Insieme ai conduttori elettrici in natura, esistono molte sostanze che hanno una conduttività elettrica molto inferiore rispetto ai conduttori metallici. Sostanze di questo tipo sono chiamate semiconduttori.
I semiconduttori includono: alcuni elementi chimici, come selenio, silicio e germanio, composti di zolfo, come solfuro di tallio, solfuro di cadmio, solfuro d'argento, carburi, come carborundum,carbonio (diamante),boro, stagno grigio, fosforo, antimonio, arsenico, tellurio, iodio e un numero di composti che contengono almeno uno degli elementi dei gruppi 4-7 del sistema Mendeleev. Esistono anche semiconduttori organici.
La natura della conduttività elettrica di un semiconduttore dipende dal tipo di impurità presenti nel materiale di base del semiconduttore e dalla tecnologia di fabbricazione dei suoi componenti.
Un semiconduttore è una sostanza con 10 -10 - 10 4 (ohm x cm) -1, che, secondo queste proprietà, si trova tra il conduttore e l'isolante. La differenza tra conduttori, semiconduttori e isolanti secondo la teoria delle bande è la seguente: nei semiconduttori puri e negli isolanti elettronici esiste un intervallo di banda tra la banda piena (valenza) e la banda di conduzione.
Perché i semiconduttori conducono corrente
Un semiconduttore ha conduttività elettronica se, negli atomi della sua impurità, gli elettroni esterni sono legati relativamente debolmente ai nuclei di questi atomi. Se viene creato un campo elettrico in questo tipo di semiconduttore, quindi sotto l'influenza delle forze di questo campo, gli elettroni esterni degli atomi delle impurità del semiconduttore lasceranno i limiti dei loro atomi e si trasformeranno in elettroni liberi.
Gli elettroni liberi creeranno una corrente di conduzione elettrica nel semiconduttore sotto l'influenza delle forze del campo elettrico. Di conseguenza, la natura della corrente elettrica nei semiconduttori con conduttività elettronica è la stessa dei conduttori metallici. Ma poiché ci sono molte volte meno elettroni liberi per unità di volume di un semiconduttore che in un'unità di volume di un conduttore metallico, è naturale che, in tutte le altre condizioni identiche, la corrente nel semiconduttore sarà molte volte inferiore che nel metallo. conduttore.
Un semiconduttore ha conduttività "bucata" se gli atomi della sua impurità non solo non cedono i loro elettroni esterni, ma, al contrario, tendono a catturare gli elettroni degli atomi della sostanza principale del semiconduttore. Se un atomo di impurità prende un elettrone da un atomo della sostanza principale, in quest'ultimo si forma qualcosa come uno spazio libero per un elettrone: un "buco".
Un atomo di semiconduttore che ha perso un elettrone è chiamato "buca elettronica" o semplicemente "buca". Se il “buco” è riempito con un elettrone che è passato da un atomo vicino, allora viene eliminato e l’atomo diventa elettricamente neutro, e il “buco” viene spostato nell’atomo vicino che ha perso un elettrone. Pertanto, se un campo elettrico viene applicato a un semiconduttore con conduttività "bucata", i "buchi elettronici" verranno spostati nella direzione di questo campo.
Pregiudizio I "buchi di elettroni" nella direzione del campo elettrico sono simili al movimento delle cariche elettriche positive nel campo e, quindi, rappresentano il fenomeno della corrente elettrica in un semiconduttore.
I semiconduttori non possono essere rigorosamente distinti in base al meccanismo della loro conduttività elettrica, poiché insieme aLa conduttività del "buco" di un dato semiconduttore può, in una certa misura, avere anche conduttività elettronica.
I semiconduttori sono caratterizzati da:
tipo di conduttività (elettronica - tipo n, foro - tipo p);
resistività;
durata dei portatori di carica (minoritari) o lunghezza di diffusione, velocità di ricombinazione superficiale;
densità di dislocazione.
Il silicio è il materiale semiconduttore più comune
La temperatura ha un effetto sulle caratteristiche dei semiconduttori. Un suo aumento porta principalmente ad una diminuzione della resistività e viceversa, cioè i semiconduttori sono caratterizzati dalla presenza di un negativo . Vicino allo zero assoluto il semiconduttore diventa un isolante.
I semiconduttori sono la base di molti dispositivi. Nella maggior parte dei casi dovrebbero essere ottenuti sotto forma di cristalli singoli. Per conferire le proprietà desiderate, i semiconduttori vengono drogati con varie impurità. Requisiti crescenti sono imposti sulla purezza dei materiali semiconduttori iniziali.
Nella tecnologia moderna, i semiconduttori hanno trovato l'applicazione più ampia, hanno avuto un'influenza molto forte sul progresso tecnologico. Grazie ad essi è possibile ridurre notevolmente il peso e le dimensioni dei dispositivi elettronici. Lo sviluppo di tutte le aree dell'elettronica porta alla creazione e al miglioramento di un gran numero di apparecchiature diverse basate su dispositivi a semiconduttore. I dispositivi a semiconduttore fungono da base per microelementi, micromoduli, circuiti solidi, ecc.
I dispositivi elettronici basati su dispositivi a semiconduttore sono praticamente privi di inerzia. Un dispositivo a semiconduttore realizzato con cura e ben sigillato può durare decine di migliaia di ore. Tuttavia, alcuni materiali semiconduttori hanno un piccolo limite di temperatura (ad esempio il germanio), ma una compensazione della temperatura non molto complicata o la sostituzione del materiale di base del dispositivo con un altro (ad esempio silicio, carburo di silicio) elimina in gran parte questo inconveniente. Il miglioramento della tecnologia di produzione dei dispositivi a semiconduttore porta a una diminuzione della dispersione esistente e dell'instabilità dei parametri.
Un contatto semiconduttore-metallo e una giunzione elettrone-lacuna (giunzione n-p) creati nei semiconduttori vengono utilizzati nella produzione di diodi semiconduttori. Doppie giunzioni (р-n-р o n-р-n) - transistor e tiristori. Questi dispositivi vengono utilizzati principalmente per rettificare, generare e amplificare segnali elettrici.
Sulla base delle proprietà fotoelettriche dei semiconduttori, vengono creati fotoresistori, fotodiodi e fototransistor. Il semiconduttore funge da parte attiva dei generatori (amplificatori) di oscillazioni. Quando una corrente elettrica viene fatta passare attraverso la giunzione pn nella direzione in avanti, i portatori di carica - elettroni e lacune - si ricombinano con l'emissione di fotoni, che viene utilizzata per creare LED.
Le proprietà termoelettriche dei semiconduttori hanno permesso di creare resistenze termiche a semiconduttore, termoelementi a semiconduttore, termobatterie e generatori termoelettrici e raffreddamento termoelettrico di semiconduttori, basato sull'effetto Peltier, - frigoriferi termoelettrici e termostabilizzatori.
I semiconduttori vengono utilizzati nei convertitori senza macchina dell'energia termica e solare in energia elettrica: generatori termoelettrici e convertitori fotovoltaici (batterie solari).
Lo stress meccanico applicato a un semiconduttore ne modifica la resistenza elettrica (l'effetto è più forte che nei metalli), che era la base dell'estensimetro per semiconduttori.
I dispositivi a semiconduttore sono ampiamente utilizzati nella pratica mondiale, rivoluzionando l'elettronica, servono come base per lo sviluppo e la produzione di:
strumenti di misura, computer,
apparecchiature per tutti i tipi di comunicazione e trasporto,
per l'automazione dei processi nell'industria,
dispositivi per la ricerca scientifica,
tecnologia missilistica,
attrezzature mediche
altri dispositivi e dispositivi elettronici.
L'uso di dispositivi a semiconduttore consente di creare nuove apparecchiature e migliorare quella vecchia, il che significa che porta ad una diminuzione delle sue dimensioni, peso, consumo energetico e quindi a una diminuzione della generazione di calore nel circuito, ad un aumento della resistenza , per un'immediata prontezza all'azione, consente di aumentare la durata e l'affidabilità dei dispositivi elettronici.
Il nostro articolo prenderà in considerazione esempi di semiconduttori, le loro proprietà e applicazioni. Questi materiali hanno il loro posto nell'ingegneria radiofonica e nell'elettronica. Sono qualcosa tra un dielettrico e un conduttore. A proposito, anche il vetro semplice può essere considerato un semiconduttore: nel suo stato normale non conduce corrente. Ma con un forte riscaldamento (quasi allo stato liquido), si verifica un cambiamento nelle proprietà e il vetro diventa un conduttore. Ma questo è un esempio eccezionale; altri materiali sono leggermente diversi.
Caratteristiche principali dei semiconduttori
L'indice di conduttività è di circa 1000 Ohm * m (a una temperatura di 180 gradi). Rispetto ai metalli, i semiconduttori presentano una diminuzione della conduttività all'aumentare della temperatura. I dielettrici hanno la stessa proprietà. I materiali semiconduttori hanno una dipendenza abbastanza forte dell'indice di conduttività dalla quantità e dal tipo di impurità.
Ad esempio, se nel germanio puro si introduce solo un millesimo di arsenico, la conduttività aumenterà di circa 10 volte. Senza eccezioni, tutti i semiconduttori sono sensibili alle influenze esterne: radiazioni nucleari, luce, campi elettromagnetici, pressione, ecc. Si possono fornire esempi di materiali semiconduttori: antimonio, silicio, germanio, tellurio, fosforo, carbonio, arsenico, iodio, boro , così come vari composti di queste sostanze.
Caratteristiche dell'uso dei semiconduttori
A causa del fatto che i materiali semiconduttori hanno proprietà così specifiche, sono diventati piuttosto diffusi. Sulla base di essi vengono realizzati diodi, transistor, triac, laser, tiristori, sensori di pressione, campo magnetico, temperatura, ecc .. Dopo lo sviluppo dei semiconduttori, ha avuto luogo una trasformazione radicale nell'automazione, nell'ingegneria radio, nella cibernetica e nell'ingegneria elettrica. È stato attraverso l'uso di semiconduttori che è stato possibile ottenere apparecchiature di dimensioni così ridotte: non è necessario utilizzare enormi alimentatori e tubi radio delle dimensioni di un barattolo da un litro e mezzo.
Corrente nei semiconduttori
Nei conduttori, la corrente è determinata da dove si muovono gli elettroni liberi. Ci sono molti elettroni liberi nei materiali semiconduttori e ci sono ragioni per questo. Tutti gli elettroni di valenza presenti in un semiconduttore non sono liberi, poiché si legano ai loro atomi.
Nei semiconduttori la corrente può comparire e variare in un intervallo abbastanza ampio, ma solo in presenza di un influsso esterno. La corrente cambia con il riscaldamento, l'irraggiamento, l'introduzione di impurità. Tutte le influenze possono aumentare significativamente l'energia degli elettroni di valenza, il che contribuisce al loro distacco dagli atomi. E la tensione applicata fa sì che questi elettroni si muovano in una certa direzione. In altre parole, questi elettroni diventano portatori di corrente.
Fori nei semiconduttori
Con un aumento della temperatura o dell'intensità dell'irradiazione esterna, si verifica un aumento del numero di elettroni liberi. Pertanto la corrente aumenta. Quegli atomi in una sostanza che hanno perso elettroni diventano ioni positivi, non si muovono. All'esterno dell'atomo da cui è uscito l'elettrone rimane un buco. Può entrarvi un altro elettrone, che ha lasciato il suo posto nell'atomo vicino. Di conseguenza, si forma un buco sulla parte esterna dell'atomo vicino: si trasforma in uno ione (positivo).
Se viene applicata una tensione al semiconduttore, gli elettroni inizieranno a spostarsi da alcuni atomi a quelli vicini in una certa direzione. I fori inizieranno a muoversi nella direzione opposta. Un buco è una particella caricata positivamente. Inoltre, il suo modulo di carica è lo stesso di quello di un elettrone. Con l'aiuto di tale definizione è possibile semplificare notevolmente l'analisi di tutti i processi che si verificano in un cristallo semiconduttore. La corrente delle lacune (indicata con I D) è il movimento delle particelle nella direzione opposta al movimento degli elettroni.
Transizione elettrone-lacuna
Un semiconduttore ha due tipi di conduttività elettrica: elettronica e bucata. Nei semiconduttori puri (senza impurità), la concentrazione di lacune ed elettroni (rispettivamente N D e N E) è la stessa. Per questo motivo tale conduttività elettrica è detta intrinseca. Il valore totale della corrente sarà pari a:
Ma se teniamo conto del fatto che gli elettroni hanno un valore di mobilità maggiore rispetto ai buchi, possiamo arrivare alla seguente disuguaglianza:
La mobilità della carica è indicata con la lettera M, questa è una delle proprietà principali dei semiconduttori. La mobilità è il rapporto tra due parametri. La prima è la velocità di movimento del portatore di carica (indicata dalla lettera V con l'indice "E" o "D", a seconda del tipo di portatore), la seconda è l'intensità del campo elettrico (indicata dalla lettera E) . Può essere espresso sotto forma di formule:
M E \u003d (V E / E).
M D \u003d (V D / E).
La mobilità consente di determinare il percorso che una lacuna o un elettrone percorre in un secondo ad un valore di tensione di 1 V/cm. ora possiamo calcolare la corrente intrinseca del materiale semiconduttore:
I \u003d N * e * (M E + M D) * E.
Ma va notato che abbiamo uguaglianze:
N \u003d N E \u003d N D.
La lettera e nella formula indica la carica di un elettrone (questo è un valore costante).
Semiconduttori
Puoi immediatamente fornire esempi di dispositivi a semiconduttore: si tratta di transistor, tiristori, diodi e persino microcircuiti. Naturalmente, questo non è un elenco completo. Per realizzare un dispositivo a semiconduttore, è necessario utilizzare materiali che abbiano fori o conduttività elettronica. Per ottenere un tale materiale, è necessario introdurre un additivo in un semiconduttore idealmente puro con una concentrazione di impurità inferiore al 10-11% (si chiama drogante).
Quelle impurità la cui valenza è maggiore di quella del semiconduttore cedono elettroni liberi. Queste impurità sono chiamate donatori. Ma quelli la cui valenza è inferiore a quella di un semiconduttore tendono ad afferrare e trattenere gli elettroni. Si chiamano accettori. Per ottenere un semiconduttore che avrà conduttività esclusivamente di tipo elettronico, è sufficiente introdurre nel materiale di partenza una sostanza la cui valenza sarà solo una in più. Per un esempio di semiconduttori nella fisica di un corso scolastico, viene considerato il germanio: la sua valenza è 4. Ad esso viene aggiunto un donatore: fosforo o antimonio, la loro valenza è cinque. Esistono pochi metalli semiconduttori, praticamente non vengono utilizzati nella tecnologia.
In questo caso, 4 elettroni in ciascun atomo realizzano l'installazione di legami a quattro coppie (covalenti) con il germanio. Il quinto elettrone non ha un tale legame, il che significa che è in uno stato libero. E se gli applichi tensione, formerà una corrente elettronica.
Correnti nei semiconduttori
Quando la corrente degli elettroni è maggiore delle lacune, il semiconduttore è detto di tipo n (negativo). Consideriamo un esempio: una piccola impurità accettore (ad esempio, boro) viene introdotta nel germanio idealmente puro. In questo caso, ciascun atomo accettore inizierà a stabilire legami covalenti con il germanio. Ma il quarto atomo del germanio non ha alcun legame con il boro. Pertanto, un certo numero di atomi di germanio avrà un solo elettrone senza legame covalente.
Ma è sufficiente una leggera influenza dall’esterno perché gli elettroni inizino a lasciare il loro posto. In questo caso, si formano dei buchi nel germanio.
La figura mostra che sul 2°, 4° e 6° atomo gli elettroni liberi iniziano ad attaccarsi al boro. Per questo motivo nel semiconduttore non viene generata corrente. Sulla superficie degli atomi di germanio si formano buchi con i numeri 1, 3 e 5: con il loro aiuto gli elettroni passano loro dagli atomi adiacenti. Su quest'ultimo iniziano ad apparire dei buchi, poiché gli elettroni volano via da essi.
Ogni buco che si forma inizierà a muoversi tra gli atomi di germanio. Quando viene applicata una tensione, i fori iniziano a muoversi in modo ordinato. In altre parole, nella sostanza appare una corrente di buchi. Questo tipo di semiconduttore è chiamato buco o tipo p. Quando viene applicata una tensione, non si muovono solo gli elettroni, ma anche le lacune: incontrano vari ostacoli sul loro cammino. In questo caso si verifica una perdita di energia, una deviazione dalla traiettoria originale. In altre parole, la carica del portatore viene dissipata. Tutto ciò è dovuto al fatto che il semiconduttore contiene contaminanti.
Un po' più in alto sono stati considerati esempi di sostanze semiconduttori utilizzate nella tecnologia moderna. Tutti i materiali hanno le loro caratteristiche. In particolare, una delle proprietà chiave è la non linearità della caratteristica corrente-tensione.
In altre parole, quando si verifica un aumento della tensione applicata al semiconduttore, si verifica un rapido aumento della corrente. In questo caso, la resistenza diminuisce drasticamente. Questa proprietà ha trovato applicazione in una varietà di scaricatori di valvole. Esempi di semiconduttori disordinati possono essere considerati più in dettaglio nella letteratura specializzata, il loro uso è strettamente limitato.
Un buon esempio: al valore della tensione di esercizio, lo scaricatore ha un'elevata resistenza, quindi la corrente dalla linea elettrica non va a terra. Ma non appena un fulmine colpisce un filo o un supporto, la resistenza diminuisce molto rapidamente fino quasi a zero, tutta la corrente va a terra. E la tensione torna alla normalità.
IV simmetrico
Quando la polarità della tensione viene invertita, la corrente nel semiconduttore inizia a fluire nella direzione opposta. E cambia secondo la stessa legge. Ciò suggerisce che l'elemento semiconduttore ha una caratteristica corrente-tensione simmetrica. Nel caso in cui una parte dell'elemento sia di tipo lacuno e la seconda sia di tipo elettronico, al confine del loro contatto appare una giunzione p-n (elettrone-lacuna). Sono queste transizioni che si trovano in tutti gli elementi: transistor, diodi, microcircuiti. Ma solo nei microcircuiti su un cristallo vengono assemblati diversi transistor contemporaneamente, a volte il loro numero è più di una dozzina.
Come si forma la transizione
Ora diamo un'occhiata a come si forma la giunzione pn. Se il contatto tra la lacuna e i semiconduttori elettronici non è di altissima qualità, si forma un sistema costituito da due regioni. Uno avrà la conduttività del foro e il secondo sarà elettronico.
E gli elettroni che si trovano nella regione n inizieranno a diffondersi dove la loro concentrazione è inferiore, cioè nella regione p. I buchi si muovono contemporaneamente agli elettroni, ma la loro direzione è invertita. Con la diffusione reciproca, si verifica una diminuzione della concentrazione nella regione n degli elettroni e nella regione p delle lacune.
La proprietà principale della giunzione pn
Considerando esempi di conduttori, semiconduttori e dielettrici, si può capire che le loro proprietà sono diverse. Ad esempio, la qualità principale dei semiconduttori è la capacità di far passare la corrente in una sola direzione. Per questo motivo nei raddrizzatori si sono diffusi dispositivi realizzati utilizzando semiconduttori. In pratica, utilizzando diversi strumenti di misura, è possibile vedere il funzionamento dei semiconduttori e valutare molti parametri, sia a riposo che sotto l'influenza di "stimoli" esterni.
Ciao cari lettori del sito. Il sito ha una sezione dedicata ai radioamatori principianti, ma finora non ho scritto veramente nulla per i principianti che muovono i primi passi nel mondo dell’elettronica. Colmo questa lacuna e da questo articolo iniziamo a conoscere il dispositivo e il funzionamento dei componenti radio (componenti radio).
Cominciamo con i dispositivi a semiconduttore. Ma per capire come funziona un diodo, un tiristore o un transistor, bisogna capire cosa semiconduttore. Pertanto, studieremo prima la struttura e le proprietà dei semiconduttori a livello molecolare, quindi ci occuperemo del funzionamento e della progettazione dei componenti radio a semiconduttore.
Concetti generali.
Perché esattamente semiconduttore diodo, transistor o tiristore? Perché la base di questi componenti radio è semiconduttori Sostanze in grado sia di condurre la corrente elettrica sia di impedirne il passaggio.
Si tratta di un ampio gruppo di sostanze utilizzate nella radioingegneria (germanio, silicio, selenio, ossido di rame), ma per la fabbricazione di dispositivi a semiconduttore vengono utilizzati principalmente solo Silicio(Si) e Germanio(Ge).
Secondo le loro proprietà elettriche, i semiconduttori occupano un posto intermedio tra conduttori e non conduttori di corrente elettrica.
Proprietà dei semiconduttori.
La conduttività elettrica dei conduttori dipende fortemente dalla temperatura ambiente.
A molto Basso temperature prossime allo zero assoluto (-273°C), semiconduttori non eseguire corrente elettrica e promozione temperatura, la loro resistenza alla corrente diminuisce.
Se indichi il semiconduttore leggero, quindi la sua conduttività elettrica inizia ad aumentare. Utilizzando questa proprietà dei semiconduttori sono stati creati fotovoltaico elettrodomestici. I semiconduttori sono anche in grado di convertire l'energia luminosa in corrente elettrica, ad esempio i pannelli solari. E quando introdotto nei semiconduttori impurità alcune sostanze, la loro conduttività elettrica aumenta notevolmente.
La struttura degli atomi semiconduttori.
Germanio e silicio sono i materiali principali di molti dispositivi a semiconduttore e ne hanno quattro Elettrone di valenza.
Atomo Germaniaè composto da 32 elettroni e un atomo silicio su 14. Ma solo 28 elettroni dell'atomo di germanio e 10 gli elettroni dell'atomo di silicio, situati negli strati interni dei loro gusci, sono saldamente trattenuti dai nuclei e non si staccano mai da essi. Appena quattro gli elettroni di valenza degli atomi di questi conduttori possono liberarsi, e anche in questo caso non sempre. E se un atomo semiconduttore perde almeno un elettrone, diventa ione positivo.
In un semiconduttore gli atomi sono disposti in un ordine rigoroso: ogni atomo è circondato da quattro gli stessi atomi. Inoltre, si trovano così vicini l'uno all'altro che i loro elettroni di valenza formano singole orbite che passano attorno agli atomi vicini, legando così gli atomi in un'unica sostanza intera.
Rappresentiamo l'interconnessione degli atomi in un cristallo semiconduttore sotto forma di un diagramma piatto.
Nel diagramma, le palline rosse con un segno più, convenzionalmente, denotano nuclei di atomi(ioni positivi) e le palline blu lo sono elettroni di valenza.
Qui puoi vedere che attorno a ciascun atomo si trovano quattro esattamente gli stessi atomi, e ciascuno di questi quattro ha una connessione con altri quattro atomi, e così via. Ciascuno degli atomi è collegato a ciascun vicino due elettroni di valenza e un elettrone è suo e l'altro è preso in prestito da un atomo vicino. Un legame di questo tipo è chiamato legame a due elettroni. covalente.
A sua volta, lo strato esterno del guscio elettronico di ciascun atomo contiene otto elettroni: quattro il proprio, e solo, preso in prestito da quattro limitrofo atomi. Qui non è più possibile distinguere quale degli elettroni di valenza nell'atomo è “proprio” e quale è “estraneo”, poiché sono diventati comuni. Con un tale legame di atomi nell'intera massa di un cristallo di germanio o silicio, possiamo supporre che un cristallo semiconduttore sia un grande molecola. Nella figura, i cerchi rosa e gialli mostrano la connessione tra gli strati esterni dei gusci di due atomi vicini.
Conduttività elettrica dei semiconduttori.
Considera un disegno semplificato di un cristallo semiconduttore, dove gli atomi sono indicati da una palla rossa con un segno più, e i legami interatomici sono mostrati da due linee che simboleggiano gli elettroni di valenza.
A una temperatura prossima allo zero assoluto, un semiconduttore non conduce attuale, poiché non ne ha elettroni liberi. Ma con un aumento della temperatura, il legame degli elettroni di valenza con i nuclei degli atomi si indebolisce e alcuni elettroni, a causa del movimento termico, possono lasciare i loro atomi. L'elettrone che fuoriesce dal legame interatomico diventa " gratuito", e dove era prima, si forma un posto vuoto, che viene convenzionalmente chiamato buco.
Come più alto temperatura del semiconduttore, il Di più diventa elettroni e lacune liberi. Di conseguenza, si scopre che la formazione di un "buco" è associata alla partenza di un elettrone di valenza dal guscio di un atomo, e il buco stesso diventa positivo carica elettrica pari a negativo carica di un elettrone.
Ora diamo un'occhiata alla figura, che mostra schematicamente il fenomeno della presenza di corrente in un semiconduttore.
Se applichi una certa tensione al semiconduttore, ai contatti "+" e "-", al suo interno apparirà una corrente.
A causa di fenomeni termici, in un cristallo semiconduttore inizieranno i legami interatomici essere rilasciato un certo numero di elettroni (palline blu con frecce). Gli elettroni sono attratti positivo il polo della sorgente di tensione sarà mossa verso di lui, lasciandosi alle spalle buchi, che verrà compilato da altri elettroni rilasciati. Cioè, sotto l'azione di un campo elettrico esterno, i portatori di carica acquisiscono una certa velocità di movimento direzionale e quindi creano elettricità.
Ad esempio: l'elettrone liberato più vicino al polo positivo della sorgente di tensione attratto questo palo. Rompere il legame interatomico e lasciarlo, l'elettrone foglie dopo me stesso buco. Un altro elettrone liberato, che si trova su alcuni rimozione anche dal polo positivo attratto palo e in movimento nei suoi confronti, ma avendo incontrato un buco sul suo cammino, ne è attratto nucleo atomo, ripristinando il legame interatomico.
Il risultato nuovo buco dopo il secondo elettrone, riempie il terzo elettrone rilasciato, situato accanto a questo foro (Figura n. 1). Nel suo turno buchi, che sono più vicini a negativo palo, riempito con altro elettroni rilasciati(Figura n. 2). Pertanto, nel semiconduttore si forma una corrente elettrica.
Finché il semiconduttore funziona campo elettrico, questo processo continuo: i legami interatomici si rompono - compaiono elettroni liberi - si formano lacune. I buchi vengono riempiti con gli elettroni rilasciati: i legami interatomici vengono ripristinati, mentre altri legami interatomici vengono rotti, da cui escono gli elettroni e riempiono i buchi successivi (Figura n. 2-4).
Da ciò concludiamo: gli elettroni si spostano dal polo negativo della sorgente di tensione al positivo e i fori si spostano dal polo positivo al negativo.
Conduttività delle lacune elettroniche.
In un cristallo semiconduttore "puro", il numero rilasciato elettroni al momento è uguale al numero emergenti buchi, quindi la conduttività elettrica di tale semiconduttore piccolo, poiché fornisce una corrente elettrica grande resistenza, e questa conduttività elettrica viene chiamata Proprio.
Ma se aggiungiamo il semiconduttore nella forma impurità un certo numero di atomi di altri elementi, la sua conduttività elettrica aumenterà in modo significativo e in base strutture atomi di elementi impuri, la conduttività elettrica del semiconduttore sarà elettronico O perforato.
conduttività elettronica.
Supponiamo che in un cristallo semiconduttore, in cui gli atomi hanno quattro elettroni di valenza, abbiamo sostituito un atomo con un atomo in cui cinque elettroni di valenza. Questo atomo quattro gli elettroni si legheranno con quattro atomi vicini del semiconduttore e quinto l'elettrone di valenza rimarrà superfluo' significa libero. E poi Di più Di più saranno elettroni liberi, il che significa che un tale semiconduttore si avvicinerà a un metallo nelle sue proprietà e affinché una corrente elettrica lo attraversi, deve i legami interatomici non devono essere distrutti.
I semiconduttori con tali proprietà sono chiamati semiconduttori con conduttività del tipo " N", o semiconduttori N-tipo. Qui la lettera latina n deriva dalla parola "negativo" (negativo) - cioè "negativo". Ne consegue che in un semiconduttore N-tipo principale i portatori di carica sono - elettroni, e non quelli principali: i buchi.
conduzione del foro.
Prendiamo lo stesso cristallo, ma ora sostituiremo il suo atomo con un atomo in cui solo tre elettrone libero. Con i suoi tre elettroni, si legherà solo con tre atomi vicini e per legarsi al quarto atomo non ne avrà abbastanza uno elettrone. Di conseguenza, si forma buco. Naturalmente sarà riempito con qualsiasi altro elettrone libero nelle vicinanze, ma in ogni caso non ci sarà tale semiconduttore nel cristallo. preda elettroni per riempire i buchi. E poi Di più ci saranno tali atomi nel cristallo, quindi Di più ci saranno dei buchi.
Affinché gli elettroni liberi vengano rilasciati e si muovano in un tale semiconduttore, i legami di valenza tra gli atomi devono essere distrutti. Ma gli elettroni non saranno ancora sufficienti, poiché il numero di lacune sarà sempre presente Di più numero di elettroni in un dato momento.
Tali semiconduttori sono chiamati semiconduttori con perforato conduttività o conduttori P-tipo, che in latino "positivo" significa "positivo". Pertanto, il fenomeno della corrente elettrica in un cristallo semiconduttore di tipo p è accompagnato da un continuo emergenza E scomparsa le cariche positive sono buchi. E questo significa che in un semiconduttore P-tipo principale i portatori di carica sono buchi e non fondamentali: elettroni.
Ora che hai una certa comprensione dei fenomeni che si verificano nei semiconduttori, non sarà difficile per te comprendere il principio di funzionamento dei componenti radio a semiconduttore.
Fermiamoci a questo, e considereremo il dispositivo, il principio di funzionamento del diodo, ne analizzeremo le caratteristiche corrente-tensione e i circuiti di commutazione.
Buona fortuna!
Fonte:
1
. Borisov V.G. - Un giovane radioamatore. 1985
2
. Sito web accademic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.
In questo articolo, ebbene, non c'è nulla di straordinariamente importante e interessante, solo la risposta ad una semplice domanda per principianti, quali sono le principali proprietà che distinguono i semiconduttori dai metalli e dai dielettrici?
Semiconduttori - materiali (cristalli, materiali policristallini e amorfi, elementi o composti) con l'esistenza di una banda proibita (tra la banda di conduzione e la banda di valenza).
I semiconduttori elettronici sono chiamati cristalli e sostanze amorfe, che in termini di conduttività elettrica occupano una posizione intermedia tra i metalli (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) e i dielettrici (σ = 10 -10 ÷10 -20 Ohm - 1 cm-1). Tuttavia, i valori limite di conduttività indicati sono piuttosto condizionali.
La teoria zonale ci consente di formulare un criterio che consente di dividere i solidi in due classi: metalli e semiconduttori (isolanti). I metalli sono caratterizzati dalla presenza di livelli liberi nella banda di valenza, ai quali gli elettroni possono passare, ricevendo energia aggiuntiva, ad esempio, a causa dell'accelerazione in un campo elettrico. Una caratteristica distintiva dei metalli è che hanno elettroni di conduzione nello stato fondamentale, non eccitato (a 0 K), cioè elettroni che partecipano a un movimento ordinato sotto l'azione di un campo elettrico esterno.
Nei semiconduttori e negli isolanti a 0 K la banda di valenza è completamente popolata, mentre la banda di conduzione è separata da essa da un band gap e non contiene portatori. Pertanto un campo elettrico non troppo intenso non è in grado di amplificare gli elettroni situati nella banda di valenza e trasferirli nella banda di conduzione. In altre parole, tali cristalli a 0 K dovrebbero essere isolanti ideali. Con un aumento della temperatura o dell'irradiazione di un tale cristallo, gli elettroni possono assorbire quanti di energia termica o radiante sufficienti per passare nella banda di conduzione. Durante questa transizione compaiono dei buchi nella banda di valenza, che possono anche partecipare al trasferimento di elettricità. La probabilità di una transizione elettronica dalla banda di valenza alla banda di conduzione è proporzionale a ( -EG/ kT), Dove EG è la larghezza della banda proibita. Con un grande valore EG (2-3 eV), questa probabilità risulta essere molto piccola.
Pertanto, la divisione delle sostanze in metalli e non metalli ha una base ben definita. Al contrario, la divisione dei non metalli in semiconduttori e dielettrici non ha tale base ed è puramente arbitraria.
In precedenza, si riteneva che le sostanze con una banda proibita potessero essere classificate come dielettrici EG≈ 2÷3 eV, ma in seguito si è scoperto che molti di essi sono tipici semiconduttori. Inoltre, è stato dimostrato che, a seconda della concentrazione di impurità o di atomi in eccesso (al di sopra della composizione stechiometrica) di uno dei componenti, lo stesso cristallo può essere sia un semiconduttore che un isolante. Ciò vale, ad esempio, per i cristalli di diamante, ossido di zinco, nitruro di gallio, ecc. Anche dielettrici tipici come i titanati di bario e stronzio, così come il rutilo, acquisiscono le proprietà dei semiconduttori in caso di riduzione parziale, che è associata alla comparsa di atomi di metallo in eccesso in essi.
Anche la divisione dei non metalli in semiconduttori e dielettrici ha un certo significato, poiché sono noti numerosi cristalli, la cui conduttività elettronica non può essere aumentata in modo significativo né introducendo impurità, né mediante illuminazione o riscaldamento. Ciò è dovuto o ad una vita media molto breve dei fotoelettroni, o all'esistenza di trappole profonde nei cristalli, o ad una mobilità elettronica molto bassa, cioè con una velocità estremamente bassa della loro deriva in un campo elettrico.
La conduttività elettrica è proporzionale alla concentrazione n, alla carica e e alla mobilità dei portatori di carica. Pertanto, la dipendenza dalla temperatura della conduttività di vari materiali è determinata dalla dipendenza dalla temperatura di questi parametri. Per tutti i conduttori elettronici carica e costante e indipendente dalla temperatura. Nella maggior parte dei materiali, la mobilità di solito diminuisce leggermente con l'aumentare della temperatura a causa dell'aumento dell'intensità delle collisioni tra elettroni in movimento e fononi, cioè a causa della diffusione degli elettroni da parte delle vibrazioni del reticolo cristallino. Pertanto, il diverso comportamento di metalli, semiconduttori e dielettrici è principalmente associato alla concentrazione del portatore di carica e alla sua dipendenza dalla temperatura:
1) nei metalli, la concentrazione dei portatori di carica n è elevata e cambia leggermente con la temperatura. La variabile nell'equazione per la conduttività elettrica è la mobilità. E poiché la mobilità diminuisce leggermente con la temperatura, diminuisce anche la conduttività elettrica;
2) nei semiconduttori e dielettrici N solitamente aumenta esponenzialmente con la temperatura. Questa rapida crescita N dà il contributo più significativo al cambiamento di conduttività rispetto alla diminuzione della mobilità. Pertanto, la conduttività elettrica aumenta rapidamente con l'aumentare della temperatura. In questo senso i dielettrici possono essere considerati come un caso limite, poiché a temperature ordinarie la quantità N in queste sostanze è estremamente ridotto. A temperature elevate, la conduttività dei singoli dielettrici raggiunge il livello dei semiconduttori a causa della crescita N. Si osserva anche il contrario: a basse temperature alcuni semiconduttori diventano isolanti.
Bibliografia
- West A. Chimica dello stato solido. Parte 2Per. dall'inglese. - M.: Mir, 1988. - 336 p.
- Cristallografia moderna. T.4. Proprietà fisiche dei cristalli. - M.: Nauka, 1981.
Studenti del gruppo 501 della Facoltà di Chimica: Bezzubov S.I., Vorobieva N.A., Efimov A.A.