Mēs runājām par vadītājiem un dielektriķiem un nejauši pieminējām, ka ir starpposma vadītspēja, kas noteiktos apstākļos var iegūt vadītāja vai dielektriķa īpašības. Šāda veida vielu sauc par pusvadītāju.
Atgādināšu: elektrisko īpašību ziņā pusvadītāji ieņem vidējo vietu starp strāvas vadītājiem un nevadītājiem.
Visbiežāk pusvadītāju ražošanai izmanto germānu, silīciju, retāk selēnu, vara oksīdu un citas vielas.
Pusvadītāju elektriskā vadītspēja ir ļoti atkarīga no apkārtējās vides temperatūras. Temperatūrā, kas ir tuvu absolūtajai nullei (-273 C), tie darbojas kā izolatori attiecībā pret elektrisko strāvu. Gluži pretēji, lielākā daļa vadītāju šādā temperatūrā kļūst supravadoši, t.i., tie gandrīz neuzrāda nekādu pretestību strāvai. Paaugstinoties vadītāju temperatūrai, palielinās to pretestība pret elektrisko strāvu, un pusvadītāju pretestība samazinās. Vadītāju elektriskā vadītspēja nemainās, pakļaujot tām gaismu. Pusvadītāju elektriskā vadītspēja gaismas iedarbībā, tā sauktā fotovadītspēja, palielinās.
Pusvadītāji var pārvērst gaismas enerģiju elektriskā strāvā. Diriģenti nemaz nav tādi. Pusvadītāju elektriskā vadītspēja strauji palielinās, kad tajos tiek ievadīti dažu citu elementu atomi. Vadītāju elektriskā vadītspēja samazinās, ja tajos tiek ievadīti piemaisījumi.
Germānija un silīcijs, kas ir daudzu mūsdienu pusvadītāju ierīču izejmateriāli, apvalku ārējos slāņos satur četrus valences elektronus. Kopumā germānija atomā ir 32 elektroni, bet silīcija atomā - 14. Bet 28 germānija elektroni un 10 elektroni silīcija, kas atrodas to apvalku iekšējos slāņos, ir stingri noturēti pie kodoliem un nekādā gadījumā nenāk. prom no viņiem. Tikai četri šo pusvadītāju atomu valences elektroni var kļūt brīvi un pat tad ne vienmēr. Pusvadītāja atoms, kas zaudējis vismaz vienu elektronu, kļūst par pozitīvu jonu. Pusvadītājā atomi ir sakārtoti stingrā secībā: katru no tiem ieskauj četri identiski atomi. Turklāt tie atrodas tik tuvu viens otram, ka to valences elektroni veido atsevišķas orbītas, kas iet ap visiem blakus esošajiem atomiem, savienojot tos vienā vielā.
Šādas atomu attiecības pusvadītāju kristālā var attēlot plakanas ķēdes formā, kā parādīts attēlā. 1, a. Šeit lielas bumbiņas ar “+” zīmi nosacīti attēlo atomu kodolus ar elektronu apvalka iekšējiem slāņiem (pozitīvie joni), un mazas bumbiņas - valences elektroni
. Katru atomu ieskauj četri tieši vienādi. Jebkurš no tiem ir saistīts ar diviem blakus esošajiem valences elektroniem, no kuriem viens ir “savs”, bet otrs ir aizgūts no “kaimiņa”. Šī ir divu elektronu jeb valences saite. Spēcīgākais savienojums!
Savukārt katra atoma elektronu apvalka ārējais slānis satur astoņus elektronus: četrus savus un pa vienam no četriem blakus esošajiem atomiem. Šeit vairs nav iespējams atšķirt, kurš no valences elektroniem ir “savējais” un kurš ir “svešais”, jo tie ir kļuvuši izplatīti. Ar šādu atomu savienojumu visā germānija vai silīcija kristāla masā var uzskatīt, ka pusvadītāju kristāls ir viena liela molekula. Atomu savienojuma diagrammu pusvadītājā var vienkāršot skaidrības labad, attēlojot to, kā tas izdarīts attēlā. 1, 6. Šeit atomu kodoli ar iekšējiem elektronu apvalkiem ir parādīti kā apļi ar plus zīmi, bet starpatomiskās saites ir parādītas kā divas līnijas, kas simbolizē valences elektronus.
Pusvadītāju elektrovadītspēja
Temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei, pusvadītājs uzvedas kā absolūts nevadītājs, jo tam nav brīvu elektronu. Ja temperatūra nepaaugstinās, valences elektronu saite ar atomu kodoli vājina, un daži no tiem termiskās kustības dēļ var atstāt savus atomus. Elektrons, kas izplūst no starpatomu saites, kļūst bezmaksas (1. att. b - melns punkts), un tur, kur tas bija iepriekš, veidojas tukša vieta. Šo tukšo vietu pusvadītāja starpatomiskajā saitē parasti sauc caurums (1. attēlā b - pārtraukta līnija). Jo augstāka temperatūra, jo vairāk parādās brīvo elektronu un caurumu. Tādējādi cauruma veidošanās pusvadītāja masā ir saistīta ar valences elektrona aiziešanu no atoma apvalka, un cauruma izskats atbilst pozitīva elektriskā lādiņa parādīšanās, kas vienāda ar negatīvo elektronu.
1. attēls. Atomu attiecību shēma pusvadītāju kristālā (a) un tā struktūras vienkāršota diagramma (b).
Tagad apsveriet att. 2. Tas shematiski parāda strāvas parādību pusvadītājā. Strāvas cēlonis ir uz poliem pievadītais spriegums (2. att. sprieguma avots ir apzīmēts ar zīmēm “+” un “-”).. Siltuma parādību ietekmē no starpatomiskām saitēm visā pusvadītāja masā tiek atbrīvots noteikts elektronu skaits (2. att. tie ir apzīmēti ar punktiem ar bultiņām). Sprieguma avota pozitīvā pola tuvumā atbrīvotos elektronus piesaista šis pols un atstāj pusvadītāja masu, atstājot aiz sevis caurumus. Elektronus, kas atstājuši starpatomiskās saites kādā attālumā no pozitīvā pola, arī tas piesaista un virzās uz to. Bet, savā ceļā sastapušies ar caurumiem, šķiet, ka elektroni tajos “ielec” (2. att., a), starpatomiskās saites piepildās. Un negatīvajam polam tuvākie caurumi ir piepildīti ar citiem elektroniem, kas izplūst no atomiem, kas atrodas vēl tuvāk negatīvajam polam (2.b att.). Kamēr darbojas pusvadītājs elektriskais lauks, šis process turpinās: tiek pārtrauktas dažas starpatomu saites - valences elektroni no tām pamet, parādās caurumi - un citas starpatomu saites tiek aizpildītas - elektroni "ielec" caurumos, atbrīvojoties no dažām citām starpatomu saitēm (2. att., b-c).
2. att. Elektronu un caurumu kustības shēma.
Temperatūrā virs absolūtās nulles brīvie elektroni un caurumi nepārtraukti parādās un pazūd pusvadītājā pat tad, ja nav ārēju elektrisko lauku. Bet elektroni un caurumi pārvietojas nejauši dažādas puses un nepārsniedz pusvadītāju. Tīrā pusvadītājā katrā laika brīdī atbrīvoto elektronu skaits ir vienāds ar šajā gadījumā izveidoto caurumu skaitu. To kopējais skaits plkst telpas temperatūra salīdzinoši mazs. Tāpēc šāda pusvadītāja elektrovadītspēja, (saukts par savu) , ir mazs, tas nodrošina diezgan lielu pretestību elektriskajai strāvai. Bet, ja tīram pusvadītājam pievieno pat nenozīmīgu daudzumu piemaisījumu citu elementu atomu veidā, tā elektrovadītspēja strauji palielināsies. Šajā gadījumā, atkarībā no piemaisījumu elementu atomu struktūras, pusvadītāja elektrovadītspēja būs elektroniska vai caurums .
Elektroniskā vadītspēja
Ja kāds pusvadītāju kristāla atoms tiek aizstāts ar antimona atomu, kuram elektronu apvalka ārējā slānī ir pieci valences elektroni, šis "svešais" atoms savienosies ar četriem blakus esošajiem pusvadītāja atomiem ar četriem elektroniem. Antimona atoma piektais valences elektrons būs “papildus” un kļūs brīvs. Jo vairāk antimona atomu tiek ievadīts pusvadītājā, jo vairāk brīvo elektronu parādīsies tā masā. Līdz ar to pusvadītājs, kas leģēts ar antimonu, savās īpašībās tuvojas metālam: lai caur to izietu elektriskā strāva, tajā esošās starpatomiskās saites nav jāiznīcina. Tos sauc par pusvadītājiem ar elektrisko vadītspēju vai tipu (n). Šeit latīņu burts n ir latīņu vārda sākuma burts negatīvs (negatīvs), kas nozīmē "negatīvs" . Šis termins šajā gadījumā ir jāsaprot tādā nozīmē, ka n-veida pusvadītājā galvenie strāvas nesēji ir negatīvie lādiņi, t.i. elektroni.
caurumu vadītspēja
Pilnīgi atšķirīgs attēls tiks iegūts, ja pusvadītājā tiks ievadīti atomi ar trim valences elektroniem, piemēram, indiju. Katrs indija metāla atoms ar saviem trim elektroniem aizpildīs saites tikai ar trim blakus esošajiem pusvadītāja atomiem, un tam trūkst viena elektrona, lai aizpildītu saiti ar ceturto. Izveidojas caurums. To, protams, var piepildīt ar kaut kādu elektronu, kas ir izkļuvis no valences saites ar citiem pusvadītāja atomiem. Tomēr neatkarīgi no tā, kur atrodas caurumi, ar indiju leģēta pusvadītāja masā nebūs pietiekami daudz elektronu, lai tos aizpildītu. Un jo vairāk indija piemaisījumu atomu tiek ievadīts pusvadītājā, jo vairāk caurumu tajā veidojas. Lai elektroni varētu pārvietoties šādā pusvadītājā, valences saitēm starp atomiem ir absolūti jāpārtrauc. Elektroni, kas izplūst no tiem, vai elektroni, kas iekļūst pusvadītājā no ārpuses, pārvietojas no cauruma uz caurumu. Un visā pusvadītāja masā jebkurā laikā caurumu skaits būs lielāks par kopējo brīvo elektronu skaitu. Tos sauc par pusvadītājiem ar caurumu elektrovadītspēju vai tipu (p).
Latīņu burts p ir latīņu vārda pirmais burts pozitīvs (pozitīvs), kas nozīmē "pozitīvs".
Šis termins šajā gadījumā ir jāsaprot tādā nozīmē, ka parādība elektriskā strāva(p) tipa pusvadītāja masā pavada nepārtraukta pozitīvu lādiņu - caurumu parādīšanās un izzušana. Pārvietojoties pusvadītāja masā, caurumi it kā ir strāvas nesēji. P tipa pusvadītājiem, kā arī n tipam ir daudzkārt labāka elektrovadītspēja nekā tīrajiem.
Jāsaka, ka praktiski nav absolūti tīru pusvadītāju, kā arī absolūti elektriski vadošu tipu n un p. Pusvadītājā, kas leģēts ar indiju, noteikti ir neliels skaits dažu citu elementu atomu, kas nodrošina tam elektronisko vadītspēju, un ar antimona piejaukumu ir elementu atomi, kas tajā rada caurumu elektrisko vadītspēju. Piemēram, pusvadītājā, kura kopējā elektriskā vadītspēja ir n tipa, ir caurumi, kurus var piepildīt ar brīviem elektroniem no piemaisījumu antimona atomiem. Rezultātā elektrovadītspēja nedaudz pasliktināsies, bet kopumā tā saglabās elektronisko vadītspēju. Līdzīga parādība tiks novērota arī tad, ja brīvie elektroni nonāks pusvadītājā ar cauruma raksturu.
Tāpēc n tipa pusvadītājos galvenie strāvas nesēji ir elektroni (pārsvarā ir elektroniskā elektrovadītspēja), bet p tipa pusvadītājos galvenie strāvas nesēji ir caurumi (dominē caurumu elektrovadītspēja).
Sveiki, dārgie vietnes lasītāji. Vietnē ir sadaļa, kas veltīta iesācējiem radioamatieriem, taču līdz šim es neesmu īsti neko rakstījis iesācējiem, kuri sper pirmos soļus elektronikas pasaulē. Es aizpildu šo robu, un no šī raksta mēs sākam iepazīties ar radio komponentu (radio komponentu) ierīci un darbību.
Sāksim ar pusvadītāju ierīcēm. Bet, lai saprastu, kā darbojas diode, tiristors vai tranzistors, ir jāsaprot, kas pusvadītājs. Tāpēc vispirms pētīsim pusvadītāju uzbūvi un īpašības molekulārā līmenī, bet pēc tam nodarbosimies ar pusvadītāju radiokomponentu darbību un konstrukciju.
Vispārīgi jēdzieni.
Kāpēc tieši pusvadītājs diode, tranzistors vai tiristors? Jo šo radio komponentu pamatā ir pusvadītāji Vielas, kas spēj gan vadīt elektrisko strāvu, gan novērst tās pāreju.
Šī ir liela vielu grupa, ko izmanto radiotehnikā (germānija, silīcijs, selēns, vara oksīds), bet pusvadītāju ierīču ražošanai tās galvenokārt izmanto tikai Silīcijs(Si) un Germānija(Ge).
Saskaņā ar to elektriskajām īpašībām pusvadītāji ieņem vidējo vietu starp elektriskās strāvas vadītājiem un nevadītājiem.
Pusvadītāju īpašības.
Vadītāju elektriskā vadītspēja ir ļoti atkarīga no apkārtējās vides temperatūras.
Pie ļoti zems temperatūras tuvu absolūtajai nullei (-273°C), pusvadītāji neveic elektriskā strāva un veicināšanu temperatūra, to izturība pret strāvu samazinās.
Ja norādāt uz pusvadītāju gaisma, tad tā elektrovadītspēja sāk palielināties. Izmantojot šo pusvadītāju īpašību, tika izveidoti fotoelementu ierīces. Pusvadītāji spēj arī pārveidot gaismas enerģiju elektriskā strāvā, piemēram, saules paneļi. Un kad to ievada pusvadītājos piemaisījumi noteiktām vielām, to elektrovadītspēja krasi palielinās.
Pusvadītāju atomu uzbūve.
Germānija un silīcijs ir daudzu pusvadītāju ierīču galvenie materiāli, un tiem ir četri valences elektrons.
Atom Vācija sastāv no 32 elektroniem un atoma silīcijs no 14. Bet tikai 28 germānija atoma elektroni un 10 silīcija atoma elektroni, kas atrodas to apvalku iekšējos slāņos, ir stingri turēti kodolos un nekad neatdalās no tiem. Vienkārši četrišo vadītāju atomu valences elektroni var kļūt brīvi, un pat tad ne vienmēr. Un, ja pusvadītāja atoms zaudē vismaz vienu elektronu, tad tas kļūst pozitīvais jons.
Pusvadītājā atomi ir sakārtoti stingrā secībā: katru atomu ieskauj četri tie paši atomi. Turklāt tie atrodas tik tuvu viens otram, ka to valences elektroni veido atsevišķas orbītas, kas iet ap blakus esošajiem atomiem, tādējādi savienojot atomus vienā veselā vielā.
Attēlosim atomu savstarpējo savienojumu pusvadītāju kristālā plakanas diagrammas veidā.
Diagrammā nosacīti apzīmē sarkanas bumbiņas ar plusu atomu kodoli(pozitīvie joni), un zilās bumbiņas ir valences elektroni.
Šeit jūs varat redzēt, ka ap katru atomu atrodas četri tieši tie paši atomi, un katram no šiem četriem ir savienojums ar četriem citiem atomiem utt. Katrs no atomiem ir savienots ar katru blakus esošo divi valences elektroni, un viens elektrons ir savs, bet otrs ir aizgūts no blakus esošā atoma. Šādu saiti sauc par divu elektronu saiti. kovalents.
Savukārt katra atoma elektronu apvalka ārējais slānis satur astoņi elektroni: četri savējo, un vienatnē, aizgūts no četriem kaimiņos atomi. Šeit vairs nav iespējams atšķirt, kurš no valences elektroniem atomā ir "savējais" un kurš ir "svešais", jo tie ir kļuvuši izplatīti. Ar šādu atomu saiti visā germānija vai silīcija kristāla masā mēs varam pieņemt, ka pusvadītāju kristāls ir viens liels molekula. Attēlā rozā un dzelteni apļi parāda savienojumu starp divu blakus esošo atomu apvalku ārējiem slāņiem.
Pusvadītāju elektrovadītspēja.
Apsveriet vienkāršotu pusvadītāju kristāla zīmējumu, kur atomi ir apzīmēti ar sarkanu bumbiņu ar pluszīmi, bet starpatomiskās saites ir parādītas ar divām līnijām, kas simbolizē valences elektronus.
Temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei, pusvadītājs nediriģē strāva, jo tai nav brīvie elektroni. Bet, paaugstinoties temperatūrai, valences elektronu saite ar atomu kodoliem vājina un daži elektroni termiskās kustības dēļ var atstāt savus atomus. Elektrons, kas izplūst no starpatomu saites, kļūst par " bezmaksas", un tur, kur viņš bija agrāk, veidojas tukša vieta, ko nosacīti sauc caurums.
Kā augstāks pusvadītāju temperatūra, vairāk tas kļūst par brīviem elektroniem un caurumiem. Rezultātā izrādās, ka "cauruma" veidošanās ir saistīta ar valences elektrona aiziešanu no atoma čaulas, un pats caurums kļūst pozitīvs elektriskais lādiņš vienāds ar negatīvs elektrona lādiņš.
Tagad apskatīsim attēlu, kas shematiski parāda strāvas rašanās parādība pusvadītājā.
Ja pusvadītājam, kontaktiem "+" un "-" tiek pievienots kāds spriegums, tajā parādīsies strāva.
Līdz termiskās parādības, pusvadītāju kristālā no starpatomiskām saitēm sāksies tikt atbrīvotam kāds elektronu skaits (zilas bumbiņas ar bultiņām). Elektroni tiek piesaistīti pozitīvs sprieguma avota pols būs kustēties pret viņu, atstājot aiz sevis caurumiem, kuru aizpildīs citi atbrīvotie elektroni. Tas ir, ārēja ietekmē elektriskais lauks lādiņa nesēji iegūst noteiktu virziena kustības ātrumu un tādējādi rada elektrība.
Piemēram: atbrīvotais elektrons, kas atrodas vistuvāk sprieguma avota pozitīvajam polam piesaistījašis stabs. Pārraujot starpatomisko saiti un atstājot to, elektronu lapas pēc sevis caurums. Vēl viens atbrīvots elektrons, kas atrodas uz dažiem noņemšana arī no pozitīvā pola piesaistīja pole un pārvietojas pret viņu, bet satikusies caurums savā ceļā, tiek piesaistīts tam kodols atoms, atjaunojot starpatomisko saiti.
Iegūtais jauns caurums aiz otrā elektrona, piepilda trešais atbrīvotais elektrons, kas atrodas blakus šim caurumam (attēls Nr. 1). Savukārt caurumiem, kas ir vistuvāk negatīvs stabs, piepildīts ar citiem atbrīvotie elektroni(Attēls Nr. 2). Tādējādi pusvadītājā rodas elektriskā strāva.
Kamēr darbojas pusvadītājs elektriskais lauks, šis process nepārtraukts: tiek pārtrauktas starpatomiskās saites - parādās brīvie elektroni - veidojas caurumi. Caurumus piepilda ar atbrīvotajiem elektroniem - tiek atjaunotas starpatomu saites, savukārt pārrautas pārējās starpatomiskās saites, no kurām elektroni iziet un aizpilda sekojošos caurumus (Attēls Nr. 2-4).
No tā mēs secinām: elektroni pārvietojas no sprieguma avota negatīvā pola uz pozitīvo, un caurumi pārvietojas no pozitīvā pola uz negatīvo.
Elektronu caurumu vadītspēja.
"Tīrā" pusvadītāju kristālā skaitlis atbrīvots elektronu skaits šobrīd ir vienāds ar skaitli parādās caurumiem, tātad šāda pusvadītāja elektrovadītspēja mazs, jo tas nodrošina elektrisko strāvu liels pretestību, un šo elektrovadītspēju sauc pašu.
Bet ja mēs pievienojam pusvadītājam formā piemaisījumi noteiktu skaitu citu elementu atomu, tad tā elektrovadītspēja ievērojami palielināsies, un atkarībā no struktūras piemaisījumu elementu atomi, pusvadītāja elektrovadītspēja būs elektroniski vai perforēts.
elektroniskā vadītspēja.
Pieņemsim, ka pusvadītāju kristālā, kurā atomiem ir četri valences elektroni, mēs esam aizstājuši vienu atomu ar atomu, kurā pieci valences elektroni. Šis atoms četri elektroni savienosies ar četriem blakus esošajiem pusvadītāja atomiem un piektais valences elektrons paliks lieki' nozīmē bezmaksas. Un nekā vairāk vairāk būs brīvie elektroni, kas nozīmē, ka šāds pusvadītājs savās īpašībās tuvosies metālam un, lai caur to izietu elektriskā strāva, tas starpatomiskās saites nav jāiznīcina.
Pusvadītājus ar šādām īpašībām sauc par pusvadītājiem ar vadītspēju " n", vai pusvadītāji n-tips. Šeit latīņu burts n nāk no vārda "negatīvs" (negatīvs) - tas ir, "negatīvs". No tā izriet, ka pusvadītājā n-tips galvenais lādiņu nesēji ir - elektroni, un ne jau galvenie - bedres.
caurumu vadītspēja.
Ņemsim to pašu kristālu, bet tagad tā atomu aizstāsim ar atomu, kurā tikai trīs brīvais elektrons. Ar saviem trim elektroniem tas saistīsies tikai ar trīs kaimiņu atomiem, un, lai sasaistītos ar ceturto atomu, viņam nepietiks viens elektrons. Tā rezultātā veidojas caurums. Protams, tas tiks piepildīts ar jebkuru citu brīvu elektronu tuvumā, taču jebkurā gadījumā kristālā šāda pusvadītāja nebūs. sagrābt elektroni caurumu aizpildīšanai. Un nekā vairāk kristālā būs tādi atomi, tātad vairāk būs caurumi.
Lai brīvie elektroni atbrīvotos un pārvietotos šādā pusvadītājā, Valences saites starp atomiem ir jāiznīcina. Bet ar elektroniem joprojām nepietiks, jo caurumu skaits vienmēr būs vairāk elektronu skaits jebkurā laikā.
Šādus pusvadītājus sauc par pusvadītājiem ar perforēts vadītspēja vai vadītāji lpp-tips, kas latīņu valodā "pozitīvs" nozīmē "pozitīvs". Tādējādi elektriskās strāvas parādību p-tipa pusvadītāju kristālā pavada nepārtraukta parādīšanās Un pazušana pozitīvi lādiņi ir caurumi. Un tas nozīmē, ka pusvadītājā lpp-tips galvenais lādiņu nesēji ir caurumiem, nevis pamata - elektroni.
Tagad, kad jums ir zināma izpratne par parādībām, kas notiek pusvadītājos, jums nebūs grūti saprast pusvadītāju radio komponentu darbības principu.
Apstāsimies pie tā, un mēs apsvērsim ierīci, diodes darbības principu, analizēsim tās strāvas-sprieguma raksturlielumus un komutācijas shēmas.
Veiksmi!
Avots:
1
. Borisovs V.G. - Jauns radioamatieris. 1985. gads
2
. Vietne academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.
Pusvadītāji ieguva savu nosaukumu, jo tie ieņem starpvietu starp vadītājiem (metāli, elektrolīti, ogles), kuriem ir augsta elektrovadītspēja, un izolatoriem (porcelāns, vizla, gumija un citi), kas gandrīz nevada elektrisko strāvu.
Ja salīdzinām īpatnējo tilpuma pretestību omi × cm dažādām vielām, izrādās, ka vadītājiem ir: ρ U\u003d 10 -6 - 10 -3 omi × cm; pusvadītāju pretestība: ρ U\u003d 10 -3 - 10 8 omi × cm; un dielektriķiem: ρ U\u003d 10 8 - 10 20 omi × cm. Pusvadītājos ietilpst: metālu oksīdi - oksīdi (Al 2 O 3, Cu 2 O, ZnO, TiO 2, VO 2, WO 2, MoO 3); sēra savienojumi - sulfīdi (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); savienojumi ar selēnu - selenīdi; savienojumi ar telūru - telurīdi; daži sakausējumi (MgSb 2, ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb); ķīmiskie elementi- germānija, silīcijs, telūrs, selēns, bors, ogleklis, sērs, fosfors, arsēns, kā arī liels skaits sarežģīti savienojumi(galēns, karborunds un citi).
Attēls 1. Germānija
2. attēls. Silīcijs
3. attēls. Telūrs
Pilnīgu un plašu pusvadītāju īpašību izpēti veica padomju zinātnieks A.F.Ioffe un viņa līdzstrādnieki.
Pusvadītāju elektriskās īpašības krasi atšķiras no vadītāju un izolatoru īpašībām. Vadītāju elektrovadītspēja lielā mērā ir atkarīga no temperatūras, apgaismojuma, elektriskā lauka klātbūtnes un intensitātes, kā arī piemaisījumu daudzuma. Parastā temperatūrā pusvadītājos ir noteikts brīvo elektronu daudzums, kas veidojas elektronisko saišu pārraušanas dēļ. Pusvadītājiem ir divu veidu vadītspēja: elektronu un caurumu. Lādiņu nesēji pusvadītājos ar elektronisko vadītspēju ir brīvie elektroni, bet ar caurumu vadītspēju - saites, kurās nav elektronu.
Apsveriet tālāk sniegto pieredzi. Ņemsim metāla vadītāju un uzsildīsim vienu tā galu, tad saņems apsildāmais vadītāja gals pozitīvs lādiņš. Tas ir saistīts ar elektronu kustību no karstā gala uz auksto galu, kā rezultātā rodas elektronu trūkums vadītāja karstajā galā (pozitīvs lādiņš) un elektronu pārpalikums aukstajā galā (negatīvs lādiņš). Īslaicīgu strāvas plūsmu caur vadītāju izraisīja elektronu kustība no viena vadītāja gala uz otru. Tādējādi šeit mēs runājam par vadītāju ar elektronisko vadītspēju. Taču ir vielas, kas šādā eksperimentā uzvedas savādāk: šādas vielas apsildāmā mala saņem negatīvu lādiņu, bet aukstā – pozitīvu. Tas ir iespējams, ja pieņemam, ka strāvas pārnešanu veic pozitīvi lādiņi.
4. attēls. Sakari starp vielas atomiem
 |
| 5. attēls. Pusvadītāju iekšējā vadītspēja |
 |
| 6. attēls. Pusvadītāja elektroniskā vadītspēja |
  |
| 7. attēls. Pusvadītāja caurumu vadītspēja |
Iepazīsimies ar citu vadītspējas veidu pusvadītājos - caurumu vadītspēju. Tīros pusvadītājos visi elektroni, kas ir vāji saistīti ar kodoliem, piedalās elektroniskajās saitēs. 4. attēls, A nosacīti parāda aizpildītu saiti starp vielas atomiem. “Caurums” ir elektronu zaudējušas vielas kristāla režģa elements, kas atbilst pozitīva lādiņa izskatam (4. b).
Atbrīvoto saiti var aizpildīt vēlreiz, ja "caurums" uztver elektronu no blakus esošās saites (4. V). Tas izraisīs "cauruma" pārvietošanos uz jaunu vietu. Pusvadītāja vielā, kas atrodas normāli apstākļi, elektronu emisijas virziens un "cauruma" veidošanās vieta ir haotiski. Ja attiecinām uz tīru pusvadītāju pastāvīgs spiediens, tad elektroni un "caurumi" pārvietosies (pirmais pret lauka spēku virzienu, otrs pretējā virzienā). Ja izveidoto "caurumu" skaits ir vienāds ar atbrīvoto elektronu skaitu, tad, kā tas ir tīriem pusvadītājiem, pusvadītāju vadītspēja ir zema (iekšējā vadītspēja). Pat neliela daudzuma svešu piemaisījumu klātbūtne var mainīt elektriskās vadītspējas mehānismu: padarīt to elektronisku vai caurumu. Apsveriet konkrēts piemērs. Ņemsim germāniju (Ge) kā pusvadītāju. Germānija kristālā katrs atoms ir saistīts ar četriem citiem atomiem. Paaugstinoties temperatūrai vai apstarošanas rezultātā, kristāla pāru saites var pārtrūkt. Tas rada vienādu skaitu elektronu un "caurumu" (5. attēls).
Pievienosim arsēnu kā piemaisījumu germānijam. Šim maisījumam ir liels skaits vāji saistīti elektroni. Piemaisījumu atomiem ir savs enerģijas līmenis, kas atrodas starp brīvās un piepildītās zonas enerģijas līmeņiem, tuvāk pēdējai (6. attēls). Šādi piemaisījumi nodod savus elektronus brīvajai zonai un tiek saukti par donoru piemaisījumiem. Pusvadītājā būs brīvi elektroni, kamēr visas saites būs aizpildītas. Pusvadītājam brīvajā zonā būs elektroniska vadītspēja.
Ja tagad germānijam kā piemaisījumu pievienos nevis arsēnu, bet indiju, tad notiks sekojošais. Šādam piemaisījumam ir neliels skaits vāji saistītu elektronu, un piemaisījuma enerģijas līmenis atrodas starp brīvās un piepildītās zonas enerģijas līmeņiem, tuvāk brīvajai zonai (7. attēls). Šāda veida piemaisījumi uzņem elektronus no blakus esošās piepildītās joslas savā joslā, un tos sauc par akceptoru piemaisījumiem. Pusvadītājā būs neaizpildītas saites - "caurumi", ja nebūs brīvu elektronu. Pusvadītājam būs caurumu vadītspēja piepildītajā joslā.
Tagad kļūs skaidra pusvadītāja sildīšanas pieredze, kad apsildāmais gals saņēma negatīvu lādiņu, bet aukstais - pozitīvu. Siltuma ietekmē karstajā galā saites sāks plīst, parādīsies "caurumi" un brīvie elektroni. Ja pusvadītājā ir piemaisījumi, tad "caurumi" sāks virzīties uz auksto galu, uzlādējot to pozitīvi, un pusvadītāja apsildāmais gals tiks uzlādēts negatīvi.
Pabeidzot pusvadītāju apskatu, mēs izdarām šādu secinājumu.
Pievienojot pusvadītājam piemaisījumus, tam var piešķirt dominējošo elektronu vai caurumu vadītspēju. Pamatojoties uz to, cilvēks saņem šādus veidus pusvadītāji. Pusvadītājus ar elektronisko vadītspēju sauc par pusvadītājiem. n-tipa (negatīvs) un ar caurumu vadītspēju - lpp-tips (pozitīvs).
Aicinām arī noskatīties izglītojošus video par pusvadītājiem:
List=PL_QCOTUIndSFAbWcR3t0wYp5IORVEHu3I
Jūs, jaunais draugs, esat tehniskās revolūcijas laikabiedrs visās radioelektronikas jomās. Tās būtība slēpjas faktā, ka elektroniskās lampas ir aizstātas ar pusvadītāju ierīcēm, un tagad tās arvien vairāk izspiež mikroshēmas.
Viena no raksturīgākajiem pusvadītāju ierīču "armijas" pārstāvjiem - tranzistoram - sencis bija tā sauktais ģenerējošais detektors, ko tālajā 1922. gadā izgudroja padomju radiofiziķis O. V. Losevs. Šī ierīce, kas ir pusvadītāju kristāls ar diviem blakus vadiem - vadītājiem, noteiktos apstākļos varētu radīt un pastiprināt elektriskās svārstības. Bet tad nepilnību dēļ viņš nevarēja konkurēt ar elektronisko lampu. Cienīgu pusvadītāju sāncensi vakuuma caurulei, ko sauc par tranzistoru, 1948. gadā radīja amerikāņu zinātnieki Breteins, Bārdīns un Šoklijs. Mūsu valstī lielu ieguldījumu pusvadītāju ierīču attīstībā sniedza A.F.Ioffe, L.D. Landau, B.I.Davydova, V.E. Loškarevs un vairāki citi zinātnieki un inženieri, daudzas pētnieku grupas.
Lai saprastu mūsdienu pusvadītāju ierīcēs notiekošo parādību būtību, mums būs "jāielūkojas" pusvadītāja struktūrā, jāsaprot elektriskās strāvas veidošanās iemesli tajā. Bet pirms tam jums būtu labi atcerēties to pirmās sarunas daļu, kurā es runāju par atomu uzbūvi.
PUSVADĪTĀJI UN TO ĪPAŠĪBAS
Atgādināšu: elektrisko īpašību ziņā pusvadītāji ieņem vidējo vietu starp strāvas vadītājiem un nevadītājiem. Papildināšu teikto, ka daudz vairāk vielu pieder pie pusvadītāju grupas nekā vadītāju un nevadītāju grupām kopā. Pusvadītājiem, kuri ir atraduši praktiska izmantošana tehnoloģijā ietver germāniju, silīciju, selēnu, vara oksīdu un dažas citas vielas. Bet pusvadītāju ierīcēm galvenokārt tiek izmantots tikai germānija un silīcijs.
Kādas ir pusvadītāju raksturīgākās īpašības, kas tos atšķir no strāvas vadītājiem un nevadītājiem? Pusvadītāju elektriskā vadītspēja ir ļoti atkarīga no apkārtējās vides temperatūras. Ļoti zemā temperatūrā, tuvu absolūtajai nullei (-273°C), tie uzvedas attiecībā pret elektrisko strāvu kā izolatori. Lielākā daļa vadītāju, gluži pretēji, šajā temperatūrā kļūst par supravadītājiem, t.i. gandrīz nav pretestības strāvai. Paaugstinoties vadītāju temperatūrai, palielinās to pretestība pret elektrisko strāvu, un pusvadītāju pretestība samazinās. Vadītāju elektriskā vadītspēja nemainās, pakļaujot tām gaismu. Pusvadītāju elektriskā vadītspēja gaismas iedarbībā, tā sauktā fotovadītspēja, palielinās. Pusvadītāji var pārvērst gaismas enerģiju elektriskā strāvā. Diriģenti nemaz nav tādi. Pusvadītāju elektriskā vadītspēja strauji palielinās, kad tajos tiek ievadīti dažu citu elementu atomi. Vadītāju elektriskā vadītspēja samazinās, ja tajos tiek ievadīti piemaisījumi. Šīs un dažas citas pusvadītāju īpašības ir zināmas jau salīdzinoši sen, taču plaši izmantotas ir salīdzinoši nesen.
Germānija un silīcijs, kas ir daudzu mūsdienu pusvadītāju ierīču izejmateriāli, apvalku ārējos slāņos satur četrus valences elektronus. Pavisam germānija atomā ir 32 elektroni, silīcija atomā – 14. Bet 28 germānija atoma elektroni un 10 silīcija atoma elektroni, kas atrodas to apvalku iekšējos slāņos, ir stingri noturēti pie kodoliem un nekādā gadījumā neatkāpieties no tiem. Tikai četri šo pusvadītāju atomu valences elektroni var kļūt brīvi un pat tad ne vienmēr. Atcerieties: četri! Pusvadītāja atoms, kas zaudējis vismaz vienu elektronu, kļūst par pozitīvu jonu.
Pusvadītājā atomi ir sakārtoti stingrā secībā: katru atomu ieskauj četri identiski atomi. Turklāt tie atrodas tik tuvu viens otram, ka to valences elektroni veido atsevišķas orbītas, kas iet ap visiem blakus esošajiem atomiem, savienojot tos vienā vielā. Šādas atomu attiecības pusvadītāju kristālā var attēlot plakanas ķēdes formā, kā parādīts attēlā. 72, a. Šeit lielas bumbiņas ar “+” zīmi nosacīti attēlo atomu kodolus ar elektronu apvalka iekšējiem slāņiem (pozitīvie joni), bet mazās bumbiņas - valences elektronus. Katru atomu, kā redzat, ieskauj četri tieši tādi paši atomi. Jebkurš no atomiem ir saistīts ar diviem blakus esošajiem valences elektroniem, no kuriem viens ir “savs”, bet otrs ir aizgūts no “kaimiņa”. Šī ir divu elektronu jeb valences saite. Spēcīgākais savienojums!
Rīsi. 72. Atomu attiecību shēma pusvadītāju kristālā (a) un tā uzbūves vienkāršota diagramma (b)
Savukārt katra atoma elektronu apvalka ārējais slānis satur astoņus elektronus: četrus savus un pa vienam no četriem blakus esošajiem atomiem. Šeit vairs nav iespējams atšķirt, kurš no valences elektroniem atomā ir “savējais” un kurš ir “svešais”, jo tie ir kļuvuši izplatīti. Ar šādu atomu savienojumu visā germānija vai silīcija kristāla masā var uzskatīt, ka pusvadītāju kristāls ir viena liela molekula.
Atomu savienojuma diagrammu pusvadītājā var vienkāršot skaidrības labad, attēlojot to, kā tas izdarīts attēlā. 72b. Šeit atomu kodoli ar iekšējiem elektronu apvalkiem ir parādīti kā apļi ar plus zīmi, un starpatomiskās saites ir parādītas kā divas līnijas, kas simbolizē valences elektronus.
Dabā līdzās elektrības vadītājiem ir daudz vielu, kurām ir daudz zemāka elektrovadītspēja nekā metāla vadītājiem. Šāda veida vielas sauc par pusvadītājiem.
Pie pusvadītājiem pieder: noteikti ķīmiskie elementi, piemēram, selēns, silīcijs un germānija, sēra savienojumi, piemēram, tallija sulfīds, kadmija sulfīds, sudraba sulfīds, karbīdi, piemēram, karborunds,ogleklis (dimants),bors, pelēkā alva, fosfors, antimons, arsēns, telūrs, jods un virkne savienojumu, kas satur vismaz vienu no Mendeļejeva sistēmas 4. - 7. grupas elementiem. Ir arī organiskie pusvadītāji.
Daba elektrovadītspēja pusvadītājs ir atkarīgs no piemaisījumu veida, kas atrodas pusvadītāja pamatmateriālā, un no tā sastāvdaļu ražošanas tehnoloģijas.
Pusvadītājs ir viela ar 10 -10 - 10 4 (ohm x cm) -1, kas saskaņā ar šīm īpašībām atrodas starp vadītāju un izolatoru. Atšķirība starp vadītājiem, pusvadītājiem un izolatoriem saskaņā ar joslu teoriju ir šāda: tīros pusvadītājos un elektroniskajos izolatoros starp piepildīto joslu (valence) un vadīšanas joslu ir joslas sprauga.
Kāpēc pusvadītāji vada strāvu
Pusvadītājam ir elektroniskā vadītspēja, ja tā piemaisījuma atomos ārējie elektroni ir salīdzinoši vāji saistīti ar šo atomu kodoliem. Ja šāda veida pusvadītājos tiek izveidots elektriskais lauks, tad šī lauka spēku ietekmē pusvadītāju piemaisījumu atomu ārējie elektroni atstās savu atomu robežas un pārvērtīsies brīvos elektronos.
Brīvie elektroni elektriskā lauka spēku ietekmē pusvadītājā radīs elektriskās vadīšanas strāvu. Līdz ar to elektriskās strāvas raksturs pusvadītājos ar elektronisko vadītspēju ir tāds pats kā metāliskajos vadītājos. Bet, tā kā pusvadītāja tilpuma vienībā ir daudz reižu mazāk brīvo elektronu nekā metāliskā vadītāja tilpuma vienībā, ir dabiski, ka visos citos identiskos apstākļos strāva pusvadītājā būs daudzkārt mazāka nekā metāliskā. diriģents.
Pusvadītājam ir "caurumu" vadītspēja, ja tā piemaisījuma atomi ne tikai neatdod savus ārējos elektronus, bet, gluži pretēji, mēdz uztvert pusvadītāja galvenās vielas atomu elektronus. Ja piemaisījuma atoms paņem elektronu no galvenās vielas atoma, tad tajā veidojas kaut kas līdzīgs brīvai vietai elektronam - “caurums”.
Pusvadītāju atomu, kas ir zaudējis elektronu, sauc par "elektronu caurumu" vai vienkārši "caurumu". Ja “caurums” ir piepildīts ar elektronu, kas izgājis no blakus esošā atoma, tad tas tiek likvidēts un atoms kļūst elektriski neitrāls, un “caurums” tiek pārvietots uz blakus atomu, kurš ir zaudējis elektronu. Tāpēc, ja pusvadītājam ar "caurumu" vadītspēju tiek pielietots elektriskais lauks, tad "elektronu caurumi" tiks pārvietoti šī lauka virzienā.
Aizspriedums "elektronu caurumi" elektriskā lauka virzienā ir līdzīgi pozitīvā kustībai elektriskie lādiņi laukā un tāpēc attēlo elektriskās strāvas fenomenu pusvadītājā.
Pusvadītājus nevar strikti atšķirt pēc to elektriskās vadītspējas mehānisma, jo kopā arDotā pusvadītāja "cauruma" vadītspēja zināmā mērā var būt arī elektroniska vadītspēja.
Pusvadītājus raksturo:
vadītspējas veids (elektroniskais - n-veida, caurums - p-tips);
pretestība;
lādiņnesēju kalpošanas laiks (mazākā daļa) vai difūzijas garums, virsmas rekombinācijas ātrums;
dislokācijas blīvums.
Silīcijs ir visizplatītākais pusvadītāju materiāls
Temperatūra būtiski ietekmē pusvadītāju īpašības. Tā palielināšanās galvenokārt noved pie pretestības samazināšanās un otrādi, t.i., pusvadītājus raksturo negatīva klātbūtne . Tuvojoties absolūtajai nullei, pusvadītājs kļūst par izolatoru.
Pusvadītāji ir daudzu ierīču pamatā. Vairumā gadījumu tie jāiegūst monokristālu veidā. Lai piešķirtu vēlamās īpašības, pusvadītāji ir leģēti ar dažādiem piemaisījumiem. Paaugstinātas prasības tiek izvirzītas sākotnējo pusvadītāju materiālu tīrībai.
Mūsdienu tehnoloģijās pusvadītāji ir atraduši visplašāko pielietojumu, tiem ir bijusi ļoti spēcīga ietekme uz tehnoloģisko progresu. Pateicoties tiem, ir iespējams ievērojami samazināt elektronisko ierīču svaru un izmērus. Visu elektronikas jomu attīstība noved pie liela skaita dažādu iekārtu, kuru pamatā ir pusvadītāju ierīces, izveide un uzlabošana. Pusvadītāju ierīces kalpo par pamatu mikroelementiem, mikromoduļiem, cietajām shēmām utt.
Elektroniskās ierīces, kuru pamatā ir pusvadītāju ierīces, ir praktiski bez inerces. Rūpīgi izstrādāta un labi noslēgta pusvadītāju ierīce var kalpot desmitiem tūkstošu stundu. Tomēr dažiem pusvadītāju materiāliem ir neliela temperatūras robeža (piemēram, germānija), taču ne pārāk sarežģīta temperatūras kompensācija vai ierīces pamatmateriāla aizstāšana ar citu (piemēram, silīciju, silīcija karbīdu) šo trūkumu lielā mērā novērš. Pusvadītāju ierīču ražošanas tehnoloģijas uzlabošana noved pie esošās izkliedes un parametru nestabilitātes samazināšanās.
Pusvadītāju diožu ražošanā tiek izmantots pusvadītāja-metāla kontakts un pusvadītājos izveidots elektronu caurumu savienojums (n-p-savienojums). Divkāršie savienojumi (р-n-р vai n-р-n) - tranzistori un tiristori. Šīs ierīces galvenokārt izmanto elektrisko signālu labošanai, ģenerēšanai un pastiprināšanai.
Pamatojoties uz pusvadītāju fotoelektriskajām īpašībām, tiek izveidoti fotorezistori, fotodiodes un fototranzistori. Pusvadītājs kalpo kā aktīva svārstību ģeneratoru (pastiprinātāju) daļa. Kad cauri tiek izlaista elektriskā strāva p-n krustojums virzienā uz priekšu lādiņnesēji - elektroni un caurumi - rekombinējas ar fotonu emisiju, ko izmanto gaismas diožu radīšanai.
Pusvadītāju termoelektriskās īpašības ļāva izveidot pusvadītāju termiskās pretestības, pusvadītāju termoelementus, termoakumulatorus un termoelektriskos ģeneratorus un pusvadītāju termoelektrisko dzesēšanu, pamatojoties uz Peltjē efektu, - termoelektriskos ledusskapjus un termostabilizatorus.
Pusvadītājus izmanto bezmašīnu siltuma un saules enerģija elektriskajos - termoelektriskajos ģeneratoros un fotoelektriskajos pārveidotājos (saules baterijas).
Mehāniskais spriegums, kas tiek pielikts pusvadītājam, maina tā elektrisko pretestību (efekts ir spēcīgāks nekā metāliem), kas bija pusvadītāju deformācijas mērītāja pamatā.
Pusvadītāju ierīces tiek plaši izmantotas pasaules praksē, radot revolūciju elektronikā, tās kalpo par pamatu, lai izstrādātu un ražotu:
mēraparatūra, datori,
visu veidu sakaru un transporta aprīkojums,
procesu automatizācijai rūpniecībā,
ierīces, kas paredzētas zinātniskie pētījumi,
raķešu tehnoloģija,
medicīniskais aprīkojums
citas elektroniskās ierīces un ierīces.
Pusvadītāju ierīču izmantošana ļauj izveidot jaunu aprīkojumu un uzlabot veco, kas nozīmē, ka tas samazina tā izmērus, svaru, enerģijas patēriņu un līdz ar to arī siltuma ražošanas samazināšanos ķēdē, palielinot izturību. , līdz tūlītējai gatavībai darbībai, ļauj palielināt elektronisko ierīču kalpošanas laiku un uzticamību.