Elektrivool erinevates keskkondades. Elektrivool pooljuhtides

triivvool

Pooljuhtides on vabad elektronid ja augud kaootilises liikumises. Seega, kui valime pooljuhi ruumala sees suvalise sektsiooni ja loendame seda sektsiooni ajaühikus läbivate laengukandjate arvu vasakult paremale ja paremalt vasakule, on nende numbrite väärtused samad. See tähendab, et pooljuhi selles mahus ei ole elektrivoolu.

Kui pooljuht asetatakse elektriväljale, mille tugevus on E, asetub suunalise liikumise komponent laengukandjate kaootilisele liikumisele. Laengukandjate suunatud liikumine elektriväljas põhjustab voolu, mida nimetatakse triiviks (joonis 1.6, a) Laengukandjate kokkupõrke tõttu kristallvõre aatomitega, nende liikumine elektrivälja suunas

katkendlik ja seda iseloomustab liikuvus m. Liikuvus võrdub laengukandjate keskmise kiirusega elektrivälja toimesuunas tugevusega E \u003d 1 V / m, s.o.

Laengukandjate liikuvus sõltub nende hajumise mehhanismist kristallvõres. Uuringud näitavad, et elektronide m n ja aukude m p liikuvusel on erinevad väärtused (m n > m p) ning need on määratud temperatuuri ja lisandite kontsentratsiooniga. Temperatuuri tõus toob kaasa liikuvuse vähenemise, mis sõltub laengukandjate kokkupõrgete arvust ajaühikus.

Pooljuhi voolutihedus, mis on tingitud vabade elektronide triivist välise elektrivälja toimel keskmise kiirusega , määratakse avaldisega .

Aukude liikumine (triiv) valentsribas keskmise kiirusega tekitab pooljuhis auguvoolu, mille tihedus on . Järelikult sisaldab kogu voolutihedus pooljuhis elektroonilisi j n ja augu j p komponente ning on võrdne nende summaga (n ja p on vastavalt elektronide ja aukude kontsentratsioonid).

Asendades elektronide ja aukude keskmise kiiruse (1.11) seose voolutiheduse avaldisega, saame

(1.12)

Kui võrrelda avaldist (1.12) Ohmi seadusega j \u003d sЕ, siis pooljuhi elektrijuhtivuse määrab seos

Oma elektrijuhtivusega pooljuhis on elektronide kontsentratsioon võrdne augu kontsentratsiooniga (n i = p i) ja selle elektrijuhtivus määratakse avaldisega

n-tüüpi pooljuhis > , ja selle elektrijuhtivuse saab piisava täpsusega määrata avaldise abil

.

P-tüüpi pooljuhis> ja sellise pooljuhi elektrijuhtivus

Kõrgetel temperatuuridel suureneb elektronide ja aukude kontsentratsioon kovalentsete sidemete katkemise tõttu oluliselt ning vaatamata nende liikuvuse vähenemisele suureneb pooljuhi elektrijuhtivus eksponentsiaalselt.

Difusioonivool

Lisaks termilisele ergastamisele, mis põhjustab pooljuhi ruumalale ühtlaselt jaotunud laengute tasakaalukontsentratsiooni, saab pooljuhti rikastada elektronidega kuni kontsentratsioonini n p ja aukudega kuni kontsentratsioonini p n selle valgustamine, kiiritamine laetud osakeste vooluga, nende sisseviimine läbi kontakti (injektsioon) jne. Sel juhul kantakse erguti energia otse laengukandjatele ja kristallvõre soojusenergia jääb praktiliselt konstantseks . Järelikult ei ole üleliigsed laengukandjad võrega termilises tasakaalus ja seetõttu nimetatakse neid mittetasakaalulisteks. Erinevalt tasakaalust võivad need pooljuhi ruumalale jaotuda ebaühtlaselt (joonis 1.6, b)

Pärast erguti toime lõppemist elektronide ja aukude rekombinatsiooni tõttu väheneb liigsete kandjate kontsentratsioon kiiresti ja saavutab tasakaaluväärtuse.

Mittetasakaaluliste kandjate rekombinatsioonikiirus on võrdeline aukude (p n - ) või elektronide (n p - ) liigse kontsentratsiooniga:

kus t p on aukude eluiga; t n - elektronide eluiga. Eluea jooksul väheneb mittetasakaaluliste kandjate kontsentratsioon 2,7 korda. Liigkandjate eluiga on 0,01...0,001 s.

Laengukandjad rekombineeruvad suuremas osas pooljuhist ja selle pinnal. Mittetasakaaluliste laengukandjate ebaühtlase jaotusega kaasneb nende difusioon madalama kontsentratsiooni suunas. Selline laengukandjate liikumine põhjustab elektrivoolu läbipääsu, mida nimetatakse difusiooniks (joonis 1.6, b).

Vaatleme ühemõõtmelist juhtumit. Olgu elektronide kontsentratsioonid n(x) ja aukude p(x) pooljuhis koordinaadi funktsioonid. See viib aukude ja elektronide difusiooniliikumiseni suurema kontsentratsiooniga piirkonnast madalama kontsentratsiooniga piirkonda.

Laengukandjate difusiooniliikumine määrab elektronide ja aukude difusioonivoolu läbimise, mille tihedused määratakse seostest:

; (1.13) ; (1.14)

kus dn(x)/dx, dp(x)/dx on elektronide ja aukude kontsentratsioonigradiendid; D n , D p - elektronide ja aukude difusioonikoefitsiendid.

Kontsentratsioonigradient iseloomustab laengute (elektronide ja aukude) ebaühtlase jaotumise astet pooljuhis teatud suunas (antud juhul piki x-telge). Difusioonikoefitsiendid näitavad laengukandjate arvu, mis läbivad pindalaühiku ajaühikus, valitud suunaga risti, kusjuures kontsentratsioonigradient selles suunas on võrdne ühega. Koefitsiendid

difusioonid on seotud laengukandjate liikuvusega Einsteini suhete kaudu:

; .

"Miinusmärk" avaldises (1.14) tähendab pooljuhi elektrivoolude vastupidist suunda elektronide ja aukude difusiooniliikumise ajal nende kontsentratsioonide vähenemise suunas.

Kui pooljuhis eksisteerivad nii elektriväli kui ka kandja kontsentratsioonigradient, on läbival voolul triivi- ja difusioonikomponendid. Sel juhul arvutatakse voolutihedused järgmiste võrrandite järgi:

; .

Tere kallid saidi lugejad. Saidil on alajaotus, mis on pühendatud algajatele raadioamatööridele, kuid siiani pole ma tegelikult midagi kirjutanud algajatele, kes teevad esimesi samme elektroonikamaailma. Täidan selle lünga ja sellest artiklist hakkame tutvuma raadiokomponentide (raadiokomponentide) seadme ja tööga.

Alustame pooljuhtseadmetega. Kuid selleks, et mõista, kuidas diood, türistor või transistor töötab, tuleb mõista, mida pooljuht. Seetõttu uurime esmalt pooljuhtide ehitust ja omadusi molekulaarsel tasemel ning seejärel käsitleme pooljuhtide raadiokomponentide toimimist ja disaini.

Üldmõisted.

Miks täpselt pooljuht diood, transistor või türistor? Kuna nende raadiokomponentide aluseks on pooljuhid Ained, mis on võimelised juhtima elektrivoolu ja takistama selle läbimist.

See on suur rühm aineid, mida kasutatakse raadiotehnikas (germaanium, räni, seleen, vaskoksiid), kuid pooljuhtseadmete tootmiseks kasutatakse peamiselt ainult Räni(Si) ja Germaanium(Ge).

Elektriliste omaduste järgi on pooljuhid elektrivoolu juhtide ja mittejuhtide vahel keskmisel kohal.

Pooljuhtide omadused.

Juhtide elektrijuhtivus sõltub suuresti ümbritseva õhu temperatuurist.
Koos väga madal absoluutse nulli lähedased temperatuurid (-273°C), pooljuhid ära teosta elektrivool ja edendamine temperatuur, nende vastupidavus voolule väheneb.

Kui osutate pooljuhile valgus, siis hakkab selle elektrijuhtivus suurenema. Kasutades seda pooljuhtide omadust, loodi fotogalvaaniline seadmed. Pooljuhid on samuti võimelised muutma valgusenergiat elektrivooluks, näiteks päikesepaneelid. Ja pooljuhtidesse sisseviimisel lisandid teatud ainete puhul suureneb nende elektrijuhtivus järsult.

Pooljuhtide aatomite struktuur.

Germaanium ja räni on paljude pooljuhtseadmete peamised materjalid ja neid on neli valentselektron.

Atom Saksamaa koosneb 32 elektronist ja aatomist räni 14-st. Aga ainult 28 germaaniumi aatomi elektronid ja 10 räni aatomi elektronid, mis asuvad nende kestade sisemistes kihtides, on tuumades kindlalt kinni ega tule neilt kunagi lahti. Lihtsalt neli nende juhtide aatomite valentselektronid võivad vabaneda ja isegi siis mitte alati. Ja kui pooljuhi aatom kaotab vähemalt ühe elektroni, siis see muutub positiivne ioon.

Pooljuhis on aatomid paigutatud rangesse järjekorda: iga aatom on ümbritsetud neli samad aatomid. Lisaks asuvad nad üksteisele nii lähedal, et nende valentselektronid moodustavad üksikuid orbiite, mis kulgevad ümber naaberaatomite, sidudes seeläbi aatomid üheks tervikuks.

Kujutagem aatomite omavahelist seost pooljuhtkristallis tasapinnalise diagrammi kujul.
Diagrammil tähistavad tavapäraselt punased plussiga pallid aatomite tuumad(positiivsed ioonid) ja sinised pallid on valentselektronid.

Siin näete, et iga aatomi ümber asuvad neli täpselt samad aatomid ja igaühel neist neljast on ühendus nelja teise aatomiga jne. Iga aatom on ühendatud iga naaberaatomiga kaks valentselektronid ja üks elektron on tema enda elektron ja teine ​​on laenatud naaberaatomilt. Sellist sidet nimetatakse kaheelektroniliseks sidemeks. kovalentne.

Iga aatomi elektronkihi välimine kiht sisaldab omakorda kaheksa elektronid: neli nende oma ja üksi, laenatud neljalt naaber aatomid. Siin ei saa enam eristada, milline valentselektron aatomis on "oma" ja milline "võõras", kuna need on muutunud tavaliseks. Sellise aatomite sideme korral kogu germaaniumi- või ränikristalli massis võime eeldada, et pooljuhtkristall on üks suur molekul. Joonisel näitavad roosad ja kollased ringid seost kahe naaberaatomi kestade väliskihtide vahel.

Pooljuhtide elektrijuhtivus.

Vaatleme pooljuhtkristalli lihtsustatud joonist, kus aatomid on tähistatud punase palliga plussmärgiga ja aatomitevahelised sidemed on näidatud kahe valentselektrone sümboliseeriva joonega.

Absoluutsele nullile lähedasel temperatuuril pooljuht ei juhi praegune, kuna sellel pole vabad elektronid. Kuid temperatuuri tõusuga tekib valentselektronide side aatomituumadega nõrgeneb ja mõned elektronid võivad termilise liikumise tõttu lahkuda oma aatomitest. Aatomitevahelisest sidemest välja pääsev elektron muutub " tasuta", ja seal, kus ta oli varem, tekib tühi koht, mida tinglikult nimetatakse auk.

Kuidas eespool pooljuhtide temperatuur, rohkem sellest saavad vabad elektronid ja augud. Selle tulemusena selgub, et "augu" teke on seotud valentselektroni lahkumisega aatomi kestast ja auk ise muutub positiivne elektrilaeng on võrdne negatiivne elektroni laeng.

Nüüd vaatame joonist, mis skemaatiliselt näitab voolu esinemise nähtus pooljuhis.

Kui rakendate pooljuhile, kontaktidele "+" ja "-" veidi pinget, ilmub sellesse vool.
Tõttu termilised nähtused, pooljuhtkristallis saavad alguse aatomitevahelised sidemed vabastatakse teatud arv elektrone (sinised nooltega pallid). Elektronid tõmbavad ligi positiivne pingeallika poolus on liigutada tema poole, maha jättes augud, mille täidavad teised vabanenud elektronid. See tähendab, et välise elektrivälja toimel omandavad laengukandjad teatud suunalise liikumise kiiruse ja loovad seeläbi elektrit.

Näiteks: pingeallika positiivsele poolusele lähim vabanenud elektron meelitas see poolus. Aatomitevahelise sideme katkestamine ja sellest lahkumine, elektron lehed enda järel auk. Veel üks vabanenud elektron, mis mõnel asub eemaldus ka positiivsest poolusest meelitas poolus ja liigub tema poole, kuid olles kohtunud auk oma teel, tõmbab selle poole tuum aatom, taastades aatomitevahelise sideme.

Saadud uus auk pärast teist elektroni, täidab kolmas vabanenud elektron, mis asub selle augu kõrval (joonis nr 1). Omakorda augud, mis on kõige lähemal negatiivne poolus, täidetud muuga vabanenud elektronid(pilt nr 2). Seega tekib pooljuhis elektrivool.

Kuigi pooljuht töötab elektriväli, see protsess pidev: aatomitevahelised sidemed katkevad - tekivad vabad elektronid - tekivad augud. Augud täidetakse vabanenud elektronidega - aatomitevahelised sidemed taastatakse, samas katkevad teised aatomitevahelised sidemed, millest elektronid lahkuvad ja täidavad järgmised augud (joonis nr 2-4).

Sellest järeldame: elektronid liiguvad pingeallika negatiivselt pooluselt positiivsele ja augud positiivselt poolusele.

Elektron-augu juhtivus.

"Puhtas" pooljuhtkristallis on arv vabastatud elektronide arv on hetkel võrdne arvuga tekkimas sel juhul on augud, seega sellise pooljuhi elektrijuhtivus väike, kuna see annab elektrivoolu suur takistust ja seda elektrijuhtivust nimetatakse oma.

Aga kui lisada pooljuhile kujul lisandid teatud arv teiste elementide aatomeid, siis suureneb selle elektrijuhtivus oluliselt ja sõltuvalt sellest struktuurid lisandielementide aatomid, on pooljuhi elektrijuhtivus elektrooniline või perforeeritud.

elektrooniline juhtivus.

Oletame, et pooljuhtkristallides, milles aatomitel on neli valentselektroni, oleme asendanud ühe aatomi aatomiga, milles viis valentselektronid. See aatom neli elektronid seovad pooljuhi nelja naaberaatomiga ja viies valentselektron jääb alles üleliigne' tähendab tasuta. Ja kui rohkem rohkem on vabad elektronid, mis tähendab, et selline pooljuht läheneb oma omadustelt metallile ja selleks, et elektrivool läbiks seda, aatomitevahelisi sidemeid ei pea hävitama.

Selliste omadustega pooljuhte nimetatakse pooljuhtideks, mille juhtivus on tüüpi " n", või pooljuhid n-tüüp. Siin pärineb ladina täht n sõnast "negatiivne" (negatiivne) - see tähendab "negatiivne". Sellest järeldub, et pooljuhis n-tüüp peamine laengukandjad on - elektronid, ja mitte peamised - augud.

augu juhtivus.

Võtame sama kristalli, kuid nüüd asendame selle aatomi aatomiga, milles ainult kolm vaba elektron. Oma kolme elektroniga seostub see ainult nendega kolm naaberaatomitest ja neljanda aatomiga sidumiseks tal ei piisa üks elektron. Selle tulemusena moodustub auk. Loomulikult täidetakse see mõne muu läheduses asuva vaba elektroniga, kuid igal juhul sellist pooljuhti kristallis ei ole. haarata elektronid aukude täitmiseks. Ja kui rohkem kristallis on sellised aatomid, nii et rohkem sinna tulevad augud.

Selleks, et vabad elektronid vabaneksid ja liiguksid sellises pooljuhis, aatomitevahelised valentssidemed tuleb hävitada. Kuid elektronidest ei piisa, sest auke on alati rohkem elektronide arv igal ajahetkel.

Selliseid pooljuhte nimetatakse pooljuhtideks perforeeritud juhtivus või juhid lk-tüüp, mis ladina keeles "positiivne" tähendab "positiivset". Seega kaasneb p-tüüpi pooljuhtkristalli elektrivoolu nähtusega pidev tekkimine ja kadumine positiivsed laengud on augud. Ja see tähendab, et pooljuhis lk-tüüp peamine laengukandjad on augud, ja mitte aluselised - elektronid.

Nüüd, kui olete pooljuhtides esinevatest nähtustest veidi aru saanud, ei ole teil raske mõista pooljuhtide raadiokomponentide tööpõhimõtet.

Peatume sellel ja käsitleme seadet, dioodi tööpõhimõtet, analüüsime selle voolu-pinge omadusi ja lülitusahelaid.
Edu!

Allikas:

1 . Borisov V.G. - Noor raadioamatöör. 1985. aastal
2 . Veebisait academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Pooljuhid on ainete klass, milles temperatuuri tõustes juhtivus suureneb ja elektritakistus väheneb. Need pooljuhid erinevad metallidest põhimõtteliselt.

Tüüpilised pooljuhid on germaaniumi ja räni kristallid, milles aatomid on ühendatud kovalentse sidemega. Pooljuhtidel on vabad elektronid igal temperatuuril. Välise elektrivälja toimel olevad vabad elektronid võivad kristallis liikuda, tekitades elektroonilist juhtivusvoolu. Elektroni eemaldamine kristallvõre ühe aatomi väliskihist viib selle aatomi muutumiseni positiivseks iooniks. Seda iooni saab neutraliseerida, püüdes kinni mõnest naaberaatomist elektroni. Lisaks toimub elektronide üleminekute tulemusena aatomitelt positiivseteks ioonideks puuduva elektroniga koha kristallis kaootiline liikumine. Väliselt tajutakse seda protsessi positiivse elektrilaengu liikumisena, nn auk.

Kristalli asetamisel elektrivälja toimub aukude järjestatud liikumine – aukude juhtivusvool.

Ideaalses pooljuhtkristallis tekib elektrivool võrdse arvu negatiivselt laetud elektronide ja positiivselt laetud aukude liikumisel. Ideaalsete pooljuhtide juhtivust nimetatakse sisejuhtivuseks.

Pooljuhtide omadused sõltuvad suuresti lisandite sisaldusest. Lisandeid on kahte tüüpi - doonor ja aktseptor.

Lisandeid, mis loovutavad elektrone ja loovad elektroonilist juhtivust, nimetatakse doonor(lisandid, mille valents on suurem kui peamise pooljuhi valents). Pooljuhte, milles elektronide kontsentratsioon ületab aukude kontsentratsiooni, nimetatakse n-tüüpi pooljuhtideks.

Nimetatakse lisandeid, mis püüavad elektrone kinni ja loovad seeläbi liikuvaid auke ilma juhtivuselektronide arvu suurendamata aktsepteerija(lisandid, mille valents on väiksem kui põhipooljuhil).

Madalatel temperatuuridel on aktseptori lisandiga pooljuhtkristalli peamised voolukandjad augud ja elektronid ei ole peamised kandjad. Pooljuhte, milles aukude kontsentratsioon ületab juhtivuselektronide kontsentratsiooni, nimetatakse aukpooljuhtideks või p-tüüpi pooljuhtideks. Mõelge kahe erinevat tüüpi juhtivusega pooljuhi kokkupuutele.

Põhikandjate vastastikune difusioon toimub nende pooljuhtide piiride kaudu: elektronid difundeeruvad n-pooljuhist p-pooljuhisse ja augud p-pooljuhist n-pooljuhisse. Selle tulemusena kahaneb kontaktiga külgnev n-pooljuhi osa elektronidest ja selles tekib paljaste lisandite ioonide olemasolu tõttu liigne positiivne laeng. Aukude liikumine p-pooljuhilt n-pooljuhile viib liigse negatiivse laengu ilmnemiseni p-pooljuhi piirpiirkonnas. Selle tulemusena moodustub kahekordne elektrikiht ja tekib kontaktelektriväli, mis takistab peamiste laengukandjate edasist difusiooni. Seda kihti nimetatakse lukustamine.

Väline elektriväli mõjutab tõkkekihi elektrijuhtivust. Kui pooljuhid on allikaga ühendatud, nagu on näidatud joonisel fig. 55, siis välise elektrivälja toimel liiguvad peamised laengukandjad - vabad elektronid n-pooljuhis ja augud p-pooljuhis - pooljuhtide liidese poole, samas kui pn paksus. ristmik väheneb, seetõttu väheneb selle takistus. Sel juhul piirab voolu tugevust välistakistus. Seda välise elektrivälja suunda nimetatakse otseseks. P-n-siirde otseühendus vastab voolu-pinge karakteristiku jaotisele 1 (vt joonis 57).

Erinevates keskkondades olevad elektrivoolukandjad ja voolu-pinge karakteristikud on kokku võetud tabelis. üks.

Kui pooljuhid on allikaga ühendatud, nagu on näidatud joonisel fig. 56, siis liiguvad elektronid n-pooljuhis ja augud p-pooljuhis välise elektrivälja toimel piirilt vastassuundades. Tõkkekihi paksus ja seega ka takistus suureneb. Selle välise elektrivälja suunaga - tagurpidi (blokeerides) läbivad liidest ainult vähemuslaengukandjad, mille kontsentratsioon on palju väiksem kui põhilistel ja vool on praktiliselt null. Pn-siirde vastupidine kaasamine vastab voolu-pinge karakteristiku jaotisele 2 (joonis 57).

Seega on p-n-siirtel asümmeetriline juhtivus. Seda omadust kasutatakse pooljuhtdioodides, mis sisaldavad ühte p-n-siirnet ja mida kasutatakse näiteks vahelduvvoolu alaldamiseks või tuvastamiseks.

Pooljuhte kasutatakse laialdaselt kaasaegses elektroonikatehnoloogias.

Pooljuhtmetallide elektritakistuse sõltuvust temperatuurist kasutatakse spetsiaalsetes pooljuhtseadmetes - termistorid. Seadmeid, mis kasutavad pooljuhtkristallide omadust muuta nende elektritakistust valguse valguses, nimetatakse fototakistid.

Elektrivool vaakumis

Kui kaks elektroodi asetada suletud anumasse ja anumast õhk eemaldada, siis vaakumis elektrivoolu ei teki - elektrivoolu kandjaid pole. Ameerika teadlane T. A. Edison (1847-1931) avastas 1879. aastal, et klaasvaakukolvis võib tekkida elektrivool, kui ühte selles olevatest elektroodidest kuumutatakse kõrge temperatuurini. Kuumutatud kehade pinnalt vabanevate vabade elektronide emissiooni nähtust nimetatakse termoemissiooniks. Tööd, mida tuleb teha elektroni vabastamiseks keha pinnalt, nimetatakse tööfunktsiooniks. Termoemissiooni nähtus on seletatav asjaoluga, et kehatemperatuuri tõusuga suureneb aine teatud osa elektronide kineetiline energia. Kui elektroni kineetiline energia ületab tööfunktsiooni, võib see ületada positiivsete ioonide külgetõmbejõudude mõju ja jätta keha pinna vaakumisse. Erinevate elektrontorude töö põhineb termoemissiooni nähtusel.

Pooljuhid on materjalid, mis tavatingimustes on isolaatorid, kuid temperatuuri tõustes muutuvad juhtideks. See tähendab, et pooljuhtides väheneb temperatuuri tõustes takistus.

Pooljuhi struktuur ränikristalli näitel

Mõelge pooljuhtide struktuurile ja nende peamistele juhtivuse liikidele. Näiteks kaaluge ränikristalli.

Räni on neljavalentne element. Seetõttu on selle väliskestas neli elektroni, mis on aatomi tuumaga nõrgalt seotud. Igal neist on naabruses veel neli aatomit.

Aatomid interakteeruvad üksteisega ja moodustavad kovalentseid sidemeid. Sellises sidemes osaleb igast aatomist üks elektron. Räniseadme diagramm on näidatud järgmisel joonisel.

pilt

Kovalentsed sidemed on piisavalt tugevad ega purune madalal temperatuuril. Seetõttu ei ole ränis vabu laengukandjaid ja see on madalatel temperatuuridel dielektrik. Pooljuhtides on kahte tüüpi juhtivust: elektron ja auk.

Elektrooniline juhtivus

Räni kuumutamisel antakse sellele lisaenergiat. Osakeste kineetiline energia suureneb ja mõned kovalentsed sidemed katkevad. See loob vabad elektronid.

Elektriväljas liiguvad need elektronid kristallvõre sõlmede vahel. Sel juhul tekib ränis elektrivool.

Kuna vabad elektronid on peamised laengukandjad, nimetatakse seda tüüpi juhtivust elektrooniliseks juhtivuseks. Vabade elektronide arv sõltub temperatuurist. Mida rohkem räni kuumutame, seda rohkem kovalentseid sidemeid katkeb ja seetõttu tekib rohkem vabu elektrone. See viib resistentsuse vähenemiseni. Ja ränist saab juht.

augu juhtivus

Kovalentse sideme katkemisel tekib väljapaisatud elektroni asemele vaba koht, mille võib hõivata mõni teine ​​elektron. Seda kohta nimetatakse auguks. Aukus on liigne positiivne laeng.

Ava asukoht kristallis muutub pidevalt, iga elektron võib selle positsiooni võtta ja auk liigub sinna, kust elektron hüppas. Kui elektrivälja pole, siis on aukude liikumine juhuslik ja seetõttu voolu ei teki.

Kui see on olemas, on aukude liikumises korrastatus ja lisaks voolule, mis tekib vabade elektronide poolt, on ka vool, mis tekib aukude kaudu. Avad liiguvad elektronidele vastupidises suunas.

Seega on pooljuhtide juhtivus elektron-auk. Voolu tekitavad nii elektronid kui ka augud. Seda tüüpi juhtivust nimetatakse ka sisejuhtivuseks, kuna selles osalevad ainult ühe aatomi elemendid.

Elektrivool pooljuhtides Tunni eesmärk: kujundada ettekujutus elektrilaengu vabadest kandjatest pooljuhtides ja elektrivoolu olemusest pooljuhtides. Tunni tüüp: uue materjali õppimine. TUNNI KAVA Teadmiste kontroll 5 min. 1. Elektrivool metallides. 2. Elektrivool elektrolüütides. 3. Faraday elektrolüüsi seadus. 4. Elektrivool gaasides Demonstratsioon 5 min. Fragmendid videofilmist "Elektrivool pooljuhtides" Uue materjali õppimine 28 min. 1. Laengukandjad pooljuhtides. 2. Pooljuhtide lisandite juhtivus. 3. Elektron-augu üleminek. 4. Pooljuhtdioodid ja transistorid. 5. Integraallülitused Õpitava materjali koondamine 7 min. 1. Kvalitatiivsed küsimused. 2. Ülesannete lahendamise õppimine UUE MATERJALI ÕPPIMINE 1. Laengute kandmine pooljuhtides Pooljuhtide eritakistustel on toatemperatuuril väärtused, mis on laias vahemikus, st. 10-3 kuni 107 oomi m ja hõivavad vahepealse positsiooni metallide ja dielektrikute vahel. Pooljuhid on ained, mille eritakistus väheneb temperatuuri tõustes väga kiiresti. Pooljuhtide hulka kuuluvad paljud keemilised elemendid (boor, räni, germaanium, fosfor, arseen, seleen, telluur jne), tohutul hulgal mineraale, sulameid ja keemilisi ühendeid. Peaaegu kõik ümbritseva maailma anorgaanilised ained on pooljuhid. Piisavalt madalate temperatuuride ja valgustuse või kütte välismõjude puudumise korral ei juhi pooljuhid elektrivoolu: sellistes tingimustes on kõik pooljuhtides olevad elektronid seotud. Kuid elektronide side nende aatomitega pooljuhtides ei ole nii tugev kui dielektrikutes. Ja temperatuuri tõusu korral, aga ka ereda valgustuse korral, eralduvad mõned elektronid oma aatomitest ja muutuvad vabaks laenguks, see tähendab, et nad saavad kogu proovi ulatuses liikuda. Tänu sellele tekivad pooljuhtides negatiivsed laengukandjad – vabad elektronid. elektrone nimetatakse elektronideks. Kui elektron on aatomist eraldunud, muutub selle aatomi positiivne laeng kompenseerimata, s.t. sellesse kohta ilmub positiivne lisalaeng, mida nimetatakse "auguks". Aatom, mille lähedale auk on tekkinud, võib naaberaatomilt ära võtta seotud elektroni, samal ajal kui auk liigub naaberaatomini ja see aatom võib omakorda auku edasi viia. Sellist seotud elektronide "nupu" liikumist võib pidada aukude, see tähendab positiivsete laengute liikumiseks. Pooljuhi juhtivust liikumisest (näiteks laeng. Aukude liikumisest tulenevat pooljuhi juhtivust nimetatakse aukudeks. Avajuhtivuse erinevus ja Seega on elektrooniline juhtivus see, et elektrooniline juhtivus on tingitud vaba liikumisest. elektronid pooljuhtides ja aukjuhtivus tuleneb seotud elektronide liikumisest. Aastal Puhtas pooljuhis (ilma lisanditeta) tekitab elektrivool sama palju vabu elektrone ja auke.Seda juhtivust nimetatakse pooljuhtide sisejuhtivuseks.2 Pooljuhtide lisandite juhtivus Kui lisada puhtale sularänile väike kogus arseeni (umbes 10-5%), siis pärast kõvenemist tavaline kristalliline ränivõre, kuid mõnes võre kohas on räni aatomite asemel arseeni aatomid. Arseen, nagu teate, on viievalentne element. Chotivalentsed elektronid moodustavad paariselektroonilisi sidemeid naabruses asuvate räni aatomitega. N-ndal elektronil ei ole piisavalt sidemeid, samas kui see on nii nõrgalt seotud arseeni aatomiga, mis kergesti vabaneb. Selle tulemusena annab iga lisandi aatom ühe vaba elektroni. Lisandeid, mille aatomid loovutavad kergesti elektrone, nimetatakse doonorlisanditeks. Räni aatomitest pärit elektronid võivad vabaneda, moodustades augu, seetõttu võivad kristallis samaaegselt eksisteerida lisandid, mis "püüdvad" aatomite elektrone, ning kutsutakse vabu elektrone ja auke. Küll aga saab olema kordades rohkem vabu elektrone kui auke. Pooljuhte, milles elektronid on enamuse laengukandjateks, nimetatakse n-tüüpi pooljuhtideks. Kui ränile lisada väike kogus kolmevalentset indiumi, siis pooljuhi juhtivuse olemus muutub. Kuna indiumil on kolm valentselektroni, võib see luua kovalentse sideme ainult kolme naaberaatomiga. Neljanda aatomiga sideme loomiseks elektronist ei piisa. Indium "laenab" naaberaatomitelt elektroni, mille tulemusena moodustab iga indiumiaatom ühe vaba koha – augu. pooljuhtide kristallvõre, aktseptor. Aktseptori lisandi puhul on peamistel laengukandjatel elektrivoolu läbimisel pooljuhti augud. Pooljuhte, milles augud on põhilised laengukandjad, nimetatakse p-tüüpi pooljuhtideks. Peaaegu kõik pooljuhid sisaldavad nii doonor- kui aktseptorlisandeid. Pooljuhtide juhtivuse tüüp määrab suurema laengukandjate kontsentratsiooniga lisandi - elektronid ja augud. 3. Elektron-augu üleminek Pooljuhtidele omastest füüsikalistest omadustest on enim kasutust leidnud erinevat tüüpi juhtivusega pooljuhtide vaheliste kontaktide (p-n-siirde) omadused. N-tüüpi pooljuhis osalevad elektronid soojusliikumises ja difundeeruvad läbi piiri p-tüüpi pooljuhisse, kus nende kontsentratsioon on palju väiksem. Samamoodi hajuvad augud p-tüüpi pooljuhist n-tüüpi pooljuhiks. See juhtub täpselt siis, kui lahustunud aine aatomid hajuvad kokkupõrkel tugevast lahusest nõrgaks. Difusiooni tulemusena tühjeneb lähikontakti ala peamistest laengukandjatest: n-tüüpi pooljuhis elektronide kontsentratsioon väheneb, p-tüüpi pooljuhis aga aukude kontsentratsioon. Seetõttu on kontaktpinna takistus väga oluline. Elektronide ja aukude difusioon läbi p-n-siirde viib selleni, et n-tüüpi pooljuht, millest elektronid pärinevad, on laetud positiivselt ja p-tüüp on negatiivselt laetud. Moodustub elektriline topeltkiht, mis tekitab elektrivälja, mis takistab vabade voolukandjate edasist difusiooni läbi pooljuhtkontakti. Teatud pinge korral topeltlaetud kihi vahel peatub lähikontaktala edasine vaesumine põhikandjate poolt. Kui nüüd on pooljuht ühendatud vooluallikaga nii, et selle elektrooniline piirkond on ühendatud allika negatiivse poolusega ja augu piirkond positiivse poolusega, siis suunatakse vooluallika tekitatud elektriväli nii, et see liigub. peavoolukandjad igas p-n-siirdega pooljuhi sektsioonis. Kokkupuutel rikastub sektsioon peamiste voolukandjatega ja selle takistus väheneb. Kontakti kaudu voolab märkimisväärne vool. Voolu suunda nimetatakse sel juhul läbilaskevõimeks või otseseks. Kui aga allika positiivse pooluse külge on kinnitatud n-tüüpi pooljuht ja negatiivse pooluse külge p-tüüpi pooljuht, siis lähikontaktala laieneb. Piirkonna vastupidavus on oluliselt suurenenud. Üleminekukihti läbiv vool on väga väike. Seda voolu suunda nimetatakse sulgemiseks või vastupidiseks. 4. Pooljuhtdioodid ja transistorid Seetõttu liigub n-tüüpi ja p-tüüpi pooljuhtide liidese kaudu elektrivool ainult ühes suunas – p-tüüpi pooljuhist n-tüüpi pooljuhini. Seda kasutatakse seadmetes, mida nimetatakse dioodideks. Pooljuhtdioode kasutatakse vahelduvvoolu (seda voolu nimetatakse vahelduvaks) alaldamiseks, samuti LED-ide valmistamiseks. Pooljuhtalalditel on kõrge töökindlus ja pikk kasutusiga. seadmed: pooljuhtdioode kasutatakse laialdaselt raadiovastuvõtjates, videosalvestites, televiisorites, arvutites. Veelgi olulisem pooljuhtide rakendusala on olnud transistor. See koosneb kolmest pooljuhtide kihist: servadel on ühte tüüpi pooljuhid ja nende vahel õhuke kiht teist tüüpi pooljuhte. Transistoride laialdane kasutamine on tingitud asjaolust, et neid saab kasutada elektriliste signaalide võimendamiseks. Seetõttu on transistor muutunud paljude pooljuhtseadmete põhielemendiks. 5. Integraallülitused Pooljuhtdioodid ja transistorid on väga keerukate seadmete ehitusplokid, mida nimetatakse integraallülitusteks. Mikroskeemid töötavad tänapäeval arvutites ja telerites, mobiiltelefonides ja tehissatelliitides, autodes, lennukites ja isegi pesumasinates. Integraallülitus on valmistatud räniplaadile. Plaadi suurus on millimeetrist sentimeetrini ning üks selline plaat mahutab kuni miljon komponenti – tillukesed dioodid, transistorid, takistid jne. Integraallülituste olulisteks eelisteks on suur kiirus ja töökindlus ning odav hind . Tänu sellele oli integraallülituste baasil võimalik luua keerukaid, kuid paljudele seadmetele, arvutitele ja kaasaegsetele kodumasinatele ligipääsetavaid. KÜSIMUS ÕPILASELE UUE MATERJALI ESITUSE AJAL Esimene tase 1. Milliseid aineid võib klassifitseerida pooljuhtideks? 2. Milliste laetud osakeste liikumine tekitab pooljuhtides voolu? 3. Miks on pooljuhtide takistus väga tugevasti sõltuv lisandite olemasolust? 4. Kuidas tekib p-n ristmik? Mis omadus on p-n ristmikul? 5. Miks ei saa pooljuhi p-n-siirde kaudu läbida vabad laengukandjad? Teine tase 1. Pärast arseeni lisandite viimist germaaniumisse suurenes juhtivuselektronide kontsentratsioon. Kuidas muutus sel juhul aukude kontsentratsioon? 2. Millise kogemuse abil saab veenduda pooljuhtdioodi ühepoolses juhtivuses? 3. Kas tina sulatamisel germaaniumiks või räniks on võimalik saada pn-siiret? ÕPPEMATERJALI SEADISTAMINE 1). Kvalitatiivsed küsimused 1. Miks on pooljuhtmaterjalide puhtuse nõuded väga kõrged (mõnel juhul ei ole lubatud isegi ühe lisandi aatomi olemasolu miljoni aatomi kohta)? 2. Pärast arseeni lisandite viimist germaaniumisse suurenes juhtivuselektronide kontsentratsioon. Kuidas muutus sel juhul aukude kontsentratsioon? 3. Mis juhtub kahe n- ja p-tüüpi pooljuhi kokkupuutel? 4. Kinnises karbis on pooljuhtdiood ja reostaat. Seadmete otsad tuuakse välja ja ühendatakse klemmidega. Kuidas teha kindlaks, millised klemmid kuuluvad dioodile? 2). Ülesannete lahendamise õppimine 1. Milline juhtivus (elektrooniline või auk) on galliumiga legeeritud ränil? India? fosforit? antimoni? 2. Millise juhtivusega (elektrooniline või auk) on räni, kui sellele lisada fosforit? boor? alumiiniumist? arseen? 3. Kuidas muutub fosforilisandiga räniproovi vastupidavus, kui sellesse sisestatakse galliumi lisand? Fosfori ja galliumi aatomite kontsentratsioon on sama. (Vastus: suureneb) MIDA ME TUNNIS ÕPPID · Pooljuhid on ained, mille eritakistus väheneb temperatuuri tõustes väga kiiresti. Elektronide liikumisest tulenevat pooljuhi juhtivust nimetatakse elektrooniliseks. Aukude liikumisest tulenevat pooljuhi juhtivust nimetatakse aukujuhtivuseks. Lisandeid, mille aatomid loovutavad kergesti elektrone, nimetatakse doonorlisanditeks. · Pooljuhte, mille peamisteks laengukandjateks on elektronid, nimetatakse n-tüüpi pooljuhtideks. · Lisandeid, mis "püüdvad" pooljuhtide kristallvõre aatomite elektrone, nimetatakse aktseptoriteks. · Pooljuhte, milles augud on peamised laengukandjad, nimetatakse p-tüüpi pooljuhtideks. · Kahe erinevat tüüpi juhtivusega pooljuhi kokkupuutel on omadused juhtida voolu hästi ühes suunas ja palju halvemini vastassuunas, s.t. omab ühesuunalist juhtivust. Kodutöö 1. § 11, 12.