Elektrický proud vzniká v polovodičích. Elektrický proud v různých prostředích. Struktura polovodiče na příkladu křemíkového krystalu

Dobrý den, milí čtenáři stránek. Stránky mají sekci věnovanou začínajícím radioamatérům, ale zatím jsem nenapsal nic pro začátečníky, kteří dělají první krůčky do světa elektroniky. Vyplňuji tuto mezeru a tímto článkem se začínáme seznamovat se strukturou a provozem rádiových komponentů (rádiových komponent).

Začněme polovodičovými součástkami. Ale abyste pochopili, jak funguje dioda, tyristor nebo tranzistor, musíte si představit, co to je polovodič. Nejprve proto budeme studovat strukturu a vlastnosti polovodičů na molekulární úrovni a poté se budeme zabývat provozem a konstrukcí polovodičových rádiových součástek.

Obecné pojmy.

Proč přesně polovodič dioda, tranzistor nebo tyristor? Protože základem těchto rádiových komponent je polovodiče- látky schopné jak vést elektrický proud, tak bránit jeho průchodu.

Jedná se o velkou skupinu látek používaných v radiotechnice (germanium, křemík, selen, oxid mědi), ale především pouze Křemík(Si) a Germanium(Ge).

Podle jejich vlastních elektrické vlastnosti Polovodiče zaujímají střední místo mezi vodiči a nevodiči elektrického proudu.

Vlastnosti polovodičů.

Elektrická vodivost vodičů je velmi závislá na okolní teplotě.
Ve velmi nízký teplota blízká absolutní nule (-273°C), polovodiče neprovádějte elektrický proud a zvýšit teploty, jejich odolnost vůči proudu klesá.

Pokud ukážete na polovodič světlo, pak se jeho elektrická vodivost začíná zvyšovat. S využitím této vlastnosti polovodičů byly vytvořeny fotovoltaické zařízení. Polovodiče jsou také schopny přeměnit světelnou energii na elektrický proud, například solární panely. A při zavedení do polovodičů nečistoty některých látek se prudce zvyšuje jejich elektrická vodivost.

Struktura atomů polovodičů.

Germanium a křemík jsou hlavními materiály mnoha polovodičových součástek a mají čtyři valenční elektron.

Atom Německo sestává z 32 elektronů a atomu křemík ze 14. Ale pouze 28 elektrony atomu germania a 10 elektrony atomu křemíku, umístěné ve vnitřních vrstvách jejich obalů, jsou pevně drženy jádry a nikdy se od nich neodtrhnou. Prostě čtyři Valenční elektrony atomů těchto vodičů se mohou uvolňovat, a i když ne vždy. A pokud atom polovodiče ztratí alespoň jeden elektron, stane se kladný iont.

V polovodiči jsou atomy uspořádány v přísném pořadí: každý atom je obklopen čtyři stejné atomy. Navíc jsou umístěny tak blízko sebe, že jejich valenční elektrony tvoří jednotlivé orbity procházející kolem sousedních atomů, čímž spojují atomy do jediné celistvé látky.

Představme si vztah atomů v krystalu polovodiče ve formě plochého diagramu.
V diagramu obvykle označují červené koule se znaménkem plus atomová jádra(kladné ionty) a modré kuličky jsou valenční elektrony.

Zde můžete vidět, že kolem každého atomu je čtyři přesně stejné atomy a každý z těchto čtyř má spojení se čtyřmi dalšími atomy atd. Kterýkoli z atomů je spojen s každým sousedním dva valenční elektrony, přičemž jeden elektron je jeho vlastní a druhý vypůjčený od sousedního atomu. Taková vazba se nazývá dvouelektronová resp kovalentní.

Vnější vrstva elektronového obalu každého atomu zase obsahuje osm elektrony: čtyři jejich vlastní a sama, vypůjčené od čtyř sousední atomy. Zde již nelze rozlišit, který z valenčních elektronů v atomu je „váš“ a který je „cizí“, protože se staly společnými. Při takovém spojení atomů v celé hmotě krystalu germania nebo křemíku můžeme předpokládat, že polovodičový krystal je jeden velký molekula. Na obrázku růžové a žluté kroužky znázorňují spojení mezi vnějšími vrstvami obalů dvou sousedních atomů.

Elektrická vodivost polovodiče.

Uvažujme zjednodušenou kresbu polovodičového krystalu, kde jsou atomy znázorněny červenou kuličkou s plusem a meziatomové vazby jsou znázorněny dvěma čarami symbolizujícími valenční elektrony.

Při teplotách blízkých absolutní nule polovodič neprovádí proudu, jelikož není volné elektrony. Ale s rostoucí teplotou dochází ke spojení valenčních elektronů s atomovými jádry oslabuje a některé elektrony mohou v důsledku tepelného pohybu opustit své atomy. Elektron uniklý z meziatomové vazby se stává „ volný, uvolnit“, a tam, kde to bylo předtím, se vytvoří prázdný prostor, kterému se konvenčně říká otvor.

Jak vyšší teplota polovodiče, více zbaví se elektronů a děr. V důsledku toho se ukazuje, že vznik „díry“ je spojen s odchodem valenčního elektronu z obalu atomu a samotná díra se stává pozitivní elektrický náboj rovný negativní elektronový náboj.

Nyní se podívejme na obrázek, který schematicky znázorňuje fenomén současné generace v polovodičích.

Pokud přivedete nějaké napětí na polovodič, kontakty „+“ a „-“, vznikne v něm proud.
Kvůli tepelné jevy, v polovodičovém krystalu z meziatomových vazeb začne osvobodit se určitý počet elektronů (modré kuličky se šipkami). Přitahování elektronů pozitivní pól zdroje napětí bude hýbat se směrem k němu, zanechávaje za sebou díry, kterou zaplní další uvolněné elektrony. Tedy pod vlivem vnějších elektrické pole nosiče náboje získávají určitou rychlost směrového pohybu a tím vytvářejí elektřina.

Například: uvolněný elektron nejblíže kladnému pólu zdroje napětí přitahuje tento sloup. Rozbití meziatomové vazby a její opuštění, elektron listy po sobě otvor. Další uvolněný elektron, který se nachází u některých odstranění také z kladného pólu přitahuje pól a se pohybuje k němu, ale s setkáním v jeho cestě je díra a je do ní vtažen jádro atom, obnovující meziatomovou vazbu.

Výsledná Nový díra po druhém elektronu, vyplňuje třetí uvolněný elektron umístěný vedle tohoto otvoru (obrázek č. 1). Ve své řadě díry, který se nachází nejblíže negativní pól, naplněný jinými uvolněné elektrony(Obrázek č. 2). V polovodiči tak vzniká elektrický proud.

Zatímco je aktivní v polovodiči elektrické pole, tento proces kontinuální: přerušují se meziatomové vazby - objevují se volné elektrony - vznikají díry. Otvory se zaplní uvolněnými elektrony - meziatomové vazby se obnoví, zatímco další meziatomové vazby se přeruší, ze kterých elektrony odcházejí a zaplňují další otvory (obrázek č. 2-4).

Z toho vyvozujeme: elektrony se pohybují od záporného pólu zdroje napětí ke kladnému a díry se pohybují od kladného pólu k zápornému.

Elektronová dírová vodivost.

V „čistém“ polovodičovém krystalu číslo propuštěn v tuto chvíli existuje elektronů rovných počtu vznikající v tomto případě díry, tudíž elektrická vodivost takového polovodiče malý, protože poskytuje elektrický proud velký odpor a tato elektrická vodivost se nazývá vlastní.

Ale pokud to přidáte do polovodiče ve formě nečistoty určitý počet atomů jiných prvků, pak jeho elektrická vodivost výrazně vzroste a v závislosti na struktur atomů příměsových prvků, bude elektrická vodivost polovodiče elektronický nebo otvor.

Elektronická vodivost.

Předpokládejme, že v polovodičovém krystalu, ve kterém mají atomy čtyři valenční elektrony, nahradíme jeden atom atomem, ve kterém Pět valenční elektrony. Tento atom s jeho čtyři elektrony se budou vázat se čtyřmi sousedními atomy polovodiče a pátý valenční elektron zůstane" nadbytečný- tedy zdarma. A co více více budou volné elektrony, to znamená, že takový polovodič se svými vlastnostmi přiblíží kovu, a aby jím prošel elektrický proud, meziatomové vazby nemusí být nutně zničeny.

Polovodiče s takovými vlastnostmi se nazývají polovodiče s „typovou“ vodivostí. n“, nebo polovodiče n-typ. Zde latinské písmeno n pochází ze slova „negativní“ - tedy „negativní“. Z toho vyplývá, že v polovodiči n-typ hlavní nosiče poplatků jsou - elektrony, a ne ty hlavní - díry.

Vodivost otvoru.

Vezměme stejný krystal, ale nyní nahraďte jeho atom atomem, ve kterém pouze tři volný elektron. Se svými třemi elektrony bude pouze v kontaktu tři sousední atomy a nebude mít dostatek na vazbu se čtvrtým atomem jeden elektron. V důsledku toho se tvoří otvor. Přirozeně bude vyplněn jakýmkoliv jiným volným elektronem umístěným poblíž, ale v každém případě takový polovodič v krystalu nebude. urvat elektrony k vyplnění děr. A co více v krystalu budou takové atomy, takže více budou tam díry.

Aby se volné elektrony mohly uvolnit a pohybovat se v takovém polovodiči, Valenční vazby mezi atomy musí být přerušeny. Ale stále nebude dostatek elektronů, protože počet děr bude vždy více počet elektronů v daném čase.

Takové polovodiče se nazývají polovodiče s otvor vodivost nebo vodiče p-typ, což v překladu z latiny „pozitivní“ znamená „pozitivní“. Jev elektrického proudu v polovodičovém krystalu typu p je tedy doprovázen spojitým vznik A zmizení kladné náboje - díry. To znamená, že v polovodiči p-typ hlavní nosiče náboje jsou díry, a ne ty hlavní - elektrony.

Nyní, když máte určitou představu o jevech vyskytujících se v polovodičích, nebude pro vás obtížné pochopit princip fungování polovodičových rádiových komponent.

Zastavme se zde a podívejme se na zařízení, princip fungování diody a analyzujme její charakteristiku proudového napětí a spínací obvody.
Hodně štěstí!

Zdroj:

1 . Borisov V.G. — Mladý radioamatér. 1985
2 . Webová stránka Academy.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

V této lekci se podíváme na takové médium pro průchod elektrického proudu, jako jsou polovodiče. Budeme zvažovat princip jejich vodivosti, závislost této vodivosti na teplotě a přítomnosti nečistot, budeme uvažovat o takovém konceptu, jako je p-n přechod a základní polovodičová zařízení.

Pokud vytvoříte přímé spojení, pak vnější pole zneutralizuje blokující pole a proud bude přenášen hlavními nosiči náboje (obr. 9).

Rýže. 9. p-n přechod s přímým připojením ()

Menšinový nosný proud je v tomto případě zanedbatelný, prakticky neexistuje. Proto p-n přechod zajišťuje jednosměrné vedení elektrického proudu.

Rýže. 10. Struktura atomu křemíku s rostoucí teplotou

Vodivost polovodičů je elektronová díra a taková vodivost se nazývá vlastní vodivost. A na rozdíl od vodivých kovů s rostoucí teplotou roste počet volných nábojů (v prvním případě se nemění), proto se s rostoucí teplotou zvyšuje vodivost polovodičů a klesá odpor (obr. 10).

Velmi důležitou otázkou při studiu polovodičů je přítomnost nečistot v nich. A v případě přítomnosti nečistot bychom měli mluvit o vodivosti nečistot.

Polovodičová zařízení

Díky malým rozměrům a velmi vysoké kvalitě přenášených signálů jsou polovodičová zařízení velmi běžná v moderní elektronické technologii. Složení takových zařízení může zahrnovat nejen zmíněný křemík s nečistotami, ale také například germanium.

Jedním takovým zařízením je dioda - zařízení schopné propouštět proud v jednom směru a bránit jeho průchodu ve druhém. Získává se implantací polovodiče jiného typu do krystalu polovodiče typu p nebo n (obr. 11).

Rýže. 11. Označení diody na schématu a schématu jejího zařízení, resp

Další zařízení, nyní se dvěma p-n přechody, se nazývá tranzistor. Slouží nejen k volbě směru přenosu proudu, ale i k jeho transformaci (obr. 12).

Rýže. 12. Schéma struktury tranzistoru a jeho označení na elektrickém schématu, respektive ()

Je třeba poznamenat, že moderní mikroobvody používají mnoho kombinací diod, tranzistorů a dalších elektrických zařízení.

V další lekci se podíváme na šíření elektrického proudu ve vakuu.

Bibliografie

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. fyzika ( základní úroveň) - M.: Mnemosyne, 2012.
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fyzika 10. třída. - M.: Ilexa, 2005.
Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fyzika. Elektrodynamika. - M.: 2010.

Principy činnosti zařízení ().
Encyklopedie fyziky a techniky ().

Domácí práce

Co způsobuje, že se v polovodiči objevují vodivé elektrony?
Jaká je vlastní vodivost polovodiče?
Jak závisí vodivost polovodiče na teplotě?
Jak se dárcovská nečistota liší od akceptorové nečistoty?
*Jaká je vodivost křemíku s příměsí a) galia, b) india, c) fosforu, d) antimonu?

U polovodičů se jedná o řízený pohyb děr a elektronů, který je ovlivněn elektrickým polem.

V důsledku experimentů bylo zjištěno, že elektrický proud v polovodičích není doprovázen přenosem hmoty - nedochází v nich k žádným chemickým změnám. Elektrony lze tedy považovat za nosiče proudu v polovodičích.

Lze určit schopnost materiálu tvořit v něm elektrický proud Podle tohoto ukazatele zaujímají vodiče mezilehlou polohu mezi vodiči a dielektriky. Polovodiče jsou různé druhy minerály, některé kovy, sulfidy kovů atd. Elektřina v polovodičích vzniká v důsledku koncentrace volných elektronů, které se mohou v látce směrově pohybovat. Při srovnání kovů a vodičů lze poznamenat, že existuje rozdíl mezi vlivem teploty na jejich vodivost. Zvýšení teploty vede ke snížení vodivosti polovodičů. Pokud se teplota v polovodiči zvýší, bude pohyb volných elektronů chaotičtější. Je to způsobeno nárůstem počtu kolizí. V polovodičích se však oproti kovům výrazně zvyšuje koncentrace volných elektronů. Tyto faktory mají opačný vliv na vodivost: čím více srážek, tím nižší je vodivost, čím vyšší je koncentrace, tím je vyšší. V kovech neexistuje žádný vztah mezi teplotou a koncentrací volných elektronů, takže se změnou vodivosti s rostoucí teplotou možnost uspořádaného pohybu volných elektronů pouze klesá. U polovodičů je efekt zvyšující se koncentrace vyšší. Čím více tedy teplota stoupá, tím větší bude vodivost.

Existuje vztah mezi pohybem nosičů náboje a takovým konceptem, jako je elektrický proud v polovodičích. U polovodičů je vzhled nosičů náboje charakterizován různými faktory, mezi nimiž je zvláště důležitá teplota a čistota materiálu. Podle čistoty se polovodiče dělí na polovodiče příměsové a polovodiče vlastní.

Pokud jde o vlastní vodič, nelze u nich vliv nečistot při určité teplotě považovat za významný. Vzhledem k tomu, že zakázané pásmo v polovodičích je malé, v nativním polovodiči, když teplota dosáhne, je valenční pásmo zcela vyplněno elektrony. Ale vodivostní pásmo je zcela volné: není v něm žádná elektrická vodivost a funguje jako ideální dielektrikum. Při jiných teplotách existuje možnost, že v důsledku teplotních výkyvů mohou určité elektrony překonat potenciální bariéru a skončit ve vodivém pásmu.

Thomsonův efekt

Princip Thomsonova termoelektrického jevu: při průchodu elektrického proudu polovodiči, podél kterého je teplotní gradient, se kromě Jouleova tepla uvolní nebo pohltí další množství tepla v závislosti na směru, kterým proud teče.

Nedostatečně rovnoměrný ohřev vzorku s homogenní strukturou ovlivňuje jeho vlastnosti, v důsledku čehož se látka stává nehomogenní. Thomsonův jev je tedy specifickým Pelteho jevem. Jediný rozdíl je v tom, že jiný chemické složení vzorku a neobvyklá teplota způsobuje tuto heterogenitu.

Polovodiče zaujímají v elektrické vodivosti mezilehlé místo mezi vodiči a nevodiči elektrického proudu. Skupina polovodičů zahrnuje mnohem více látek než skupiny vodičů a nevodičů dohromady. Nalezeni nejcharakterističtější zástupci polovodičů praktické využití v technologii jsou germanium, křemík, selen, telur, arsen, oxid měďný a velké množství slitin a chemických sloučenin. Téměř všechny anorganické látky ve světě kolem nás jsou polovodiče. Nejběžnějším polovodičem v přírodě je křemík, který tvoří asi 30 % zemské kůry.

Kvalitativní rozdíl mezi polovodiči a kovy se projevuje především v závislosti měrného odporu na teplotě. S klesající teplotou klesá odpor kovů. U polovodičů se naopak odpor s klesající teplotou zvyšuje a v blízkosti absolutní nuly se prakticky stávají izolanty.

V polovodičích se s rostoucí teplotou zvyšuje koncentrace volných nosičů náboje. Mechanismus elektrického proudu v polovodičích nelze vysvětlit v rámci modelu volného elektronového plynu.

Atomy germánia mají ve vnějším obalu čtyři slabě vázané elektrony.Říká se jim valenční elektrony. V krystalové mřížce je každý atom obklopen svými čtyřmi nejbližšími sousedy. Vazba mezi atomy v krystalu germania je kovalentní, to znamená, že ji uskutečňují dvojice valenčních elektronů. Každý valenční elektron patří dvěma atomům. Valenční elektrony v krystalu germania jsou mnohem silněji vázány na atomy než v kovech; Proto je koncentrace vodivostních elektronů při pokojové teplotě v polovodičích o mnoho řádů nižší než v kovech. V blízkosti absolutní nuly v krystalu germania jsou všechny elektrony obsazeny tvorbou vazeb. Takový krystal nevede elektrický proud.

S rostoucí teplotou mohou některé valenční elektrony získat dostatek energie k přerušení kovalentních vazeb. Poté se v krystalu objeví volné elektrony (vodivé elektrony). Zároveň se tvoří volná místa v místech, kde dochází k porušení vazeb, která nejsou obsazena elektrony. Tato volná místa se nazývají „díry“.

Při dané teplotě polovodiče se za jednotku času vytvoří určitý počet párů elektron-díra. Současně dochází k opačnému procesu - když se volný elektron setká s dírou, elektronová vazba mezi atomy germania se obnoví. Tento proces se nazývá rekombinace. Páry elektron-díra mohou také vznikat, když je polovodič osvětlen energií elektromagnetického záření.

Pokud je polovodič umístěn v elektrickém poli, pak se na uspořádaném pohybu podílejí nejen volné elektrony, ale také díry, které se chovají jako kladně nabité částice. Proto se proud I v polovodiči skládá z proudů elektronu I n a díry I p: I = I n + I p.

Koncentrace vodivostních elektronů v polovodiči je rovna koncentraci děr: n n = n p. Mechanismus vodivosti elektronových děr se projevuje pouze u čistých (tj. bez příměsí) polovodičů. Říká se tomu vlastní elektrická vodivost polovodiče.

V přítomnosti nečistot se elektrická vodivost polovodičů velmi mění. Například přidáním nečistot fosfor do krystalu křemík v množství 0,001 atomového procenta redukuje odpor o více než pět řádů.

Polovodič, do kterého je zavedena nečistota (tj. část atomů jednoho typu je nahrazena atomy jiného typu), se nazývá nečistotou nebo dopovaným.

Existují dva typy vodivosti nečistot – elektronická a děrová vodivost.

Tedy při dopingu čtyřvalence germanium (Ge) nebo křemík (Si) pětivalentní - fosfor (P), antimon (Sb), arsen (As) V místě atomu nečistoty se objeví další volný elektron. V tomto případě se nečistota nazývá dárce .

Při dopování čtyřmocného germania (Ge) nebo křemíku (Si) trojmocným - hliník (Al), indium (Jn), bor (B), galium (Ga) - objeví se čárová díra. Takové nečistoty se nazývají akceptor .

Ve stejném vzorku polovodičového materiálu může mít jedna sekce p - vodivost a další n - vodivost. Takové zařízení se nazývá polovodičová dioda.

Předpona „di“ ve slově „dioda“ znamená „dvě“, znamená to, že zařízení má dvě hlavní „části“, dva polovodičové krystaly těsně vedle sebe: jeden s p-vodivostí (toto je zóna R), druhá - s n - vodivostí (toto je zóna P). Polovodičová dioda je ve skutečnosti jeden krystal, do jehož jedné části je zavedena donorová nečistota (zóna P), k druhému - akceptoru (zóně R).

Pokud přivedete konstantní napětí „plus“ do zóny od baterie k diodě R a „mínus“ do zóny P, pak volné náboje - elektrony a díry - budou spěchat k hranici a spěchat k pn přechodu. Zde se vzájemně neutralizují, nové náboje se přiblíží k hranici a v obvodu diody se vytvoří konstantní proud. Jedná se o tzv. přímé zapojení diody - intenzivně se jí pohybují náboje a obvodem protéká poměrně velký stejnosměrný proud.

Nyní změňme polaritu napětí na diodě a, jak se říká, zapni ji obráceně - připojte „plus“ baterii k zóně P,"mínus" - do zóny R. Volné náboje budou staženy z hranice, elektrony se přesunou do „plus“, díry do „mínusu“ a v důsledku toho se pn přechod změní v zónu bez volných nábojů, v čistý izolant. To znamená, že se obvod přeruší a proud v něm se zastaví.

Diodou bude stále protékat malý zpětný proud. Protože kromě hlavních volných nábojů (nosičů náboje) – elektronů, v zóně P, a díry v zóně p - v každé ze zón je také nevýznamné množství nábojů opačného znaménka. Jsou to jejich vlastní menšinové nosiče náboje, existují v jakémkoli polovodiči, objevují se v něm díky tepelným pohybům atomů a jsou to oni, kdo vytváří zpětný proud diodou. Tyto náboje jsou relativně malé a zpětný proud je mnohonásobně menší než dopředný proud. Velikost zpětného proudu silně závisí na: teplotě životní prostředí, polovodičový materiál a plocha p-n přechod. Jak se plocha přechodu zvětšuje, zvětšuje se její objem, a proto se zvyšuje počet menšinových nosičů objevujících se v důsledku vytváření tepla a tepelného proudu. Charakteristiky proudového napětí jsou často pro přehlednost prezentovány ve formě grafů.