Subiecte Codificator de examen de stat unificat : semiconductori, conductivitatea intrinsecă și a impurităților semiconductorilor.

Până acum, vorbind despre capacitatea substanțelor de a conduce curentul electric, le-am împărțit în conductori și dielectrici. Rezistivitatea conductoarelor obișnuite este în domeniul Ohm m; rezistivitate dielectricul depășește aceste valori în medie cu ordine de mărime: Ohm m.

Există însă și substanțe care, în conductivitatea lor electrică, ocupă o poziție intermediară între conductori și dielectrici. Acest semiconductori: rezistivitatea lor la temperatura camerei poate lua valori într-un interval foarte larg de Ohm m. Semiconductorii includ siliciu, germaniu, seleniu și alții elemente chimiceși compuși (Semiconductorii sunt extrem de comune în natură. De exemplu, aproximativ 80% din masă scoarta terestraține cont de substanțele care sunt semiconductoare). Cele mai utilizate sunt siliciul și germaniul.

Principala caracteristică a semiconductorilor este că conductivitatea lor electrică crește brusc odată cu creșterea temperaturii. Rezistivitatea unui semiconductor scade odată cu creșterea temperaturii, aproximativ așa cum se arată în Fig. 1.

Orez. 1. Dependența pentru un semiconductor

Cu alte cuvinte, la temperaturi scăzute, semiconductorii se comportă ca niște dielectrici, iar la temperaturi ridicate se comportă ca niște conductori destul de buni. Aceasta este diferența dintre semiconductori și metale: rezistivitatea unui metal, după cum vă amintiți, crește liniar odată cu creșterea temperaturii.

Există și alte diferențe între semiconductori și metale. Astfel, iluminarea unui semiconductor determină o scădere a rezistenței acestuia (și lumina aproape că nu are niciun efect asupra rezistenței metalului). În plus, conductivitatea electrică a semiconductorilor se poate schimba foarte mult odată cu introducerea unor cantități chiar și mici de impurități.

Experiența arată că, ca și în cazul metalelor, nu are loc niciun transfer de substanță atunci când curentul trece printr-un semiconductor. Prin urmare, curentul electric din semiconductori este cauzat de mișcarea electronilor.

O scădere a rezistenței unui semiconductor atunci când este încălzit indică faptul că o creștere a temperaturii duce la o creștere a numărului de încărcări libere în semiconductor. Nimic de genul acesta nu se întâmplă în metale; prin urmare, semiconductorii au un mecanism diferit de conductivitate electrică decât metalele. Iar motivul pentru aceasta este natura diferită legătură chimicăîntre atomi de metal și semiconductori.

Legătura covalentă

Legătura metalică, după cum vă amintiți, este asigurată de un gaz de electroni liberi, care, ca și lipiciul, deține ioni pozitivi la nodurile rețelei cristaline. Semiconductorii sunt structurați diferit - atomii lor sunt ținuți împreună legătură covalentă. Să ne amintim ce este.

Electroni situati la nivelul electronic exterior si numiti valenţă, sunt legați mai slab de atom decât electronii rămași, care sunt localizați mai aproape de nucleu. În procesul de formare a unei legături covalente, doi atomi contribuie cu unul dintre electronii lor de valență „la cauza comună”. Acești doi electroni sunt împărțiți, adică aparțin acum ambilor atomi și, prin urmare, sunt numiți pereche de electroni partajată(Fig. 2).

Orez. 2. Legătura covalentă

O pereche socializată de electroni este ceea ce ține atomii unul lângă celălalt (folosind forțele de atracție electrică). O legătură covalentă este o legătură care există între atomi datorită perechilor de electroni partajate. Din acest motiv, se mai numește și o legătură covalentă pereche-electronic.

Structura cristalină a siliciului

Acum suntem gata să aruncăm o privire mai atentă asupra structurii interne a semiconductorilor. Ca exemplu, luați în considerare cel mai comun semiconductor din natură - siliciul. Al doilea cel mai important semiconductor, germaniul, are o structură similară.

Structura spațială a siliciului este prezentată în Fig. 3 (poza de Ben Mills). Bilele reprezintă atomi de siliciu, iar tuburile care îi leagă sunt canale de legături covalente între atomi.

Orez. 3. Structura cristalină a siliciului

Rețineți că fiecare atom de siliciu este legat de patru atomii vecini. De ce se întâmplă asta?

Faptul este că siliciul este tetravalent - există patru electroni de valență pe învelișul exterior al atomului de siliciu. Fiecare dintre acești patru electroni este gata să formeze o pereche de electroni comună cu electronul de valență al altui atom. Iată ce se întâmplă! Ca rezultat, atomul de siliciu este înconjurat de patru atomi atașați la el, fiecare dintre care contribuie cu un electron de valență. În consecință, există opt electroni în jurul fiecărui atom (patru ai noștri și patru ai altora).

Vedem acest lucru mai detaliat pe o diagramă plată a unei rețele de cristal de siliciu (Fig. 4).

Orez. 4. Rețea cristalină de siliciu

Legăturile covalente sunt descrise ca perechi de linii care leagă atomii; Aceste linii conțin perechi de electroni comuni. Fiecare electron de valență situat pe o astfel de linie își petrece cea mai mare parte a timpului în spațiul dintre doi atomi vecini.

Cu toate acestea, electronii de valență nu sunt în niciun caz „strâns legați” de perechile corespunzătoare de atomi. Are loc suprapunerea carcase electronice toată lumea atomii învecinați, astfel încât orice electron de valență este proprietatea comună a tuturor atomilor vecini. De la un atom 1, un astfel de electron poate merge la atomul său vecin 2, apoi la atomul său vecin 3 și așa mai departe. Electronii de valență se pot mișca în întregul cristal - se spune că aceștia aparțin întregului cristal(și nu orice pereche atomică).

Cu toate acestea, electronii de valență ai siliciului nu sunt liberi (cum este cazul metalului). Într-un semiconductor, legătura dintre electronii de valență și atomi este mult mai puternică decât într-un metal; legături covalente siliciul nu se rupe la temperaturi scăzute. Energia electronilor se dovedește a fi insuficientă pentru a se asigura că, sub influența externă câmp electricîncepe o mișcare ordonată de la un potențial mai mic la unul mai mare. Prin urmare, la temperaturi suficient de scăzute, semiconductorii sunt aproape de dielectrici - nu conduc curentul electric.

Autoconductivitate

Dacă este inclus în circuit electric elementul semiconductor și începeți să îl încălziți, apoi curentul din circuit crește. Prin urmare, rezistența semiconductorului scade odata cu cresterea temperaturii. De ce se întâmplă asta?

Pe măsură ce temperatura crește, vibrațiile termice ale atomilor de siliciu devin mai intense, iar energia electronilor de valență crește. Pentru unii electroni, energia atinge valori suficiente pentru a rupe legăturile covalente. Astfel de electroni își părăsesc atomii și devin gratuit(sau electroni de conducere) - exact la fel ca în metal. Într-un câmp electric extern, electronii liberi încep să se miște în mod ordonat, formând un curent electric.

Cu cât temperatura siliciului este mai mare, cu atât energia electronilor este mai mare și numărul de legături covalente nu poate rezista și nu se poate rupe. Numărul de electroni liberi dintr-un cristal de siliciu crește, ceea ce duce la o scădere a rezistenței acestuia.

Ruperea legăturilor covalente și apariția electronilor liberi este prezentată în Fig. 5. La locul legăturii covalente rupte, a gaură- loc liber pentru un electron. Gaura are pozitiv sarcină, deoarece atunci când un electron încărcat negativ părăsește, acesta rămâne necompensat sarcina pozitiva nucleele atomilor de siliciu.

Orez. 5. Formarea electronilor liberi și a găurilor

Găurile nu rămân pe loc - pot rătăci în jurul cristalului. Faptul este că unul dintre electronii de valență vecini, „călătorind” între atomi, poate sări în locul liber rezultat, umplând gaura; atunci gaura din acest loc va dispărea, dar va apărea în locul de unde a venit electronul.

În absența unui câmp electric extern, mișcarea găurilor este aleatorie, deoarece electronii de valență rătăcesc aleatoriu între atomi. Totuși, într-un câmp electric începe regizat mișcarea găurilor. De ce? Acest lucru nu este greu de înțeles.

În fig. Figura 6 prezintă un semiconductor plasat într-un câmp electric. În partea stângă a imaginii este poziția inițială a găurii.

Orez. 6. Mișcarea unei găuri într-un câmp electric

Unde se va duce gaura? Este clar că cele mai probabile salturi de electroni > gaură sunt în direcția împotriva linii de câmp (adică la „plusurile” care creează câmpul). Unul dintre aceste salturi este prezentat în partea de mijloc a figurii: electronul a sărit la stânga, umplând locul liber, iar gaura, în consecință, sa deplasat la dreapta. Următorul salt posibil de electroni cauzat de câmpul electric este reprezentat în partea dreaptă a figurii; ca urmare a acestui salt, gaura a luat un nou loc, situat si mai in dreapta.

Vedem că gaura în ansamblu se mișcă in directie linii de câmp - adică acolo unde se presupune că se mișcă sarcinile pozitive. Să subliniem încă o dată că mișcarea direcționată a unei găuri de-a lungul câmpului este cauzată de salturi ale electronilor de valență de la atom la atom, care au loc predominant în direcția împotriva câmpului.

Astfel, într-un cristal de siliciu există două tipuri de purtători de sarcină: electroni liberi și găuri. Atunci când este aplicat un câmp electric extern, apare un curent electric, cauzat de mișcarea lor contrară ordonată: electronii liberi se mișcă opus vectorului intensității câmpului, iar găurile - în direcția vectorului.

Se numește generarea de curent datorită mișcării electronilor liberi conductivitate electronică , sau conductivitate de tip n. Procesul de mișcare ordonată a găurilor se numește conductivitatea găurii,sau conductivitate de tip p(din primele litere ale cuvintelor latine negativus (negativ) și positivus (pozitiv)). Ambele conductivități - electron și gaură - sunt numite colectiv propria conductivitate semiconductor.

Fiecare electron care părăsește o legătură covalentă ruptă generează o pereche „electron-gaură liberă”. Prin urmare, concentrația de electroni liberi într-un cristal de siliciu pur este egală cu concentrația de găuri. În consecință, atunci când cristalul este încălzit, crește concentrația nu numai a electronilor liberi, ci și a găurilor, ceea ce duce la o creștere a conductivității intrinseci a semiconductorului datorită creșterii atât a conductibilității electronilor, cât și a găurilor.

Odată cu formarea de perechi „electron liber-gaură”, există și proces invers: recombinare electroni liberi și găuri. Și anume, un electron liber, care întâlnește o gaură, umple acest loc liber, restabilind legătura covalentă ruptă și transformându-se într-un electron de valență. Astfel, într-un semiconductor se stabilește echilibru dinamic: numărul mediu de rupturi ale legăturilor covalente și formarea de perechi electron-gaură pe unitatea de timp este egal cu numărul mediu de electroni și găuri de recombinare. Acesta este statul echilibru dinamic determină concentrația de echilibru a electronilor liberi și a găurilor dintr-un semiconductor în condiții date.

Schimba conditii externe schimbă starea de echilibru dinamic într-o direcție sau alta. În acest caz, valoarea de echilibru a concentrației purtătorului de sarcină se modifică în mod natural. De exemplu, numărul de electroni liberi și găuri crește atunci când semiconductorul este încălzit sau iluminat.

La temperatura camerei, concentrația de electroni liberi și găuri în siliciu este aproximativ egală cu cm Concentrația de atomi de siliciu este de ordinul cm. Acest lucru este foarte puțin. În metale, de exemplu, concentrația de electroni liberi este aproximativ egală cu concentrația de atomi. Respectiv, Conductivitatea intrinsecă a siliciului și a altor semiconductori în condiții normale este mică în comparație cu conductivitatea metalelor.

Conductibilitatea impurităților

Cea mai importantă caracteristică a semiconductorilor este că rezistivitatea lor poate fi redusă cu mai multe ordine de mărime ca urmare a introducerii chiar și a unei cantități foarte mici de impurități. Pe lângă propria conductivitate, un semiconductor are o dominantă conductivitatea impurităților. Datorită acestui fapt, dispozitivele semiconductoare au găsit o aplicare atât de largă în știință și tehnologie.
Să presupunem, de exemplu, că se adaugă puțin arsenic pentavalent la topitura de siliciu. După cristalizarea topiturii, se dovedește că atomii de arsen ocupă locuri în unele noduri ale rețelei cristaline de siliciu formate.

Nivelul electronic cel mai exterior al atomului de arsen are cinci electroni. Patru dintre ei formează legături covalente cu cei mai apropiați vecini ai lor - atomii de siliciu (Fig. 7). Care este soarta celui de-al cincilea electron care nu este ocupat în aceste legături?

Orez. 7. Semiconductor de tip N

Și al cincilea electron devine liber! Faptul este că energia de legare a acestui electron „extra” cu atomul de arsen situat în cristalul de siliciu este mult mai mică decât energia de legare a electronilor de valență cu atomii de siliciu. Prin urmare, deja la temperatura camerei, aproape toți atomii de arsen, ca urmare a mișcării termice, rămân fără un al cincilea electron, transformându-se în ioni pozitivi. Și cristalul de siliciu, în consecință, este umplut cu electroni liberi care au fost desprinși din atomii de arsen.

Umplerea unui cristal cu electroni liberi nu este o noutate pentru noi: am văzut asta mai sus când a fost încălzit. curat siliciu (fara impuritati). Dar acum situația este fundamental diferită: apariția unui electron liber care părăsește un atom de arsen nu este însoțită de apariția unei găuri mobile. De ce? Motivul este același - legătura electronilor de valență cu atomii de siliciu este mult mai puternică decât cu atomul de arsen din al cincilea loc liber, prin urmare electronii atomilor de siliciu vecini nu au tendința de a umple acest loc liber. Locul vacant rămâne așadar pe loc, este parcă „înghețat” pentru atomul de arsen și nu participă la crearea curentului.

Astfel, introducerea atomilor de arsen pentavalent în rețeaua cristalină de siliciu creează conductivitate electronică, dar nu duce la aspectul simetric al conductibilității găurii. Rolul principal în crearea curentului revine acum electronilor liberi, care în acest caz, sunt numite transportatorii principaliîncărca.

Mecanismul conductivității intrinseci, desigur, continuă să funcționeze în prezența unei impurități: legăturile covalente sunt încă rupte din cauza mișcării termice, generând electroni liberi și găuri. Dar acum există mult mai puține găuri decât electronii liberi, care sunt furnizați în cantități mari de atomii de arsen. Prin urmare, în acest caz găurile vor fi mass-media non-mareîncărca.

Sunt numite impurități ai căror atomi renunță la electroni liberi fără apariția unui număr egal de găuri mobile donator. De exemplu, arsenul pentavalent este o impuritate donatoare. Dacă există o impuritate donor într-un semiconductor, purtătorii majoritari de sarcină sunt electroni liberi, iar purtătorii de sarcină minoritari sunt găuri; cu alte cuvinte, concentrația de electroni liberi este mult mai mare decât concentrația de găuri. Prin urmare, se numesc semiconductori cu impurități donatoare semiconductori electronici, sau semiconductori de tip n(sau doar n-conductori).

Și cât de mult, interesant, poate depăși concentrația de electroni liberi concentrația de găuri într-un n-semiconductor? Să facem un calcul simplu.

Să presupunem că impuritatea este , adică există un atom de arsen la o mie de atomi de siliciu. Concentrația atomilor de siliciu, după cum ne amintim, este de ordinul cm.

Concentrația atomilor de arsen, în consecință, va fi de o mie de ori mai mică: cm Concentrația de electroni liberi cedați de impuritate va fi și ea aceeași - la urma urmei, fiecare atom de arsen cedează un electron. Acum să ne amintim că concentrația de perechi electron-gaură care apar atunci când legăturile covalente de siliciu sunt rupte la temperatura camerei este aproximativ egală cu cm Simți diferența? Concentrația de electroni liberi în acest caz este mai mare decât concentrația de găuri cu ordine de mărime, adică de un miliard de ori! În consecință, rezistivitatea unui semiconductor de siliciu scade de un miliard de ori atunci când este introdusă o cantitate atât de mică de impurități.

Calculul de mai sus arată că în semiconductorii de tip n rolul principal este într-adevăr jucat de conductivitatea electronică. Pe fondul unei astfel de superiorități colosale în numărul de electroni liberi, contribuția mișcării găurilor la conductibilitatea generală este neglijabilă.

Dimpotrivă, este posibil să se creeze un semiconductor cu conductivitate predominantă a orificiilor. Acest lucru se va întâmpla dacă o impuritate trivalentă este introdusă într-un cristal de siliciu - de exemplu, indiul. Rezultatul unei astfel de implementări este prezentat în Fig. 8.

Orez. 8. Semiconductor de tip P

Ce se întâmplă în acest caz? Nivelul electronic cel mai exterior al atomului de indiu conține trei electroni care formează legături covalente cu cei trei atomi de siliciu din jur. Pentru cel de-al patrulea atom de siliciu vecin, atomul de indiu nu mai are suficienți electroni, iar în acest loc apare o gaură.

Și această gaură nu este simplă, ci specială - cu o energie de legare foarte mare. Când un electron de la un atom de siliciu vecin intră în el, acesta va „rămâne blocat în el pentru totdeauna”, deoarece atracția electronului către atomul de indiu este foarte puternică - mai mult decât pentru atomii de siliciu. Atomul de indiu se va transforma într-un ion negativ și o gaură va apărea în locul de unde a venit electronul - dar acum o gaură mobilă obișnuită sub forma unei legături covalente rupte în rețeaua cristalină de siliciu. Această gaură va începe să rătăcească în jurul cristalului în mod obișnuit, datorită transferului „cursă de releu” a electronilor de valență de la un atom de siliciu la altul.

Și astfel, fiecare atom de indiu impur generează o gaură, dar nu duce la apariția simetrică a unui electron liber. Astfel de impurități, ai căror atomi captează „strâns” electronii și, prin urmare, creează o gaură mobilă în cristal, sunt numite acceptor.

Indiul trivalent este un exemplu de impuritate acceptor.

Dacă o impuritate acceptor este introdusă într-un cristal de siliciu pur, atunci numărul de găuri generate de impuritate va fi mult mai mare decât numărul de electroni liberi creați din cauza ruperii legăturilor covalente dintre atomii de siliciu. Un semiconductor cu o impuritate acceptor este orificiu semiconductor, sau semiconductor de tip p(sau doar p-semiconductor).

Găurile joacă un rol major în crearea curentului într-un semiconductor p; gauri - purtători de taxe principale. electroni liberi - media minoră sarcină într-un p-semiconductor. Mișcarea electronilor liberi în acest caz nu are o contribuție semnificativă: curentul electric este furnizat în primul rând de conductivitatea găurii.

joncțiunea p–n

Se numește punctul de contact dintre doi semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate (electronic și orificiu). tranziție electron-gaură, sau joncțiunea p–n. În regiunea joncțiunii p–n are loc un fenomen interesant și foarte important - conductivitatea unidirecțională.

În fig. 9 prezintă contactul regiunilor de tip p şi n; cercurile colorate sunt găuri și electroni liberi, care sunt purtătorii de sarcină majoritari (sau minoritari) în regiunile corespunzătoare.

Orez. 9. Stratul de blocare al joncțiunii p–n

Angajarea mișcarea termică, purtătorii de sarcină pătrund prin interfața dintre regiuni.

Electronii liberi se deplasează din regiunea n în regiunea p și se recombină acolo cu găuri; găurile difuzează din regiunea p în regiunea n și se recombină acolo cu electroni.

Ca urmare a acestor procese, o sarcină necompensată de ioni pozitivi ai impurității donor rămâne în semiconductorul electronic în apropierea graniței de contact, iar o sarcină negativă necompensată a ionilor de impuritate acceptor apare în semiconductorul orificiului (de asemenea, lângă graniță). Aceste sarcini spațiale necompensate formează așa-numitele strat de barieră, al cărui câmp electric intern împiedică difuzarea în continuare a electronilor liberi și a găurilor peste granița de contact.

Să conectăm acum o sursă de curent la elementul nostru semiconductor, aplicând „plusul” sursei la semiconductorul n și „minus” la semiconductorul p (Fig. 10).

Orez. 10. Includerea în sens invers: fără curent

Vedem că câmpul electric extern mută purtătorii majoritari de sarcină mai departe de limita contactului. Lățimea stratului de blocare crește, iar câmpul electric al acestuia crește. Rezistența stratului de blocare este mare, iar purtătorii majoritari nu sunt capabili să depășească joncțiunea p–n. Câmpul electric permite doar purtătorilor minoritari să treacă granița, dar din cauza concentrației foarte scăzute de purtători minoritari, curentul pe care aceștia îl creează este neglijabil.

Schema considerată se numește pornirea joncțiunii p–n în sens invers. Nu există curent electric purtător principal; există doar un curent purtător minoritar neglijabil. În acest caz, joncțiunea p–n se dovedește a fi închisă.

Acum să schimbăm polaritatea conexiunii și să aplicăm „plus” semiconductorului p și „minus” semiconductorului n (Fig. 11). Această schemă se numește comutare înainte.

Orez. 11. Pornirea în direcția înainte: curge curent

În acest caz, câmpul electric extern este îndreptat împotriva câmpului de blocare și deschide calea purtătorilor majoritari prin joncțiunea p–n. Stratul de barieră devine mai subțire și rezistența acestuia scade.

Există o mișcare masivă a electronilor liberi din regiunea n în regiunea p, iar găurile, la rândul lor, se repetă din regiune p în regiunea n.

În circuit apare un curent cauzat de mișcarea purtătorilor majoritari de sarcină (Acum, însă, câmpul electric împiedică curentul purtătorilor minoritari, dar acest factor nesemnificativ nu are un efect sesizabil asupra conductivității generale).

Conductivitatea unidirecțională a joncțiunii p–n este utilizată în diode semiconductoare. O diodă este un dispozitiv care conduce curentul într-o singură direcție; în sens opus, nici un curent nu trece prin diodă (se spune că dioda este închisă). O reprezentare schematică a diodei este prezentată în Fig. 12.

Orez. 12. Dioda

În acest caz, dioda este deschisă în direcția de la stânga la dreapta: sarcinile par să curgă de-a lungul săgeții (vezi asta în figură?). În direcția de la dreapta la stânga, încărcăturile par să se sprijine pe perete - dioda este închisă.

Diverse tipuri de semiconductori au devenit larg răspândite în industrie și microelectronica energetică. Cu ajutorul lor, o energie poate fi convertită în alta fără ele, multe dispozitive electronice nu vor funcționa normal. Există un număr mare de tipuri de aceste elemente, în funcție de principiul funcționării lor, scop, material, caracteristici de proiectare. Pentru a înțelege modul de acțiune al semiconductorilor, este necesar să se cunoască proprietățile fizice de bază ale acestora.

Proprietăți și caracteristici ale semiconductorilor

Proprietățile electrice de bază ale semiconductorilor le permit să fie considerate ca o încrucișare între conductorii standard și materialele care nu conduc electricitatea. Grupul de semiconductori include semnificativ mai multe substanțe diferite decât cantitate totală.

Semiconductorii fabricați din siliciu, germaniu, seleniu și alte materiale sunt utilizați pe scară largă în electronică. Caracteristica lor principală este considerată a fi o dependență pronunțată de influența temperaturii. La temperaturi foarte scăzute, comparabile cu zero absolut, semiconductorii capătă proprietăți de izolatori, iar pe măsură ce temperatura crește, rezistența lor scade în timp ce conductivitatea lor crește. Proprietățile acestor materiale se pot modifica și sub influența luminii, atunci când are loc o creștere semnificativă a fotoconductivității.

Semiconductorii transformă energia luminii în electricitate, spre deosebire de conductorii, care nu au această proprietate. În plus, introducerea atomilor anumitor elemente în semiconductor contribuie la creșterea conductivității electrice. Toate aceste proprietăți specifice permit utilizarea materialelor semiconductoare în diverse domenii ale electronicii și ingineriei electrice.

Tipuri și aplicații ale semiconductorilor

Datorită calităților lor, toate tipurile de semiconductori sunt împărțite în mai multe grupuri principale.

Diode. Acestea includ două cristale formate din semiconductori cu conductivități diferite. Între ele se formează o tranziție electron-gaură. Sunt produse în diferite modele, în principal punct și tip plat. În celulele plane, cristalul de germaniu este aliat cu indiu. Diodele punctiforme constau dintr-un cristal de siliciu și un ac metalic.

Tranzistoare. Ele constau din trei semiconductori cristalini. Două cristale au aceeași conductivitate, iar în al treilea, conductivitatea are valoarea opusă. Ele sunt numite colector, bază și emițător. În electronică, amplifică semnalele electrice.

tiristoare. Sunt elemente care convertesc electricitatea. Au trei joncțiuni electron-gaură cu proprietăți de poartă. Proprietățile lor permit tiristorilor să fie utilizate pe scară largă în automatizări, computere și dispozitive de control.

Cum diferă un semiconductor de izolatori și conductori?

Adăugați site-ul la marcaje

Care sunt proprietățile de bază ale semiconductorilor?

În ceea ce privește rezistența electrică, semiconductorii ocupă o poziție intermediară între conductori și izolatori. Diodele și triodurile semiconductoare au o serie de avantaje: greutate și dimensiune reduse, durată de viață semnificativ mai lungă, rezistență mecanică mai mare.

Să luăm în considerare proprietățile și caracteristicile de bază ale semiconductorilor. Referitor la ei conductivitate electrică Semiconductoarele sunt împărțite în 2 tipuri: cu conductivitate electronică și orificiu.

Semiconductorii cu conductivitate electronică au așa-numiții electroni liberi, care sunt legați slab de nucleele atomilor.

Dacă acestui semiconductor i se aplică o diferență de potențial, electronii liberi se vor deplasa înainte - într-o anumită direcție, creând astfel un curent electric. Întrucât în ​​aceste tipuri de semiconductori curentul electric reprezintă mișcarea particulelor încărcate negativ, ele se numesc conductoare de tip n (de la cuvântul negativ).

Semiconductorii cu conductivitate în găuri se numesc semiconductori de tip p (de la cuvântul pozitiv). Trecerea curentului electric în aceste tipuri de semiconductori poate fi considerată ca mișcarea sarcinilor pozitive. În semiconductori cu p-conductivitate nu există electroni liberi; Dacă un atom semiconductor pierde 1 electron sub influența oricărui motiv, acesta va fi încărcat pozitiv.

Absența unui electron într-un atom, care provoacă o sarcină pozitivă asupra unui atom semiconductor, se numește gaură (aceasta înseamnă că s-a format un spațiu liber în atom). Teoria și experiența arată că găurile se comportă ca niște sarcini pozitive elementare.

Conductivitatea găurilor constă în faptul că, sub influența unei diferențe de potențial aplicate, găurile se mișcă, ceea ce este echivalent cu mișcarea sarcinilor pozitive.

Din această cauză, atomul care a avut gaura devine neutru, iar gaura se deplasează spre dreapta către atomul din care a plecat electronul. În dispozitivele semiconductoare, procesul de „umplere” a unei găuri cu un electron liber se numește recombinare. Ca rezultat al recombinării, atât electronul liber, cât și gaura dispar și se creează un atom neutru. Și astfel mișcarea găurilor are loc în direcția opusă mișcării electronilor.

Într-un semiconductor (intrinsec) absolut pur, sub influența căldurii sau a luminii, electronii și găurile se nasc în perechi, de aceea numărul de electroni și găuri din semiconductorul intrinsec este același.

Pentru a crea semiconductori cu concentrații pronunțate de electroni sau găuri, semiconductori puri sunt alimentați cu impurități, formând semiconductori de impurități. Impuritățile pot fi donatoare, dând electroni, și acceptoare, formând găuri (adică, rupând electronii din atomi). În consecință, într-un semiconductor cu o impuritate donor, conductivitatea va fi predominant electronică, sau n-conductivitate. În acești semiconductori, purtătorii majoritari de sarcină sunt electronii, iar purtătorii de sarcină minoritari sunt găuri. Într-un semiconductor cu o impuritate acceptor, dimpotrivă, purtătorii de sarcină majoritari sunt găuri, iar purtătorii de sarcină minoritari sunt electroni; Acestea sunt semiconductoare cu p-conductivitate.

Principalele materiale pentru fabricarea diodelor și triodelor semiconductoare sunt germaniul și siliciul; în raport cu ei, donatorii sunt antimoniul, fosforul, arsenul; acceptori - indiu, galiu, aluminiu, bor.

Figura 1. Localizare sarcini electriceîntr-un semiconductor.

Impuritățile, care sunt de obicei adăugate la un semiconductor cristalin, schimbă dramatic modelul fizic al fluxului de curent electric.

Când se formează un semiconductor cu n-conductivitate, la semiconductor se adaugă o impuritate donor: de exemplu, la un semiconductor de germaniu se adaugă o impuritate de antimoniu. Atomii de antimoniu, care sunt donatori, conferă mulți electroni liberi germaniului, devenind astfel încărcați pozitiv.

Astfel, într-un semiconductor cu n-conductivitate format dintr-o impuritate, există următoarele tipuri de sarcini electrice:

• sarcinile negative mobile (electroni), care sunt principalii purtători (atât din impuritatea donoră, cât și din propria conductivitate);
• sarcini mobile pozitive (găuri) - purtători minoritari care decurg din propria conductivitate;
• sarcini pozitive imobile - ioni de impuritate donatori.

Când se formează un semiconductor cu p-conductivitate, la semiconductor se adaugă o impuritate acceptor: de exemplu, o impuritate de indiu este adăugată la un semiconductor de germaniu. Atomii de indiu, care sunt acceptori, îndepărtează electronii din atomii de germaniu, formând găuri. Atomii de indiu înșiși devin încărcați negativ.

În consecință, într-un semiconductor de p-conductivitate există următoarele tipuri de sarcini electrice:

• sarcinile pozitive mobile (găuri) - purtătorii principali care decurg din impuritățile acceptoare și din propria conductivitate;
• sarcini negative mobile (electroni) - purtători minoritari care decurg din propria conductivitate;
• sarcini negative imobile - ioni de impurități acceptoare.

În fig. Figura 1 prezintă plăci de p-germaniu (a) și n-germaniu (b) cu dispunerea sarcinilor electrice.

Ce este un semiconductor și cu ce se mănâncă?

Semiconductor- un material fără de care nu ne putem imagina lumea modernă tehnologie si electronica. Semiconductori prezintă proprietăți ale metalelor și nemetalelor în anumite condiții. După valoarea specifică rezistenta electrica semiconductorii ocupă o poziție intermediară între conductorii buni și dielectrici. Semiconductor diferă de conductori prin dependența puternică a conductivității specifice de prezența elementelor de impurități (elemente de impurități) în rețeaua cristalină și concentrația acestor elemente, precum și de temperatură și expunere. diverse tipuri radiatii.
Proprietatea de bază a unui semiconductor- cresterea conductibilitatii electrice cu cresterea temperaturii.
Semiconductorii sunt substanțe a căror bandă interzisă este de ordinul mai multor electroni volți (eV). De exemplu, diamantul poate fi clasificat ca semiconductor cu decalaj larg, iar arseniura de indiu poate fi clasificată ca semiconductor cu decalaj îngust.
Intervalul de bandă este lățimea decalajului de energie dintre partea de jos a benzii de conducție și partea de sus a benzii de valență, în care nu există stări permise pentru electron. Mărimea benzii interzise este importantă atunci când se generează lumină în LED-uri și lasere semiconductoare

și determină energia fotonilor emiși. Semiconductorii includ multe elemente chimice: Si siliciu, Ge germaniu, As arsenic, Se seleniu, Te teluriu și altele, precum și diverse aliaje și compuși chimici , de exemplu: iodură de siliciu, arseniură de galiu, telurit de mercur etc.). În general, aproape totul lumea din jurul nostru sunt semiconductori. Cel mai comun semiconductor din natură este siliciul, care, conform estimărilor aproximative, reprezintă aproape 30% din scoarța terestră.

În funcție de faptul dacă un atom dintr-un element de impuritate renunță la un electron sau îl captează, atomii de impuritate sunt numiți atomi donor sau acceptor.
Proprietățile donor și acceptor ale unui atom al unui element de impuritate depind, de asemenea, de atomul rețelei cristaline pe care îl înlocuiește și în ce plan cristalografic este încorporat.

După cum sa menționat mai sus, proprietățile conductoare ale semiconductorilor depind puternic de temperatură, iar când temperatura atinge zero absolut (-273 ° C), semiconductorii au proprietățile dielectricilor.

Pe baza tipului de conductivitate, semiconductorii sunt împărțiți în tip n și tip p

semiconductor de tip n

Pe baza tipului de conductivitate, semiconductorii sunt împărțiți în tip n și tip p.

Un semiconductor de tip n are o natură de impuritate și conduce curentul electric ca metalele. Elementele impurități care sunt adăugate la semiconductori pentru a produce semiconductori de tip n sunt numite elemente donatoare. Termenul „n-tip” provine de la cuvântul „negativ”, care se referă la sarcina negativă purtată de un electron liber.

Teoria procesului de transfer al taxelor este descrisă după cum urmează: Un element de impuritate, pentavalent ca arsen, este adăugat la siliciul Si tetravalent. În timpul interacțiunii, fiecare atom de arsen intră într-o legătură covalentă cu atomii de siliciu. Dar rămâne un al cincilea atom de arsen liber, care nu are loc în legăturile de valență saturate și se deplasează pe o orbită îndepărtată a electronilor, unde este nevoie de mai puțină energie pentru a îndepărta un electron din atom. Electronul se desprinde și devine liber, capabil să transporte sarcină. Astfel, transferul de sarcină este efectuat de un electron și nu de o gaură, adică acest tip
Semiconductorii conduc curentul electric ca metalele.

Antimoniul Sb îmbunătățește, de asemenea, proprietățile unuia dintre cei mai importanți semiconductori - germaniu Ge.

semiconductor de tip p
Un semiconductor de tip p, în plus față de baza de impurități, este caracterizat de natura orificiului conductibilității. Impuritățile care sunt adăugate în acest caz se numesc impurități acceptoare.
De exemplu, o cantitate mică de atomi de indi trivalenți este adăugată la un semiconductor, siliciu Si tetravalent. În cazul nostru, indiul va fi un element de impuritate, ai cărui atomi stabilesc o legătură covalentă cu trei atomi de siliciu învecinați. Dar siliciul are o legătură liberă, în timp ce atomul de indiu nu are un electron de valență, așa că captează un electron de valență din legătura covalentă dintre atomii de siliciu vecini și devine un ion încărcat negativ, formând o așa-numită gaură și, în consecință, o gaură. tranziţie.
Conform aceleiași scheme, In ndium conferă conductivitate ale găurii germaniului Ge.

Investigarea proprietăților elementelor și materialelor semiconductoare, studierea proprietăților de contact dintre un conductor și un semiconductor, experimentarea în fabricarea materialelor semiconductoare, O.V. Losev a creat prototipul LED-ului modern în anii 1920.

Articolul nostru va analiza exemple de semiconductori, proprietățile și aplicațiile acestora. Aceste materiale își au locul în ingineria radio și în electronică. Sunt ceva între un dielectric și un conductor. Apropo, sticla simplă poate fi considerată și un semiconductor - în starea sa normală nu conduce curentul. Dar cu o încălzire puternică (aproape la o stare lichidă), are loc o schimbare a proprietăților și sticla devine conductor. Dar acesta este un exemplu excepțional pentru alte materiale, lucrurile sunt puțin diferite.

Principalele caracteristici ale semiconductorilor

Indicatorul de conductivitate este de aproximativ 1000 Ohm*m (la o temperatura de 180 de grade). Comparativ cu metalele, semiconductorii au o scădere a conductivității pe măsură ce temperatura crește. Dielectricii au aceeași proprietate. Materialele semiconductoare au o dependență destul de puternică a indicatorului de conductivitate de cantitatea și tipul de impurități.

Să presupunem că dacă introduceți doar o miime de arsen în germaniu pur, conductivitatea va crește de aproximativ 10 ori. Fără excepție, toți semiconductorii sunt sensibili la influențele externe - iradierea nucleară, lumină, câmpuri electromagnetice, presiune, etc. Pot fi date exemple de materiale semiconductoare: antimoniu, siliciu, germaniu, telur, fosfor, carbon, arsen, iod, bor, precum și diverși compuși ai acestor substanțe.

Caracteristicile utilizării semiconductorilor

Datorită faptului că materialele semiconductoare au astfel de proprietăți specifice, acestea au devenit destul de răspândite. Pe baza acestora, diode, tranzistoare, triac, lasere, tiristoare, senzori de presiune, câmp magnetic, temperatura etc. După dezvoltarea semiconductorilor, a avut loc o transformare radicală în automatizare, inginerie radio, cibernetică și inginerie electrică. Prin utilizarea semiconductorilor a fost posibil să se obțină dimensiuni atât de mici ale echipamentului - nu este nevoie să se utilizeze surse de alimentare masive și tuburi radio de dimensiunea unui borcan de un litru și jumătate.

Curent în semiconductori

În conductori, curentul este determinat de locul în care se mișcă electronii liberi. Există o mulțime de electroni liberi în materialele semiconductoare și există motive pentru acest lucru. Toți electronii de valență care sunt prezenți într-un semiconductor nu sunt liberi, deoarece sunt asociați cu atomii lor.

În semiconductori, curentul poate apărea și se poate modifica în limite destul de largi, dar numai în prezența unei influențe externe. Curentul se modifică odată cu încălzirea, iradierea și introducerea de impurități. Toate influențele pot crește semnificativ energia electronilor de valență, ceea ce contribuie la separarea lor de atomi. Și tensiunea aplicată face ca acești electroni să se miște într-o anumită direcție. Cu alte cuvinte, acești electroni devin purtători de curent.

Găuri în semiconductori

Pe măsură ce temperatura sau intensitatea iradierii externe crește, numărul de electroni liberi crește. În consecință, curentul crește. Acei atomi dintr-o substanță care și-au pierdut electroni devin ioni pozitivi, nu se mișcă. În exteriorul atomului din care a plecat electronul, rămâne o gaură. Un alt electron care și-a părăsit locul într-un atom din apropiere poate încăpea în el. Ca urmare a acestui fapt, se formează o gaură pe partea exterioară a atomului vecin - se transformă într-un ion (pozitiv).

Dacă se aplică o tensiune unui semiconductor, electronii vor începe să se miște de la un atom la altul într-o anumită direcție. Găurile vor începe să se miște în direcția opusă. O gaură este o particulă încărcată pozitiv. Mai mult, sarcina sa este aceeași ca modul cu cea a unui electron. Folosind această definiție, puteți simplifica semnificativ analiza tuturor proceselor care au loc într-un cristal semiconductor. Curentul de gaură (notat I D) este mișcarea particulelor în direcția opusă mișcării electronilor.

Tranziția electron-gaură

Un semiconductor are două tipuri de conductivitate electrică - electron și gaură. În semiconductori puri (fără impurități), găurile și electronii au aceeași concentrație (N D și, respectiv, N E). Din acest motiv, o astfel de conductivitate electrică se numește conductivitate intrinsecă. Valoarea totală a curentului va fi egală cu:

Dar dacă luăm în considerare faptul că electronii au o mobilitate mai mare decât găurile, putem ajunge la următoarea inegalitate:

Mobilitatea încărcării este desemnată prin litera M; aceasta este una dintre principalele proprietăți ale semiconductorilor. Mobilitatea este raportul dintre doi parametri. Prima este viteza de mișcare a purtătorului de sarcină (notat cu litera V cu indicele „E” sau „D”, în funcție de tipul de purtător), a doua este intensitatea câmpului electric (notat cu litera E) . Poate fi exprimat sub formă de formule:

M E = (V E / E).

M D = (V D / E).

Mobilitatea vă permite să determinați calea pe care o parcurge o gaură sau un electron într-o secundă la o valoare a tensiunii de 1 V/cm. acum putem calcula curentul intrinsec al materialului semiconductor:

I = N * e * (M E + M D) * E.

Dar trebuie remarcat faptul că avem egalități:

N = N E = N D.

Litera e din formulă indică sarcina electronului (aceasta este constant).

Dispozitive semiconductoare

Putem da imediat exemple de dispozitive semiconductoare - acestea sunt tranzistoare, tiristoare, diode și chiar microcircuite. Desigur, acest lucru este departe de a fi lista completa. Pentru a realiza un dispozitiv semiconductor, trebuie să utilizați materiale care au conductivitate de găuri sau electroni. Pentru a obține un astfel de material, este necesar să introduceți un aditiv într-un semiconductor ideal pur cu o concentrație de impurități mai mică de 10 -11% (se numește dopant).

Acele impurități a căror valență este mai mare decât cea a semiconductorului renunță la electroni liberi. Aceste impurități sunt numite donatori. Dar cei a căror valență este mai mică decât cea a unui semiconductor tind să prindă și să rețină electronii. Se numesc acceptori. Pentru a obține un semiconductor care va avea doar conductivitate de tip electronic este suficient să introduceți în materialul sursă o substanță a cărei valență va fi doar una în plus. Pentru exemplul semiconductorilor din fizică curs şcolar este considerat germaniu - valența sa este de 4. I se adaugă un donor - fosfor sau antimoniu, valența lor este de cinci. Există puține metale semiconductoare, acestea practic nu sunt utilizate în tehnologie.

În acest caz, 4 electroni în fiecare atom stabilesc patru legături perechi (covalente) cu germaniul. Al cincilea electron nu are o astfel de legătură, ceea ce înseamnă că este în stare liberă. Și dacă îi aplicați tensiune, acesta va forma un curent electronic.

Curenți în semiconductori

Când curentul electronilor este mai mare decât cel al găurilor, semiconductorul se numește de tip n (negativ). Să luăm în considerare un exemplu - o mică impuritate acceptor (de exemplu, bor) este introdusă în germaniu ideal pur. În acest caz, fiecare atom acceptor va începe să stabilească legături covalente cu germaniul. Dar al patrulea atom de germaniu nu are nicio legătură cu borul. În consecință, un anumit număr de atomi de germaniu va avea un singur electron fără o legătură de tip covalent.

Dar o ușoară influență externă este suficientă pentru ca electronii să înceapă să-și părăsească locurile. În acest caz, se formează găuri în germaniu.

Figura arată că pe atomii 2, 4 și 6, electronii liberi încep să se atașeze de bor. Din acest motiv, nu se creează curent în semiconductor. Pe suprafața atomilor de germaniu se formează găuri cu numerele 1, 3 și 5 - cu ajutorul lor, li se transferă electronii de la atomii adiacenți. Pe acestea din urmă încep să apară găuri, deoarece electronii zboară departe de ele.

Fiecare gaură care apare va începe să se miște între atomii de germaniu. Când se aplică tensiune, găurile încep să se miște în mod ordonat. Cu alte cuvinte, în substanță apare un curent de găuri. Acest tip de semiconductor se numește gaură sau tip p. Când sunt expuși la tensiune, nu numai electronii se mișcă, ci și găuri - ei întâlnesc diverse obstacole pe drum. În acest caz, există o pierdere de energie și o abatere de la traiectoria inițială. Cu alte cuvinte, sarcina transportatorilor este disipată. Toate acestea se întâmplă deoarece semiconductorul conține contaminanți.

Exemple de substanțe semiconductoare care sunt utilizate în tehnologie modernă. Toate materialele au propriile lor caracteristici. În special, una dintre proprietățile cheie este neliniaritatea caracteristicii curent-tensiune.

Cu alte cuvinte, atunci când există o creștere a tensiunii care este aplicată semiconductorului, are loc o creștere rapidă a curentului. În acest caz, rezistența scade brusc. Această proprietate și-a găsit aplicație într-o varietate de opritoare de supape. Exemple de semiconductori dezordonați pot fi considerate mai detaliat în literatura de specialitate utilizarea lor este strict limitată.

Un exemplu bun: la valoarea tensiunii de funcționare, eclatorul are o rezistență mare, astfel încât curentul nu curge de la linia de alimentare la pământ. Dar de îndată ce fulgerul lovește un fir sau un suport, rezistența scade foarte repede la aproape zero și tot curentul intră în pământ. Și tensiunea scade la normal.

Caracteristica curent-tensiune simetrică

Când polaritatea tensiunii se modifică, curentul din semiconductor începe să curgă în direcția opusă. Și se schimbă după aceeași lege. Acest lucru sugerează că elementul semiconductor are o caracteristică curent-tensiune simetrică. În cazul în care o parte a elementului este de tip gaură, iar a doua este electronică, atunci apare o joncțiune p-n (electron-gaura) la limita contactului lor. Tocmai aceste tranziții sunt prezente în toate elementele - tranzistoare, diode, microcircuite. Dar numai în microcircuite mai multe tranzistoare sunt asamblate pe un cip deodată - uneori numărul lor este mai mare de o duzină.

Cum are loc tranziția?

Acum să vedem cum se formează o joncțiune pn. Dacă contactul dintre gaură și semiconductori electronici nu este de foarte înaltă calitate, atunci se formează un sistem format din două regiuni. Unul va avea conductivitate în găuri, iar al doilea va avea conductivitate electronică.

Și electronii care se află în regiunea n vor începe să difuzeze acolo unde concentrația lor este mai mică - adică în regiunea p. În același timp cu electronii, găurile se mișcă, dar direcția lor este inversă. Odată cu difuzia reciprocă, concentrația de electroni în regiunea n și găurile din regiunea p scade.

Proprietatea principală a unei joncțiuni pn

Luând în considerare exemplele de conductori, semiconductori și dielectrici, puteți înțelege că proprietățile lor sunt diferite. De exemplu, principala calitate a semiconductorilor este capacitatea de a trece curentul într-o singură direcție. Din acest motiv, dispozitivele realizate folosind semiconductori au devenit larg răspândite în redresoare. În practică, folosind mai multe instrumente de măsurare, puteți vedea munca semiconductorilor și puteți evalua o mulțime de parametri - atât în ​​modul de repaus, cât și atunci când sunt expuși la „stimulatori” externi.