, ginagamit ang doping ng mga kristal na may mga impurities ng acceptor. Bilang karagdagan, ang mga butas ay maaari ding lumitaw bilang isang resulta ng mga panlabas na impluwensya: thermal excitation ng mga electron mula sa valence band hanggang sa conduction band, pag-iilaw sa pamamagitan ng liwanag o pagkakalantad sa ionizing radiation.

Sa kaso ng pakikipag-ugnayan ng Coulomb ng isang butas na may isang elektron, ang isang nakatali na estado ay nabuo mula sa banda ng pagpapadaloy, na tinatawag na isang exciton.

mabibigat na butas- ang pangalan ng isa sa mga sangay ng spectrum ng enerhiya ng valence band ng kristal.

Mga butas sa quantum chemistry

Ang terminong butas ay ginagamit din sa computational chemistry, kung saan ang ground state ng isang molekula ay binibigyang kahulugan bilang vacuum state - walang mga electron sa estadong ito. Sa ganitong pamamaraan, ang kawalan ng isang electron sa isang normal na puno na estado ay tinatawag na isang butas at itinuturing bilang isang particle. At ang pagkakaroon ng isang elektron sa karaniwang walang laman na espasyo ay tinatawag na isang elektron.

Ang mga kristal na semiconductor ay nabuo mula sa mga atomo na nakaayos sa isang tiyak na pagkakasunud-sunod. Ayon sa mga modernong konsepto, ang mga atomo ay binubuo ng mga positibong sisingilin na nuclei sa paligid kung saan matatagpuan ang mga shell na puno ng mga electron. Sa kasong ito, ang bawat elektron ay tumutugma sa isang mahigpit na tinukoy na antas, kung saan hindi maaaring higit sa dalawang electron na may iba't ibang halaga spin na nagpapakilala sa pag-ikot ng elektron. Ayon sa mga batas ng quantum mechanics, ang mga electron ay maaari lamang umiral sa mahigpit na tinukoy na mga estado ng enerhiya. Ang pagbabago sa enerhiya ng isang electron ay posible kapag ang isang quantum ng electromagnetic radiation ay hinihigop o inilabas na may enerhiya na katumbas ng pagkakaiba sa pagitan ng mga energies sa una at huling antas.

Kapag ang dalawang atomo, tulad ng hydrogen, ay lumalapit sa isa't isa, ang kanilang mga orbital ay nagsisimulang mag-overlap at maaaring magkaroon ng isang bono sa pagitan nila. Mayroong isang panuntunan kung saan ang bilang ng mga orbital sa isang molekula ay katumbas ng kabuuan ng mga bilang ng mga orbital sa mga atomo, habang ang pakikipag-ugnayan ng mga atomo ay humahantong sa katotohanan na ang mga antas ng molekula ay nahati, at ang mas maliit na distansya sa pagitan ang mga atomo, mas malakas ang paghahati na ito.

Sa fig. 1.6. ipinapakita ang iskema ng paghahati ng antas para sa limang atomo na may pagbaba ng distansya sa pagitan ng mga ito. Tulad ng makikita mula sa mga graph, kapag ang mga bono ay nabuo sa pagitan ng mga atomo, ang mga valence electron ay bumubuo ng mga zone na pinapayagan para sa mga electron, at ang bilang ng mga estado sa mga zone na ito ay mas malaki, mas maraming nakikipag-ugnayan na mga atomo. Sa mga kristal, ang bilang ng mga atom ay higit sa 10 22 cm -3 , humigit-kumulang sa parehong bilang ng mga antas sa mga zone. Sa kasong ito, ang distansya sa pagitan ng mga antas ay nagiging napakaliit, na ginagawang posible na ipagpalagay na ang enerhiya sa pinapayagang banda ay patuloy na nagbabago. Kung gayon ang isang elektron na nahulog sa isang hindi inookupahan na sona ay maaaring ituring na klasikal, kung isasaalang-alang na sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field ay patuloy itong nakakakuha ng enerhiya, at hindi sa pamamagitan ng quanta, i.e. kumikilos tulad ng isang klasikal na butil.

kanin. 1.6. Energy splitting ng 1s at 2s na antas para sa limang atomo depende sa distansya sa pagitan ng mga ito

Sa panahon ng pagbuo ng mga kristal, ang mga banda na nabuo ng mga valence electron ay maaaring bahagyang napuno, libre, o ganap na puno ng mga electron. Bukod dito, kung walang band gap sa pagitan ng puno at libreng mga estado, kung gayon ang materyal ay isang konduktor, kung mayroong isang maliit na agwat ng banda, kung gayon ito ay isang semiconductor, kung ang banda gap ay malaki at ang mga electron ay hindi pumapasok dito dahil sa thermal energy, pagkatapos ito ay isang insulator. Larawan 1.7. naglalarawan ng mga posibleng pagsasaayos ng zone.

Para sa mga konduktor, ang pinapayagang banda ay bahagyang napuno ng mga electron, kaya kahit na ang isang panlabas na boltahe ay inilapat, sila ay nakakakuha ng enerhiya at gumagalaw sa paligid ng kristal. Ang ganitong istraktura ng banda ay katangian ng mga metal. Ang antas ng F na naghihiwalay sa napuno at hindi napunong bahagi ng banda ay tinatawag na antas ng Fermi. Pormal, ito ay tinukoy bilang isang antas na ang posibilidad na mapuno ng mga electron ay 1/2.

kanin. 1.7. Posibleng istraktura ng mga banda ng enerhiya na nilikha ng mga electron ng valence sa mga kristal

Para sa mga semiconductors at dielectrics, ang istraktura ng banda ay tulad na ang mas mababang pinapayagang banda ay ganap na napuno ng mga valence electron, samakatuwid ito ay tinatawag na valence band. Ang tuktok ng valence band ay itinalagang Ev. Sa loob nito, ang mga electron ay hindi maaaring lumipat sa ilalim ng pagkilos ng patlang (at, nang naaayon, makakuha ng enerhiya), dahil ang lahat ng antas ng enerhiya ay inookupahan, at ayon sa prinsipyo ng Pauli, ang isang elektron ay hindi maaaring lumipat mula sa isang inookupahan na estado patungo sa isang inookupahan. Samakatuwid, ang mga electron sa isang ganap na puno ng valence band ay hindi nakikilahok sa paglikha ng electrical conductivity. Ang itaas na zone sa semiconductors at dielectrics sa kawalan ng panlabas na paggulo ay libre mula sa mga electron, at kung ang isang elektron ay itinapon doon, kung gayon sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field maaari itong lumikha ng electrical conductivity, samakatuwid ang zone na ito ay tinatawag na conduction band. Ang ilalim ng banda ng pagpapadaloy ay karaniwang tinutukoy na Ec. Sa pagitan ng conduction band at valence band ay may band gap Hal, kung saan, ayon sa mga batas ng quantum mechanics, ang mga electron ay hindi maaaring (tulad ng mga electron sa isang atom ay hindi maaaring magkaroon ng mga energies na hindi tumutugma sa mga energies ng mga electron shell) . Para sa banda gap, maaari tayong sumulat:

Hal = Ec - Ev (1.4.)

Sa mga semiconductor, hindi tulad ng mga insulator, ang band gap ay mas maliit, ito ay nakakaapekto sa katotohanan na kapag ang materyal ay pinainit, mas maraming mga electron ang nakapasok sa conduction band ng semiconductor dahil sa thermal energy kaysa sa conduction band ng insulator at ang conductivity ng ang semiconductor ay maaaring ilang mga order ng magnitude na mas mataas kaysa sa conductivity ng insulator , gayunpaman, ang hangganan sa pagitan ng isang semiconductor at isang insulator ay may kondisyon.

Dahil, sa kawalan ng panlabas na paggulo, ang valence band ay ganap na napuno (ang posibilidad ng paghahanap ng isang electron sa Ev = 1), ang conduction band ay ganap na libre (ang posibilidad ng paghahanap ng isang electron sa Ec = 0), pagkatapos ay pormal na ang Ang antas ng Fermi na may posibilidad na mapunan ang ½ ay dapat nasa band gap. Ipinapakita ng mga kalkulasyon na, sa katunayan, sa undoped, walang depektong mga semiconductors at dielectrics (karaniwang tinatawag silang intrinsic), ito ay namamalagi malapit sa gitna ng band gap. Gayunpaman, ang mga electron ay hindi maaaring naroroon, dahil walang pinapayagang mga antas ng enerhiya.

kanin. 1.7. Schematic na representasyon ng isang walang depektong kristal na silikon.

Ang pangunahing elementary semiconductors ay kabilang sa ikaapat na pangkat ng periodic table, mayroon silang 4 na electron sa panlabas na shell. Alinsunod dito, ang mga electron na ito ay nasa S (1 electron) at p (3 electron). Kapag ang isang kristal ay nabuo, ang mga panlabas na electron ay nakikipag-ugnayan at bumubuo ng isang ganap na puno na shell na may walong mga electron, tulad ng ipinapakita sa diagram sa Fig. 1.7.

Sa kasong ito, maaaring mabuo ang atom mga bono ng kemikal kasama ang apat na kapitbahay, i.e. ay apat na beses na pinag-ugnay. Ang lahat ng mga bono ay katumbas at bumubuo ng isang tetrahedral na sala-sala (ang tetrahedron ay isang pigura na may apat na magkaparehong ibabaw).

Ang istraktura ng tetrahedral ay katangian ng mga kristal na brilyante. Ang mga kilalang semiconductor tulad ng Si at Ge ay may istrakturang uri ng brilyante.

Kapag ang isang electron ay umalis para sa conduction band, ito ay nagde-delocalize at maaaring lumipat sa banda mula sa isang atom patungo sa isa pa. Ito ay nagiging conduction electron at maaaring lumikha ng electric current. Karaniwang sinasabi nila: lumitaw ang isang libreng carrier ng bayad, bagaman sa katunayan ang elektron ay hindi umalis sa kristal, nakakuha lamang ito ng pagkakataong lumipat mula sa isang lugar sa kristal patungo sa isa pa.

Sa lugar kung saan umalis ang electron, nilalabag ang kondisyon ng neutralidad ng kuryente at lumilitaw ang isang bakante na electron na may positibong charge, na karaniwang tinatawag na butas (ang positibong singil ay dahil sa hindi nabayarang singil ng nucleus).

Ang isang kalapit na elektron ay maaaring lumipat sa lugar kung saan umalis ang elektron, na hahantong sa pag-aalis ng isang positibong sisingilin na butas. Kaya, ang paggalaw ng mga valence electron na pumupuno sa libreng elektronikong estado (ang pagbabawal ng Pauli ay itinaas) ay humahantong sa paggalaw ng isang bakante kung saan ang kondisyon ng bayad sa bayad ay nilabag, i.e. butas. Sa halip na isaalang-alang ang paggalaw ng mga valence electron, na napakarami sa valence band, isinasaalang-alang nila ang paggalaw ng mga positively charged na butas, na kakaunti ang bilang at kung saan, tulad ng mga electron, ay maaaring maglipat ng singil. Ang prosesong ito ay inilalarawan sa Fig. 1.10.

Ipinapakita ng Figure 1.10 ang isang kristal kung saan, sa pamamagitan ng ilang panlabas na paggulo, halimbawa, sa pamamagitan ng isang light quantum na may hν > Hal, ang isa sa mga electron ay inililipat sa conduction band (naging libre), i.e. isa sa mga atom ay nasira ang isa sa mga valence bond nito. Pagkatapos, bilang karagdagan sa elektron na hindi nakagapos sa atom, isang positibong sisingilin na ion ang lumitaw sa kristal. Ang kakayahan ng ion mismo na lumipat sa ilalim ng pagkilos ng patlang ay napakaliit, kaya hindi ito dapat isaalang-alang. Dahil ang mga atomo sa isang kristal ay matatagpuan malapit sa isa't isa, ang isang elektron mula sa isang kalapit na atom ay maaaring maakit sa ion na ito. Sa kasong ito, lumilitaw ang isang positibong butas sa kalapit na atom, mula sa kung saan umalis ang valence electron, atbp. Para sa isang perpektong kristal na walang mga impurities at mga depekto, ang konsentrasyon ng elektron ay magiging katumbas ng konsentrasyon ng butas. ito sariling konsentrasyon ng mga carrier ng singil n i = p i , ang icon i ay nangangahulugan ng konsentrasyon ng mga carrier para sa intrinsic semiconductor (intrinsic - intrinsic). Para sa produkto ng mga konsentrasyon ng mga electron at butas, maaari naming isulat:

np = n i 2 (1.5)

Dapat pansinin na ang relasyon na ito ay humahawak hindi lamang para sa intrinsic semiconductors, kundi pati na rin para sa doped crystals, kung saan ang konsentrasyon ng elektron ay hindi katumbas ng konsentrasyon ng butas.

kanin. 1.10. Schematic na representasyon ng hitsura ng isang electron at isang butas kapag ang liwanag ay nasisipsip

Ang direksyon ng paggalaw ng butas ay kabaligtaran sa direksyon ng paggalaw ng elektron. Ang bawat elektron sa isang valence bond ay nailalarawan sa sarili nitong antas. Ang lahat ng mga antas ng valence electron ay matatagpuan napakalapit at bumubuo ng isang valence band, kaya ang paggalaw ng isang butas ay maaaring ituring bilang isang tuluy-tuloy na proseso na katulad ng paggalaw ng isang klasikal na libreng particle. Katulad nito, dahil ang mga antas ng enerhiya ay napakalapit sa banda ng pagpapadaloy, ang pag-asa ng enerhiya sa momentum ay maaaring ituring na tuloy-tuloy at, nang naaayon, ang paggalaw ng isang elektron ay maaaring isaalang-alang sa unang pagtatantya bilang ang paggalaw ng isang klasikal na libreng particle.

1.2.3. Doping ng mga kristal na may donor o acceptor impurity, "n" at "p" type semiconductors.

Ang pagkakaroon ng mga impurities at mga depekto sa isang kristal ay humahantong sa paglitaw ng mga antas ng enerhiya sa band gap, ang posisyon nito ay depende sa uri ng karumihan o depekto. Upang makontrol ang mga de-koryenteng katangian ng semiconductors, ang mga impurities (doping) ay espesyal na ipinakilala sa kanila. Kaya ang pagpapakilala ng isang elementarya na semiconductor ng pangkat IV ng isang pana-panahong sistema ng mga elemento, halimbawa Si, mga impurities ng mga elemento ng pangkat V (mga donor) ay humahantong sa paglitaw ng mga karagdagang electron at, nang naaayon, ang pamamayani ng electronic conductivity (n - type). ), ang pagpapakilala ng mga elemento Pangkat III humahantong sa paglitaw ng mga karagdagang butas (p-type).

kanin. 1.12. Scheme ng Formation ng Free Electron at Charged Donor Atom sa Doping of Si with Group V Elements ng Periodic Table

Sa fig. Ang 1.12 ay nagpapakita ng isang diagram ng isang Si kristal kung saan ang posporus (V group) ay ipinakilala. Ang isang elemento ng pangkat V (donor) ay may 5 valence electron, apat sa kanila ay bumubuo ng mga bono sa mga kalapit na Si atoms, ang ikalimang elektron ay nakagapos lamang sa isang impurity atom at ang bono na ito ay mas mahina kaysa sa iba, samakatuwid, kapag ang kristal ay pinainit, ang electron na ito ay nahiwalay muna, habang ang phosphorus atom ay nakakakuha ng positibong singil na nagiging isang ion.

(1.7)

kung saan ang E d ay ang ionization (activation) na enerhiya ng donor atom.

Ang enerhiya ng ionization ng mga donor, bilang panuntunan, ay hindi mataas (0.005 - 0.01 eV) at, sa temperatura ng silid, halos lahat sa kanila ay nag-donate ng kanilang mga electron. Sa kasong ito, ang konsentrasyon ng mga electron na lumitaw dahil sa ionization ng mga donor ay humigit-kumulang katumbas ng konsentrasyon ng ipinakilala na mga atom ng karumihan at makabuluhang lumampas sa intrinsic na konsentrasyon ng mga electron at butas n>>n i, samakatuwid ang mga naturang materyales ay tinatawag na mga elektronikong materyales ( n-uri).

Tatawagin namin ang mga electron sa kanila na mga pangunahing carrier at itinalaga n n , ayon sa pagkakabanggit, ang mga butas ay tatawaging minor charge carrier at itinalaga p n .

Isaalang-alang kung ano ang mangyayari kapag ang isang elemento ng pangkat III, halimbawa B, ay ipinakilala sa parehong Si. Ang isang elemento ng pangkat III ay may 3 valence electron na bumubuo ng mga bono sa mga kalapit na Si atoms, ang ikaapat na bono ay maaaring mabuo kung ang isa pang electron mula sa isa sa mga ito. pinakamalapit na kapitbahay, tingnan ang fig. 10. Ang enerhiya ng naturang paglipat ay hindi mataas, kaya ang katumbas na antas ng enerhiya na tumatanggap (acceptor) na elektron ay matatagpuan malapit sa valence band. Sa kasong ito, ang boron atom ay na-ionize sa pamamagitan ng negatibong pagsingil, at sa lugar kung saan umalis ang elektron, nabuo ang isang positibong sisingilin na butas, na maaaring lumahok sa paglipat ng singil.

kung saan ang e v ay isang electron mula sa valence band, ang E a ay ang enerhiya ng antas ng acceptor na may kaugnayan sa tuktok ng valence band.

kanin. 1.13. Scheme ng Pagbuo ng Free Hole at Charged Acceptor Atom sa Doping ng Si na may Group III Elements ng Periodic Table

Ang bilang ng mga karagdagang lumitaw na mga butas na humigit-kumulang ay tumutugma sa bilang ng mga ipinakilala na mga atom ng acceptor at, bilang isang panuntunan, ay makabuluhang lumampas sa bilang ng mga electron na lumitaw dahil sa mga paglipat mula sa valence band, kaya ang materyal na doped na may isang acceptor impurity ay isang butas (p uri).

Ang pagpapakilala ng isang acceptor impurity ay humahantong sa isang pagtaas sa konsentrasyon ng butas at, nang naaayon, sa isang paglipat ng antas ng Fermi sa valence band (mas malapit ito dito, mas malaki ang konsentrasyon ng butas).

Mga tanong sa pagsusulit.

1. Bakit ang mga electron sa isang semiconductor crystal ay maaaring maglipat ng singil kung sila ay nasa conduction band at hindi maaaring maglipat ng singil kung sila ay nasa isang punong valence band?

2. Ipaliwanag kung bakit mahusay na konduktor ang mga kristal na binubuo ng mga elemento ng unang pangkat?

3. Ano sa palagay mo, kung posible bang makakuha ng crystalline hydrogen, ito ba ay isang conductor o isang semiconductor?

4. Bakit ang pagpapakilala ng mga impurity atoms na kabilang sa ikalimang pangkat ng periodic system ng mga elemento sa silicon (germanium) ay humantong sa paglitaw ng mga libreng electron sa conduction band?

5. Bakit ang pagpapakilala ng mga atom ng impurity na kabilang sa ikatlong pangkat ng periodic system ng mga elemento sa silikon (germanium) ay humantong sa paglitaw ng mga libreng butas sa conduction band?