Polovodiče jsou třídou látek, ve kterých s rostoucí teplotou roste vodivost a klesá elektrický odpor. Tyto polovodiče se zásadně liší od kovů.

Typické polovodiče jsou krystaly germania a křemíku, ve kterých jsou atomy spojeny kovalentní vazbou. Polovodiče mají volné elektrony při jakékoli teplotě. Volné elektrony působením vnějších elektrické pole se může pohybovat v krystalu a vytvářet elektrický vodivý proud. Odstraněním elektronu z vnějšího obalu jednoho z atomů krystalové mřížky dochází k přeměně tohoto atomu na kladný iont. Tento iont lze neutralizovat zachycením elektronu z jednoho ze sousedních atomů. Dále v důsledku přechodů elektronů z atomů na kladné ionty dochází k procesu chaotického pohybu v krystalu v místě s chybějícím elektronem. Navenek je tento proces vnímán jako pohyb kladného elektrického náboje, tzv otvor.

Když je krystal umístěn do elektrického pole, dochází k uspořádanému pohybu děr - děrovému vodivému proudu.

V ideálním polovodičovém krystalu vzniká elektrický proud pohybem stejného počtu záporně nabitých elektronů a kladně nabitých děr. Vodivost v ideálních polovodičích se nazývá vlastní vodivost.

Vlastnosti polovodičů jsou velmi závislé na obsahu nečistot. Nečistoty jsou dvojího druhu – donor a akceptor.

Nečistoty, které darují elektrony a vytvářejí elektronickou vodivost, se nazývají dárce(nečistoty s valencí větší než má hlavní polovodič). Polovodiče, ve kterých koncentrace elektronů převyšuje koncentraci děr, se nazývají polovodiče typu n.

Nazývají se nečistoty, které zachycují elektrony a tím vytvářejí pohyblivé díry, aniž by se zvýšil počet vodivostních elektronů akceptor(nečistoty s valencí menší než má hlavní polovodič).

Při nízkých teplotách jsou díry hlavními nositeli proudu v polovodičovém krystalu s příměsí akceptoru a elektrony nejsou hlavními přenašeči. Polovodiče, ve kterých koncentrace děr převyšuje koncentraci vodivostních elektronů, se nazývají děrové polovodiče nebo polovodiče typu p. Zvažte kontakt dvou polovodičů s různými typy vodivosti.

Přes hranici těchto polovodičů dochází k vzájemné difúzi většinových nosičů: elektrony difundují z n-polovodiče do p-polovodiče a díry z p-polovodiče do n-polovodiče. V důsledku toho bude část n-polovodiče sousedící s kontaktem ochuzena o elektrony a vytvoří se v ní přebytečný kladný náboj v důsledku přítomnosti iontů holých nečistot. Pohyb děr z p-polovodiče do n-polovodiče vede ke vzniku přebytečného záporného náboje v hraniční oblasti p-polovodiče. V důsledku toho vzniká dvojitá elektrická vrstva a vzniká kontaktní elektrické pole, které brání další difúzi hlavních nosičů náboje. Tato vrstva se nazývá zamykání.

Vnější elektrické pole ovlivňuje elektrickou vodivost bariérové ​​vrstvy. Pokud jsou polovodiče připojeny ke zdroji, jak je znázorněno na obr. 55 se pak působením vnějšího elektrického pole budou hlavní nosiče náboje - volné elektrony v n-polovodiči a otvory v p-polovodiči - pohybovat k sobě na rozhraní polovodičů, přičemž tloušťka p-n přechodu klesá, proto klesá jeho odpor. V tomto případě je proudová síla omezena vnějším odporem. Tento směr vnějšího elektrického pole se nazývá přímý. Přímé zapojení p-n-přechodu odpovídá sekci 1 na charakteristice proud-napětí (viz obr. 57).

Nosiče elektrického proudu v různých médiích a charakteristikách proudového napětí jsou shrnuty v tabulce. 1.

Pokud jsou polovodiče připojeny ke zdroji, jak je znázorněno na obr. 56, pak se elektrony v n-polovodiči a díry v p-polovodiči budou pohybovat působením vnějšího elektrického pole od hranice k opačné strany. Zvyšuje se tloušťka bariérové ​​vrstvy a tím i její odolnost. Při tomto směru vnějšího elektrického pole - reverzní (blokující) procházejí rozhraním pouze vedlejší nosiče náboje, jejichž koncentrace je mnohem menší než hlavních a proud je prakticky nulový. Opačné zařazení pn přechodu odpovídá části 2 na charakteristice proud-napětí (obr. 57).

Jerjutkin Jevgenij Sergejevič
učitel fyziky nejvyšší kvalifikační kategorie, střední škola №1360, Moskva

Pokud vytvoříte přímé spojení, pak vnější pole neutralizuje blokující pole a proud bude vytvářen hlavními nosiči náboje.

Rýže. 9. p-n křižovatka s přímým připojením ()

Proud menšinových nosičů je v tomto případě zanedbatelný, prakticky se nevyskytuje. Proto p-n přechod zajišťuje jednosměrné vedení elektrického proudu.

Rýže. 10. Struktura atomu křemíku s rostoucí teplotou

Vedení polovodičů je elektron-díra a takové vedení se nazývá vlastní vedení. A na rozdíl od vodivých kovů se s rostoucí teplotou počet volných nábojů jen zvyšuje (v prvním případě se nemění), takže vodivost polovodičů se zvyšující teplotou roste a odpor klesá

Velmi důležitou otázkou při studiu polovodičů je přítomnost nečistot v nich. A v případě přítomnosti nečistot je třeba hovořit o vodivosti nečistot.

Díky malým rozměrům a velmi vysoké kvalitě přenášených signálů jsou polovodičová zařízení velmi běžná v moderní elektronické technologii. Složení takových zařízení může zahrnovat nejen zmíněný křemík s nečistotami, ale také například germanium.

Jedním z těchto zařízení je dioda - zařízení, které může propouštět proud v jednom směru a bránit jeho průchodu ve druhém. Získává se implantací jiného typu polovodiče do krystalu polovodiče typu p nebo n.

Rýže. 11. Označení diody na schématu a schématu jejího zařízení, resp

Další zařízení, nyní se dvěma p-n přechody, se nazývá tranzistor. Slouží nejen k volbě směru toku proudu, ale také k jeho přeměně.

Rýže. 12. Schéma struktury tranzistoru a jeho označení na elektrickém obvodu, resp.

Je třeba poznamenat, že moderní mikroobvody používají mnoho kombinací diod, tranzistorů a dalších elektrických zařízení.

Na další lekce budeme uvažovat o šíření elektrického proudu ve vakuu.

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. fyzika ( základní úroveň) M.: Mnemosyne. 2012
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Třída z fyziky 10. M.: Ileksa. 2005
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fyzika. Elektrodynamika M.: 2010

1. Principy činnosti zařízení ().
2. Encyklopedie fyziky a techniky ().

1. Co způsobuje vodivost elektronů v polovodiči?
2. Co je to vlastní vodivost polovodiče?
3. Jak závisí vodivost polovodiče na teplotě?
4. Jaký je rozdíl mezi nečistotou dárce a nečistotou akceptoru?
5. * Jakou vodivost má křemík s příměsí a) galia, b) india, c) fosforu, d) antimonu?

Polovodiče zaujímají v elektrické vodivosti mezilehlé místo mezi vodiči a nevodiči elektrického proudu. Skupina polovodičů zahrnuje mnohem více látek než skupiny vodičů a nevodičů dohromady. Nejcharakterističtější představitelé polovodičů, které našli praktické využití v technologii jsou to germanium, křemík, selen, telur, arsen, oxid měďný a velké množství slitin a chemické sloučeniny. Téměř všechny anorganické látky světa kolem nás jsou polovodiče. Nejběžnějším polovodičem v přírodě je křemík, který tvoří asi 30 % zemské kůry.

Kvalitativní rozdíl mezi polovodiči a kovy se projevuje především v závislosti měrného odporu na teplotě. S klesající teplotou klesá odolnost kovů. U polovodičů naopak s klesající teplotou odpor roste a blíží se absolutní nula prakticky se stávají izolanty.

V polovodičích se s rostoucí teplotou zvyšuje koncentrace volných nosičů náboje. Mechanismus elektrického proudu v polovodičích nelze v rámci modelu volného elektronového plynu vysvětlit.

Atomy germánia mají ve vnějším obalu čtyři volně vázané elektrony.Říká se jim valenční elektrony. V krystalové mřížce je každý atom obklopen čtyřmi nejbližšími sousedy. Vazba mezi atomy v krystalu germania je kovalentní, to znamená, že ji uskutečňují dvojice valenčních elektronů. Každý valenční elektron patří dvěma atomům. Valenční elektrony v krystalu germania jsou mnohem silněji vázány na atomy než v kovech; proto je koncentrace vodivostních elektronů při pokojové teplotě v polovodičích o mnoho řádů nižší než v kovech. V blízkosti absolutní nuly v krystalu germania jsou všechny elektrony zapojeny do tvorby vazeb. Takový krystal nevede elektrický proud.

Jak teplota stoupá, některé valenční elektrony mohou získat dostatek energie, aby se zlomily kovalentní vazby. Poté se v krystalu objeví volné elektrony (vodivé elektrony). V místech přerušení vazby přitom vznikají vakantní místa, která nejsou obsazena elektrony. Tato volná místa se nazývají „díry“.

Při dané teplotě polovodiče se za jednotku času vytvoří určitý počet párů elektron-díra. Zároveň probíhá opačný proces – když se volný elektron setká s dírou, obnoví se elektronová vazba mezi atomy germania. Tento proces se nazývá rekombinace. Páry elektron-díra mohou být také vytvořeny, když je polovodič osvětlen v důsledku energie elektromagnetického záření.

Pokud je polovodič umístěn v elektrickém poli, pak se na uspořádaném pohybu podílejí nejen volné elektrony, ale také díry, které se chovají jako kladně nabité částice. Proto je proud I v polovodiči součtem elektronických proudů I n a děrových I p: I = I n + I p.

Koncentrace vodivostních elektronů v polovodiči je rovna koncentraci děr: n n = n p . Mechanismus vedení elektronovou dírou se projevuje pouze u čistých (tj. bez příměsí) polovodičů. Říká se tomu vlastní elektrická vodivost polovodiče.

V přítomnosti nečistot se elektrická vodivost polovodičů velmi mění. Například přidáním nečistot fosfor do krystalu křemík ve výši 0,001 atomového procenta snižuje měrný odpor o více než pět řádů.

Polovodič, do kterého je zavedena nečistota (tj. část atomů jednoho typu je nahrazena atomy jiného typu), se nazývá dopoval nebo dopoval.

Existují dva typy vedení nečistot, elektronové a děrové vedení.

Tedy při dopingu čtyřvalentní germanium (Ge) nebo křemík (Si) pětivalentní - fosfor (P), antimon (Sb), arsen (As) v místě atomu nečistoty se objeví další volný elektron. V tomto případě se nečistota nazývá dárce .

Při dopování čtyřmocného germania (Ge) nebo křemíku (Si) trojmocného - hliník (Al), indium (Jn), bor (B), galium (Ga) - je tam díra ve vedení. Takové nečistoty se nazývají akceptor .

Ve stejném vzorku polovodičového materiálu může mít jedna sekce p-vodivost a druhá n-vodivost. Takové zařízení se nazývá polovodičová dioda.

Předpona „di“ ve slově „dioda“ znamená „dva“, znamená to, že zařízení má dva hlavní „detaily“, dva polovodičové krystaly těsně vedle sebe: jeden s p-vodivostí (toto je zóna R), druhá - s n - vodivostí (toto je zóna P). Polovodičová dioda je ve skutečnosti jeden krystal, v jehož jedné části je zavedena donorová nečistota (zóna P), do jiného - akceptoru (zóny R).

Pokud je z baterie přivedeno konstantní napětí na diodu "plus" do zóny R a "mínus" do zóny P, pak volné náboje - elektrony a díry - spěchají k hranici, spěchají k pn přechodu. Zde se vzájemně neutralizují, nové náboje se přiblíží k hranici a v obvodu diody se vytvoří konstantní proud. Jedná se o tzv. přímé zapojení diody - náboje se jí intenzivně pohybují, obvodem protéká poměrně velký dopředný proud.

Nyní změníme polaritu napětí na diodě, provedeme, jak se říká, její zpětné zahrnutí - připojíme „plus“ baterie k zóně P,"mínus" - do zóny R. Volné náboje se odtáhnou od hranice, elektrony půjdou do „plus“, díry – do „mínusu“ a v důsledku toho se přechod pn - změní na zónu bez volných nábojů, na čistý izolant. To znamená, že se obvod přeruší, proud v něm se zastaví.

Diodou stále neprojde velký zpětný proud. Protože kromě hlavních volných nábojů (nosičů náboje) – elektronů, v zóně P, a díry v zóně p - v každé ze zón je také nevýznamné množství nábojů opačného znaménka. Jsou to jejich vlastní vedlejší nosiče náboje, existují v jakémkoli polovodiči, objevují se v něm v důsledku tepelných pohybů atomů a jsou to oni, kdo vytváří zpětný proud diodou. Těchto nábojů je relativně málo a zpětný proud je mnohonásobně menší než stejnosměrný. Velikost zpětného proudu je velmi závislá na: teplotě životní prostředí, polovodičový materiál a plocha pn přechod. Se zvětšováním přechodové oblasti se zvětšuje její objem a následně i počet minoritních nosičů vznikajících v důsledku tvorby tepla a nárůstu tepelného proudu. Často je CVC pro přehlednost prezentováno ve formě grafů.

U polovodičů se jedná o řízený pohyb děr a elektronů, který je ovlivněn elektrickým polem.

V důsledku experimentů bylo zjištěno, že elektrický proud v polovodičích není doprovázen přenosem hmoty - nepodléhají žádnému chemické změny. Elektrony lze tedy považovat za nosiče proudu v polovodičích.

Lze určit schopnost materiálu tvořit v něm elektrický proud Podle tohoto ukazatele zaujímají vodiče mezilehlou polohu mezi vodiči a dielektriky. Polovodiče jsou různé druhy minerály, některé kovy, sulfidy kovů atd. Elektřina v polovodičích vzniká v důsledku koncentrace volných elektronů, které se mohou v látce pohybovat ve směru. Při srovnání kovů a vodičů lze poznamenat, že existuje rozdíl mezi vlivem teploty na jejich vodivost. Zvýšení teploty vede k poklesu U polovodičů se index vodivosti zvyšuje. Pokud se teplota v polovodiči zvýší, pak bude pohyb volných elektronů chaotičtější. Důvodem je nárůst počtu kolizí. V polovodičích se však ve srovnání s kovy výrazně zvyšuje koncentrace volných elektronů. Tyto faktory mají na vodivost opačný vliv: čím více srážek, tím nižší je vodivost, čím větší je koncentrace, tím je vyšší. V kovech není vztah mezi teplotou a koncentrací volných elektronů, takže se změnou vodivosti s rostoucí teplotou klesá pouze možnost uspořádaného pohybu volných elektronů. U polovodičů je efekt zvýšení koncentrace vyšší. Čím více tedy teplota stoupá, tím větší bude vodivost.

Existuje vztah mezi pohybem nosičů náboje a takovým konceptem, jako je elektrický proud v polovodičích. U polovodičů se vzhled nosičů náboje vyznačuje různé faktory, mezi nimiž je důležitá především teplota a čistota materiálu. Podle čistoty se polovodiče dělí na nečistoty a vlastní.

Pokud jde o vlastní vodič, nelze u nich vliv nečistot při určité teplotě považovat za významný. Vzhledem k tomu, že zakázané pásmo v polovodičích je malé, ve vlastním polovodiči, když teplota dosáhne, je valenční pásmo zcela vyplněno elektrony. Ale vodivostní pásmo je zcela volné: není v něm žádná elektrická vodivost a funguje jako dokonalé dielektrikum. Při jiných teplotách existuje možnost, že při tepelných fluktuacích mohou určité elektrony překonat potenciální bariéru a ocitnout se ve vodivém pásmu.

Thomsonův efekt

Princip termoelektrického Thomsonova jevu: při průchodu elektrického proudu v polovodičích, podél kterých je teplotní gradient, se v nich kromě Jouleova tepla uvolní nebo pohltí další množství tepla, podle toho, kterým směrem bude proud protékat. .

Nedostatečně rovnoměrný ohřev vzorku s homogenní strukturou ovlivňuje jeho vlastnosti, v důsledku čehož se látka stává nehomogenní. Thomsonův jev je tedy specifickým Pelteho jevem. Rozdíl je pouze v tom, že se neliší chemické složení vzorku, ale tuto nehomogenitu způsobuje excentricita teploty.

Polovodiče jsou látky, které zaujímají střední polohu z hlediska elektrické vodivosti mezi dobrými vodiči a dobrými izolanty (dielektriky).

Polovodiče jsou také chemické prvky (germanium Ge, křemík Si, selen Se, telur Te) a sloučeniny chemické prvky(PbS, CdS atd.).

Povaha proudových nosičů v různých polovodičích je různá. V některých z nich jsou nosiči náboje ionty; v jiných jsou nosiči náboje elektrony.

Vlastní vodivost polovodičů

V polovodičích existují dva typy vlastního vedení: elektronické vedení a děrové vedení v polovodičích.

1. Elektronická vodivost polovodičů.

Elektronická vodivost se uskutečňuje řízeným pohybem v meziatomovém prostoru volných elektronů, které v důsledku vnějších vlivů opustily valenční obal atomu.

2. Dírová vodivost polovodičů.

Dírkové vedení se provádí s usměrněným pohybem valenčních elektronů na prázdná místa v pár-elektronových vazbách - dírách. Valenční elektron neutrálního atomu umístěného v těsné blízkosti kladného iontu (díry) je přitahován k díře a skočí do ní. V tomto případě se místo neutrálního atomu vytvoří kladný iont (díra) a místo kladného iontu (díra) se vytvoří neutrální atom.

V ideálně čistém polovodiči bez jakýchkoliv cizích příměsí odpovídá každému volnému elektronu vznik jedné díry, tzn. počet elektronů a děr zapojených do vytváření proudu je stejný.

Vodivost, při které se vyskytuje stejný počet nosičů náboje (elektronů a děr), se nazývá vlastní vodivost polovodičů.

Vlastní vodivost polovodičů je obvykle malá, protože počet volných elektronů je malý. Nejmenší stopy nečistot radikálně mění vlastnosti polovodičů.

Elektrická vodivost polovodičů v přítomnosti nečistot

Nečistoty v polovodiči jsou atomy cizích chemických prvků, které nejsou obsaženy v hlavním polovodiči.

Vodivost nečistot- jedná se o vodivost polovodičů, v důsledku vnášení nečistot do jejich krystalových mřížek.

V některých případech se vliv nečistot projevuje tak, že „dírový“ mechanismus vedení se stává prakticky nemožným a proud v polovodiči se uskutečňuje především pohybem volných elektronů. Takové polovodiče se nazývají elektronické polovodiče nebo polovodiče typu n(z latinské slovo negativus - negativní). Hlavními nosiči náboje jsou elektrony a ne hlavními jsou díry. Polovodiče typu n jsou polovodiče s donorovými nečistotami.

1. Nečistoty dárců.

Donorové nečistoty jsou ty, které snadno darují elektrony a následně zvyšují počet volných elektronů. Donorové nečistoty dodávají vodivé elektrony bez vzhledu stejného počtu děr.

Typickým příkladem donorové nečistoty v čtyřmocném germaniu Ge jsou pětimocné atomy arsenu As.

V jiných případech se pohyb volných elektronů stává prakticky nemožným a proud se uskutečňuje pouze pohybem děr. Tyto polovodiče se nazývají děrové polovodiče nebo polovodiče typu p(z latinského slova positivus - pozitivní). Hlavními nosiči náboje jsou díry, nikoli hlavní - elektrony. . Polovodiče typu p jsou polovodiče s akceptorovými nečistotami.

Akceptorové nečistoty jsou nečistoty, ve kterých není dostatek elektronů k vytvoření normálních pár-elektronových vazeb.

Příkladem akceptorové nečistoty v germaniu Ge jsou trojmocné atomy galia Ga

Elektrický proud kontaktem polovodičů typu p a n přechod p-n je kontaktní vrstvou dvou příměsových polovodičů typu p a n; P-n přechod je hraniční oddělující oblasti s děrovým (p) vedením a elektronickým (n) vedením ve stejném monokrystalu.

přímý p-n přechod

Pokud je n-polovodič připojen k zápornému pólu zdroje energie a kladný pól zdroje energie je připojen k p-polovodiči, pak působením elektrického pole elektrony v n-polovodiči a otvory v p-polovodiči se budou pohybovat směrem k sobě k polovodičovému rozhraní. Elektrony, které překračují hranici, "vyplňují" díry, proud přes pn přechod je prováděn hlavními nosiči náboje. V důsledku toho se zvyšuje vodivost celého vzorku. Při takovém přímém (propustném) směru vnějšího elektrického pole se tloušťka bariérové ​​vrstvy a její odpor zmenšují.

V tomto směru proud prochází hranicí dvou polovodičů.

Reverzní pn přechod

Pokud je n-polovodič připojen ke kladnému pólu zdroje energie a p-polovodič je připojen k zápornému pólu zdroje energie, pak elektrony v n-polovodiči a otvory v p-polovodiči pod působením elektrického pole se bude pohybovat z rozhraní v opačných směrech, proud přes p -n-přechod je prováděn vedlejšími nosiči náboje. To vede k zesílení bariérové ​​vrstvy a zvýšení její odolnosti. V důsledku toho se vodivost vzorku ukazuje jako nevýznamná a odpor je velký.

Vznikne tzv. bariérová vrstva. Při tomto směru vnějšího pole elektrický proud prakticky neprochází kontaktem p- a n-polovodičů.

Přechod elektron-díra má tedy jednostrannou vodivost.

Závislost síly proudu na napětí - volt - ampér charakteristické p-n přechod je znázorněn na obrázku (napětí - proudová charakteristika rovné p-n přechod je znázorněn plnou čarou, volt - ampérová charakteristika zpětný p-n přechod je znázorněn tečkovanou čarou).

Polovodiče:

Polovodičová dioda - pro usměrnění střídavého proudu využívá jeden p - n - přechod s různými odpory: v propustném směru je odpor p - n - přechodu mnohem menší než ve směru zpětném.

Fotorezistory - pro registraci a měření slabých světelných toků. S jejich pomocí určete kvalitu povrchů, kontrolujte rozměry výrobků.

Termistory - pro dálkové měření teploty, požární signalizace.