Ka gjysmëpërçues të brendshëm dhe të papastër. Këto përfshijnë gjysmëpërçues të pastër (d.m.th., gjysmëpërçues pa papastërti ose me një përqendrim papastërtie aq të ulët sa nuk ndikon ndjeshëm në përçueshmërinë e gjysmëpërçuesit). Përçueshmëria quhen gjysmëpërçues të tillë të pastër vet.

Në gjysmëpërçuesit e dopuar, vetitë elektrike përcaktohen nga papastërtitë e futura artificialisht në sasi shumë të vogla. Për shembull, futja e vetëm 0.001% bor në silikon rrit përçueshmërinë e tij në temperaturën e dhomës me rreth 1000 herë.

Përçueshmëria e gjysmëpërçuesve të shkaktuar nga papastërtitë quhet përçueshmëria e papastërtive.

Figura 5a tregon brezat e energjisë së gjysmëpërçuesit të brendshëm në T=0.

Brezi i valencës është plotësisht i mbushur me elektrone, brezi i përcjelljes është plotësisht i lirë. Niveli Fermi ndodhet në mes të hendekut të brezit. Në T=0 nuk ka lëvizje termike dhe fusha elektrike nuk mund të transferojë elektrone nga brezi i valencës në brezin e përcjelljes, kështu që gjysmëpërçuesit e brendshëm sillen në T=0 si dielektrikët.

Në një temperaturë T> 0, disa elektrone nga nivelet e sipërme të brezit të valencës lëvizin në nivelet më të ulëta të përçueshmërisë për shkak të energjisë së lëvizjes termike (Fig. 5b). Nëse aplikoni një fushë elektrike të jashtme, elektronet e brezit të përcjelljes do të lëvizin dhe do të krijojnë një rrymë elektrike. Elektronet e brezit të përcjelljes pjesërisht të mbushur janë bartës të ngarkesës negative. Kjo përçueshmëri e gjysmëpërçuesve quhet elektronike.

Fig.5. Diagramet energjetike të një gjysmëpërçuesi të brendshëm

a – në T=0; b – në T>0

Energjia që duhet t'i jepet një gjysmëpërçuesi në mënyrë që elektronet të mund të kalojnë hendekun e brezit quhet energji aktivizimi. Pas heqjes së disa elektroneve nga nivelet e sipërme të brezit të valencës, në të krijohen boshllëqe ose vrima, të cilat sillen në një fushë të jashtme si grimca me ngarkesë pozitive. Vrimat janë bartës të ngarkesës pozitive në gjysmëpërçuesit. Në një fushë elektrike të jashtme, vrimat lëvizin në drejtim të kundërt me elektronet. Ky lloj përçueshmërie quhet përçueshmëri vrimash. Kështu, gjysmëpërçuesit e brendshëm shfaqin dy lloje përçueshmërie: elektron dhe vrimë.

Procesi i formimit të çifteve elektron-vrima quhet brezi transportuesit.

Në të njëjtën kohë, ndodh procesi i kundërt, i quajtur rikombinim kur një elektron kthehet nga brezi i përcjelljes në brezin e valencës. Në këtë rast, dy bartës të ngarkesës përjashtohen nga përçueshmëria e kristalit: një elektron dhe një vrimë.

Në një gjysmëpërçues të brendshëm, në çdo temperaturë, vendoset një ekuilibër midis proceseve të gjenerimit dhe rikombinimit, në të cilin përqendrimet e elektroneve dhe vrimave janë të barabarta.

4. Përçueshmëria e papastërtive e gjysmëpërçuesve

Përçueshmëria e papastërtive ndodh nëse disa atome në vendet e rrjetës së gjysmëpërçuesve zëvendësohen nga atome, valenca e të cilëve ndryshon me një nga valenca e atomeve kryesore.

Figura 6 tregon në mënyrë konvencionale një grilë germanium. Ajo ka një grilë të llojit diamanti në të cilën çdo atom është i rrethuar nga katër fqinjët e tij më të afërt të lidhur me të nga lidhjet valore.

Fig.6. Modeli i grilës së sheshtë të germaniumit

Le të supozojmë se disa nga atomet e germaniumit zëvendësohen me atome arseniku pesëvalent (Fig. 7). Për të krijuar lidhje me katër fqinjët më të afërt, atomi i arsenikut përdor 4 elektrone valente (Fig. 7a). Elektroni i pestë nuk merr pjesë në formimin e lidhjeve. Është më i dobët i lidhur me atomin e tij. Energjia e tij lidhëse është
=0,015 eV. Kur një energji e tillë i jepet një elektroni, ai shkëputet nga atomi dhe fiton aftësinë për të lëvizur lirshëm në rrjetën e germaniumit, duke u shndërruar kështu në një elektron përçues. Në gjuhën e teorisë së brezit, ky proces mund të përfaqësohet si më poshtë. Midis brezit të valencës së mbushur dhe brezit përçues të germaniumit të pastër ekziston një nivel i ngushtë energjie i elektroneve të valencës së arsenikut (Fig. 8) direkt në fund të brezit të përcjelljes, në një distancë prej tij
=0,015 eV. Quhet niveli i papastërtisë. Kur u jepet një nivel energjie papastërtie elektroneve
=0,015 eV lëvizin në brezin e përcjelljes. Ngarkesat pozitive të formuara në këtë rast lokalizohen në atomet e palëvizshme të arsenikut dhe nuk krijohen vrima.

Papastërtitë që janë burime të elektroneve përçuese quhen dhurues dhe nivelet e këtyre papastërtive quhen nivele dhuruese..

Le të supozojmë tani se në rrjetën e germaniumit disa nga atomet zëvendësohen me atome indiumi trivalent (Fig. 9a).

Për të formuar lidhje me katër fqinjët më të afërt, atomit të indiumit i mungon një elektron. Mund të "huazohet" nga atomi i germaniumit.

Llogaritjet tregojnë se kjo kërkon një shpenzim energjie të rendit 0,015 eV. Lidhja (vrima) e thyer në figurën 9b nuk mbetet e lokalizuar, por lëviz në rrjetën e germaniumit si një ngarkesë pozitive e lirë "+e". Figura 10 tregon brezat e energjisë të germaniumit që përmban një papastërti të indiumit. Direkt në skajin e sipërm të brezit të valencës së mbushur në një distancë
=0,015 eV janë të vendosura nivelet e energjisë së paplotësuar të atomeve të indiumit. Afërsia e këtyre niveleve me brezin e valencës së mbushur çon në faktin se edhe në temperatura relativisht të ulëta, elektronet nga brezi i valencës lëvizin në nivelet e papastërtive. Kur ata lidhen me atomet e indiumit, ata humbasin aftësinë për të lëvizur në rrjetën e germaniumit dhe nuk marrin pjesë në përçueshmëri (elektronet kapen nga papastërtia). Transportuesit aktualë janë vetëm vrima që shfaqen në brezin e valencës.

Papastërtitë që kapin elektrone nga brezi i valencës quhen pranues, dhe nivelet e energjisë së këtyre papastërtive quhen nivele pranuese..

Kështu, në ndryshim nga përçueshmëria e brendshme, e cila kryhet njëkohësisht nga elektronet dhe vrimat, përçueshmëria e papastërtisë shkaktohet kryesisht nga bartës të së njëjtës shenjë: elektronet në rastin e përçueshmërisë së dhuruesit dhe vrimat në rastin e përçueshmërisë së pranuesit. Këto media quhen kryesore.

Përveç tyre, gjysmëpërçuesi përmban jo-thelbësore transportuesit e ngarkesave të shkaktuara nga kalimi i elektroneve nga brezi i valencës në brezin e përcjelljes; gjysmëpërçues elektronik - vrima, gjysmëpërçues vrimash - elektrone. Përqendrimi i transportuesve pakicë është zakonisht dukshëm më i ulët se përqendrimi i transportuesve kryesorë.

Vetëpërçueshmëria

Le të shqyrtojmë teorinë kuantike të përçueshmërisë së substancave të ndryshme. Le t'ju kujtojmë se përçueshmëriështë aftësia e transportuesve të ngarkesës për të kryer lëvizje të drejtuara sipas fushës elektrike të aplikuar (bartës të ngarkesës negative kundër fushës, bartës të ngarkesës pozitive përgjatë fushës). Në rastin e substancave gjysmëpërçuese, dy lloje të përcjellshmërisë janë të mundshme, në varësi të pastërtisë së përbërjes kimike të substancës.

Të dallojë vet Dhe papastërtitë gjysmëpërçuesit. Këto përfshijnë gjysmëpërçues kimikisht të pastër, domethënë gjysmëpërçues që përmbajnë atome (ose molekula) të vetëm një lloji dhe nuk kanë përfshirje të huaja. Vetëm në gjysmëpërçues të tillë përçueshmëri e brendshme.

Përçueshmëria e brendshme ndodh kur elektronet lëvizin nga nivelet e sipërme të brezit të valencës në brezin e përçueshmërisë nëse marrin energji shtesë të mjaftueshme, e cila është e barabartë me (ose pak më e madhe se) hendeku i brezit P.sh. Kjo energji, siç u përmend tashmë në leksionin 9, mund të merret nga një elektron si rezultat i dridhjeve termike të rrjetës ose nën ndikimin e një kuanti të lehtë. hν.

Oriz. 12.1. Përçueshmëria e brendshme e një gjysmëpërçuesi

Meqenëse energjia e dridhjeve termike, si rregull, është shumë më e vogël se energjia e një kuantike të lehtë, çfarë lloj energjie do të shkaktojë shfaqjen e përçueshmërisë varet nga hendeku i brezit të kristalit. Kalimi i një elektroni në brezin e përcjelljes korrespondon me lindjen dy grimca të lira: një elektron, energjia e të cilit rezulton të jetë e barabartë me një nga vlerat e lejuara nga brezi i përcjelljes, si dhe një vrimë, energjia e së cilës është e barabartë me një nga vlerat e brezit të valencës. Këto grimca janë bartës të rrymës, dhe elektronet dhe vrimat kontribuojnë në përçueshmëri. Nëse një ndryshim potencial aplikohet në një kristal të tillë, të dy elektronet dhe vrimat mund të lëvizin përgjatë gjithë kampionit. Ky fenomen është diskutuar tashmë në leksionin e dytë, ai quhet efekti i brendshëm fotoelektrik.

Ju mund të gjeni përçueshmërinë elektrike të një substance të caktuar. Për ta bërë këtë, ne do të përdorim shpërndarjen e energjisë së elektroneve dhe vrimave (shih seksionin 10). Meqenëse elektronet dhe vrimat janë fermione, d.m.th. grimcat me rrotullim gjysmë të plotë, që do të thotë se ato i binden statistikave të Fermi-Dirac:

(12.1)

Parametri E F quhet Energjia e Fermit. Niveli Fermi është një nivel virtual që korrespondon me mesin midis të gjitha gjendjeve të okupuara dhe të lira, me kusht që të ketë të njëjtin numër të të dyjave. Idealisht, të gjitha nivelet e lira janë të vendosura mbi nivelin e Fermit, të gjitha nivelet e zëna janë të vendosura më poshtë. Megjithatë, në kristalet reale një nivel i lirë mund të jetë më i ulët se niveli i Fermit nëse ka një nivel të zënë nga një elektron mbi nivelin e Fermit. Për metalet, niveli Fermi është në brezin e përcjelljes. Për gjysmëpërçuesit e brendshëm (d.m.th. të pastër), energjia Fermi në temperaturën e dhomës korrespondon afërsisht me mesin e hendekut të brezit, prandaj:

(12.2)

Ku P.sh– gjerësia e hendekut të brezit.

Numri i elektroneve të transferuara në brezin e përcjelljes (si dhe vrimat e mbetura në brezin e valencës) do të jetë proporcional me probabilitetin që elektroni të ketë energjinë përkatëse:

Përçueshmëria padyshim varet nga numri i transportuesve të lirë të rrymës, domethënë, gjithashtu rezulton të jetë proporcional me funksionin f(E):

(12.4)

ose (12.5)

Mund të shihet se përçueshmëria elektrike e gjysmëpërçuesve të brendshëm rritet në mënyrë eksponenciale me temperaturën (Fig. 12.2). Duke matur përçueshmërinë elektrike të një gjysmëpërçuesi në temperatura të ndryshme, mund të përcaktohet hendeku i brezit. Në koordinatat gjysmëlogaritmike (si në figurën 12.2), tangjentja e këndit të prirjes së drejtëzës do të jetë proporcionale P.sh.

Oriz. 12.2. Varësia e përçueshmërisë elektrike

gjysmëpërçues i brendshëm në temperaturë

Le të kujtojmë se përçueshmëria elektrike e metaleve zvogëlohet në mënyrë lineare me rritjen e temperaturës. Ky ndryshim shpjegohet me faktin se natyra e përçueshmërisë në gjysmëpërçues dhe metale është thelbësisht e ndryshme.

Përçueshmëria e papastërtive

Vetitë elektrike dhe optike gjysmëpërçuesit e papastërtive varen nga papastërtitë natyrore ose të futura artificialisht. Natyrisht, për të kontrolluar në mënyrë efektive vetitë e një materiali, është i nevojshëm një kontroll i rreptë i sasisë së papastërtisë në përbërjen e substancës dopingu. Krijimi i një përqendrimi të caktuar të një papastërtie është një detyrë mjaft e vështirë, por e realizueshme. Duhet të kuptohet se disa substanca në mënyrë të pashmangshme përmbajnë një sasi të papastërtisë natyrore. Në raste të tilla, ndikimi i tij në vetitë optike dhe elektrike të materialit duhet të studiohet dhe më pas të merret parasysh.

Le të shqyrtojmë mekanizmin e përçueshmërisë së papastërtive duke përdorur shembullin e gjysmëpërçuesve klasikë Ge, Dhe Si. Të dy elementët janë katërvalent, dhe atomet në kristal janë të lidhur nga forcat kovalente. Kjo do të thotë se çdo atom në rrjetë është i rrethuar dhe i lidhur me katër atome të ngjashme duke ndarë një palë elektrone.

Oriz. 12.3. Rrafshoni imazhin e një grilë kristali

kristal ideal 4 valent

Nëse kristali është ideal, atëherë të gjitha lidhjet rreth atomit janë të ngopura - nuk kanë vende të lira dhe nuk ka elektrone të lira në hapësirën midis atomeve (Fig. 12.3).

Le të supozojmë se në vend të një prej atomeve kryesore, një atom valenca e të cilit është një njësi më e lartë (atomi i fosforit) futet në kristal. P në kristal Ge). 4 nga 5 elektronet e fosforit do të shpërndahen midis atomeve fqinje të germaniumit, dhe elektroni i pestë do të mbetet afër për shkak të një lidhjeje mjaft të dobët (Fig. 12.4).

Oriz. 12.4. Rrafshoni imazhin e një grilë kristali

Ge me përzierje fosfori 5-valent

Kjo lidhje mund të prishet lehtësisht duke ngrohur kristalin ose duke e ndriçuar atë. Elektroni i shkëputur do të jetë i lirë dhe, kur aplikohet një diferencë potenciale, do të jetë në gjendje të lëvizë në drejtimin e duhur. Një papastërti që shton elektrone të lira në një kristal quhet donator.

Në diagramin e energjisë, papastërtia e dhuruesit do të korrespondojë me një nivel të vendosur në një distancë të caktuar nga fundi i brezit të përcjelljes. Distanca midis nivelit të papastërtisë dhe brezit të përcjelljes është në proporcion me energjinë E papastërti, e cila është e nevojshme për heqjen e një elektroni të papastërtisë nga atomi mëmë, d.m.th. për ta transferuar elektronin në gjendje të lirë (Fig. 12.6 a). Fakti i shkëputjes së elektronit nga atomi i tij dhe kalimi i tij në një gjendje të lirë nënkupton kalimin e elektronit në brezin e përcjelljes. Niveli i dhuruesit, i lëshuar në këtë rast, mund të kapë më pas çdo elektron të lirë për ca kohë - domethënë, lidhja e varur e fosforit mund të shërbejë si një ruajtje afatshkurtër e elektroneve.

Pra, si rezultat, marrim një elektron përçues, dhe ndryshe nga përçueshmëria e brendshme (shih më lart), një vrimë e lirë nuk formohet. Në këtë rast, kontributi në rrymën e regjistruar do të bëhet kryesisht nga elektronet, të cilët janë bartësit kryesorë të ngarkesës në një gjysmëpërçues të tillë, dhe vrimat - ato pakicë. Lloji i përçueshmërisë në një kristal të tillë quhet elektronik ose n-lloj, dhe vetë kristali merr statusin e një kristali me përçueshmëri elektronike ose kristal n-lloj.

Nëse një papastërti trevalente futet në një kristal tetravalent, atëherë një nga katër lidhjet e atomit që ndodhet pranë papastërtisë do të jetë e pangopur për shkak të mungesës së elektronit të 4-të (Fig. 12.5). Një vend i tillë i lirë (vrimë) kap lehtësisht një elektron nga një vend fqinj - kjo korrespondon me kalimin e vrimës në një gjendje të lirë.

Oriz. 12.5. Rrafshoni imazhin e një grilë kristali

Si me papastërti të borit 3 valent

Kur një ndryshim potencial aplikohet në kristal, vrima lëviz në të njëjtën mënyrë si një elektron përçues, vetëm në drejtim të kundërt. Kështu, një kristal me një papastërti të llojit të treguar do të ketë përçueshmëria e llojit të vrimës ose të quhet kristal fq-lloj. Në diagramin energjetik paraqitja e një papastërtie, e cila në këtë rast quhet pranues, do të reflektohet nga shfaqja e një niveli në hendekun e brezit pranë majës së brezit të valencës sipër E papastërti. Një elektron do të kapet në këtë nivel nga një nivel i zënë në brezin e valencës, në të cilin do të mbetet një vrimë e lirë (Fig. 12.6 b).

Oriz. 12.6. Përçueshmëria e papastërtive: a) elektronike, b) vrima

Është e qartë se në kristalet me përçueshmëri të tipit p, vetëm vrimat janë të lira, nuk shfaqen pa energji shtesë. Vrimat janë bartësit kryesorë të ngarkesës, dhe elektronet janë bartës të pakicës së ngarkesës. Rrjedhimisht, rryma do të përfaqësojë një lëvizje të urdhëruar të vrimave kryesisht (drejtimi i lëvizjes së tyre përkon me drejtimin e rrymës).

Specifikimi i papastërtive të dhuruesit dhe pranuesit është i tillë që nivelet e tyre në diagramin e energjisë mund të vendosen në lidhje me brezat vetëm në një mënyrë të caktuar: papastërtitë e dhuruesit japin nivele në pjesën e sipërme të hendekut të brezit, papastërtitë e pranuesit në pjesën e poshtme. Shfaqja e një papastërtie në përbërjen kristalore çon në një ndryshim në pozicionin e nivelit të Fermit (shih më lart).

Në veçanti, për një kristal me një papastërti dhuruese niveli E F ngrihet lart për një kristal me papastërti pranuese, ai lëviz poshtë (Fig. 12.6). Niveli Fermi është një karakteristikë e rëndësishme e një gjysmëpërçuesi në veçanti, teoria nuk mund të bëjë pa përdorimin e këtij koncepti p-n tranzicionet.

Le të shtojmë se gjatë përgatitjes së një kristali me përçueshmëri papastërtie, atome të valencave të tjera mund të përdoren gjithashtu si papastërti e futur. Pastaj diferenca e valencës tregon se sa bartës të lirë të ngarkesës (elektrone ose vrima) sjell çdo atom papastërti në kristal.

Për të marrë përçueshmëri të lartë elektrike të një materiali, është e nevojshme të ketë një të lartë përqendrimet e bartësit të ngarkesës(numri i bartësve të ngarkesës për njësi vëllimi të kristalit). Kjo arrihet me futjen e kontrolluar të llojit të dëshiruar të papastërtisë. Teknologjitë moderne bëjnë të mundur marrjen parasysh të numrit të atomeve të futura fjalë për fjalë individualisht. Ju mund të matni përqendrimin e transportuesve të ngarkesës, si dhe të përcaktoni llojin e tyre (elektroni ose vrima), duke përdorur efektin Hall (shih kursin për elektromagnetizmin).

Në përgjithësi, përçueshmëria e një materiali gjysmëpërçues përbëhet nga përçueshmëria e brendshme dhe e papastërtisë:

(12.6)

Përçueshmëria e papastërtive, si përçueshmëria e brendshme, ka një varësi eksponenciale nga temperatura.

(12.7)

Në temperatura relativisht të ulëta, rolin kryesor e luan përçueshmëria e papastërtive (Fig. 12.7 seksioni I). Nga pjerrësia e varësisë së drejtpërdrejtë të përçueshmërisë nga temperatura në koordinatat semilogarithmike, mund të përcaktohet energjia e aktivizimit të papastërtisë. E papastërti, sepse tgα përafërsishtështë proporcionale me thellësinë e nivelit të papastërtisë në hendekun e brezit.

Me rritjen e temperaturës, kur të gjithë atomet e papastërtive janë përfshirë tashmë, në një interval të caktuar temperaturash përçueshmëria mbetet konstante (Fig. 12.7 seksioni II).

Oriz. 12.7. Varësia e përçueshmërisë elektrike gjysmëpërçuese nga temperatura

Duke u nisur nga temperatura e aktivizimit të përçueshmërisë së vet, vërehet sërish një rënie e rezistencës së materialit (Fig. 12.7 seksioni III). Tangjentja e këndit të prirjes së seksionit përkatës tgα sobështë proporcionale me energjinë e aktivizimit të përçueshmërisë së vetë gjysmëpërçuesit, d.m.th. gjerësia e hendekut të brezit të saj.

Gjysem percjellesit- materiale që, për nga përçueshmëria e tyre specifike, zënë një pozicion të ndërmjetëm midis përçuesve dhe dielektrikëve. Në natyrë, ato ekzistojnë në formën e elementeve (4,5,6 grupe), për shembull, Si, Ge, As, Se dhe komponimet kimike të sulfideve, oksideve, etj.

Të dallojë vetjak (i ​​pastër) dhe papastërti gjysmëpërçuesit.

Kur nxehet në një temperaturë T >0 K, si dhe me ndriçim ose rrezatim, lidhjet elektronike (kovalente) mund të thyhen, gjë që çon në formimin e elektroneve të lira Në pikën ku lidhja kovalente prishet, një vend i lirë për shfaqet një elektron - një vrimë, e cila korrespondon me një ngarkesë pozitive. Vrima mund të jetë e zënë ose nga elektronet nga lidhjet kovalente fqinje ose nga një elektron i lirë. Si rezultat, ajo fillon të lëvizë rreth kristalit. Me rritjen e temperaturës, numri i elektroneve të lira rritet (më shumë lidhje janë thyer) dhe, në përputhje me rrethanat, vrimat.

Kur një fushë elektrike krijohet në një gjysmëpërçues të tillë duke e lidhur atë me një qark elektrik përçues, do të ndodhë një lëvizje e drejtuar e elektroneve dhe vrimave, domethënë do të rrjedhë një rrymë elektrike.

Kështu, në gjysmëpërçuesit e pastër në kushte normale ka gjithmonë një numër të barabartë elektronesh dhe vrimash të lira, të cilat përcaktojnë përçueshmëria elektrike natyrore e një gjysmëpërçuesi. Përçueshmëria e brendshme është përçueshmëria e gjysmëpërçuesve të brendshëm (të pastër) (Ge, Se, GaAs).

Nga pikëpamja teoria kuantike (banda). gjysmëpërçuesit kanë, përveç një brezi valence (I) dhe një brez përçues (3). hendeku i brezit (2), vlerën energjetike të së cilës elektronet nuk mund ta kenë.

Në T = 0 K, brezi i valencës është i mbushur plotësisht me elektrone dhe hendeku i brezit , është i vogël, nivelet e energjisë së brezit të përçueshmërisë janë të lira. Nëse elektronet marrin energji kur një gjysmëpërçues nxehet ose energji nga një fushë elektromagnetike , Kur rrezatohen me dritë ose rrezatim radioaktiv, elektronet janë në gjendje të lëvizin në brezin e përcjelljes (Figura 3) duke u bërë të lirë. Në këtë rast, vrimat shfaqen në brezin e valencës Një gjysmëpërçues është i aftë të përçojë rrymën, bartësit e të cilit do të jenë elektronet dhe vrimat. Nuk ka kontradikta midis koncepteve klasike dhe atyre kuantike.

Pra, rryma e brendshme e përçueshmërisë së një gjysmëpërçuesi përbëhet nga rryma e elektroneve dhe vrimave.

Përçueshmëria e papastërtive e gjysmëpërçuesve

Në varësi të natyrës së papastërtisë, përçueshmëria e papastërtive mund të jetë e dy llojeve: n-lloj - elektronik, p-lloj - vrimë. përçueshmëri e tipit n formohet kur gjysmëpërçuesi kryesor (për shembull, silikoni) ) shtohet një sasi e vogël e një papastërtie që ka një valencë të lartë (për shembull, arseniku). Pastaj, kur ndërtohet një rrjetë kristalore, atomi i papastërtisë do të ketë një elektron shtesë. Elektrone të papastërtive do t'u shtohen elektroneve të përçueshmërisë së brendshme. Por për këtë arsye, përqendrimi i elektroneve do të jetë shumë më i madh se ai i vrimave. Shumica e bartësve të rrymës do të jenë elektrone (ka shumë prej tyre), dhe bartësit e pakicës do të jenë vrima (ka pak prej tyre). Kjo përçueshmëri e një gjysmëpërçuesi papastërti quhet e tipit n (elektronike), pasi papastërtia është një dhurues (furnizues) i elektroneve. Në rastin kur papastërtia ka një valencë më të ulët se gjysmëpërçuesi kryesor (për shembull, silikoni Si) me bor B, atëherë kur ndërtohet një rrjetë, atomeve të borit do t'u mungojë një elektron. Do të shfaqet një vrimë lidhëse e paplotësuar. Në një gjysmëpërçues papastërti, përqendrimi i vrimave do të jetë dukshëm më i madh se ai i elektroneve. Ky lloj i përcjellshmërisë së papastërtive quhet lloji p (vrima), meqenëse papastërtia është një grumbullues (pranues) i elektroneve. Prania edhe e një sasie të vogël papastërtie rrit përçueshmërinë e një gjysmëpërçuesi me miliona herë, kështu që rryma në një gjysmëpërçues papastërti krijohet kryesisht nga elektronet ose nga vrimat.

Teoria kuantike shpjegon formimin e gjysmëpërçuesve të papastërtive nga pozicionet e ndryshme të niveleve energjetike të dhuruesve dhe pranuesve (papastërtive) në lidhje me brezin e valencës (1) të përçueshmërisë (3) në kristalin gjysmëpërçues. Nivelet e energjisë së donatorëve janë afër në nivelet e brezit të përcjelljes. Elektronet kalojnë lehtësisht në të pa formuar vrima në brezin e valencës. Bartësit e shumicës do të jenë elektronet (n-lloji). Nivelet e energjisë së pranuesit shtrihen më afër brezit të valencës, kështu që është e lehtë që elektronet në brezin e valencës ta lënë atë, duke formuar vrima në të. Bartësit kryesorë do të jenë vrimat (përçueshmëria e tipit p).

Diodat gjysmëpërçuese

Çdo pajisje gjysmëpërçuese ka një ose më shumë nyje elektron-vrima. Një kryqëzim elektron-vrimë (ose kryqëzim n-p) është zona e kontaktit midis dy gjysmëpërçuesve me lloje të ndryshme përçueshmërie. Kur dy gjysmëpërçues të tipit n dhe p vijnë në kontakt, fillon një proces difuzioni: vrimat lëvizin nga rajoni p në rajonin n dhe elektronet, përkundrazi, nga rajoni n në rajonin p. Si rezultat, në rajonin n pranë zonës së kontaktit përqendrimi i elektronit zvogëlohet dhe shfaqet një shtresë e ngarkuar pozitivisht. Në rajonin p, përqendrimi i vrimës zvogëlohet dhe shfaqet një shtresë e ngarkuar negativisht. Kështu, në ndërfaqen e gjysmëpërçuesve formohet një shtresë elektrike e dyfishtë, fusha e së cilës pengon procesin e difuzionit të elektroneve dhe vrimave drejt njëra-tjetrës (Fig. 1.14.1). Rajoni kufitar midis gjysmëpërçuesve me lloje të ndryshme përçueshmërie (e ashtuquajtura shtresa bllokuese) zakonisht arrin një trashësi të rendit të dhjetëra dhe qindra distancave ndëratomike. Ngarkesat hapësinore të kësaj shtrese krijojnë një tension bllokues U z midis rajoneve p- dhe n

Kryqëzimi n-p ka vetinë e mahnitshme të përçueshmërisë njëkahëshe.

Formimi i një shtrese bllokuese me kontaktin e gjysmëpërçuesve të tipit p dhe n

Nëse një gjysmëpërçues i kryqëzimit n-p lidhet me një burim rrymë në mënyrë që poli pozitiv i burimit të lidhet me rajonin n dhe poli negativ me rajonin p, atëherë forca e fushës në shtresën bllokuese rritet. Vrimat në rajonin p dhe elektronet në rajonin n do të zhvendosen larg nga kryqëzimi n-p, duke rritur kështu përqendrimet e bartësve të pakicës në shtresën bllokuese. Praktikisht nuk ka rrymë që rrjedh nëpër kryqëzimin n-p. Tensioni i aplikuar në kryqëzimin n–p në këtë rast quhet i kundërt. Rryma e kundërt shumë e parëndësishme është vetëm për shkak të përçueshmërisë së brendshme të materialeve gjysmëpërçuese, d.m.th., pranisë së një përqendrimi të vogël të elektroneve të lira në rajonin p dhe vrimave në rajonin n.

Nëse një kryqëzim n–p lidhet me një burim në mënyrë që poli pozitiv i burimit të lidhet me rajonin p, dhe poli negativ me rajonin n, atëherë forca e fushës elektrike në shtresën bllokuese do të ulet, gjë që lehtëson kalimin e bartësve të shumicës përmes shtresës së kontaktit. Vrimat nga rajoni p dhe elektronet nga rajoni n, duke lëvizur drejt njëri-tjetrit, do të kalojnë kryqëzimin n-p, duke krijuar një rrymë në drejtimin përpara. Rryma përmes kryqëzimit n–p në këtë rast do të rritet me rritjen e tensionit të burimit.

Aftësia e një kryqëzimi n-p për të kaluar rrymë në pothuajse vetëm një drejtim përdoret në pajisjet e quajtura diodat gjysmëpërçuese. Diodat gjysmëpërçuese janë bërë nga kristale silikoni ose germanium. Gjatë prodhimit të tyre, një papastërti shkrihet në një kristal me një lloj përçueshmërie të caktuar, duke siguruar një lloj tjetër përçueshmërie.

Diodat gjysmëpërçuese përdoren në ndreqës për konvertim rrymë alternative të përhershme.

Përçueshmëria elektrike etj-Tranzicioni varet fuqimisht nga temperatura, kështu që rryma e kundërt rritet me rritjen e temperaturës:

Kështu, kryqëzim n-p ka përçueshmëri elektrike njëkahëshe. Kjo është prona e saj kryesore, e cila futet baza e pajisjes dhe parimi i funksionimit të një diode gjysmëpërçuese.

Dioda është një bashkim elektron-vrimë, i mbrojtur nga drita dhe rrezatimi elektromagnetik nga një shtresë metalike dhe ka një ftohës për stabilizimin e temperaturës.

Pro: efikasitet i lartë (98%), jetë e gjatë shërbimi, qëndrueshmëri.

Disavantazhet: varet nga temperatura.

6. . 7. . 8. .

Gjysem percjellesit- këto janë substanca, rezistenca e të cilave zvogëlohet me rritjen e temperaturës, praninë e papastërtive dhe ndryshimet në ndriçim. Në këto veti ato janë jashtëzakonisht të ndryshme nga metalet. Në mënyrë tipike, gjysmëpërçuesit përfshijnë kristale në të cilat kërkohet një energji prej jo më shumë se 1.5-2 eV për të lëshuar një elektron. Gjysmëpërçuesit tipikë janë kristalet e germaniumit dhe silikonit, në të cilët atomet janë të bashkuar nga një lidhje kovalente. Natyra e kësaj lidhjeje na lejon të shpjegojmë vetitë karakteristike të përmendura më sipër. Kur gjysmëpërçuesit nxehen, atomet e tyre jonizohen. Elektronet e lëshuara nuk mund të kapen nga atomet fqinje, pasi të gjitha lidhjet e tyre valore janë të ngopura. Elektronet e lira nën ndikimin e një fushe elektrike të jashtme mund të lëvizin në kristal, duke krijuar rryma elektronike përçueshmëri. Heqja e një elektroni nga shtresa e jashtme e një prej atomeve në rrjetën kristalore rezulton në formimin e një joni pozitiv. Ky jon mund të neutralizohet duke kapur një elektron. Më tej, si rezultat i kalimit të elektroneve të lidhur nga atomet në jonet pozitive, ndodh një proces i lëvizjes kaotike në kristalin e vendit me elektronin që mungon - një "vrimë". Nga jashtë, ky proces i lëvizjes kaotike të elektroneve të lidhur perceptohet si lëvizja e një ngarkese pozitive. Kur një kristal vendoset në një fushë elektrike, ndodh një lëvizje e urdhëruar e "vrimave" - ​​rryma e përcjelljes së vrimës.

Në një kristal ideal, rryma krijohet nga një numër i barabartë elektronesh dhe "vrimash". Ky lloj përçueshmërie quhet përçueshmëri vetjake gjysmëpërçuesit. Ndërsa temperatura (ose ndriçimi) rritet, përçueshmëria e brendshme e përcjellësve rritet.

Përçueshmëria e gjysmëpërçuesve ndikohet shumë nga papastërtitë. Ka papastërti dhuruese dhe pranuese. Papastërtia e donatorëveështë një papastërti me një valencë më të madhe se ajo e kristalit. Kur shtohet një papastërti e tillë, elektrone shtesë të lira formohen në gjysmëpërçues. Prandaj papastërtia quhet dhuruese. Përçueshmëria elektronike mbizotëron dhe quhet një gjysmëpërçues gjysmëpërçues i tipit n. Për shembull, për silikonin me valencë n = 4, papastërtia e dhuruesit është arseniku me valencë n = 5. Çdo atom i papastërtisë së arsenikut do të rezultojë në formimin e një elektroni përçues.

Papastërtia e pranuesitështë një papastërti me valencë më të ulët se ajo e kristalit. Kur shtohet një papastërti e tillë, një numër shtesë "vrimash" formohen në gjysmëpërçues. Përçueshmëria "vrima" mbizotëron, dhe gjysmëpërçuesi quhet gjysmëpërçues i tipit p. Për shembull, për silikonin papastërtia pranuese është indium me valencë n = 3. Çdo atom indium do të çojë në formimin e një "vrime" shtesë.

Parimi i funksionimit të shumicës së pajisjeve gjysmëpërçuese bazohet në vetitë kryqëzim pn. Kur dy pajisje gjysmëpërçuese të tipit p dhe të tipit n vihen në kontakt në pikën e kontaktit, elektronet fillojnë të shpërndahen nga rajoni n në rajonin p, dhe "vrimat", përkundrazi, nga p-në rajoni n. Ky proces nuk do të jetë i pafund në kohë, pasi do të formohet shtresa penguese, e cila do të parandalojë përhapjen e mëtejshme të elektroneve dhe "vrimave".

P-n-kontakti i gjysmëpërçuesve, si një diodë vakumi, ka përçueshmëri të njëanshme: nëse lidhni "+" të burimit aktual me rajonin p dhe "-" të burimit aktual me rajonin n, atëherë shtresa bllokuese do të shkatërrohet dhe kontakti p-n do të përçojë rrymën, elektronet nga rajoni n do të shkojnë në rajonin p dhe "vrimat" nga rajoni p në rajonin n (Fig. 22). Në rastin e parë, rryma nuk është zero, në të dytën, rryma është zero. Kjo do të thotë që nëse lidhni burimin "-" me rajonin p, dhe burimin aktual "+" me rajonin n, atëherë shtresa bllokuese do të zgjerohet dhe nuk do të ketë rrymë.

Diodë gjysmëpërçuese përbëhet nga një kontakt ndërmjet dy gjysmëpërçuesve të tipit p dhe n. Diodat gjysmëpërçuese janë të vogla në madhësi dhe peshë, kanë një jetë të gjatë shërbimi, forcë të lartë mekanike dhe efikasitet të lartë; disavantazhi i tyre është varësia e rezistencës nga temperatura.

Një pajisje tjetër gjysmëpërçuese përdoret gjithashtu në radio elektronike: tranzistor, e cila u shpik në vitin 1948. Trioda bazohet në jo një, por dy kryqëzime pn. Aplikimi kryesor i një transistori është përdorimi i tij si një përforcues i sinjaleve të dobëta të rrymës dhe tensionit, dhe një diodë gjysmëpërçuese përdoret si ndreqës i rrymës.

Pas zbulimit të tranzistorit, filloi një fazë cilësisht e re në zhvillimin e elektronikës - mikroelektronika, e cila ngriti zhvillimin e pajisjeve elektronike, sistemeve të komunikimit dhe automatizimit në një nivel cilësisht të ndryshëm. Mikroelektronika merret me zhvillimin e qarqeve të integruara dhe parimet e zbatimit të tyre. Qark i integruar quhet një koleksion i një numri të madh përbërësish të ndërlidhur - transistorë, dioda, rezistorë, tela lidhës, të prodhuar në një proces të vetëm teknologjik. Si rezultat i këtij procesi, disa mijëra transistorë, kondensatorë, rezistorë dhe dioda, deri në 3500 elementë, krijohen njëkohësisht në një çip. Dimensionet e elementeve individuale të mikrocirkut mund të jenë 2-5 mikronë, gabimi në aplikimin e tyre nuk duhet të kalojë 0.2 mikronë. Mikroprocesori i një kompjuteri modern, i vendosur në. Kristal silikoni me përmasa 6x6 mm, përmban disa dhjetëra apo edhe qindra mijëra transistorë.

Sidoqoftë, pajisjet gjysmëpërçuese pa kryqëzime p-n përdoren gjithashtu në teknologji. Për shembull, termistorët (për matjen e temperaturës), fotorezistorët (në reletë e fotografive, çelsat e emergjencës, në telekomandat për TV dhe VCR).

Përkufizimi 1

Në gjysmëpërçuesit, brezi kryesor ndahet nga brezi i niveleve të ngacmuara me një interval energjie të fundme ∆ E. Dirigjenti i dha emrin valencë, dhe zona e gjendjeve të ngacmuara është zona e përcjelljes.

Nëse T = 0 K, atëherë brezi i valencës është i mbushur plotësisht. Në këtë rast, brezi i përcjelljes është i lirë. Nga kjo rrjedh se gjysmëpërçuesit afër zeros absolute nuk janë të aftë të përcjellin rrymë. Dallimi midis dielektrikëve dhe gjysmëpërçuesve është hendeku i brezit ∆ E. Gjysmëpërçuesit konsiderohen dielektrikë kur ∆ E > 2 eV.

Përçueshmëria e brendshme dhe e papastërtisë së gjysmëpërçuesve

Nëse temperatura rritet, elektronet fillojnë të shkëmbejnë energji me jonet e rrjetës kristalore. Kjo mund të shkaktojë marrjen e energjisë kinetike shtesë ≈ k T . Sasia e tij është e mjaftueshme për të transferuar disa nga elektronet në brezin e përcjelljes. Atje ata janë në gjendje të kryejnë rrymë.

Përkufizimi 2

Në brezin e valencës lëshohen gjendjet kuantike që nuk janë të zëna nga elektronet. Këto kushte quhen vrima. Ata janë transportues aktualë.

Elektronet janë të afta të bëjnë kalime kuantike në gjendje të paplotësuara. Në këtë rast, gjendjet e mbushura lëshohen, domethënë bëhen vrima. Si rezultat, mund të vëzhgohet pamja e një përqendrimi ekuilibër të vrimave.

Në mungesë të një fushe të jashtme, vlera e saj është e njëjtë në të gjithë vëllimin e përcjellësit. Tranzicioni kuantik shoqërohet me lëvizjen e tij kundër fushës. Është në gjendje të zvogëlojë energjinë potenciale të sistemit. Një tranzicion që shoqërohet me lëvizjen në drejtim të fushës mund të rrisë energjinë potenciale të sistemit. Nëse ka një mbizotërim të numrit të tranzicioneve kundër fushës mbi tranzicionet përgjatë fushës, rryma do të fillojë të rrjedhë nëpër gjysmëpërçues sipas lëvizjes së fushës elektrike të aplikuar. Një gjysmëpërçues i hapur karakterizohet nga rrjedha e rrymës derisa fusha elektrike të kompensojë atë të jashtme. Rezultati përfundimtar është i njëjtë sikur bartësit aktualë të mos ishin elektrone, por vrima të ngarkuara pozitivisht. Nga kjo rrjedh se ekzistojnë dy lloje të përçueshmërisë së gjysmëpërçuesve: elektronike dhe vrima.

Elektronet konsiderohen si bartës aktual në metale dhe gjysmëpërçues, ndërsa vrimat futen zyrtarisht. Vrimat nuk ekzistojnë si grimca të ngarkuara pozitivisht. Por lëvizja në një fushë elektrike është e njëjtë si në shqyrtimin klasik të grimcave të ngarkuara pozitivisht. Përqendrimi i vogël i elektroneve në brezin e përcjelljes dhe vrimat në brezin e valencës lejojnë përdorimin e statistikave klasike të Boltzmann-it.

Shënim 2

Vrima dhe përçueshmëria elektronike nuk lidhen me praninë e papastërtive. Ajo quhet përçueshmëri elektrike e brendshme e gjysmëpërçuesve.

Nëse ekziston një përcjellës idealisht i pastër pa papastërti, atëherë çdo elektron i lëshuar nga lëvizja termike ose drita do të korrespondonte me formimin e një vrime, me fjalë të tjera, numri i elektroneve dhe vrimave të përfshira në krijimin e rrymës do të ishte i njëjtë.

Ekzistenca e gjysmëpërçuesve idealisht të pastër është e pamundur, prandaj, nëse është e nevojshme, ato krijohen artificialisht. Edhe prania e një sasie të vogël papastërtish mund të ndikojë në ndryshimet në vetitë e një gjysmëpërçuesi.

Përçueshmëria e papastërtive e gjysmëpërçuesve

Përçueshmëria elektrike e gjysmëpërçuesve të shkaktuar nga prania e papastërtive të atomeve të elementeve të tjerë kimikë quhet papastërti përçueshmëri elektrike.

Një sasi e vogël e tyre mund të ndikojë ndjeshëm në rritjen e përçueshmërisë. Tek metalet ndodh dukuria e kundërt. Papastërtitë ndihmojnë në uljen e përçueshmërisë së metaleve.

Rritja e përçueshmërisë me papastërtitë shpjegohet me faktin se nivelet shtesë të energjisë shfaqen në gjysmëpërçuesit që ndodhen në hendekun e brezit gjysmëpërçues.

Papastërtitë e dhuruesit dhe pranuesit

Lërini nivele shtesë të hapjes së brezit të shfaqen pranë skajit të poshtëm të brezit të përcjelljes. Nëse intervali që ndan nivelet shtesë të energjisë nga brezi i përcjelljes është i vogël kur krahasohet me hendekun e brezit, atëherë numri i elektroneve në brezin e përcjelljes do të rritet, që do të thotë se përçueshmëria e vetë gjysmëpërçuesit do të rritet.

Përkufizimi 4

Papastërtitë që lëvizin elektronet në brezin e përcjelljes quhen dhurues ose papastërti dhuruese. Nivelet shtesë të energjisë quhen nivelet e donatorëve.

Përkufizimi 5

Gjysmëpërçuesit me papastërti dhuruese- Këta janë gjysmëpërçues elektronikë ose të tipit n.

Përkufizimi 6

Lëreni futjen e një papastërtie të shkaktojë shfaqjen e niveleve shtesë pranë skajit të sipërm të brezit të valencës. Në këtë rast, elektronet nga kjo zonë lëvizin në nivele shtesë. Brezi i valencës karakterizohet nga shfaqja e vrimave, pasi shfaqet përçueshmëria elektrike e vrimës së përcjellësit. Papastërtitë e këtij lloji quhen pranues. Nivelet shtesë të vendosura në to quhen pranues.

Përkufizimi 7

Quhen gjysmëpërçuesit me papastërti pranuese gjysmëpërçues të vrimës ose të tipit p. Ekzistojnë gjysmëpërçues të përzier.

Lloji i përçueshmërisë që ka një gjysmëpërçues përcaktohet nga shenja e efektit Hall.

Përkufizimi 8

aliazh- Ky është procesi i futjes së papastërtive. Nëse niveli i papastërtisë ka një përqendrim të lartë, atëherë ndodh ndarja e tyre. Mbivendosja e kufijve të zonave përkatëse të energjisë konsiderohet rezultat i procesit.

Shembulli 1

Shpjegoni se cilit lloj papastërtie i përkasin atomet e arsenikut dhe borit të vendosura në rrjetën e kristalit të silikonit.

Zgjidhje

Silici është një atom katërvalent, që do të thotë se atomi përmban 4 elektrone. Arseniku është pesëvalent, domethënë përmban 5, e pesta e të cilave ndahet për shkak të pranisë së lëvizjes termike. Joni pozitiv i arsenikut zhvendos një nga atomet e silikonit nga rrjeta dhe zë vendin e tij. Një elektron përçues shfaqet midis vendeve të rrjetës. Nga kjo rrjedh se arseniku konsiderohet një papastërti dhuruese për silikonin.

Kur e konsiderojmë borin si një papastërti për silikonin, është e qartë se atomi i borit ka një shtresë të jashtme të përbërë nga tre elektrone. Atomi i borit kap një elektron të katërt nga një vendndodhje e afërt në kristalin e silikonit. Këtu shfaqet vrima. Joni negativ i borit që shfaqet në të e zhvendos atomin e silikonit nga rrjeta kristalore dhe zë vendin e tij. Ata flasin për shfaqjen e përçueshmërisë së vrimës në të. Bori konsiderohet një papastërti pranuese.

Përgjigje: arseniku është një papastërti dhuruese, bor është një papastërti pranuese.

Shembulli 2

Janë dhënë elemente termike me rrjedhje të rrymës nga metali në gjysmëpërçues dhe anasjelltas. Shpjegoni pse ndodh kjo.

Zgjidhje

Sipas marrëveshjes, përçimi i elektroneve dhe i vrimave ndodh në kryqëzimin e nxehtë. Kjo ndodh sepse në fundin e temperaturës së lartë të gjysmëpërçuesit elektronik shpejtësia e elektroneve është shumë më e madhe se në skajin e ftohtë. Nga kjo rrjedh se elektronet kanë aftësinë të kalojnë nga fundi i nxehtë në skajin e ftohtë përpara se të lind një fushë elektrike për shkak të rishpërndarjes së ngarkesave dhe nuk ndalon rrjedhën e elektroneve që shpërndajnë.

Vetëm pasi të jetë vendosur një gjendje ekuilibri, skajit të nxehtë, i cili ka humbur të gjitha elektronet, i caktohen ngarkesa pozitive, dhe skajit të ftohtë i caktohen ngarkesa negative. Mund të konkludohet se ekziston një ndryshim i mundshëm midis skajeve të nxehtë dhe të ftohtë me një shenjë pozitive.

Një gjysmëpërçues vrimash karakterizohet nga procesi i kundërt. Difuzioni vazhdon nga fundi i nxehtë në skajin e ftohtë, ku fundi i parë ka një ngarkesë negative dhe fundi i ftohtë ka një ngarkesë pozitive. Ne zbulojmë se diferencat potenciale kanë një vlerë negative, në kontrast me një gjysmëpërçues elektronik.

Nëse vëreni një gabim në tekst, ju lutemi theksoni atë dhe shtypni Ctrl+Enter