După valoarea specifică rezistenta electrica semiconductori ocupa loc intermediar între conductori și dielectrici. Semiconductoarele includ multe elemente chimice(germaniu, siliciu, seleniu, teluriu, arsenic etc.), un număr mare de aliaje și compuși chimici.

Diferența calitativă dintre semiconductori și metale se manifestă în primul rând în dependența rezistivității de temperatură. Pe măsură ce temperatura scade, rezistența metalelor scade. La semiconductori, dimpotrivă, rezistența crește odată cu scăderea temperaturii și aproape de zero absolut devin practic izolatori.

Dependența rezistivității ρ a unui semiconductor pur de temperatura absolută T.

Semiconductorise numesc substante a caror rezistivitate scade odata cu cresterea temperaturii.

Un astfel de curs al dependenței ρ(T) arată că în semiconductori concentrația purtătorilor liberi de sarcină nu rămâne constantă, ci crește odată cu creșterea temperaturii. Mecanismul curentului electric în semiconductori nu poate fi explicat în cadrul modelului de gaz cu electroni liberi. O explicație a fenomenelor observate la conductori este posibilă pe baza legilor mecanica cuantică. Să luăm în considerare calitativ mecanismul curentului electric în semiconductori folosind germaniu (Ge) ca exemplu.

Atomii de germaniu au patru electroni slab legați în învelișul lor exterior. Sunt numiti electroni de valență. Într-o rețea cristalină, fiecare atom este înconjurat de cei mai apropiați patru vecini ai săi. Legătura dintre atomi dintr-un cristal de germaniu este covalent, adică efectuată de perechi de electroni de valență. Fiecare electron de valență aparține la doi atomi.

Electronii de valență dintr-un cristal de germaniu sunt mult mai puternic legați de atomi decât în ​​metale; Prin urmare, concentrația electronilor de conducție la temperatura camerei în semiconductori este cu multe ordine de mărime mai mică decât în ​​metale. Temperatura aproape de zero absolut într-un cristal de germaniu, toți electronii sunt ocupați în formarea legăturilor. Un astfel de cristal nu conduce curentul electric. Pe măsură ce temperatura crește, unii dintre electronii de valență pot câștiga suficientă energie pentru a se rupe legături covalente. Apoi în cristal va apăreaelectroni liberi(electroni de conducere). În același timp, se formează locuri libere în locurile în care legăturile sunt rupte, care nu sunt ocupate de electroni.

Posturile libere care nu sunt ocupate de electroni sunt numite găuri.

Locul liber poate fi ocupat de un electron de valență dintr-o pereche vecină, apoi gaura se mută într-un nou loc în cristal. La o anumită temperatură a unui semiconductor, se formează o anumită cantitate pe unitatea de timp perechi electron-gaură.

În același timp, are loc procesul invers - atunci când un electron liber întâlnește o gaură, legătura electronică dintre atomii de germaniu este restabilită. Acest proces se numește recombinare.

recombinare -recuperare comunicatii electroniceîntre atomi.

Perechile electron-gaură pot fi create și atunci când un semiconductor este iluminat datorită energiei radiației electromagnetice.

In lipsa câmp electric electronii de conducere și găurile participă la mișcarea termică haotică.

Dacă un semiconductor este plasat într-un câmp electric, atunci nu numai electronii liberi sunt implicați în mișcarea ordonată, ci și găurile, care se comportă ca niște particule încărcate pozitiv. Prin urmare curentul euîntr-un semiconductor este format din electroni eu n si gaura Ip curenti: eu = eu n + Ip

Curentul electric în semiconductorinumită mișcarea direcțională a electronilor către polul pozitiv, iar găurile către polul negativ.

Concentrația electronilor de conducție într-un semiconductor este egală cu concentrația găurilor: n n = n p. Mecanismul de conducere electron-gaură apare numai în semiconductori puri (adică fără impurități). Se numește conductivitate electrică proprie semiconductori.

Conductivitate electrică proprie semiconductorii se numesc mecanism de conducere electron-gaură, care se manifestă numai în semiconductori puri (adică fără impurități).

În prezența impurităților, conductivitatea electrică a semiconductorilor se modifică foarte mult.

Conductibilitatea impuritățilornumită conductivitatea semiconductorilor în prezența impurităților.

O condiție necesară pentru o scădere bruscă a rezistivității unui semiconductor la introducerea de impurități este diferența dintre valența atomilor de impurități față de valența atomilor principali ai cristalului.

Există două tipuri de conductivitate a impurităților - electronicŞi gaură conductivitate.

1. Conductivitate electronică apare atunci când este introdus un cristal semiconductor impuritate cu valență mai mare.

De exemplu, atomii de arsen pentavalent, As, sunt introduși într-un cristal de germaniu cu atomi tetravalenți.

Figura prezintă un atom de arsenic pentavalent găsit la locul respectiv rețea cristalină Germania. Cei patru electroni de valență ai atomului de arsen sunt incluși în formarea legăturilor covalente cu patru atomi de germaniu învecinați. Al cincilea electron de valență s-a dovedit a fi în plus; se desprinde ușor de atomul de arsen și devine liber. Un atom care a pierdut un electron devine un ion pozitiv situat într-un loc din rețeaua cristalină.

Amestec de donator– se numește o impuritate a atomilor cu o valență care depășește valența atomilor principali ai cristalului semiconductor.

Ca urmare a introducerii sale, în cristal apar un număr semnificativ de electroni liberi. Acest lucru duce la o scădere bruscă a rezistivității semiconductorului - de mii și chiar milioane de ori. Rezistivitatea unui conductor cu un conținut ridicat de impurități se poate apropia de cea a unui conductor metalic.

Într-un cristal de germaniu cu un amestec de arsen, există electroni și găuri responsabile pentru propria conductivitate a cristalului. Dar principalul tip de purtători liberi de sarcină sunt electronii desprinși din atomii de arsen. Într-un asemenea cristal n n >> n p.

Se numește conductivitate în care principalii purtători de sarcină liberă sunt electronii electronic

Semiconductor având conductivitate electronică, numit semiconductor de tip n.

1. Conductivitatea găurii apare atunci când o impuritate cu mai puțină valență.

De exemplu, atomii trivalenți In sunt introduși într-un cristal de germaniu.

Figura arată un atom de indiu care a creat legături covalente cu doar trei atomi de germaniu vecini folosind electronii de valență. Atomul de indiu nu are un electron pentru a forma o legătură cu al patrulea atom de germaniu. Acest electron lipsă poate fi captat de atomul de indiu din legătura covalentă a atomilor de germaniu vecini. În acest caz, atomul de indiu se transformă într-un ion negativ situat la un loc al rețelei cristaline și se formează un loc vacant în legătura covalentă a atomilor vecini.

Impuritate acceptoare -numit pUn amestec de atomi cu o valență mai mică decât valența atomilor principali ai unui cristal semiconductor care sunt capabili să capteze electroni.

Ca urmare a introducerii unei impurități acceptoare, multe legături covalente sunt rupte în cristal și se formează locuri libere (găuri). Electronii din legăturile covalente învecinate pot sări în aceste locuri, ceea ce duce la rătăcirea haotică a găurilor prin cristal.

Prezența unei impurități acceptoare reduce brusc rezistivitatea semiconductorului datorită aspectului număr mare găuri libere. Concentrația de găuri într-un semiconductor cu o impuritate acceptor depășește semnificativ concentrația de electroni care au apărut datorită mecanismului propriei conductivitati electrice a semiconductorului: n p >> n n.

Se numește conductivitate în care principalii purtători de încărcare liberă sunt găuri conductivitatea găurii.

Se numește un semiconductor conducător de orificii semiconductor de tip p.

Trebuie subliniat că conductivitatea găurii este de fapt cauzată de mișcarea electronilor prin locuri libere de la un atom de germaniu la altul, care realizează o legătură covalentă.

Dependența conductibilității electrice a semiconductorilor de temperatură și iluminare

1. În semiconductori, cu creșterea temperaturii mobilitatea electronilor și a găurilor scade, dar acest lucru nu joacă un rol vizibil, deoarece atunci când semiconductorul este încălzit, cinetica energia electronilor de valență crește și legăturile individuale se rup, ceea ce duce la o creștere a numărului de electroni liberi, adică la o creștere a conductivității electrice.

1. Când este iluminat semiconductor, apar purtători suplimentari în el, careduce la o creștere a conductibilității sale electrice.Acest lucru se întâmplă ca urmare a luminii care elimină electronii din atom și crește simultan numărul de electroni și găuri.

În semiconductori, aceasta este mișcarea direcționată a găurilor și a electronilor, care este influențată de un câmp electric.

În urma experimentelor, s-a observat că curentul electric din semiconductori nu este însoțit de transferul de materie - nu au loc modificări chimice în ele. Astfel, electronii pot fi considerați purtători de curent în semiconductori.

Capacitatea unui material de a forma curent electric în el poate fi determinată Conform acestui indicator, conductorii ocupă o poziție intermediară între conductori și dielectrici. Semiconductorii sunt diverse tipuri minerale, unele metale, sulfuri de metal etc. Curent electricîn semiconductori apare datorită concentrației de electroni liberi, care se pot deplasa direcțional în substanță. Comparând metale și conductori, se poate observa că există o diferență între influența temperaturii asupra conductivității acestora. O creștere a temperaturii duce la o scădere a conductivității semiconductorilor. Dacă temperatura într-un semiconductor crește, mișcarea electronilor liberi va fi mai haotică. Acest lucru se datorează creșterii numărului de coliziuni. Cu toate acestea, în semiconductori, în comparație cu metale, concentrația de electroni liberi crește semnificativ. Acești factori au efectul opus asupra conductivității: cu cât sunt mai multe ciocniri, cu atât conductivitatea este mai mică, cu atât este mai mare; În metale nu există nicio relație între temperatură și concentrația de electroni liberi, astfel încât, odată cu modificarea conductibilității odată cu creșterea temperaturii, posibilitatea de mișcare ordonată a electronilor liberi scade doar. În ceea ce privește semiconductorii, efectul creșterii concentrației este mai mare. Astfel, cu cât temperatura crește mai mult, cu atât conductivitatea va fi mai mare.

Există o relație între mișcarea purtătorilor de sarcină și un astfel de concept precum curentul electric în semiconductori. În semiconductori, apariția purtătorilor de sarcină este caracterizată de diverși factori, printre care temperatura și puritatea materialului sunt deosebit de importante. Pe baza purității lor, semiconductorii sunt împărțiți în impurități și semiconductori intrinseci.

În ceea ce privește conductorul propriu, influența impurităților la o anumită temperatură nu poate fi considerată semnificativă pentru aceștia. Deoarece banda interzisă în semiconductori este mică, în semiconductorul nativ, când atinge temperatura, banda de valență este complet umplută cu electroni. Dar banda de conducție este complet liberă: nu există conductivitate electrică în ea și funcționează ca un dielectric ideal. La alte temperaturi, există posibilitatea ca, din cauza fluctuațiilor termice, anumiți electroni să poată depăși bariera de potențial și să ajungă în banda de conducție.

efectul Thomson

Principiu efect termoelectric Thomson: atunci când un curent electric este trecut prin semiconductori de-a lungul cărora există un gradient de temperatură, pe lângă căldura Joule, cantități suplimentare de căldură vor fi eliberate sau absorbite în funcție de direcția în care curge curentul.

Încălzirea insuficient uniformă a unei probe cu o structură omogenă afectează proprietățile acesteia, drept urmare substanța devine neomogenă. Astfel, fenomenul Thomson este un fenomen specific Pelte. Singura diferență este că diferitul compozitia chimica probă, iar temperatura neobișnuită provoacă această eterogenitate.

În această lecție ne vom uita la un astfel de mediu pentru trecerea curentului electric ca semiconductori. Vom lua în considerare principiul conductivității lor, dependența acestei conductivitati de temperatură și prezența impurităților, vom considera un astfel de concept ca o joncțiune p-n și dispozitive semiconductoare de bază.

Dacă realizați o conexiune directă, atunci câmpul extern îl va neutraliza pe cel de blocare, iar curentul va fi transportat de purtătorii principali de sarcină (Fig. 9).

Orez. 9. joncțiune p-n cu conexiune directă ()

În acest caz, curentul purtătorului minoritar este neglijabil, practic inexistent. Prin urmare, joncțiunea p-n asigură conducerea unidirecțională a curentului electric.

Orez. 10. Structura atomică a siliciului cu creșterea temperaturii

Conductivitatea semiconductorilor este electron-hole, iar o astfel de conductivitate se numește conductivitate intrinsecă. Și spre deosebire de metalele conductoare, pe măsură ce temperatura crește, numărul de încărcări libere crește (în primul caz nu se modifică), prin urmare conductivitatea semiconductorilor crește odată cu creșterea temperaturii, iar rezistența scade (Fig. 10).

Foarte problemă importantăîn studiul semiconductorilor este prezența impurităților în ele. Și în cazul prezenței impurităților, ar trebui să vorbim despre conductivitatea impurităților.

Dispozitive semiconductoare

Dimensiunile mici și calitatea foarte înaltă a semnalelor transmise au făcut ca dispozitivele semiconductoare să fie foarte comune în tehnologia electronică modernă. Compoziția unor astfel de dispozitive poate include nu numai siliciul menționat mai sus cu impurități, ci și, de exemplu, germaniu.

Un astfel de dispozitiv este o diodă - un dispozitiv capabil să treacă curentul într-o direcție și să împiedice trecerea acestuia în cealaltă. Se obține prin implantarea unui semiconductor de alt tip într-un cristal semiconductor de tip p sau n (Fig. 11).

Orez. 11. Desemnarea diodei pe diagramă și, respectiv, schema dispozitivului acesteia

Un alt dispozitiv, acum cu două joncțiuni p-n, se numește tranzistor. Acesta servește nu numai la selectarea direcției de transmisie a curentului, ci și la transformarea acesteia (Fig. 12).

Orez. 12. Diagrama structurii tranzistorului și desemnarea acestuia pe schema electrică, respectiv ()

Trebuie remarcat faptul că microcircuitele moderne folosesc multe combinații de diode, tranzistoare și alte dispozitive electrice.

În lecția următoare ne vom uita la propagarea curentului electric în vid.

Referințe

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizica (nivel de bază) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizica clasa a X-a. - M.: Ilexa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizică. Electrodinamică. - M.: 2010.

1. Principiile de funcționare a dispozitivelor ().
2. Enciclopedia de fizică și tehnologie ().

Teme pentru acasă

1. Ce cauzează apariția electronilor de conducție într-un semiconductor?
2. Care este conductivitatea intrinsecă a unui semiconductor?
3. Cum depinde conductivitatea unui semiconductor de temperatură?
4. Cum diferă o impuritate donor de o impuritate acceptor?
5. *Care este conductivitatea siliciului cu un amestec de a) galiu, b) indiu, c) fosfor, d) antimoniu?

În această lecție ne vom uita la un astfel de mediu pentru trecerea curentului electric ca semiconductori. Vom lua în considerare principiul conductivității lor, dependența acestei conductivitati de temperatură și prezența impurităților, vom considera un astfel de concept ca o joncțiune p-n și dispozitive semiconductoare de bază.

Dacă realizați o conexiune directă, atunci câmpul extern îl va neutraliza pe cel de blocare, iar curentul va fi transportat de purtătorii principali de sarcină (Fig. 9).

Orez. 9. joncțiune p-n cu conexiune directă ()

În acest caz, curentul purtătorului minoritar este neglijabil, practic inexistent. Prin urmare, joncțiunea p-n asigură conducerea unidirecțională a curentului electric.

Orez. 10. Structura atomică a siliciului cu creșterea temperaturii

Conductivitatea semiconductorilor este electron-hole, iar o astfel de conductivitate se numește conductivitate intrinsecă. Și spre deosebire de metalele conductoare, pe măsură ce temperatura crește, numărul de încărcări libere crește (în primul caz nu se modifică), prin urmare conductivitatea semiconductorilor crește odată cu creșterea temperaturii, iar rezistența scade (Fig. 10).

O problemă foarte importantă în studiul semiconductorilor este prezența impurităților în ele. Și în cazul prezenței impurităților, ar trebui să vorbim despre conductivitatea impurităților.

Dispozitive semiconductoare

Dimensiunile mici și calitatea foarte înaltă a semnalelor transmise au făcut ca dispozitivele semiconductoare să fie foarte comune în tehnologia electronică modernă. Compoziția unor astfel de dispozitive poate include nu numai siliciul menționat mai sus cu impurități, ci și, de exemplu, germaniu.

Un astfel de dispozitiv este o diodă - un dispozitiv capabil să treacă curentul într-o direcție și să împiedice trecerea acestuia în cealaltă. Se obține prin implantarea unui semiconductor de alt tip într-un cristal semiconductor de tip p sau n (Fig. 11).

Orez. 11. Desemnarea diodei pe diagramă și, respectiv, schema dispozitivului acesteia

Un alt dispozitiv, acum cu două joncțiuni p-n, se numește tranzistor. Acesta servește nu numai la selectarea direcției de transmisie a curentului, ci și la transformarea acesteia (Fig. 12).

Orez. 12. Diagrama structurii tranzistorului și desemnarea acestuia pe schema electrică, respectiv ()

Trebuie remarcat faptul că microcircuitele moderne folosesc multe combinații de diode, tranzistoare și alte dispozitive electrice.

În lecția următoare ne vom uita la propagarea curentului electric în vid.

Referințe

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizica (nivel de bază) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizica clasa a X-a. - M.: Ilexa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizică. Electrodinamică. - M.: 2010.

1. Principiile de funcționare a dispozitivelor ().
2. Enciclopedia de fizică și tehnologie ().

Teme pentru acasă

1. Ce cauzează apariția electronilor de conducție într-un semiconductor?
2. Care este conductivitatea intrinsecă a unui semiconductor?
3. Cum depinde conductivitatea unui semiconductor de temperatură?
4. Cum diferă o impuritate donor de o impuritate acceptor?
5. *Care este conductivitatea siliciului cu un amestec de a) galiu, b) indiu, c) fosfor, d) antimoniu?

Semiconductorii sunt substanțe a căror rezistivitate este de multe ori mai mică decât cea a dielectricilor și mult mai mare decât cea a metalelor. Cele mai utilizate semiconductori sunt siliciul și germaniul.

Caracteristica principală a semiconductorilor este dependența de rezistența lor efectivă conditii externe(temperatură, iluminare, câmp electric) și prezența impurităților. În secolul al XX-lea, oamenii de știință și inginerii au început să exploateze această caracteristică a semiconductorilor pentru a crea dispozitive extrem de miniaturale, complexe, cu control automatizat– de exemplu, computere, telefoane mobile, electrocasnice.

Viteza computerelor a crescut de milioane de ori în aproximativ o jumătate de secol de existență. Dacă în aceeași perioadă de timp și viteza mașinilor a crescut de milioane de ori, atunci ele ar concura astăzi cu o viteză apropiată de viteza luminii!

Dacă într-unul (departe de a fi minunat!) semiconductori instantanei „refuza să funcționeze”, atunci ecranele computerelor și ale televizorului s-ar întuneca imediat, telefoanele mobile ar tace și sateliți artificiali ar pierde controlul. Mii de industrii s-ar opri, avioanele și navele s-ar prăbuși, precum și milioane de mașini.

Purtători de sarcină în semiconductori

Conductivitate electronică.În semiconductori, electronii de valență sunt „deținuți” de doi atomi vecini. De exemplu, într-un cristal de siliciu, fiecare pereche de atomi vecini are doi electroni „împărțiți”. Acest lucru este prezentat schematic în Figura 60.1 (aici sunt prezentați doar electronii de valență).

Legătura dintre electroni și atomi în semiconductori este mai slabă decât în ​​dielectrici. Prin urmare, chiar și la temperatura camerei, energia termică a unor electroni de valență este suficientă pentru ca aceștia să se desprindă de perechea lor de atomi, devenind electroni de conducere. Așa apar purtătorii de sarcină negativă într-un semiconductor.

Conductivitatea unui semiconductor, cauzată de mișcarea electronilor liberi, se numește electronică.

Conductivitatea găurii. Când electronul de valență devine un electron de conducere, eliberează un spațiu în care apare o sarcină pozitivă necompensată. Acest loc se numește gaură. Gaura corespunde unei sarcini pozitive, egală ca mărime cu sarcina electronului.