De quoi dépend la résistance d’un semi-conducteur ? Que sont les semi-conducteurs ? Résistance des semi-conducteurs

2. Comment la résistivité d'un conducteur dépend-elle de sa température ? Dans quelles unités le coefficient de température de résistance est-il mesuré ?

3. Comment expliquer la dépendance linéaire de la résistivité d'un conducteur à la température ?

4. Pourquoi la résistivité des semi-conducteurs diminue-t-elle avec l'augmentation de la température ?

5. Décrire le processus de conduction intrinsèque dans les semi-conducteurs.

DANS Dans le cas d’un réseau cristallin idéal, les électrons de conduction ne rencontreraient aucune résistance lors de leur mouvement et la conductivité électrique des métaux serait infiniment grande. Cependant, le réseau cristallin n’est jamais parfait. La violation de la stricte périodicité du réseau peut être causée par la présence d'impuretés ou de lacunes, ainsi que par des vibrations thermiques du réseau. La diffusion des électrons sur les atomes d'impuretés et sur les ions vibrants conduit à l'apparition d'une résistance électrique des métaux.

L'expérience montre qu'en première approximation, la résistance des conducteurs métalliques augmente linéairement avec la température selon la loi :

R = Ro (1 + α t), ou R = Ro α T ;

Ρ = ρ o (1+α t), ou ρ = ρ o α T

Ici t est la température sur l'échelle Celsius, T est la température absolue, R 0 (ρ o) est la résistance (résistance spécifique) à température nulle Celsius, α est le coefficient de température de résistance.

Pour les métaux purs, coefficient de température de résistance

α=0,004 K-1 . La figure 1a montre un graphique approximatif de la dépendance de la résistance des métaux à la température absolue.

T

Fig.1a Fig.1b

Contrairement aux métaux, dans lesquels la dépendance à la température de la conductivité électrique est déterminée par la mobilité des électrons, de sorte que la résistance augmente avec l'augmentation de la température, le rôle principal dans la conductivité des semi-conducteurs est joué par la génération thermique d'électrons libres et de trous. . De plus, les concentrations d'électrons Ne et de trous Ng sont les mêmes pour les semi-conducteurs intrinsèques (purs) et augmentent rapidement avec l'augmentation de la température (voir distribution de Boltzmann) :

où E est la bande interdite, k est la constante de Boltzmann. Par conséquent, avec l’augmentation de la température, la conductivité électrique les semi-conducteurs augmentent rapidement et la résistance diminue rapidement en conséquence conformément aux formules :

et r = r o
(3)

Si l'on présente la dépendance ln sur le graphique 1b depuis , alors une ligne droite est obtenue pour les semi-conducteurs intrinsèques. Dans le cas des semi-conducteurs à impuretés, la concentration en porteurs de courant atteint rapidement la saturation. Avec l'augmentation de la température, la conductivité intrinsèque des semi-conducteurs commence à s'affecter dans une large mesure ; à des températures élevées, la conductivité sera constituée de conductivité intrinsèque et d'impuretés. À basse température, la conductivité des impuretés prédomine ; à haute température, la conductivité intrinsèque prédomine.

Conductivité des impuretés des semi-conducteurs

Les cristaux idéaux qui ne contiennent aucune impureté sont très rares. Les impuretés présentes dans les cristaux semi-conducteurs peuvent augmenter le nombre d'électrons ou de trous. Il a été constaté que l'introduction d'un atome d'antimoine dans un centimètre cube de germanium ou de silicium conduit à l'apparition d'un électron et d'un atome de bore à l'apparition d'un trou.

L'apparition d'une conductivité électronique ou de trous lorsque diverses impuretés sont introduites dans un cristal idéal se produit comme suit. Supposons que dans un cristal de silicium, l'un des atomes soit remplacé par un atome d'antimoine. L'antimoine a cinq électrons sur sa couche électronique externe (groupe V du tableau périodique). Quatre électrons forment des liaisons électroniques appariées avec les quatre atomes de silicium voisins les plus proches. Le cinquième électron restant se déplacera autour de l'atome d'antimoine sur une orbite similaire à l'orbite d'un électron dans un atome d'hydrogène, mais la force de son attraction électrique vers le noyau diminuera en fonction de la constante diélectrique du silicium. Par conséquent, pour libérer le cinquième électron, une énergie négligeable est nécessaire, égale à environ 0,05 eV. Un électron faiblement lié peut facilement être arraché à un atome d'antimoine sous l'influence des vibrations thermiques du réseau à basse température. Une énergie d'ionisation si faible d'un atome d'impureté signifie qu'à des températures proches de -100°C, tous les atomes d'impuretés du germanium et du silicium sont déjà ionisés et les électrons libérés participent au processus de conductivité électrique. Dans ce cas, les principaux porteurs de charge seront les électrons, c'est-à-dire nous avons ici la conductivité électronique ou conductivité de type n (n est la première lettre du mot négatif). Une fois le cinquième électron « supplémentaire » supprimé, l'atome d'antimoine devient un ion chargé positivement, ayant quatre électrons de valence, comme tous les atomes de silicium. , c'est-à-dire .e. L'ion antimoine devient un substitut du silicium dans le réseau cristallin.

Les impuretés qui provoquent l'apparition de conductivité électronique dans les cristaux sont appelées donneurs. Pour le silicium et le germanium, ce sont les éléments du groupe V du tableau périodique – antimoine, phosphore, arsenic et bismuth.

L’atome d’impureté trivalente du bore dans le réseau de silicium se comporte différemment. La coque externe d’un atome de bore ne possède que trois électrons de valence. Cela signifie qu’il manque un électron pour remplir quatre liaisons de valence avec quatre voisins les plus proches. Une liaison vide peut être remplie d'un électron transféré d'une autre liaison, cette liaison sera remplie d'électrons de la liaison suivante, etc. Un trou positif (liaison non remplie) peut se déplacer à travers le cristal d’un atome à un autre (lorsque l’électron se déplace dans la direction opposée). Lorsqu'un électron remplit la liaison de valence manquante, l'atome de bore, impureté, devient un ion chargé négativement, remplaçant l'atome de silicium dans le réseau cristallin. Le trou sera faiblement lié à l’atome de bore par des forces d’attraction électrostatique et se déplacera autour de lui sur une orbite similaire à l’orbite d’un électron dans un atome d’hydrogène. Énergie d'ionisation, c'est-à-dire l'énergie nécessaire pour détacher un trou d'un ion bore négatif sera d'environ 0,05 eV. Par conséquent, à température ambiante, tous les atomes d'impuretés trivalentes sont ionisés et les trous participent au processus de conductivité électrique. Si un cristal de silicium contient un mélange d'atomes trivalents (groupe III du système périodique), alors la conductivité est réalisée principalement par des trous. Cette conductivité est appelée conductivité de type trou ou p (p est la première lettre du mot positif). Les impuretés qui provoquent la conduction des trous sont appelées accepteurs. Les accepteurs en germanium et silicium comprennent des éléments du troisième groupe du tableau périodique : gallium, thallium, bore, aluminium. Le nombre de porteurs de courant générés par l'introduction de chaque type d'impureté séparément dépend de la concentration de l'impureté et de son énergie d'ionisation dans un semi-conducteur donné. Cependant, la plupart des impuretés utilisées dans la pratique sont complètement ionisées à température ambiante, de sorte que la concentration de porteurs créés par les impuretés dans ces conditions est déterminée uniquement par la concentration en impuretés et est dans de nombreux cas égale au nombre d'atomes d'impuretés introduits dans le semi-conducteur.

Chaque atome d'impureté donneur apporte un électron de conduction. Par conséquent, plus il y a d'atomes donneurs dans chaque centimètre cube d'un semi-conducteur, plus leur concentration dépasse la concentration de trous, et la conductivité est de nature électronique. La situation inverse se produit lorsque des impuretés accepteurs sont introduites.

A concentrations égales d’impuretés donneuses et acceptrices dans le cristal, la conductivité sera assurée, comme dans un semi-conducteur intrinsèque, par les électrons et les trous dus à la rupture des liaisons de valence. Un tel semi-conducteur est dit compensé.

La quantité d’électricité transportée par les trous ou les électrons est déterminée non seulement par la concentration des porteurs, mais aussi par la mobilité des électrons et des trous.

CONNEXIONS SEMI-CONDUCTEURS

Outre les semi-conducteurs élémentaires, les composés semi-conducteurs obtenus par alliage ou traitement chimique d'éléments purs sont largement utilisés dans la technologie des semi-conducteurs. Il s'agit de l'oxyde cuivreux, à partir duquel sont fabriqués des redresseurs semi-conducteurs de différents types, du zinc-antimoine (SbZn), utilisé pour la fabrication de thermopiles semi-conductrices, du tellurure de plomb (PbTe), qui est utilisé pour la fabrication d'appareils photovoltaïques et pour la branche négative de thermoéléments, et bien d'autres.

Les composés de type AIIIBV présentent un intérêt particulier. Ils sont obtenus en synthétisant des éléments des groupes III et V du tableau périodique des éléments de Mendeleïev. Parmi les composés de ce type, les propriétés semi-conductrices les plus intéressantes sont celles de l'AIP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb. Dans un certain nombre de propriétés, ces composés sont proches des éléments semi-conducteurs du groupe IV, le germanium et le silicium. La mobilité des porteurs actuels y atteint des valeurs élevées ; La bande interdite de certains de ces composés est également grande ; les impuretés qui y sont introduites modifient le mécanisme de conductivité électrique ; Ainsi, certains atomes du groupe II se comportent comme des accepteurs et un certain nombre d’atomes du groupe VI se comportent comme des donneurs.

Quelles sont ses caractéristiques ? Quelle est la physique des semi-conducteurs ? Comment sont-ils construits ? Qu'est-ce que la conductivité des semi-conducteurs ? Quelles sont leurs caractéristiques physiques ?

Comment appelle-t-on les semi-conducteurs ?

Il s’agit de matériaux cristallins qui ne conduisent pas l’électricité aussi bien que les métaux. Mais cet indicateur est toujours meilleur que celui des isolants. Ces caractéristiques sont dues au nombre de transporteurs en mouvement. De manière générale, il existe un fort attachement aux noyaux. Mais lorsque plusieurs atomes, par exemple de l'antimoine, qui possède un excès d'électrons, sont introduits dans le conducteur, cette situation sera corrigée. Lorsque l'indium est utilisé, on obtient des éléments avec une charge positive. Toutes ces propriétés sont largement utilisées dans les transistors, des dispositifs spéciaux capables d'amplifier, de bloquer ou de faire passer le courant dans une seule direction. Si l'on considère un élément de type NPN, on peut noter un rôle amplificateur important, particulièrement important lors de la transmission de signaux faibles.

Caractéristiques de conception des semi-conducteurs électriques

Les conducteurs possèdent de nombreux électrons libres. Les isolants n'en ont pratiquement pas du tout. Les semi-conducteurs contiennent à la fois un certain nombre d'électrons libres et des lacunes chargées positivement, prêtes à accepter les particules libérées. Et surtout, ils sont tous conducteurs. Le type de transistor NPN évoqué précédemment n’est pas le seul élément semi-conducteur possible. Il existe donc également des transistors PNP, ainsi que des diodes.

Si nous parlons brièvement de ce dernier, il s'agit alors d'un élément qui ne peut transmettre des signaux que dans une seule direction. Une diode peut également transformer le courant alternatif en courant continu. Quel est le mécanisme de cette transformation ? Et pourquoi ne bouge-t-il que dans une seule direction ? Selon la provenance du courant, les électrons et les espaces peuvent diverger ou se rapprocher. Dans le premier cas, en raison d'une augmentation de la distance, l'alimentation est interrompue et, par conséquent, les porteurs de tension négative ne sont transmis que dans un seul sens, c'est-à-dire que la conductivité des semi-conducteurs est unidirectionnelle. Après tout, le courant ne peut être transmis que si les particules constitutives sont à proximité. Et cela n’est possible que lorsque le courant est fourni d’un seul côté. Ce sont les types de semi-conducteurs qui existent et sont actuellement utilisés.

Structure des zones

Les propriétés électriques et optiques des conducteurs sont dues au fait que lorsque les niveaux d’énergie sont remplis d’électrons, ils sont séparés des états possibles par une bande interdite. Quelles sont ses caractéristiques ? Le fait est qu’il n’y a aucun niveau d’énergie dans la bande interdite. Cela peut être modifié à l’aide d’impuretés et de défauts structurels. La bande la plus haute complètement remplie est appelée bande de valence. Ceci est suivi d'un autre qui est autorisé, mais vide. C'est ce qu'on appelle la bande de conduction. La physique des semi-conducteurs est un sujet plutôt intéressant, et il sera bien abordé dans le cadre de l'article.

État des électrons

Pour cela, des notions telles que le numéro de zone autorisée et la quasi-impulsion sont utilisées. La structure du premier est déterminée par la loi de dispersion. Il dit qu'il est influencé par la dépendance de l'énergie à l'égard du quasi-élan. Ainsi, si la bande de valence est complètement remplie d'électrons (qui portent des charges dans les semi-conducteurs), alors on dit qu'elle ne contient pas d'excitations élémentaires. Si, pour une raison quelconque, il n'y a pas de particule, cela signifie qu'une quasi-particule chargée positivement est apparue ici - un espace ou un trou. Ce sont des porteurs de charge dans les semi-conducteurs dans la bande de valence.

Zones dégénérées

La bande de valence d’un conducteur typique est six fois dégénérée. Ceci sans tenir compte de l’interaction spin-orbite et uniquement lorsque la quasi-impulsion est nulle. Dans les mêmes conditions, il peut se diviser en zones dégénérées doublement et quadruples. La distance énergétique qui les sépare est appelée énergie de division spin-orbite.

Impuretés et défauts dans les semi-conducteurs

Ils peuvent être électriquement inactifs ou actifs. L'utilisation des premiers permet d'obtenir une charge positive ou négative dans les semi-conducteurs, qui peut être compensée par l'apparition d'un trou dans la bande de valence ou d'un électron dans la bande conductrice. Les impuretés inactives sont neutres et ont un effet relativement faible sur les propriétés électroniques. De plus, ce qui compte souvent, c'est la valence des atomes qui participent au processus de transfert de charge et la structure

Selon le type et la quantité d'impuretés, le rapport entre le nombre de trous et le nombre d'électrons peut également changer. Les matériaux semi-conducteurs doivent donc toujours être soigneusement sélectionnés pour obtenir le résultat souhaité. Ceci est précédé d'un nombre important de calculs, puis d'expérimentations. Les particules que la plupart des gens appellent porteurs de charge majoritaires sont minoritaires.

L'introduction dosée d'impuretés dans les semi-conducteurs permet d'obtenir des dispositifs présentant les propriétés requises. Les défauts des semi-conducteurs peuvent également être dans un état électrique inactif ou actif. Les plus importants ici sont la luxation, l'atome interstitiel et la lacune. Les conducteurs liquides et non cristallins réagissent différemment aux impuretés que les conducteurs cristallins. L’absence de structure rigide aboutit finalement à ce que l’atome déplacé reçoive une valence différente. Ce sera différent de celui avec lequel il sature initialement ses relations. Il n’est plus rentable pour l’atome de donner ou de gagner un électron. Dans ce cas, il devient inactif et les semi-conducteurs impuretés ont donc de grandes chances de tomber en panne. Cela conduit au fait qu'il est impossible de modifier le type de conductivité par dopage et de créer, par exemple, une jonction pn.

Certains semi-conducteurs amorphes peuvent modifier leurs propriétés électroniques lorsqu’ils sont exposés au dopage. Mais cela s'applique à eux dans une bien moindre mesure qu'aux cristallins. La sensibilité des éléments amorphes à l'alliage peut être augmentée grâce au traitement. En fin de compte, je voudrais noter que grâce à un travail long et acharné, les semi-conducteurs à impuretés sont encore représentés par un certain nombre de résultats avec de bonnes caractéristiques.

Statistiques des électrons dans un semi-conducteur

Le nombre de trous et d'électrons existe est déterminé uniquement par la température, les paramètres de structure de bande et la concentration d'impuretés électriquement actives. Lorsque le rapport est calculé, on suppose qu’une partie des particules se trouveront dans la bande de conduction (au niveau accepteur ou donneur). Il est également pris en compte le fait qu'une partie peut quitter le territoire de valence et que des lacunes s'y forment.

Conductivité électrique

Dans les semi-conducteurs, outre les électrons, les ions peuvent également agir comme porteurs de charge. Mais leur conductivité électrique est dans la plupart des cas négligeable. A titre d'exception, seuls les supraconducteurs ioniques peuvent être cités. Il existe trois principaux mécanismes de transfert d’électrons dans les semi-conducteurs :

1. Zone principale. Dans ce cas, l'électron commence à se déplacer en raison d'un changement de son énergie dans une zone autorisée.
2. Transfert sautant sur des états localisés.
3. Polaronique.

Exciton

Un trou et un électron peuvent former un état lié. C'est ce qu'on appelle un exciton de Wannier-Mott. Dans ce cas, qui correspond au bord d'absorption, diminue de la taille de la valeur de couplage. Si cela est suffisant, un nombre important d’excitons peuvent être formés dans les semi-conducteurs. À mesure que leur concentration augmente, une condensation se produit et un liquide électron-trou se forme.

Surface semi-conductrice

Ces mots désignent plusieurs couches atomiques situées près de la bordure de l'appareil. Les propriétés de surface diffèrent des propriétés volumétriques. La présence de ces couches brise la symétrie de translation du cristal. Cela conduit à ce que l’on appelle les états de surface et les polaritons. En développant le thème de ce dernier, il faudrait également parler de spin et d'ondes vibratoires. En raison de son activité chimique, la surface est recouverte d’une couche microscopique de molécules ou d’atomes étrangers adsorbés par l’environnement. Ils déterminent les propriétés de ces différentes couches atomiques. Heureusement, la création de la technologie de l'ultra-vide, dans laquelle sont créés des éléments semi-conducteurs, permet d'obtenir et de maintenir une surface propre pendant plusieurs heures, ce qui a un effet positif sur la qualité du produit obtenu.

Semi-conducteur. La température affecte la résistance

Lorsque la température des métaux augmente, leur résistance augmente également. Avec les semi-conducteurs, c'est l'inverse : dans les mêmes conditions, ce paramètre diminuera. Le fait est que la conductivité électrique de tout matériau (et cette caractéristique est inversement proportionnelle à la résistance) dépend de la charge actuelle des porteurs, de la vitesse de leur mouvement dans le champ électrique et de leur nombre dans une unité de volume de le matériel.

Dans les éléments semi-conducteurs, à mesure que la température augmente, la concentration de particules augmente, ce qui entraîne une augmentation de la conductivité thermique et une diminution de la résistance. Vous pouvez le vérifier si vous disposez d'un simple ensemble de jeunes physiciens et du matériel nécessaire - du silicium ou du germanium, vous pouvez également prendre un semi-conducteur fabriqué à partir d'eux. Augmenter la température réduira leur résistance. Pour vous en assurer, vous devez vous approvisionner en instruments de mesure qui vous permettront de constater tous les changements. C'est le cas général. Examinons quelques options privées.

Résistance et ionisation électrostatique

Cela est dû au tunnel des électrons qui traversent une barrière très étroite qui délivre environ un centième de micromètre. Il est situé entre les limites des zones énergétiques. Son apparition n'est possible que lorsque les zones d'énergie sont inclinées, ce qui ne se produit que sous l'influence d'un fort champ électrique. Lorsque l’effet tunnel se produit (ce qui est un effet de mécanique quantique), les électrons traversent une barrière de potentiel étroite sans modifier leur énergie. Cela entraîne une augmentation de la concentration des porteurs de charge, dans les deux bandes : conductivité et valence. Si le processus d'ionisation électrostatique se développe, une rupture tunnel du semi-conducteur peut se produire. Au cours de ce processus, la résistance des semi-conducteurs va changer. Il est réversible et dès que le champ électrique est désactivé, tous les processus seront restaurés.

Résistance et ionisation par impact

Dans ce cas, les trous et les électrons sont accélérés lorsqu'ils parcourent le libre parcours moyen sous l'influence d'un fort champ électrique jusqu'à des valeurs qui favorisent l'ionisation des atomes et la rupture de l'une des liaisons covalentes (atome principal ou impureté). L'ionisation par impact se produit comme une avalanche et les porteurs de charge s'y multiplient comme une avalanche. Dans ce cas, les trous et les électrons nouvellement créés sont accélérés par un courant électrique. Le résultat final de la valeur actuelle est multiplié par le coefficient d'ionisation par impact, qui est égal au nombre de paires électron-trou formées par le porteur de charge le long d'un segment de trajet. Le développement de ce processus conduit finalement à une rupture par avalanche du semi-conducteur. La résistance des semi-conducteurs change également, mais, comme dans le cas d'un claquage tunnel, elle est réversible.

Application des semi-conducteurs dans la pratique

L'importance particulière de ces éléments est à noter en informatique. Nous sommes presque certains que vous ne seriez pas intéressé par la question de savoir ce que sont les semi-conducteurs sans le désir d'assembler indépendamment un objet en les utilisant. Il est impossible d’imaginer le fonctionnement des réfrigérateurs, des téléviseurs et des écrans d’ordinateur modernes sans semi-conducteurs. Les développements automobiles avancés ne peuvent s’en passer. Ils sont également utilisés dans les technologies aéronautiques et spatiales. Comprenez-vous ce que sont les semi-conducteurs et quelle est leur importance ? Bien sûr, on ne peut pas dire que ce sont les seuls éléments irremplaçables pour notre civilisation, mais il ne faut pas non plus les sous-estimer.

L'utilisation des semi-conducteurs dans la pratique est également due à un certain nombre de facteurs, notamment la large disponibilité des matériaux à partir desquels ils sont fabriqués, la facilité de traitement et d'obtention du résultat souhaité, ainsi que d'autres caractéristiques techniques en raison desquelles le choix des scientifiques qui l'équipement électronique développé a été choisi par eux.

Conclusion

Nous avons examiné en détail ce que sont les semi-conducteurs et comment ils fonctionnent. Leur résistance repose sur des processus physiques et chimiques complexes. Et nous pouvons vous informer que les faits décrits dans l'article ne permettront pas de comprendre pleinement ce que sont les semi-conducteurs, pour la simple raison que même la science n'a pas complètement étudié les caractéristiques de leur travail. Mais nous connaissons leurs propriétés et caractéristiques fondamentales, ce qui nous permet de les utiliser dans la pratique. Par conséquent, vous pouvez rechercher des matériaux semi-conducteurs et les expérimenter vous-même, en étant prudent. Qui sait, peut-être y a-t-il un grand explorateur qui sommeille en vous ?!

Les particules conductrices (molécules, atomes, ions) qui ne participent pas à la formation du courant sont en mouvement thermique, et les particules qui forment le courant sont simultanément en mouvement thermique et directionnel sous l'influence d'un champ électrique. De ce fait, de nombreuses collisions se produisent entre les particules qui forment le courant et les particules qui ne participent pas à sa formation, dans lesquelles les premières cèdent une partie de l'énergie qu'elles transportent de la source de courant aux secondes. Plus il y a de collisions, plus la vitesse du mouvement ordonné des particules qui forment le courant est faible. Comme le montre la formule I = enνS, une diminution de la vitesse entraîne une diminution du courant. Une quantité scalaire caractérisant la propriété d'un conducteur à réduire le courant est appelée résistance du conducteur. De la formule de la loi d'Ohm, la résistance Ohm - la résistance du conducteur dans lequel un courant de force est obtenu 1 une avec une tension aux extrémités du conducteur de 1 V.

La résistance d'un conducteur dépend de sa longueur l, de sa section S et du matériau caractérisé par sa résistivité. Plus le conducteur est long, plus il y a de collisions par unité de temps des particules qui forment le courant avec des particules qui ne participent pas à sa formation, et donc plus la résistance du conducteur est grande. Plus la section du conducteur est petite, plus le flux de particules qui forment le courant est dense, et plus souvent leurs collisions avec des particules qui ne participent pas à sa formation, et donc plus la résistance du conducteur est grande.

Sous l'influence d'un champ électrique, les particules qui forment le courant se déplacent de manière accélérée entre les collisions, augmentant leur énergie cinétique grâce à l'énergie du champ. Lorsqu'elles entrent en collision avec des particules qui ne forment pas de courant, elles leur transfèrent une partie de leur énergie cinétique. En conséquence, l'énergie interne du conducteur augmente, ce qui se manifeste extérieurement par son échauffement. Voyons si la résistance d'un conducteur change lorsqu'il est chauffé.

Le circuit électrique contient une bobine de fil d'acier (ficelle, Fig. 81, a). Après avoir fermé le circuit, nous commençons à chauffer le fil. Plus on le chauffe, moins l'ampèremètre indique de courant. Sa diminution se produit parce que lorsque les métaux sont chauffés, leur résistance augmente. Ainsi, la résistance d'un cheveu d'une ampoule électrique lorsqu'elle n'est pas allumée est d'environ 20 ohms, et quand il brûle (2900°C) - 260 ohms. Lorsqu'un métal est chauffé, le mouvement thermique des électrons et le taux de vibration des ions dans le réseau cristallin augmentent, ce qui entraîne une augmentation du nombre de collisions d'électrons qui forment un courant avec les ions. Cela provoque une augmentation de la résistance des conducteurs*. Dans les métaux, les électrons non libres sont très étroitement liés aux ions, donc lorsque les métaux sont chauffés, le nombre d'électrons libres ne change pratiquement pas.

* (Sur la base de la théorie électronique, il est impossible de dériver une loi exacte de la dépendance de la résistance à la température. Une telle loi est établie par la théorie quantique, dans laquelle un électron est considéré comme une particule dotée de propriétés ondulatoires, et le mouvement d'un électron de conduction à travers un métal est considéré comme un processus de propagation d'ondes électroniques dont la longueur est déterminée par la relation de Broglie.)

Les expériences montrent que lorsque la température de conducteurs constitués de substances différentes change du même nombre de degrés, leur résistance change de manière inégale. Par exemple, si un conducteur en cuivre avait une résistance 1 ohm, puis après chauffage à 1°C il aura de la résistance 1,004 ohms, et tungstène - 1,005 ohms. Pour caractériser la dépendance de la résistance d'un conducteur à sa température, une grandeur appelée coefficient de température de résistance a été introduite. Une grandeur scalaire mesurée par la variation de la résistance d'un conducteur dans 1 ohm, prise à 0°C, à partir d'une variation de sa température de 1°C, est appelée coefficient de température de résistance α.. Ainsi, pour le tungstène, ce coefficient est égal à 0,005 degrés -1, pour le cuivre - 0,004 degrés -1. Le coefficient de température de résistance dépend de la température. Pour les métaux, cela change peu avec la température. Pour une petite plage de température, elle est considérée comme constante pour un matériau donné.

Dérivons une formule qui calcule la résistance d'un conducteur en tenant compte de sa température. Supposons que R0- résistance du conducteur à 0°C, lorsqu'il est chauffé à 1°C cela augmentera de αR 0, et lorsqu'il est chauffé à t°- sur αRt° et ça devient R = R 0 + αR 0 t°, ou

La dépendance de la résistance des métaux à la température est prise en compte, par exemple, dans la fabrication de spirales pour appareils de chauffage électriques et lampes : la longueur du fil en spirale et le courant admissible sont calculés à partir de leur résistance à l'état chauffé. La dépendance de la résistance des métaux à la température est utilisée dans les thermomètres à résistance, qui sont utilisés pour mesurer la température des moteurs thermiques, des turbines à gaz, du métal dans les hauts fourneaux, etc. Ce thermomètre est constitué d'une fine spirale de platine (nickel, fer) enroulée sur un cadre en porcelaine et placé dans un étui de protection. Ses extrémités sont reliées à un circuit électrique doté d'un ampèremètre dont l'échelle est graduée en degrés de température. Lorsque la bobine chauffe, le courant dans le circuit diminue, ce qui fait bouger l'aiguille de l'ampèremètre, qui indique la température.

L'inverse de la résistance d'une section ou d'un circuit donné est appelé conductivité électrique du conducteur(conductivité électrique). Conductivité électrique d'un conducteur Plus la conductivité d'un conducteur est grande, plus sa résistance est faible et mieux il conduit le courant. Nom de l'unité de conductivité électrique Résistance de conductivité du conducteur 1 ohm appelé Siemens.

À mesure que la température diminue, la résistance des métaux diminue. Mais il existe des métaux et des alliages dont la résistance, à basse température spécifique à chaque métal et alliage, diminue fortement et devient extrêmement petite - presque égale à zéro (Fig. 81, b). À venir supraconductivité- le conducteur n'a pratiquement aucune résistance, et une fois le courant excité existe pendant une longue période, alors que le conducteur est à la température supraconductrice (dans l'une des expériences, le courant a été observé pendant plus d'un an). Lors du passage d'une densité de courant à travers un supraconducteur 1200 a/mm2 aucun dégagement de chaleur n'a été observé. Les métaux monovalents, qui sont les meilleurs conducteurs de courant, ne se transforment pas en état supraconducteur jusqu'aux températures extrêmement basses auxquelles les expériences ont été réalisées. Par exemple, dans ces expériences, le cuivre a été refroidi à 0,0156°K, or - jusqu'à 0,0204°K. S’il était possible d’obtenir des alliages supraconducteurs à des températures ordinaires, cela revêtirait une grande importance pour l’électrotechnique.

Selon les concepts modernes, la principale raison de la supraconductivité est la formation de paires d’électrons liées. À la température de supraconductivité, les forces d’échange commencent à agir entre les électrons libres, amenant les électrons à former des paires d’électrons liées. Un tel gaz électronique composé de paires d'électrons liées a des propriétés différentes de celles du gaz électronique ordinaire : il se déplace dans un supraconducteur sans friction contre les nœuds du réseau cristallin.

Sujets du codificateur d'examen d'État unifié: semi-conducteurs, conductivité intrinsèque et impureté des semi-conducteurs.

Jusqu'à présent, parlant de la capacité des substances à conduire le courant électrique, nous les avons divisés en conducteurs et diélectriques. La résistivité des conducteurs ordinaires est de l'ordre de Ohm m ; La résistivité des diélectriques dépasse ces valeurs en moyenne de plusieurs ordres de grandeur : Ohm m.

Mais il existe aussi des substances qui, dans leur conductivité électrique, occupent une position intermédiaire entre conducteurs et diélectriques. Ce semi-conducteurs: leur résistivité à température ambiante peut prendre des valeurs dans une très large gamme d'Ohm m. Les semi-conducteurs comprennent le silicium, le germanium, le sélénium et certains autres éléments et composés chimiques (les semi-conducteurs sont extrêmement courants dans la nature. Par exemple, environ 80 % de la masse de la croûte terrestre est constituée de substances semi-conductrices). Les plus utilisés sont le silicium et le germanium.

La principale caractéristique des semi-conducteurs est que leur conductivité électrique augmente fortement avec l’augmentation de la température. La résistivité d'un semi-conducteur diminue avec l'augmentation de la température, à peu près comme le montre la Fig. 1 .

Riz. 1. Dépendance à un semi-conducteur

En d’autres termes, à basse température, les semi-conducteurs se comportent comme des diélectriques, et à haute température, ils se comportent comme d’assez bons conducteurs. C'est la différence entre les semi-conducteurs et les métaux : la résistivité d'un métal, comme vous vous en souvenez, augmente linéairement avec l'augmentation de la température.

Il existe d'autres différences entre les semi-conducteurs et les métaux. Ainsi, l’éclairage d’un semi-conducteur provoque une diminution de sa résistance (et la lumière n’a quasiment aucun effet sur la résistance du métal). De plus, la conductivité électrique des semi-conducteurs peut changer considérablement avec l’introduction de quantités même infimes d’impuretés.

L'expérience montre que, comme dans le cas des métaux, aucun transfert de substance ne se produit lorsque le courant traverse un semi-conducteur. Par conséquent, le courant électrique dans les semi-conducteurs est provoqué par le mouvement des électrons.

Une diminution de la résistance d'un semi-conducteur lorsqu'il est chauffé indique qu'une augmentation de la température entraîne une augmentation du nombre de charges libres dans le semi-conducteur. Rien de tel ne se produit dans les métaux ; par conséquent, les semi-conducteurs ont un mécanisme de conductivité électrique différent de celui des métaux. Et la raison en est la nature différente de la liaison chimique entre les atomes des métaux et des semi-conducteurs.

Une liaison covalente

La liaison métallique, comme vous vous en souvenez, est assurée par un gaz d'électrons libres qui, comme la colle, retient les ions positifs aux nœuds du réseau cristallin. Les semi-conducteurs sont structurés différemment : leurs atomes sont maintenus ensemble une liaison covalente. Rappelons-nous ce que c'est.

Électrons situés dans le niveau électronique externe et appelés valence, sont plus faiblement liés à l’atome que les électrons restants, qui sont situés plus près du noyau. Dans le processus de formation d’une liaison covalente, deux atomes apportent un de leurs électrons de valence « à la cause commune ». Ces deux électrons sont partagés, c'est-à-dire qu'ils appartiennent désormais aux deux atomes et sont donc appelés paire d'électrons partagée(Fig.2).

Riz. 2. Liaison covalente

Une paire d’électrons socialisés est ce qui maintient les atomes les uns près des autres (en utilisant les forces d’attraction électrique). Une liaison covalente est une liaison qui existe entre des atomes en raison de paires d'électrons partagées.. Pour cette raison, une liaison covalente est également appelée paire-électronique.

Structure cristalline du silicium

Nous sommes maintenant prêts à examiner de plus près la structure interne des semi-conducteurs. À titre d'exemple, considérons le semi-conducteur le plus courant dans la nature : le silicium. Le deuxième semi-conducteur le plus important, le germanium, a une structure similaire.

La structure spatiale du silicium est représentée sur la figure. 3 (photo de Ben Mills). Les boules représentent des atomes de silicium et les tubes qui les relient sont des canaux de liaisons covalentes entre atomes.

Riz. 3. Structure cristalline du silicium

Notez que chaque atome de silicium est lié à quatre atomes voisins. Pourquoi cela arrive-t-il?

Le fait est que le silicium est tétravalent : il y a quatre électrons de valence sur la couche électronique externe de l'atome de silicium. Chacun de ces quatre électrons est prêt à former une paire d’électrons partagée avec l’électron de valence d’un autre atome. C'est ce qui se passe ! En conséquence, l’atome de silicium est entouré de quatre atomes qui lui sont attachés, chacun apportant un électron de valence. En conséquence, il y a huit électrons autour de chaque atome (quatre des nôtres et quatre des autres).

Nous voyons cela plus en détail sur un schéma plat d'un réseau cristallin de silicium (Fig. 4).

Riz. 4. Réseau cristallin de silicium

Les liaisons covalentes sont représentées par des paires de lignes reliant les atomes ; Ces lignes contiennent des paires d'électrons communes. Chaque électron de valence situé sur une telle ligne passe la majeure partie de son temps dans l'espace compris entre deux atomes voisins.

Cependant, les électrons de valence ne sont en aucun cas « étroitement liés » aux paires d’atomes correspondantes. Les coques électroniques se chevauchent tout le monde atomes voisins, de sorte que tout électron de valence est la propriété commune de tous les atomes voisins. Depuis un atome 1, un tel électron peut aller vers son atome voisin 2, puis vers son atome voisin 3, et ainsi de suite. Les électrons de Valence peuvent se déplacer dans le cristal : on dit qu'ils appartiennent au cristal tout entier(et pas n'importe quelle paire atomique).

Cependant, les électrons de valence du silicium ne sont pas libres (comme c'est le cas dans le métal). Dans un semi-conducteur, la liaison entre les électrons de valence et les atomes est beaucoup plus forte que dans un métal ; Les liaisons covalentes du silicium ne se rompent pas à basse température. L’énergie électronique n’est pas suffisante pour amorcer un mouvement ordonné d’un potentiel inférieur à un potentiel supérieur sous l’influence d’un champ électrique externe. Par conséquent, à des températures suffisamment basses, les semi-conducteurs sont proches des diélectriques : ils ne conduisent pas le courant électrique.

Auto-conductivité

Si vous connectez un élément semi-conducteur à un circuit électrique et commencez à le chauffer, le courant dans le circuit augmente. Par conséquent, la résistance du semi-conducteur diminue avec une augmentation de la température. Pourquoi cela arrive-t-il?

À mesure que la température augmente, les vibrations thermiques des atomes de silicium deviennent plus intenses et l'énergie des électrons de valence augmente. Pour certains électrons, l'énergie atteint des valeurs suffisantes pour rompre les liaisons covalentes. Ces électrons quittent leurs atomes et deviennent gratuit(ou électrons de conduction) - exactement la même chose qu'en métal. Dans un champ électrique externe, les électrons libres commencent à se déplacer de manière ordonnée, formant un courant électrique.

Plus la température du silicium est élevée, plus l’énergie électronique est élevée et plus le nombre de liaisons covalentes qui échouent et se brisent est élevé. Le nombre d'électrons libres dans un cristal de silicium augmente, ce qui entraîne une diminution de sa résistance.

La rupture des liaisons covalentes et l'apparition d'électrons libres sont illustrées sur la figure. 5 . Sur le site de la liaison covalente rompue, un trou- place vacante pour un électron. Le trou a positif charge, car avec le départ d'un électron chargé négativement, il reste une charge positive non compensée du noyau de l'atome de silicium.

Riz. 5. Formation d'électrons libres et de trous

Les trous ne restent pas en place – ils peuvent se déplacer autour du cristal. Le fait est que l'un des électrons de valence voisins, « voyageant » entre les atomes, peut sauter vers la place vacante résultante, remplissant le trou ; alors le trou à cet endroit disparaîtra, mais apparaîtra à l'endroit d'où vient l'électron.

En l’absence de champ électrique externe, le mouvement des trous est aléatoire, car les électrons de valence se déplacent de manière aléatoire entre les atomes. Cependant, dans un champ électrique, cela commence dirigé mouvement des trous. Pourquoi? Ce n’est pas difficile à comprendre.

En figue. La figure 6 montre un semi-conducteur placé dans un champ électrique. Sur le côté gauche de l’image se trouve la position initiale du trou.

Riz. 6. Mouvement d'un trou dans un champ électrique

Où ira le trou ? Il est clair que les sauts électron > trou les plus probables se font dans la direction contre lignes de champ (c’est-à-dire aux « plus » qui créent le champ). L'un de ces sauts est représenté dans la partie centrale de la figure : l'électron a sauté vers la gauche, remplissant le vide, et le trou s'est donc déplacé vers la droite. Le prochain saut d’électrons possible provoqué par le champ électrique est représenté sur le côté droit de la figure ; À la suite de ce saut, le trou a pris une nouvelle place, située encore plus à droite.

On voit que le trou dans son ensemble bouge vers lignes de champ - c'est-à-dire là où les charges positives sont censées se déplacer. Soulignons encore une fois que le mouvement dirigé d'un trou le long du champ est provoqué par des sauts d'électrons de valence d'atome en atome, se produisant principalement dans la direction contraire au champ.

Ainsi, dans un cristal de silicium, il existe deux types de porteurs de charge : les électrons libres et les trous. Lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, un courant électrique apparaît, provoqué par leur contre-mouvement ordonné : les électrons libres se déplacent à l'opposé du vecteur d'intensité du champ et les trous - dans la direction du vecteur.

La génération de courant due au mouvement des électrons libres est appelée conductivité électronique, ou conductivité de type n. Le processus de mouvement ordonné des trous est appelé conductivité du trou,ou conductivité de type p(des premières lettres des mots latins negativus (négatif) et positivus (positif)). Les deux conductivités - électron et trou - sont collectivement appelées propre conductivité semi-conducteur.

Chaque électron quittant une liaison covalente rompue génère une paire « électron-trou libre ». Par conséquent, la concentration d’électrons libres dans un cristal de silicium pur est égale à la concentration de trous. En conséquence, lorsque le cristal est chauffé, la concentration non seulement d'électrons libres, mais également de trous augmente, ce qui entraîne une augmentation de la conductivité intrinsèque du semi-conducteur en raison d'une augmentation de la conductivité des électrons et des trous.

Parallèlement à la formation de paires électron-trou libres, le processus inverse se produit également : recombinaisonélectrons libres et trous. À savoir, un électron libre rencontrant un trou comble cette lacune, rétablissant la liaison covalente rompue et se transformant en électron de valence. Ainsi, dans un semi-conducteur, il est établi Équilibre dynamique: le nombre moyen de ruptures de liaisons covalentes et de formation de paires électron-trou par unité de temps est égal au nombre moyen d'électrons et de trous en recombinaison. Cet état d'équilibre dynamique détermine la concentration d'équilibre d'électrons libres et de trous dans le semi-conducteur dans des conditions données.

Les changements dans les conditions externes déplacent l'état d'équilibre dynamique dans un sens ou dans l'autre. Dans ce cas, la valeur d’équilibre de la concentration en porteurs de charge change naturellement. Par exemple, le nombre d’électrons libres et de trous augmente lorsque le semi-conducteur est chauffé ou éclairé.

A température ambiante, la concentration d'électrons libres et de trous dans le silicium est approximativement égale à cm. La concentration d'atomes de silicium est de l'ordre de cm. Autrement dit, il n'y a qu'un seul électron libre par atome de silicium ! C'est très peu. Dans les métaux, par exemple, la concentration d’électrons libres est approximativement égale à la concentration d’atomes. Respectivement, La conductivité intrinsèque du silicium et des autres semi-conducteurs dans des conditions normales est faible par rapport à la conductivité des métaux.

Conductivité des impuretés

La caractéristique la plus importante des semi-conducteurs est que leur résistivité peut être réduite de plusieurs ordres de grandeur suite à l’introduction d’une très petite quantité d’impuretés. En plus de sa propre conductivité, un semi-conducteur possède une dominante conductivité des impuretés. C'est grâce à ce fait que les dispositifs à semi-conducteurs ont trouvé une application si large dans la science et la technologie.
Supposons, par exemple, qu’un peu d’arsenic pentavalent soit ajouté au silicium fondu. Après cristallisation de la masse fondue, il s'avère que des atomes d'arsenic occupent des places dans certains nœuds du réseau cristallin de silicium formé.

Le niveau électronique le plus externe de l’atome d’arsenic possède cinq électrons. Quatre d'entre eux forment des liaisons covalentes avec leurs voisins les plus proches - les atomes de silicium (Fig. 7). Quel est le sort du cinquième électron non occupé dans ces liaisons ?

Riz. 7. Semi-conducteur de type N

Et le cinquième électron devient libre ! Le fait est que l’énergie de liaison de cet électron « supplémentaire » avec l’atome d’arsenic situé dans le cristal de silicium est bien inférieure à l’énergie de liaison des électrons de valence avec les atomes de silicium. Par conséquent, déjà à température ambiante, presque tous les atomes d'arsenic, en raison du mouvement thermique, restent sans cinquième électron, se transformant en ions positifs. Le cristal de silicium est donc rempli d’électrons libres détachés des atomes d’arsenic.

Remplir un cristal d’électrons libres n’est pas nouveau pour nous : nous l’avons vu plus haut lorsqu’il était chauffé faire le ménage silicium (sans aucune impureté). Mais maintenant, la situation est fondamentalement différente : l'apparition d'un électron libre sortant d'un atome d'arsenic ne s'accompagne pas de l'apparition d'un trou mobile. Pourquoi? La raison est la même : la liaison des électrons de valence avec les atomes de silicium est beaucoup plus forte qu'avec l'atome d'arsenic dans la cinquième lacune, donc les électrons des atomes de silicium voisins n'ont pas tendance à combler cette lacune. La vacance reste donc en place ; elle est comme « figée » à l'atome d'arsenic et ne participe pas à la création de courant.

Ainsi, l'introduction d'atomes d'arsenic pentavalents dans le réseau cristallin de silicium crée une conductivité électronique, mais ne conduit pas à l'apparence symétrique de la conductivité des trous. Le rôle principal dans la création de courant appartient désormais aux électrons libres, appelés dans ce cas principaux transporteurs charge.

Bien entendu, le mécanisme de conductivité intrinsèque continue de fonctionner même en présence d’une impureté : les liaisons covalentes sont toujours rompues en raison du mouvement thermique, générant des électrons libres et des trous. Mais il y a désormais beaucoup moins de trous que d’électrons libres, fournis en grande quantité par les atomes d’arsenic. Par conséquent, dans ce cas, les trous seront médias non majeurs charge.

Les impuretés dont les atomes cèdent des électrons libres sans apparition d'un nombre égal de trous mobiles sont appelées donneur. Par exemple, l’arsenic pentavalent est une impureté donneuse. S'il y a une impureté donneuse dans un semi-conducteur, les porteurs de charge majoritaires sont des électrons libres et les porteurs de charge minoritaires sont des trous ; en d’autres termes, la concentration d’électrons libres est bien supérieure à la concentration de trous. Par conséquent, les semi-conducteurs contenant des impuretés donneuses sont appelés semi-conducteurs électroniques, ou semi-conducteurs de type n(ou simplement n-semi-conducteurs).

Et, chose intéressante, dans quelle mesure la concentration d’électrons libres peut-elle dépasser la concentration de trous dans un n-semi-conducteur ? Faisons un calcul simple.

Supposons que l’impureté soit , c’est-à-dire qu’il y ait un atome d’arsenic pour mille atomes de silicium. La concentration en atomes de silicium, on s'en souvient, est de l'ordre du cm.

La concentration d'atomes d'arsenic sera donc mille fois inférieure : cm. La concentration d'électrons libres cédés par l'impureté sera également la même - après tout, chaque atome d'arsenic cède un électron. Rappelons maintenant que la concentration de paires électron-trou qui apparaissent lorsque les liaisons covalentes du silicium sont rompues à température ambiante est approximativement égale à cm. Sentez-vous la différence ? La concentration d'électrons libres dans ce cas est supérieure à la concentration de trous de plusieurs ordres de grandeur, soit un milliard de fois ! En conséquence, la résistivité d’un semi-conducteur en silicium diminue d’un milliard de fois lorsqu’une si petite quantité d’impureté est introduite.

Le calcul ci-dessus montre que dans les semi-conducteurs de type n, le rôle principal est effectivement joué par la conductivité électronique. Dans le contexte d'une supériorité aussi colossale en nombre d'électrons libres, la contribution du mouvement des trous à la conductivité globale est négligeable.

Au contraire, il est possible de créer un semi-conducteur avec une conductivité de trou prédominante. Cela se produira si une impureté trivalente est introduite dans un cristal de silicium, par exemple l'indium. Le résultat d’une telle mise en œuvre est présenté sur la Fig. 8 .

Riz. 8. Semi-conducteur de type P

Que se passe-t-il dans ce cas? Le niveau électronique le plus externe de l’atome d’indium contient trois électrons qui forment des liaisons covalentes avec les trois atomes de silicium environnants. Pour le quatrième atome de silicium voisin, l'atome d'indium ne possède plus assez d'électrons, et un trou apparaît à cet endroit.

Et ce trou n'est pas simple, mais spécial - avec une énergie de liaison très élevée. Lorsqu'un électron d'un atome de silicium voisin y pénètre, il « y reste coincé pour toujours », car l'attraction de l'électron vers l'atome d'indium est très forte - plus que vers les atomes de silicium. L'atome d'indium se transformera en un ion négatif et un trou apparaîtra à l'endroit d'où vient l'électron - mais maintenant un trou mobile ordinaire sous la forme d'une liaison covalente rompue dans le réseau cristallin de silicium. Ce trou commencera à errer autour du cristal de la manière habituelle en raison de la « course de relais » du transfert des électrons de valence d’un atome de silicium à un autre.

Ainsi, chaque atome d’indium impureté génère un trou, mais ne conduit pas à l’apparition symétrique d’un électron libre. De telles impuretés, dont les atomes capturent « étroitement » les électrons et créent ainsi un trou mobile dans le cristal, sont appelées accepteur.

L'indium trivalent est un exemple d'impureté accepteur.

Si une impureté acceptrice est introduite dans un cristal de silicium pur, alors le nombre de trous générés par l'impureté sera bien supérieur au nombre d'électrons libres créés en raison de la rupture des liaisons covalentes entre les atomes de silicium. Un semi-conducteur avec une impureté accepteur est semi-conducteur à trous, ou semi-conducteur de type p(ou simplement p-semi-conducteur).

Les trous jouent un rôle majeur dans la création de courant dans un semi-conducteur p ; des trous - principaux porteurs de charge. Électrons libres - médias mineurs charge dans un semi-conducteur p. Le mouvement des électrons libres dans ce cas n'apporte pas une contribution significative : le courant électrique est fourni principalement par la conductivité des trous.

jonction p-n

Le point de contact entre deux semi-conducteurs de types de conductivité différents (électronique et trou) est appelé transition électron-trou, ou jonction p-n. Dans la région de la jonction p-n, un phénomène intéressant et très important se produit : la conductivité unidirectionnelle.

En figue. 9 montre le contact des régions de type p et n ; les cercles colorés sont des trous et des électrons libres, qui sont les porteurs de charge majoritaires (ou minoritaires) dans les régions correspondantes.

Riz. 9. Couche de blocage de la jonction p-n

En effectuant un mouvement thermique, les porteurs de charge pénètrent à travers l'interface entre les régions.

Les électrons libres se déplacent de la région n vers la région p et s'y recombinent avec des trous ; les trous diffusent de la région p vers la région n et s'y recombinent avec des électrons.

À la suite de ces processus, une charge non compensée d'ions positifs de l'impureté donneuse reste dans le semi-conducteur électronique près de la limite de contact, et une charge négative non compensée des ions de l'impureté acceptrice apparaît dans le semi-conducteur à trous (également près de la limite). Ces charges spatiales non compensées forment ce qu'on appelle couche barrière, dont le champ électrique interne empêche une diffusion ultérieure des électrons libres et des trous à travers la limite de contact.

Connectons maintenant une source de courant à notre élément semi-conducteur, en appliquant le « plus » de la source au semi-conducteur n et le « moins » au semi-conducteur p (Fig. 10).

Riz. 10. Allumage en sens inverse : pas de courant

Nous voyons que le champ électrique externe éloigne les porteurs de charge majoritaires de la limite de contact. La largeur de la couche de blocage augmente et son champ électrique augmente. La résistance de la couche de blocage est élevée et les porteurs majoritaires ne sont pas capables de surmonter la jonction p-n. Le champ électrique permet uniquement aux porteurs minoritaires de franchir la frontière, mais en raison de la très faible concentration de porteurs minoritaires, le courant qu'ils créent est négligeable.

Le schéma considéré s'appelle allumer la jonction p – n dans la direction opposée. Il n’y a pas de courant électrique porteur principal ; il n'y a qu'un courant porteur minoritaire négligeable. Dans ce cas, la jonction p-n s’avère fermée.

Changeons maintenant la polarité de la connexion et appliquons « plus » au semi-conducteur p et « moins » au semi-conducteur n (Fig. 11). Ce schéma est appelé commutation vers l'avant.

Riz. 11. Allumage dans le sens direct : le courant circule

Dans ce cas, le champ électrique externe est dirigé contre le champ bloquant et ouvre la voie aux porteurs majoritaires à travers la jonction p – n. La couche barrière devient plus fine et sa résistance diminue.

Il y a un mouvement massif d’électrons libres de la région n vers la région p, et les trous, à leur tour, se précipitent ensemble de la région p vers la région n.

Un courant apparaît dans le circuit provoqué par le mouvement des porteurs de charge majoritaires (maintenant, cependant, le champ électrique interfère avec le courant des porteurs minoritaires, mais ce facteur insignifiant n'a pas d'effet notable sur la conductivité globale).

La conductivité unidirectionnelle de la jonction p – n est utilisée dans diodes semi-conductrices. Une diode est un dispositif qui conduit le courant dans une seule direction ; dans le sens inverse, aucun courant ne traverse la diode (on dit que la diode est fermée). Une représentation schématique de la diode est présentée sur la Fig. 12 .

Riz. 12. Diodes

Dans ce cas, la diode est ouverte dans le sens de gauche à droite : les charges semblent circuler le long de la flèche (la voyez-vous sur la figure ?). Dans le sens de droite à gauche, les charges semblent reposer contre le mur - la diode est fermée.