Uz provodnike električne energije, u prirodi postoje mnoge tvari koje imaju znatno nižu električnu provodljivost od metalnih provodnika. Supstance ove vrste nazivaju se poluprovodnicima.
Poluprovodnici uključuju: neke hemijske elemente, kao što su selen, silicijum i germanijum, jedinjenja sumpora, kao što su talijum sulfid, kadmijum sulfid, srebro sulfid, karbidi, kao što je karborund,ugljenik (dijamant),bor, sivi kalaj, fosfor, antimon, arsen, telur, jod i niz jedinjenja koja uključuju barem jedan od elemenata 4. - 7. grupe periodnog sistema. Postoje i organski poluprovodnici.
Priroda električne provodljivosti poluvodiča ovisi o vrsti nečistoća prisutnih u osnovnom materijalu poluvodiča i o tehnologiji proizvodnje njegovih komponenti.
Poluprovodnik je tvar sa 10 -10 - 10 4 (om x cm) -1, koja se prema ovim svojstvima nalazi između provodnika i izolatora. Razlika između provodnika, poluvodiča i izolatora prema teoriji pojasa je sljedeća: u čistim poluvodičima i elektronskim izolatorima postoji energetski jaz između ispunjenog pojasa (valentnog) i provodnog pojasa.
Zašto poluprovodnici provode struju?
Poluvodič ima elektronsku provodljivost ako su vanjski elektroni u njegovim atomima nečistoća relativno slabo vezani za jezgra ovih atoma. Ako se u poluvodiču ove vrste stvori električno polje, tada će, pod utjecajem sila ovog polja, vanjski elektroni atoma nečistoće poluvodiča napustiti granice svojih atoma i pretvoriti se u slobodne elektrone.
Slobodni elektroni će stvoriti struju električne provodljivosti u poluprovodniku pod uticajem sila električnog polja. Posljedično, priroda električne struje u poluvodičima s elektronskom provodljivošću je ista kao u metalnim provodnicima. Ali budući da u jediničnoj zapremini poluprovodnika ima mnogo puta manje slobodnih elektrona nego u jedinici zapremine metalnog provodnika, prirodno je da će, pod svim drugim identičnim uslovima, struja u poluprovodniku biti mnogo puta manja nego u metalni provodnik.
Poluvodič ima vodljivost "rupa" ako njegovi atomi nečistoće ne samo da ne odustaju od svojih vanjskih elektrona, već, naprotiv, teže da zarobe elektrone iz atoma glavne supstance poluvodiča. Ako atom nečistoće uzme elektron iz atoma glavne supstance, tada se u potonjem formira nešto poput slobodnog prostora za elektron - „rupa“.
Poluvodički atom koji je izgubio elektron naziva se "elektronska rupa" ili jednostavno "rupa". Ako je “rupa” popunjena elektronom prenesenim sa susjednog atoma, tada se eliminira i atom postaje električno neutralan, a “rupa” se pomiče na susjedni atom koji je izgubio elektron. Shodno tome, ako je poluvodič sa provodljivošću „rupa“ izložen električnom polju, tada će se „elektronske rupe“ pomeriti u pravcu ovog polja.
Bias "elektronske rupe" u smjeru električnog polja slično je kretanju pozitivnih električnih naboja u polju i stoga predstavlja fenomen električne struje u poluprovodniku.
Poluprovodnici se ne mogu striktno razlikovati po mehanizmu njihove električne provodljivosti, jer, zajedno saSa provodljivošću „rupa“, dati poluprovodnik može, u jednom ili drugom stepenu, takođe imati elektronsku provodljivost.
Poluprovodnike karakteriše:
vrsta provodljivosti (elektronska - n-tip, rupa - p-tip);
otpornost;
životni vek nosilaca naboja (manjina) ili dužina difuzije, brzina površinske rekombinacije;
gustina dislokacija.
Silicijum je najčešći poluprovodnički materijal
Temperatura ima značajan uticaj na karakteristike poluprovodnika. Njegovo povećanje pretežno dovodi do smanjenja otpornosti i obrnuto, tj. poluprovodnike karakteriše prisustvo negativnog . Blizu apsolutne nule, poluvodič postaje izolator.
Poluprovodnici su osnova mnogih uređaja. U većini slučajeva moraju se dobiti u obliku pojedinačnih kristala. Da bi se dala određena svojstva, poluvodiči se dopiraju raznim nečistoćama. Povećani su zahtjevi za čistoćom izvornih poluvodičkih materijala.
Poluprovodnici su našli najširu primenu u modernoj tehnologiji, imali su veoma snažan uticaj na tehnički napredak. Zahvaljujući njima, moguće je značajno smanjiti težinu i dimenzije elektronskih uređaja. Razvoj svih oblasti elektronike dovodi do stvaranja i unapređenja velikog broja raznovrsne opreme zasnovane na poluvodičkim uređajima. Poluprovodnički uređaji služe kao osnova za mikroćelije, mikromodule, čvrsta kola itd.
Elektronski uređaji bazirani na poluvodičkim uređajima su praktično bez inercije. Pažljivo konstruisan i dobro zatvoren poluprovodnički uređaj može trajati desetinama hiljada sati. Međutim, neki poluvodički materijali imaju nisku temperaturnu granicu (na primjer, germanij), ali ne baš složena temperaturna kompenzacija ili zamjena glavnog materijala uređaja drugim (na primjer, silicijum, silicijum karbid) u velikoj meri eliminiše ovaj nedostatak. Unapređenje tehnologije izrade poluvodičkih uređaja dovodi do smanjenja postojećeg raspršenja i nestabilnosti parametara.
Kontakt poluvodič-metal i spoj elektron-rupa (n-p spoj) koji nastaje u poluvodičima koristi se u proizvodnji poluvodičkih dioda. Dvostruki spojevi (p-n-p ili n-p-n) - tranzistori i tiristori. Ovi uređaji se uglavnom koriste za ispravljanje, generiranje i pojačavanje električnih signala.
Na osnovu fotoelektričnih svojstava poluvodiča kreiraju se fotootpornici, fotodiode i fototranzistori. Poluprovodnik služi kao aktivni deo generatora oscilovanja (pojačala). Kada se električna struja prođe kroz pn spoj u smjeru naprijed, nosioci naboja - elektroni i rupe - rekombinuju se sa emisijom fotona, koja se koristi za stvaranje LED dioda.
Termoelektrična svojstva poluvodiča omogućila su stvaranje poluvodičkih toplinskih otpora, poluvodičkih termoelemenata, termopila i termoelektričnih generatora, te termoelektrično hlađenje poluvodiča, na osnovu Peltierovog efekta, - termoelektričnih hladnjaka i termostabilizatora.
Poluprovodnici se koriste u bezmašinskim pretvaračima toplotne i solarne energije u električnu - termoelektrični generatori, i fotoelektrični pretvarači (solarne baterije).
Mehaničko naprezanje primijenjeno na poluvodič mijenja njegov električni otpor (učinak je jači nego kod metala), što je i bila osnova poluvodičkog mjernog mjerača.
Poluvodički uređaji postali su široko rasprostranjeni u svjetskoj praksi, revolucionirajući elektroniku, služe kao osnova za razvoj i proizvodnju:
merna oprema, kompjuteri,
oprema za sve vrste komunikacija i transporta,
za automatizaciju procesa u industriji,
uređaji za naučna istraživanja,
raketna tehnika,
medicinska oprema
ostali elektronski uređaji i instrumenti.
Upotreba poluvodičkih uređaja omogućuje vam stvaranje nove opreme i poboljšanje stare, što znači smanjenje njezinih dimenzija, težine, potrošnje energije, a time i smanjenje proizvodnje topline u krugu, povećanje snage, trenutnu spremnost za djelovanje, i omogućava vam da povećate vijek trajanja i pouzdanost elektronskih uređaja.uređaja.
U našem članku ćemo pogledati primjere poluvodiča, njihova svojstva i primjenu. Ovi materijali imaju svoje mjesto u radiotehnici i elektronici. Oni su nešto između dielektrika i provodnika. Inače, jednostavno staklo se također može smatrati poluvodičem - u svom normalnom stanju ne provodi struju. Ali s jakim zagrijavanjem (gotovo u tekuće stanje), dolazi do promjene svojstava i staklo postaje provodnik. Ali ovo je izuzetan primjer; za druge materijale stvari su malo drugačije.
Glavne karakteristike poluprovodnika
Indikator provodljivosti je oko 1000 Ohm*m (na temperaturi od 180 stepeni). U poređenju sa metalima, poluprovodnici imaju smanjenje provodljivosti kako temperatura raste. Dielektrici imaju isto svojstvo. Poluvodički materijali imaju prilično jaku ovisnost indikatora provodljivosti o količini i vrsti nečistoća.
Recimo da ako unesete samo hiljaditi dio arsena u čisti germanij, provodljivost će se povećati za oko 10 puta. Svi poluprovodnici su bez izuzetka osjetljivi na vanjske utjecaje - nuklearno zračenje, svjetlost, elektromagnetna polja, pritisak itd. Primjeri poluprovodničkih materijala su antimon, silicijum, germanijum, telur, fosfor, ugljenik, arsen, jod, bor i različita jedinjenja ove supstance.
Značajke upotrebe poluprovodnika
Zbog činjenice da poluvodički materijali imaju tako specifična svojstva, postali su prilično rašireni. Na njihovoj osnovi se izrađuju diode, tranzistori, trijaci, laseri, tiristori, senzori za pritisak, magnetno polje, temperaturu itd. Nakon razvoja poluprovodnika došlo je do radikalne transformacije u automatizaciji, radiotehnici, kibernetici i elektrotehnici. Upravo je korištenjem poluvodiča bilo moguće postići tako male dimenzije opreme - nema potrebe za korištenjem masivnih izvora napajanja i radio cijevi veličine tegle od jedne i pol litre.
Struja u poluprovodnicima
U provodnicima, struja je određena mjestom kretanja slobodnih elektrona. U poluvodičkim materijalima ima puno slobodnih elektrona i za to postoje razlozi. Svi valentni elektroni koji su prisutni u poluvodiču nisu slobodni, jer su povezani sa svojim atomima.
U poluvodičima struja se može pojaviti i mijenjati u prilično širokim granicama, ali samo u prisustvu vanjskog utjecaja. Struja se mijenja zagrijavanjem, zračenjem i unošenjem nečistoća. Svi utjecaji mogu značajno povećati energiju valentnih elektrona, što doprinosi njihovom odvajanju od atoma. A primijenjeni napon uzrokuje da se ti elektroni kreću u određenom smjeru. Drugim riječima, ovi elektroni postaju nosioci struje.
Rupe u poluprovodnicima
Kako temperatura ili intenzitet vanjskog zračenja raste, povećava se broj slobodnih elektrona. Posljedično, struja se povećava. Oni atomi u supstanciji koji su izgubili elektrone postaju pozitivni ioni; oni se ne kreću. Na vanjskoj strani atoma iz kojeg je otišao elektron, ostaje rupa. U njega može stati još jedan elektron koji je napustio svoje mjesto u obližnjem atomu. Kao rezultat toga, na vanjskom dijelu susjednog atoma nastaje rupa - pretvara se u ion (pozitivan).
Ako se na poluvodič primijeni napon, elektroni će se početi kretati od jednog atoma do drugog u određenom smjeru. Rupe će se početi kretati u suprotnom smjeru. Rupa je pozitivno nabijena čestica. Štaviše, njegov naboj je po modulu isti kao i naelektrisanje elektrona. Koristeći ovu definiciju, možete značajno pojednostaviti analizu svih procesa koji se dešavaju u poluvodičkom kristalu. Struja rupe (označena I D) je kretanje čestica u smjeru suprotnom kretanju elektrona.
Prijelaz elektron-rupa
Poluprovodnik ima dve vrste električne provodljivosti - elektronsku i rupu. U čistim poluvodičima (bez nečistoća), rupe i elektroni imaju istu koncentraciju (N D i N E, respektivno). Zbog toga se takva električna provodljivost naziva intrinzična provodljivost. Ukupna trenutna vrijednost će biti jednaka:
Ali ako uzmemo u obzir činjenicu da elektroni imaju veću pokretljivost od rupa, možemo doći do sljedeće nejednakosti:
Mobilnost naboja označena je slovom M; ovo je jedno od glavnih svojstava poluvodiča. Mobilnost je omjer dva parametra. Prva je brzina kretanja nosača naboja (označena slovom V sa indeksom "E" ili "D", ovisno o vrsti nosača), druga je jačina električnog polja (označena slovom E) . Može se izraziti u obliku formula:
M E = (V E / E).
M D = (V D / E).
Mobilnost vam omogućava da odredite putanju koju rupa ili elektron putuju u jednoj sekundi pri vrijednosti napona od 1 V/cm. sada možemo izračunati intrinzičnu struju poluvodičkog materijala:
I = N * e * (M E + M D) * E.
Ali treba napomenuti da imamo jednakosti:
N = N E = N D.
Slovo e u formuli označava naboj elektrona (ovo je konstantna vrijednost).
Poluprovodnički uređaji
Odmah možemo navesti primjere poluvodičkih uređaja - to su tranzistori, tiristori, diode, pa čak i mikro krugovi. Naravno, ovo nije potpuna lista. Da biste napravili poluvodički uređaj, morate koristiti materijale koji imaju provodljivost rupa ili elektrona. Da bi se dobio takav materijal, potrebno je uvesti aditiv u idealno čist poluvodič sa koncentracijom nečistoća manjom od 10 -11% (naziva se dopant).
One nečistoće čija je valencija veća od valencije poluvodiča daju slobodne elektrone. Ove nečistoće se nazivaju donori. Ali oni čija je valencija manja od valencije poluvodiča imaju tendenciju da zgrabe i zadrže elektrone. Zovu se akceptori. Da bi se dobio poluprovodnik koji će imati samo elektronsku provodljivost, dovoljno je u izvorni materijal uvesti supstancu čija će valencija biti samo još jedna. Kao primjer poluprovodnika, školski predmet fizike razmatra germanij - njegova valencija je 4. Dodaje mu se donor - fosfor ili antimon, njihova valencija je pet. Malo je poluvodičkih metala, oni se praktički ne koriste u tehnologiji.
U ovom slučaju, 4 elektrona u svakom atomu uspostavljaju četiri uparene (kovalentne) veze sa germanijumom. Peti elektron nema takvu vezu, što znači da je u slobodnom stanju. A ako na njega dovedete napon, formirat će elektronsku struju.
Struje u poluprovodnicima
Kada je struja elektrona veća od struje rupa, poluvodič se naziva n-tip (negativan). Razmotrimo primjer - mala akceptorska nečistoća (na primjer, bor) se uvodi u idealno čisti germanij. U ovom slučaju, svaki atom akceptora će početi da uspostavlja kovalentne veze sa germanijumom. Ali četvrti atom germanijuma nema veze sa borom. Posljedično, određeni broj atoma germanija će imati samo jedan elektron bez veze kovalentnog tipa.
Ali lagani vanjski utjecaj je dovoljan da elektroni počnu napuštati svoja mjesta. U tom slučaju se formiraju rupe u germaniju.
Slika pokazuje da na atomima 2, 4 i 6 slobodni elektroni počinju da se vezuju za bor. Zbog toga se u poluprovodniku ne stvara struja. Na površini atoma germanija formiraju se rupe s brojevima 1, 3 i 5 - uz njihovu pomoć na njih se prenose elektroni iz susjednih atoma. Na potonjem se počinju pojavljivati rupe, jer elektroni odlijeću od njih.
Svaka rupa koja se pojavi počeće da se kreće između atoma germanijuma. Kada se primeni napon, rupe počinju da se pomeraju na pravilan način. Drugim riječima, u tvari se pojavljuje struja rupa. Ovaj tip poluprovodnika naziva se rupa ili p-tip. Kada su izloženi naponu, ne kreću se samo elektroni, već i rupe - nailaze na razne prepreke na svom putu. U tom slučaju dolazi do gubitka energije i odstupanja od prvobitne putanje. Drugim riječima, naboj nosilaca se raspršuje. Sve se to događa jer poluvodič sadrži kontaminante.
O primjerima poluvodičkih supstanci koje se koriste u modernoj tehnologiji raspravljalo se upravo gore. Svi materijali imaju svoje karakteristike. Posebno, jedno od ključnih svojstava je nelinearnost strujno-naponske karakteristike.
Drugim riječima, kada dođe do povećanja napona koji se primjenjuje na poluvodič, dolazi do brzog povećanja struje. U ovom slučaju, otpor naglo opada. Ovo svojstvo je našlo primjenu u raznim odvodnicima ventila. Primjeri nesređenih poluvodiča mogu se detaljnije razmotriti u stručnoj literaturi; njihova upotreba je strogo ograničena.
Dobar primjer: pri vrijednosti radnog napona, iskrište ima veliki otpor, tako da struja ne teče od dalekovoda do zemlje. Ali čim grom udari u žicu ili oslonac, otpor se vrlo brzo smanjuje na gotovo nulu, a sva struja odlazi u zemlju. I napon pada na normalu.
Simetrična strujno-naponska karakteristika
Kada se polaritet napona promijeni, struja u poluvodiču počinje teći u suprotnom smjeru. I mijenja se po istom zakonu. Ovo sugerira da poluvodički element ima simetričnu strujno-naponsku karakteristiku. U slučaju da je jedan dio elementa tipa rupe, a drugi elektronski, tada se na granici njihovog kontakta pojavljuje p-n spoj (elektron-rupa). Upravo su ti prijelazi prisutni u svim elementima - tranzistorima, diodama, mikro krugovima. Ali samo u mikro krugovima nekoliko tranzistora je sastavljeno na jednom čipu odjednom - ponekad je njihov broj više od desetak.
Kako dolazi do tranzicije?
Pogledajmo sada kako se formira pn spoj. Ako kontakt između poluprovodnika rupe i elektrona nije vrlo kvalitetan, tada se formira sistem koji se sastoji od dva područja. Jedan će imati provodljivost rupa, a drugi će imati elektronsku provodljivost.
A elektroni koji se nalaze u n-području počet će difundirati tamo gdje je njihova koncentracija niža - to jest, u p-području. U isto vrijeme kada i elektroni, rupe se kreću, ali njihov smjer je suprotan. Uz međusobnu difuziju, koncentracija elektrona u n-području i rupa u p-području opada.
Glavno svojstvo pn spoja
Razmotrivši primjere vodiča, poluvodiča i dielektrika, možete shvatiti da su njihova svojstva različita. Na primjer, glavna kvaliteta poluvodiča je sposobnost prolaska struje samo u jednom smjeru. Iz tog razloga, uređaji napravljeni pomoću poluvodiča postali su široko rasprostranjeni u ispravljačima. U praksi, koristeći nekoliko mjernih instrumenata, možete vidjeti rad poluvodiča i procijeniti mnogo parametara - kako u stanju mirovanja, tako i kada ste izloženi vanjskim "stimulansima".
Pozdrav dragi čitaoci sajta. Na stranici postoji dio posvećen radio-amaterima početnicima, ali do sada nisam napisao ništa za početnike koji prave prve korake u svijetu elektronike. Popunjavam ovu prazninu i ovim člankom počinjemo da se upoznajemo sa strukturom i radom radio komponenti (radio komponenti).
Počnimo s poluvodičkim uređajima. Ali da biste razumjeli kako dioda, tiristor ili tranzistor rade, morate zamisliti što je to poluprovodnik. Stoga ćemo prvo proučavati strukturu i svojstva poluvodiča na molekularnom nivou, a zatim ćemo se baviti radom i dizajnom poluvodičkih radio komponenti.
Opšti koncepti.
Zašto tačno poluprovodnik dioda, tranzistor ili tiristor? Zato što je osnova ovih radio komponenti poluprovodnici- tvari sposobne i da provode električnu struju i da spriječe njen prolaz.
Ovo je velika grupa supstanci koje se koriste u radiotehnici (germanijum, silicijum, selen, bakrov oksid), ali uglavnom samo Silicijum(Si) i germanijum(Ge).
Po svojim električnim svojstvima, poluprovodnici zauzimaju srednje mesto između provodnika i neprovodnika električne struje.
Osobine poluprovodnika.
Električna provodljivost vodiča u velikoj mjeri ovisi o temperaturi okoline.
U vrlo nisko temperatura blizu apsolutne nule (-273°C), poluprovodnici ne izvoditi električna struja, i povećati temperature, njihovu otpornost na struju smanjuje se.
Ako pokažete na poluvodič svjetlo, tada njegova električna provodljivost počinje rasti. Koristeći ovo svojstvo poluprovodnika, oni su stvoreni fotonaponski uređaja. Poluprovodnici su također sposobni pretvoriti svjetlosnu energiju u električnu struju, na primjer, solarni paneli. I kada se uvede u poluprovodnike nečistoće određenih tvari, njihova električna provodljivost naglo raste.
Struktura atoma poluvodiča.
Germanij i silicijum su glavni materijali mnogih poluvodičkih uređaja i imaju četiri valentni elektron.
Atom Njemačka sastoji se od 32 elektrona i atoma silicijum od 14. Ali samo 28 elektrona atoma germanijuma i 10 elektroni atoma silicijuma, koji se nalaze u unutrašnjim slojevima njihovih ljuski, čvrsto se drže jezgrima i nikada se ne odvajaju od njih. Samo četiri Valentni elektroni atoma ovih vodiča mogu postati slobodni, pa čak i tada ne uvijek. A ako atom poluvodiča izgubi barem jedan elektron, onda to postaje pozitivni ion.
U poluprovodniku, atomi su raspoređeni po strogom redoslijedu: svaki atom je okružen četiri istih atoma. Štoviše, oni su smješteni tako blizu jedan drugome da njihovi valentni elektroni formiraju pojedinačne orbite prolazeći oko susjednih atoma, povezujući tako atome u jednu cjelinu.
Zamislimo odnos atoma u poluvodičkom kristalu u obliku ravnog dijagrama.
Na dijagramu, konvencionalno označavaju crvene kuglice sa plusom atomska jezgra(pozitivni joni), a plave kuglice su valentnih elektrona.
Ovdje možete vidjeti da se oko svakog atoma nalaze četiri potpuno isti atomi, a svaki od ova četiri ima vezu sa četiri druga atoma, itd. Bilo koji od atoma je povezan sa svakim susjednim dva valentnih elektrona, pri čemu je jedan elektron svoj, a drugi pozajmljen od susjednog atoma. Takva veza se naziva dvoelektronska ili kovalentna.
Zauzvrat, vanjski sloj elektronske ljuske svakog atoma sadrži osam elektroni: četiri svoje, i sam, posuđeno od četiri susjedni atomi. Ovdje više ne možete razlikovati koji je od valentnih elektrona u atomu „vaš“, a koji „strani“, jer su postali uobičajeni. Sa takvom vezom atoma po cijeloj masi kristala germanija ili silicija, možemo pretpostaviti da je poluvodički kristal jedan veliki molekula. Na slici ružičasti i žuti krugovi pokazuju vezu između vanjskih slojeva ljuski dva susjedna atoma.
Električna provodljivost poluvodiča.
Razmotrimo pojednostavljeni crtež poluvodičkog kristala, gdje su atomi predstavljeni crvenom kuglom sa plusom, a međuatomske veze su prikazane s dvije linije koje simboliziraju valentne elektrone.
Na temperaturama blizu apsolutne nule, poluprovodnik ne sprovodi struje, pošto nema slobodnih elektrona. Ali s povećanjem temperature, veza valentnih elektrona s atomskim jezgrama slabi a neki od elektrona, zbog termičkog kretanja, mogu napustiti svoje atome. Elektron koji je pobjegao iz međuatomske veze postaje " besplatno“, a tamo gdje je bio prije formira se prazan prostor koji se konvencionalno naziva rupa.
Kako viši temperatura poluprovodnika, tj više postaje oslobođen od elektrona i rupa. Kao rezultat toga, ispada da je formiranje "rupe" povezano s odlaskom valentnog elektrona iz ljuske atoma, a sama rupa postaje pozitivno električni naboj jednak negativan naelektrisanje elektrona.
Pogledajmo sada sliku koja je shematski prikazana fenomen generacije struje u poluprovodniku.
Ako primijenite neki napon na poluvodič, kontakte "+" i "-", tada će se u njemu pojaviti struja.
Zahvaljujući termalne pojave, u poluvodičkom kristalu od međuatomskih veza će početi Oslobodi se određeni broj elektrona (plave kuglice sa strelicama). Privlačenje elektrona pozitivno pol izvora napona će biti pokret prema njemu, ostavljajući iza sebe rupe, koji će popuniti drugi oslobođenih elektrona. Odnosno, pod utjecajem vanjskog električnog polja, nosioci naboja postižu određenu brzinu usmjerenog kretanja i na taj način stvaraju struja.
Na primjer: oslobođeni elektron najbliži pozitivnom polu izvora napona privlači ovaj stub. Razbijanje međuatomske veze i napuštanje nje, elektrona listovi posle sebe rupa. Drugi oslobođeni elektron, koji se nalazi na nekom odstranjivanje sa pozitivnog pola, takođe privlači stub i potezi prema njemu, ali upoznavši postoji rupa na svom putu i uvučena je u nju jezgro atom, obnavljajući međuatomsku vezu.
Rezultat novo rupa nakon drugog elektrona, popunjava treći oslobođeni elektron koji se nalazi pored ove rupe (slika br. 1). Zauzvrat rupe, koji se nalazi najbliže negativan stub, ispunjen drugim oslobođenih elektrona(Slika br. 2). Tako nastaje električna struja u poluvodiču.
Dok je aktivan u poluprovodniku električno polje, ovaj proces kontinuirano: međuatomske veze su prekinute - pojavljuju se slobodni elektroni - formiraju se rupe. Rupe se popunjavaju oslobođenim elektronima – međuatomske veze se obnavljaju, dok se ostale međuatomske veze raskidaju, iz kojih elektroni napuštaju i popunjavaju sljedeće rupe (slika br. 2-4).
Iz ovoga zaključujemo: elektroni se kreću od negativnog pola izvora napona ka pozitivnom, a rupe se kreću od pozitivnog pola ka negativnom.
Elektronska provodljivost.
U "čistom" poluprovodničkom kristalu broj pušten u ovom trenutku postoje elektroni jednaki broju u nastajanju u ovom slučaju rupe, dakle električna provodljivost takvog poluprovodnika mala, jer daje električnu struju veliki otpor, a ova električna provodljivost se zove vlastiti.
Ali ako ga dodate poluvodiču u obliku nečistoće određenog broja atoma drugih elemenata, tada će se njegova električna provodljivost značajno povećati, i ovisno o tome strukture atoma nečistoća elemenata, električna provodljivost poluvodiča će biti elektronski ili rupa.
Elektronska provodljivost.
Pretpostavimo da u poluvodičkom kristalu u kojem atomi imaju četiri valentna elektrona zamijenimo jedan atom atomom u kojem pet valentnih elektrona. Ovaj atom sa svojim četiri elektroni će se vezati za četiri susjedna atoma poluvodiča, i peti valentni elektron će ostati " suvišno- odnosno besplatno. I šta više više postojaće slobodni elektroni, što znači da će se takav poluprovodnik po svojim svojstvima približiti metalu, a da bi električna struja prošla kroz njega, međuatomske veze ne moraju nužno biti uništene.
Poluprovodnici sa takvim svojstvima nazivaju se poluprovodnici sa "tipskom" provodljivošću. n“, ili poluprovodnici n-tip. Ovdje latinsko slovo n dolazi od riječi "negativno" - to jest, "negativno". Iz toga slijedi da u poluprovodniku n-tip main nosioci punjenja su - elektrona, a ne glavne - rupe.
Provodljivost rupa.
Uzmimo isti kristal, ali sada njegov atom zamijenimo atomom u kojem samo tri slobodni elektron. Sa svoja tri elektrona samo će kontaktirati tri susjednih atoma, i neće imati dovoljno da se veže za četvrti atom jedan elektron. Kao rezultat, formira se rupa. Naravno, bit će ispunjen bilo kojim drugim slobodnim elektronom koji se nalazi u blizini, ali, u svakom slučaju, u kristalu neće biti takvog poluvodiča grab elektrona za popunjavanje rupa. I šta više u kristalu će biti takvih atoma, dakle više biće rupa.
Tako da se slobodni elektroni mogu osloboditi i kretati u takvom poluprovodniku, Valentne veze između atoma moraju biti prekinute. Ali i dalje neće biti dovoljno elektrona, jer će broj rupa uvijek biti više broj elektrona u bilo kom trenutku.
Takvi poluvodiči se nazivaju poluvodiči sa rupa provodljivosti ili provodnika str-tip, što u prijevodu s latinskog “pozitivan” znači “pozitivan”. Dakle, fenomen električne struje u poluvodičkom kristalu p-tipa je praćen kontinuiranim emergence I nestanak pozitivni naboji - rupe. To znači da u poluprovodniku str-tip main nosioci naboja su rupe, a ne glavni - elektroni.
Sada kada imate neku ideju o fenomenima koji se dešavaju u poluvodičima, neće vam biti teško da shvatite princip rada poluvodičkih radio komponenti.
Zaustavimo se ovdje i razmotrimo uređaj, princip rada diode i analiziramo njegovu strujno-naponsku karakteristiku i sklopove.
Sretno!
Izvor:
1
. Borisov V.G. — Mladi radio amater. 1985
2
. Web stranica academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.
U ovom članku nema ničeg izuzetno važnog ili zanimljivog, samo je odgovor na jednostavno pitanje za "lutke": koja su glavna svojstva koja razlikuju poluvodiče od metala i dielektrika?
Poluprovodnici su materijali (kristali, polikristalni i amorfni materijali, elementi ili jedinjenja) sa postojanjem pojasa (između provodljivog i valentnog pojasa).
Elektronski poluprovodnici su kristali i amorfne supstance koje po električnoj provodljivosti zauzimaju međupoložaj između metala (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) i dielektrika (σ = 10 -10 ÷10 -20 Ohm - 1 cm -1). Međutim, date granične vrijednosti provodljivosti su vrlo proizvoljne.
Teorija pojaseva omogućava da se formuliše kriterijum koji omogućava podjelu čvrstih tela u dve klase - metale i poluprovodnike (izolatore). Metale karakterizira prisustvo slobodnih razina u valentnom pojasu, na koje se elektroni mogu kretati, primajući dodatnu energiju, na primjer, zbog ubrzanja u električnom polju. Posebnost metala je da u svom osnovnom, nepobuđenom stanju (na 0 K) imaju elektrone provodljivosti, tj. elektrona koji učestvuju u uređenom kretanju pod uticajem spoljašnjeg električnog polja.
U poluvodičima i izolatorima na 0 K, valentni pojas je potpuno popunjen, a provodni pojas je od njega odvojen pojasom i ne sadrži nosioce. Stoga, ne previše jako električno polje nije u stanju ojačati elektrone koji se nalaze u valentnom pojasu i prenijeti ih u provodni pojas. Drugim riječima, takvi kristali na 0 K trebali bi biti idealni izolatori. Kada se temperatura poveća ili se takav kristal ozrači, elektroni mogu apsorbirati kvante toplinske ili energije zračenja dovoljne da pređu u provodni pojas. Tokom ovog prijelaza pojavljuju se rupe u valentnom pojasu, koje također mogu učestvovati u prijenosu električne energije. Vjerovatnoća prelaska elektrona iz valentnog u pojas provodljivosti je proporcionalna ( -Eg/ kT), Gdje Eg - širina zabranjene zone. Sa velikom vrednošću Eg (2-3 eV) ispada da je ova vjerovatnoća vrlo mala.
Dakle, podjela tvari na metale i nemetale ima sasvim određenu osnovu. Nasuprot tome, podjela nemetala na poluvodiče i dielektrike nema takvu osnovu i čisto je uslovna.
Ranije se vjerovalo da se tvari sa zapornim razmakom mogu klasificirati kao dielektrici Eg≈ 2÷3 eV, ali se kasnije pokazalo da su mnogi od njih tipični poluprovodnici. Nadalje, pokazalo se da, ovisno o koncentraciji nečistoća ili viška (iznad stehiometrijskog sastava) atoma jedne od komponenti, isti kristal može biti i poluvodič i izolator. Ovo se, na primjer, odnosi na kristale dijamanta, cink oksida, galijevog nitrida itd. Čak i takvi tipični dielektrici kao što su barij i stroncij titanati, kao i rutil, nakon djelomične redukcije, poprimaju svojstva poluvodiča, što je povezano s pojavom viška atoma metala u njima.
Podjela nemetala na poluvodiče i dielektrike također ima određeno značenje, jer je poznat niz kristala čija se elektronska provodljivost ne može primjetno povećati ni unošenjem nečistoća, ni osvjetljavanjem ili zagrijavanjem. To je zbog vrlo kratkog životnog vijeka fotoelektrona, ili zbog postojanja dubokih zamki u kristalima, ili zbog vrlo niske pokretljivosti elektrona, tj. sa izuzetno malom brzinom njihovog zanošenja u električnom polju.
Električna provodljivost je proporcionalna koncentraciji n, naboju e i pokretljivosti nosilaca naboja. Stoga je temperaturna ovisnost provodljivosti različitih materijala određena temperaturnim ovisnostima navedenih parametara. Za sve elektronske provodnike se naplaćuje e konstantno i nezavisno od temperature. Kod većine materijala vrijednost pokretljivosti obično lagano opada s porastom temperature zbog povećanja intenziteta sudara između elektrona i fonona koji se kreću, tj. zbog raspršenja elektrona vibracijama kristalne rešetke. Stoga je različito ponašanje metala, poluvodiča i dielektrika uglavnom povezano s koncentracijom nosioca naboja i njegovom temperaturnom ovisnošću:
1) u metalima je koncentracija nosioca naboja n visoka i neznatno se mijenja s promjenama temperature. Varijabla uključena u jednadžbu za električnu provodljivost je mobilnost. A budući da se pokretljivost blago smanjuje s temperaturom, smanjuje se i električna provodljivost;
2) u poluprovodnicima i dielektricima n obično raste eksponencijalno s temperaturom. Ovaj brzi rast n daje najznačajniji doprinos promjenama provodljivosti od smanjenja pokretljivosti. Stoga se električna provodljivost brzo povećava s povećanjem temperature. U tom smislu, dielektrici se mogu smatrati određenim graničnim slučajem, jer na uobičajenim temperaturama vrijednost n u ovim supstancama je izuzetno malo. Na visokim temperaturama, provodljivost pojedinačnih dielektrika dostiže nivo poluprovodnika zbog povećanja n. Uočava se i suprotno - na niskim temperaturama neki poluvodiči postaju izolatori.
Bibliografija
- West A. Chemistry of solids. Dio 2 Per. sa engleskog - M.: Mir, 1988. - 336 str.
- Moderna kristalografija. T.4. Fizička svojstva kristala. - M.: Nauka, 1981.
Studenti grupe 501 Hemijskog fakulteta: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.