Pooljuhid on ainete klass, milles temperatuuri tõustes juhtivus suureneb ja elektritakistus väheneb. Need pooljuhid erinevad metallidest põhimõtteliselt.

Tüüpilised pooljuhid on germaaniumi ja räni kristallid, milles aatomid on ühendatud kovalentse sidemega. Pooljuhtidel on vabad elektronid igal temperatuuril. Vabad elektronid välise mõjul elektriväli võib kristallis liikuda, tekitades elektroonilist juhtivusvoolu. Elektroni eemaldamine kristallvõre ühe aatomi väliskihist viib selle aatomi muutumiseni positiivseks iooniks. Seda iooni saab neutraliseerida, püüdes kinni mõnest naaberaatomist elektroni. Lisaks toimub elektronide üleminekute tulemusena aatomitelt positiivseteks ioonideks puuduva elektroniga koha kristallis kaootiline liikumine. Väliselt tajutakse seda protsessi positiivse elektrilaengu liikumisena, nn auk.

Kristalli asetamisel elektrivälja toimub aukude järjestatud liikumine – aukude juhtivusvool.

Ideaalses pooljuhtkristallis tekib elektrivool võrdse arvu negatiivselt laetud elektronide ja positiivselt laetud aukude liikumisel. Juhtivust ideaalsetes pooljuhtides nimetatakse sisejuhtivuseks.

Pooljuhtide omadused sõltuvad suuresti lisandite sisaldusest. Lisandeid on kahte tüüpi - doonor ja aktseptor.

Lisandeid, mis loovutavad elektrone ja loovad elektroonilist juhtivust, nimetatakse doonor(lisandid, mille valents on suurem kui peamise pooljuhi valents). Pooljuhte, milles elektronide kontsentratsioon ületab aukude kontsentratsiooni, nimetatakse n-tüüpi pooljuhtideks.

Nimetatakse lisandeid, mis püüavad elektrone kinni ja loovad seeläbi liikuvaid auke ilma juhtivuselektronide arvu suurendamata aktsepteerija(lisandid, mille valents on väiksem kui põhipooljuhil).

Madalatel temperatuuridel on aktseptori lisandiga pooljuhtkristalli peamised voolukandjad augud ja elektronid ei ole peamised kandjad. Pooljuhte, milles aukude kontsentratsioon ületab juhtivuselektronide kontsentratsiooni, nimetatakse aukpooljuhtideks või p-tüüpi pooljuhtideks. Mõelge kahe erinevat tüüpi juhtivusega pooljuhi kokkupuutele.

Põhikandjate vastastikune difusioon toimub nende pooljuhtide piiride kaudu: elektronid difundeeruvad n-pooljuhist p-pooljuhisse ja augud p-pooljuhist n-pooljuhisse. Selle tulemusena kahaneb kontaktiga külgnev n-pooljuhi osa elektronidest ja selles tekib paljaste lisandite ioonide olemasolu tõttu liigne positiivne laeng. Aukude liikumine p-pooljuhilt n-pooljuhile viib liigse negatiivse laengu ilmnemiseni p-pooljuhi piirpiirkonnas. Selle tulemusena moodustub kahekordne elektrikiht ja tekib kontaktelektriväli, mis takistab peamiste laengukandjate edasist difusiooni. Seda kihti nimetatakse lukustamine.

Väline elektriväli mõjutab tõkkekihi elektrijuhtivust. Kui pooljuhid on allikaga ühendatud, nagu on näidatud joonisel fig. 55, siis välise elektrivälja toimel liiguvad peamised laengukandjad - vabad elektronid n-pooljuhis ja augud p-pooljuhis - üksteise poole pooljuhtide liidese poole, samas kui p-n paksus. ristmik väheneb, seetõttu väheneb selle takistus. Sel juhul piirab voolu tugevust välistakistus. Seda välise elektrivälja suunda nimetatakse otseseks. P-n-siirde otseühendus vastab voolu-pinge karakteristiku jaotisele 1 (vt joonis 57).

Erinevates keskkondades olevad elektrivoolukandjad ja voolu-pinge karakteristikud on kokku võetud tabelis. 1.

Kui pooljuhid on allikaga ühendatud, nagu on näidatud joonisel fig. 56, siis liiguvad elektronid n-pooljuhis ja augud p-pooljuhis välise elektrivälja toimel piirilt vastasküljed. Tõkkekihi paksus ja seega ka takistus suureneb. Selle välise elektrivälja suunaga - tagurpidi (blokeerides) läbivad liidest ainult väikesed laengukandjad, mille kontsentratsioon on palju väiksem kui põhilistel ja vool on praktiliselt null. Pn-siirde vastupidine kaasamine vastab voolu-pinge karakteristiku jaotisele 2 (joonis 57).

Jerjutkin Jevgeni Sergejevitš
kõrgeima kvalifikatsioonikategooria füüsikaõpetaja, keskkool nr 1360, Moskva

Kui teete otseühenduse, neutraliseerib välisväli blokeerimisvälja ja voolu teevad peamised laengukandjad.

Riis. 9. p-n ristmik otseühendusega ()

Sel juhul on vähemuskandjate vool tühine, see on praktiliselt olematu. Seetõttu tagab p-n-siire elektrivoolu ühesuunalise juhtimise.

Riis. 10. Räni aatomstruktuur temperatuuri tõusuga

Pooljuhtide juhtivus on elektron-auk ja sellist juhtivust nimetatakse sisejuhtivuseks. Ja erinevalt juhtivatest metallidest, temperatuuri tõustes vabade laengute arv lihtsalt suureneb (esimesel juhul see ei muutu), nii et pooljuhtide juhtivus suureneb temperatuuri tõustes ja takistus väheneb.

Väga oluline küsimus pooljuhtide uurimisel on lisandite olemasolu neis. Ja lisandite olemasolu korral tuleks rääkida lisandite juhtivusest.

Edastatavate signaalide väiksus ja väga kõrge kvaliteet on muutnud pooljuhtseadmed kaasaegses elektroonikatehnoloogias väga levinud. Selliste seadmete koostis võib sisaldada mitte ainult eelnimetatud lisanditega räni, vaid ka näiteks germaaniumi.

Üks nendest seadmetest on diood – seade, mis suudab voolu ühes suunas juhtida ja teises suunas vältida. See saadakse teist tüüpi pooljuhtide implanteerimisel p- või n-tüüpi pooljuhtkristallidesse.

Riis. 11. Dioodi tähistus skeemil ja vastavalt selle seadme skeem

Teist seadet, nüüd kahe p-n-siirdega, nimetatakse transistoriks. Selle ülesandeks on mitte ainult voolu suuna valimine, vaid ka selle teisendamine.

Riis. 12. Transistori struktuuri skeem ja selle tähistus vastavalt elektriahelale ()

Tuleb märkida, et kaasaegsetes mikroskeemides kasutatakse palju dioodide, transistoride ja muude elektriseadmete kombinatsioone.

Peal järgmine õppetund vaatleme elektrivoolu levimist vaakumis.

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Füüsika ( algtase) M.: Mnemosüüne. 2012. aasta
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Füüsika klass 10. M.: Ileksa. 2005
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Füüsika. Elektrodünaamika M.: 2010

1. Seadmete tööpõhimõtted ().
2. Füüsika ja tehnoloogia entsüklopeedia ().

1. Mis põhjustab juhtivuselektrone pooljuhtides?
2. Mis on pooljuhi sisejuhtivus?
3. Kuidas sõltub pooljuhi juhtivus temperatuurist?
4. Mis vahe on doonori lisandil ja aktseptori lisandil?
5. * Milline on räni juhtivus a) galliumi, b) indiumi, c) fosfori, d) antimoni seguga?

Pooljuhid hõivavad elektrijuhtivuses vahepealse koha juhtide ja elektrivoolu mittejuhtide vahel. Pooljuhtide rühma kuulub palju rohkem aineid kui juhtide ja mittejuhtide rühmadesse kokku. Kõige iseloomulikumad pooljuhtide esindajad, kes on leitud praktiline kasutamine tehnoloogias on germaanium, räni, seleen, telluur, arseen, vaskoksiid ja suur hulk sulameid ja keemilised ühendid. Peaaegu kõik meid ümbritseva maailma anorgaanilised ained on pooljuhid. Looduses levinuim pooljuht on räni, mis moodustab umbes 30% maakoorest.

Pooljuhtide ja metallide kvalitatiivne erinevus avaldub eelkõige takistuse sõltuvuses temperatuurist. Temperatuuri langedes väheneb metallide vastupidavus. Pooljuhtides, vastupidi, temperatuuri langusega takistus suureneb ja läheneb absoluutne null need muutuvad praktiliselt isolaatoriteks.

Pooljuhtides suureneb vabade laengukandjate kontsentratsioon temperatuuri tõustes. Elektrivoolu mehhanismi pooljuhtides ei saa vaba elektrongaasi mudeli raames seletada.

Germaaniumi aatomite väliskestas on neli lõdvalt seotud elektroni. Neid nimetatakse valentselektronideks. Kristallvõres ümbritseb iga aatomit neli lähimat naabrit. Germaaniumikristalli aatomite vaheline side on kovalentne, see tähendab, et seda teostavad valentselektronide paarid. Iga valentselektron kuulub kahele aatomile. Germaaniumikristalli valentselektronid on aatomitega palju tugevamalt seotud kui metallides; seetõttu on juhtivuselektronide kontsentratsioon toatemperatuuril pooljuhtides mitu suurusjärku madalam kui metallides. Germaaniumikristalli absoluutse nulltemperatuuri lähedal osalevad kõik elektronid sidemete moodustumisel. Selline kristall ei juhi elektrit.

Temperatuuri tõustes võivad mõned valentselektronid saada piisavalt energiat, et puruneda kovalentsed sidemed. Siis ilmuvad kristalli vabad elektronid (juhtivuselektronid). Samal ajal tekivad sidemete katkemise kohtades vabad kohad, mis ei ole elektronidega hõivatud. Neid vabu kohti nimetatakse "aukudeks".

Antud pooljuhtide temperatuuril moodustub ajaühikus teatud arv elektron-augu paare. Samal ajal toimub pöördprotsess – vaba elektroni kohtumisel auguga taastub elektrooniline side germaaniumi aatomite vahel. Seda protsessi nimetatakse rekombinatsiooniks. Elektron-augu paare saab tekitada ka siis, kui pooljuht on elektromagnetkiirguse energia tõttu valgustatud.

Kui pooljuht asetada elektrivälja, siis ei osale järjestatud liikumises mitte ainult vabad elektronid, vaid ka augud, mis käituvad nagu positiivselt laetud osakesed. Seetõttu on pooljuhi vool I elektrooniliste I n ja augu I p voolude summa: I = I n + I p.

Juhtivuselektronide kontsentratsioon pooljuhis on võrdne aukude kontsentratsiooniga: n n = n p . Elektron-augu juhtivuse mehhanism avaldub ainult puhastes (st ilma lisanditeta) pooljuhtides. Seda nimetatakse omaks elektrijuhtivus pooljuhid.

Lisandite olemasolul muutub pooljuhtide elektrijuhtivus suuresti. Näiteks lisandite lisamine fosforit kristalli sisse räni 0,001 aatomprotsenti vähendab eritakistust rohkem kui viie suurusjärgu võrra.

Pooljuhti, millesse on sisestatud lisand (st osa ühte tüüpi aatomitest asendatakse teist tüüpi aatomitega), nimetatakse nn. doping või doping.

Lisandite juhtivust on kahte tüüpi, elektron- ja aukjuhtivus.

Seega, kui doping neljavalentse germaanium (Ge) või räni (Si) viievalentne - fosfor (P), antimon (Sb), arseen (As) lisandite aatomi asukohta ilmub ekstra vaba elektron. Sel juhul nimetatakse lisandit doonor .

Neljavalentse germaaniumi (Ge) või räni (Si) kolmevalentse dopeerimisel - alumiinium (Al), indium (Jn), boor (B), gallium (Ga) - seal on jooneauk. Selliseid lisandeid nimetatakse aktsepteerija .

Samas pooljuhtmaterjali proovis võib ühel sektsioonil olla p-juhtivus ja teisel n-juhtivus. Sellist seadet nimetatakse pooljuhtdioodiks.

Eesliide "di" sõnas "diood" tähendab "kaks", see näitab, et seadmel on kaks peamist "detaili", kaks üksteisega tihedalt külgnevat pooljuhtkristalli: üks p-juhtivusega (see on tsoon R), teine ​​- n - juhtivusega (see on tsoon P). Tegelikult on pooljuhtdiood üks kristall, mille ühte ossa sisestatakse doonorlisand (tsoon P), teise - aktsepteerija (tsoon R).

Kui akult rakendatakse pidev pinge dioodile "pluss" tsooni R ja "miinus" tsooni P, siis tormavad vabad laengud - elektronid ja augud - piirile, tormavad pn-siirdele. Siin neutraliseerivad nad üksteist, uued laengud lähenevad piirile ja dioodiahelasse tekib alalisvool. See on dioodi nn otseühendus - laengud liiguvad selle kaudu intensiivselt, ahelas liigub suhteliselt suur edasivool.

Nüüd muudame dioodi pinge polaarsust, viime läbi, nagu öeldakse, selle vastupidise kaasamise - ühendame aku "plussi" tsooniga P,"miinus" - tsooni R. Vabad laengud tõmmatakse piirist eemale, elektronid lähevad "plussisse", augud - "miinusesse" ja selle tulemusena muutub pn - ristmik vabade laenguteta tsooniks, puhtaks isolaatoriks. See tähendab, et vooluahel katkeb, vool selles peatub.

Suurt pöördvoolu läbi dioodi ikka ei lähe. Sest lisaks peamistele vabalaengutele (laengukandjatele) - elektronidele, tsoonis P, ja augud p-tsoonis - igas tsoonis on ka ebaoluline kogus vastupidise märgiga laenguid. Need on nende endi väikesed laengukandjad, need eksisteerivad igas pooljuhis, ilmuvad selles aatomite soojusliikumise tõttu ja just nemad loovad dioodi kaudu pöördvoolu. Neid laenguid on suhteliselt vähe ja vastupidine vool on kordades väiksem kui otsene. Pöördvoolu suurus sõltub suuresti: temperatuurist keskkond, pooljuhtmaterjal ja pindala pnüleminek. Üleminekuala suurenemisega suureneb selle maht ja sellest tulenevalt soojuse tekke ja soojusvoolu suurenemise tulemusena tekkivate vähemuskandjate arv. Sageli esitatakse CVC selguse huvides graafikute kujul.

Pooljuhtides on selleks aukude ja elektronide suunatud liikumine, mida mõjutab elektriväli.

Katsete tulemusena märgiti, et pooljuhtide elektrivooluga ei kaasne aine ülekandumist – need ei läbi keemilised muutused. Seega võib elektrone pidada pooljuhtide voolukandjateks.

Saab määrata materjali võime moodustada selles elektrivoolu.Selle indikaatori järgi asuvad juhid vahepealsel positsioonil juhtide ja dielektrikute vahel. Pooljuhid on erinevat tüüpi mineraalid, mõned metallid, metallisulfiidid jne. Elekter pooljuhtides tekib vabade elektronide kontsentratsiooni tõttu, mis võivad aines teatud suunas liikuda. Võrreldes metalle ja juhte, võib märkida, et temperatuuri mõjul nende juhtivusele on erinevus. Temperatuuri tõus toob kaasa languse Pooljuhtides juhtivuse indeks suureneb. Kui temperatuur pooljuhis tõuseb, on vabade elektronide liikumine kaootilisem. Selle põhjuseks on kokkupõrgete arvu suurenemine. Kuid pooljuhtides suureneb vabade elektronide kontsentratsioon võrreldes metallidega oluliselt. Need tegurid mõjuvad juhtivusele vastupidiselt: mida rohkem kokkupõrkeid, mida madalam on juhtivus, mida suurem on kontsentratsioon, seda suurem see on. Metallides puudub seos temperatuuri ja vabade elektronide kontsentratsiooni vahel, nii et juhtivuse muutumisel temperatuuri tõusuga väheneb ainult vabade elektronide korrapärase liikumise võimalus. Pooljuhtide puhul on kontsentratsiooni suurendamise mõju suurem. Seega, mida rohkem temperatuur tõuseb, seda suurem on juhtivus.

Laengukandjate liikumise ja sellise kontseptsiooni nagu elektrivool pooljuhtides vahel on seos. Pooljuhtides iseloomustab laengukandjate välimust erinevaid tegureid, mille hulgas on eriti oluline materjali temperatuur ja puhtus. Puhtuse järgi jagunevad pooljuhid lisanditeks ja sisemisteks.

Mis puudutab sisejuhti, siis lisandite mõju teatud temperatuuril ei saa nende jaoks oluliseks pidada. Kuna pooljuhtide ribalaius on väike, on sisemise pooljuhi puhul, kui temperatuur jõuab, valentsriba täielikult elektronidega täidetud. Kuid juhtivusriba on täiesti vaba: selles puudub elektrijuhtivus ja see toimib täiusliku dielektrikuna. Teistel temperatuuridel on võimalus, et termiliste kõikumiste ajal võivad teatud elektronid ületada potentsiaalse barjääri ja leida end juhtivusribast.

Thomsoni efekt

Termoelektrilise Thomsoni efekti põhimõte: elektrivoolu läbimisel pooljuhtides, mida mööda on temperatuurigradient, eraldub või neeldub neis lisaks džauli soojusele täiendav soojushulk, olenevalt sellest, millises suunas vool liigub. .

Homogeense struktuuriga proovi ebapiisavalt ühtlane kuumutamine mõjutab selle omadusi, mille tulemusena muutub aine ebahomogeenseks. Seega on Thomsoni fenomen spetsiifiline Pelte fenomen. Ainus erinevus seisneb selles, et mitte proovi keemiline koostis ei erine, vaid temperatuuri ekstsentrilisus põhjustab seda ebahomogeensust.

Pooljuhid on ained, mis on elektrijuhtivuse mõttes heade juhtide ja heade isolaatorite (dielektrikute) vahel.

Pooljuhid on ka keemilised elemendid (germaanium Ge, räni Si, seleen Se, telluur Te) ja ühendid keemilised elemendid(PbS, CdS jne).

Erinevate pooljuhtide voolukandjate olemus on erinev. Mõnes neist on laengukandjateks ioonid; teistes on laengukandjateks elektronid.

Pooljuhtide sisejuhtivus

Pooljuhtides on kahte tüüpi sisejuhtivust: elektrooniline juhtivus ja aukjuhtivus pooljuhtides.

1. Pooljuhtide elektrooniline juhtivus.

Elektrooniline juhtivus toimub aatomi valentskihist välismõjude tagajärjel lahkunud vabade elektronide suunatud liikumisega aatomitevahelises ruumis.

2. Pooljuhtide aukjuhtivus.

Aukude juhtivus viiakse läbi valentselektronide suunatud liikumisega elektronpaarsidemetes - aukudes - vabadesse kohtadesse. Positiivse iooni (augu) vahetus läheduses paikneva neutraalse aatomi valentselektron tõmbab auku ja hüppab sellesse. Sel juhul tekib neutraalse aatomi asemel positiivne ioon (auk) ja positiivse iooni (auk) asemele neutraalne aatom.

Ideaalselt puhtas, ilma võõrlisanditeta pooljuhis vastab igale vabale elektronile ühe augu teke, s.t. voolu tekitamisel osalevate elektronide ja aukude arv on sama.

Juhtivust, mille juures esineb sama arv laengukandjaid (elektrone ja auke), nimetatakse pooljuhtide sisejuhtivuseks.

Pooljuhtide sisejuhtivus on tavaliselt väike, kuna vabade elektronide arv on väike. Väiksemad lisandite jäljed muudavad pooljuhtide omadusi radikaalselt.

Pooljuhtide elektrijuhtivus lisandite juuresolekul

Pooljuhtide lisandid on võõrkeemiliste elementide aatomid, mis ei sisaldu peamises pooljuhis.

Lisandite juhtivus- see on pooljuhtide juhtivus, mis on tingitud lisandite sattumisest nende kristallvõredesse.

Mõnel juhul avaldub lisandite mõju selles, et "augu" juhtivuse mehhanism muutub praktiliselt võimatuks ja vool pooljuhis toimub peamiselt vabade elektronide liikumisel. Selliseid pooljuhte nimetatakse elektroonilised pooljuhid või n-tüüpi pooljuhid(alates Ladina sõna negativus - negatiivne). Peamised laengukandjad on elektronid, mitte aga augud. n-tüüpi pooljuhid on doonorlisanditega pooljuhid.

1. Doonori lisandid.

Doonorlisandid on need, mis kergesti loovutavad elektrone ja suurendavad sellest tulenevalt vabade elektronide arvu. Doonorlisandid varustavad juhtivuselektrone ilma sama arvu aukudeta.

Tüüpiline näide tetravalentse germaaniumi Ge doonorlisandi kohta on viievalentsed arseeni aatomid As.

Muudel juhtudel muutub vabade elektronide liikumine praktiliselt võimatuks ja voolu teostab ainult aukude liikumine. Neid pooljuhte nimetatakse aukudega pooljuhid või p-tüüpi pooljuhid(ladina sõnast positivus - positiivne). Peamised laengukandjad on augud, mitte peamised - elektronid. . P-tüüpi pooljuhid on aktseptori lisanditega pooljuhid.

Aktseptorlisandid on lisandid, milles ei ole piisavalt elektrone normaalsete elektronpaarsidemete moodustamiseks.

Germaaniumi Ge aktseptori lisandi näiteks on kolmevalentsed galliumi aatomid Ga

Elektrivool p-tüüpi ja n-tüüpi p-n-siirde pooljuhtide kokkupuutel on kahe p-tüüpi ja n-tüüpi lisandi pooljuhi kontaktkiht; P-n-siire on piir, mis eraldab samas monokristallis auku (p) juhtivuse ja elektroonilise (n) juhtivusega piirkondi.

otsene p-n ristmik

Kui n-pooljuht on ühendatud toiteallika negatiivse poolusega ja toiteallika positiivne pooljuht on ühendatud p-pooljuhiga, siis elektrivälja toimel n-pooljuhis olevad elektronid ja p-pooljuhi augud liiguvad üksteise poole pooljuhtide liidesesse. Piiri ületavad elektronid "täidavad" augud, pn-siirde voolu juhivad peamised laengukandjad. Selle tulemusena suureneb kogu proovi juhtivus. Sellise välise elektrivälja otsese (läbilaske) suuna korral barjäärikihi paksus ja selle takistus vähenevad.

Selles suunas läbib vool kahe pooljuhi piiri.

Tagurpidi pn-ristmik

Kui n-pooljuht on ühendatud toiteallika positiivse poolusega ja p-pooljuht on ühendatud toiteallika negatiivse poolusega, siis mõjuvad n-pooljuhis olevad elektronid ja p-pooljuhi augud. elektrivälja liikumine liidesest vastupidises suunas, p -n-siirde kaudu voolu teostavad väikesed laengukandjad. See toob kaasa tõkkekihi paksenemise ja selle vastupidavuse suurenemise. Selle tulemusena osutub proovi juhtivus ebaoluliseks ja takistus on suur.

Tekib nn tõkkekiht. Sellise välisvälja suuna korral elektrivool p- ja n-pooljuhtide kontakti praktiliselt ei läbi.

Seega on elektron-augu üleminekul ühepoolne juhtivus.

Voolutugevuse sõltuvus pingest - volt - amper iseloomulik p-nüleminek on näidatud joonisel (pinge - voolu tunnusjoon sirge p-nüleminek on näidatud pideva joonega, volt - ampri karakteristik tagurpidi p-nüleminek on näidatud punktiirjoonena).

Pooljuhid:

Pooljuhtdiood - vahelduvvoolu alaldamiseks kasutab ta ühte p - n - üleminekut erinevate takistustega: edasisuunas on p - n - ülemineku takistus palju väiksem kui vastupidises suunas.

Fototakistid - nõrkade valgusvoogude registreerimiseks ja mõõtmiseks. Nende abiga määrake pindade kvaliteet, kontrollige toodete mõõtmeid.

Termistorid - temperatuuri kaugmõõtmiseks, tulekahjusignalisatsioonid.