Elektr o'tkazgichlari bilan bir qatorda tabiatda metall o'tkazgichlarga qaraganda sezilarli darajada past elektr o'tkazuvchanligiga ega bo'lgan ko'plab moddalar mavjud. Bunday turdagi moddalar yarim o'tkazgichlar deb ataladi.
Yarimo'tkazgichlarga quyidagilar kiradi: ba'zi kimyoviy elementlar, masalan, selen, kremniy va germaniy, oltingugurt birikmalari, masalan, talliy sulfid, kadmiy sulfid, kumush sulfid, karbidlar, masalan, karborund,uglerod (olmos),bor, kulrang qalay, fosfor, surma, mishyak, tellur, yod va davriy tizimning 4-7-guruhlari elementlaridan kamida bittasini o'z ichiga olgan bir qator birikmalar. Organik yarim o'tkazgichlar ham mavjud.
Yarimo'tkazgichning elektr o'tkazuvchanligining tabiati yarimo'tkazgichning asosiy materialida mavjud bo'lgan aralashmalar turiga va uning tarkibiy qismlarini ishlab chiqarish texnologiyasiga bog'liq.
Yarimo'tkazgich - 10 -10 - 10 4 (ohm x sm) -1 bo'lgan modda, bu xossalariga ko'ra o'tkazgich va izolyator o'rtasida joylashgan. Tarmoq nazariyasiga ko'ra o'tkazgichlar, yarim o'tkazgichlar va izolyatorlar o'rtasidagi farq quyidagicha: sof yarim o'tkazgichlarda va elektron izolyatorlarda to'ldirilgan band (valentlik) va o'tkazuvchanlik zonasi o'rtasida energiya bo'shlig'i mavjud.
Nima uchun yarim o'tkazgichlar tokni o'tkazadi?
Yarimo'tkazgich, agar uning nopoklik atomlaridagi tashqi elektronlar ushbu atomlarning yadrolari bilan nisbatan zaif bog'langan bo'lsa, elektron o'tkazuvchanlikka ega. Agar shunday turdagi yarimo'tkazgichda elektr maydon hosil bo'lsa, u holda bu maydon kuchlari ta'sirida yarimo'tkazgichning nopoklik atomlarining tashqi elektronlari o'z atomlari chegarasidan chiqib, erkin elektronlarga aylanadi.
Erkin elektronlar elektr maydon kuchlari ta'sirida yarimo'tkazgichda elektr o'tkazuvchanligini hosil qiladi. Binobarin, elektron o'tkazuvchanlikka ega yarimo'tkazgichlarda elektr tokining tabiati metall o'tkazgichlarda bo'lgani kabi. Ammo yarimo'tkazgichning birlik hajmida metall o'tkazgichning birlik hajmiga qaraganda bir necha baravar kam bo'sh elektronlar bo'lganligi sababli, boshqa barcha bir xil sharoitlarda yarim o'tkazgichdagi oqim bir necha marta kamroq bo'lishi tabiiydir. metall o'tkazgich.
Yarimo'tkazgich "teshik" o'tkazuvchanligiga ega, agar uning nopok atomlari nafaqat tashqi elektronlarini tashlab qo'ymasa, balki, aksincha, yarim o'tkazgichning asosiy moddasi atomlaridan elektronlarni tortib olishga intiladi. Agar nopoklik atomi asosiy moddaning atomidan elektron olsa, ikkinchisida elektron uchun bo'sh joy kabi narsa - "teshik" hosil bo'ladi.
Elektron yo'qotgan yarimo'tkazgich atomi "elektron tuynuk" yoki oddiygina "teshik" deb ataladi. Agar "teshik" qo'shni atomdan ko'chirilgan elektron bilan to'ldirilgan bo'lsa, u yo'q qilinadi va atom elektr neytral bo'ladi va "teshik" elektronni yo'qotgan qo'shni atomga o'tadi. Binobarin, agar "teshik" o'tkazuvchanligi bo'lgan yarimo'tkazgich elektr maydoniga ta'sir qilsa, u holda "elektron teshiklari" bu maydon yo'nalishi bo'yicha siljiydi.
Tarafsizlik Elektr maydoni yo'nalishidagi "elektron teshiklari" maydondagi musbat elektr zaryadlarining harakatiga o'xshaydi va shuning uchun yarimo'tkazgichdagi elektr tokining hodisasini ifodalaydi.
Yarimo'tkazgichlarni ularning elektr o'tkazuvchanlik mexanizmi bo'yicha qat'iy ravishda ajratib bo'lmaydi, chunki ular bilan birga"Teshik" o'tkazuvchanligi bilan ma'lum bir yarimo'tkazgich u yoki bu darajada elektron o'tkazuvchanlikka ega bo'lishi mumkin.
Yarimo'tkazgichlar quyidagilar bilan tavsiflanadi:
o'tkazuvchanlik turi (elektron - n-tip, teshik - p-tipi);
qarshilik;
zaryad tashuvchilarning ishlash muddati (ozchilik) yoki diffuziya uzunligi, sirt rekombinatsiya tezligi;
dislokatsiya zichligi.
Silikon eng keng tarqalgan yarimo'tkazgich materialidir
Harorat yarimo'tkazgichlarning xususiyatlariga sezilarli ta'sir ko'rsatadi. Uning ortishi asosan qarshilikning pasayishiga olib keladi va aksincha, ya'ni yarimo'tkazgichlar salbiy mavjudligi bilan tavsiflanadi. . Mutlaq nolga yaqin yarimo'tkazgich izolyatorga aylanadi.
Yarimo'tkazgichlar ko'plab qurilmalarning asosidir. Ko'pgina hollarda ular monokristallar shaklida olinishi kerak. Belgilangan xususiyatlarni berish uchun yarimo'tkazgichlarga turli xil aralashmalar qo'shiladi. Manba yarimo'tkazgich materiallarining tozaligiga talab ortib bormoqda.
Yarimo'tkazgichlar zamonaviy texnologiyada eng keng qo'llanilishini topdi, ular texnik taraqqiyotga juda kuchli ta'sir ko'rsatdi. Ularning yordami bilan elektron qurilmalarning og'irligi va o'lchamlarini sezilarli darajada kamaytirish mumkin. Elektronikaning barcha yo'nalishlarining rivojlanishi yarimo'tkazgichli qurilmalar asosida juda ko'p turli xil uskunalarni yaratish va takomillashtirishga olib keladi. Yarimo'tkazgichli qurilmalar mikroelementlar, mikromodullar, qattiq holat sxemalari va boshqalar uchun asos bo'lib xizmat qiladi.
Yarimo'tkazgichli qurilmalarga asoslangan elektron qurilmalar amalda inertsiyasizdir. Ehtiyotkorlik bilan qurilgan va yaxshi muhrlangan yarimo'tkazgichli qurilma o'n minglab soat davom etishi mumkin. Biroq, ba'zi yarimo'tkazgichli materiallar past harorat chegarasiga ega (masalan, germaniy), lekin unchalik murakkab emas harorat kompensatsiyasi yoki qurilmaning asosiy materialini boshqasiga (masalan, kremniy, kremniy karbid) almashtirish bu kamchilikni sezilarli darajada yo'q qiladi. Yarimo'tkazgichli qurilmalarni ishlab chiqarish texnologiyasini takomillashtirish mavjud tarqalishning kamayishiga va parametrlarning beqarorligiga olib keladi.
Yarimo'tkazgichlarda yaratilgan yarimo'tkazgich-metall kontakt va elektron-teshik birikmasi (n-p birikmasi) yarimo'tkazgichli diodlarni ishlab chiqarishda qo'llaniladi. Ikki o'tish (p-n-p yoki n-p-n) - tranzistorlar va tiristorlar. Ushbu qurilmalar asosan elektr signallarini to'g'rilash, ishlab chiqarish va kuchaytirish uchun ishlatiladi.
Yarimo'tkazgichlarning fotoelektrik xususiyatlariga asoslanib, fotorezistorlar, fotodiodlar va fototransistorlar yaratiladi. Yarimo'tkazgich tebranish generatorlarining (kuchaytirgichlarning) faol qismi bo'lib xizmat qiladi. Elektr toki oldinga yo'nalishda pn birikmasidan o'tganda, zaryad tashuvchilar - elektronlar va teshiklar - LEDlarni yaratish uchun ishlatiladigan fotonlarning emissiyasi bilan qayta birlashadilar.
Yarimo'tkazgichlarning termoelektrik xossalari yarimo'tkazgichli issiqlik qarshiligini, yarim o'tkazgichli termoelementlarni, termopillarni va termoelektr generatorlarini va Peltier effektiga asoslangan yarim o'tkazgichlarni termoelektrik sovutish - termoelektrik muzlatgichlar va termostabilizatorlarni yaratishga imkon berdi.
Yarimo'tkazgichlar issiqlik va quyosh energiyasini elektr energiyasiga mashinasiz o'zgartirgichlarda - termoelektr generatorlarida va fotoelektrik konvertorlarda (quyosh batareyalarida) qo'llaniladi.
Yarimo'tkazgichga qo'llaniladigan mexanik kuchlanish uning elektr qarshiligini o'zgartiradi (ta'sir metallarga qaraganda kuchliroq), bu yarimo'tkazgichning kuchlanish o'lchagichining asosi bo'lgan.
Yarimo'tkazgichli qurilmalar jahon amaliyotida keng tarqalib, elektronikani inqilob qildi, ular quyidagilarning rivojlanishi va ishlab chiqarilishi uchun asos bo'lib xizmat qiladi:
o'lchash uskunalari, kompyuterlar,
barcha turdagi aloqa va transport uskunalari,
sanoatda jarayonlarni avtomatlashtirish uchun,
ilmiy tadqiqotlar uchun asboblar,
raketa texnologiyasi,
tibbiy asbob-uskunalar
boshqa elektron qurilmalar va asboblar.
Yarimo'tkazgichli qurilmalardan foydalanish yangi jihozlarni yaratish va eskilarini takomillashtirish imkonini beradi, bu uning o'lchamlarini, og'irligini, quvvat sarfini kamaytirishni, shuning uchun kontaktlarning zanglashiga olib keladigan issiqlik ishlab chiqarishning kamayishini, kuchning oshishini, darhol harakatga tayyorligini anglatadi. , va elektron qurilmalarning xizmat muddati va ishonchliligini oshirishi mumkin.
Bizning maqolamizda yarimo'tkazgichlar, ularning xususiyatlari va qo'llanilishi misollari ko'rib chiqiladi. Ushbu materiallar radiotexnika va elektronikada o'z o'rniga ega. Ular dielektrik va o'tkazgich o'rtasidagi narsadir. Aytgancha, oddiy shisha ham yarimo'tkazgich deb hisoblanishi mumkin - normal holatda u oqim o'tkazmaydi. Ammo kuchli isitish bilan (deyarli suyuqlik holatiga) xususiyatlarning o'zgarishi sodir bo'ladi va shisha o'tkazgichga aylanadi. Ammo bu alohida misol, boshqa materiallar uchun narsalar biroz boshqacha.
Yarimo'tkazgichlarning asosiy xususiyatlari
O'tkazuvchanlik ko'rsatkichi taxminan 1000 Ohm * m (180 daraja haroratda). Metalllar bilan solishtirganda, yarimo'tkazgichlar harorat oshishi bilan o'tkazuvchanlikning pasayishiga ega. Dielektriklar bir xil xususiyatga ega. Yarimo'tkazgich materiallari o'tkazuvchanlik ko'rsatkichining aralashmalar miqdori va turiga nisbatan kuchli bog'liqligiga ega.
Aytaylik, agar siz sof germaniyga mishyakning atigi mingdan bir qismini kiritsangiz, o'tkazuvchanlik taxminan 10 barobar ortadi. Istisnosiz barcha yarim o'tkazgichlar tashqi ta'sirlarga sezgir - yadro nurlanishi, yorug'lik, elektromagnit maydonlar, bosim va boshqalar. Yarimo'tkazgichlarga surma, kremniy, germaniy, tellur, fosfor, uglerod, mishyak, yod, bor va turli xil birikmalar misol bo'la oladi. bu moddalar.
Yarimo'tkazgichlardan foydalanish xususiyatlari
Yarimo'tkazgichli materiallar shunday o'ziga xos xususiyatlarga ega bo'lganligi sababli ular ancha keng tarqalgan. Ular asosida diodlar, tranzistorlar, triaklar, lazerlar, tiristorlar, bosim, magnit maydon, harorat sensorlari va boshqalar yasaladi.Yarim o'tkazgichlar ishlab chiqilgandan so'ng avtomatlashtirish, radiotexnika, kibernetika va elektrotexnika sohasida tub o'zgarishlar sodir bo'ldi. Aynan yarimo'tkazgichlardan foydalanish orqali uskunaning bunday kichik o'lchamlariga erishish mumkin edi - bir yarim litrli kavanoz o'lchamidagi katta quvvat manbalari va radio trubalardan foydalanishning hojati yo'q.
Yarimo'tkazgichlardagi oqim
Supero'tkazuvchilarda oqim erkin elektronlar harakatlanadigan joyga qarab belgilanadi. Yarimo'tkazgichli materiallarda juda ko'p erkin elektronlar mavjud va buning sabablari bor. Yarimo'tkazgichda mavjud bo'lgan barcha valent elektronlar erkin emas, chunki ular atomlari bilan bog'langan.
Yarimo'tkazgichlarda oqim juda keng chegaralarda paydo bo'lishi va o'zgarishi mumkin, lekin faqat tashqi ta'sir mavjud bo'lganda. Oqim isitish, nurlanish va aralashmalarning kiritilishi bilan o'zgaradi. Barcha ta'sirlar valent elektronlarning energiyasini sezilarli darajada oshirishi mumkin, bu ularning atomlardan ajralishiga yordam beradi. Va qo'llaniladigan kuchlanish bu elektronlarning ma'lum bir yo'nalishda harakatlanishiga olib keladi. Boshqacha qilib aytganda, bu elektronlar oqim tashuvchisiga aylanadi.
Yarimo'tkazgichlardagi teshiklar
Tashqi nurlanishning harorati yoki intensivligi oshishi bilan erkin elektronlar soni ortadi. Natijada, oqim kuchayadi. Elektronlarini yo'qotgan moddadagi atomlar musbat ionlarga aylanadi, ular harakat qilmaydi. Elektron chiqqan atomning tashqi tomonida teshik qoladi. Yaqin atrofdagi atomdagi o'rnini tark etgan boshqa elektron unga sig'ishi mumkin. Buning natijasida qo'shni atomning tashqi qismida teshik hosil bo'ladi - u ionga aylanadi (musbat).
Agar yarim o'tkazgichga kuchlanish qo'llanilsa, elektronlar ma'lum bir yo'nalishda bir atomdan ikkinchisiga o'ta boshlaydi. Teshiklar teskari yo'nalishda harakatlana boshlaydi. Teshik musbat zaryadlangan zarrachadir. Bundan tashqari, uning zaryadi modul bo'yicha elektronniki bilan bir xil. Ushbu ta'rifdan foydalanib, siz yarimo'tkazgich kristalida yuzaga keladigan barcha jarayonlarni tahlil qilishni sezilarli darajada soddalashtirishingiz mumkin. Teshik oqimi (I D bilan belgilanadi) elektronlar harakatiga teskari yo'nalishda zarrachalarning harakatidir.
Elektron teshikka o'tish
Yarimo'tkazgich ikki turdagi elektr o'tkazuvchanligiga ega - elektron va teshik. Sof yarimo'tkazgichlarda (qo'shimchalarsiz) teshiklar va elektronlar bir xil konsentratsiyaga ega (mos ravishda N D va N E). Shuning uchun bunday elektr o'tkazuvchanlik ichki o'tkazuvchanlik deb ataladi. Umumiy joriy qiymat quyidagilarga teng bo'ladi:
Ammo elektronlar teshiklardan ko'ra ko'proq harakatchanlikka ega ekanligini hisobga olsak, quyidagi tengsizlikka kelishimiz mumkin:
Zaryadning harakatchanligi M harfi bilan belgilanadi, bu yarimo'tkazgichlarning asosiy xususiyatlaridan biridir. Mobillik - bu ikki parametrning nisbati. Birinchisi, zaryad tashuvchining harakat tezligi (tashuvchining turiga qarab "E" yoki "D" indeksi bilan V harfi bilan belgilanadi), ikkinchisi - elektr maydon kuchi (E harfi bilan belgilanadi) . Formulalar shaklida ifodalanishi mumkin:
M E = (V E / E).
M D = (V D / E).
Mobillik 1 V/sm kuchlanish qiymatida teshik yoki elektronning bir soniyada o'tadigan yo'lini aniqlash imkonini beradi. Endi biz yarimo'tkazgich materialining ichki oqimini hisoblashimiz mumkin:
I = N * e * (M E + M D) * E.
Ammo shuni ta'kidlash kerakki, bizda tenglik bor:
N = N E = N D.
Formuladagi e harfi elektronning zaryadini bildiradi (bu doimiy qiymat).
Yarimo'tkazgichli qurilmalar
Biz darhol yarimo'tkazgichli qurilmalarga misollar keltira olamiz - bular tranzistorlar, tiristorlar, diodlar va hatto mikrosxemalar. Albatta, bu to'liq ro'yxat emas. Yarimo'tkazgichli qurilma qilish uchun siz teshik yoki elektron o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan materiallardan foydalanishingiz kerak. Bunday materialni olish uchun ifloslik konsentratsiyasi 10 -11% dan kam bo'lgan ideal toza yarimo'tkazgichga qo'shimchani kiritish kerak (u dopant deb ataladi).
Valentligi yarimo'tkazgichnikidan katta bo'lgan aralashmalar erkin elektronlarni beradi. Ushbu aralashmalar donorlar deb ataladi. Ammo valentligi yarimo'tkazgichnikidan kamroq bo'lganlar elektronlarni ushlab turishga moyildirlar. Ularni qabul qiluvchilar deyiladi. Faqat elektron turdagi o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan yarim o'tkazgichni olish uchun manba materialiga valentligi faqat bitta bo'lgan moddani kiritish kifoya. Yarimo'tkazgichlarga misol sifatida maktab fizikasi kursida germaniy ko'rib chiqiladi - uning valentligi 4. Unga donor qo'shiladi - fosfor yoki surma, ularning valentligi besh. Yarimo'tkazgichli metallar kam, ular texnologiyada deyarli qo'llanilmaydi.
Bunday holda, har bir atomdagi 4 ta elektron germaniy bilan to'rtta juft (kovalent) aloqa o'rnatadi. Beshinchi elektronda bunday aloqa yo'q, demak u erkin holatda. Va agar siz unga kuchlanish qo'llasangiz, u elektron oqim hosil qiladi.
Yarimo'tkazgichlardagi toklar
Elektronlarning oqimi teshiklarnikidan katta bo'lsa, yarim o'tkazgich n-tip (salbiy) deb ataladi. Keling, bir misolni ko'rib chiqaylik - kichik qabul qiluvchi nopoklik (masalan, bor) ideal toza germaniyga kiritiladi. Bunday holda, har bir qabul qiluvchi atom germaniy bilan kovalent bog'lanishni boshlaydi. Ammo to'rtinchi germaniy atomining bor bilan aloqasi yo'q. Shunday qilib, ma'lum miqdordagi germaniy atomlari kovalent turdagi bog'siz faqat bitta elektronga ega bo'ladi.
Ammo elektronlar o'z joylarini tark eta boshlashlari uchun ozgina tashqi ta'sir etarli. Bunday holda, germaniyda teshiklar hosil bo'ladi.
Rasmda ko'rinib turibdiki, 2, 4 va 6 atomlarda erkin elektronlar borga birikishni boshlaydi. Shu sababli yarimo'tkazgichda tok hosil bo'lmaydi. Germaniy atomlari yuzasida 1, 3 va 5 raqamlari bo'lgan teshiklar hosil bo'ladi - ularning yordami bilan ularga qo'shni atomlardan elektronlar o'tkaziladi. Ikkinchisida teshiklar paydo bo'la boshlaydi, chunki elektronlar ulardan uchib ketadi.
Har bir paydo bo'lgan teshik germaniy atomlari orasida harakatlana boshlaydi. Voltaj qo'llanilganda, teshiklar tartibli harakatlana boshlaydi. Boshqacha qilib aytganda, moddada teshiklar oqimi paydo bo'ladi. Ushbu turdagi yarimo'tkazgichlar teshik yoki p-tipi deb ataladi. Kuchlanish ta'sirida nafaqat elektronlar, balki teshiklar ham harakatlanadi - ular yo'lda turli to'siqlarga duch kelishadi. Bunday holda, energiya yo'qolishi va dastlabki traektoriyadan og'ish kuzatiladi. Boshqacha aytganda, tashuvchilarning zaryadi tarqaladi. Bularning barchasi yarimo'tkazgichda ifloslantiruvchi moddalar mavjudligi sababli sodir bo'ladi.
Zamonaviy texnologiyada qo'llaniladigan yarimo'tkazgichli moddalarning misollari yuqorida muhokama qilindi. Barcha materiallar o'ziga xos xususiyatlarga ega. Xususan, asosiy xususiyatlardan biri joriy kuchlanish xarakteristikasining chiziqli bo'lmaganligidir.
Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, yarimo'tkazgichga qo'llaniladigan kuchlanish kuchayganda, oqimning tez o'sishi sodir bo'ladi. Bunday holda, qarshilik keskin kamayadi. Ushbu xususiyat turli xil vana to'xtatuvchilarda qo'llanilishini topdi. Tartibsiz yarimo'tkazgichlarning misollarini ixtisoslashtirilgan adabiyotlarda batafsilroq ko'rib chiqish mumkin, ulardan foydalanish qat'iy cheklangan.
Yaxshi misol: ish kuchlanish qiymatida uchqun oralig'i yuqori qarshilikka ega, shuning uchun oqim elektr uzatish liniyasidan erga oqmaydi. Ammo chaqmoq simga yoki tayanchga tushishi bilan qarshilik juda tez deyarli nolga tushadi va barcha oqim erga tushadi. Va kuchlanish normal holatga tushadi.
Simmetrik oqim-kuchlanish xarakteristikasi
Kuchlanishning polaritesi o'zgarganda, yarimo'tkazgichdagi oqim teskari yo'nalishda oqishni boshlaydi. Va u xuddi shu qonunga muvofiq o'zgaradi. Bu yarimo'tkazgich elementining simmetrik oqim kuchlanish xususiyatiga ega ekanligini ko'rsatadi. Agar elementning bir qismi teshik tipidagi, ikkinchisi esa elektron bo'lsa, ularning aloqa chegarasida p-n birikmasi (elektron-teshik) paydo bo'ladi. Aynan shu o'tishlar barcha elementlarda - tranzistorlar, diodlar, mikrosxemalarda mavjud. Ammo faqat mikrosxemalarda bir vaqtning o'zida bir nechta tranzistorlar bir chipga yig'iladi - ba'zida ularning soni o'ndan ortiq.
O'tish qanday sodir bo'ladi?
Endi pn birikmasi qanday hosil bo'lishini ko'rib chiqamiz. Agar teshik va elektron yarimo'tkazgichlar orasidagi aloqa juda yuqori sifatli bo'lmasa, u holda ikkita mintaqadan iborat tizim hosil bo'ladi. Birida teshik o'tkazuvchanligi, ikkinchisi esa elektron o'tkazuvchanlikka ega bo'ladi.
Va n-mintaqada joylashgan elektronlar kontsentratsiyasi pastroq bo'lgan joyga - ya'ni p-mintaqasiga tarqala boshlaydi. Elektronlar bilan bir vaqtda teshiklar harakat qiladi, lekin ularning yo'nalishi teskari. O'zaro diffuziya bilan n-mintaqada elektronlar kontsentratsiyasi va p-mintaqada teshiklar kamayadi.
Pn birikmasining asosiy xususiyati
Supero'tkazuvchilar, yarim o'tkazgichlar va dielektriklarning misollarini ko'rib chiqsangiz, ularning xususiyatlari boshqacha ekanligini tushunishingiz mumkin. Masalan, yarimo'tkazgichlarning asosiy sifati tokni faqat bitta yo'nalishda o'tkazish qobiliyatidir. Shu sababli, yarim o'tkazgichlar yordamida ishlab chiqarilgan qurilmalar rektifikatorlarda keng tarqaldi. Amalda, bir nechta o'lchash asboblaridan foydalangan holda, siz yarim o'tkazgichlarning ishini ko'rishingiz va ko'plab parametrlarni baholashingiz mumkin - dam olish rejimida ham, tashqi "stimulyatorlar" ta'sirida ham.
Salom aziz sayt o'quvchilari. Saytda yangi boshlanuvchilar uchun radio havaskorlariga bag'ishlangan bo'lim mavjud, ammo men hozirgacha elektronika dunyosiga birinchi qadamlarini qo'ygan yangi boshlanuvchilar uchun hech narsa yozmadim. Men bu bo'shliqni to'ldiraman va ushbu maqola bilan biz radio komponentlarning (radio komponentlar) tuzilishi va ishlashi bilan tanishishni boshlaymiz.
Keling, yarimo'tkazgichli qurilmalardan boshlaylik. Ammo diod, tiristor yoki tranzistor qanday ishlashini tushunish uchun uning nima ekanligini tasavvur qilishingiz kerak. yarimo'tkazgich. Shuning uchun biz birinchi navbatda yarim o'tkazgichlarning tuzilishi va xususiyatlarini molekulyar darajada o'rganamiz, keyin esa yarim o'tkazgichli radio komponentlarning ishlashi va dizayni bilan shug'ullanamiz.
Umumiy tushunchalar.
Nima uchun aynan yarimo'tkazgich diod, tranzistor yoki tiristor? Chunki bu radio komponentlarning asosi hisoblanadi yarimo'tkazgichlar- elektr tokini o'tkazishga va uning o'tishini oldini olishga qodir bo'lgan moddalar.
Bu radiotexnikada ishlatiladigan moddalarning katta guruhi (germaniy, kremniy, selen, mis oksidi), lekin asosan faqat Silikon(Si) va germaniy(Ge).
Elektr xossalari bo'yicha yarimo'tkazgichlar elektr tokining o'tkazgichlari va o'tkazmaydiganlari o'rtasida o'rta o'rinni egallaydi.
Yarimo'tkazgichlarning xossalari.
Supero'tkazuvchilarning elektr o'tkazuvchanligi atrof-muhit haroratiga juda bog'liq.
Juda past mutlaq nolga yaqin harorat (-273 ° C), yarim o'tkazgichlar bajarmang elektr toki va kattalashtirish; ko'paytirish haroratlar, ularning oqimga chidamliligi kamayadi.
Agar siz yarimo'tkazgichga ishora qilsangiz yorug'lik, keyin uning elektr o'tkazuvchanligi oshib keta boshlaydi. Yarimo'tkazgichlarning bu xususiyatidan foydalanib, ular yaratilgan fotovoltaik qurilmalar. Yarimo'tkazgichlar yorug'lik energiyasini elektr tokiga aylantirishga qodir, masalan, quyosh panellari. Va yarimo'tkazgichlarga kiritilganda aralashmalar ba'zi moddalar, ularning elektr o'tkazuvchanligi keskin ortadi.
Yarimo'tkazgich atomlarining tuzilishi.
Germaniy va kremniy ko'plab yarimo'tkazgichli qurilmalarning asosiy materiallari bo'lib, to'rttaga ega valent elektron.
Atom Germaniya 32 elektron va atomdan iborat kremniy 14 dan. Lekin faqat 28 germaniy atomining elektronlari va 10 ularning qobig'ining ichki qatlamlarida joylashgan kremniy atomining elektronlari yadrolar tomonidan mustahkam ushlab turiladi va ulardan hech qachon ajralib chiqmaydi. Shunchaki to'rtta Ushbu o'tkazgichlar atomlarining valent elektronlari erkin bo'lishi mumkin va hatto har doim ham emas. Va agar yarimo'tkazgich atomi kamida bitta elektronni yo'qotsa, u bo'ladi ijobiy ion.
Yarimo'tkazgichda atomlar qat'iy tartibda joylashtirilgan: har bir atom o'ralgan to'rtta bir xil atomlar. Bundan tashqari, ular bir-biriga shunchalik yaqin joylashganki, ularning valentlik elektronlari qo'shni atomlar atrofida o'tadigan yagona orbitalarni hosil qiladi va shu bilan atomlarni bir butun moddaga bog'laydi.
Yarimo'tkazgich kristalidagi atomlarning o'zaro munosabatini tekis diagramma shaklida tasavvur qilaylik.
Diagrammada ortiqcha belgisi bo'lgan qizil sharlar shartli ravishda ko'rsatilgan atom yadrolari(musbat ionlar) va ko'k sharlar valent elektronlar.
Bu erda har bir atom atrofida borligini ko'rishingiz mumkin to'rtta aynan bir xil atomlar va bu to'rttasining har biri boshqa to'rtta atom bilan bog'langan va hokazo. Har qanday atom qo'shni bilan bog'langan ikki valent elektronlar, bir elektron o'ziniki, ikkinchisi esa qo'shni atomdan olingan. Bunday bog'lanish ikki elektronli yoki deyiladi kovalent.
O'z navbatida, har bir atomning elektron qobig'ining tashqi qatlami mavjud sakkiz elektronlar: to'rtta o'zlarining, va yolg'iz, to'rtdan qarzga olingan qo'shni atomlar. Bu erda siz atomdagi valentlik elektronlarining qaysi biri "sizniki" va qaysi biri "begona" ekanligini farqlay olmaysiz, chunki ular odatiy holga aylangan. Germaniy yoki kremniy kristalining butun massasi bo'ylab atomlarning bunday bog'lanishi bilan biz yarimo'tkazgich kristalini bitta katta deb taxmin qilishimiz mumkin. molekulasi. Rasmda pushti va sariq doiralar ikkita qo'shni atomning qobiqlarining tashqi qatlamlari orasidagi aloqani ko'rsatadi.
Yarimo'tkazgichning elektr o'tkazuvchanligi.
Yarimo'tkazgich kristalining soddalashtirilgan rasmini ko'rib chiqing, bu erda atomlar plyusli qizil shar bilan ifodalanadi va atomlararo aloqalar valentlik elektronlarini ifodalovchi ikkita chiziq bilan ko'rsatilgan.
Mutlaq nolga yaqin haroratlarda yarimo'tkazgich olib bormaydi joriy, chunki yo'q erkin elektronlar. Ammo harorat oshishi bilan valentlik elektronlarning atom yadrolari bilan bog'lanishi zaiflashadi elektronlarning bir qismi esa issiqlik harakati tufayli atomlarini tark etishi mumkin. Atomlararo bog'lanishdan chiqib ketgan elektron "bo'ladi" ozod", va u ilgari bo'lgan joyda, shartli ravishda chaqirilgan bo'sh joy hosil bo'ladi teshik.
Qanaqasiga yuqoriroq yarimo'tkazgichning harorati, Ko'proq u elektronlar va teshiklardan ozod bo'ladi. Natijada, "teshik" ning paydo bo'lishi valent elektronning atom qobig'idan chiqib ketishi bilan bog'liqligi va tuynukning o'zi bo'ladi. ijobiy elektr zaryadi teng salbiy elektron zaryad.
Endi sxematik tarzda ko'rsatilgan rasmga qaraylik yarimo'tkazgichda tok hosil qilish hodisasi.
Agar siz yarimo'tkazgichga, "+" va "-" kontaktlariga biroz kuchlanish qo'llasangiz, unda oqim paydo bo'ladi.
Sababli issiqlik hodisalari, yarimo'tkazgichda atomlararo bog'lanishlardan kristall boshlanadi O'zingni bo'shat ma'lum miqdordagi elektronlar (o'qlar bilan ko'k sharlar). Elektronlarni jalb qilish ijobiy kuchlanish manbasining qutbi bo'ladi harakat ortda qoldirib, unga qarab teshiklar, bu boshqalar tomonidan to'ldiriladi elektronlarni chiqaradi. Ya'ni, tashqi elektr maydoni ta'sirida zaryad tashuvchilar ma'lum bir yo'nalishli harakat tezligiga ega bo'ladilar va shu bilan hosil qiladilar. elektr toki.
Masalan: kuchlanish manbasining musbat qutbiga eng yaqin bo'shatilgan elektron tortadi bu qutb. Atomlararo aloqani uzish va uni tark etish, elektron barglari o'zimdan keyin teshik. Ba'zi joylarda joylashgan boshqa chiqarilgan elektron olib tashlash musbat qutbdan ham tortadi qutb va harakat qiladi unga nisbatan, lekin uchrashgan uning yo'lida teshik bor va unga tortiladi yadro atom, atomlararo aloqani tiklaydi.
Olingan yangi ikkinchi elektrondan keyingi teshik, to‘ldiradi uchinchi bo'shatilgan elektron bu teshik yonida joylashgan (1-rasm). O'z navbatida teshiklar, eng yaqin joylashgan salbiy qutb, boshqalar bilan to'ldirilgan elektronlarni chiqaradi(2-rasm). Shunday qilib, yarimo'tkazgichda elektr toki paydo bo'ladi.
U yarimo'tkazgichda faol bo'lsa elektr maydoni, bu jarayon davomiy: atomlararo aloqalar buziladi - erkin elektronlar paydo bo'ladi - teshiklar hosil bo'ladi. Teshiklar bo'shatilgan elektronlar bilan to'ldiriladi - atomlararo aloqalar tiklanadi, boshqa atomlararo bog'lanishlar esa uziladi, ulardan elektronlar chiqib, keyingi teshiklarni to'ldiradi (2-4-rasm).
Bundan xulosa qilamiz: elektronlar kuchlanish manbasining salbiy qutbidan musbatga, teshiklar esa musbat qutbdan salbiy tomonga o'tadi.
Elektron teshik o'tkazuvchanligi.
"Sof" yarim o'tkazgich kristalida raqam ozod qilingan hozirgi vaqtda soniga teng elektronlar mavjud paydo bo'layotgan bu holda, teshiklar, shuning uchun bunday yarimo'tkazgichning elektr o'tkazuvchanligi kichik, chunki u elektr tokini ta'minlaydi katta qarshilik va bu elektr o'tkazuvchanlik deyiladi Shaxsiy.
Lekin agar siz uni shaklda yarimo'tkazgichga qo'shsangiz aralashmalar boshqa elementlarning ma'lum miqdordagi atomlari, keyin uning elektr o'tkazuvchanligi sezilarli darajada oshadi va bog'liq tuzilmalar nopoklik elementlarning atomlari, yarimo'tkazgichning elektr o'tkazuvchanligi bo'ladi elektron yoki teshik.
Elektron o'tkazuvchanlik.
Aytaylik, atomlari to'rtta valentlik elektronga ega bo'lgan yarimo'tkazgich kristalida biz bitta atomni o'z ichiga olgan atom bilan almashtiramiz. besh valent elektronlar. Bu atom bilan to'rtta elektronlar yarimo'tkazgichning to'rtta qo'shni atomlari bilan bog'lanadi va beshinchi valent elektron qoladi " ortiqcha- ya'ni bepul. Va nima Ko'proq Ko'proq erkin elektronlar bo'ladi, ya'ni uning xususiyatlarida bunday yarimo'tkazgich metallga yaqinlashadi va u orqali elektr toki o'tishi uchun u atomlararo aloqalarni yo'q qilish shart emas.
Bunday xususiyatlarga ega bo'lgan yarimo'tkazgichlar "turi" o'tkazuvchanlikka ega yarimo'tkazgichlar deb ataladi. n", yoki yarim o'tkazgichlar n-turi. Bu erda lotincha n harfi "salbiy" - ya'ni "salbiy" so'zidan kelib chiqqan. Bundan kelib chiqadiki, yarimo'tkazgichda n-turi asosiy zaryad tashuvchilar - elektronlar, va asosiylari emas - teshiklar.
Teshik o'tkazuvchanligi.
Keling, xuddi shu kristallni olaylik, lekin endi uning atomini faqat bo'lgan atom bilan almashtiramiz uch erkin elektron. U uchta elektron bilan faqat aloqa qiladi uch qo'shni atomlar va u to'rtinchi atom bilan bog'lanish uchun etarli bo'lmaydi bitta elektron. Natijada, u shakllanadi teshik. Tabiiyki, u yaqin atrofda joylashgan boshqa har qanday erkin elektron bilan to'ldiriladi, ammo, har holda, kristallda bunday yarimo'tkazgich bo'lmaydi. tutmoq teshiklarni to'ldirish uchun elektronlar. Va nima Ko'proq kristallda shunday atomlar bo'ladi, shuning uchun Ko'proq teshiklar bo'ladi.
Shunday qilib, erkin elektronlar ajralib chiqishi va shunday yarimo'tkazgichda harakatlanishi uchun, Atomlar orasidagi valentlik aloqalari uzilishi kerak. Ammo elektronlar hali ham etarli bo'lmaydi, chunki teshiklar soni doimo bo'ladi Ko'proq har qanday vaqtda elektronlar soni.
Bunday yarimo'tkazgichlar bilan yarimo'tkazgichlar deyiladi teshik o'tkazuvchanlik yoki o'tkazgichlar p-tip, lotin tilidan tarjima qilingan "ijobiy" "ijobiy" degan ma'noni anglatadi. Shunday qilib, p-tipli yarim o'tkazgich kristalidagi elektr toki hodisasi uzluksiz paydo bo'lishi Va yo'qolishi musbat zaryadlar - teshiklar. Bu yarimo'tkazgichda degan ma'noni anglatadi p-turi asosiy zaryad tashuvchilardir teshiklar, va asosiylari emas - elektronlar.
Endi yarimo'tkazgichlarda sodir bo'ladigan hodisalar haqida bir oz tasavvurga ega bo'lganingizdan so'ng, yarimo'tkazgichli radio komponentlarning ishlash printsipini tushunish siz uchun qiyin bo'lmaydi.
Keling, shu erda to'xtab, qurilmani, diodaning ishlash printsipini ko'rib chiqamiz va uning oqim kuchlanish xarakteristikasini va kommutatsiya davrlarini tahlil qilamiz.
Omad!
Manba:
1
. Borisov V.G. - Yosh radio havaskor. 1985 yil
2
. Akademik.ru veb-sayti: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.
Ushbu maqolada g'ayrioddiy muhim yoki qiziqarli narsa yo'q, faqat "qo'g'irchoqlar" uchun oddiy savolga javob: yarimo'tkazgichlarni metallar va dielektriklardan ajratib turadigan asosiy xususiyatlar qanday?
Yarimo'tkazgichlar - bu tarmoqli bo'shliq (o'tkazuvchanlik zonasi va valentlik zonasi o'rtasida) mavjud bo'lgan materiallar (kristallar, polikristal va amorf materiallar, elementlar yoki birikmalar).
Elektron yarimo'tkazgichlar elektr o'tkazuvchanligi bo'yicha metallar (s = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 sm -1) va dielektriklar (s = 10 -10 ÷10 -20 Om -) o'rtasida oraliq joyni egallagan kristallar va amorf moddalardir. 1 sm -1). Biroq, o'tkazuvchanlikning berilgan chegara qiymatlari juda o'zboshimchalik bilan.
Tarmoqli nazariya qattiq jismlarni ikkita sinfga - metallar va yarim o'tkazgichlarga (izolyatorlarga) bo'lish imkonini beradigan mezonni shakllantirishga imkon beradi. Metalllar valentlik zonasida erkin darajalar mavjudligi bilan tavsiflanadi, elektronlar, masalan, elektr maydonidagi tezlanish tufayli qo'shimcha energiya olishlari mumkin. Metalllarning o'ziga xos xususiyati shundaki, ularning tuproqli, qo'zg'atmagan holatida (0 K da) ular o'tkazuvchanlik elektronlariga ega, ya'ni. tashqi elektr maydoni ta'sirida tartibli harakatda ishtirok etadigan elektronlar.
Yarimo'tkazgichlar va izolyatorlarda 0 K da valentlik zonasi to'liq to'ldiriladi va o'tkazuvchanlik zonasi undan tarmoqli bo'shliq bilan ajratiladi va tashuvchilarni o'z ichiga olmaydi. Shuning uchun unchalik kuchli bo'lmagan elektr maydoni valentlik zonasida joylashgan elektronlarni kuchaytira olmaydi va ularni o'tkazuvchanlik zonasiga o'tkaza olmaydi. Boshqacha qilib aytganda, 0 K da bunday kristallar ideal izolyatorlar bo'lishi kerak. Harorat ko'tarilganda yoki bunday kristall nurlantirilganda, elektronlar o'tkazuvchanlik zonasiga o'tish uchun etarli bo'lgan issiqlik yoki nurlanish energiyasining kvantlarini o'zlashtira oladi. Ushbu o'tish vaqtida valentlik bandida teshiklar paydo bo'ladi, ular elektr energiyasini uzatishda ham ishtirok etishi mumkin. Elektronning valentlik zonasidan o'tkazuvchanlik zonasiga o'tish ehtimoli ( ga proportsionaldir) -Eg/ kT), Qayerda Eg - taqiqlangan zonaning kengligi. Katta qiymat bilan Eg (2-3 eV) bu ehtimollik juda kichik bo'lib chiqadi.
Shunday qilib, moddalarning metallar va metall bo'lmaganlarga bo'linishi juda aniq asosga ega. Bundan farqli o'laroq, metall bo'lmaganlarning yarim o'tkazgichlar va dielektriklarga bo'linishi bunday asosga ega emas va faqat shartli.
Ilgari, tarmoqli bo'shliqqa ega bo'lgan moddalarni dielektriklar deb tasniflash mumkinligiga ishonishgan Eg≈ 2÷3 eV, lekin keyinchalik ularning ko'pchiligi tipik yarimo'tkazgichlar ekanligi ma'lum bo'ldi. Bundan tashqari, tarkibiy qismlardan birining aralashmalari yoki ortiqcha (stexiometrik tarkibdan yuqori) atomlarining kontsentratsiyasiga qarab, bir xil kristall ham yarim o'tkazgich, ham izolyator bo'lishi mumkinligi ko'rsatildi. Bu, masalan, olmos, sink oksidi, galliy nitridi va boshqalar kristallariga tegishli. Hatto bariy va stronsiy titanatlar kabi tipik dielektriklar, shuningdek, rutil qisman pasaytirilganda yarimo'tkazgichlarning xususiyatlarini oladi, bu ularda ortiqcha metall atomlarining paydo bo'lishi bilan bog'liq.
Metall bo'lmaganlarning yarim o'tkazgichlar va dielektriklarga bo'linishi ham ma'lum ma'noga ega, chunki elektron o'tkazuvchanligini aralashmalar kiritish yoki yoritish yoki isitish orqali sezilarli darajada oshirib bo'lmaydigan bir qator kristallar ma'lum. Bu fotoelektronlarning juda qisqa umri yoki kristallarda chuqur tuzoqlarning mavjudligi yoki elektronlarning juda past harakatchanligi, ya'ni. elektr maydonida ularning siljishining juda past tezligi bilan.
Elektr o'tkazuvchanligi konsentratsiya n, zaryad e va zaryad tashuvchilarning harakatchanligiga mutanosibdir. Shuning uchun turli materiallarning o'tkazuvchanligining haroratga bog'liqligi ko'rsatilgan parametrlarning haroratga bog'liqligi bilan aniqlanadi. Barcha elektron o'tkazgichlar uchun to'lov e doimiy va haroratdan mustaqil. Ko'pgina materiallarda harakatlanuvchi elektronlar va fononlar o'rtasidagi to'qnashuvlar intensivligining oshishi tufayli harakatchanlik qiymati odatda harorat oshishi bilan bir oz kamayadi, ya'ni. kristall panjaraning tebranishlari bilan elektronlarning tarqalishi tufayli. Shuning uchun metallar, yarim o'tkazgichlar va dielektriklarning turli xil xatti-harakatlari asosan zaryad tashuvchisi kontsentratsiyasi va uning haroratga bog'liqligi bilan bog'liq:
1) metallarda zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi n yuqori va harorat o'zgarishi bilan bir oz o'zgaradi. Elektr o'tkazuvchanligi uchun tenglamaga kiritilgan o'zgaruvchi harakatchanlikdir. Harorat bilan harakatchanlik biroz pasayganligi sababli, elektr o'tkazuvchanligi ham kamayadi;
2) yarimo'tkazgichlarda va dielektriklarda n odatda harorat bilan eksponent ravishda ortadi. Bu tez o'sish n harakatchanlikning pasayishidan ko'ra o'tkazuvchanlikning o'zgarishiga eng muhim hissa qo'shadi. Shuning uchun harorat oshishi bilan elektr o'tkazuvchanligi tez oshadi. Shu ma'noda, dielektriklarni ma'lum bir cheklovchi holat deb hisoblash mumkin, chunki oddiy haroratlarda qiymat n bu moddalarda juda kichikdir. Yuqori haroratlarda individual dielektriklarning o'tkazuvchanligi ortishi tufayli yarimo'tkazgich darajasiga etadi n. Buning aksi ham kuzatiladi - past haroratlarda ba'zi yarim o'tkazgichlar izolyatorga aylanadi.
Adabiyotlar ro'yxati
- Gʻarbiy A. Qattiq jismlar kimyosi. 2-qism Per. ingliz tilidan - M.: Mir, 1988. - 336 b.
- Zamonaviy kristallografiya. T.4. Kristallarning fizik xossalari. - M.: Nauka, 1981 yil.
Kimyo fakulteti 501-guruh talabalari: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.