Nuo ko priklauso puslaidininkio varža? Kas yra puslaidininkiai? Puslaidininkių varža

2. Kaip laidininko savitoji varža priklauso nuo jo temperatūros? Kokiais vienetais matuojamas pasipriešinimo temperatūros koeficientas?

3. Kaip galima paaiškinti laidininko savitosios varžos tiesinę priklausomybę nuo temperatūros?

4. Kodėl didėjant temperatūrai mažėja puslaidininkių savitoji varža?

5. Apibūdinkite vidinio laidumo puslaidininkiuose procesą.

IN Idealios kristalinės gardelės atveju laidumo elektronai judėdami nepatirtų jokio pasipriešinimo, o metalų elektrinis laidumas būtų be galo didelis. Tačiau kristalų grotelės niekada nėra tobulos. Griežto grotelių periodiškumo pažeidimą gali sukelti priemaišų ar laisvų vietų buvimas, taip pat šiluminės grotelės vibracijos. Elektronų sklaida ant priemaišų atomų ir vibruojančių jonų sukelia metalų elektrinės varžos atsiradimą.

Patirtis rodo, kad, pirma, metalinių laidininkų varža didėja tiesiškai didėjant temperatūrai pagal įstatymą:

R = Ro (1+αt) arba R = RoαT;

Ρ = ρ o (1 + α t) arba ρ = ρ o α T

Čia t – temperatūra Celsijaus skalėje, T – absoliuti temperatūra, R 0 (ρ o) – varža (savitoji varža) esant nulinei Celsijaus temperatūrai, α – atsparumo temperatūros koeficientas.

Gryniems metalams atsparumo temperatūros koeficientas

α=0,004 K -1. 1a paveiksle parodytas apytikslis metalų varžos priklausomybės nuo absoliučios temperatūros grafikas.

T

Fig.1a Fig.1b

Skirtingai nuo metalų, kuriuose elektros laidumo priklausomybę nuo temperatūros nulemia elektronų judrumas, dėl ko atsparumas didėja kylant temperatūrai, puslaidininkių laidumui pagrindinį vaidmenį atlieka laisvųjų elektronų ir skylių šiluminė generacija. . Be to, elektronų Ne ir skylių Ng koncentracijos vidiniams (gryniems) puslaidininkiams yra vienodos ir greitai didėja didėjant temperatūrai (žr. Boltzmanno pasiskirstymą):

kur E yra juostos tarpas, k yra Boltzmanno konstanta. Todėl, didėjant temperatūrai, elektros laidumas puslaidininkiai greitai didėja, o varža atitinkamai greitai mažėja pagal formules:

ir r = r o
(3)

Jeigu pateiksime priklausomybę ln nuo 1b grafiko iš , tada gaunama tiesė saviesiems puslaidininkiams. Priemaišinių puslaidininkių atveju nešiklio koncentracija greitai pasiekia prisotinimą. Kylant temperatūrai, vidinis puslaidininkių laidumas pradeda didele dalimi veikti esant aukštai temperatūrai, laidumą sudarys vidinis laidumas ir priemaišų laidumas. Žemoje temperatūroje vyrauja priemaišų laidumas, esant aukštai temperatūrai, vyrauja savitasis laidumas.

Puslaidininkių priemaišų laidumas

Idealūs kristalai, kuriuose nėra jokių priemaišų, yra labai reti. Priemaišos puslaidininkių kristaluose gali padidinti elektronų arba skylių skaičių. Nustatyta, kad įvedus vieną stibio atomą į kubinį centimetrą germanio ar silicio, atsiranda vienas elektronas, o vienas boro atomas – prie vienos skylės atsiradimo.

Elektroninis arba skylinis laidumas, kai į idealų kristalą patenka įvairių priemaišų, atsiranda taip. Tarkime, kad silicio kristale vienas iš atomų yra pakeistas stibio atomu. Stibio išoriniame elektronų apvalkale (periodinės lentelės V grupė) yra penki elektronai. Keturi elektronai sudaro suporuotas elektronines jungtis su keturiais artimiausiais silicio atomais. Likęs penktasis elektronas judės aplink stibio atomą orbita, panašia į elektrono orbita vandenilio atome, tačiau jo elektrinio traukos branduoliui jėga sumažės pagal silicio dielektrinę konstantą. Todėl norint išlaisvinti penktąjį elektroną, reikia nereikšmingos energijos, lygios maždaug 0,05 eV. Silpnai surištas elektronas gali būti lengvai atplėštas nuo stibio atomo, veikiant gardelės šiluminiams virpesiams žemoje temperatūroje. Tokia maža priemaišos atomo jonizacijos energija reiškia, kad esant maždaug -100°C temperatūrai, visi germanyje ir silicyje esantys priemaišų atomai jau yra jonizuoti, o išsiskyrę elektronai dalyvauja elektros laidumo procese. Šiuo atveju pagrindiniai krūvininkai bus elektronai, t.y. čia turime elektroninį laidumą arba n tipo laidumą (n yra pirmoji žodžio neigiama raidė Pašalinus „papildomą“ penktąjį elektroną, stibio atomas tampa teigiamai įkrautu jonu, turinčiu keturis valentinius elektronus, kaip ir visi silicio atomai). , t.y. Stibio jonas tampa silicio pakaitalu kristalinėje gardelėje.

Priemaišos, sukeliančios elektroninio laidumo atsiradimą kristaluose, vadinamos donorėmis. Siliciui ir germaniui jie yra periodinės lentelės V grupės elementai - stibis, fosforas, arsenas ir bismutas.

Trivalentis boro priemaišos atomas silicio gardelėje elgiasi skirtingai. Išorinis boro atomo apvalkalas turi tik tris valentinius elektronus. Tai reiškia, kad trūksta vieno elektrono, kad užpildytų keturis valentinius ryšius su keturiais artimiausiais kaimynais. Tuščia jungtis gali būti užpildyta elektronu, perkeltu iš kokios nors kitos jungties, ši jungtis bus užpildyta elektronais iš kitos jungties ir pan. Teigiama skylė (neužpildyta jungtis) gali judėti per kristalą iš vieno atomo į kitą (elektronui judant priešinga kryptimi). Kai elektronas užpildo trūkstamą valentinį ryšį, priemaišos boro atomas tampa neigiamo krūvio jonu, pakeičiančiu silicio atomą kristalinėje gardelėje. Skylė bus silpnai surišta su boro atomu elektrostatinės traukos jėgomis ir judės aplink ją orbita, panašia į elektrono orbita vandenilio atome. Jonizacijos energija, t.y. energija, reikalinga skylei atskirti nuo neigiamo boro jono, bus maždaug 0,05 eV. Todėl kambario temperatūroje visi trivalenčių priemaišų atomai yra jonizuojami, o skylės dalyvauja elektros laidumo procese. Jei silicio kristale yra trivalenčių atomų priemaišos (periodinės sistemos III grupė), tada laidumą daugiausia atlieka skylės. Šis laidumas vadinamas skyle arba p tipo laidumu (p yra pirmoji žodžio teigiama raidė).

Priemaišos, sukeliančios skylių laidumą, vadinamos akceptoriais. Germanio ir silicio akceptoriai apima trečiosios periodinės lentelės grupės elementus: galis, talis, boras, aliuminis.

Esant vienodai donorų ir akceptorių priemaišų koncentracijai kristale, laidumą, kaip ir vidiniame puslaidininkyje, užtikrins elektronai ir skylės dėl valentinių ryšių nutrūkimo. Toks puslaidininkis vadinamas kompensuotu.

Skylių ar elektronų nešamą elektros kiekį lemia ne tik nešiklių koncentracija, bet ir elektronų bei skylių judrumas.

PUSLAIDININĖS JUNGTYS

Kartu su elementariais puslaidininkiais puslaidininkių technologijoje plačiai naudojami puslaidininkių junginiai, gaunami legiruojant arba chemiškai apdorojant grynus elementus. Tai vario oksidas, iš kurio gaminami įvairių tipų puslaidininkiniai lygintuvai, cinko stibis (SbZn), naudojamas puslaidininkinių termopolių gamybai, švino teluridas (PbTe), kuris naudojamas fotovoltinių prietaisų gamybai ir neigiamai atšakai. termoelementai ir daugelis kitų.

AIIIBV tipo junginiai yra ypač svarbūs. Jie gaunami sintezuojant Mendelejevo periodinės elementų lentelės III ir V grupių elementus. Iš šio tipo junginių įdomiausios puslaidininkių savybės yra AIP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb. Daugeliu savybių šie junginiai yra artimi IV grupės puslaidininkių elementams germaniui ir siliciui. Srovės nešėjų mobilumas juose pasiekia dideles vertes; Kai kurių šių junginių juostos tarpas taip pat yra didelis; į juos patekusios priemaišos keičia elektros laidumo mechanizmą; Taigi kai kurie II grupės atomai elgiasi kaip akceptoriai, o kai kurie VI grupės atomai – kaip donorai.

Kokios jo savybės? Kas yra puslaidininkių fizika? Kaip jie statomi? Kas yra puslaidininkių laidumas? Kokias fizines savybes jie turi?

Kaip vadinami puslaidininkiai?

Tai reiškia kristalines medžiagas, kurios nelaidžia elektros taip gerai kaip metalai. Bet vis tiek šis rodiklis yra geresnis nei izoliatorių. Tokias charakteristikas lemia judančių nešėjų skaičius. Paprastai tariant, yra stiprus prisirišimas prie šerdies. Bet kai į laidininką bus įvesti keli atomai, tarkime stibis, turintis elektronų perteklių, ši situacija bus ištaisyta. Naudojant indį, gaunami teigiamo krūvio elementai. Visos šios savybės plačiai naudojamos tranzistoriuose – specialiuose įrenginiuose, kurie gali sustiprinti, blokuoti ar perduoti srovę tik viena kryptimi. Jei atsižvelgsime į NPN tipo elementą, galime pastebėti reikšmingą stiprinimo vaidmenį, kuris ypač svarbus perduodant silpnus signalus.

Elektrinių puslaidininkių projektavimo ypatumai

Laidininkai turi daug laisvųjų elektronų. Izoliatoriai jų praktiškai visai neturi. Puslaidininkiuose yra ir tam tikras skaičius laisvųjų elektronų, ir tarpų su teigiamu krūviu, kurie yra pasiruošę priimti išsiskiriančias daleles. Ir svarbiausia, kad jie visi veikia Anksčiau aptartas NPN tranzistorių tipas nėra vienintelis galimas puslaidininkinis elementas. Taigi, taip pat yra PNP tranzistorių, taip pat diodų.

Jei trumpai kalbėsime apie pastarąjį, tai yra elementas, galintis perduoti signalus tik viena kryptimi. Diodas taip pat gali kintamąją srovę paversti nuolatine. Koks yra šios transformacijos mechanizmas? Ir kodėl jis juda tik viena kryptimi? Priklausomai nuo to, iš kur ateina srovė, elektronai ir tarpai gali skirtis arba eiti vienas kito link. Pirmuoju atveju, padidėjus atstumui, tiekimas nutrūksta, todėl neigiamos įtampos nešikliai perduodami tik viena kryptimi, tai yra, puslaidininkių laidumas yra vienpusis. Galų gale, srovė gali būti perduodama tik tuo atveju, jei sudedamosios dalelės yra šalia. Ir tai įmanoma tik tada, kai srovė tiekiama iš vienos pusės. Tai egzistuoja ir šiuo metu naudojami puslaidininkių tipai.

Zonos struktūra

Elektrinės ir optinės laidininkų savybės atsiranda dėl to, kad energijos lygius užpildžius elektronais, juos nuo galimų būsenų atskiria juostos tarpas. Kokios jo savybės? Faktas yra tas, kad juostos tarpoje nėra energijos lygių. Tai galima pakeisti nešvarumų ir struktūrinių defektų pagalba. Aukščiausia visiškai užpildyta juosta vadinama valentinga juosta. Po to seka leidžiama, bet tuščia. Ji vadinama laidumo juosta. Puslaidininkių fizika yra gana įdomi tema, ir ji bus gerai aptarta straipsnyje.

Elektronų būsena

Tam naudojamos tokios sąvokos kaip leistinos zonos numeris ir kvaziimpulsas. Pirmojo struktūrą lemia sklaidos dėsnis. Jis teigia, kad tam įtakos turi energijos priklausomybė nuo kvazi-impulso. Taigi, jei valentinė juosta yra visiškai užpildyta elektronais (kurie turi krūvį puslaidininkiuose), tada jie sako, kad joje nėra elementarių sužadinimų. Jei dėl kokių nors priežasčių nėra dalelės, tai reiškia, kad čia atsirado teigiamai įkrauta kvazidalelė - tarpas arba skylė. Jie yra krūvininkai puslaidininkiuose valentinėje juostoje.

Degeneruotos zonos

Tipiško laidininko valentinė juosta yra šešis kartus išsigimusi. Tai daroma neatsižvelgiant į sukimosi ir orbitos sąveiką ir tik tada, kai kvazi-impulsas yra lygus nuliui. Esant tokioms pačioms sąlygoms, jis gali suskaidyti į dvigubą ir keturis kartus išsigimusias zonas. Energijos atstumas tarp jų vadinamas sukimosi orbitos padalijimo energija.

Puslaidininkių priemaišos ir defektai

Jie gali būti elektrai neaktyvūs arba aktyvūs. Pirmojo panaudojimas leidžia gauti teigiamą arba neigiamą krūvį puslaidininkiuose, kuriuos galima kompensuoti atsiradus skylutei valentinėje juostoje arba elektronu laidžioje juostoje. Neaktyvios priemaišos yra neutralios ir gana silpnai veikia elektronines savybes. Be to, dažnai gali būti svarbu atomų, dalyvaujančių krūvio perdavimo procese, valentingumas ir struktūra

Priklausomai nuo priemaišų tipo ir kiekio, skylių ir elektronų skaičiaus santykis taip pat gali keistis. Todėl puslaidininkinės medžiagos visada turi būti kruopščiai parinktos, kad būtų pasiektas norimas rezultatas. Prieš tai atliekama daug skaičiavimų, o vėliau – eksperimentai. Dalelės, kurias dauguma žmonių vadina daugumos krūvininkais, yra mažumos.

Dozuotas priemaišų įvedimas į puslaidininkius leidžia gauti reikiamų savybių prietaisus. Puslaidininkių defektai taip pat gali būti neaktyvios arba aktyvios elektros būsenos. Čia svarbūs yra dislokacija, intersticinis atomas ir laisva vieta. Skystieji ir nekristaliniai laidininkai į priemaišas reaguoja skirtingai nei kristaliniai. Dėl standžios struktūros nebuvimo perkeltas atomas gauna skirtingą valentumą. Jis skirsis nuo to, su kuriuo jis iš pradžių prisotina savo ryšius. Atomui tampa nenaudinga duoti ar įgyti elektroną. Tokiu atveju jis tampa neaktyvus, todėl priemaišiniai puslaidininkiai turi didelę gedimo galimybę. Tai lemia tai, kad neįmanoma pakeisti laidumo tipo naudojant dopingą ir sukurti, pavyzdžiui, pn sandūrą.

Kai kurie amorfiniai puslaidininkiai, veikiami dopingo, gali pakeisti savo elektronines savybes. Bet tai jiems taikoma daug mažiau nei kristaliniams. Amorfinių elementų jautrumą legiravimui galima padidinti technologiniu apdorojimu. Galiausiai norėčiau atkreipti dėmesį į tai, kad dėl ilgo ir sunkaus darbo priemaišiniai puslaidininkiai vis dar pateikia daug gerų savybių.

Elektronų puslaidininkyje statistika

Kai egzistuoja skylių ir elektronų skaičius, lemia tik temperatūra, juostos struktūros parametrai ir elektriškai aktyvių priemaišų koncentracija. Apskaičiuojant santykį, daroma prielaida, kad kai kurios dalelės bus laidumo juostoje (akceptoriaus arba donoro lygiu). Taip pat atsižvelgiama į tai, kad dalis gali išeiti iš valentinės teritorijos ir ten susidaro tarpai.

Elektros laidumas

Puslaidininkiuose, be elektronų, krūvininkai gali veikti ir jonai. Tačiau jų elektrinis laidumas daugeliu atvejų yra nereikšmingas. Kaip išimtį galima paminėti tik joninius superlaidininkus. Puslaidininkiuose yra trys pagrindiniai elektronų perdavimo mechanizmai:

1. Pagrindinė zona. Šiuo atveju elektronas pradeda judėti dėl jo energijos pasikeitimo vienoje leistinoje srityje.
2. Peršokimas per lokalizuotas būsenas.
3. Polaronic.

Eksitonas

Skylė ir elektronas gali sudaryti surištą būseną. Jis vadinamas Wannier-Mott eksitonu. Šiuo atveju, kuris atitinka sugerties kraštą, sumažėja sukabinimo vertės dydis. Jei pakanka, puslaidininkiuose gali susidaryti nemažai eksitonų. Didėjant jų koncentracijai, susidaro kondensatas ir susidaro elektronų skylės skystis.

Puslaidininkinis paviršius

Šie žodžiai žymi kelis atominius sluoksnius, esančius netoli įrenginio ribos. Paviršiaus savybės skiriasi nuo tūrinių savybių. Šių sluoksnių buvimas pažeidžia kristalo transliacinę simetriją. Tai veda prie vadinamųjų paviršiaus būsenų ir poliaritonų. Plėtodami pastarojo temą, turėtume kalbėti ir apie sukimąsi bei vibracines bangas. Dėl savo cheminio aktyvumo paviršius padengtas mikroskopiniu pašalinių molekulių ar atomų sluoksniu, kurie buvo adsorbuoti iš aplinkos. Jie nustato tų kelių atominių sluoksnių savybes. Laimei, sukūrus itin aukšto vakuumo technologiją, kurioje sukuriami puslaidininkiniai elementai, galima gauti ir kelias valandas išlaikyti švarų paviršių, o tai teigiamai veikia gaunamo gaminio kokybę.

Puslaidininkis. Temperatūra turi įtakos atsparumui

Didėjant metalų temperatūrai, didėja ir jų atsparumas. Su puslaidininkiais yra atvirkščiai – tomis pačiomis sąlygomis šis parametras sumažės. Esmė ta, kad bet kurios medžiagos elektrinis laidumas (ir ši charakteristika yra atvirkščiai proporcinga varžai) priklauso nuo to, kokį srovės krūvį turi nešikliai, nuo jų judėjimo elektriniame lauke greičio ir nuo jų skaičiaus viename tūrio vienete. medžiaga.

Puslaidininkiniuose elementuose, kylant temperatūrai, didėja dalelių koncentracija, dėl to didėja šilumos laidumas ir mažėja varža. Tai galite pasitikrinti, jei turite paprastą jaunųjų fizikų rinkinį ir reikiamą medžiagą – silicį ar germanį, taip pat galite paimti iš jų pagamintą puslaidininkį. Padidinus temperatūrą, sumažės jų atsparumas. Norėdami tuo įsitikinti, turite apsirūpinti matavimo priemonėmis, kurios leis matyti visus pokyčius. Taip yra bendru atveju. Pažvelkime į keletą privačių variantų.

Atsparumas ir elektrostatinė jonizacija

Taip yra dėl elektronų tuneliavimo, praeinančio per labai siaurą barjerą, kuris perduoda maždaug vieną šimtąją mikrometro dalį. Jis yra tarp energetinių zonų kraštų. Jo atsiradimas įmanomas tik pakreipus energetines zonas, o tai vyksta tik veikiant stipriam elektriniam laukui. Kai vyksta tuneliavimas (tai yra kvantinis mechaninis efektas), elektronai praeina per siaurą potencialo barjerą nekeisdami savo energijos. Tai reiškia, kad padidėja krūvininkų koncentracija abiejose juostose: laidumo ir valentingumo. Jei vyksta elektrostatinės jonizacijos procesas, gali įvykti puslaidininkio tunelio gedimas. Šio proceso metu puslaidininkių varža pasikeis. Jis yra grįžtamasis, o kai tik elektrinis laukas bus išjungtas, visi procesai bus atstatyti.

Atsparumas ir smūgio jonizacija

Šiuo atveju skylės ir elektronai pagreitėja, kai jie keliauja vidutiniu laisvu keliu, veikiami stipraus elektrinio lauko, iki verčių, skatinančių atomų jonizaciją ir vienos iš kovalentinių jungčių (pagrindinio atomo ar priemaišos) nutraukimą. Smūgio jonizacija vyksta kaip lavina, o krūvininkai joje dauginasi kaip lavina. Šiuo atveju naujai sukurtos skylės ir elektronai yra pagreitinami elektros srove. Galutinis srovės vertės rezultatas padauginamas iš smūgio jonizacijos koeficiento, kuris yra lygus elektronų ir skylių porų, kurias sudaro krūvininkas vienoje kelio atkarpoje, skaičiui. Šio proceso plėtra galiausiai lemia puslaidininkio griūtį. Keičiasi ir puslaidininkių varža, tačiau, kaip ir tunelio gedimo atveju, ji yra grįžtama.

Puslaidininkių taikymas praktikoje

Reikėtų pažymėti ypatingą šių elementų svarbą kompiuterinėse technologijose. Beveik neabejojame, kad jums nebūtų įdomu, kas yra puslaidininkiai, jei ne noras savarankiškai surinkti objektą naudojant juos. Neįmanoma įsivaizduoti šiuolaikinių šaldytuvų, televizorių, kompiuterių monitorių veikimo be puslaidininkių. Pažangūs automobilių modeliai negali išsiversti be jų. Jie taip pat naudojami aviacijos ir kosmoso technologijose. Ar suprantate, kas yra puslaidininkiai ir kokie jie svarbūs? Žinoma, negalime teigti, kad tai vieninteliai mūsų civilizacijai nepakeičiami elementai, tačiau neturėtume ir jų nuvertinti.

Puslaidininkių naudojimą praktikoje taip pat lemia daugybė veiksnių, tarp kurių yra plačiai paplitęs medžiagų, iš kurių jie gaminami, prieinamumas, paprastas apdorojimas ir norimo rezultato gavimas bei kitos techninės ypatybės, dėl kurių pasirenkami mokslininkai, sukurtą elektroninę įrangą pasirinko jie patys.

Išvada

Mes išsamiai išnagrinėjome, kas yra puslaidininkiai ir kaip jie veikia. Jų atsparumas pagrįstas sudėtingais fiziniais ir cheminiais procesais. Ir galime jums pranešti, kad straipsnyje aprašyti faktai nevisiškai supras, kas yra puslaidininkiai, dėl tos paprastos priežasties, kad net mokslas iki galo neištyrė jų darbo ypatybių. Tačiau mes žinome pagrindines jų savybes ir charakteristikas, kurios leidžia jas naudoti praktiškai. Todėl galite ieškoti puslaidininkinių medžiagų ir patys su jomis eksperimentuoti, būdami atsargūs. Kas žino, gal tavyje slypi puikus tyrinėtojas?!

Laidininkų dalelės (molekulės, atomai, jonai), kurios nedalyvauja formuojant srovę, yra šiluminiame judėjime, o dalelės, formuojančios srovę, veikiamos elektrinio lauko vienu metu yra šiluminiame ir kryptiniame judėjime. Dėl šios priežasties įvyksta daug susidūrimų tarp dalelių, kurios sudaro srovę, ir dalelių, kurios nedalyvauja jos formavime, kai pirmosios atiduoda dalį energijos, kurią perneša iš srovės šaltinio į pastarąją. Kuo daugiau susidūrimų, tuo mažesnis tvarkingo dalelių, kurios sudaro srovę, judėjimo greitis. Kaip matyti iš formulės I = enνS, greičio sumažėjimas lemia srovės sumažėjimą. Vadinamas skaliarinis dydis, apibūdinantis laidininko savybę sumažinti srovę laidininko varža. Iš Omo dėsnio formulės pasipriešinimas Omas - laidininko varža, kurioje gaunama stiprio srovė 1 a kurių įtampa laidininko galuose yra 1 V.

Laidininko varža priklauso nuo jo ilgio l, skerspjūvio S ir medžiagos, kuriai būdinga savitoji varža Kuo ilgesnis laidininkas, tuo daugiau dalelių, kurios sudaro srovę, susidūrimų per laiko vienetą su dalelėmis, kurios nedalyvauja jos formavime, todėl tuo didesnė laidininko varža. Kuo mažesnis laidininko skerspjūvis, tuo tankesnis dalelių srautas, formuojantis srovę, ir tuo dažniau jos susiduria su dalelėmis, kurios nedalyvauja jos formavime, todėl tuo didesnė laidininko varža.

Veikiamos elektrinio lauko dalelės, sudarančios srovę, juda tarp susidūrimų pagreitėja, padidindamos savo kinetinę energiją dėl lauko energijos. Susidurdamos su dalelėmis, kurios nesudaro srovės, jos perduoda joms dalį savo kinetinės energijos. Dėl to padidėja vidinė laidininko energija, kuri išoriškai pasireiškia jo šildymu. Pasvarstykime, ar kinta laidininko varža jį kaitinant.

Elektros grandinėje yra plieninės vielos ritė (styga, 81 pav., a). Uždarę grandinę, pradedame šildyti laidą. Kuo daugiau šildome, tuo ampermetras rodo mažesnę srovę. Jo mažėjimas atsiranda todėl, kad kaitinant metalus padidėja jų atsparumas. Taigi elektros lemputės plauko varža, kai ji nedega, yra apytikslė 20 omų, o kai dega (2900° C) – 260 omų. Kaitinant metalą, didėja elektronų šiluminis judėjimas ir jonų virpesių greitis kristalinėje gardelėje, dėl to didėja elektronų, kurie sudaro srovę su jonais, susidūrimų skaičius. Dėl to padidėja laidininko varža *. Metaluose nelaisvi elektronai yra labai glaudžiai surišti su jonais, todėl kaitinant metalus laisvųjų elektronų skaičius praktiškai nekinta.

* (Remiantis elektronine teorija, neįmanoma išvesti tikslaus pasipriešinimo priklausomybės nuo temperatūros dėsnio. Tokį dėsnį nustato kvantinė teorija, kurioje elektronas laikomas banginių savybių turinčia dalele, o laidumo elektrono judėjimas per metalą laikomas elektroninių bangų sklidimo procesu, kurio ilgį lemia de Broglie santykis.)

Eksperimentai rodo, kad iš skirtingų medžiagų pagamintų laidininkų temperatūrai pakitus vienodai laipsnių, jų varža kinta nevienodai. Pavyzdžiui, jei varinis laidininkas turėjo varžą 1 omas, tada po kaitinimo iki 1°C jis turės pasipriešinimą 1,004 omų ir volframas - 1,005 omų. Norint apibūdinti laidininko varžos priklausomybę nuo jo temperatūros, buvo įvestas dydis, vadinamas atsparumo temperatūros koeficientu. Skaliarinis dydis, išmatuotas pagal laidininko varžos pokytį 1 omu, paimtą 0 ° C temperatūroje, nuo jo temperatūros pokyčio 1 ° C, vadinamas atsparumo temperatūros koeficientu α. Taigi volframui šis koeficientas yra lygus 0,005 laipsnis -1, variui - 0,004 laipsnis -1. Temperatūros atsparumo koeficientas priklauso nuo temperatūros. Metalams jis mažai kinta priklausomai nuo temperatūros. Esant nedideliam temperatūros diapazonui, ji laikoma pastovia tam tikrai medžiagai.

Išveskime formulę, kuri apskaičiuoja laidininko varžą, atsižvelgiant į jo temperatūrą. Tarkime, kad R0- laidininko varža ties 0°С, kai pašildomas iki 1°C jis padidės αR 0, o kaitinant iki t°- įjungta αRt° ir tampa R = R 0 + αR 0 t°, arba

Į metalų varžos priklausomybę nuo temperatūros atsižvelgiama, pavyzdžiui, gaminant elektrinių šildymo prietaisų ir lempų spirales: spiralinio laido ilgis ir leistina srovė apskaičiuojama pagal jų varžą įkaitusioje būsenoje. Metalų varžos priklausomybė nuo temperatūros naudojama varžiniuose termometruose, kuriais matuojama šiluminių variklių, dujų turbinų, metalo aukštakrosnėse ir kt. temperatūrai. Šis termometras sudarytas iš plonos platinos (nikelio, geležies) spiralės. ant porceliano rėmo ir įdėtas į apsauginį dėklą. Jo galai prijungti prie elektros grandinės su ampermetru, kurios skalė sugraduota temperatūros laipsniais. Kai ritė įkaista, srovė grandinėje mažėja, dėl to juda ampermetro adata, kuri rodo temperatūrą.

Tam tikros sekcijos ar grandinės varžos atvirkštinė vertė vadinama laidininko elektrinis laidumas(elektros laidumas). Laidininko elektros laidumas Kuo didesnis laidininko laidumas, tuo mažesnė jo varža ir geriau praleidžia srovę. Elektros laidumo vieneto pavadinimas Laidininko laidumo varža 1 omas paskambino Siemens.

Mažėjant temperatūrai, mažėja metalų atsparumas. Bet yra metalų ir lydinių, kurių varža, esant žemai, kiekvienam metalui ir lydiniui būdinga temperatūra, smarkiai sumažėja ir tampa nykstančiai maža – beveik lygi nuliui (81 pav., b). Ateina superlaidumas- laidininkas praktiškai neturi varžos, o jame sužadinta srovė egzistuoja ilgą laiką, kol laidininkas yra superlaidžioje temperatūroje (viename iš eksperimentų srovė buvo stebima ilgiau nei metus). Leidžiant srovės tankį per superlaidininką 1200 a/mm2šilumos išsiskyrimo nepastebėta. Vienavalenčiai metalai, kurie yra geriausi srovės laidininkai, iki itin žemos temperatūros, kurioje buvo atlikti eksperimentai, nevirsta į superlaidžią būseną. Pavyzdžiui, šiuose eksperimentuose varis buvo atšaldytas iki 0,0156°K, aukso – iki 0,0204° K. Jeigu būtų įmanoma gauti superlaidumo lydinius esant įprastoms temperatūroms, tai būtų labai svarbu elektrotechnikai.

Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, pagrindinė superlaidumo priežastis yra susietų elektronų porų susidarymas. Esant superlaidumo temperatūrai, tarp laisvųjų elektronų pradeda veikti mainų jėgos, todėl elektronai sudaro surištas elektronų poras. Tokios surištų elektronų porų elektronų dujos pasižymi kitokiomis savybėmis nei įprastos elektronų dujos – jos juda superlaidininke be trinties į kristalinės gardelės mazgus.

Vieningo valstybinio egzamino kodifikatoriaus temos: puslaidininkiai, puslaidininkių savitasis ir priemaišinis laidumas.

Iki šiol, kalbėdami apie medžiagų gebėjimą pravesti elektros srovę, jas skirstydavome į laidininkus ir dielektrikus. Paprastų laidininkų savitoji varža yra Ohm m diapazone; Dielektrikų savitoji varža viršija šias vertes vidutiniškai eilėmis: Ohm m.

Tačiau yra ir medžiagų, kurios pagal savo elektrinį laidumą užima tarpinę padėtį tarp laidininkų ir dielektrikų. Tai puslaidininkiai: jų varža kambario temperatūroje gali turėti labai platų omų diapazoną. Puslaidininkiams priskiriamas silicis, germanis, selenas ir kai kurie kiti cheminiai elementai bei junginiai (puslaidininkiai gamtoje itin paplitę. Pavyzdžiui, apie 80 % žemės plutos masės sudaro medžiagos, kurios yra puslaidininkiai). Plačiausiai naudojamas silicis ir germanis.

Pagrindinis puslaidininkių bruožas yra tas, kad jų elektrinis laidumas smarkiai didėja didėjant temperatūrai. Puslaidininkio savitoji varža mažėja didėjant temperatūrai, kaip parodyta Fig. 1.

Ryžiai. 1. Puslaidininkio priklausomybė

Kitaip tariant, žemoje temperatūroje puslaidininkiai elgiasi kaip dielektrikai, o aukštoje temperatūroje – kaip gana geri laidininkai. Tai yra skirtumas tarp puslaidininkių ir metalų: metalo savitoji varža, kaip prisimenate, didėja tiesiškai didėjant temperatūrai.

Yra ir kitų skirtumų tarp puslaidininkių ir metalų. Taigi puslaidininkio apšvietimas sukelia jo varžos sumažėjimą (o šviesa beveik neturi įtakos metalo varžai). Be to, puslaidininkių elektrinis laidumas gali labai pasikeisti, patekus net ir nedideliems priemaišų kiekiams.

Patirtis rodo, kad, kaip ir metalų atveju, srovei tekant puslaidininkiu, medžiaga neperduodama. Todėl elektros srovė puslaidininkiuose atsiranda dėl elektronų judėjimo.

Puslaidininkio varžos sumažėjimas, kai jis įkaista, rodo, kad pakilus temperatūrai, puslaidininkyje padidėja laisvųjų krūvių skaičius. Nieko panašaus neįvyksta metaluose; todėl puslaidininkiai turi kitokį elektros laidumo mechanizmą nei metalai. Ir to priežastis yra skirtinga cheminio ryšio tarp metalų ir puslaidininkių atomų prigimtis.

Kovalentinis ryšys

Metalinį ryšį, kaip prisimenate, suteikia laisvųjų elektronų dujos, kurios, kaip ir klijai, laiko teigiamus jonus kristalinės gardelės mazguose. Puslaidininkiai yra skirtingos struktūros – jų atomai laikomi kartu kovalentinis ryšys. Prisiminkime, kas tai yra.

Elektronai, esantys išoriniame elektroniniame lygmenyje ir vadinami valentingumas, yra silpniau surišti su atomu nei likę elektronai, esantys arčiau branduolio. Kovalentinio ryšio formavimosi procese du atomai įneša po vieną iš savo valentinio elektrono. Šie du elektronai yra bendri, tai yra, dabar jie priklauso abiem atomams, todėl yra vadinami bendra elektronų pora(2 pav.).

Ryžiai. 2. Kovalentinis ryšys

Socializuota elektronų pora yra tai, kas laiko atomus šalia vienas kito (naudojant elektrinės traukos jėgas). Kovalentinis ryšys yra ryšys, kuris egzistuoja tarp atomų dėl bendrų elektronų porų. Dėl šios priežasties kovalentinis ryšys taip pat vadinamas pora-elektroninė.

Silicio kristalinė struktūra

Dabar esame pasirengę atidžiau pažvelgti į vidinę puslaidininkių struktūrą. Kaip pavyzdį apsvarstykite labiausiai paplitusią gamtoje puslaidininkį - silicį. Antras pagal svarbą puslaidininkis germanis turi panašią struktūrą.

Erdvinė silicio struktūra parodyta fig. 3 (nuotrauka Beno Millso). Rutuliukai vaizduoja silicio atomus, o juos jungiantys vamzdeliai yra kovalentinių ryšių tarp atomų kanalai.

Ryžiai. 3. Silicio kristalinė struktūra

Atkreipkite dėmesį, kad kiekvienas silicio atomas yra prijungtas prie keturi kaimyniniai atomai. Kodėl taip atsitinka?

Faktas yra tas, kad silicis yra keturvalentinis – ant išorinio silicio atomo elektronų apvalkalo yra keturi valentiniai elektronai. Kiekvienas iš šių keturių elektronų yra pasirengęs sudaryti bendrą elektronų porą su kito atomo valentiniu elektronu. Štai kas atsitinka! Dėl to silicio atomas yra apsuptas keturių prie jo prijungtų atomų, kurių kiekvienas įneša po vieną valentinį elektroną. Atitinkamai, aplink kiekvieną atomą yra aštuoni elektronai (keturi mūsų ir keturi kitų).

Išsamiau tai matome plokščioje silicio kristalinės gardelės diagramoje (4 pav.).

Ryžiai. 4. Silicio kristalinė gardelė

Kovalentiniai ryšiai vaizduojami kaip linijų poros, jungiančios atomus; Šiose linijose yra bendrų elektronų porų. Kiekvienas valentinis elektronas, esantis tokioje linijoje, didžiąją laiko dalį praleidžia erdvėje tarp dviejų gretimų atomų.

Tačiau valentiniai elektronai jokiu būdu nėra „glaudžiai susieti“ su atitinkamomis atomų poromis. Elektroniniai apvalkalai persidengia visi gretimų atomų, todėl bet kuris valentinis elektronas yra bendra visų gretimų atomų nuosavybė. Iš kurio nors atomo 1 toks elektronas gali pereiti prie savo gretimo atomo 2, paskui į gretimą atomą 3 ir t.t. Valentiniai elektronai gali judėti visame kristale – teigiama priklauso visam kristalui(o ne kokia nors viena atominė pora).

Tačiau silicio valentiniai elektronai nėra laisvi (kaip yra metalo atveju). Puslaidininkyje ryšys tarp valentinių elektronų ir atomų yra daug stipresnis nei metale; Silicio kovalentiniai ryšiai nenutrūksta esant žemai temperatūrai. Elektronų energijos nepakanka norint pradėti tvarkingą judėjimą iš mažesnio potencialo į didesnį, veikiant išoriniam elektriniam laukui. Todėl esant pakankamai žemai temperatūrai puslaidininkiai yra artimi dielektrikams – jie nepraleidžia elektros srovės.

Savaiminis laidumas

Jei prijungiate puslaidininkinį elementą prie elektros grandinės ir pradedate jį šildyti, srovė grandinėje didėja. Todėl puslaidininkio varža mažėja kylant temperatūrai. Kodėl tai vyksta?

Kylant temperatūrai silicio atomų šiluminiai virpesiai tampa intensyvesni, didėja valentinių elektronų energija. Kai kurių elektronų energija pasiekia vertes, kurių pakanka kovalentiniams ryšiams nutraukti. Tokie elektronai palieka savo atomus ir tampa nemokamai(arba laidumo elektronai) – lygiai toks pat kaip metale. Išoriniame elektriniame lauke laisvieji elektronai pradeda tvarkingai judėti, sudarydami elektros srovę.

Kuo aukštesnė silicio temperatūra, tuo didesnė elektronų energija ir tuo didesnis kovalentinių ryšių skaičius negali atlaikyti ir nutrūkti. Laisvųjų elektronų skaičius silicio kristale didėja, todėl sumažėja jo atsparumas.

Kovalentinių ryšių nutrūkimas ir laisvųjų elektronų atsiradimas parodytas Fig. 5. Kovalentinio ryšio nutrūkimo vietoje a skylė- laisva vieta elektronui. Skylė turi teigiamas krūvis, nes išėjus neigiamai įkrautam elektronui, lieka nekompensuotas teigiamas silicio atomo branduolio krūvis.

Ryžiai. 5. Laisvųjų elektronų ir skylių susidarymas

Skylės nestovi vietoje – jos gali klaidžioti po kristalą. Faktas yra tas, kad vienas iš gretimų valentinių elektronų, „keliaujantis“ tarp atomų, gali peršokti į susidariusią laisvą vietą, užpildydamas skylę; tada skylė šioje vietoje išnyks, bet atsiras toje vietoje, iš kur atsirado elektronas.

Nesant išorinio elektrinio lauko, skylių judėjimas yra atsitiktinis, nes valentiniai elektronai atsitiktinai klaidžioja tarp atomų. Tačiau elektriniame lauke tai prasideda nukreiptas skylių judėjimas. Kodėl? Tai nesunku suprasti.

Fig. 6 paveiksle pavaizduotas puslaidininkis, patalpintas elektriniame lauke. Kairėje paveikslėlio pusėje yra pradinė skylės padėtis.

Ryžiai. 6. Skylės judėjimas elektriniame lauke

Kur dings skylė? Aišku, kad labiausiai tikėtini elektronų > skylių šuoliai yra kryptimi prieš lauko linijos (tai yra į „pliusus“, kurie sukuria lauką). Vienas iš šių šuolių parodytas vidurinėje paveikslo dalyje: elektronas pašoko į kairę, užpildydamas laisvą vietą, o skylė atitinkamai pasislinko į dešinę. Kitas galimas elektronų šuolis, kurį sukelia elektrinis laukas, pavaizduotas dešinėje paveikslo pusėje; Dėl šio šuolio skylė užėmė naują vietą, esančią dar toliau į dešinę.

Matome, kad skylė kaip visuma juda kryptimi lauko linijos – tai yra ten, kur turėtų judėti teigiami krūviai. Dar kartą pabrėžkime, kad kryptingą skylės judėjimą išilgai lauko sukelia valentinių elektronų šuoliai iš atomo į atomą, daugiausia vykstantys prieš lauką.

Taigi, silicio kristale yra dviejų tipų krūvininkai: laisvieji elektronai ir skylės. Kai veikia išorinis elektrinis laukas, atsiranda elektros srovė, kurią sukelia jų tvarkingas priešinis judėjimas: laisvieji elektronai juda priešingi lauko stiprumo vektoriui, o skylės - vektoriaus kryptimi.

Srovės atsiradimas dėl laisvųjų elektronų judėjimo vadinamas elektroninis laidumas, arba n tipo laidumas. Tvarkingo skylių judėjimo procesas vadinamas skylės laidumas, arba p tipo laidumas(nuo lotyniškų žodžių negativus (neigiamas) ir positivus (teigiamas) pirmųjų raidžių). Abu laidumas – elektronų ir skylių – vadinami bendrai savo laidumą puslaidininkis.

Kiekvienas elektronas, paliekantis nutrūkusį kovalentinį ryšį, sukuria „laisvojo elektrono skylės“ porą. Todėl laisvųjų elektronų koncentracija gryname silicio kristale yra lygi skylių koncentracijai. Atitinkamai, kaitinant kristalą, didėja ne tik laisvųjų elektronų, bet ir skylių koncentracija, o tai lemia puslaidininkio vidinio laidumo padidėjimą, nes padidėja ir elektronų, ir skylių laidumas.

Kartu su laisvųjų elektronų ir skylių porų susidarymu vyksta atvirkštinis procesas: rekombinacija laisvieji elektronai ir skylės. Būtent laisvasis elektronas, susidūręs su skyle, užpildo šią laisvą vietą, atkurdamas nutrūkusį kovalentinį ryšį ir virsdamas valentiniu elektronu. Taigi puslaidininkyje jis nustatomas dinaminė pusiausvyra: vidutinis kovalentinių ryšių plyšimų skaičius ir elektronų skylių porų susidarymas per laiko vienetą yra lygus vidutiniam rekombinuojančių elektronų ir skylių skaičiui. Ši dinaminės pusiausvyros būsena lemia laisvųjų elektronų ir skylių pusiausvyrą puslaidininkyje tam tikromis sąlygomis.

Išorinių sąlygų pokyčiai keičia dinaminės pusiausvyros būseną viena ar kita kryptimi. Tokiu atveju natūraliai keičiasi krūvininkų koncentracijos pusiausvyros reikšmė. Pavyzdžiui, laisvųjų elektronų ir skylių skaičius didėja, kai puslaidininkis įkaista arba apšviečiamas.

Kambario temperatūroje laisvųjų elektronų ir skylių koncentracija silicyje yra maždaug cm. Kitaip tariant, vienam silicio atomui yra vienas laisvas elektronas. Tai labai mažai. Pavyzdžiui, metaluose laisvųjų elektronų koncentracija yra maždaug lygi atomų koncentracijai. Atitinkamai, Silicio ir kitų puslaidininkių vidinis laidumas normaliomis sąlygomis yra mažas, palyginti su metalų laidumu.

Priemaišų laidumas

Svarbiausia puslaidininkių savybė yra ta, kad jų savitoji varža gali sumažėti keliomis eilėmis dėl net labai mažo priemaišų kiekio. Be savo laidumo, puslaidininkis turi dominuojantį elementą priemaišų laidumas. Dėl šio fakto puslaidininkiniai įtaisai buvo plačiai pritaikyti moksle ir technikoje.
Tarkime, kad į silicio lydalą įpilama šiek tiek penkiavalenčio arseno. Po lydalo kristalizacijos paaiškėja, kad kai kuriuose susidariusios silicio kristalinės gardelės mazguose arseno atomai užima vietas.

Tolimiausias arseno atomo elektroninis lygis turi penkis elektronus. Keturi iš jų sudaro kovalentinius ryšius su artimiausiais kaimynais – silicio atomais (7 pav.). Koks penktojo elektrono, neužimto ​​šiuose ryšiuose, likimas?

Ryžiai. 7. N tipo puslaidininkis

Ir penktasis elektronas tampa laisvas! Faktas yra tas, kad šio „papildomo“ elektrono su arseno atomu, esančiu silicio kristale, rišimosi energija yra daug mažesnė nei valentinių elektronų su silicio atomais surišimo energija. Todėl jau kambario temperatūroje beveik visi arseno atomai dėl šiluminio judėjimo lieka be penktojo elektrono, virsdami teigiamais jonais. Ir silicio kristalas, atitinkamai, yra užpildytas laisvaisiais elektronais, kurie buvo atskirti nuo arseno atomų.

Kristalo užpildymas laisvaisiais elektronais mums nėra naujiena: tai matėme aukščiau, kai jis buvo šildomas švarus silicio (be jokių priemaišų). Tačiau dabar situacija iš esmės kitokia: laisvo elektrono, paliekančio arseno atomą, atsiradimas nėra lydimas judrios skylės atsiradimo. Kodėl? Priežastis ta pati – valentinių elektronų ryšys su silicio atomais yra daug stipresnis nei su penktoje laisvoje vietoje esančiu arseno atomu, todėl gretimų silicio atomų elektronai šios laisvos vietos nėra linkę užpildyti. Taigi laisva vieta lieka vietoje, ji tarsi „užšaldoma“ iki arseno atomo ir nedalyvauja kuriant srovę.

Taigi, penkiavalenčių arseno atomų įvedimas į silicio kristalinę gardelę sukuria elektroninį laidumą, bet nesukelia simetriškos skylės laidumo išvaizdos. Pagrindinis vaidmuo kuriant srovę dabar priklauso laisviesiems elektronams, kurie šiuo atveju vadinami pagrindiniai vežėjai mokestis.

Žinoma, vidinio laidumo mechanizmas ir toliau veikia esant priemaišoms: kovalentiniai ryšiai vis dar nutrūksta dėl šiluminio judėjimo, generuodami laisvus elektronus ir skyles. Tačiau dabar skylių yra daug mažiau nei laisvųjų elektronų, kurių dideliais kiekiais suteikia arseno atomai. Todėl šiuo atveju skylės bus ne pagrindinė žiniasklaida mokestis.

Priemaišos, kurių atomai atiduoda laisvuosius elektronus, neatsirasdami vienodo skaičiaus judrių skylių, vadinamos donoras. Pavyzdžiui, penkiavalentis arsenas yra donoro priemaiša. Jei puslaidininkyje yra donorinė priemaiša, didžioji dalis krūvininkų yra laisvieji elektronai, o mažumos krūvininkai yra skylės; kitaip tariant, laisvųjų elektronų koncentracija yra daug didesnė nei skylių koncentracija. Todėl puslaidininkiai su donorinėmis priemaišomis vadinami elektroniniai puslaidininkiai, arba n tipo puslaidininkiai(arba tiesiog n-puslaidininkiai).

Ir kiek, įdomu, laisvųjų elektronų koncentracija gali viršyti skylių koncentraciją n puslaidininkyje? Atlikime paprastą skaičiavimą.

Tarkime, kad priemaiša yra , tai yra, tūkstančiui silicio atomų yra vienas arseno atomas. Silicio atomų koncentracija, kaip prisimename, yra cm.

Arseno atomų koncentracija atitinkamai bus tūkstantį kartų mažesnė: cm Priemaišos atiduotų laisvųjų elektronų koncentracija taip pat bus tokia pati - juk kiekvienas arseno atomas atiduoda elektroną. Dabar prisiminkime, kad nutrūkus silicio kovalentinėms jungtims atsirandančių elektronų ir skylių porų koncentracija yra maždaug cm Ar jaučiate skirtumą? Laisvųjų elektronų koncentracija šiuo atveju yra didesnė už skylių koncentraciją dydžio eilėmis, tai yra milijardą kartų! Atitinkamai, silicio puslaidininkio savitoji varža sumažėja milijardą kartų, kai įvedamas toks mažas priemaišų kiekis.

Aukščiau pateiktas skaičiavimas rodo, kad n tipo puslaidininkiuose pagrindinį vaidmenį iš tikrųjų atlieka elektroninis laidumas. Atsižvelgiant į tokį milžinišką laisvųjų elektronų skaičiaus pranašumą, skylių judėjimo indėlis į bendrą laidumą yra nereikšmingas.

Priešingai, galima sukurti puslaidininkį su vyraujančiu skylių laidumu. Taip atsitiks, jei į silicio kristalą bus patekusi trivalentė priemaiša – pavyzdžiui, indis. Tokio įgyvendinimo rezultatas parodytas fig. 8.

Ryžiai. 8. P tipo puslaidininkis

Kas atsitinka šiuo atveju? Tolimiausiame elektroniniame indžio atomo lygyje yra trys elektronai, kurie sudaro kovalentinius ryšius su trimis aplinkiniais silicio atomais. Ketvirtajam kaimyniniam silicio atomui indžio atomui nebepakanka elektronų, ir šioje vietoje atsiranda skylė.

Ir ši skylė ne paprasta, o ypatinga – su labai didele rišimo energija. Kai į jį pateks elektronas iš gretimo silicio atomo, jis „įstrigs jame amžiams“, nes elektrono trauka indžio atomui yra labai stipri - labiau nei silicio atomams. Indžio atomas pavirs neigiamu jonu, o toje vietoje, iš kurios kilo elektronas, atsiras skylė, bet dabar įprasta mobili skylė nutrūkusios kovalentinės jungties pavidalu silicio kristalinėje gardelėje. Ši skylė pradės klajoti aplink kristalą įprastu būdu dėl „relės lenktynių“ valentinių elektronų perdavimo iš vieno silicio atomo į kitą.

Taigi kiekvienas priemaišos indžio atomas sukuria skylę, bet nesukelia simetriškos laisvojo elektrono išvaizdos. Tokios priemaišos, kurių atomai „tvirtai“ sulaiko elektronus ir taip kristale sukuria judrią skylę, vadinamos priėmėjas.

Trivalentis indis yra akceptoriaus priemaišos pavyzdys.

Jei į gryno silicio kristalą įvedama akceptoriaus priemaiša, tada priemaišos sukurtų skylių skaičius bus daug didesnis nei laisvųjų elektronų, susidarančių nutrūkus kovalentinėms jungtims tarp silicio atomų, skaičius. Puslaidininkis su akceptoriaus priemaiša yra skylinis puslaidininkis, arba p tipo puslaidininkis(arba tiesiog p-puslaidininkis).

Skylės vaidina svarbų vaidmenį kuriant srovę p-puslaidininkyje; skylės - pagrindiniai krūvininkai. Laisvieji elektronai - nedidelė žiniasklaida krūvis p-puslaidininkyje. Laisvųjų elektronų judėjimas šiuo atveju reikšmingo indėlio neprisideda: elektros srovę pirmiausia teikia skylės laidumas.

p–n sandūra

Dviejų skirtingų laidumo tipų (elektroninio ir skylės) puslaidininkių sąlyčio taškas vadinamas elektronų skylės perėjimas, arba p–n sandūra. P–n sandūros srityje atsiranda įdomus ir labai svarbus reiškinys - vienpusis laidumas.

Fig. 9 parodytas p ir n tipo sričių kontaktas; spalvoti apskritimai yra skylės ir laisvieji elektronai, kurie yra dauguma (arba mažuma) krūvininkų atitinkamuose regionuose.

Ryžiai. 9. P–n sandūros blokuojantis sluoksnis

Atlikdami šiluminį judėjimą, krūvininkai prasiskverbia per sąsają tarp regionų.

Laisvieji elektronai juda iš n srities į p sritį ir ten rekombinuojasi su skylėmis; skylės difunduoja iš p srities į n sritį ir ten rekombinuojasi su elektronais.

Dėl šių procesų elektroniniame puslaidininkyje prie kontaktinės ribos lieka nekompensuotas donorinės priemaišos teigiamų jonų krūvis, o skylės puslaidininkyje (taip pat prie ribos) – nekompensuotas neigiamas akceptoriaus priemaišos jonų krūvis. Šie nekompensuoti erdvės mokesčiai sudaro vadinamuosius barjerinis sluoksnis, kurio vidinis elektrinis laukas neleidžia toliau sklisti laisviesiems elektronams ir skylėms per kontakto ribą.

Dabar prie mūsų puslaidininkinio elemento prijungkime srovės šaltinį, šaltinio „pliusą“ pritaikydami n puslaidininkiui, o „minusą“ p puslaidininkiui (10 pav.).

Ryžiai. 10. Įjungimas atvirkštine kryptimi: nėra srovės

Matome, kad išorinis elektrinis laukas perkelia daugumą krūvininkų toliau nuo kontaktinės ribos. Blokuojančio sluoksnio plotis didėja, o jo elektrinis laukas didėja. Blokuojančio sluoksnio atsparumas yra didelis, o dauguma nešėjų negali įveikti p–n sandūros. Elektrinis laukas leidžia peržengti ribą tik mažumos nešėjams, tačiau dėl labai mažos mažumos nešėjų koncentracijos jų sukuriama srovė yra nereikšminga.

Nagrinėjama schema vadinama įjungiant p–n sandūrą priešinga kryptimi. Nėra pagrindinio nešiklio elektros srovės; yra tik nereikšminga nešiklio srovė. Tokiu atveju p–n sandūra pasirodo esanti uždara.

Dabar pakeiskime jungties poliškumą ir p-puslaidininkiui pritaikykime "pliusą", o n-puslaidininkiui - "minusą" (11 pav.). Ši schema vadinama perjungimas į priekį.

Ryžiai. 11. Įjungimas į priekį: teka srovė

Šiuo atveju išorinis elektrinis laukas yra nukreiptas prieš blokuojantį lauką ir atveria kelią daugumai nešėjų per p–n sandūrą. Užtvarinis sluoksnis plonėja ir jo atsparumas mažėja.

Vyksta didžiulis laisvųjų elektronų judėjimas iš n srities į p sritį, o skylės, savo ruožtu, skuba kartu iš p srities į n sritį.

Grandinėje atsiranda srovė, kurią sukelia daugumos krūvininkų judėjimas (Tačiau dabar elektrinis laukas neleidžia mažumos nešėjų srovėms, tačiau šis nereikšmingas veiksnys neturi pastebimos įtakos bendram laidumui).

Naudojamas vienpusis p–n sandūros laidumas puslaidininkiniai diodai. Diodas yra prietaisas, kuris srovę teka tik viena kryptimi; priešinga kryptimi per diodą srovė neeina (sakoma, kad diodas uždarytas). Scheminis diodo vaizdas parodytas fig. 12.

Ryžiai. 12. Diodas

Šiuo atveju diodas yra atviras kryptimi iš kairės į dešinę: atrodo, kad krūviai teka išilgai rodyklės (žr. paveikslėlyje?). Kryptimi iš dešinės į kairę įkrovos tarsi atsiremia į sieną – diodas uždarytas.