Elektrisk ström skapas i halvledare. Elektrisk ström i olika miljöer. Strukturen av en halvledare med exemplet på en kiselkristall

Hej kära läsare av sajten. Sajten har en sektion tillägnad nybörjare radioamatörer, men hittills har jag inte riktigt skrivit något för nybörjare som tar sina första steg in i elektronikens värld. Jag fyller denna lucka, och med den här artikeln börjar vi bekanta oss med strukturen och driften av radiokomponenter (radiokomponenter).

Låt oss börja med halvledarenheter. Men för att förstå hur en diod, tyristor eller transistor fungerar måste du föreställa dig vad det är halvledare. Därför kommer vi först att studera strukturen och egenskaperna hos halvledare på molekylär nivå, och sedan kommer vi att behandla drift och design av halvledarradiokomponenter.

Allmänna begrepp.

Varför exakt halvledare diod, transistor eller tyristor? Eftersom grunden för dessa radiokomponenter är halvledare- ämnen som både kan leda elektrisk ström och förhindra dess passage.

Detta är en stor grupp ämnen som används inom radioteknik (germanium, kisel, selen, kopparoxid), men huvudsakligen bara Kisel(Si) och Germanium(Ge).

Enligt deras egna elektriska egenskaper halvledare upptar en mellanplats mellan ledare och icke-ledare av elektrisk ström.

Egenskaper för halvledare.

Ledarnas elektriska ledningsförmåga är starkt beroende av den omgivande temperaturen.
Vid mycket låg temperatur nära absolut noll (-273°C), halvledare inte utföra elektrisk ström, och öka temperaturer, deras motstånd mot ström minskar.

Om du pekar på en halvledare ljus, då börjar dess elektriska ledningsförmåga att öka. Med hjälp av denna egenskap hos halvledare skapades de solceller enheter. Halvledare är också kapabla att omvandla ljusenergi till elektrisk ström, till exempel solpaneler. Och när det introduceras i halvledare föroreningar vissa ämnen ökar deras elektriska ledningsförmåga kraftigt.

Struktur av halvledaratomer.

Germanium och kisel är huvudmaterialen i många halvledarenheter och har fyra valenselektron.

Atom Tyskland består av 32 elektroner och en atom kisel av 14. Men bara 28 germaniumatomens elektroner och 10 elektroner av en kiselatom, som ligger i de inre lagren av deras skal, hålls stadigt fast av kärnorna och bryter aldrig loss från dem. Bara fyra Valenselektronerna för atomerna i dessa ledare kan bli fria, och även då inte alltid. Och om en halvledaratom förlorar minst en elektron, så blir den det positiv jon.

I en halvledare är atomerna ordnade i en strikt ordning: varje atom är omgiven av fyra samma atomer. Dessutom är de belägna så nära varandra att deras valenselektroner bildar enstaka banor som passerar runt angränsande atomer och därigenom binder samman atomerna till en enda hel substans.

Låt oss föreställa oss förhållandet mellan atomer i en halvledarkristall i form av ett platt diagram.
I diagrammet indikerar röda bollar med ett plus, konventionellt atomkärnor(positiva joner), och de blå bollarna är valenselektroner.

Här kan du se att det finns runt varje atom fyra exakt samma atomer, och var och en av dessa fyra har en koppling med fyra andra atomer osv. Vilken som helst av atomerna är anslutna till varje angränsande två valenselektroner, där en elektron är sin egen och den andra lånad från en angränsande atom. En sådan bindning kallas två-elektron eller kovalent.

I sin tur innehåller det yttre lagret av elektronskalet av varje atom åtta elektroner: fyra sina egna, och ensam, lånat från fyra angränsande atomer. Här kan du inte längre urskilja vilka av valenselektronerna i atomen som är "din" och vilka som är "främmande", eftersom de har blivit vanliga. Med en sådan koppling av atomer genom hela massan av en germanium- eller kiselkristall kan vi anta att halvledarkristallen är en stor molekyl. I figuren visar rosa och gula cirklar sambandet mellan de yttre lagren av skalen på två angränsande atomer.

Elektrisk ledningsförmåga hos en halvledare.

Tänk på en förenklad ritning av en halvledarkristall, där atomer representeras av en röd boll med ett plus, och interatomära bindningar visas med två linjer som symboliserar valenselektroner.

Vid temperaturer nära absolut noll, en halvledare inte bedriver nuvarande, eftersom det inte finns någon fria elektroner. Men med ökande temperatur, kopplingen av valenselektroner med atomkärnor försvagas och några av elektronerna, på grund av termisk rörelse, kan lämna sina atomer. En elektron som flyr från en interatomisk bindning blir " fri", och där det var tidigare bildas ett tomt utrymme, som konventionellt kallas hål.

Hur högre temperatur på halvledaren, den Mer den blir fri från elektroner och hål. Som ett resultat visar det sig att bildandet av ett "hål" är förknippat med avgången av en valenselektron från en atoms skal, och själva hålet blir positiv elektrisk laddning lika negativ elektronladdning.

Låt oss nu titta på figuren, som schematiskt visar fenomen med nuvarande generation i en halvledare.

Om du applicerar lite spänning på halvledaren, kontakterna "+" och "-", kommer en ström att uppstå i den.
På grund av termiska fenomen, i en halvledarkristall från interatomära bindningar kommer att börja befria dig själv ett visst antal elektroner (blå bollar med pilar). Elektroner attraherar positiv spänningskällans pol kommer att vara flytta mot honom och lämnar bakom sig hål, som kommer att fyllas av andra frigjorda elektroner. Det vill säga under påverkan av yttre elektriskt fält laddningsbärare får en viss riktningsrörelsehastighet och skapar därigenom elektricitet.

Till exempel: den frigjorda elektronen närmast spänningskällans positiva pol drar till sig denna stolpe. Bryter den interatomära bindningen och lämnar den, elektronen löv efter mig själv hål. En annan frigjord elektron, som finns vid någon avlägsnande från den positiva polen också drar till sig stolpe och rör sig mot honom, men ha träffats det finns ett hål i vägen och dras in i det kärna atom, vilket återställer den interatomära bindningen.

Det resulterande ny hål efter den andra elektronen, fyller i den tredje frigjorda elektronen som ligger bredvid detta hål (Figur nr 1). I sin tur hål, belägen närmast negativ stolpe, fylld med andra frigjorda elektroner(Figur nr 2). Således uppstår en elektrisk ström i halvledaren.

Medan den är aktiv i en halvledare elektriskt fält, denna process kontinuerlig: interatomära bindningar bryts - fria elektroner uppstår - hål bildas. Hålen fylls med frigjorda elektroner - interatomära bindningar återställs, medan andra interatomiska bindningar bryts, varifrån elektroner lämnar och fyller nästa hål (Figur nr 2-4).

Av detta drar vi slutsatsen: elektroner rör sig från den negativa polen i spänningskällan till den positiva, och hål rör sig från den positiva polen till den negativa.

Elektronhåls ledningsförmåga.

I en "ren" halvledarkristall talet släppte för tillfället finns det elektroner lika med antalet framväxande i detta fall, hål, därför den elektriska ledningsförmågan hos en sådan halvledare små eftersom det ger elektrisk ström stor motstånd, och denna elektriska ledningsförmåga kallas egen.

Men om du lägger till den i en halvledare i formuläret föroreningar ett visst antal atomer av andra element, då kommer dess elektriska ledningsförmåga att öka avsevärt, och beroende på strukturer atomer av föroreningselement, kommer den elektriska ledningsförmågan hos halvledaren att vara elektronisk eller hål.

Elektronisk ledningsförmåga.

Antag att i en halvledarkristall där atomerna har fyra valenselektroner, ersätter vi en atom med en atom där fem valenselektroner. Denna atom med dess fyra elektroner kommer att binda med fyra angränsande atomer i halvledaren, och femte valenselektronen kommer att finnas kvar" överflödig– det vill säga gratis. Och vad Mer Mer det kommer att finnas fria elektroner, vilket innebär att en sådan halvledare i sina egenskaper kommer att närma sig metallen, och för att en elektrisk ström ska passera genom den, interatomära bindningar behöver inte nödvändigtvis förstöras.

Halvledare med sådana egenskaper kallas halvledare med "typ" konduktivitet. n", eller halvledare n-typ. Här kommer den latinska bokstaven n från ordet "negativ" - det vill säga "negativ". Det följer att i en halvledare n-typ huvud laddningsbärare är - elektroner, och inte de viktigaste - hål.

Hålens ledningsförmåga.

Låt oss ta samma kristall, men ersätt nu dess atom med en atom där endast tre fri elektron. Med sina tre elektroner kommer den bara i kontakt tre närliggande atomer, och det kommer inte att ha tillräckligt för att binda till den fjärde atomen ett elektron. Som ett resultat bildas det hål. Naturligtvis kommer den att fyllas med någon annan fri elektron i närheten, men i alla fall kommer det inte att finnas någon sådan halvledare i kristallen hugg elektroner för att fylla hål. Och vad Mer det kommer att finnas sådana atomer i en kristall, alltså Mer det blir hål.

Så att fria elektroner kan frigöras och röra sig i en sådan halvledare, Valensbindningar mellan atomer måste brytas. Men det kommer fortfarande inte att finnas tillräckligt med elektroner, eftersom antalet hål alltid kommer att vara det Mer antal elektroner vid varje given tidpunkt.

Sådana halvledare kallas halvledare med hål ledningsförmåga eller ledare sid-typ, som översatts från latinets "positiv" betyder "positiv". Fenomenet med elektrisk ström i en halvledarkristall av p-typ åtföljs således av en kontinuerlig uppkomst Och försvinnande positiva laddningar - hål. Detta betyder att i en halvledare sid-typ huvud laddningsbärare är hål, och inte de viktigaste - elektroner.

Nu när du har en aning om de fenomen som förekommer i halvledare, kommer det inte att vara svårt för dig att förstå principen för drift av halvledarradiokomponenter.

Låt oss stanna här och överväga enheten, principen för diodens funktion och analysera dess strömspänningskarakteristik och omkopplingskretsar.
Lycka till!

Källa:

1 . Borisov V.G. — Ung radioamatör. 1985
2 . Webbplats academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

I den här lektionen kommer vi att titta på ett sådant medium för passage av elektrisk ström som halvledare. Vi kommer att överväga principen om deras ledningsförmåga, beroendet av denna ledningsförmåga på temperatur och närvaron av föroreningar, vi kommer att överväga ett sådant koncept som en p-n-övergång och grundläggande halvledarenheter.

Om du gör en direkt anslutning kommer det externa fältet att neutralisera den blockerande, och strömmen kommer att bäras av huvudladdningsbärarna (fig. 9).

Ris. 9. p-n-korsning med direktanslutning ()

I detta fall är minoritetsbärarströmmen försumbar, praktiskt taget obefintlig. Därför tillhandahåller p-n-övergången envägsledning av elektrisk ström.

Ris. 10. Atomstruktur av kisel med ökande temperatur

Halvledares ledningsförmåga är elektronhål, och sådan ledningsförmåga kallas inre ledningsförmåga. Och till skillnad från ledarmetaller, när temperaturen ökar, ökar antalet fria laddningar (i det första fallet ändras det inte), därför ökar konduktiviteten hos halvledare med ökande temperatur, och motståndet minskar (fig. 10).

En mycket viktig fråga i studiet av halvledare är närvaron av föroreningar i dem. Och i fallet med närvaron av föroreningar bör vi prata om föroreningsledningsförmåga.

Halvledarenheter

Liten storlek och mycket hög kvalitet på sända signaler har gjort halvledarenheter mycket vanliga i modern elektronisk teknik. Sammansättningen av sådana anordningar kan innefatta inte bara ovannämnda kisel med föroreningar, utan även till exempel germanium.

En sådan enhet är en diod - en enhet som kan leda ström i en riktning och förhindra att den passerar i den andra. Den erhålls genom att implantera en halvledare av en annan typ i en halvledarkristall av p- eller n-typ (fig. 11).

Ris. 11. Beteckning för dioden på diagrammet respektive diagrammet för dess enhet

En annan enhet, nu med två p-n-korsningar, kallas en transistor. Den tjänar inte bara till att välja riktningen för strömöverföringen, utan också för att transformera den (fig. 12).

Ris. 12. Diagram över transistorns struktur och dess beteckning på det elektriska diagrammet, respektive ()

Det bör noteras att moderna mikrokretsar använder många kombinationer av dioder, transistorer och andra elektriska enheter.

I nästa lektion kommer vi att titta på fortplantningen av elektrisk ström i ett vakuum.

Bibliografi

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fysik ( en grundläggande nivå av) - M.: Mnemosyne, 2012.
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fysik årskurs 10. - M.: Ilexa, 2005.
Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fysik. Elektrodynamik. - M.: 2010.

Principer för drift av enheter ().
Encyclopedia of Physics and Technology ().

Läxa

Vad gör att ledningselektroner dyker upp i en halvledare?
Vad är den inneboende konduktiviteten hos en halvledare?
Hur beror konduktiviteten hos en halvledare på temperaturen?
Hur skiljer sig en donatorförorening från en acceptororenhet?
*Hur är ledningsförmågan hos kisel med en inblandning av a) gallium, b) indium, c) fosfor, d) antimon?

I halvledare är detta den riktade rörelsen av hål och elektroner, som påverkas av ett elektriskt fält.

Som ett resultat av experimenten noterades det att den elektriska strömmen i halvledare inte åtföljs av överföring av materia - inga kemiska förändringar inträffar i dem. Således kan elektroner betraktas som strömbärare i halvledare.

Förmågan hos ett material att bilda en elektrisk ström i det kan bestämmas. Enligt denna indikator upptar ledare en mellanposition mellan ledare och dielektrikum. Halvledare är olika sorter mineraler, vissa metaller, metallsulfider, etc. Elektricitet i halvledare uppstår på grund av koncentrationen av fria elektroner, som kan röra sig riktat i ämnet. Vid jämförelse av metaller och ledare kan det noteras att det finns en skillnad mellan temperaturens inverkan på deras konduktivitet. En ökning av temperaturen leder till en minskning av konduktiviteten hos halvledare. Om temperaturen i en halvledare ökar blir rörelsen av fria elektroner mer kaotisk. Detta beror på att antalet kollisioner har ökat. Men i halvledare, jämfört med metaller, ökar koncentrationen av fria elektroner avsevärt. Dessa faktorer har motsatt effekt på konduktiviteten: ju fler kollisioner desto lägre konduktivitet, ju högre koncentration desto högre är den. I metaller finns det inget samband mellan temperatur och koncentrationen av fria elektroner, så med en förändring i konduktiviteten med ökande temperatur minskar bara möjligheten till ordnad rörelse av fria elektroner. När det gäller halvledare är effekten av att öka koncentrationen högre. Alltså, ju mer temperaturen stiger, desto högre blir konduktiviteten.

Det finns ett samband mellan laddningsbärarnas rörelse och ett sådant koncept som elektrisk ström i halvledare. I halvledare kännetecknas utseendet av laddningsbärare av olika faktorer, bland vilka temperatur och renhet hos materialet är särskilt viktiga. Baserat på deras renhet delas halvledare in i orenheter och inneboende halvledare.

När det gäller den egna ledaren kan påverkan av föroreningar vid en viss temperatur inte anses vara betydande för dem. Eftersom bandgapet i halvledare är litet, i den naturliga halvledaren, när temperaturen når, är valensbandet helt fyllt med elektroner. Men ledningsbandet är helt fritt: det finns ingen elektrisk ledningsförmåga i det, och det fungerar som ett idealiskt dielektrikum. Vid andra temperaturer finns det en möjlighet att vissa elektroner på grund av termiska fluktuationer kan övervinna potentialbarriären och hamna i ledningsbandet.

Thomson effekt

Principen för Thomsons termoelektriska effekt: när en elektrisk ström passerar genom halvledare längs vilka det finns en temperaturgradient, utöver Joule-värme, kommer ytterligare mängder värme att frigöras eller absorberas beroende på i vilken riktning strömmen flyter.

Otillräckligt likformig uppvärmning av ett prov med en homogen struktur påverkar dess egenskaper, vilket resulterar i att substansen blir inhomogen. Thomson-fenomenet är alltså ett specifikt Pelte-fenomen. Den enda skillnaden är att de olika kemisk sammansättning provet, och den ovanliga temperaturen orsakar denna heterogenitet.

Halvledare upptar en mellanplats i elektrisk ledningsförmåga mellan ledare och icke-ledare av elektrisk ström. Gruppen av halvledare omfattar många fler ämnen än grupperna av ledare och icke-ledare sammantagna. De mest karakteristiska representanterna för halvledare finns praktisk användning inom teknik är germanium, kisel, selen, tellur, arsenik, kopparoxid och ett stort antal legeringar och kemiska föreningar. Nästan alla oorganiska ämnen i världen omkring oss är halvledare. Den vanligaste halvledaren i naturen är kisel, som utgör cirka 30 % av jordskorpan.

Den kvalitativa skillnaden mellan halvledare och metaller manifesteras främst i beroendet av resistivitet på temperatur. När temperaturen sjunker, minskar motståndet hos metaller. I halvledare, tvärtom, ökar motståndet med sjunkande temperatur och nära absolut noll blir de praktiskt taget isolatorer.

I halvledare ökar koncentrationen av fria laddningsbärare med ökande temperatur. Mekanismen för elektrisk ström i halvledare kan inte förklaras inom ramen för den fria elektrongasmodellen.

Germaniumatomer har fyra svagt bundna elektroner i sitt yttre skal. De kallas valenselektroner. I ett kristallgitter är varje atom omgiven av sina fyra närmaste grannar. Bindningen mellan atomer i en germaniumkristall är kovalent, det vill säga den utförs av par valenselektroner. Varje valenselektron tillhör två atomer. Valenselektronerna i en germaniumkristall är mycket starkare bundna till atomerna än i metaller; Därför är koncentrationen av ledningselektroner vid rumstemperatur i halvledare många storleksordningar lägre än i metaller. Nära absolut nolltemperatur i en germaniumkristall är alla elektroner upptagna i bildandet av bindningar. En sådan kristall leder inte elektrisk ström.

När temperaturen ökar kan några av valenselektronerna få tillräckligt med energi för att bryta kovalenta bindningar. Då kommer fria elektroner (ledningselektroner) att dyka upp i kristallen. Samtidigt bildas vakanser på platser där bindningar bryts, som inte är upptagna av elektroner. Dessa lediga tjänster kallas "hål".

Vid en given halvledartemperatur bildas ett visst antal elektron-hålpar per tidsenhet. Samtidigt sker den omvända processen - när en fri elektron möter ett hål återställs den elektroniska bindningen mellan germaniumatomerna. Denna process kallas rekombination. Elektronhålspar kan också skapas när en halvledare är upplyst på grund av energin från elektromagnetisk strålning.

Om en halvledare placeras i ett elektriskt fält, är inte bara fria elektroner involverade i den ordnade rörelsen, utan också hål, som beter sig som positivt laddade partiklar. Därför består strömmen I i en halvledare av elektron I n och hål I p strömmar: I = I n + I p.

Koncentrationen av ledningselektroner i en halvledare är lika med koncentrationen av hål: n n = n p. Elektronhålskonduktivitetsmekanismen manifesterar sig endast i rena (d.v.s. utan föroreningar) halvledare. Det kallas eget elektrisk konduktivitet halvledare.

I närvaro av föroreningar förändras den elektriska ledningsförmågan hos halvledare kraftigt. Till exempel att lägga till föroreningar fosfor till kristall kisel i en mängd av 0,001 atomprocent minskar resistivitet med mer än fem storleksordningar.

En halvledare i vilken en förorening införs (dvs en del av atomer av en typ ersätts med atomer av en annan typ) kallas orenhet eller dopad.

Det finns två typer av föroreningsledningsförmåga - elektronisk och hålledningsförmåga.

Alltså vid dopning av en fyrvalens germanium (Ge) eller kisel (Si) femvärt - fosfor (P), antimon (Sb), arsenik (As) En extra fri elektron visas vid platsen för föroreningsatomen. I det här fallet kallas föroreningen givare .

Vid dopning av fyrvalent germanium (Ge) eller kisel (Si) med trevärt - aluminium (Al), indium (Jn), bor (B), gallium (Ga) - ett linjehål visas. Sådana föroreningar kallas acceptor .

I samma prov av halvledarmaterial kan en sektion ha p - konduktivitet och en annan n - konduktivitet. En sådan anordning kallas en halvledardiod.

Prefixet "di" i ordet "diod" betyder "två", det indikerar att enheten har två huvuddelar, två halvledarkristaller nära intill varandra: en med p-konduktivitet (detta är zonen R), den andra - med n - konduktivitet (detta är zonen P). Faktum är att en halvledardiod är en kristall, i en del av vilken en donatorförorening införs (zon P), till den andra - acceptor (zon R).

Om du applicerar en konstant spänning "plus" till zonen från batteriet till dioden R och "minus" till zonen P, då kommer fria laddningar - elektroner och hål - att rusa till gränsen och rusa till pn-övergången. Här kommer de att neutralisera varandra, nya laddningar kommer att närma sig gränsen och en konstant ström kommer att etableras i diodkretsen. Detta är den så kallade direkta anslutningen av en diod - laddningar rör sig intensivt genom den, och en relativt stor likström flyter i kretsen.

Låt oss nu ändra polariteten på spänningen på dioden och, som de säger, slå på den omvänt - anslut "plus" batteriet till zonen P,"minus" - till zonen R. Gratis laddningar kommer att dras bort från gränsen, elektroner kommer att flytta till "plus", hål till "minus" och som ett resultat kommer pn-övergången att förvandlas till en zon utan fria laddningar, till en ren isolator. Detta innebär att kretsen kommer att bryta och strömmen i den kommer att stanna.

En liten omvänd ström kommer fortfarande att flyta genom dioden. Eftersom, utöver de viktigaste gratis laddningar (laddningsbärare) - elektroner, i zonen P, och hål i p-zonen - i var och en av zonerna finns det också en obetydlig mängd laddningar av motsatt tecken. Dessa är deras egna minoritetsladdningsbärare, de finns i vilken halvledare som helst, de visas i den på grund av atomernas termiska rörelser, och det är de som skapar en omvänd ström genom dioden. Dessa laddningar är relativt små, och backströmmen är många gånger mindre än framåtströmmen. Mängden backström beror starkt på: temperatur miljö, halvledarmaterial och area p-növergång. När korsningsområdet ökar, ökar dess volym, och därför ökar antalet minoritetsbärare som uppstår som ett resultat av termisk generering och termisk ström. Ofta presenteras ström-spänningsegenskaperna i form av grafer för tydlighetens skull.