Vannak belső és szennyező félvezetők. Ide tartoznak a tiszta félvezetők (azaz olyan félvezetők, amelyek nem tartalmaznak szennyeződéseket, vagy olyan alacsony szennyezőkoncentrációjúak, hogy az nem befolyásolja jelentősen a félvezető vezetőképességét). Vezetőképesség az ilyen tiszta félvezetőket nevezzük saját.

Az adalékolt félvezetőkben az elektromos tulajdonságokat a nagyon kis mennyiségben mesterségesen bevitt szennyeződések határozzák meg. Például, ha mindössze 0,001% bórt viszünk be a szilíciumba, a vezetőképesség szobahőmérsékleten körülbelül 1000-szeresére nő.

A félvezetők szennyeződések okozta vezetőképességét ún szennyeződés vezetőképesség.

Az 5a. ábra a belső félvezető energiasávjait mutatja T=0.

A vegyértéksáv teljesen tele van elektronokkal, a vezetési sáv teljesen szabad. A Fermi szint a sávköz közepén található. Nál nél T=0 nincs hőmozgás, és az elektromos tér nem tud elektronokat átvinni a vegyértéksávból a vezetési sávba, ezért a belső félvezetők T=0, mint a dielektrikumok.

Egy hőmérsékleten T> 0, a vegyértéksáv felső szintjeiről néhány elektron a hőmozgás energiája miatt az alsó vezetőképességi szintekre kerül (5b. ábra). Ha külső elektromos mezőt alkalmazunk, a vezetési sáv elektronjai elmozdulnak és elektromos áramot hoznak létre. A részben kitöltött vezetési sáv elektronjai negatív töltéshordozók. A félvezetők ezt a vezetőképességét elektronikusnak nevezzük.

5. ábra. Egy belső félvezető energiadiagramja

a – at T=0; denevér T>0

Aktivációs energiának nevezzük azt az energiát, amelyet a félvezetőnek biztosítani kell ahhoz, hogy az elektronok áthaladhassanak a sávon. A vegyértéksáv felső szintjeiről néhány elektron eltávolítása után ürességek vagy lyukak keletkeznek benne, amelyek egy külső térben pozitív töltésű részecskékként viselkednek. A lyukak pozitív töltéshordozók a félvezetőkben. Külső elektromos térben a lyukak az elektronokkal ellentétes irányba mozognak. Ezt a fajta vezetőképességet lyukvezetésnek nevezzük. Így a belső félvezetők kétféle vezetőképességet mutatnak: elektron és lyuk.

Az elektron-lyuk párok kialakulásának folyamatát ún generáció szállítók.

Ezzel egyidejűleg a fordított folyamat is végbemegy, ún rekombináció amikor egy elektron visszatér a vezetési sávból a vegyértéksávba. Ebben az esetben két töltéshordozót kizárunk a kristály vezetőképességéből: egy elektront és egy lyukat.

Egy belső félvezetőben minden hőmérsékleten egyensúly jön létre a keletkezési és rekombinációs folyamatok között, amelynél az elektronok és a lyukak koncentrációja egyenlő.

4. Félvezetők szennyező vezetőképessége

Szennyező vezetőképesség akkor következik be, ha a félvezetők rácshelyein egyes atomokat olyan atomokra cserélünk, amelyek vegyértéke eggyel eltér a fő atomok vegyértékétől.

A 6. ábra hagyományosan germánium rácsot mutat be. Van egy gyémánt típusú rács, amelyben minden atomot négy legközelebbi szomszédja vesz körül, amelyeket vegyértékkötések kötnek hozzá.

6. ábra. Germánium lapos rácsos modell

Tegyük fel, hogy a germánium atomok egy részét ötértékű arzénatom helyettesíti (7. ábra). A négy legközelebbi szomszéddal való kötések létrehozásához az arzénatom 4 vegyértékelektront használ (7a. ábra). Az ötödik elektron nem vesz részt a kötések kialakításában. Gyengébb az atomjához kötve. Kötőenergiája az
=0,015 eV. Amikor ilyen energiát adnak át egy elektronnak, az elszakad az atomtól, és képessé válik a szabad mozgásra a germániumrácsban, így vezetési elektronná alakul. A sávelmélet nyelvén ez a folyamat a következőképpen ábrázolható. A töltött vegyértéksáv és a tiszta germánium vezetési sávja között az arzén vegyértékelektronjainak keskeny energiaszintje van (8. ábra), közvetlenül a vezetési sáv alján, attól távolabb.
=0,015 eV. Ezt szennyezettségi szintnek nevezik. Amikor szennyeződési energiaszintet adunk az elektronoknak
=0,015 eV a vezetési sávba kerülnek. Az ilyenkor kialakuló pozitív töltések az álló arzénatomokon lokalizálódnak, és nem keletkeznek lyukak.

A vezetési elektronok forrását képező szennyeződéseket donoroknak, a szennyeződések szintjét pedig donorszinteknek nevezzük..

Tegyük fel most, hogy a germániumrácsban az atomok egy részét három vegyértékű indium atomok helyettesítik (9a. ábra).

A négy legközelebbi szomszéddal való kötés kialakításához az indiumatomnak hiányzik egy elektronja. A germánium atomtól „kölcsönözhető”.

A számítások azt mutatják, hogy ehhez 0,015 eV nagyságrendű energiaráfordítás szükséges. A 9b. ábrán látható megszakadt kötés (lyuk) nem marad lokalizálva, hanem szabad pozitív „+e” töltésként mozog a germániumrácsban. A 10. ábra az indium-szennyezést tartalmazó germánium energiasávjait mutatja. Távolról közvetlenül a kitöltött vegyértéksáv felső szélén
=0,015 eV az indium atomok kitöltetlen energiaszintjein helyezkednek el. E szintek közelsége a kitöltött vegyértéksávhoz ahhoz a tényhez vezet, hogy még viszonylag alacsony hőmérsékleten is a vegyértéksáv elektronjai a szennyeződési szintekre mozognak. Amikor az indium atomokhoz kötődnek, elveszítik a germániumrácsban való mozgás képességét, és nem vesznek részt a vezetőképességben (az elektronokat a szennyeződés befogja). Az áramhordozók csak lyukak, amelyek a vegyértéksávban jelennek meg.

Azokat a szennyeződéseket, amelyek befogják az elektronokat a vegyértéksávból, akceptoroknak, ezen szennyeződések energiaszintjét pedig akceptorszinteknek nevezzük..

9. ábra. Indium atom germániumrácsban a) Ge atom helyettesítése In atommal b) lyukképzés	10. ábra. Akceptor szennyeződést tartalmazó germánium energiadiagramja (In)

Így az elektronok és lyukak által egyidejűleg végrehajtott belső vezetőképességgel ellentétben a szennyező vezetőképességet főként azonos előjelű hordozók okozzák: donor vezetőképesség esetén elektronok, akceptor vezetőképesség esetén lyukak. Ezeket a médiákat ún fő-.

Rajtuk kívül a félvezető tartalmaz nem mag töltéshordozók, amelyeket az elektronoknak a vegyértéksávból a vezetési sávba való átmenete okoz; elektronikus félvezető - lyukak, lyuk félvezető - elektronok. A kisebbségi hordozók koncentrációja általában lényegesen alacsonyabb, mint a főbb hordozók koncentrációja.

Önvezetőképesség

Tekintsük a különböző anyagok vezetőképességének kvantumelméletét. Emlékezzünk erre vezetőképesség a töltéshordozók azon képessége, hogy az alkalmazott elektromos térnek megfelelően irányított mozgást hajtsanak végre (negatív töltéshordozók a térrel szemben, pozitív töltéshordozók a tér mentén). Félvezető anyagok esetén kétféle vezetőképesség lehetséges, az anyag kémiai összetételének tisztaságától függően.

Megkülönböztetni sajátÉs szennyeződéseket félvezetők. Ide tartoznak a kémiailag tiszta félvezetők, vagyis olyan félvezetők, amelyek csak egy típusú atomokat (vagy molekulákat) tartalmaznak, és mentesek az idegen zárványoktól. Az ilyen félvezetőkben csak belső vezetőképesség.

A belső vezetőképesség akkor következik be, amikor az elektronok a vegyértéksáv felső szintjeiről a vezetési sávba mozognak, ha további elegendő energiát kapnak, amely egyenlő (vagy valamivel nagyobb), mint a sávrés. Például. Ezt az energiát, amint azt a 9. előadásban már említettük, egy elektron nyerheti a rács termikus rezgésének eredményeként vagy egy fénykvantum hatására. hν.

Rizs. 12.1. Félvezető belső vezetőképessége

Mivel a termikus rezgések energiája általában sokkal kisebb, mint egy fénykvantum energiája, az, hogy milyen energia váltja ki a vezetőképesség megjelenését, a kristály sávszélességétől függ. Az elektron átmenete a vezetési sávba megfelel a születésnek két szabad részecske: egy elektron, amelynek energiája megegyezik a vezetési sáv egyik megengedett értékével, valamint egy lyuk, amelynek energiája megegyezik a vegyértéksáv valamelyik értékével. Ezek a részecskék áramhordozók, és mind az elektronok, mind a lyukak hozzájárulnak a vezetőképességhez. Ha egy ilyen kristályra potenciálkülönbséget alkalmazunk, az elektronok és a lyukak is elmozdulhatnak a teljes mintán. Ezt a jelenséget a második előadásban már tárgyaltuk, belső fotoelektromos hatásnak nevezik.

Megtalálható egy adott anyag elektromos vezetőképessége. Ehhez az elektronok és lyukak energiaeloszlását fogjuk használni (lásd 10. fejezet). Mivel az elektronok és a lyukak fermionok, azaz. félegész spinű részecskék, ami azt jelenti, hogy engedelmeskednek a Fermi-Dirac statisztikának:

(12.1)

Paraméter E F nak, nek hívják Fermi energia. A Fermi szint egy virtuális szint, amely megfelel az összes foglalt és minden szabad állapot közti középnek, feltéve, hogy mindkettőből ugyanannyi van. Ideális esetben minden szabad szint a Fermi szint felett, az összes foglalt szint alatta található. A valódi kristályokban azonban a szabad szint alacsonyabb lehet a Fermi-szintnél, ha a Fermi-szint felett van egy elektron által elfoglalt szint. Fémeknél a Fermi-szint a vezetési sávban van. A belső (azaz tiszta) félvezetők esetében a Fermi-energia szobahőmérsékleten megközelítőleg a sávköz közepének felel meg, ezért:

(12.2)

Ahol Például– sávszélesség.

A vezetési sávba átvitt elektronok száma (valamint a vegyértéksávban maradó lyukak száma) arányos lesz annak valószínűségével, hogy az elektron rendelkezik a megfelelő energiával:

A vezetőképesség nyilvánvalóan függ a szabad áramhordozók számától, vagyis a függvénnyel arányosnak is bizonyul f(E):

(12.4)

vagy (12.5)

Látható, hogy a belső félvezetők elektromos vezetőképessége a hőmérséklettel exponenciálisan növekszik (12.2. ábra). Egy félvezető elektromos vezetőképességének különböző hőmérsékleteken történő mérésével meghatározható a sávszélesség. Féllogaritmikus koordinátákban (mint a 12.2. ábrán) az egyenes dőlésszögének érintője arányos lesz Például.

Rizs. 12.2. Az elektromos vezetőképesség függése

belső félvezető a hőmérsékleten

Emlékezzünk vissza, hogy a fémek elektromos vezetőképessége lineárisan csökken a hőmérséklet emelkedésével. Ezt a különbséget az magyarázza, hogy a félvezetők és a fémek vezetőképessége alapvetően eltérő.

Szennyeződés vezetőképesség

Elektromos és optikai tulajdonságok szennyező félvezetők természetes vagy mesterségesen bevitt szennyeződésektől függ. Természetesen az anyag tulajdonságainak hatékony ellenőrzéséhez az anyag összetételében lévő szennyeződés mennyiségének szigorú ellenőrzése szükséges dopping. Egy adott szennyező koncentráció létrehozása meglehetősen nehéz, de kivitelezhető feladat. Meg kell érteni, hogy egyes anyagok elkerülhetetlenül tartalmaznak bizonyos mennyiségű természetes szennyeződést. Ilyen esetekben tanulmányozni kell az anyag optikai és elektromos tulajdonságaira gyakorolt ​​hatását, és ezt követően figyelembe kell venni.

Tekintsük a szennyeződések vezetőképességének mechanizmusát a klasszikus félvezetők példáján Ge, És Si. Mindkét elem négyértékű, és a kristály atomjai kovalens erőkkel kötődnek. Ez azt jelenti, hogy a rácsban minden egyes atomot négy hasonló atom vesz körül, és egy elektronpár megosztásával hozzá van kötve.

Rizs. 12.3. Egy kristályrács lapított képe

ideális 4 vegyértékű kristály

Ha a kristály ideális, akkor az atom körüli összes kötés telített – nincs szabad hely, és nincsenek szabad elektronok az atomok közötti térben (12.3. ábra).

Tegyük fel, hogy az egyik fő atom helyett egy egységgel magasabb vegyértékkel rendelkező atom (foszforatom) kerül a kristályba. P kristályban Ge). Az 5 foszforelektronból 4 a szomszédos germánium atomok között oszlik el, az ötödik elektron pedig egy meglehetősen gyenge kötés miatt a közelben marad (12.4. ábra).

Rizs. 12.4. Egy kristályrács lapított képe

Ge 5 vegyértékű foszfor adalékkal

Ez a kapcsolat könnyen megszakítható a kristály melegítésével vagy megvilágításával. A levált elektron szabad lesz, és potenciálkülönbség alkalmazásakor képes lesz a megfelelő irányba mozogni. Azt a szennyeződést, amely szabad elektronokat ad a kristályhoz, ún donor.

Az energiadiagramban a donor szennyeződés a vezetési sáv aljától bizonyos távolságra lévő szintnek felel meg. A szennyeződés szintje és a vezetési sáv távolsága arányos az energiával E szennyeződés, ami egy szennyező elektron eltávolításához szükséges az anyaatomról, azaz. hogy az elektron szabad állapotba kerüljön (12.6 a ábra). Az elektron atomjáról való leválása és szabad állapotba való átmenete az elektron átmenetét jelenti a vezetési sávba. Az ebben az esetben felszabaduló donorszint ezt követően egy ideig befoghat bármilyen szabad elektront - vagyis a lelógó foszforkötés az elektronok rövid távú tárolására szolgálhat.

Tehát ennek eredményeként egy vezetési elektront kapunk, és a belső vezetőképességgel ellentétben (lásd fent) nem képződik szabad lyuk. Ebben az esetben a rögzített áramhoz elsősorban az elektronok járulnak hozzá, amelyek egy ilyen félvezető fő töltéshordozói, és a lyukak - a kisebbségiek. Az ilyen kristályban lévő vezetőképesség típusát elektronikus ill n-típusú, és maga a kristály megkapja a kristály státuszát elektronikus vezetőképesség vagy kristály n-típus.

Ha három vegyértékű szennyeződést viszünk be egy négyértékű kristályba, akkor a szennyeződés mellett elhelyezkedő atom négy kötése közül az egyik telítetlen lesz a 4. elektron hiánya miatt (12.5. ábra). Egy ilyen üres hely (lyuk) könnyen elfog egy elektront a szomszédos helyről - ez megfelel a lyuk szabad állapotba való átmenetének.

Rizs. 12.5. Egy kristályrács lapított képe

Si 3 vegyértékű bórszennyezéssel

Ha potenciálkülönbséget alkalmazunk a kristályon, a lyuk ugyanúgy mozog, mint egy vezetési elektron, csak az ellenkező irányba. Így egy kristály a jelzett típusú szennyeződéssel rendelkezik lyuk típusú vezetőképesség vagy kristálynak nevezzük p-típus. Az energiadiagramban egy szennyeződés megjelenése, amelyet jelen esetben ún elfogadó, a fenti vegyértéksáv tetejéhez közeli sávrésben egy szint jelenik meg E szennyeződés. A vegyértéksávban elfoglalt szintről egy elektron fog befogni erre a szintre, amelyben szabad lyuk marad (12.6 b ábra).

Rizs. 12.6. Szennyeződésvezetőképesség: a) elektronikus, b) lyuk

Nyilvánvaló, hogy a p-típusú vezetőképességű kristályokban csak a szabad elektronok nem jelennek meg további energia nélkül. A lyukak a többségi töltéshordozók, az elektronok a kisebbségi töltéshordozók. Következésképpen az áram túlnyomórészt lyukak rendezett mozgását fogja képviselni (a mozgás iránya egybeesik az áram irányával).

A donor és akceptor szennyeződések specifitása olyan, hogy szintjük az energiadiagramon csak bizonyos módon helyezhető el a sávokhoz képest: a donor szennyeződések a sávrés felső részén, az akceptor szennyeződések az alsó részen adnak szintet. Egy szennyeződés megjelenése a kristályösszetételben a Fermi-szint helyzetének megváltozásához vezet (lásd fent).

Különösen a donor szennyeződést tartalmazó kristály esetében a szint E F felfelé emelkedik, ha akceptor szennyeződést tartalmaz, lefelé mozog (12.6. ábra). A Fermi-szint különösen a félvezetők egyik fontos jellemzője, az elmélet nem nélkülözheti ezt a fogalmat p-nátmenetek.

Tegyük hozzá, hogy egy szennyező vezetőképességű kristály készítésekor más vegyértékű atomok is felhasználhatók bejuttatott szennyeződésként. Akkor vegyérték különbség megmutatja, hogy egy-egy szennyező atom hány szabad töltéshordozót (elektront vagy lyukat) visz be a kristályba.

Egy anyag magas elektromos vezetőképességének eléréséhez magasnak kell lennie töltéshordozó koncentrációk(a kristály térfogategységére jutó töltéshordozók száma). Ezt a kívánt típusú szennyeződés szabályozott bejuttatásával érik el. Modern technológiák lehetővé teszik a bevezetett atomok számának szó szerint külön-külön történő figyelembevételét. A Hall-effektus segítségével megmérheti a töltéshordozók koncentrációját, valamint meghatározhatja típusukat (elektron vagy lyuk) (lásd az elektromágnesesség tananyagát).

Általában a félvezető anyagok vezetőképessége a belső és a szennyeződés vezetőképességéből áll:

(12.6)

A szennyeződések vezetőképessége, akárcsak a belső vezetőképesség, exponenciálisan függ a hőmérséklettől.

(12.7)

Viszonylag alacsony hőmérsékleten a szennyeződések vezetőképessége játssza a főszerepet (12.7. ábra I. szakasz). A vezetőképesség hőmérséklettől való közvetlen függésének meredekségéből féllogaritmikus koordinátákban meghatározható a szennyeződés aktiválási energiája. E szennyeződés, mert tgα kb arányos a sávrésben lévő szennyeződési szint mélységével.

Növekvő hőmérséklettel, amikor már minden szennyező atom érintett, egy bizonyos hőmérsékleti tartományban a vezetőképesség állandó marad (12.7. ábra II. szakasz).

Rizs. 12.7. A félvezető elektromos vezetőképességének függése a hőmérséklettől

A saját vezetőképességének aktiválási hőmérsékletétől kiindulva ismét az anyag ellenállásának csökkenése figyelhető meg (12.7. ábra III. szakasz). A megfelelő szakasz dőlésszögének érintője tgα zokogás arányos a félvezető saját vezetőképességének aktiválási energiájával, azaz. sávközének szélessége.

Félvezetők- olyan anyagok, amelyek fajlagos vezetőképességüket tekintve köztes helyet foglalnak el a vezetők és a dielektrikumok között. A természetben elemek (4,5,6 csoport), például Si, Ge, As, Se, valamint szulfidok, oxidok stb. kémiai vegyületei formájában léteznek.

Megkülönböztetni saját (tiszta) és tisztátalanság félvezetők.

T >0 K hőmérsékletre hevítve, valamint megvilágítással vagy besugárzással az elektronikus (kovalens) kötések megszakadhatnak, ami szabad elektronok kialakulásához vezet A kovalens kötés megszakadásának helyén megjelenik egy elektron - egy lyuk, amely pozitív töltésnek felel meg. A lyukat elfoglalhatják a szomszédos kovalens kötésekből származó elektronok vagy egy szabad elektron. Ennek eredményeként elkezd mozogni a kristály körül. A hőmérséklet emelkedésével nő a szabad elektronok száma (több kötés szakad meg), és ennek megfelelően a lyukak száma.

Amikor egy ilyen félvezetőben elektromos teret hozunk létre elektromos vezető áramkörhöz csatlakoztatva, elektronok és lyukak irányított mozgása következik be, azaz elektromos áram folyik.

Így a tiszta félvezetőkben normál körülmények között mindig egyenlő számú szabad elektron és lyuk van, amelyek meghatározzák a félvezető természetes elektromos vezetőképessége. A belső vezetőképesség a belső (tiszta) félvezetők (Ge, Se, GaAs) vezetőképessége.

Szempontból kvantum (sáv) elmélet A félvezetőknek van egy vegyértéksávja (I) és egy vezetési sávja (3). sávköz (2), amelynek energiaértéke az elektronoknak nem lehet.

T = 0 K esetén a vegyértéksáv teljesen tele van elektronokkal és a sávréssel , kicsi, a vezetési sáv energiaszintjei szabadok. Ha az elektronok energiát kapnak egy félvezető felmelegedésekor, vagy energiát elektromágneses térből , Fény vagy radioaktív sugárzás hatására az elektronok szabaddá válva képesek a vezetési sávba (3. ábra) mozogni. Ebben az esetben a vegyértéksávban lyukak jelennek meg Egy félvezető képes áramot vezetni, amelynek hordozói elektronok és lyukak lesznek. Nincsenek ellentmondások a klasszikus és a kvantumos fogalmak között.

Tehát egy félvezető belső vezetőképességi árama elektronok és lyukak áramából áll.

Félvezetők szennyezett vezetőképessége

A szennyeződés természetétől függően a szennyeződés vezetőképessége kétféle lehet: n-típusú - elektronikus, p-típusú - lyuk. n-típusú vezetőképesség akkor jön létre, amikor a fő félvezető (például szilícium) ) kis mennyiségű nagy vegyértékű szennyeződést (például arzént) adunk hozzá. Ekkor a kristályrács felépítésénél a szennyező atomnak lesz egy extra elektronja. A szennyező elektronok hozzáadódnak a belső vezetési elektronokhoz. De emiatt az elektronok koncentrációja sokkal nagyobb lesz, mint a lyukaké. A többségi áramhordozók elektronok (sok van belőlük), a kisebbségi hordozók pedig lyukak (kevés van belőlük). A szennyező félvezetőnek ezt a vezetőképességét n-típusúnak (elektronikusnak) nevezik, mivel a szennyeződés az elektronok donorja (szállítója). Abban az esetben, ha a szennyeződés vegyértéke alacsonyabb, mint a fő félvezetőé (például szilícium Si) bórral B, akkor a rács felépítésekor a bóratomokból hiányzik egy elektron. Megjelenik egy kitöltetlen csatlakozási lyuk. Egy szennyező félvezetőben a lyukak koncentrációja lényegesen nagyobb lesz, mint az elektronoké. Ezt a fajta szennyező vezetőképességet ún p-típusú (lyuk), mivel a szennyeződés az elektronok gyűjtője (akceptorja). Már kis mennyiségű szennyeződés jelenléte is milliószorosára növeli a félvezető vezetőképességét, így a szennyező félvezetőben az áramot elsősorban vagy elektronok vagy lyukak állítják elő.

Kvantum elmélet a szennyező félvezetők képződését a donorok és akceptorok (szennyeződések) energiaszintjének eltérő helyzetével magyarázza a félvezető kristályban lévő vezetőképesség (3) vegyértéksávjához (1) viszonyítva. A donor energiaszintje közel van a vezetési sáv szintjeihez. Az elektronok könnyen átjutnak benne anélkül, hogy lyukakat képeznének a vegyértéksávban. A hordozók többsége elektronok (n-típusúak). Az akceptor energiaszintjei közelebb fekszenek a vegyértéksávhoz, így a vegyértéksávban lévő elektronok könnyen elhagyhatják azt, lyukakat képezve benne. A fő hordozók lyukak lesznek (p-típusú vezetőképesség).

Félvezető diódák

Bármely félvezető eszköznek van egy vagy több elektron-lyuk átmenete. Az elektron-lyuk átmenet (vagy n-p átmenet) két különböző vezetőképességű félvezető érintkezési területe. Amikor két n- és p-típusú félvezető érintkezik, diffúziós folyamat kezdődik: a p-régióból a lyukak az n-régióba, az elektronok pedig éppen ellenkezőleg, az n-régióból a p-régióba. Ennek eredményeként az érintkezési zóna közelében lévő n-es tartományban az elektronkoncentráció csökken, és egy pozitív töltésű réteg jelenik meg. A p-régióban a lyukkoncentráció csökken, és megjelenik egy negatív töltésű réteg. Így a félvezetők határfelületén elektromos kettős réteg képződik, amelynek tere megakadályozza az elektronok és lyukak egymás felé diffúziós folyamatát (1.14.1. ábra). A különböző vezetőképességű félvezetők közötti határterület (az ún. blokkoló réteg) általában eléri a tíz- és százas atomközi távolság nagyságrendjét. Ennek a rétegnek a tértöltései U z blokkolófeszültséget hoznak létre a p- és n-régiók között

Az n–p átmenet elképesztő tulajdonsága az egyirányú vezetőképesség.

Blokkolóréteg kialakulása p- és n-típusú félvezetők érintkezésekor

Ha egy n-p átmenetes félvezetőt úgy csatlakoztatunk egy áramforráshoz, hogy a forrás pozitív pólusa az n-régióval, a negatív pólusa pedig a p-régióval csatlakozik, akkor a térerősség a blokkolórétegben megnő. A p régióban lévő lyukak és az n tartományban lévő elektronok eltolódnak az n-p átmenettől, ezáltal növelve a kisebbségi hordozókoncentrációt a blokkoló rétegben. Az n–p átmeneten gyakorlatilag nem folyik áram. Az n–p átmenetre adott feszültséget ebben az esetben fordítottnak nevezzük. A nagyon jelentéktelen fordított áram csak a félvezető anyagok belső vezetőképességének köszönhető, azaz a szabad elektronok kis koncentrációjának jelenléte a p-régióban és a lyukak az n-régióban.

Ha egy n–p átmenetet úgy csatlakoztatunk egy forráshoz, hogy a forrás pozitív pólusa a p-régióval, a negatív pólusa pedig az n-régióval csatlakozik, akkor a blokkolórétegben az elektromos térerősség csökken, ami megkönnyíti a többségi hordozók átmenetét az érintkezési rétegen keresztül. A p-régióból származó lyukak és az n-régióból egymás felé haladó elektronok keresztezik az n-p átmenetet, és előrefelé irányuló áramot hoznak létre. Az n–p átmeneten áthaladó áram ebben az esetben a forrásfeszültség növekedésével nő.

Az n–p átmenet azon képességét, hogy az áramot szinte csak egy irányban engedje át, az ún félvezető diódák. A félvezető diódák szilícium- vagy germániumkristályokból készülnek. Gyártásuk során egy szennyeződést olvasztnak be egy bizonyos típusú vezetőképességű kristályba, más típusú vezetőképességet biztosítva.

Az egyenirányítókban félvezető diódákat használnak az átalakításhoz váltakozó áramállandóra.

Elektromos vezetőképesség stb- az átmenet erősen függ a hőmérséklettől, így a fordított áram a hőmérséklet emelkedésével nő:

És így, n-p csomópont egyirányú elektromos vezetőképességgel rendelkezik. Ez a fő tulajdonsága, ami be van rakva a félvezető dióda szerkezetének és működési elvének alapja.

A dióda egy elektron-lyuk átmenet, amelyet fém burkolat véd a fénytől és az elektromágneses sugárzástól, és hűtőbordával rendelkezik a hőmérséklet stabilizálására.

Előnyök: nagy hatásfok (98%), hosszú élettartam, tartósság.

Hátrányok: hőmérsékletfüggő.

6. . 7. . 8. .

Félvezetők- ezek olyan anyagok, amelyek ellenállása csökken a hőmérséklet emelkedésével, a szennyeződések jelenlétével és a megvilágítás változásával. Ezekben a tulajdonságokban feltűnően különböznek a fémektől. A félvezetők általában olyan kristályokat foglalnak magukban, amelyekben egy elektron felszabadításához legfeljebb 1,5-2 eV energiára van szükség. A tipikus félvezetők a germánium és a szilícium kristályai, amelyekben az atomokat kovalens kötés köti össze. Ennek a kapcsolatnak a természete lehetővé teszi a fent említett jellemző tulajdonságok magyarázatát. Amikor a félvezetőket hevítik, atomjaik ionizálódnak. A felszabaduló elektronokat a szomszédos atomok nem tudják befogni, mivel minden vegyértékkötésük telített. A szabad elektronok külső elektromos tér hatására mozoghatnak a kristályban, létrehozva elektronáram vezetőképesség. A kristályrács egyik atomjának külső héjáról egy elektron eltávolítása pozitív ion képződését eredményezi. Ez az ion elektron befogásával semlegesíthető. Továbbá, a kötött elektronok atomokról pozitív ionokra való átmenete eredményeként a hely kristályában kaotikus mozgási folyamat következik be a hiányzó elektronnal - egy „lyuk”. Külsőleg a kötött elektronok kaotikus mozgásának folyamatát pozitív töltés mozgásaként érzékelik. Amikor egy kristályt elektromos mezőbe helyeznek, a „lyukak” rendezett mozgása történik - egy lyukvezető áram.

Egy ideális kristályban az áramot egyenlő számú elektron és "lyuk" hozza létre. Ezt a fajta vezetőképességet ún saját vezetőképesség félvezetők. A hőmérséklet (vagy megvilágítás) növekedésével a vezetők belső vezetőképessége nő.

A félvezetők vezetőképességét nagymértékben befolyásolják a szennyeződések. Vannak donor és akceptor szennyeződések. Donor szennyeződés olyan szennyeződés, amelynek vegyértéke nagyobb, mint a kristályé. Ilyen szennyeződés hozzáadásakor további szabad elektronok keletkeznek a félvezetőben. Ezért nevezik a szennyeződést donornak. Az elektronikus vezetőképesség dominál, és félvezetőt nevezünk n típusú félvezető. Például n = 4 vegyértékű szilícium esetében a donor szennyező arzén n = 5 vegyértékkel. Az arzénszennyeződés minden atomja egy vezetési elektron képződését eredményezi.

Elfogadó szennyeződés olyan szennyeződés, amelynek vegyértéke alacsonyabb, mint a kristályé. Ha ilyen szennyeződést adunk hozzá, több „lyuk” keletkezik a félvezetőben. A „lyuk” vezetőképesség dominál, és a félvezető ún p-típusú félvezető. Például a szilícium esetében az akceptor szennyeződés indium, vegyértéke n = 3. Minden indiumatom egy extra „lyuk” kialakulásához vezet.

A legtöbb félvezető eszköz működési elve a tulajdonságokon alapul pn csomópont. Ha két p-típusú és n-típusú félvezető eszközt érintkezésbe hoznak az érintkezési ponton, az elektronok elkezdenek diffundálni az n-es tartományból a p-régióba, és éppen ellenkezőleg, a „lyukak” a p-régióba. az n-régió. Ez a folyamat időben nem lesz végtelen, hiszen kialakul gátréteg, ami megakadályozza az elektronok és a „lyukak” további diffúzióját.

A félvezetők p-n-érintkezője a vákuumdiódához hasonlóan egyirányú vezetőképességű: ha az áramforrás „+”-ját a p-régióra, az áramforrás „-”-jét pedig az n-régióra kötjük, akkor a blokkoló réteg megsemmisül és a p-n-érintkező áramot vezet, az n-régió elektronjai a p-régióba, a p-régióból pedig „lyukak” az n-régióba (22. ábra). Az első esetben az áramerősség nem nulla, a második esetben az áramerősség nulla. Ez azt jelenti, hogy ha a „-” forrást a p-régióra, a „+” áramforrást pedig az n-régióra csatlakoztatja, akkor a blokkoló réteg kitágul, és nem lesz áram.

Félvezető dióda két p- és n-típusú félvezető érintkezéséből áll. A félvezető diódák kis méretűek és súlyúak, hosszú élettartammal, nagy mechanikai szilárdsággal és nagy hatékonysággal rendelkeznek; hátrányuk az ellenállás hőmérséklettől való függése.

Egy másik félvezető eszközt is használnak a rádióelektronikában: tranzisztor, amelyet 1948-ban találtak fel. A trióda nem egy, hanem két pn átmeneten alapul. A tranzisztor fő alkalmazása gyenge áram- és feszültségjelek erősítőjeként, áram-egyenirányítóként pedig félvezető diódát használnak.

A tranzisztor felfedezése után az elektronika fejlődésének minőségileg új szakasza kezdődött - a mikroelektronika, amely minőségileg más szintre emelte az elektronikus berendezések, kommunikációs rendszerek és automatizálás fejlesztését. A mikroelektronika az integrált áramkörök fejlesztésével és alkalmazási elveivel foglalkozik. Integrált áramkör Az úgynevezett nagyszámú összekapcsolt alkatrész gyűjteménye - tranzisztorok, diódák, ellenállások, összekötő vezetékek, amelyeket egyetlen technológiai eljárással gyártanak. A folyamat eredményeként egy chipen egyszerre több ezer tranzisztor, kondenzátor, ellenállás és dióda, akár 3500 elem is létrejön. A mikroáramkör egyes elemeinek mérete 2-5 mikron lehet, alkalmazásuk hibája nem haladhatja meg a 0,2 mikront. Egy modern számítógép mikroprocesszora, amely a. 6x6 mm méretű szilíciumkristály, több tíz vagy akár több százezer tranzisztort tartalmaz.

A technikában azonban p-n átmenet nélküli félvezető eszközöket is alkalmaznak. Például termisztorok (hőmérséklet mérésére), fotoellenállások (fotórelékben, vészkapcsolókban, TV-k és videomagnók távirányítóiban).

1. definíció

A félvezetőkben a fősávot egy véges ∆ E energiaintervallum választja el a gerjesztett szintek sávjától. A karmester adta a nevet vegyérték, a gerjesztett állapotok zónája pedig az vezetési zóna.

Ha T = 0 K, akkor a vegyértéksáv teljesen ki van töltve. Ebben az esetben a vezetési sáv szabad. Ebből következik, hogy az abszolút nulla közelében a félvezetők nem képesek áramot vezetni. A dielektrikumok és a félvezetők közötti különbség a ∆ E sávszélesség. A félvezetőket akkor tekintjük dielektrikumnak, ha ∆ E > 2 eV.

Félvezetők belső és szennyező vezetőképessége

1. megjegyzés

Ha a hőmérséklet emelkedik, az elektronok elkezdenek energiát cserélni a kristályrács ionjaival. Ez további ≈ k T kinetikus energia beszerzését okozhatja. Mennyisége elegendő ahhoz, hogy az elektronok egy részét átvigye a vezetési sávba. Ott képesek áramot vezetni.

2. definíció

A vegyértéksávban olyan kvantumállapotok szabadulnak fel, amelyeket nem foglalnak el elektronok. Ezeket a feltételeket ún lyukakat. Ők a jelenlegi fuvarozók.

Az elektronok képesek kvantumátmeneteket végrehajtani kitöltetlen állapotokba. Ilyenkor a kitöltött állapotok felszabadulnak, azaz lyukakká válnak. Ennek eredményeként megfigyelhető a lyukak egyensúlyi koncentrációjának megjelenése.

Külső mező hiányában értéke a vezető teljes térfogatában azonos. A kvantumátmenetet a mezővel szembeni mozgása kíséri. Képes csökkenteni a rendszer potenciális energiáját. A tér irányába történő mozgáshoz kapcsolódó átmenet növelheti a rendszer potenciális energiáját. Ha a mezővel szembeni átmenetek száma túlsúlyban van a mező menti átmenetekkel szemben, az áram elkezd folyni a félvezetőn az alkalmazott elektromos tér mozgásának megfelelően. A nyitott félvezetőt az áram áramlása jellemzi, amíg az elektromos tér ki nem kompenzálja a külsőt. A végeredmény ugyanaz, mintha az áramhordozók nem elektronok, hanem pozitív töltésű lyukak lennének. Ebből következik, hogy a félvezetők vezetőképességének két típusa van: az elektronikus és a lyuk.

A fémekben és félvezetőkben az elektronokat tekintik áramhordozónak, míg a lyukakat formálisan vezetik be. A lyukak nem léteznek pozitív töltésű részecskékként. De az elektromos térben való mozgás ugyanaz, mint a pozitív töltésű részecskék klasszikus figyelembevételekor. Az elektronok kis koncentrációja a vezetési sávban és a lyukak a vegyértéksávban lehetővé teszi a klasszikus Boltzmann-statisztika használatát.

Jegyzet 2

A lyuk és az elektronikus vezetőképesség nincs összefüggésben a szennyeződések jelenlétével. Ezt a félvezetők belső elektromos vezetőképességének nevezik.

Ha létezik ideálisan tiszta vezető szennyeződések nélkül, akkor minden egyes hőmozgás vagy fény hatására felszabaduló elektron egy lyuk keletkezésének felelne meg, vagyis az áram létrehozásában részt vevő elektronok és lyukak száma ugyanannyi lenne.

Ideálisan tiszta félvezetők létezése lehetetlen, ezért szükség esetén mesterségesen hozzák létre. Már kis mennyiségű szennyeződés is befolyásolhatja a félvezető tulajdonságainak változását.

Félvezetők szennyezett vezetőképessége

3. definíció

A félvezetők más kémiai elemek atomjainak szennyeződései által okozott elektromos vezetőképességét ún. szennyeződés elektromos vezetőképessége.

Kis mennyiségük jelentősen befolyásolhatja a vezetőképesség növekedését. A fémeknél az ellenkező jelenség fordul elő. A szennyeződések csökkentik a fémek vezetőképességét.

A vezetőképesség szennyeződésekkel való növekedését az magyarázza, hogy a félvezető sávrésben elhelyezkedő félvezetőkben további energiaszintek jelennek meg.

Donor és akceptor szennyeződések

Hagyja, hogy további sávszélesség-szintek jelenjenek meg a vezetési sáv alsó széle közelében. Ha a további energiaszinteket a vezetési sávtól elválasztó intervallum a sávközhöz képest kicsi, akkor a vezetési sávban lévő elektronok száma megnő, ami azt jelenti, hogy magának a félvezetőnek a vezetőképessége nő.

4. definíció

Azokat a szennyeződéseket, amelyek az elektronokat a vezetési sávba mozgatják, donoroknak vagy donor szennyeződéseknek nevezzük. További energiaszinteket ún donor szintek.

5. definíció

Félvezetők donor szennyeződésekkel- Ezek elektronikus vagy n-típusú félvezetők.

6. definíció

Hagyja, hogy egy szennyeződés bevezetése további szintek jelenjenek meg a vegyértéksáv felső széle közelében. Ebben az esetben az elektronok ebből a zónából további szintekre mozognak. A vegyértéksávot lyukak megjelenése jellemzi, amikor megjelenik a vezető lyuk elektromos vezetőképessége. Az ilyen típusú szennyeződéseket ún elfogadó. A bennük található további szinteket ún elfogadó.

7. definíció

Az akceptor szennyeződésekkel rendelkező félvezetőket nevezzük lyuk vagy p-típusú félvezetők. Léteznek vegyes félvezetők.

A félvezető vezetőképességének típusát a Hall-effektus előjele határozza meg.

8. definíció

Ötvözés- Ez a szennyeződések bejuttatásának folyamata. Ha a szennyeződés szintje magas, akkor szétválásuk következik be. A megfelelő energiazónák határainak átfedését a folyamat eredményének tekintjük.

1. példa

Magyarázza meg, hogy a szilíciumkristályrácsban található arzén- és bóratom milyen típusú szennyeződéshez tartozik!

Megoldás

A szilícium egy négyértékű atom, ami azt jelenti, hogy az atom 4 elektront tartalmaz. Az arzén öt vegyértékű, azaz 5-öt tartalmaz, amiből az ötödik a hőmozgás jelenléte miatt leválik. A pozitív arzénion kiszorítja az egyik szilícium atomot a rácsból, és átveszi a helyét. Egy vezetési elektron jelenik meg a rácshelyek között. Ebből következik, hogy az arzén a szilícium donor szennyeződésének minősül.

Ha a bórt a szilícium szennyeződésének tekintjük, egyértelmű, hogy a bóratom külső héja három elektronból áll. A bóratom befog egy negyedik elektront a szilíciumkristály közeli helyéről. Itt jelenik meg a lyuk. A benne megjelenő negatív bórion kiszorítja a szilícium atomot a kristályrácsból, és átveszi a helyét. A lyuk vezetőképességének előfordulásáról beszélnek benne. A bór akceptor szennyeződésnek számít.

Válasz: az arzén donor szennyeződés, a bór akceptor szennyeződés.

2. példa

A fémből a félvezetőbe és fordítva áramló hőelemek vannak megadva. Magyarázza el, miért történik ez.

Megoldás

Megállapodás szerint az elektron- és lyukvezetés a forró csomópontban történik. Ennek az az oka, hogy az elektronikus félvezető magas hőmérsékletű végén az elektronok sebessége sokkal nagyobb, mint a hideg végén. Ebből következik, hogy az elektronok a töltések újraeloszlása ​​miatt képesek átmenni a meleg végről a hideg végre, mielőtt elektromos tér keletkezne, és nem akadályozza meg a diffundáló elektronok áramlását.

Csak az egyensúlyi állapot létrejötte után, a forró véghez, amely elvesztette az összes elektront, pozitív töltéseket, a hideg véghez negatív töltéseket rendelünk. Pozitív előjellel megállapítható, hogy a meleg és a hideg végek között potenciálkülönbség van.

A lyukas félvezetőt a fordított folyamat jellemzi. A diffúzió a meleg végtől a hideg felé halad, az első végén negatív, a hideg végén pedig pozitív töltésű. Azt tapasztaljuk, hogy a potenciálkülönbségek negatív értékűek, ellentétben az elektronikus félvezetőkkel.

Ha hibát észlel a szövegben, jelölje ki, és nyomja meg a Ctrl+Enter billentyűkombinációt