Πώς και γιατί η αντίσταση των ημιαγωγών εξαρτάται από τη θερμοκρασία; Πώς η αντίσταση εξαρτάται από τη θερμοκρασία Πώς αλλάζει η αντίσταση των ημιαγωγών με την αύξηση της θερμοκρασίας.
2. Πώς εξαρτάται η ειδική αντίσταση ενός αγωγού από τη θερμοκρασία του; Σε ποιες μονάδες μετράται ο συντελεστής θερμοκρασίας αντίστασης;
Η ειδική αντίσταση των αγωγών αυξάνεται γραμμικά με την αύξηση της θερμοκρασίας σύμφωνα με το νόμο3. Πώς μπορεί κανείς να εξηγήσει τη γραμμική εξάρτηση της ειδικής αντίστασης του αγωγού από τη θερμοκρασία;
Η ειδική αντίσταση ενός αγωγού εξαρτάται γραμμικά από τη συχνότητα των συγκρούσεων ηλεκτρονίων με άτομα και ιόντα του κρυσταλλικού πλέγματος και αυτή η συχνότητα εξαρτάται από τη θερμοκρασία.4. Γιατί μειώνεται η ειδική αντίσταση των ημιαγωγών με την αύξηση της θερμοκρασίας;
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων αυξάνεται και όσο αυξάνεται ο αριθμός των φορέων φορτίου, η αντίσταση του ημιαγωγού μειώνεται.5. Περιγράψτε τη διαδικασία της εγγενούς αγωγιμότητας στους ημιαγωγούς.
Ένα άτομο ημιαγωγού χάνει ένα ηλεκτρόνιο και φορτίζεται θετικά. Μια οπή σχηματίζεται στο κέλυφος ηλεκτρονίων - ένα θετικό φορτίο. Έτσι, η εγγενής αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού πραγματοποιείται από δύο τύπους φορέων: ηλεκτρόνια και οπές.Στους ημιαγωγούς, η ηλεκτρική αγωγιμότητα εξαρτάται σημαντικά από τη θερμοκρασία. Σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν μετατρέπονται σε μονωτές και σε υψηλές θερμοκρασίες η αγωγιμότητά τους γίνεται σημαντική. Σε αντίθεση με τα μέταλλα, ο αριθμός των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας στους ημιαγωγούς δεν είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων σθένους, αλλά μόνο ένα μικρό μέρος του. Η απότομη εξάρτηση της αγωγιμότητας των ημιαγωγών από τη θερμοκρασία δείχνει ότι τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας προκύπτουν σε αυτούς υπό την επίδραση της θερμικής κίνησης.
7. Διατυπώστε και καταγράψτε το νόμο του Brewster. Εξηγήστε την απάντησή σας με ένα σχέδιο.
Εάν η εφαπτομένη της γωνίας πρόσπτωσης της δέσμης στη διεπιφάνεια δύο διηλεκτρικών είναι ίση με τον σχετικό δείκτη διάθλασης, τότε η ανακλώμενη δέσμη είναι πλήρως πολωμένη σε επίπεδο κάθετο στο επίπεδο πρόσπτωσης, δηλαδή παράλληλο στη διεπιφάνεια μεταξύ τα μέσα μαζικής ενημέρωσης
tg a B \u003d n 21.
Εδώ a B είναι η γωνία πρόσπτωσης του φωτός, που ονομάζεται γωνία Brewster, n 21 είναι ο σχετικός δείκτης διάθλασης του δεύτερου μέσου σε σχέση με το πρώτο
8. Ποια είναι η ουσία των σχέσεων αβεβαιότητας του Heisenberg;
x*p x >=h
y*p y >=h
z* p z >=h
E* t>=h
Δx, y, z - ανακρίβεια στον προσδιορισμό της συντεταγμένης
Δp - ανακρίβεια στον προσδιορισμό της ορμής
Phys. που σημαίνει: είναι αδύνατο να μετρηθεί με ακρίβεια η θέση και η ορμή ταυτόχρονα.
9. Πώς θα αλλάξει η συχνότητα των ελεύθερων ταλαντώσεων στο ταλαντευόμενο κύκλωμα εάν η επαγωγή του πηνίου αυξηθεί κατά 4 φορές, και η χωρητικότητα του πυκνωτή μειωθεί κατά 2 φορές;
Απάντηση: μείωση κατά έναν παράγοντα
10. Να αναφέρετε το γινόμενο της πυρηνικής αντίδρασης Li + H He +;
11. Ποια είναι η επαγωγική αντίσταση ενός πηνίου με αυτεπαγωγή 2 mH σε συχνότητα ταλάντωσης ρεύματος n = 50 Hz;
R L \u003d wL \u003d 2πνL \u003d 0,628 (Ω). Απάντηση: R L \u003d 0,628 (Ω)
Αν ο απόλυτος δείκτης διάθλασης ενός μέσου είναι 1,5, τότε ποια είναι η ταχύτητα του φωτός σε αυτό το μέσο;
n= c/v 2*10 8
13. Μήκος κύματος ακτινοβολίας γ nm. Ποια διαφορά δυναμικού U πρέπει να εφαρμοστεί στο σωλήνα ακτίνων Χ για να ληφθούν ακτίνες Χ με αυτό το μήκος κύματος;
14. Το μήκος κύματος de Broglie για ένα σωματίδιο είναι 2,2 nm. Να βρείτε τη μάζα του σωματιδίου αν κινείται με ταχύτητα .
m== 6, 62*10 -34 /2, 2*10 -9 *10 5 =3, 01*10 -30 ;
Ως αποτέλεσμα της σκέδασης ενός φωτονίου από ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο, η μετατόπιση Compton αποδείχθηκε ότι ήταν 1,2 μ.μ. Βρείτε τη γωνία σκέδασης.
16. Το κύκλωμα ταλάντωσης περιέχει πυκνωτή 50nF και επαγωγή 5/(4) μH. Προσδιορίστε το μήκος κύματος της ακτινοβολίας
17. Η συνάρτηση εργασίας ενός ηλεκτρονίου από πλατίνα είναι . Ποια είναι η μέγιστη κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων που εκτοξεύονται από την πλατίνα από το φως με μήκος κύματος 0,5 microns;
18. Η απόσταση μεταξύ των αυλακώσεων του πλέγματος περίθλασης d = 4 μm. Κανονικά, φως με μήκος κύματος προσπίπτει στο πλέγμα = 0,6 μm. Ποια είναι η μέγιστη τάξη αυτού του πλέγματος;
d=4μm, , dsinj = nl, sinj=1,n= =
Παπαρούνα. παραγγελία - 6
19. Ποιο είναι το στρώμα μισής απορρόφησης φωτός d 1/2, αν η ένταση του φωτός μειώνεται κατά 8 φορές όταν το φως διέρχεται από ένα στρώμα ουσίας 30 mm; , , , , , , 
,
20. Στο πείραμα του Young, οι τρύπες φωτίστηκαν με μονοχρωματικό φως μήκους κύματος \u003d 6 10 -5 cm, η απόσταση μεταξύ των οπών είναι 1 mm και η απόσταση από τις τρύπες στην οθόνη είναι 3 m. Βρείτε τη θέση της πρώτης φωτεινής λωρίδας .
Επιλογή 18
1. Ένα μαγνητικό πεδίο ονομάζεται ομοιογενές αν ... το διάνυσμα μαγνητικής επαγωγής είναι το ίδιο σε όλα τα σημεία. παράδειγμα (μόνιμος μαγνήτης)
2. Ποιες ταλαντώσεις ονομάζονται εξαναγκασμένες;
Αναγκαστικές ταλαντώσεις - ταλαντώσεις που συμβαίνουν σε οποιοδήποτε σύστημα υπό την επίδραση μιας μεταβλητής εξωτερικής επιρροής. Η φύση των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων καθορίζεται τόσο από τις ιδιότητες της εξωτερικής επιρροής όσο και από τις ιδιότητες του ίδιου του συστήματος.
3. Τι ονομάζεται εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο;
Το εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η εκτόξευση ηλεκτρονίων από μια ουσία υπό τη δράση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Το εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο παρατηρείται κυρίως σε αγωγούς
4. Τι ονομάζεται εντελώς μαύρο σώμα;
Ένα σώμα ικανό να απορροφά πλήρως σε οποιαδήποτε θερμοκρασία όλη την ακτινοβολία οποιασδήποτε συχνότητας που προσπίπτει σε αυτό ονομάζεται μαύρο. Συνεπώς, η φασματική απορρόφηση ενός μαύρου σώματος για όλες τις συχνότητες και τις θερμοκρασίες είναι πανομοιότυπα ίση με ένα ()
5. Να διατυπώσετε και να καταγράψετε το νόμο του Lambert
Ο νόμος Bouguer - Lambert - Beer είναι ένας φυσικός νόμος που καθορίζει την εξασθένηση μιας παράλληλης μονοχρωματικής δέσμης φωτός όταν αυτή διαδίδεται σε ένα απορροφητικό μέσο.
όπου είναι η ένταση της εισερχόμενης δέσμης, l είναι το πάχος του στρώματος της ουσίας από το οποίο διέρχεται το φως, είναι ο δείκτης απορρόφησης
ΣΤΟΣτην περίπτωση ενός ιδανικού κρυσταλλικού πλέγματος, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας δεν θα αντιμετώπιζαν καμία αντίσταση κατά την κίνησή τους και η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων θα ήταν απείρως μεγάλη. Ωστόσο, το κρυσταλλικό πλέγμα δεν είναι ποτέ τέλειο. Η παραβίαση της αυστηρής περιοδικότητας του πλέγματος μπορεί να οφείλεται στην παρουσία ακαθαρσιών ή κενών κενών, καθώς και σε θερμικές δονήσεις του πλέγματος. Η σκέδαση ηλεκτρονίων από άτομα ακαθαρσίας και από δονούμενα ιόντα οδηγεί στην εμφάνιση ηλεκτρικής αντίστασης στα μέταλλα.
Η εμπειρία δείχνει ότι, ως πρώτη προσέγγιση, η αντίσταση των μεταλλικών αγωγών αυξάνεται γραμμικά με τη θερμοκρασία σύμφωνα με το νόμο:
R = Ro (1+α t), ή R = Ro α Τ;
Ρ = ρ o (1+α t), ή ρ = ρ o α T
Εδώ t είναι η θερμοκρασία στην κλίμακα Κελσίου, T είναι η απόλυτη θερμοκρασία, R 0 (ρ o) είναι η αντίσταση (αντίσταση) σε μηδενική θερμοκρασία σε Κελσίου, α είναι ο συντελεστής θερμοκρασίας αντίστασης.
Για καθαρά μέταλλα, ο συντελεστής θερμοκρασίας αντίστασης
α=0,004 K -1 . Το σχήμα 1α δείχνει ένα κατά προσέγγιση γράφημα της εξάρτησης της αντίστασης των μετάλλων από την απόλυτη θερμοκρασία.
Τ 
Σχ.1α Εικ.1β
Σε αντίθεση με τα μέταλλα, στα οποία η εξάρτηση από τη θερμοκρασία της ηλεκτρικής αγωγιμότητας καθορίζεται από την κινητικότητα των ηλεκτρονίων, ως αποτέλεσμα της οποίας η αντίσταση αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, ο κύριος ρόλος στην αγωγιμότητα των ημιαγωγών διαδραματίζει η θερμική παραγωγή ελεύθερων ηλεκτρόνια και οπές. Επιπλέον, οι συγκεντρώσεις των ηλεκτρονίων Ne και των οπών Ng είναι ίδιες για τους εγγενείς (καθαρούς) ημιαγωγούς και αυξάνονται γρήγορα με την αύξηση της θερμοκρασίας (δείτε την κατανομή Boltzmann):
όπου E είναι το διάκενο ζώνης, k είναι η σταθερά Boltzmann. Επομένως, με την αύξηση της θερμοκρασίας, η ηλεκτρική αγωγιμότητα 
οι ημιαγωγοί αυξάνονται γρήγορα και η αντίσταση μειώνεται ανάλογα γρήγορα σύμφωνα με τους τύπους:
και r = r o
(3)
Αν στο γράφημα 1b αναπαριστάνουμε την εξάρτηση ln 
από 
, τότε λαμβάνεται μια ευθεία γραμμή για εγγενείς ημιαγωγούς. Στην περίπτωση των ντοπαρισμένων ημιαγωγών, η συγκέντρωση του φορέα ρεύματος φτάνει γρήγορα σε κορεσμό. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η εγγενής αγωγιμότητα των ημιαγωγών αρχίζει να επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό· σε υψηλές θερμοκρασίες, η αγωγιμότητα θα είναι το άθροισμα της εγγενούς και της ακαθαρσίας. Σε χαμηλές θερμοκρασίες κυριαρχεί η αγωγιμότητα των προσμίξεων, ενώ στις υψηλές επικρατεί η εγγενής αγωγιμότητα.
Αγωγιμότητα προσμίξεων ημιαγωγών
Οι ιδανικοί κρύσταλλοι που δεν περιέχουν ακαθαρσίες είναι πολύ σπάνιοι. Οι ακαθαρσίες σε κρυστάλλους ημιαγωγών μπορεί να αυξήσουν τον αριθμό των ηλεκτρονίων ή των οπών. Διαπιστώθηκε ότι η εισαγωγή ενός ατόμου αντιμονίου ανά κυβικό εκατοστό γερμανίου ή πυριτίου οδηγεί στην εμφάνιση ενός ηλεκτρονίου και ενός ατόμου βορίου στην εμφάνιση μιας οπής.
Η εμφάνιση ηλεκτρονικής αγωγιμότητας ή αγωγιμότητας οπών όταν εισάγονται διάφορες ακαθαρσίες σε έναν ιδανικό κρύσταλλο εμφανίζεται ως εξής. Ας υποθέσουμε ότι σε έναν κρύσταλλο πυριτίου ένα από τα άτομα αντικαθίσταται από ένα άτομο αντιμονίου. Το αντιμόνιο στο εξωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων έχει πέντε ηλεκτρόνια (ομάδα V περιοδικό σύστημα). Τέσσερα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ζευγαρωμένους ηλεκτρονικούς δεσμούς με τέσσερα πλησιέστερα γειτονικά άτομα πυριτίου. Το υπόλοιπο πέμπτο ηλεκτρόνιο θα κινηθεί γύρω από το άτομο του αντιμονίου σε μια τροχιά παρόμοια με την τροχιά ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο υδρογόνου, αλλά η δύναμη της ηλεκτρικής του έλξης προς τον πυρήνα θα μειωθεί σύμφωνα με τη διαπερατότητα του πυριτίου. Επομένως, για να απελευθερωθεί το πέμπτο ηλεκτρόνιο, χρειάζεται μια μικρή ενέργεια, ίση με περίπου 0,05 eV. Ένα ασθενώς δεσμευμένο ηλεκτρόνιο μπορεί εύκολα να αποσπαστεί από ένα άτομο αντιμονίου υπό τη δράση των θερμικών δονήσεων του πλέγματος σε χαμηλές θερμοκρασίες. Μια τέτοια χαμηλή ενέργεια ιονισμού ενός ατόμου ακαθαρσίας σημαίνει ότι σε θερμοκρασίες γύρω στους -100°C, όλα τα άτομα ακαθαρσίας στο γερμάνιο και το πυρίτιο είναι ήδη ιονισμένα και τα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια συμμετέχουν στη διαδικασία ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια θα είναι οι κύριοι φορείς φορτίου. Εδώ υπάρχει ηλεκτρονική αγωγιμότητα ή αγωγιμότητα τύπου n (το n είναι το πρώτο γράμμα της λέξης αρνητικό) Αφού αφαιρεθεί το «έξτρα», πέμπτο, το ηλεκτρόνιο, το άτομο αντιμονίου γίνεται θετικά φορτισμένο ιόν με τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους, όπως όλο το πυρίτιο άτομα, t .e. το ιόν αντιμονίου γίνεται υποκαταστάτης πυριτίου στο κρυσταλλικό πλέγμα.
Οι ακαθαρσίες που προκαλούν την εμφάνιση ηλεκτρονικής αγωγιμότητας στους κρυστάλλους ονομάζονται δότες. Για το πυρίτιο και το γερμάνιο, είναι στοιχεία της ομάδας V του περιοδικού πίνακα - αντιμόνιο, φώσφορος, αρσενικό και βισμούθιο.
Το τρισθενές άτομο ακαθαρσίας βορίου στο πλέγμα πυριτίου συμπεριφέρεται διαφορετικά. Το εξωτερικό περίβλημα του ατόμου του βορίου έχει μόνο τρία ηλεκτρόνια σθένους. Αυτό σημαίνει ότι λείπει ένα ηλεκτρόνιο για να γεμίσει τέσσερις δεσμούς σθένους με τέσσερις πλησιέστερους γείτονες. Ένας ελεύθερος δεσμός μπορεί να γεμίσει με ένα ηλεκτρόνιο που μεταφέρεται από κάποιον άλλο δεσμό, αυτός ο δεσμός θα γεμίσει με ηλεκτρόνια του επόμενου δεσμού και ούτω καθεξής. Μια θετική οπή (μη γεμάτος δεσμός) μπορεί να μετακινηθεί μέσω του κρυστάλλου από το ένα άτομο στο άλλο (όταν ένα ηλεκτρόνιο κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση). Όταν ένα ηλεκτρόνιο γεμίζει τον δεσμό σθένους που λείπει, το άτομο βορίου ακαθαρσίας μετατρέπεται σε αρνητικά φορτισμένο ιόν που αντικαθιστά το άτομο πυριτίου στο κρυσταλλικό πλέγμα. Η οπή θα είναι ασθενώς συνδεδεμένη με το άτομο του βορίου από τις δυνάμεις της ηλεκτροστατικής έλξης και θα κινείται γύρω της σε μια τροχιά παρόμοια με την τροχιά ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο υδρογόνου. Ενέργεια ιοντισμού, δηλ. η ενέργεια που απαιτείται για την αποκόλληση μιας οπής από ένα αρνητικό ιόν βορίου θα είναι περίπου ίση με 0,05 eV. Επομένως, σε θερμοκρασία δωματίου, όλα τα τρισθενή άτομα ακαθαρσίας ιονίζονται και οι οπές συμμετέχουν στη διαδικασία ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Εάν υπάρχει ανάμειξη τρισθενών ατόμων σε έναν κρύσταλλο πυριτίου (ομάδα III του περιοδικού συστήματος), τότε η αγωγιμότητα πραγματοποιείται κυρίως από οπές. Αυτή η αγωγιμότητα ονομάζεται αγωγιμότητα οπής ή τύπου p (p είναι το πρώτο γράμμα της λέξης θετικό ). Οι ακαθαρσίες που προκαλούν αγωγιμότητα οπών ονομάζονται δέκτες. Οι δέκτες στο γερμάνιο και το πυρίτιο περιλαμβάνουν στοιχεία της τρίτης ομάδας του περιοδικού συστήματος: γάλλιο, θάλλιο, βόριο, αλουμίνιο. Ο αριθμός των φορέων ρεύματος που προκύπτουν όταν μια ακαθαρσία κάθε τύπου εισάγεται ξεχωριστά εξαρτάται από τη συγκέντρωση της ακαθαρσίας και την ενέργεια ιονισμού της σε έναν δεδομένο ημιαγωγό. Ωστόσο, οι περισσότερες πρακτικά χρησιμοποιούμενες ακαθαρσίες ιονίζονται πλήρως σε θερμοκρασία δωματίου, επομένως η συγκέντρωση φορέα που δημιουργείται από ακαθαρσίες υπό αυτές τις συνθήκες προσδιορίζεται μόνο από τη συγκέντρωση ακαθαρσιών και σε πολλές περιπτώσεις είναι ίση με τον αριθμό των ατόμων ακαθαρσίας που εισάγονται στον ημιαγωγό.
Κάθε άτομο μιας ακαθαρσίας δότη συνεισφέρει ένα ηλεκτρόνιο αγωγιμότητας, επομένως, όσο περισσότερα άτομα δότη σε κάθε κυβικό εκατοστό ενός ημιαγωγού, τόσο περισσότερο η συγκέντρωσή τους υπερβαίνει τη συγκέντρωση των οπών και η αγωγιμότητα είναι ηλεκτρονικής φύσης. Η αντίστροφη κατάσταση συμβαίνει όταν εισάγονται ακαθαρσίες αποδέκτη.
Με ίση συγκέντρωση ακαθαρσιών δότη και δέκτη στον κρύσταλλο, η αγωγιμότητα θα παρέχεται, όπως στον δικό του ημιαγωγό, από ηλεκτρόνια και οπές λόγω της θραύσης των δεσμών σθένους. Ένας τέτοιος ημιαγωγός ονομάζεται αντισταθμισμένος.
Η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που μεταφέρεται από οπές ή ηλεκτρόνια καθορίζεται όχι μόνο από τη συγκέντρωση των φορέων, αλλά και από την κινητικότητα των ηλεκτρονίων και των οπών.
ΕΝΩΣΕΙΣ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ
Μαζί με τους στοιχειώδεις ημιαγωγούς στην τεχνολογία ημιαγωγών, χρησιμοποιούνται ευρέως ενώσεις ημιαγωγών που λαμβάνονται με σύντηξη ή χημική επεξεργασία καθαρών στοιχείων. Πρόκειται για οξείδιο του χαλκού, από το οποίο κατασκευάζονται ανορθωτές ημιαγωγών διαφόρων τύπων, αντιμόνιο ψευδάργυρο (SbZn), που χρησιμοποιείται για την κατασκευή θερμοπυλών ημιαγωγών, τελλουρίδιο μολύβδου (PbTe), που έχει βρει εφαρμογή στην κατασκευή φωτοβολταϊκών συσκευών και στον αρνητικό κλάδο των θερμοστοιχείων, και πολλά άλλα.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν ενώσεις του τύπου IIIBV. Λαμβάνονται από τη σύνθεση στοιχείων των ομάδων III και V του περιοδικού συστήματος στοιχείων του Mendeleev. Από τις ενώσεις αυτού του τύπου, οι AIP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs και InSb έχουν τις πιο ενδιαφέρουσες ιδιότητες ημιαγωγών. Σε μια σειρά από ιδιότητες, αυτές οι ενώσεις είναι κοντά στα στοιχεία ημιαγωγών της ομάδας IV γερμάνιο και πυρίτιο. Η κινητικότητα των φορέων ρεύματος σε αυτά φτάνει σε υψηλές τιμές. Το χάσμα ζώνης ορισμένων από αυτές τις ενώσεις είναι επίσης μεγάλο. οι ακαθαρσίες που εισάγονται σε αυτά αλλάζουν τον μηχανισμό της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Έτσι, ορισμένα άτομα της ομάδας II συμπεριφέρονται ως δέκτες και ένας αριθμός ατόμων της ομάδας VI ενεργούν ως δότες.
Θέματα του κωδικοποιητή USE: ημιαγωγοί, εσωτερική και εξωτερική αγωγιμότητα ημιαγωγών.
Μέχρι τώρα, μιλώντας για την ικανότητα των ουσιών να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα, τις χωρίζαμε σε αγωγούς και διηλεκτρικά. Η ειδική αντίσταση των συνηθισμένων αγωγών είναι στην περιοχή των Ohm m. η ειδική αντίσταση των διηλεκτρικών υπερβαίνει αυτές τις τιμές κατά μέσο όρο κατά τάξεις μεγέθους: Ohm m.
Υπάρχουν όμως και ουσίες που, στην ηλεκτρική τους αγωγιμότητα, καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ αγωγών και διηλεκτρικών. το ημιαγωγών: η ειδική αντίστασή τους σε θερμοκρασία δωματίου μπορεί να λάβει τιμές σε πολύ μεγάλο εύρος ohm m. Οι ημιαγωγοί περιλαμβάνουν πυρίτιο, γερμάνιο, σελήνιο και μερικούς άλλους. χημικά στοιχείακαι ενώσεις (Οι ημιαγωγοί είναι εξαιρετικά συνηθισμένοι στη φύση. Για παράδειγμα, περίπου το 80% της μάζας φλοιός της γηςείναι ουσίες που είναι ημιαγωγοί). Το πυρίτιο και το γερμάνιο είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα.
Το κύριο χαρακτηριστικό των ημιαγωγών είναι ότι η ηλεκτρική τους αγωγιμότητα αυξάνεται απότομα με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική αντίσταση ενός ημιαγωγού μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας περίπου όπως φαίνεται στο Σχ. ένας .
Ρύζι. 1. Εξάρτηση για ημιαγωγό
Με άλλα λόγια, σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι ημιαγωγοί συμπεριφέρονται σαν διηλεκτρικοί, και σε υψηλές θερμοκρασίες συμπεριφέρονται σαν αρκετά καλοί αγωγοί. Αυτή είναι η διαφορά μεταξύ ημιαγωγών και μετάλλων: η ειδική αντίσταση του μετάλλου, όπως θυμάστε, αυξάνεται γραμμικά με την αύξηση της θερμοκρασίας.
Υπάρχουν και άλλες διαφορές μεταξύ ημιαγωγών και μετάλλων. Έτσι, ο φωτισμός ενός ημιαγωγού προκαλεί μείωση της αντίστασής του (και το φως δεν έχει σχεδόν καμία επίδραση στην αντίσταση ενός μετάλλου). Επιπλέον, η ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών μπορεί να αλλάξει πολύ έντονα με την εισαγωγή ακόμη και αμελητέας ποσότητας ακαθαρσιών.
Η εμπειρία δείχνει ότι, όπως και στην περίπτωση των μετάλλων, όταν το ρεύμα ρέει μέσω ενός ημιαγωγού, δεν υπάρχει μεταφορά ύλης. Επομένως, το ηλεκτρικό ρεύμα στους ημιαγωγούς οφείλεται στην κίνηση των ηλεκτρονίων.
Η μείωση της αντίστασης ενός ημιαγωγού όταν θερμαίνεται υποδηλώνει ότι η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε αύξηση του αριθμού των ελεύθερων φορτίων στον ημιαγωγό. Τίποτα τέτοιο δεν συμβαίνει στα μέταλλα. Επομένως, οι ημιαγωγοί έχουν διαφορετικό μηχανισμό ηλεκτρικής αγωγιμότητας από τα μέταλλα. Και ο λόγος για αυτό είναι η διαφορετική φύση του χημικού δεσμού μεταξύ των ατόμων των μετάλλων και των ημιαγωγών.
ομοιοπολικό δεσμό
Ο μεταλλικός δεσμός, θυμηθείτε, παρέχεται από ένα αέριο ελεύθερων ηλεκτρονίων, το οποίο, όπως η κόλλα, συγκρατεί τα θετικά ιόντα στις θέσεις του πλέγματος. Οι ημιαγωγοί είναι διατεταγμένοι διαφορετικά - τα άτομα τους συγκρατούνται μεταξύ τους ομοιοπολικό δεσμό. Ας θυμηθούμε τι είναι.
Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στο εξωτερικό ηλεκτρονικό επίπεδο και καλούνται σθένος, είναι ασθενέστερα συνδεδεμένα με το άτομο από τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια, τα οποία βρίσκονται πιο κοντά στον πυρήνα. Στη διαδικασία σχηματισμού ενός ομοιοπολικού δεσμού, δύο άτομα συμβάλλουν «στην κοινή αιτία» ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους τους. Αυτά τα δύο ηλεκτρόνια κοινωνικοποιούνται, δηλαδή ανήκουν πλέον και στα δύο άτομα, και επομένως ονομάζονται κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων(Εικ. 2).
Ρύζι. 2. Ομοιοπολικός δεσμός
Το κοινωνικοποιημένο ζεύγος ηλεκτρονίων απλώς κρατά τα άτομα το ένα κοντά στο άλλο (με τη βοήθεια ηλεκτρικών δυνάμεων έλξης). Ο ομοιοπολικός δεσμός είναι ένας δεσμός που υπάρχει μεταξύ ατόμων λόγω κοινών ζευγών ηλεκτρονίων.. Για το λόγο αυτό ονομάζεται και ομοιοπολικός δεσμός ζεύγος-ηλεκτρόνιο.
Κρυσταλλική δομή πυριτίου
Τώρα είμαστε έτοιμοι να ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στα εσωτερικά των ημιαγωγών. Ως παράδειγμα, εξετάστε τον πιο κοινό ημιαγωγό στη φύση - το πυρίτιο. Ο δεύτερος πιο σημαντικός ημιαγωγός, το γερμάνιο, έχει παρόμοια δομή.
Η χωρική δομή του πυριτίου φαίνεται στο σχ. 3 (εικόνα από τον Ben Mills). Τα άτομα πυριτίου απεικονίζονται ως μπάλες και οι σωλήνες που τα συνδέουν είναι κανάλια ομοιοπολικού δεσμού μεταξύ των ατόμων.
Ρύζι. 3. Κρυσταλλική δομή πυριτίου
Σημειώστε ότι κάθε άτομο πυριτίου είναι συνδεδεμένο με τέσσεριςγειτονικά άτομα. Γιατί έτσι?
Το γεγονός είναι ότι το πυρίτιο είναι τετρασθενές - στο εξωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων του ατόμου του πυριτίου υπάρχουν τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους. Καθένα από αυτά τα τέσσερα ηλεκτρόνια είναι έτοιμο να σχηματίσει ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων με το ηλεκτρόνιο σθένους ενός άλλου ατόμου. Και έτσι γίνεται! Ως αποτέλεσμα, το άτομο πυριτίου περιβάλλεται από τέσσερα συνδεδεμένα άτομα, καθένα από τα οποία συνεισφέρει ένα ηλεκτρόνιο σθένους. Αντίστοιχα, γύρω από κάθε άτομο υπάρχουν οκτώ ηλεκτρόνια (τέσσερα δικά και τέσσερα εξωγήινα).
Αυτό το βλέπουμε με περισσότερες λεπτομέρειες σε ένα επίπεδο διάγραμμα του κρυσταλλικού πλέγματος πυριτίου (Εικ. 4).
Ρύζι. 4. Κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου
Οι ομοιοπολικοί δεσμοί παρουσιάζονται ως ζεύγη γραμμών που συνδέουν άτομα. αυτές οι γραμμές μοιράζονται ζεύγη ηλεκτρονίων. Κάθε ηλεκτρόνιο σθένους που βρίσκεται σε μια τέτοια γραμμή περνά τον περισσότερο χρόνο του στο χώρο μεταξύ δύο γειτονικών ατόμων.
Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια σθένους δεν είναι σε καμία περίπτωση «στενά δεμένα» με τα αντίστοιχα ζεύγη ατόμων. Τα κελύφη ηλεκτρονίων επικαλύπτονται όλαγειτονικά άτομα, έτσι ώστε οποιοδήποτε ηλεκτρόνιο σθένους είναι η κοινή ιδιότητα όλων των γειτονικών ατόμων. Από κάποιο άτομο 1, ένα τέτοιο ηλεκτρόνιο μπορεί να πάει στο γειτονικό του άτομο 2, μετά στο γειτονικό του άτομο 3, και ούτω καθεξής. Τα ηλεκτρόνια σθένους μπορούν να κινηθούν σε όλο τον χώρο του κρυστάλλου - λέγεται ότι ανήκουν σε όλο το κρύσταλλο(αντί για οποιοδήποτε ατομικό ζεύγος).
Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια σθένους του πυριτίου δεν είναι ελεύθερα (όπως συμβαίνει στο μέταλλο). Σε έναν ημιαγωγό, ο δεσμός μεταξύ ηλεκτρονίων σθένους και ατόμων είναι πολύ ισχυρότερος από ό,τι σε ένα μέταλλο. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί πυριτίου δεν σπάνε σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων δεν είναι αρκετή για να ξεκινήσει μια ομαλή κίνηση από ένα χαμηλότερο δυναμικό σε ένα υψηλότερο υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Επομένως, σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες, οι ημιαγωγοί είναι κοντά στα διηλεκτρικά - δεν μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα.
Δική αγωγιμότητα
Εάν συμπεριλάβετε ένα στοιχείο ημιαγωγού σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα και αρχίσετε να το θερμάνετε, τότε η ισχύς του ρεύματος στο κύκλωμα αυξάνεται. Επομένως, η αντίσταση ημιαγωγών μειώνεταιμε αύξηση της θερμοκρασίας. Γιατί συμβαίνει αυτό?
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, οι θερμικές δονήσεις των ατόμων πυριτίου γίνονται πιο έντονες και η ενέργεια των ηλεκτρονίων σθένους αυξάνεται. Για ορισμένα ηλεκτρόνια, η ενέργεια φτάνει σε τιμές επαρκείς για τη διάσπαση των ομοιοπολικών δεσμών. Τέτοια ηλεκτρόνια αφήνουν τα άτομα τους και γίνονται Ελεύθερος(ή ηλεκτρόνια αγωγιμότητας) είναι ακριβώς το ίδιο με το μέταλλο. Σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ξεκινούν μια διατεταγμένη κίνηση, σχηματίζοντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα.
Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του πυριτίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια των ηλεκτρονίων, και τόσο μεγαλύτερος ο αριθμός των ομοιοπολικών δεσμών δεν αντέχει και σπάει. Ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε έναν κρύσταλλο πυριτίου αυξάνεται, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της αντίστασής του.
Το σπάσιμο των ομοιοπολικών δεσμών και η εμφάνιση ελεύθερων ηλεκτρονίων φαίνεται στο σχ. 5 . Στη θέση ενός σπασμένου ομοιοπολικού δεσμού, α τρύπαείναι μια κενή θέση για ένα ηλεκτρόνιο. Η τρύπα έχει θετικόςφορτίο, αφού με την αποχώρηση ενός αρνητικά φορτισμένου ηλεκτρονίου, παραμένει ένα μη αντισταθμισμένο θετικό φορτίο του πυρήνα του ατόμου του πυριτίου.
Ρύζι. 5. Σχηματισμός ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών
Οι τρύπες δεν μένουν στη θέση τους - μπορούν να περιπλανηθούν γύρω από τον κρύσταλλο. Το γεγονός είναι ότι ένα από τα γειτονικά ηλεκτρόνια σθένους, που "ταξιδεύουν" μεταξύ των ατόμων, μπορεί να μεταπηδήσει στο σχηματισμένο κενό, γεμίζοντας την τρύπα. τότε η οπή σε αυτό το μέρος θα εξαφανιστεί, αλλά θα εμφανιστεί στο μέρος από όπου προήλθε το ηλεκτρόνιο.
Ελλείψει εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, η κίνηση των οπών είναι τυχαία, επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους περιφέρονται μεταξύ των ατόμων τυχαία. Ωστόσο, σε ένα ηλεκτρικό πεδίο σκηνοθετημένοςκίνηση της τρύπας. Γιατί; Είναι εύκολο να το καταλάβεις.
Στο σχ. Το σχήμα 6 δείχνει έναν ημιαγωγό τοποθετημένο σε ηλεκτρικό πεδίο. Στην αριστερή πλευρά του σχήματος είναι η αρχική θέση της τρύπας.
Ρύζι. 6. Κίνηση οπής σε ηλεκτρικό πεδίο
Πού θα πάει η τρύπα; Είναι σαφές ότι τα πιο πιθανά είναι λυκίσκου "ηλεκτρόνιο > τρύπα" στην κατεύθυνση κατάγραμμές πεδίου (δηλαδή στα «συν» που δημιουργούν το πεδίο). Ένα από αυτά τα άλματα φαίνεται στο μεσαίο τμήμα του σχήματος: το ηλεκτρόνιο πήδηξε προς τα αριστερά, γεμίζοντας το κενό και η τρύπα, κατά συνέπεια, μετατοπίστηκε προς τα δεξιά. Το επόμενο πιθανό άλμα ενός ηλεκτρονίου που προκαλείται από ηλεκτρικό πεδίο φαίνεται στη δεξιά πλευρά του σχήματος. Ως αποτέλεσμα αυτού του άλματος, η τρύπα πήρε μια νέα θέση, που βρίσκεται ακόμη πιο δεξιά.
Βλέπουμε ότι η τρύπα ως σύνολο κινείται προςγραμμές πεδίου - δηλαδή εκεί που υποτίθεται ότι κινούνται θετικά φορτία. Τονίζουμε για άλλη μια φορά ότι η κατευθυνόμενη κίνηση μιας οπής κατά μήκος του πεδίου προκαλείται από πηδήματα ηλεκτρονίων σθένους από άτομο σε άτομο, που εμφανίζονται κυρίως προς την κατεύθυνση ενάντια στο πεδίο.
Έτσι, υπάρχουν δύο τύποι φορέων φορτίου σε έναν κρύσταλλο πυριτίου: ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές. Όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό ρεύμα, που προκαλείται από τη διατεταγμένη αντίστροφη κίνησή τους: τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται αντίθετα από το διάνυσμα έντασης πεδίου και οι οπές κινούνται προς την κατεύθυνση του διανύσματος.
Η εμφάνιση ρεύματος λόγω της κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων ονομάζεται ηλεκτρονική αγωγιμότητα, ή αγωγιμότητα τύπου n. Η διαδικασία της εύρυθμης κίνησης των οπών ονομάζεται αγωγιμότητα οπών,ή αγωγιμότητα τύπου p(από τα πρώτα γράμματα των λατινικών λέξεων negativus (αρνητικό) και positivus (θετικό)). Και οι δύο αγωγιμότητα - ηλεκτρόνιο και οπή - μαζί ονομάζονται δική της αγωγιμότηταημιαγωγός.
Κάθε αναχώρηση ενός ηλεκτρονίου από έναν σπασμένο ομοιοπολικό δεσμό δημιουργεί ένα ζεύγος «ελεύθερων ηλεκτρονίων-οπών». Επομένως, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε έναν καθαρό κρύσταλλο πυριτίου είναι ίση με τη συγκέντρωση των οπών. Κατά συνέπεια, όταν ο κρύσταλλος θερμαίνεται, η συγκέντρωση όχι μόνο των ελεύθερων ηλεκτρονίων, αλλά και των οπών αυξάνεται, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της εγγενούς αγωγιμότητας του ημιαγωγού λόγω αύξησης τόσο της ηλεκτρονικής όσο και της αγωγιμότητας της οπής.
Μαζί με το σχηματισμό ζευγών «ελεύθερων ηλεκτρονίων-οπών», λαμβάνει χώρα και η αντίστροφη διαδικασία: ανασυνδυασμόςελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές. Δηλαδή, ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο, που συναντιέται με μια τρύπα, γεμίζει αυτό το κενό, αποκαθιστώντας τον σπασμένο ομοιοπολικό δεσμό και μετατρέποντας σε ηλεκτρόνιο σθένους. Έτσι, σε έναν ημιαγωγό, δυναμική ισορροπία: ο μέσος αριθμός διακοπής των ομοιοπολικών δεσμών και των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που προκύπτουν ανά μονάδα χρόνου είναι ίσος με τον μέσο αριθμό ανασυνδυαζόμενων ηλεκτρονίων και οπών. Αυτή η κατάσταση δυναμικής ισορροπίας καθορίζει τη συγκέντρωση ισορροπίας των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών σε έναν ημιαγωγό υπό δεδομένες συνθήκες.
Μια αλλαγή στις εξωτερικές συνθήκες μετατοπίζει την κατάσταση της δυναμικής ισορροπίας προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση. Η τιμή ισορροπίας της συγκέντρωσης των φορέων φορτίου αλλάζει φυσικά σε αυτή την περίπτωση. Για παράδειγμα, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών αυξάνεται όταν ένας ημιαγωγός θερμαίνεται ή φωτίζεται.
Σε θερμοκρασία δωματίου, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών στο πυρίτιο είναι περίπου ίση με εκ. Η συγκέντρωση των ατόμων πυριτίου είναι περίπου εκ. Με άλλα λόγια, υπάρχει μόνο ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο ανά άτομο πυριτίου! Αυτό είναι πολύ λίγο. Στα μέταλλα, για παράδειγμα, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι περίπου ίση με τη συγκέντρωση των ατόμων. Αντίστοιχα, η εγγενής αγωγιμότητα του πυριτίου και άλλων ημιαγωγών υπό κανονικές συνθήκες είναι μικρή σε σύγκριση με την αγωγιμότητα των μετάλλων.
Αγωγιμότητα ακαθαρσιών
Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό των ημιαγωγών είναι ότι η ειδική αντίστασή τους μπορεί να μειωθεί κατά αρκετές τάξεις μεγέθους εισάγοντας ακόμη και μια πολύ μικρή ποσότητα ακαθαρσιών. Εκτός από τη δική του αγωγιμότητα, ένας ημιαγωγός έχει μια κυρίαρχη αγωγιμότητα ακαθαρσιών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι συσκευές ημιαγωγών έχουν βρει τόσο ευρεία εφαρμογή στην επιστήμη και την τεχνολογία.
Ας υποθέσουμε, για παράδειγμα, ότι στο τήγμα του πυριτίου προστίθεται λίγο πεντασθενές αρσενικό. Μετά την κρυστάλλωση του τήγματος, αποδεικνύεται ότι άτομα αρσενικού καταλαμβάνουν θέσεις σε ορισμένες θέσεις του σχηματισμένου κρυσταλλικού πλέγματος πυριτίου.
Το εξωτερικό ηλεκτρονικό επίπεδο ενός ατόμου αρσενικού έχει πέντε ηλεκτρόνια. Τέσσερα από αυτά σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τους πλησιέστερους γείτονες - άτομα πυριτίου (Εικ. 7). Ποια είναι η μοίρα του πέμπτου ηλεκτρονίου που δεν καταλαμβάνεται σε αυτούς τους δεσμούς;
Ρύζι. 7. Ημιαγωγός τύπου Ν
Και το πέμπτο ηλεκτρόνιο γίνεται ελεύθερο! Το γεγονός είναι ότι η ενέργεια δέσμευσης αυτού του "επιπλέον" ηλεκτρονίου με ένα άτομο αρσενικού που βρίσκεται σε έναν κρύσταλλο πυριτίου είναι πολύ μικρότερη από την ενέργεια δέσμευσης των ηλεκτρονίων σθένους με άτομα πυριτίου. Επομένως, ήδη σε θερμοκρασία δωματίου, σχεδόν όλα τα άτομα αρσενικού, ως αποτέλεσμα θερμικής κίνησης, παραμένουν χωρίς πέμπτο ηλεκτρόνιο, μετατρέποντας σε θετικά ιόντα. Και ο κρύσταλλος του πυριτίου, αντίστοιχα, είναι γεμάτος με ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία απαγκιστρώνονται από τα άτομα αρσενικού.
Το γέμισμα ενός κρυστάλλου με ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν είναι καινούργιο για εμάς: το είδαμε παραπάνω όταν θερμάνθηκε ΚΑΘΑΡΗπυρίτιο (χωρίς ακαθαρσίες). Αλλά τώρα η κατάσταση είναι ριζικά διαφορετική: η εμφάνιση ελεύθερου ηλεκτρονίου που φεύγει από το άτομο αρσενικού δεν συνοδεύεται από την εμφάνιση κινητής οπής. Γιατί; Ο λόγος είναι ο ίδιος - ο δεσμός των ηλεκτρονίων σθένους με τα άτομα πυριτίου είναι πολύ ισχυρότερος από ό,τι με το άτομο αρσενικού στην πέμπτη κενή θέση, επομένως τα ηλεκτρόνια των γειτονικών ατόμων πυριτίου δεν τείνουν να καλύψουν αυτό το κενό. Έτσι, το κενό παραμένει στη θέση του· είναι, σαν να λέγαμε, «παγωμένο» στο άτομο αρσενικού και δεν συμμετέχει στη δημιουργία του ρεύματος.
Με αυτόν τον τρόπο, η εισαγωγή πεντασθενών ατόμων αρσενικού στο κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου δημιουργεί ηλεκτρονική αγωγιμότητα, αλλά δεν οδηγεί στη συμμετρική εμφάνιση της αγωγιμότητας της οπής. Ο κύριος ρόλος στη δημιουργία του ρεύματος ανήκει πλέον στα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία σε αυτή την περίπτωση ονομάζονται κύριοι μεταφορείςχρέωση.
Ο εγγενής μηχανισμός αγωγιμότητας, φυσικά, συνεχίζει να λειτουργεί ακόμη και με την παρουσία μιας ακαθαρσίας: οι ομοιοπολικοί δεσμοί εξακολουθούν να είναι σπασμένοι λόγω θερμικής κίνησης, δημιουργώντας ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές. Αλλά τώρα υπάρχουν πολύ λιγότερες οπές από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία παρέχονται σε μεγάλες ποσότητες από άτομα αρσενικού. Επομένως, οι τρύπες σε αυτή την περίπτωση θα είναι μεταφορείς μειοψηφίαςχρέωση.
Οι προσμίξεις των οποίων τα άτομα δίνουν ελεύθερα ηλεκτρόνια χωρίς την εμφάνιση ίσου αριθμού κινητών οπών ονομάζονται δότης. Για παράδειγμα, το πεντασθενές αρσενικό είναι μια ακαθαρσία δότη. Με την παρουσία μιας ακαθαρσίας δότη στον ημιαγωγό, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι οι κύριοι φορείς φορτίου και οι οπές είναι οι δευτερεύοντες. Με άλλα λόγια, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι πολύ μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση των οπών. Επομένως, ονομάζονται ημιαγωγοί με ακαθαρσίες δότη ηλεκτρονικών ημιαγωγών, ή ημιαγωγοί τύπου n(ή απλά n-ημιαγωγοί).
Και πόσο, ενδιαφέροντα, μπορεί η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων να υπερβαίνει τη συγκέντρωση των οπών σε έναν n-ημιαγωγό; Ας κάνουμε έναν απλό υπολογισμό.
Ας υποθέσουμε ότι η ακαθαρσία είναι , δηλαδή υπάρχει ένα άτομο αρσενικού ανά χίλια άτομα πυριτίου. Η συγκέντρωση των ατόμων πυριτίου, όπως θυμόμαστε, είναι της τάξης των cm.
Η συγκέντρωση των ατόμων αρσενικού, αντίστοιχα, θα είναι χίλιες φορές μικρότερη: εκ. Η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων που δίνονται από την ακαθαρσία θα αποδειχθεί επίσης η ίδια - εξάλλου, κάθε άτομο αρσενικού εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο. Και τώρα ας θυμηθούμε ότι η συγκέντρωση των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που εμφανίζονται όταν σπάνε ομοιοπολικοί δεσμοί πυριτίου σε θερμοκρασία δωματίου είναι περίπου ίση με cm. Αισθάνεστε τη διαφορά; Η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε αυτή την περίπτωση είναι μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση των οπών κατά τάξεις μεγέθους, δηλαδή ένα δισεκατομμύριο φορές! Κατά συνέπεια, η ειδική αντίσταση ενός ημιαγωγού πυριτίου μειώνεται κατά ένα δισεκατομμύριο όταν εισάγεται μια τόσο μικρή ποσότητα ακαθαρσίας.
Ο παραπάνω υπολογισμός δείχνει ότι στους ημιαγωγούς τύπου n, τον κύριο ρόλο όντως παίζει η ηλεκτρονική αγωγιμότητα. Στο πλαίσιο μιας τέτοιας κολοσσιαίας υπεροχής στον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων, η συμβολή της κίνησης των οπών στη συνολική αγωγιμότητα είναι αμελητέα μικρή.
Είναι δυνατό, αντίθετα, να δημιουργηθεί ένας ημιαγωγός με υπεροχή της αγωγιμότητας των οπών. Αυτό θα συμβεί εάν μια τρισθενής ακαθαρσία εισαχθεί σε έναν κρύσταλλο πυριτίου - για παράδειγμα, ίνδιο. Το αποτέλεσμα μιας τέτοιας υλοποίησης φαίνεται στο Σχ. οκτώ.
Ρύζι. 8. ημιαγωγός τύπου p
Τι συμβαίνει σε αυτή την περίπτωση; Το εξωτερικό ηλεκτρονικό επίπεδο του ατόμου του ινδίου έχει τρία ηλεκτρόνια που σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τα τρία γύρω άτομα πυριτίου. Για το τέταρτο γειτονικό άτομο πυριτίου, το άτομο του ινδίου δεν έχει πλέον αρκετό ηλεκτρόνιο και εμφανίζεται μια τρύπα σε αυτό το μέρος.
Και αυτή η τρύπα δεν είναι απλή, αλλά ιδιαίτερη - με πολύ υψηλή δεσμευτική ενέργεια. Όταν ένα ηλεκτρόνιο από ένα γειτονικό άτομο πυριτίου εισέλθει σε αυτό, θα «κολλήσει για πάντα» σε αυτό, επειδή η έλξη ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο ινδίου είναι πολύ μεγάλη - περισσότερο από ό, τι σε άτομα πυριτίου. Το άτομο του ινδίου θα μετατραπεί σε αρνητικό ιόν και στο μέρος από όπου προήλθε το ηλεκτρόνιο, θα εμφανιστεί μια οπή - αλλά τώρα μια συνηθισμένη κινητή οπή με τη μορφή ενός σπασμένου ομοιοπολικού δεσμού στο κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου. Αυτή η τρύπα με τον συνηθισμένο τρόπο θα αρχίσει να περιφέρεται γύρω από τον κρύσταλλο λόγω της μεταφοράς «αναμετάδοσης» ηλεκτρονίων σθένους από το ένα άτομο πυριτίου στο άλλο.
Και έτσι, κάθε άτομο ακαθαρσίας του ινδίου δημιουργεί μια οπή, αλλά δεν οδηγεί στη συμμετρική εμφάνιση ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου. Τέτοιες ακαθαρσίες, τα άτομα των οποίων συλλαμβάνουν «σφιχτά» ηλεκτρόνια και έτσι δημιουργούν μια κινητή οπή στον κρύσταλλο, ονομάζονται αποδέκτης.
Το τρισθενές ίνδιο είναι ένα παράδειγμα ακαθαρσίας δέκτη.
Εάν μια ακαθαρσία δέκτη εισαχθεί σε έναν κρύσταλλο καθαρού πυριτίου, τότε ο αριθμός των οπών που δημιουργούνται από την ακαθαρσία θα είναι πολύ μεγαλύτερος από τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων που έχουν προκύψει λόγω της θραύσης των ομοιοπολικών δεσμών μεταξύ των ατόμων πυριτίου. Ένας ημιαγωγός με προσμίκτη δέκτη είναι οπή ημιαγωγού, ή ημιαγωγός τύπου p(ή απλά p-ημιαγωγός).
Οι οπές παίζουν σημαντικό ρόλο στη δημιουργία ρεύματος σε έναν ημιαγωγό p. τρύπες - κύριοι φορείς φόρτισης. Ελεύθερα ηλεκτρόνια - δευτερεύοντες μεταφορείςφορτίο σε ημιαγωγό p. Η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε αυτή την περίπτωση δεν συμβάλλει σημαντικά: το ηλεκτρικό ρεύμα παρέχεται κυρίως από την αγωγιμότητα της οπής.
διασταύρωση p–n
Το σημείο επαφής δύο ημιαγωγών με διαφορετικούς τύπους αγωγιμότητας (ηλεκτρόνιο και οπή) ονομάζεται μετάβαση ηλεκτρονίου-οπής, ή διασταύρωση p–n. Στην περιοχή της διασταύρωσης p–n, εμφανίζεται ένα ενδιαφέρον και πολύ σημαντικό φαινόμενο - αγωγιμότητα μονής κατεύθυνσης.
Στο σχ. 9 δείχνει την επαφή των περιοχών τύπου p και n. Οι έγχρωμοι κύκλοι είναι οπές και ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία είναι οι περισσότεροι (ή δευτερεύοντες) φορείς φορτίου στις αντίστοιχες περιοχές.
Ρύζι. 9. Διασταύρωση p–n στρώσης αποκλεισμού
Εκτελώντας θερμική κίνηση, οι φορείς φορτίου διεισδύουν μέσω της διεπαφής μεταξύ των περιοχών.
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια περνούν από την περιοχή n στην περιοχή p και ανασυνδυάζονται εκεί με οπές. Οι οπές διαχέονται από την περιοχή p στην περιοχή n και ανασυνδυάζονται εκεί με ηλεκτρόνια.
Ως αποτέλεσμα αυτών των διεργασιών, ένα μη αντισταθμισμένο φορτίο των θετικών ιόντων της ακαθαρσίας του δότη παραμένει στον ηλεκτρονικό ημιαγωγό κοντά στο όριο επαφής, ενώ στον ημιαγωγό οπής (επίσης κοντά στο όριο) προκύπτει ένα μη αντισταθμισμένο αρνητικό φορτίο των ιόντων ακαθαρσίας δέκτη. Αυτές οι μη αντισταθμισμένες διαστημικές χρεώσεις σχηματίζουν τα λεγόμενα στρώμα φραγμού, του οποίου το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών μέσω του ορίου επαφής.
Ας συνδέσουμε τώρα μια πηγή ρεύματος στο στοιχείο ημιαγωγού μας εφαρμόζοντας το «συν» της πηγής στον n-ημιαγωγό και το «μείον» στον p-ημιαγωγό (Εικ. 10).
Ρύζι. 10. Ενεργοποιήστε αντίστροφα: δεν υπάρχει ρεύμα
Βλέπουμε ότι το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο απομακρύνει τους περισσότερους φορείς φορτίου από το όριο επαφής. Το πλάτος του στρώματος φραγμού αυξάνεται και το ηλεκτρικό του πεδίο αυξάνεται. Η αντίσταση του στρώματος φραγμού είναι υψηλή και οι κύριοι φορείς δεν μπορούν να ξεπεράσουν τη διασταύρωση p–n. Το ηλεκτρικό πεδίο επιτρέπει μόνο σε φορείς μειοψηφίας να περάσουν τα όρια, ωστόσο, λόγω της πολύ χαμηλής συγκέντρωσης των φορέων μειοψηφίας, το ρεύμα που δημιουργούν είναι αμελητέο.
Το υπό εξέταση σχήμα ονομάζεται ενεργοποίηση της διασταύρωσης p–n προς την αντίθετη κατεύθυνση. Δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα από τους κύριους φορείς. υπάρχει μόνο ένα αμελητέο ρεύμα μειοψηφίας φορέα. Σε αυτήν την περίπτωση, η διασταύρωση p–n είναι κλειστή.
Τώρα ας αλλάξουμε την πολικότητα της σύνδεσης και ας εφαρμόσουμε "συν" στον p-ημιαγωγό και "μείον" στον n-ημιαγωγό (Εικ. 11). Αυτό το σχήμα ονομάζεται μεταγωγή προς τα εμπρός.
Ρύζι. 11. Μπροστινή μεταγωγή: ρέει ρεύμα
Σε αυτή την περίπτωση, το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο κατευθύνεται ενάντια στο πεδίο μπλοκαρίσματος και ανοίγει το δρόμο για τους κύριους φορείς μέσω της διασταύρωσης p–n. Το στρώμα φραγμού γίνεται πιο λεπτό, η αντίστασή του μειώνεται.
Υπάρχει μια μαζική κίνηση ελεύθερων ηλεκτρονίων από την περιοχή n προς την περιοχή p και οι οπές, με τη σειρά τους, ορμούν μαζί από την περιοχή p στην περιοχή n.
Ένα ρεύμα προκύπτει στο κύκλωμα, που προκαλείται από την κίνηση των κύριων φορέων φορτίου (Τώρα, ωστόσο, το ηλεκτρικό πεδίο αποτρέπει το ρεύμα των φορέων μειοψηφίας, αλλά αυτός ο αμελητέος παράγοντας δεν έχει αξιοσημείωτη επίδραση στη συνολική αγωγιμότητα).
Χρησιμοποιείται μονόπλευρη αγωγιμότητα της σύνδεσης p–n διόδους ημιαγωγών. Μια δίοδος είναι μια συσκευή που μεταφέρει ρεύμα μόνο σε μία κατεύθυνση. στην αντίθετη κατεύθυνση, δεν περνά ρεύμα από τη δίοδο (η δίοδος λέγεται ότι είναι κλειστή). Μια σχηματική αναπαράσταση της διόδου φαίνεται στο σχ. 12 .
Ρύζι. 12. Δίοδος
Σε αυτή την περίπτωση, η δίοδος είναι ανοιχτή προς την κατεύθυνση από αριστερά προς τα δεξιά: τα φορτία φαίνεται να ρέουν κατά μήκος του βέλους (το βλέπετε στο σχήμα;). Στην κατεύθυνση από δεξιά προς τα αριστερά, τα φορτία φαίνεται να ακουμπούν στον τοίχο - η δίοδος είναι κλειστή.
