V W przypadku idealnej sieci krystalicznej elektrony przewodzące nie napotkałyby żadnego oporu podczas ruchu, a przewodność elektryczna metali byłaby nieskończenie duża. Jednak sieć krystaliczna nigdy nie jest idealna. Naruszenie ścisłej okresowości sieci może być spowodowane obecnością zanieczyszczeń lub wakatów, a także drganiami termicznymi sieci. Rozpraszanie elektronów przez atomy zanieczyszczeń i drgania jonów prowadzi do pojawienia się oporu elektrycznego w metalach.

Doświadczenie pokazuje, że w pierwszym przybliżeniu rezystancja przewodników metalowych wzrasta liniowo wraz z temperaturą zgodnie z prawem:

R = Ro (1+αt) lub R = RoαT;

Ρ = ρ o (1+α t) lub ρ = ρ o α T

Tutaj t jest temperaturą w skali Celsjusza, T jest temperaturą bezwzględną, R 0 (ρ o) jest oporem (oporem) w temperaturze zerowej w stopniach Celsjusza, α jest temperaturowym współczynnikiem oporu.

W przypadku czystych metali współczynnik temperaturowy oporu

a=0,004 K-1. Rysunek 1a przedstawia przybliżony wykres zależności odporności metali od temperatury bezwzględnej.

T

Rys.1a Rys.1b

W przeciwieństwie do metali, w których zależność przewodnictwa elektrycznego od temperatury jest zdeterminowana ruchliwością elektronów, w wyniku czego opór wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, główną rolę w przewodności półprzewodników odgrywa termiczne wytwarzanie wolnych elektrony i dziury. Co więcej, stężenia elektronów Ne i dziur Ng są takie same dla półprzewodników samoistnych (czystych) i gwałtownie rosną wraz ze wzrostem temperatury (patrz rozkład Boltzmanna):

gdzie E jest przerwą wzbronioną, k jest stałą Boltzmanna. Dlatego wraz ze wzrostem temperatury przewodność elektryczna półprzewodniki gwałtownie rosną, a rezystancja odpowiednio szybko maleje zgodnie ze wzorami:

i r = r o
(3)

Jeżeli na wykresie 1b przedstawiamy zależność ln z , to dla półprzewodników samoistnych uzyskuje się linię prostą. W przypadku półprzewodników domieszkowanych obecne stężenie nośników szybko osiąga nasycenie. Wraz ze wzrostem temperatury przewodność samoistna półprzewodników zaczyna mieć duży wpływ, przy wysokich temperaturach przewodność samoistna będzie sumą zanieczyszczeń własnych. W niskich temperaturach dominuje przewodzenie zanieczyszczeń, podczas gdy w wysokich temperaturach dominuje przewodnictwo samoistne.

Przewodnictwo domieszkowe półprzewodników

Idealne kryształy nie zawierające zanieczyszczeń są bardzo rzadkie. Zanieczyszczenia w kryształach półprzewodnikowych mogą zwiększać liczbę elektronów lub dziur. Stwierdzono, że wprowadzenie jednego atomu antymonu do centymetra sześciennego germanu lub krzemu prowadzi do pojawienia się jednego elektronu, a jednego atomu boru do pojawienia się jednej dziury.

Pojawienie się przewodnictwa elektronowego lub dziurowego, gdy różne zanieczyszczenia zostaną wprowadzone do idealnego kryształu, występuje w następujący sposób. Załóżmy, że w krysztale krzemu jeden z atomów jest zastąpiony atomem antymonu. Antymon na zewnętrznej powłoce elektronowej ma pięć elektronów (grupa V układu okresowego). Cztery elektrony tworzą sparowane wiązania elektroniczne z czterema najbliższymi sąsiednimi atomami krzemu. Pozostały piąty elektron będzie krążył wokół atomu antymonu po orbicie podobnej do orbity elektronu w atomie wodoru, ale siła jego elektrycznego przyciągania do jądra zmniejszy się zgodnie z przenikalnością krzemu. Dlatego do uwolnienia piątego elektronu potrzebna jest niewielka energia, równa około 0,05 eV. Słabo związany elektron można łatwo odłączyć od atomu antymonu pod wpływem drgań termicznych sieci w niskich temperaturach. Tak niska energia jonizacji atomu domieszki powoduje, że w temperaturach około -100°C wszystkie atomy domieszek w germanie i krzemie są już zjonizowane, a uwolnione elektrony uczestniczą w procesie przewodzenia elektrycznego. W tym przypadku elektrony będą głównymi nośnikami ładunku; tutaj występuje przewodnictwo elektronowe lub przewodnictwo typu n (n jest pierwszą literą słowa ujemne). atomy, tj. jon antymonu staje się podstawnikiem krzemu w sieci krystalicznej.

Zanieczyszczenia, które powodują pojawienie się przewodnictwa elektronowego w kryształach, nazywane są donorami. Dla krzemu i germanu są to pierwiastki V grupy układu okresowego – antymon, fosfor, arsen i bizmut.

Atom zanieczyszczenia trójwartościowego boru w sieci krzemowej zachowuje się inaczej. Zewnętrzna powłoka atomu boru ma tylko trzy elektrony walencyjne. Oznacza to, że brakuje jednego elektronu do wypełnienia czterech wiązań walencyjnych z czterema najbliższymi sąsiadami. Wolne wiązanie może być wypełnione elektronem przeniesionym z innego wiązania, to wiązanie zostanie wypełnione elektronami następnego wiązania i tak dalej. Dodatnia dziura (niewypełnione wiązanie) może przemieszczać się w krysztale od jednego atomu do drugiego (kiedy elektron porusza się w przeciwnym kierunku). Kiedy elektron wypełnia brakujące wiązanie walencyjne, domieszka atom boru staje się ujemnie naładowanym jonem, który zastępuje atom krzemu w sieci krystalicznej. Dziura będzie słabo związana z atomem boru siłami przyciągania elektrostatycznego i będzie poruszać się wokół niej po orbicie podobnej do orbity elektronu w atomie wodoru. Energia jonizacji, tj. energia potrzebna do oderwania dziury od ujemnego jonu boru będzie w przybliżeniu równa 0,05 eV. Dlatego w temperaturze pokojowej wszystkie atomy domieszek trójwartościowych są zjonizowane, a dziury biorą udział w procesie przewodzenia elektrycznego. Jeżeli w krysztale krzemu (grupa III układu okresowego) występuje domieszka atomów trójwartościowych, to przewodnictwo jest prowadzone głównie przez dziury. ). Zanieczyszczenia powodujące przewodzenie dziur nazywane są akceptorami. Do akceptorów germanu i krzemu należą pierwiastki trzeciej grupy układu okresowego: gal, tal, bor, aluminium. Liczba nośników prądu, które powstają przy oddzielnym wprowadzeniu domieszki każdego rodzaju, zależy od stężenia domieszki i jego energii jonizacji w danym półprzewodniku. Jednak najbardziej praktycznie stosowane zanieczyszczenia ulegają całkowitej jonizacji w temperaturze pokojowej, więc stężenie nośnika wytworzonego przez zanieczyszczenia w tych warunkach jest determinowane jedynie stężeniem domieszki, a w wielu przypadkach jest równe liczbie atomów domieszek wprowadzonych do półprzewodnika.

Każdy atom zanieczyszczenia donorowego wnosi jeden elektron przewodnictwa, dlatego im więcej atomów donorowych w każdym centymetrze sześciennym półprzewodnika, tym bardziej ich stężenie przekracza stężenie dziur, a przewodnictwo ma charakter elektronowy. Odwrotna sytuacja ma miejsce, gdy wprowadzane są zanieczyszczenia akceptorowe.

Przy równym stężeniu donorów i akceptorów w krysztale przewodnictwo zapewnią, podobnie jak w swoim własnym półprzewodniku, elektrony i dziury w wyniku zerwania wiązań walencyjnych. Taki półprzewodnik nazywa się skompensowanym.

O ilości energii elektrycznej przenoszonej przez dziury lub elektrony decyduje nie tylko koncentracja nośników, ale także ruchliwość elektronów i dziur.

ZWIĄZKI PÓŁPRZEWODNIKOWE

W technologii półprzewodnikowej, obok elementarnych półprzewodników, szeroko stosowane są związki półprzewodnikowe, otrzymywane przez stapianie lub obróbkę chemiczną czystych pierwiastków. Są to tlenek miedziawy, z którego wykonuje się różnego rodzaju prostowniki półprzewodnikowe, cynk antymonowy (SbZn), stosowany do produkcji termostosów półprzewodnikowych, tellurek ołowiu (PbTe), który znalazł zastosowanie w produkcji urządzeń fotowoltaicznych oraz w branży ujemnej termoelementów i wiele innych.

Szczególnie interesujące są związki typu IIIBV. Otrzymuje się je przez syntezę pierwiastków III i V grupy Mendelejewa. Spośród związków tego typu najciekawsze właściwości półprzewodnikowe mają AIP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs i InSb. Pod wieloma właściwościami związki te są zbliżone do pierwiastków półprzewodnikowych IV grupy, germanu i krzemu. Ruchliwość nośników prądu w nich osiąga wysokie wartości; pasmo zabronione niektórych z tych związków jest również duże; wprowadzone do nich zanieczyszczenia zmieniają mechanizm przewodnictwa elektrycznego; Tak więc niektóre atomy grupy II zachowują się jak akceptory, a pewna liczba atomów grupy VI działa jako donory.

Tematy kodyfikatora USE: półprzewodniki, przewodnictwo wewnętrzne i zewnętrzne półprzewodników.

Do tej pory, mówiąc o zdolności substancji do przewodzenia prądu elektrycznego, dzieliliśmy je na przewodniki i dielektryki. Rezystancja właściwa zwykłych przewodów mieści się w zakresie Ohm m; rezystywność dielektryków przekracza te wartości średnio o rzędy wielkości: Ohm m.

Ale są też substancje, które pod względem przewodnictwa elektrycznego zajmują pozycję pośrednią między przewodnikami a dielektrykami. Ten półprzewodniki: ich rezystywność w temperaturze pokojowej może przybierać wartości w bardzo szerokim zakresie om-m. Półprzewodniki obejmują krzem, german, selen i niektóre inne pierwiastki i związki chemiczne (Półprzewodniki są niezwykle powszechne w przyrodzie. Na przykład około 80% masy skorupy ziemskiej przypada na substancje, które są półprzewodnikami). Najszerzej stosowane są krzem i german.

Główną cechą półprzewodników jest to, że ich przewodnictwo elektryczne gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Rezystywność półprzewodnika maleje wraz ze wzrostem temperatury w przybliżeniu, jak pokazano na ryc. jeden .

Ryż. 1. Zależność dla półprzewodnika

Innymi słowy, w niskich temperaturach półprzewodniki zachowują się jak dielektryki, aw wysokich temperaturach zachowują się jak całkiem dobre przewodniki. Na tym polega różnica między półprzewodnikami a metalami: rezystywność metalu, jak pamiętasz, rośnie liniowo wraz ze wzrostem temperatury.

Istnieją inne różnice między półprzewodnikami a metalami. Tak więc oświetlenie półprzewodnika powoduje spadek jego rezystancji (a światło nie ma prawie żadnego wpływu na rezystancję metalu). Ponadto przewodność elektryczna półprzewodników może się bardzo silnie zmieniać wraz z wprowadzeniem nawet znikomej ilości zanieczyszczeń.

Doświadczenie pokazuje, że podobnie jak w przypadku metali, gdy prąd przepływa przez półprzewodnik, nie ma transferu materii. Dlatego prąd elektryczny w półprzewodnikach wynika z ruchu elektronów.

Spadek rezystancji półprzewodnika po nagrzaniu wskazuje, że wzrost temperatury prowadzi do wzrostu liczby wolnych ładunków w półprzewodniku. Nic takiego nie dzieje się w metalach; dlatego półprzewodniki mają inny mechanizm przewodnictwa elektrycznego niż metale. Powodem tego jest inny charakter wiązania chemicznego między atomami metali i półprzewodników.

wiązanie kowalencyjne

Pamiętajmy, że wiązanie metaliczne zapewnia gaz wolnych elektronów, który podobnie jak klej utrzymuje jony dodatnie w miejscach sieci. Półprzewodniki są ułożone inaczej – ich atomy są utrzymywane razem wiązanie kowalencyjne. Pamiętajmy, co to jest.

Elektrony znajdujące się na zewnętrznym poziomie elektronicznym i nazywane wartościowość, są słabiej związane z atomem niż reszta elektronów, które znajdują się bliżej jądra. W procesie tworzenia wiązania kowalencyjnego dwa atomy przyczyniają się „do wspólnej przyczyny” jednego ze swoich elektronów walencyjnych. Te dwa elektrony są uspołecznione, to znaczy należą teraz do obu atomów i dlatego są nazywane wspólna para elektronów(rys. 2).

Ryż. 2. Wiązanie kowalencyjne

Uspołeczniona para elektronów po prostu utrzymuje atomy blisko siebie (za pomocą elektrycznych sił przyciągania). Wiązanie kowalencyjne to wiązanie, które istnieje między atomami dzięki wspólnym parom elektronów.. Z tego powodu nazywane jest również wiązaniem kowalencyjnym para-elektron.

Struktura krystaliczna krzemu

Jesteśmy teraz gotowi do bliższego przyjrzenia się wnętrzom półprzewodników. Jako przykład rozważ najczęstszy półprzewodnik w przyrodzie - krzem. Drugi najważniejszy półprzewodnik, german, ma podobną budowę.

Strukturę przestrzenną krzemu pokazano na ryc. 3 (zdjęcie Ben Mills). Atomy krzemu są przedstawione jako kulki, a łączące je rurki to kanały wiązania kowalencyjnego między atomami.

Ryż. 3. Struktura krystaliczna krzemu

Zauważ, że każdy atom krzemu jest związany z cztery sąsiednich atomów. Dlaczego tak jest?

Faktem jest, że krzem jest czterowartościowy - na zewnętrznej powłoce elektronowej atomu krzemu znajdują się cztery elektrony walencyjne. Każdy z tych czterech elektronów jest gotowy do utworzenia wspólnej pary elektronów z elektronem walencyjnym innego atomu. I tak się dzieje! W rezultacie atom krzemu jest otoczony czterema zadokowanymi atomami, z których każdy wnosi jeden elektron walencyjny. W związku z tym wokół każdego atomu znajduje się osiem elektronów (cztery własne i cztery obce).

Widzimy to bardziej szczegółowo na płaskim schemacie sieci krystalicznej krzemu (ryc. 4).

Ryż. 4. Sieć krystaliczna krzemu

Wiązania kowalencyjne są pokazane jako pary linii łączących atomy; linie te dzielą pary elektronów. Każdy elektron walencyjny znajdujący się na takiej linii spędza większość czasu w przestrzeni pomiędzy dwoma sąsiednimi atomami.

Jednak elektrony walencyjne w żadnym wypadku nie są „ściśle związane” z odpowiednimi parami atomów. Powłoki elektronowe zachodzą na siebie Wszystko sąsiednich atomów, tak że każdy elektron walencyjny jest wspólną własnością wszystkich sąsiednich atomów. Z jakiegoś atomu 1 taki elektron może przejść do sąsiedniego atomu 2, a następnie do sąsiedniego atomu 3 i tak dalej. Elektrony walencyjne mogą poruszać się w przestrzeni kryształu - mówi się, że należą do całego kryształu(zamiast jakiejkolwiek pojedynczej pary atomowej).

Jednak elektrony walencyjne krzemu nie są wolne (jak w przypadku metalu). W półprzewodniku wiązanie między elektronami walencyjnymi a atomami jest znacznie silniejsze niż w metalu; wiązania kowalencyjne krzemu nie pękają w niskich temperaturach. Energia elektronów nie wystarcza do rozpoczęcia uporządkowanego ruchu z niższego potencjału na wyższy pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego. Dlatego w wystarczająco niskich temperaturach półprzewodniki są zbliżone do dielektryków - nie przewodzą prądu elektrycznego.

Własna przewodność

Jeśli włączysz element półprzewodnikowy do obwodu elektrycznego i zaczniesz go podgrzewać, wówczas siła prądu w obwodzie wzrasta. Dlatego rezystancja półprzewodnika maleje wraz ze wzrostem temperatury. Dlaczego to się dzieje?

Wraz ze wzrostem temperatury drgania termiczne atomów krzemu stają się bardziej intensywne, a energia elektronów walencyjnych wzrasta. Dla niektórych elektronów energia osiąga wartości wystarczające do zerwania wiązań kowalencyjnych. Takie elektrony opuszczają swoje atomy i stają się wolny(lub elektrony przewodzące) jest dokładnie taki sam jak w metalu. W zewnętrznym polu elektrycznym swobodne elektrony rozpoczynają uporządkowany ruch, tworząc prąd elektryczny.

Im wyższa temperatura krzemu, tym większa energia elektronów i większa liczba wiązań kowalencyjnych nie wytrzymuje i pęka. Zwiększa się liczba wolnych elektronów w krysztale krzemu, co prowadzi do spadku jego rezystancji.

Zerwanie wiązań kowalencyjnych i pojawienie się wolnych elektronów pokazano na ryc. 5 . W miejscu zerwania wiązania kowalencyjnego a otwór jest wakat dla elektronu. Dziura ma pozytywnyładunek, ponieważ wraz z odejściem ujemnie naładowanego elektronu pozostaje nieskompensowany ładunek dodatni jądra atomu krzemu.

Ryż. 5. Powstawanie wolnych elektronów i dziur

Dziury nie pozostają na swoim miejscu - mogą wędrować po krysztale. Faktem jest, że jeden z sąsiednich elektronów walencyjnych, „podróżując” między atomami, może przeskoczyć do powstałego wakatu, wypełniając dziurę; wtedy dziura w tym miejscu zniknie, ale pojawi się w miejscu, z którego pochodzi elektron.

W przypadku braku zewnętrznego pola elektrycznego ruch dziur jest losowy, ponieważ elektrony walencyjne wędrują losowo między atomami. Jednak w polu elektrycznym skierowany ruch otworu. Czemu? Łatwo to zrozumieć.

Na ryc. 6 przedstawia półprzewodnik umieszczony w polu elektrycznym. Po lewej stronie figury znajduje się początkowe położenie otworu.

Ryż. 6. Ruch dziury w polu elektrycznym

Gdzie pójdzie dziura? Oczywiste jest, że najbardziej prawdopodobne są przeskoki „elektron > dziura” w kierunku przeciwko linie pola (czyli do „plusów”, które tworzą pole). Jeden z tych skoków pokazano w środkowej części rysunku: elektron przeskoczył w lewo, wypełniając wakat, a dziura odpowiednio przesunęła się w prawo. Następny możliwy skok elektronu wywołany przez pole elektryczne pokazano po prawej stronie rysunku; w wyniku tego skoku dziura zajęła nowe miejsce, położone jeszcze bardziej w prawo.

Widzimy, że dziura jako całość się porusza w stronę linie pola - czyli tam, gdzie mają się przemieszczać ładunki dodatnie. Podkreślamy raz jeszcze, że ukierunkowany ruch dziury wzdłuż pola jest powodowany przez przeskoki elektronów walencyjnych z atomu na atom, zachodzące głównie w kierunku przeciwnym do pola.

Tak więc w krysztale krzemu występują dwa rodzaje nośników ładunku: swobodne elektrony i dziury. Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego pojawia się prąd elektryczny spowodowany ich uporządkowanym ruchem przeciwnym: swobodne elektrony poruszają się przeciwnie do wektora natężenia pola, a dziury poruszają się w kierunku wektora.

Nazywa się występowanie prądu w wyniku ruchu swobodnych elektronów przewodnictwo elektroniczne, lub przewodność typu n. Nazywa się proces uporządkowanego ruchu otworów przewodność otworów,lub przewodność typu p(od pierwszych liter łacińskich słów negativus (negatywny) i positivus (pozytywny)). Oba przewodnictwa - elektron i dziura - są razem nazywane własna przewodność półprzewodnik.

Każde odejście elektronu od zerwanego wiązania kowalencyjnego generuje parę „wolny elektron-dziura”. Dlatego stężenie wolnych elektronów w czystym krysztale krzemu jest równe stężeniu dziur. W związku z tym, gdy kryształ jest podgrzewany, wzrasta koncentracja nie tylko wolnych elektronów, ale także dziur, co prowadzi do wzrostu przewodności własnej półprzewodnika z powodu wzrostu przewodności zarówno elektronowej, jak i dziurowej.

Wraz z tworzeniem się par „wolny elektron-dziura” zachodzi również proces odwrotny: rekombinacja wolne elektrony i dziury. Mianowicie swobodny elektron, spotykając się z dziurą, wypełnia tę lukę, odbudowując zerwane wiązanie kowalencyjne i zamieniając się w elektron walencyjny. Tak więc w półprzewodniku równowaga dynamiczna: średnia liczba pęknięć wiązań kowalencyjnych i powstałych par elektron-dziura w jednostce czasu jest równa średniej liczbie rekombinujących elektronów i dziur. Ten stan równowagi dynamicznej określa równowagową koncentrację wolnych elektronów i dziur w półprzewodniku w danych warunkach.

Zmiana warunków zewnętrznych przesuwa stan równowagi dynamicznej w jednym lub drugim kierunku. W tym przypadku naturalnie zmienia się równowagowa wartość stężenia nośników ładunku. Na przykład liczba wolnych elektronów i dziur wzrasta, gdy półprzewodnik jest ogrzewany lub oświetlony.

W temperaturze pokojowej stężenie wolnych elektronów i dziur w krzemie jest w przybliżeniu równe cm. Stężenie atomów krzemu wynosi około cm. Innymi słowy, na atom krzemu przypada tylko jeden wolny elektron! To bardzo mało. Na przykład w metalach stężenie wolnych elektronów jest w przybliżeniu równe stężeniu atomów. Odpowiednio, przewodność samoistna krzemu i innych półprzewodników w normalnych warunkach jest niewielka w porównaniu do przewodności metali.

Przewodność zanieczyszczeń

Najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że ich rezystywność można zmniejszyć o kilka rzędów wielkości, wprowadzając nawet bardzo małą ilość zanieczyszczeń. Oprócz własnej przewodności półprzewodnik ma dominującą przewodność zanieczyszczeń. To właśnie dzięki temu urządzenia półprzewodnikowe znalazły tak szerokie zastosowanie w nauce i technice.
Załóżmy na przykład, że do stopionego krzemu dodaje się trochę pięciowartościowego arsenu. Po krystalizacji stopu okazuje się, że atomy arsenu zajmują miejsca w niektórych miejscach powstałej sieci krystalicznej krzemu.

Zewnętrzny poziom elektronowy atomu arsenu ma pięć elektronów. Cztery z nich tworzą wiązania kowalencyjne z najbliższymi sąsiadami - atomami krzemu (rys. 7). Jaki jest los piątego elektronu niezajętego w tych wiązaniach?

Ryż. 7. Półprzewodnik typu N

A piąty elektron staje się wolny! Faktem jest, że energia wiązania tego „dodatkowego” elektronu z atomem arsenu znajdującym się w krysztale krzemu jest znacznie mniejsza niż energia wiązania elektronów walencyjnych z atomami krzemu. Dlatego już w temperaturze pokojowej prawie wszystkie atomy arsenu w wyniku ruchu termicznego pozostają bez piątego elektronu, zamieniając się w jony dodatnie. A kryształ krzemu, odpowiednio, jest wypełniony wolnymi elektronami, które są odczepione od atomów arsenu.

Wypełnianie kryształu swobodnymi elektronami nie jest dla nas niczym nowym: widzieliśmy to powyżej, gdy był podgrzewany czysty silikon (bez zanieczyszczeń). Ale teraz sytuacja jest zasadniczo inna: pojawieniu się wolnego elektronu opuszczającego atom arsenu nie towarzyszy pojawienie się ruchomej dziury. Czemu? Powód jest ten sam - wiązanie elektronów walencyjnych z atomami krzemu jest znacznie silniejsze niż z atomem arsenu na piątej wakacji, więc elektrony sąsiednich atomów krzemu nie mają tendencji do wypełniania tej wakatu. Tym samym wakat pozostaje na swoim miejscu, jest jakby „zamrożony” do atomu arsenu i nie uczestniczy w tworzeniu prądu.

W ten sposób, wprowadzenie pięciowartościowych atomów arsenu do sieci krystalicznej krzemu tworzy przewodnictwo elektronowe, ale nie prowadzi do symetrycznego wyglądu przewodnictwa dziurowego. Główną rolę w tworzeniu prądu odgrywają teraz wolne elektrony, które w tym przypadku nazywane są główni przewoźnicy opłata.

Naturalny mechanizm przewodzenia, oczywiście, nadal działa nawet w obecności zanieczyszczenia: wiązania kowalencyjne są nadal rozrywane z powodu ruchu termicznego, generując swobodne elektrony i dziury. Ale teraz jest znacznie mniej dziur niż wolnych elektronów, które są dostarczane w dużych ilościach przez atomy arsenu. Dlatego dziury w tym przypadku będą przewoźnicy mniejszości opłata.

Zanieczyszczenia, których atomy oddają swobodne elektrony bez pojawienia się równej liczby ruchomych dziur, nazywa się dawca. Na przykład pięciowartościowy arsen jest zanieczyszczeniem dawcy. W obecności zanieczyszczenia donorowego w półprzewodniku, swobodne elektrony są głównymi nośnikami ładunku, a dziury są pomniejszymi; innymi słowy, koncentracja wolnych elektronów jest znacznie wyższa niż koncentracja dziur. Dlatego nazywane są półprzewodniki z zanieczyszczeniami donorowymi półprzewodniki elektroniczne, lub półprzewodniki typu n(lub po prostu n-półprzewodniki).

A o ile, co ciekawe, koncentracja swobodnych elektronów może przekroczyć koncentrację dziur w n-półprzewodniku? Zróbmy proste obliczenia.

Załóżmy, że zanieczyszczeniem jest , to znaczy, że na tysiąc atomów krzemu przypada jeden atom arsenu. Stężenie atomów krzemu, jak pamiętamy, jest rzędu cm.

Stężenie odpowiednio atomów arsenu będzie tysiąc razy mniejsze: cm Stężenie wolnych elektronów oddanych przez zanieczyszczenie również okaże się takie samo - w końcu każdy atom arsenu wydziela elektron. A teraz pamiętajmy, że koncentracja par elektron-dziura, które pojawiają się przy zerwaniu wiązań kowalencyjnych krzemu w temperaturze pokojowej, jest w przybliżeniu równa cm. Czy czujesz różnicę? Stężenie wolnych elektronów w tym przypadku jest większe niż koncentracja dziur o rzędy wielkości, czyli miliard razy! W związku z tym rezystywność półprzewodnika krzemowego zmniejsza się miliard razy, gdy wprowadza się tak małą ilość zanieczyszczeń.

Z powyższych obliczeń wynika, że ​​w półprzewodnikach typu n główną rolę odgrywa przewodnictwo elektronowe. Na tle tak kolosalnej przewagi liczby swobodnych elektronów wkład ruchu dziur do przewodnictwa całkowitego jest pomijalnie mały.

Wręcz przeciwnie, możliwe jest stworzenie półprzewodnika z przewagą przewodności dziurowej. Stanie się tak, jeśli do kryształu krzemu zostanie wprowadzone trójwartościowe zanieczyszczenie - na przykład ind. Wynik takiej implementacji pokazano na rys. osiem .

Ryż. 8. półprzewodnik typu p

Co się dzieje w tym przypadku? Zewnętrzny poziom elektronowy atomu indu ma trzy elektrony, które tworzą wiązania kowalencyjne z trzema otaczającymi atomami krzemu. Dla czwartego sąsiedniego atomu krzemu atom indu nie ma już wystarczającej ilości elektronów i w tym miejscu pojawia się dziura.

A ta dziura nie jest prosta, ale wyjątkowa – o bardzo dużej energii wiązania. Kiedy elektron z sąsiedniego atomu krzemu wejdzie do niego, „utknie w nim na zawsze”, ponieważ przyciąganie elektronu do atomu indu jest bardzo duże – bardziej niż do atomów krzemu. Atom indu zamieni się w jon ujemny, a w miejscu, z którego pochodził elektron, pojawi się dziura - ale teraz jest to zwykła ruchoma dziura w postaci zerwanego wiązania kowalencyjnego w sieci krystalicznej krzemu. Ta dziura w zwykły sposób zacznie wędrować po krysztale z powodu „przekaźnikowego” przeniesienia elektronów walencyjnych z jednego atomu krzemu na drugi.

I tak każdy atom domieszki indu generuje dziurę, ale nie prowadzi do symetrycznego pojawienia się wolnego elektronu. Takie zanieczyszczenia, których atomy „ściśle” wychwytują elektrony i tym samym tworzą ruchomą dziurę w krysztale, nazywane są akceptor.

Przykładem zanieczyszczenia akceptorowego jest trójwartościowy ind.

Jeśli zanieczyszczenie akceptorowe zostanie wprowadzone do czystego kryształu krzemu, to liczba dziur wytworzonych przez to zanieczyszczenie będzie znacznie większa niż liczba wolnych elektronów, które powstały w wyniku zerwania wiązań kowalencyjnych między atomami krzemu. Półprzewodnik z domieszką akceptorową to półprzewodnik z otworem, lub półprzewodnik typu p(lub po prostu p-półprzewodnik).

Otwory odgrywają główną rolę w generowaniu prądu w p-półprzewodniku; otwory - główni przewoźnicy opłat. Wolne elektrony - drobni przewoźnicyładować w p-półprzewodniku. Ruch swobodnych elektronów w tym przypadku nie ma znaczącego wkładu: prąd elektryczny jest dostarczany głównie przez przewodzenie dziur.

złącze p–n

Nazywa się punkt styku dwóch półprzewodników o różnych typach przewodności (elektron i dziura) przejście elektron-dziura, lub złącze p–n. W rejonie węzła p–n powstaje ciekawe i bardzo ważne zjawisko – przewodzenie jednokierunkowe.

Na ryc. 9 przedstawia kontakt regionów typu p i n; kolorowe kółka to dziury i wolne elektrony, które są głównymi (lub mniejszymi) nośnikami ładunku w odpowiednich regionach.

Ryż. 9. Warstwa blokująca złącze p–n

Wykonując ruch termiczny, nośniki ładunku przenikają przez granicę między regionami.

Swobodne elektrony przechodzą z obszaru n do obszaru p i tam rekombinują z dziurami; dziury dyfundują z obszaru p do obszaru n i tam rekombinują z elektronami.

W wyniku tych procesów w półprzewodniku elektronowym w pobliżu granicy styku pozostaje nieskompensowany ładunek dodatnich jonów domieszki donorowej, natomiast w półprzewodniku otworowym (również w pobliżu granicy) powstaje nieskompensowany ładunek ujemny jonów domieszkowych akceptora . Te nieskompensowane opłaty kosmiczne tworzą tzw warstwa barierowa, którego wewnętrzne pole elektryczne zapobiega dalszej dyfuzji wolnych elektronów i dziur przez granicę styku.

Podłączmy teraz źródło prądu do naszego elementu półprzewodnikowego, przykładając „plus” źródła do n-półprzewodnika, a „minus” do p-półprzewodnika (ryc. 10).

Ryż. 10. Włącz w odwrotnej kolejności: brak prądu!

Widzimy, że zewnętrzne pole elektryczne przenosi większość nośników ładunku dalej od granicy styku. Zwiększa się szerokość warstwy barierowej i zwiększa się jej pole elektryczne. Rezystancja warstwy barierowej jest wysoka, a główne nośniki nie są w stanie pokonać złącza p–n. Pole elektryczne pozwala na przekroczenie granicy tylko nośników mniejszościowych, jednak ze względu na bardzo małą koncentrację nośników mniejszościowych wytwarzany przez nie prąd jest znikomy.

Rozważany schemat nazywa się włączenie skrzyżowania p–n w przeciwnym kierunku. Nie ma prądu elektrycznego głównych nośników; jest tylko znikomy prąd nośny mniejszości. W takim przypadku złącze p–n jest zamknięte.

Zmieńmy teraz biegunowość połączenia i zastosujmy „plus” do p-półprzewodnika, a „minus” do n-półprzewodnika (ryc. 11). Ten schemat nazywa się przełączanie w kierunku do przodu.

Ryż. 11. Przełączanie do przodu: prąd płynie

W tym przypadku zewnętrzne pole elektryczne skierowane jest przeciwko polu blokującemu i otwiera drogę dla głównych nośników przez złącze p–n. Warstwa barierowa staje się cieńsza, zmniejsza się jej odporność.

Istnieje masowy ruch swobodnych elektronów z regionu n do regionu p, a dziury z kolei pędzą razem z regionu p do regionu n.

W obwodzie powstaje prąd, spowodowany ruchem głównych nośników ładunku (teraz jednak pole elektryczne uniemożliwia prąd nośników mniejszościowych, ale ten znikomy czynnik nie ma zauważalnego wpływu na ogólną przewodność).

Jednostronne przewodzenie złącza p–n jest stosowane w diody półprzewodnikowe. Dioda to urządzenie, które przewodzi prąd tylko w jednym kierunku; w przeciwnym kierunku przez diodę nie przepływa prąd (mówi się, że dioda jest zamknięta). Schematyczne przedstawienie diody pokazano na ryc. 12 .

Ryż. 12. Dioda

W tym przypadku dioda jest otwarta w kierunku od lewej do prawej: ładunki wydają się płynąć wzdłuż strzałki (zobacz to na rysunku?). W kierunku od prawej do lewej ładunki wydają się opierać o ścianę - dioda jest zamknięta.

Cząsteczki przewodnika (cząsteczki, atomy, jony), które nie uczestniczą w tworzeniu prądu, są w ruchu termicznym, a cząstki tworzące prąd są jednocześnie w ruchach termicznych i kierunkowych pod działaniem pola elektrycznego. Z tego powodu między cząstkami tworzącymi prąd a cząstkami nieuczestniczącymi w jego powstawaniu dochodzi do licznych zderzeń, w których te pierwsze oddają część przekazywanej przez nie energii źródła prądu do tych drugich. Im więcej zderzeń, tym mniejsza prędkość uporządkowanego ruchu cząstek tworzących prąd. Jak widać ze wzoru I = envS, zmniejszenie prędkości prowadzi do zmniejszenia natężenia prądu. Wielkość skalarna, która charakteryzuje właściwość przewodnika w celu zmniejszenia natężenia prądu, nazywa się rezystancja przewodu. Z formuły prawa Ohma Ohm - rezystancja przewodnika, w którym prąd jest uzyskiwany z siłą 1 rok przy napięciu na końcach przewodu w 1 v.

Rezystancja przewodu zależy od jego długości l, przekroju S oraz materiału, który charakteryzuje się rezystywnością Im dłuższy przewodnik, tym więcej w jednostce czasu zderzeń cząstek tworzących prąd z cząstkami nieuczestniczącymi w jego tworzeniu, a tym samym większy opór przewodnika. Im mniejszy przekrój przewodnika, tym gęstszy przepływ cząstek tworzących prąd i tym częściej zderzają się one z cząstkami nieuczestniczącymi w jego powstawaniu, a tym samym większy opór przewodnika.

Pod działaniem pola elektrycznego cząstki tworzące prąd poruszają się w przyspieszonym tempie między zderzeniami, zwiększając swoją energię kinetyczną z powodu energii pola. Zderzając się z cząstkami, które nie tworzą prądu, przekazują im część swojej energii kinetycznej. W rezultacie wzrasta energia wewnętrzna przewodnika, co zewnętrznie przejawia się w jego nagrzewaniu. Zastanów się, czy rezystancja przewodnika zmienia się po podgrzaniu.

W obwodzie elektrycznym znajduje się cewka z drutu stalowego (sznurek, ryc. 81, a). Po zamknięciu obwodu zaczniemy podgrzewać drut. Im bardziej go podgrzejemy, tym mniejszy prąd pokazuje amperomierz. Jego spadek wynika z faktu, że gdy metale się nagrzewają, ich odporność wzrasta. Tak więc rezystancja włosa żarówki, gdy nie świeci, wynosi w przybliżeniu 20 omów, a kiedy się pali (2900°C) - 260 omów. Gdy metal jest podgrzewany, wzrasta ruch termiczny elektronów i szybkość oscylacji jonów w sieci krystalicznej, w wyniku czego wzrasta liczba zderzeń elektronów tworzących prąd z jonami. Powoduje to wzrost rezystancji przewodu *. W metalach niewolne elektrony są bardzo silnie związane z jonami, dlatego po podgrzaniu metali liczba wolnych elektronów praktycznie się nie zmienia.

* (W oparciu o teorię elektronową nie można wyprowadzić dokładnego prawa zależności rezystancji od temperatury. Takie prawo określa teoria kwantowa, w której elektron jest uważany za cząstkę o właściwościach falowych, a ruch elektronu przewodzącego przez metal jest uważany za proces propagacji fal elektronowych, których długość jest określona przez relacja de Broglie.)

Eksperymenty pokazują, że gdy temperatura przewodników z różnych substancji zmienia się o tę samą liczbę stopni, ich rezystancja zmienia się nierównomiernie. Na przykład, jeśli przewód miedziany miał rezystancję 1 ohm, a następnie po podgrzaniu 1°С on będzie się opierał 1.004 ohm i wolframu - 1,005 oma. Aby scharakteryzować zależność rezystancji przewodnika od jego temperatury, wprowadzono wielkość zwaną temperaturowym współczynnikiem rezystancji. Wartość skalarna mierzona przez zmianę rezystancji przewodnika o wartości 1 oma, pobrana w temperaturze 0 ° C, ze zmiany jego temperatury o 1 ° C, nazywana jest współczynnikiem temperaturowym rezystancji α. Tak więc dla wolframu współczynnik ten jest równy 0,005 stopnia -1, dla miedzi - 0,004 stopnia -1 . Współczynnik temperaturowy oporu zależy od temperatury. W przypadku metali zmienia się niewiele wraz z temperaturą. Przy małym zakresie temperatur jest uważany za stały dla danego materiału.

Wyprowadzamy wzór, za pomocą którego oblicza się opór przewodnika, biorąc pod uwagę jego temperaturę. Załóżmy, że R0- rezystancja przewodu przy 0°C, po podgrzaniu do 1°С wzrośnie o αR 0, a po podgrzaniu do t°- na αRt° i staje się R = R 0 + αR 0 t°, lub

Zależność rezystancji metali od temperatury jest brana pod uwagę, na przykład, przy produkcji spiral do grzejników elektrycznych, lamp: długość drutu spiralnego i dopuszczalna siła prądu oblicza się z ich rezystancji w stanie rozgrzanym. Zależność rezystancji metali od temperatury jest wykorzystywana w termometrach oporowych, które służą do pomiaru temperatury silników cieplnych, turbin gazowych, metalu w wielkich piecach itp. Termometr ten składa się z cienkiej spiralnie nawiniętej platyny (niklu, żelaza) na porcelanowej ramie i umieszczony w etui ochronnym. Jego końce są połączone z obwodem elektrycznym z amperomierzem, którego skala jest wyskalowana w stopniach temperatury. Gdy cewka jest nagrzewana, prąd w obwodzie maleje, co powoduje ruch wskazówki amperomierza, który wskazuje temperaturę.

Odwrotność rezystancji danego odcinka, obwodu, nazywa się przewodność elektryczna przewodnika(przewodnictwo elektryczne). Przewodność elektryczna przewodnika Im większa przewodność przewodnika, tym mniejsza jego rezystancja i tym lepiej przewodzi prąd. Nazwa jednostki przewodności elektrycznej Przewodność rezystancji przewodnika 1 ohm nazywa Siemensa.

Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się odporność metali. Ale są metale i stopy, których rezystancja w niskiej temperaturze określonej dla każdego metalu i stopu gwałtownie spada i staje się znikomo mała - praktycznie równa zeru (ryc. 81, b). Nadchodzący nadprzewodnictwo- przewodnik praktycznie nie ma rezystancji, a gdy wzbudzony w nim prąd istnieje przez długi czas, podczas gdy przewodnik ma temperaturę nadprzewodnictwa (w jednym z eksperymentów prąd był obserwowany przez ponad rok). Gdy prąd przepływa przez nadprzewodnik o gęstości 1200 a/mm2 nie zaobserwowano wydzielania ciepła. Metale jednowartościowe, które są najlepszymi przewodnikami prądu, nie przechodzą w stan nadprzewodnictwa aż do ekstremalnie niskich temperatur, w których przeprowadzono eksperymenty. Na przykład w tych eksperymentach miedź została schłodzona do 0,0156°K, złoto - przed 0,0204 ° K. Gdyby możliwe było uzyskanie stopów o nadprzewodnictwie w zwykłych temperaturach, miałoby to ogromne znaczenie dla elektrotechniki.

Zgodnie ze współczesnymi koncepcjami główną przyczyną nadprzewodnictwa jest powstawanie związanych par elektronów. W temperaturze nadprzewodnictwa siły wymiany zaczynają działać między wolnymi elektronami, powodując, że elektrony tworzą związane pary elektronów. Taki gaz elektronowy ze związanych par elektronów ma inne właściwości niż zwykły gaz elektronowy - porusza się w nadprzewodniku bez tarcia o węzły sieci krystalicznej.

Energia kinetyczna atomów i jonów wzrasta, zaczynają mocniej oscylować wokół pozycji równowagi, elektrony nie mają wystarczająco dużo miejsca na swobodny ruch.

2. Jak rezystywność przewodnika zależy od jego temperatury? W jakich jednostkach mierzony jest współczynnik temperaturowy rezystancji?

Rezystancja właściwa przewodników wzrasta liniowo wraz ze wzrostem temperatury zgodnie z prawem

3. Jak wytłumaczyć liniową zależność rezystywności przewodnika od temperatury?

Rezystancja właściwa przewodnika zależy liniowo od częstotliwości zderzeń elektronów z atomami i jonami sieci krystalicznej, a częstotliwość ta zależy od temperatury.

4. Dlaczego rezystywność półprzewodników maleje wraz ze wzrostem temperatury?

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta liczba wolnych elektronów, a wraz ze wzrostem liczby nośników ładunku maleje rezystancja półprzewodnika.

5. Opisywać proces przewodzenia własnego w półprzewodnikach.

Atom półprzewodnika traci elektron, naładowany dodatnio. W powłoce elektronowej powstaje dziura - ładunek dodatni. Zatem przewodność samoistna półprzewodnika jest realizowana przez dwa rodzaje nośników: elektrony i dziury.

W półprzewodnikach przewodnictwo elektryczne w znacznym stopniu zależy od temperatury. W temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu zamieniają się w izolatory, a w wysokich temperaturach ich przewodnictwo staje się znaczące. W przeciwieństwie do metali liczba elektronów przewodzących w półprzewodnikach nie jest równa liczbie elektronów walencyjnych, a jedynie jej niewielką część. Ostra zależność przewodnictwa półprzewodników od temperatury wskazuje, że pod wpływem ruchu termicznego powstają w nich elektrony przewodnictwa.

7. Sformułuj i zapisz prawo Brewstera. Wyjaśnij swoją odpowiedź na rysunku.

Jeżeli tangens kąta padania wiązki na granicy dwóch dielektryków jest równy względnemu współczynnikowi załamania, to odbita wiązka jest całkowicie spolaryzowana w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania, to znaczy równoległej do granicy między media

tg a B \u003d n 21.

Tutaj a B jest kątem padania światła, zwanym kątem Brewstera, n 21 jest względnym współczynnikiem załamania światła drugiego ośrodka w stosunku do pierwszego

8. Jaka jest istota relacji niepewności Heisenberga?

x*p x >=h

y*p y >=h

z* pz >=h

E* t>=h

Δx, y, z - niedokładność określenia współrzędnej

Δp - niedokładność w wyznaczeniu pędu

Fiz. to znaczy: nie da się jednocześnie dokładnie zmierzyć położenia i pędu.

9. Jak zmieni się częstotliwość drgań swobodnych w obwodzie oscylacyjnym, jeśli indukcyjność cewki wzrośnie 4-krotnie, a pojemność kondensatora zmniejszy się 2-krotnie?

Odpowiedź: spadek o współczynnik

10. Wskaż produkt reakcji jądrowej Li + H He +?

11. Jaka jest rezystancja indukcyjna cewki o indukcyjności 2 mH przy częstotliwości drgań prądu n = 50 Hz?

R L \u003d wL \u003d 2πνL \u003d 0,628 (Ohm). Odpowiedź: RL \u003d 0,628 (Ohm)

Jeśli bezwzględny współczynnik załamania ośrodka wynosi 1,5, to jaka jest prędkość światła w tym ośrodku?

n= z/v 2*10 8

13. Długość fali promieniowania gamma nm. Jaka różnica potencjałów U musi być przyłożona do lampy rentgenowskiej, aby uzyskać promieniowanie rentgenowskie o tej długości fali?

14. Długość fali de Broglie dla cząstki wynosi 2,2 nm. Znajdź masę cząstki, jeśli porusza się ona z prędkością .

m== 6, 62*10 -34 /2, 2*10 -9 *10 5 =3, 01*10 -30 ;

W wyniku rozproszenia fotonu przez swobodny elektron przesunięcie Comptona wyniosło 1,2 pm. Znajdź kąt rozpraszania.

16. Obwód oscylacyjny zawiera kondensator 50nF i indukcyjność 5/(4) μH. Określ długość fali promieniowania

17. Funkcja pracy elektronu z platyny to . Jaka jest maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów wyrzucanych z platyny przez światło o długości fali 0,5 mikrona?

18. Odległość między rowkami siatki dyfrakcyjnej d = 4 μm. Normalnie na siatkę pada światło o określonej długości fali = 0,6 µm. Jakie jest maksymalne zamówienie tej sieci?

d=4µm, , dsinj = nl, sinj=1,n= =

MAK. zamówienie - 6

19. Jaka jest warstwa połowicznej absorpcji światła d 1/2, jeśli natężenie światła zmniejsza się 8-krotnie, gdy światło przechodzi przez warstwę substancji o grubości 30 mm? , , , , , , ,

20. W doświadczeniu Younga dziury oświetlano światłem monochromatycznym o długości fali \u003d 6 10 -5 cm, odległość między otworami wynosi 1 mm, a odległość od otworów do ekranu wynosi 3 m. Znajdź pozycję pierwszego paska świetlnego .

Opcja 18

1. Pole magnetyczne nazywa się jednorodnym, jeśli ... wektor indukcji magnetycznej jest taki sam we wszystkich punktach. przykład (magnes trwały)

2. Jakie oscylacje nazywamy wymuszonymi?

Oscylacje wymuszone - oscylacje występujące w dowolnym systemie pod wpływem zmiennego wpływu zewnętrznego. Charakter oscylacji wymuszonych jest determinowany zarówno właściwościami wpływu zewnętrznego, jak i właściwościami samego układu.

3. Co nazywa się zewnętrznym efektem fotoelektrycznym?

Zewnętrzny efekt fotoelektryczny to wyrzucanie elektronów z substancji pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Zewnętrzny efekt fotoelektryczny obserwuje się głównie w przewodnikach

4. Co nazywa się całkowicie czarnym ciałem?

Ciało zdolne do całkowitego pochłaniania w dowolnej temperaturze całego padającego na nie promieniowania o dowolnej częstotliwości nazywa się czarnym. W konsekwencji absorbancja widmowa ciała doskonale czarnego dla wszystkich częstotliwości i temperatur jest identycznie równa jeden ()

5. Sformułuj i zapisz prawo Lamberta

Prawo Bouguera - Lamberta - Beera jest prawem fizycznym, które określa tłumienie równoległej monochromatycznej wiązki światła, gdy rozchodzi się ona w absorbującym medium.

gdzie jest natężenie wiązki przychodzącej, l jest grubością warstwy substancji, przez którą przechodzi światło, jest współczynnikiem pochłaniania

Przemówienie