Gjysmëpërçuesit zënë një vend të ndërmjetëm në përçueshmërinë elektrike midis përçuesve dhe jopërçuesve të rrymës elektrike. Grupi i gjysmëpërçuesve përfshin shumë më tepër substanca sesa grupet e përçuesve dhe jopërçuesve të marra së bashku. Përfaqësuesit më karakteristikë të gjysmëpërçuesve që kanë gjetur përdorim praktik në teknologji, janë germani, silikoni, seleniumi, teluri, arseniku, oksidi i bakrit dhe një numër i madh lidhjesh dhe komponimet kimike... Pothuajse te gjitha substancave inorganike bota rreth nesh - gjysmëpërçuesit. Gjysmëpërçuesi më i përhapur në natyrë është silikoni, i cili përbën rreth 30% të kores së tokës.
Dallimi cilësor midis gjysmëpërçuesve dhe metaleve manifestohet kryesisht në varësinë e rezistencës nga temperatura. Me uljen e temperaturës, rezistenca e metaleve zvogëlohet. Në gjysmëpërçuesit, përkundrazi, me uljen e temperaturës, rezistenca rritet dhe afër zeros absolute ato praktikisht bëhen izolues.
Në gjysmëpërçuesit, përqendrimi i transportuesve të ngarkesës së lirë rritet me rritjen e temperaturës. Mekanizmi i rrymës elektrike në gjysmëpërçuesit nuk mund të shpjegohet brenda kornizës së modelit të gazit elektron të lirë.
Atomet e gjermaniumit kanë katër elektrone të lidhura dobët në shtresën e jashtme. Ato quhen elektrone valence. Në rrjetën kristalore, çdo atom është i rrethuar nga katër fqinjët më të afërt. Lidhja midis atomeve në një kristal germanium është kovalente, domethënë kryhet nga çifte elektronesh valente. Çdo elektron valence i përket dy atomeve. Elektronet e valencës në një kristal germanium janë shumë më fort të lidhur me atomet sesa te metalet; prandaj, përqendrimi i elektroneve përcjellëse në temperatura e dhomës në gjysmëpërçuesit është shumë rend të madhësisë më pak se në metale. Pranë temperaturës zero absolute në një kristal germanium, të gjitha elektronet janë të zënë në formimin e lidhjeve. Një kristal i tillë nuk përcjell rrymë elektrike.
Ndërsa temperatura rritet, disa nga elektronet e valencës mund të marrin energji të mjaftueshme për t'u thyer lidhje kovalente... Atëherë në kristal do të shfaqen elektrone të lira (elektrone përçuese). Në të njëjtën kohë, vende të lira formohen në vendet e prishjes së lidhjeve, të cilat nuk janë të zëna nga elektronet. Këto vende vakante quhen “vrima”.
Në një temperaturë të caktuar gjysmëpërçuesi, një numër i caktuar çiftesh elektron-vrima formohen për njësi të kohës. Në të njëjtën kohë, procesi i kundërt po ndodh - kur një elektron i lirë takon një vrimë, lidhja elektronike midis atomeve të germaniumit rikthehet. Ky proces quhet rikombinim. Çiftet elektron-vrima mund të prodhohen gjithashtu kur një gjysmëpërçues ndriçohet duke përdorur energjinë e rrezatimit elektromagnetik.
Nëse gjysmëpërçuesi vendoset në fushe elektrike, atëherë në lëvizjen e renditur përfshihen jo vetëm elektronet e lira, por edhe vrimat, të cilat sillen si grimca të ngarkuara pozitivisht. Prandaj, rryma I në gjysmëpërçues është shuma e rrymave elektronike I n dhe vrimës I p: I = I n + I p.
Përqendrimi i elektroneve të përcjelljes në një gjysmëpërçues është i barabartë me përqendrimin e vrimave: n n = n p. Mekanizmi i përcjelljes së vrimave elektronike manifestohet vetëm në gjysmëpërçues të pastër (d.m.th., pa papastërti). Ajo quhet përçueshmëri elektrike e brendshme e gjysmëpërçuesve.
Në prani të papastërtive, përçueshmëria elektrike e gjysmëpërçuesve ndryshon shumë. Për shembull, duke shtuar papastërti fosforit në kristal silikoni në masën 0.001 për qind atomike zvogëlon rezistencën me më shumë se pesë rend të madhësisë.
Një gjysmëpërçues në të cilin futet një papastërti (d.m.th., disa nga atomet e një lloji zëvendësohen me atome të një lloji tjetër) quhet papastërti ose e dopuar.
Ekzistojnë dy lloje të përçueshmërisë së papastërtive - përçueshmëria e elektroneve dhe e vrimave.
Pra, kur dopingu me katër valencë germanium (Ge) ose silikon (Si) pesëvalente - fosfor (P), antimoni (Sb), arsenik (As) një elektron shtesë i lirë shfaqet në vendndodhjen e atomit të papastërtisë. Në këtë rast, papastërtia quhet donator .
Kur dopingoni germanium katërvalent (Ge) ose silikon (Si) me trivalent - alumini (Al), indium (Jn), bor (B), galium (Ga)
- shfaqet një vrimë derdhjeje. Papastërtitë e tilla quhen pranues
.
Në të njëjtin mostër të materialit gjysmëpërçues, një seksion mund të ketë p - përçueshmëri, dhe tjetri n - përçueshmëri. Një pajisje e tillë quhet diodë gjysmëpërçuese.
Parashtesa "di" në fjalën "diodë" do të thotë "dy", tregon se ka dy "pjesë" kryesore në pajisje, dy kristale gjysmëpërçues afër njëri-tjetrit: njëri me përçueshmëri p (kjo është një zonë R), tjetra - me n - përçueshmëri (kjo është P). Në fakt, një diodë gjysmëpërçuese është një kristal, në një pjesë të të cilit futet një papastërti e dhuruesit (zona P), tek pranuesi tjetër (zona R).
Nëse bateria është e lidhur me diodën presion konstant"Plus" për zonën R dhe "minus" në zonë P, atëherë ngarkesat e lira - elektronet dhe vrimat - do të nxitojnë në kufi, nxitojnë në pn-tranzicionin. Këtu ata do të neutralizojnë njëri-tjetrin, ngarkesat e reja do t'i afrohen kufirit dhe një rrymë konstante do të vendoset në qarkun e diodës. Kjo është e ashtuquajtura lidhje e drejtpërdrejtë e një diode - ngarkesat lëvizin intensivisht përmes saj, një rrymë relativisht e madhe përpara rrjedh në qark.
Tani do të ndryshojmë polaritetin e tensionit në diodë, do të zbatojmë, siç thonë ata, ndërrimin e tij të kundërt - do të lidhim "plusin" e baterisë me zonën P,"Minus" - në zonë R. Ngarkesat e lira do të tërhiqen nga kufiri, elektronet do të lëvizin në "plus", vrimat - në "minus" dhe si rezultat pn - tranzicioni do të kthehet në një zonë pa ngarkesa të lira, në një izolant të pastër. Kjo do të thotë që qarku do të prishet, rryma në të do të ndalet.
Një rrymë e vogël e kundërt do të vazhdojë të kalojë nëpër diodë. Sepse, përveç ngarkesave kryesore të lira (bartësve të ngarkesës) - elektrone, në zonë P, dhe vrimat në zonën p - në secilën prej zonave ka gjithashtu një sasi të parëndësishme ngarkesash të shenjës së kundërt. Këta janë transportuesit e tyre të ngarkesave të pakicës, ato ekzistojnë në çdo gjysmëpërçues, shfaqen në të për shkak të lëvizjeve termike të atomeve, janë ata që krijojnë rrymën e kundërt përmes diodës. Këto tarifa janë relativisht të vogla dhe rryma e kundërt është shumë herë më e vogël se ajo e përparme. Rryma e kundërt varet shumë nga: temperatura mjedisi, material gjysmëpërçues dhe sipërfaqe p-n tranzicionit. Me një rritje në zonën e kryqëzimit, vëllimi i tij rritet, dhe për këtë arsye rritet numri i transportuesve të pakicës që shfaqen si rezultat i gjenerimit termik dhe rrymës termike. Shpesh, karakteristika I - V, për qartësi, paraqitet në formën e grafikëve.
Mësimi numër 41-169 Elektricitet në gjysmëpërçues. Diodë gjysmëpërçuese. Pajisjet gjysmëpërçuese.
Gjysmëpërçues - një substancë në të cilën rezistenca mund të ndryshojë gamë të gjerë dhe zvogëlohet shumë shpejt me rritjen e temperaturës., që do të thotë se përçueshmëria elektrike rritet. Vërehet në silikon, germanium, selen dhe disa komponime.
Mekanizmi i përcjelljes në gjysmëpërçues
Kristalet gjysmëpërçues kanë një rrjetë kristalore atomike, ku elektronet e jashtme janë të lidhura me atomet fqinje me lidhje kovalente. Në temperaturat e ulëta gjysmëpërçuesit e pastër nuk kanë elektrone të lira dhe ai sillet si një dielektrik. Nëse gjysmëpërçuesi është i pastër (pa papastërti), atëherë ai ka përçueshmërinë e tij (të ulët).
Përçueshmëria e brendshme është e dy llojeve:
1) elektronike (përçueshmëria " P Lloji N) Në temperatura të ulëta në gjysmëpërçues, të gjitha elektronet janë të lidhura me bërthamat dhe rezistenca është e madhe; Ndërsa temperatura rritet, energjia kinetike e grimcave rritet, lidhjet prishen dhe shfaqen elektrone të lira - rezistenca zvogëlohet.
Elektronet e lira lëvizin përballë vektorit të tensionit fushe elektrike... Përçueshmëria elektronike e gjysmëpërçuesve është për shkak të pranisë së elektroneve të lira.
2) vrima (përçueshmëria e tipit "p"). Me rritjen e temperaturës, lidhjet kovalente midis atomeve shkatërrohen, kryhen nga elektronet e valencës dhe formohen vendet me elektronin që mungon - një "vrimë". Ajo mund të lëvizë nëpër kristal, sepse vendi i tij mund të zëvendësohet me elektrone valente. Lëvizja e "vrimës" është e barabartë me lëvizjen ngarkesë pozitive... Vrima lëviz në drejtim të vektorit të forcës së fushës elektrike.
Thyerja e lidhjeve kovalente dhe fillimi i përçueshmërisë së brendshme të gjysmëpërçuesve mund të shkaktohet nga ngrohja, ndriçimi (fotopërçueshmëria) dhe veprimi i fushave të forta elektrike.
R kundrejt ndriçimit: Fotorezistor - stafetë fotografish - çelsin e urgjencës |
Përçueshmëria totale e një gjysmëpërçuesi të pastër është shuma e tipeve "p" dhe "n" dhe quhet përçueshmëri elektron-vrima.
Gjysmëpërçuesit në prani të papastërtive
Ata kanë përçueshmëri të brendshme dhe të papastërtive. Prania e papastërtive rrit shumë përçueshmërinë. Kur përqendrimi i papastërtive ndryshon, numri i bartësve të rrymës elektrike - elektroneve dhe vrimave - ndryshon. Aftësia për të kontrolluar rrymën është në qendër të përdorimit të gjerë të gjysmëpërçuesve. Ekzistojnë papastërtitë e mëposhtme:
1) papastërtitë e donatorëve (që lëshojnë) - janë shtesë
furnizuesit e elektroneve për kristalet gjysmëpërçuese, dhurojnë lehtësisht elektrone dhe rrisin numrin e elektroneve të lira në gjysmëpërçues. Këta janë përcjellës të tipit "n", d.m.th. gjysmëpërçues me papastërti dhuruese, ku bartësi kryesor i ngarkesës janë elektronet, dhe i vogli është vrimat. Një gjysmëpërçues i tillë ka përçueshmëri elektronike të papastërtive (për shembull, arseniku).
2) papastërtitë pranuese (marrëse) krijojnë "vrima", duke marrë elektrone. Këta janë gjysmëpërçues "p" - lloji, d.m.th. gjysmëpërçuesit me papastërti pranuese, ku është bartësi kryesor i ngarkesës
vrima, dhe e vogla janë elektronet. Një gjysmëpërçues i tillë ka
përçueshmëria e papastërtisë së vrimës (për shembull, indium).
Vetitë elektrike "p-n »Tranzicionet.
Kryqëzimi "Pn" (ose kryqëzimi elektron-vrimë) është zona e kontaktit të dy gjysmëpërçuesve, ku përçueshmëria ndryshon nga elektroni në vrimë (ose anasjelltas).
Në një kristal gjysmëpërçues, zona të tilla mund të krijohen duke futur papastërti. Në zonën e kontaktit të dy gjysmëpërçuesve me përçueshmëri të ndryshme, do të ndodhë difuzioni i ndërsjellë i elektroneve dhe vrimave dhe një bllokim
shtresë elektrike. Fusha elektrike e shtresës penguese parandalon
tranzicioni i mëtejshëm i elektroneve dhe vrimave përtej kufirit. Shtresa bllokuese ka rritur rezistencën në krahasim me zonat e tjera të gjysmëpërçuesit.
Një fushë elektrike e jashtme ndikon në rezistencën e shtresës bllokuese. Me drejtimin përpara (përçues) të fushës elektrike të jashtme, rryma kalon nëpër ndërfaqen e dy gjysmëpërçuesve. Sepse elektronet dhe vrimat lëvizin drejt njëri-tjetrit në ndërfaqe, pastaj elektronet,
duke kaluar kufirin, mbushni vrimat. Trashësia e shtresës penguese dhe rezistenca e saj janë në rënie të vazhdueshme.
Me një bllokim (drejtimi i kundërt i fushës elektrike të jashtme) rryma nuk do të kalojë nëpër zonën e kontaktit të dy gjysmëpërçuesve. Sepse elektronet dhe vrimat lëvizin nga kufiri në drejtime të kundërta, pastaj shtresa bllokuese
trashet, rezistenca e tij rritet.
Kështu, kryqëzimi elektron-vrimë ka përçueshmëri të njëanshme.
Diodë gjysmëpërçuese- një gjysmëpërçues me një kryqëzim "pn".
Diodat gjysmëpërçuese elementet kryesore të ndreqësve rrymë alternative.
Kur aplikohet një fushë elektrike: në një drejtim, rezistenca e gjysmëpërçuesit është e lartë, në drejtim të kundërt, rezistenca është e vogël.
Tranzistorë.(nga fjalët angleze transferimi - transferimi, rezistenca - rezistenca)
Konsideroni një nga llojet e transistorëve të bërë nga germanium ose silikon me papastërti dhuruese dhe pranuese të futura në to. Shpërndarja e papastërtive është e tillë që një shtresë shumë e hollë (në rendin e disa mikrometrave) të një gjysmëpërçuesi të tipit n krijohet midis dy shtresave të një gjysmëpërçuesi të tipit p (shih Fig.).
Kjo shtresë e hollë quhet bazë ose bazë. Dy R-n -kalime, drejtimet e drejtpërdrejta të të cilave janë të kundërta. Tre kryeson nga zonat me tipe te ndryshme përcjellshmëria ju lejon të përfshini një tranzistor në qarkun e treguar në figurë. Me këtë çelës të ndezur, majtas R-n -tranzicioni është e drejtpërdrejtë dhe ndan bazën nga rajoni i tipit p i quajtur emetues. Nëse nuk kishte të drejtë R-n-bashkim, në qarkun e emetuesit-bazë do të kishte një rrymë që varet nga tensioni i burimeve (bateritë B1 dhe një burim tensioni alternativ) dhe rezistencën e qarkut, duke përfshirë rezistencën e ulët të kryqëzimit të drejtpërdrejtë të emetuesit - bazës.
Bateria B2 ndezur në mënyrë që e djathta R-n-kalim në qark (shih fig.) është e kundërta. Ai ndan bazën nga rajoni i djathtë i tipit p të quajtur koleksionist. Sikur të mos kishte mbetur R-n-bashkim, rryma në qarkun e kolektorit do të ishte afër zeros, pasi
rezistenca e tranzicionit të kundërt është shumë e lartë. Nëse ka një rrymë në të majtë R-n-bashkim, një rrymë shfaqet në qarkun e kolektorit dhe rryma në kolektor është vetëm pak më e vogël se rryma në emetues (nëse një tension negativ aplikohet në emetues, atëherë e majta R-n-bashkimi do të kthehet mbrapsht dhe rryma në qarkun e emetuesit dhe në qarkun e kolektorit praktikisht do të mungojë). Kur krijohet një tension midis emetuesit dhe bazës, bartësit kryesorë të gjysmëpërçuesit të tipit p - vrimat depërtojnë në bazë, ku tashmë janë bartës të pakicës. Meqenëse trashësia e bazës është shumë e vogël dhe numri i shumicës së bartësve (elektroneve) në të është i vogël, vrimat e bllokuara në të vështirë se kombinohen (nuk rikombinohen) me elektronet e bazës dhe depërtojnë në kolektor për shkak të difuzionit. E drejta R Kryqëzimi -n është i mbyllur për bartësit kryesorë të ngarkesës së bazës - elektronet, por jo për vrimat. Në kolektor, vrimat largohen nga fusha elektrike dhe plotësojnë qarkun. Fuqia e degëzimit të rrymës në qarkun e emetuesit nga baza është shumë e vogël, pasi zona e seksionit kryq të bazës në rrafshin horizontal (shih figurën më lart) është shumë më e vogël se seksioni kryq në planin vertikal.
Rryma e kolektorit, praktikisht e barabartë me forcën rryma në emetues, ndryshon me rrymën në emetues. Rezistenca R ka pak efekt në rrymën e kolektorit dhe kjo rezistencë mund të bëhet mjaft e madhe. Duke kontrolluar rrymën e emetuesit me një burim të tensionit AC të përfshirë në qarkun e tij, marrim një ndryshim sinkron të tensionit në të gjithë rezistencën R. .
Me një rezistencë të madhe të rezistencës, ndryshimi i tensionit në të mund të jetë dhjetëra mijëra herë më i madh se ndryshimi në tensionin e sinjalit në qarkun e emetuesit. Kjo do të thotë përforcim i tensionit. Prandaj, në ngarkesë R ju mund të merrni sinjale elektrike, fuqia e të cilave është shumë herë më e madhe se fuqia e furnizuar në qarkun e emetuesit.
Aplikimi i tranzistorëve Vetitë R-n-bashkimi në gjysmëpërçues përdoren për të përforcuar dhe gjeneruar lëkundje elektrike.
Gjysmëpërçuesit përfshijnë shumë elementë kimikë (gjermanium, silikon, selen, telur, arsenik, etj.), Një numër i madh lidhjesh dhe përbërjesh kimike. Pothuajse të gjitha substancat inorganike të botës rreth nesh janë gjysmëpërçues. Gjysmëpërçuesi më i përhapur në natyrë është silikoni, i cili përbën rreth 30% të kores së tokës.
Dallimi cilësor midis gjysmëpërçuesve dhe metaleve manifestohet në varësia nga temperatura e rezistencës(Figura 9.3)
Modeli i brezit të përcjellshmërisë elektron-vrima të gjysmëpërçuesve
Në arsim të ngurta një situatë është e mundur kur brezi i energjisë që lind nga nivelet e energjisë së elektroneve të valencës së atomeve fillestare rezulton të jetë plotësisht i mbushur me elektrone, dhe nivelet më të afërta të energjisë në dispozicion për mbushje me elektrone ndahen nga brezi i valencës Е V me një interval të gjendjeve energjetike të pazgjidhura - të ashtuquajturat zonë e ndaluar P.sh Mbi zonën e ndaluar, ekziston një zonë e gjendjeve energjetike të lejuara për elektronet - brezi përcjellës E c.
Brezi i përcjelljes në 0 K është plotësisht i lirë, dhe brezi i valencës është plotësisht i zënë. Struktura të tilla brezash janë karakteristike për silikon, germanium, arsenid galium (GaAs), fosfid indium (InP) dhe shumë lëndë të tjera gjysmëpërçuese.
Me një rritje të temperaturës së gjysmëpërçuesve dhe dielektrikëve, elektronet janë në gjendje të marrin energji shtesë të lidhur me lëvizjen termike kT... Për disa elektrone, energjia e lëvizjes termike është e mjaftueshme për kalimin nga brezi i valencës në brezin e përcjelljes, ku elektronet mund të lëvizin pothuajse lirshëm nën veprimin e një fushe elektrike të jashtme.
Në këtë rast, në një qark me një material gjysmëpërçues, një rrymë elektrike do të rritet ndërsa temperatura e gjysmëpërçuesit rritet. Kjo rrymë shoqërohet jo vetëm me lëvizjen e elektroneve në brezin e përcjelljes, por edhe me pamjen vakancat nga elektronet e mbetura në brezin e përcjelljes në brezin e valencës, të ashtuquajturat vrima ... Një vend i lirë mund të zërë një elektron valence nga një çift fqinj, atëherë vrima do të zhvendoset në një vend të ri në kristal.
Nëse një gjysmëpërçues vendoset në një fushë elektrike, atëherë nuk përfshihen vetëm elektronet e lira në lëvizjen e renditur, por edhe vrimat, të cilat sillen si grimca të ngarkuara pozitivisht. Prandaj, rryma I në një gjysmëpërçues përbëhet nga një elektronik Në dhe vrima Unë fq rrymat: I= Në+ Unë fq.
Mekanizmi i përcjelljes së vrimave elektronike manifestohet vetëm në gjysmëpërçues të pastër (d.m.th., pa papastërti). Quhet përçueshmëri e brendshme elektrike gjysmëpërçuesit. Elektronet hidhen në brezin e përcjelljes me Niveli i Fermit, e cila rezulton të jetë e vendosur në gjysmëpërçuesin e vet në mes të zonës së ndaluar(fig.9.4).
Është e mundur të ndryshohet ndjeshëm përçueshmëria e gjysmëpërçuesve duke futur sasi shumë të vogla papastërtish në to. Në metale, një papastërti gjithmonë zvogëlon përçueshmërinë. Kështu, shtimi i 3% atomeve të fosforit në silikon të pastër rrit përçueshmërinë elektrike të kristalit me 10 5 herë.
Shtim i vogël i papastërtisë në gjysmëpërçues quajtur doping.
Një parakusht Një rënie e mprehtë e rezistencës së një gjysmëpërçuesi me futjen e papastërtive është ndryshimi midis valencës së atomeve të papastërtive nga valenca e atomeve kryesore të kristalit. Përçueshmëria e gjysmëpërçuesve në prani të papastërtive quhet përçueshmëria e papastërtive .
Të dallojë dy lloje të përçueshmërisë së papastërtive – elektronike dhe vrimë përçueshmëri. Përçueshmëria elektronike ndodh kur atomet pesëvalente (për shembull, atomet e arsenikut, As) futen në një kristal të germaniumit me atome tetravalente (Fig. 9.5).
Katër elektronet valente të atomit të arsenikut janë të përfshirë në formimin e lidhjeve kovalente me katër atome fqinje të germaniumit. Elektroni i pestë i valencës doli të ishte i tepërt. Ai shkëputet lehtësisht nga atomi i arsenikut dhe bëhet i lirë. Një atom që ka humbur një elektron kthehet në një jon pozitiv që ndodhet në një vend të rrjetës kristalore.
Një papastërti e atomeve me një valencë që tejkalon valencën e atomeve kryesore të një kristali gjysmëpërçues quhet përzierje e donatorëve ... Si rezultat i futjes së tij, një numër i konsiderueshëm i elektroneve të lira shfaqen në kristal. Kjo çon në një rënie të mprehtë të rezistencës së gjysmëpërçuesit - mijëra dhe madje miliona herë.
Rezistenca e një përcjellësi me një përmbajtje të lartë papastërtish mund t'i afrohet rezistencës së një përcjellësi metalik. Përçueshmëria e tillë, për shkak të elektroneve të lira, quhet elektronike, dhe një gjysmëpërçues me përçueshmëri elektronike quhet gjysmëpërçues i tipit n.
Përçueshmëria e vrimës ndodh kur atomet trevalente, për shembull, atomet e indiumit, futen në një kristal germanium (Fig.9.5)
Figura 6 tregon një atom indiumi që ka krijuar lidhje kovalente me vetëm tre atome fqinje të germaniumit duke përdorur elektronet e tij valente. Atomi i indiumit nuk ka një elektron për të formuar një lidhje me atomin e katërt të germaniumit. Ky elektron që mungon mund të kapet nga atomi i indiumit nga lidhja kovalente e atomeve fqinje të germaniumit. Në këtë rast, atomi i indiumit shndërrohet në një jon negativ të vendosur në një vend të rrjetës kristalore dhe formohet një boshllëk në lidhjen kovalente të atomeve fqinje.
Një përzierje e atomeve të afta për të kapur elektrone quhet papastërti pranuese ... Si rezultat i futjes së një papastërtie pranuese, shumë lidhje kovalente thyhen në kristal dhe formohen boshllëqe (vrima). Elektronet nga lidhjet kovalente fqinje mund të kërcejnë në këto vende, gjë që çon në një bredhje kaotike të vrimave në kristal.
Përqendrimi i vrimave në një gjysmëpërçues me një papastërti pranuese tejkalon ndjeshëm përqendrimin e elektroneve, i cili u ngrit për shkak të mekanizmit të përçueshmërisë elektrike të vetë gjysmëpërçuesit: n fq>> n n... Ky lloj përçueshmërie quhet përcjellja e vrimës ... Një gjysmëpërçues papastërti me përçueshmëri vrimash quhet gjysmëpërçues i tipit p ... Transportuesit kryesorë të pagesës falas në gjysmëpërçuesit fq-lloji janë vrima.
Tranzicioni elektron-vrimë. Diodat dhe transistorët
Në teknologjinë moderne elektronike, pajisjet gjysmëpërçuese luajnë një rol të jashtëzakonshëm. Gjatë tre dekadave të fundit, ata kanë zëvendësuar pothuajse plotësisht pajisjet elektrike me vakum.
Çdo pajisje gjysmëpërçuese ka një ose më shumë nyje elektron-vrima . Kryqëzim elektron-vrimë (ose n–fq-tranzicioni) - kjo është zona e kontaktit të dy gjysmëpërçuesve me tipe te ndryshme përçueshmëri.
Në kufirin e gjysmëpërçuesit (Fig. 9.7), formohet një shtresë elektrike e dyfishtë, fusha elektrike e së cilës pengon procesin e difuzionit të elektroneve dhe vrimave drejt njëra-tjetrës.
Aftësia n–fq-kalimi në kalimin e rrymës praktikisht vetëm në një drejtim përdoret në pajisjet që thirren diodat gjysmëpërçuese. Diodat gjysmëpërçuese janë bërë nga kristale silikoni ose germanium. Në prodhimin e tyre, një papastërti që siguron një lloj tjetër përçueshmërie shkrihet në një kristal me një lloj përçueshmërie.
Figura 9.8 tregon një karakteristikë tipike volt-amper të një diodë silikoni.
Quhen pajisjet gjysmëpërçuese me jo një, por dy n – p kryqëzime tranzistorë ... Ekzistojnë dy lloje të transistorëve: fq–n–fq-tranzistorë dhe n–fq–n- tranzistorë. Në tranzistor n–fq–n-Pllaka kryesore e germaniumit të tipit ka përçueshmëri fq-lloj, dhe dy rajonet e krijuara mbi të - nga përçueshmëria n-lloj (Figura 9.9).
Në tranzistor p – n – fq- sikur e kundërta është e vërtetë. Pllaka e tranzitorit quhet bazë(B), një nga rajonet me llojin e kundërt të përçueshmërisë - koleksionist(K), dhe e dyta - emetues(E).
Gjysmëpërçuesit janë substanca që janë të ndërmjetme në përçueshmërinë elektrike midis përçuesve të mirë dhe izolatorëve të mirë (dielektrikët).
Gjysmëpërçuesit janë të dy elementë kimikë (Ge germanium, silic Si, selen Se, teluri Te) dhe komponime të elementeve kimike (PbS, CdS, etj.).
Natyra e bartësve të rrymës në gjysmëpërçues të ndryshëm është e ndryshme. Në disa prej tyre, bartës të ngarkesës janë jonet; në të tjera, bartësit e ngarkesës janë elektronet.
Përçueshmëria e brendshme e gjysmëpërçuesve
Ekzistojnë dy lloje të përçueshmërisë së brendshme të gjysmëpërçuesve: përçueshmëria elektronike dhe përçueshmëria e vrimave të gjysmëpërçuesve.
1. Përçueshmëria elektronike e gjysmëpërçuesve.
Përçueshmëria elektronike kryhet me lëvizje të drejtuar në hapësirën ndëratomike të elektroneve të lira që kanë lënë shtresën valore të atomit si rezultat i ndikimeve të jashtme.
2. Përçueshmëria e vrimave të gjysmëpërçuesve.
Përçimi i vrimës kryhet me lëvizjen e drejtuar të elektroneve të valencës në vendet vakante në lidhjet çift-elektroni - vrima. Elektroni i valencës së një atomi neutral që ndodhet në afërsi të një joni pozitiv (vrima), duke u tërhequr nga vrima, hidhet në të. Në këtë rast, në vendin e atomit neutral formohet një jon pozitiv (vrima), dhe në vendin e jonit pozitiv (vrima) formohet një atom neutral.
Në një gjysmëpërçues krejtësisht të pastër pa asnjë papastërti të huaj, çdo elektron i lirë korrespondon me formimin e një vrime, d.m.th. numri i elektroneve dhe vrimave që marrin pjesë në krijimin e rrymës është i njëjtë.
Përçueshmëria në të cilën ekziston të njëjtin numër bartës të ngarkesës (elektrone dhe vrima) quhet përçueshmëri e brendshme e gjysmëpërçuesve.
Përçueshmëria e brendshme e gjysmëpërçuesve është zakonisht e ulët, pasi numri i elektroneve të lira është i vogël. Gjurma më e vogël e papastërtive ndryshon rrënjësisht vetitë e gjysmëpërçuesve.
Përçueshmëria elektrike e gjysmëpërçuesve në prani të papastërtive
Atomet e elementeve kimike të huaja që nuk përmbahen në gjysmëpërçuesin kryesor konsiderohen papastërti në një gjysmëpërçues.
Përçueshmëria e papastërtive- Kjo është përçueshmëria e gjysmëpërçuesve, për shkak të futjes së papastërtive në rrjetat e tyre kristalore.
Në disa raste, efekti i papastërtive manifestohet në faktin se mekanizmi i përcjelljes "vrima" bëhet praktikisht i pamundur, dhe rryma në gjysmëpërçues kryhet kryesisht nga lëvizja e elektroneve të lira. Gjysmëpërçues të tillë quhen gjysmëpërçuesit elektronikë ose gjysmëpërçuesit n - tip(nga fjala latine negativus - negativ). Bartësit kryesorë të ngarkesës janë elektronet, dhe jo ato kryesore - vrimat. Gjysmëpërçuesit e tipit N janë gjysmëpërçues me papastërti dhuruese.
1. Papastërtitë e donatorëve.
Papastërtitë e dhuruesve quhen papastërti që dhurojnë lehtësisht elektrone dhe, për rrjedhojë, rrisin numrin e elektroneve të lira. Papastërtitë e donatorëve furnizojnë elektrone përcjellëse pa prodhuar të njëjtin numër vrimash.
Një shembull tipik i një papastërtie dhuruese në germaniumin tetravalent Ge janë atomet e arsenikut pesëvalent As.
Në raste të tjera, lëvizja e elektroneve të lira bëhet praktikisht e pamundur, dhe rryma kryhet vetëm nga lëvizja e vrimave. Këta gjysmëpërçues quhen gjysmëpërçuesit vrima ose gjysmëpërçues të tipit p(nga fjala latine positivus - pozitive). Bartësit kryesorë të ngarkesës janë vrimat, dhe jo ato kryesore - elektronet. ... Gjysmëpërçuesit e tipit P janë gjysmëpërçues me papastërti pranuese.
Papastërtitë në të cilat nuk ka mjaftueshëm elektrone për formimin e lidhjeve normale çift-elektroni quhen papastërti pranuese.
Një shembull i një papastërtie pranuese në Ge janë atomet trevalente të galiumit Ga
Rryma elektrike përmes kontaktit të gjysmëpërçuesve të tipit p dhe të tipit n p-n kryqëzim- kjo është një shtresë kontakti e dy gjysmëpërçuesve papastërti të tipit p dhe n; Kryqëzimi p-n është kufiri që ndan rajonet me përçueshmërinë e vrimës (p) dhe përçueshmërinë elektronike (n) në të njëjtin kristal të vetëm.
Kryqëzim i drejtpërdrejtë p-n
Nëse gjysmëpërçuesi n është i lidhur me polin negativ të burimit të energjisë, dhe poli pozitiv i burimit të energjisë është i lidhur me gjysmëpërçuesin p, atëherë nën veprimin e fushës elektrike, elektronet në gjysmëpërçuesin n dhe vrimat në p-gjysmëpërçues do të lëvizin drejt njëri-tjetrit drejt ndërfaqes gjysmëpërçuese. Elektronet, duke kaluar kufirin, "mbushin" vrimat, rryma përmes kryqëzimit pn kryhet nga shumica e transportuesve të ngarkesës. Si rezultat, përçueshmëria e të gjithë kampionit rritet. Me këtë drejtim përpara (përmes) të fushës elektrike të jashtme, trashësia e shtresës penguese dhe rezistenca e saj zvogëlohen.
Në këtë drejtim, rryma kalon nëpër kufirin e dy gjysmëpërçuesve.
  |
Kryqëzimi i kundërt pn
Nëse gjysmëpërçuesi n është i lidhur me polin pozitiv të burimit të energjisë, dhe gjysmëpërçuesi p është i lidhur me polin negativ të burimit të energjisë, atëherë elektronet në gjysmëpërçuesin n dhe vrimat në gjysmëpërçuesin p nën veprim e një fushe elektrike do të lëvizë nga ndërfaqja në drejtime të kundërta, rryma përmes p -n-bashkimit kryhet nga transportuesit e ngarkesës së pakicës. Kjo çon në një trashje të shtresës penguese dhe një rritje të rezistencës së saj. Si rezultat, përçueshmëria e kampionit rezulton të jetë e parëndësishme, dhe rezistenca është e madhe.
Formohet një e ashtuquajtur shtresa penguese. Me këtë drejtim të fushës së jashtme, rryma elektrike praktikisht nuk kalon përmes kontaktit të gjysmëpërçuesve p- dhe n.
Kështu, kryqëzimi elektron-vrimë ka përçueshmëri të njëanshme.
Varësia e fuqisë së rrymës nga tensioni - volt - amperi karakteristikë pn tranzicioni tregohet në figurë (karakteristika volt - amper p-n e drejtpërdrejtë tranzicioni tregohet nga një vijë e fortë, karakteristikë volt - amper anasjelltas p-n tranzicioni tregohet me një vijë me pika).
Pajisjet gjysmëpërçuese:
Dioda gjysmëpërçuese - për korrigjimin e rrymës alternative, përdor një kryqëzim p - n - me rezistenca të ndryshme: në drejtimin përpara, rezistenca e kryqëzimit p - n - është shumë më e vogël se në drejtimin e kundërt.
Fotorezistorë - për regjistrimin dhe matjen e flukseve të dobëta të dritës. Me ndihmën e tyre, përcaktohet cilësia e sipërfaqeve, kontrollohen dimensionet e produkteve.
Termistorë - për matjen e temperaturës në distancë, alarm zjarri.
Gjysmëpërçuesështë një substancë në të cilën rezistenca mund të ndryshojë në një gamë të gjerë dhe zvogëlohet shumë shpejt me rritjen e temperaturës, që do të thotë se përçueshmëria elektrike (1 / R) rritet.
- vërehet në silikon, germanium, selen dhe disa komponime.
Mekanizmi i përcjelljes në gjysmëpërçues
Kristalet gjysmëpërçues kanë një rrjetë kristalore atomike, ku elektronet e jashtme janë të lidhura me atomet fqinje me lidhje kovalente.
Në temperatura të ulëta, gjysmëpërçuesit e pastër nuk kanë elektrone të lirë dhe ai sillet si një dielektrik.
Gjysmëpërçues të pastër (pa papastërti)
Nëse gjysmëpërçuesi është i pastër (pa papastërti), atëherë ka vet përçueshmëria, e cila është e vogël.
Përçueshmëria e brendshme është e dy llojeve:
1 elektronike(përçueshmëria "n" - lloji)
Në temperatura të ulëta në gjysmëpërçuesit, të gjitha elektronet janë të lidhura me bërthamat dhe rezistenca është e madhe; ndërsa temperatura rritet, energjia kinetike e grimcave rritet, lidhjet prishen dhe shfaqen elektrone të lira - rezistenca zvogëlohet.
Elektronet e lira lëvizin përballë vektorit të forcës së fushës elektrike.
Përçueshmëria elektronike e gjysmëpërçuesve është për shkak të pranisë së elektroneve të lira.
2. vrimë(përçueshmëria "p" - lloji)
Me rritjen e temperaturës, lidhjet kovalente midis atomeve shkatërrohen, të kryera nga elektronet e valencës dhe formohen vendet me elektronin që mungon - një "vrimë".
Ajo mund të lëvizë nëpër kristal, sepse vendi i tij mund të zëvendësohet me elektrone valente. Lëvizja e një "vrime" është e barabartë me lëvizjen e një ngarkese pozitive.
Vrima lëviz në drejtim të vektorit të forcës së fushës elektrike.
Përveç ngrohjes, thyerja e lidhjeve kovalente dhe fillimi i përçueshmërisë së brendshme të gjysmëpërçuesve mund të shkaktohet nga ndriçimi (fotopërçueshmëria) dhe veprimi i fushave të forta elektrike.
Përçueshmëria totale e një gjysmëpërçuesi të pastër është shuma e llojeve "p" dhe "n".
dhe quhet përçueshmëri elektron-vrima.
Gjysmëpërçuesit në prani të papastërtive
Ata kane i brendshëm + papastërti përçueshmëri
Prania e papastërtive rrit shumë përçueshmërinë.
Me një ndryshim në përqendrimin e papastërtive, numri i bartësve të rrymës elektrike - elektroneve dhe vrimave - ndryshon.
Aftësia për të kontrolluar rrymën është në qendër të përdorimit të gjerë të gjysmëpërçuesve.
Ekziston:
1)donator papastërtitë (duke lëshuar)
Ata janë furnizues shtesë të elektroneve për kristalet gjysmëpërçuese, dhurojnë lehtësisht elektrone dhe rrisin numrin e elektroneve të lira në gjysmëpërçues.
Këta janë udhërrëfyesit "n" - lloji, d.m.th. gjysmëpërçues me papastërti dhuruese, ku bartësi kryesor i ngarkesës janë elektronet, dhe i vogli është vrimat.
Një gjysmëpërçues i tillë ka përçueshmëri elektronike të papastërtive.
Për shembull - arsenik.
2. pranues papastërtitë (host)
Ata krijojnë "vrima" duke marrë elektrone.
Këta janë gjysmëpërçues "p" - si, ato. gjysmëpërçuesit me papastërti pranuese, ku bartësi kryesor i ngarkesës janë vrimat, dhe i vogli është elektronet.
Një gjysmëpërçues i tillë posedon përçueshmëri të vrimës së papastërtive.
Për shembull - indium.
Vetitë elektrike të kryqëzimit "p-n".
kryqëzim "p-n".(ose kryqëzim elektron-vrimë) - rajoni i kontaktit midis dy gjysmëpërçuesve, ku përçueshmëria ndryshon nga elektroni në vrimë (ose anasjelltas).
Në një kristal gjysmëpërçues, zona të tilla mund të krijohen duke futur papastërti. Në zonën e kontaktit të dy gjysmëpërçuesve me përçueshmëri të ndryshme, do të ndodhë difuzioni i ndërsjellë. elektronet dhe vrimat dhe formohet një shtresë elektrike bllokuese.Fusha elektrike e shtresës bllokuese parandalon kalimin e mëtejshëm të elektroneve dhe vrimave përtej kufirit. Shtresa bllokuese ka rritur rezistencën në krahasim me zonat e tjera të gjysmëpërçuesit.
Një fushë elektrike e jashtme ndikon në rezistencën e shtresës së pengesës. Me drejtimin përpara (përçues) të fushës elektrike të jashtme, rryma elektrike kalon nëpër kufirin e dy gjysmëpërçuesve.
Sepse elektronet dhe vrimat lëvizin drejt njëri-tjetrit në ndërfaqe, pastaj elektronet, duke kaluar kufirin, mbushin vrimat. Trashësia e shtresës penguese dhe rezistenca e saj janë në rënie të vazhdueshme.
Performanca modaliteti pn tranzicioni:
Me drejtimin bllokues (të kundërt) të fushës elektrike të jashtme, rryma elektrike nuk do të kalojë nëpër zonën e kontaktit të dy gjysmëpërçuesve.
Sepse elektronet dhe vrimat lëvizin nga kufiri në drejtime të kundërta, atëherë shtresa bllokuese trashet, rezistenca e saj rritet.
Modaliteti i kyçjes kryqëzim pn.