Puslaidininkiai gamtoje. Puslaidininkių pavyzdžiai

Puslaidininkių savybės – gintaro savybė, įtrynus vilna, pritraukti smulkūs daiktai, buvo pastebėta seniai. Bet elektriniai reiškiniai, nepastovios ir trumpalaikės, ilgą laiką buvo magnetinių reiškinių šešėlyje, kurie laikui bėgant yra stabilesni.

XVII ir XVIII a elektriniai eksperimentai pasirodė esąs plačiai prieinamas, ir buvo padaryta nemažai naujų atradimų. 1729 m. anglas Stephenas Gray'us atrado, kad visos medžiagos yra suskirstytos į 2 klases: izoliatorius, negalinčius pernešti elektros krūvio (vadinamus " elektriniai kūnai“, nes jie gali būti elektrifikuojami dėl trinties), ir krūvį nešiojantys laidininkai (vadinami „neelektriniais kūnais“).

Šiuolaikinės idėjos apie elektrines medžiagų savybes

Tolimesnėms idėjoms tobulėjant, medžiagų savybės laiduoti elektros srovę pradėtos apibūdinti kiekybiškai – specifine verte. elektros laidumas, matuojamas siemenais vienam metrui (S/m). Kambario temperatūroje laidininkų laidumas svyruoja nuo 10 6 iki 10 8 S/m, o dielektrikams (izoliatoriams) mažesnis nei 10 -8 S/m.

Medžiagos, turinčios laidumą tarpinė padėtis, logiška vadinti puslaidininkius arba pusiau izoliatorius. Pirmasis vardas buvo istoriškai fiksuotas. Puslaidininkių laidumas svyruoja nuo 10 -8 iki 10 6 S/m. Tarp šių 3 medžiagų rūšių nėra ryškių ribų, kokybinius skirtumus lemia kiekybinių savybių skirtumas.

Iš fizikos žinoma, kad elektronas kietajame kūne negali turėti savavališkos energijos, ši energija gali įgyti tik tam tikras vertes, vadinamas energijos lygiais. Kuo arčiau atomo elektronas yra prie branduolio, tuo mažesnė jo energija. Tolimas elektronas turi didžiausią energiją. Elektros ir cheminiai procesai Dalyvauja tik išorinio atomo apvalkalo elektronai (vadinamosios valentinės juostos elektronai).

Elektronai su daugiau didelė energija, nei valentinės juostos elektronai, priklauso laidumo juostos elektronams. Šie elektronai nėra susieti su atskirais atomais ir atsitiktinai juda kūne, kad būtų užtikrintas laidumas.

Medžiagos atomai, padovanoję elektroną laidumo juostai, laikomi teigiamai įkrautais jonais, jie yra nejudrūs ir sudaro medžiagos kristalinę gardelę, kurioje juda laidumo elektronai. Laidiuose (metaluose) laidumo juosta yra greta valentinės juostos, o kiekvienas metalo atomas be trukdžių laidumo juostai atiduoda vieną ar daugiau elektronų, kurie suteikia metalams elektrinio laidumo savybę.

Puslaidininkių savybes lemia juostos tarpas

Puslaidininkiuose ir dielektrikuose tarp valentinės juostos ir laidumo juostos yra taip vadinama. draudžiama zona. Elektronai negali turėti energijos, atitinkančios šios zonos lygių energiją. Medžiagų padalijimas į dielektrikus ir puslaidininkius atliekamas priklausomai nuo juostos tarpo pločio. Esant kelių elektronų voltų (eV) juostai, valentinės juostos elektronai turi mažai galimybių patekti į laidumo juostą, todėl šios medžiagos yra nelaidžios. Taigi, deimantų juostos tarpas yra 5,6 eV. Tačiau kylant temperatūrai valentinės juostos elektronai padidina savo energiją, o dalis jų patenka į laidumo juostą, o tai pablogina dielektrikų izoliacines savybes.

Jei juostos tarpas yra maždaug vieno elektrono volto, medžiaga įgauna pastebimą laidumą jau kambario temperatūroje, o didėjant temperatūrai tampa dar laidesnė. Tokias medžiagas priskiriame puslaidininkiams, o puslaidininkių savybes lemia juostos tarpas.

Kambario temperatūroje puslaidininkių juostos tarpas yra mažesnis nei 2,5-3 eV. Pavyzdžiui, germanio juostos tarpas yra 0,72 eV, o silicio - 1,12 eV. Plataus dažnio juostos puslaidininkiams priskiriami puslaidininkiai, kurių dažnių juostos tarpas yra didesnis nei 2 eV. Paprastai kuo didesnis puslaidininkio juostos tarpas, tuo aukštesnė jo lydymosi temperatūra. Taigi germanio lydymosi temperatūra yra 936 °C, o silicio – 1414 °C.

Dviejų tipų puslaidininkių laidumas – elektroninis ir skylinis

Esant absoliutai nulinei temperatūrai (-273 °C), gryname puslaidininkyje (savajame puslaidininkyje arba puslaidininkyje i-tipo) visi elektronai yra atomuose, o puslaidininkis yra izoliatorius. Kylant temperatūrai, dalis valentinės juostos elektronų patenka į laidumo juostą ir atsiranda elektroninis laidumas. Bet kai atomas praranda elektroną, jis tampa teigiamai įkrautas.

Judėkite paveikti elektrinis laukas atomas, užimantis vietą kristalinėje gardelėje, negali, bet gali pritraukti elektroną iš gretimo atomo, užpildydamas „skylę“ savo valentinėje juostoje. Atomas, praradęs elektroną, savo ruožtu taip pat ieškos galimybės užpildyti išoriniame apvalkale susidariusią „skylę“. Skylė turi visas teigiamo krūvio savybes ir galime daryti prielaidą, kad puslaidininkyje yra 2 rūšių nešikliai – neigiamo krūvio elektronai ir teigiamai įkrautos skylės.

Laidumo elektronai valentinėje juostoje gali užimti laisvas vietas, t.y. sujungti su skylėmis. Šis procesas vadinamas rekombinacija, o kadangi nešėjų generavimas ir rekombinacija vyksta vienu metu, tam tikroje temperatūroje nešėjų porų skaičius yra dinaminės pusiausvyros būsenoje – susidariusių porų skaičius lyginamas su rekombinuojančių porų skaičiumi.

Puslaidininkio savitasis laidumas i-tipas susideda iš elektroninio ir skylinio laidumo, vyraujant elektroniniam laidumui, nes elektronai yra judresni nei skylės. Metalų ar puslaidininkių savitasis elektros laidumas priklauso nuo krūvininkų skaičiaus kubiniame metre. cm, arba dėl elektronų ir skylių koncentracijos.

Jei atomų skaičius 1 kub cm medžiagos yra apie 10 22, tada kambario temperatūroje metaluose laidumo elektronų skaičius nėra mažesnis skaičius atomai, t.y. taip pat 10 22 laipsnio, o gryname germanyje krūvininkų koncentracija yra apie 10 13 cm -3, o silicyje - 10 10 cm -3, o tai yra žymiai mažesnė nei metalo, todėl laidumas puslaidininkiai yra milijonus ir milijardus kartų blogesni už metalus.

Viskas dėl nešvarumų

Puslaidininkiui padėjus įtampą, jame atsirandantis elektrinis laukas pagreitina elektronus ir skyles, jų judėjimas tampa tvarkingas, atsiranda elektros srovė – laidumo srovė. Be vidinio laidumo, puslaidininkiuose taip pat yra priemaišų laidumas, kuris, kaip galima spėti iš pavadinimo, atsiranda dėl priemaišų puslaidininkyje.

Jei prie 4-valenčio germanio bus pridėtas nereikšmingas kiekis 5-valenčio stibio, arseno ar fosforo, priemaišos atomai naudos 4 elektronus, kad prisijungtų prie germanio atomų, o penktasis bus laidumo juostoje, o tai žymiai pagerina laidumą. puslaidininkio. Tokios priemaišos, kurių atomai atiduoda elektronus, vadinamos donorais. Kadangi tokiuose puslaidininkiuose vyrauja elektroninis laidumas, jie vadinami puslaidininkiais n-tipas (nuo Angliškas žodis neigiamas- neigiamas). Kad visi donoro atomai paaukotų elektroną laidumo juostai, energijos zona donoro atomai turėtų būti kuo arčiau puslaidininkio laidumo juostos, šiek tiek žemiau jos.

Kai prie 4-valenčio germanio pridedama 3-valenčio boro, indžio arba aliuminio priemaišos, priemaišos atomai atima elektronus iš germanio atomų, o germanis įgyja skylių laidumą ir tampa puslaidininkiu. p-tipas (iš angliško žodžio teigiamas– teigiamas). Priemaišos, kurios sukuria skylių laidumą, vadinamos akceptoriais.

Kad akceptoriai lengvai gautų elektronus, akceptorių atomų energijos lygiai turi būti greta puslaidininkio valentinės juostos lygių, esančių tiesiai virš jo.

Priemaišų laidumas paprastai gerokai viršija vidinį laidumą, nes donorų arba akceptorių atomų koncentracija žymiai viršija vidinių nešėjų koncentraciją. Labai sunku gauti puslaidininkį su griežtai dozuotu priemaišų kiekiu, o pradinis puslaidininkis taip pat turi būti labai grynas. Taigi germaniui 10 milijardų germanio atomų leidžiamas ne daugiau kaip vienas svetimos priemaišos (t.y. nei donoro, nei akceptoriaus) atomas, o siliciui grynumo reikalavimai net 1000 kartų didesni.

Metalo-puslaidininkio perėjimas

Puslaidininkiniuose įrenginiuose reikia naudoti puslaidininkinius metalinius kontaktus. Medžiagai (metalui ar puslaidininkiui) būdinga energija, reikalinga elektronui palikti medžiagą – darbo funkcija. Darbo funkciją nuo metalo pažymėkime kaip A m, o nuo puslaidininkio – kaip A p.

Ohminiai kontaktai

Jei reikia sukurti ominį kontaktą (t. y. netaisyklinį, kai kontaktinė varža maža esant bet kokiam įjungtos įtampos poliškumui), pakanka užtikrinti metalo kontaktą su puslaidininkiu tokiomis sąlygomis:

• Sąlytyje su n-puslaidininkiu: A m< A п;
• Sąlytyje su p-puslaidininkiu: A m > A p .

Panašios savybės puslaidininkiai paaiškinama tuo, kad daugumos nešikliai kaupiasi puslaidininkio ribiniame sluoksnyje, o tai užtikrina mažą jo varžą. Daugumos nešėjų kaupimąsi užtikrina tai, kad elektronai visada pereina iš medžiagos, turinčios mažesnę darbo funkciją, į medžiagą su daugiau darbo išeiti.

Lygintuvo kontaktai

Bet jei su puslaidininkiu n-tipo yra metalas, kuris liečiasi su A m > A p, tada elektronai judės iš puslaidininkio į metalą, o ribiniame sluoksnyje susidaro daugumos nešėjų išeikvota ir mažo laidumo sritis. Norint įveikti susidariusį barjerą, kontaktui turi būti taikoma tam tikro poliškumo ir pakankamo dydžio įtampa. Taikant atvirkštinį poliškumą, kontakto laidumas dar labiau pablogės – toks kontaktas turi lyginimo savybių. Nesunku pastebėti, kad metalo ir puslaidininkio kontaktas turi panašias savybes kaip puslaidininkiai. p- įveskite A m< A п.

Puslaidininkių detektoriaus istorija

Panašias metalinių puslaidininkių puslaidininkių savybes 1874 metais atrado vokiečių fizikas Ferdinandas Braunas. Ankstyviausi metaliniai puslaidininkiniai diodai atsirado apie 1900 m., kai radijo imtuvai pradėjo naudoti detektorius, sudarytus iš volframo vielos, prispaustos prie galenos (švino sulfido) kristalo paviršiaus. Radijo mėgėjai detektorius gamino patys, sulydydami šviną su siera.

1906 metais prancūzų mokslininkas G. Picardas sukonstravo detektorių iš silicio kristalo ir spiralinę kontaktinę spyruoklę su antgaliu ir gavo jam patentą. Elektroniniai prietaisai, pagrįsti metalo ir puslaidininkio kontaktu, vadinami Šotkio diodais vokiečių fiziko Walterio Šotkio, tyrinėjusio tokius kontaktus, vardu.

1926 m. pasirodė galingi vario oksido sluoksniu padengti vario plokštės sudaryti galingi vario oksido lygintuvai, kurie buvo plačiai naudojami jėgos agregatuose.

Elektronų skylės perėjimas

Elektronų skylės perėjimas, arba n-p sandūra yra dviejų puslaidininkių ribos sritis skirtingų tipų laidumo, o puslaidininkinių įtaisų veikimas pagrįstas tokių perėjimų savybių panaudojimu. Jei sankryžoje nėra įtampos, krūvininkai juda iš didesnės koncentracijos sričių į mažesnės koncentracijos sritis – iš puslaidininkio. n- tipo puslaidininkis p-tipo elektronai juda, o skylės – priešinga kryptimi.

Dėl šių judesių abiejose sąsajos pusėse atsiranda sritys su erdviniu krūviu ir tarp šių sričių atsiranda kontaktinio potencialo skirtumas. Šis potencialų skirtumas sudaro potencialų barjerą, kuris neleidžia tolesnis perėjimas nešėjai per užtvarą. Užtvaros aukštis (kontaktinio potencialo skirtumas) priklauso nuo priemaišų koncentracijos, o germaniui jis paprastai yra 0,3-0,4 V, pasiekiantis 0,7 V. Pastovioje būsenoje per sandūrą nėra srovės, nes p-n- sandūra turi didelę varžą, palyginti su kitomis puslaidininkių sritimis, o gautas sluoksnis vadinamas blokuojančiu sluoksniu.

Jei reikia n-p-prijunkite sandūrą išorine įtampa, tada, priklausomai nuo jos poliškumo, sandūra elgsis skirtingai.

Nuolatinė srovė teka per sandūrą

Jei į puslaidininkį p-taikant įtampos šaltinio „pliusą“, tada šaltinio sukurtas laukas veikia priešingai nei laukui kontaktų skirtumas potencialai, suminis laukas mažėja, potencialo barjero aukštis mažėja ir jį įveikia didesnis skaičius nešėjų. Per sandūrą pradeda tekėti srovė, vadinama nuolatine. Tuo pačiu apsauginio sluoksnio storis ir jo elektrinė varža.

Dėl reikšmingo nuolatinė srovė sandūroje pakanka įvesti įtampą, prilygstančią užtvaros aukščiui, kai nėra įjungtos įtampos, t.y. dešimtųjų voltų, o esant dar aukštesnei įtampai, barjerinio sluoksnio varža taps artima nuliui.

Atbulinė srovė teka per sankryžą

Jei išorinė įtampa yra „atvirkštinė“, t.y. prisirišti prie p-puslaidininkio „minuso“ įtampos šaltinis, išorinis įtampos laukas bus pridėtas prie kontaktinio potencialo skirtumo lauko. Potencialaus barjero aukštis didėja, o tai trukdys daugumos nešėjų sklaidai per sandūrą, o srovė per sankryžą, vadinama „atvirkštine“, bus maža. Užtvarinis sluoksnis tampa storesnis ir padidėja jo elektrinė varža.

Elektronų skylių sandūrų ištaisymo savybės naudojamos įvairios galios ir paskirties dioduose – taisymui AC maitinimo šaltiniuose ir silpni signalai įvairios paskirties įrenginiuose.

Kiti puslaidininkių savybių pritaikymai

Elektronų skylės perėjimas su atvirkštine įtampa elgiasi panašiai kaip įkrautas elektrinis kondensatorius kurių talpa nuo vienetų iki šimtų pikofaradų. Ši talpa priklauso nuo jungties įtampos, kuri leidžia kai kurių tipų puslaidininkinius įtaisus naudoti kaip kintamus kondensatorius, valdomus pagal taikomą įtampą.

Savybės n-p-perėjimai taip pat labai priklauso nuo terpės temperatūros, kuri leidžia naudoti atskiros rūšys puslaidininkiniai įtaisai kaip temperatūros jutikliai. Prietaisai su trimis skirtingo laidumo regionais, pvz n-p-n, leidžia kurti įrenginius, turinčius elektrinių signalų stiprinimo, taip pat juos generuojančių savybių.

Jūs, jaunasis drauge, esate techninės revoliucijos amžininkas visose radijo elektronikos srityse. Jo esmė slypi tame, kad vakuuminius vamzdžius pakeitė puslaidininkiniai įtaisai, o dabar juos vis dažniau keičia mikroschemos.

Vieno iš labiausiai protėvis būdingi atstovai Puslaidininkinių įtaisų „armija“ - tranzistorius - buvo vadinamasis generuojantis detektorius, kurį 1922 m. išrado sovietų radiofizikas O. V. Losevas. Šis prietaisas, kuris yra puslaidininkinis kristalas su dviem gretimais laidais – laidininkais, tam tikromis sąlygomis gali generuoti ir sustiprinti elektros vibracijos. Bet tada dėl netobulumų jis negalėjo konkuruoti su elektronų vamzdžiu. Vertas puslaidininkio varžovas elektronų vamzdžiui, vadinamas tranzistoriumi, 1948 m. buvo sukurtas amerikiečių mokslininkų Brattain, Bardeen ir Shockley. Mūsų šalyje didelį indėlį į puslaidininkinių prietaisų kūrimą įnešė A.F.Ioffe, L.D.Landau, B.I.Davydova, V.E. Loshkarev ir daugybė kitų mokslininkų bei inžinierių, daugybė mokslinių komandų.

Norėdami suprasti šiuolaikiniuose puslaidininkiniuose įrenginiuose vykstančių reiškinių esmę, turėsime „pažvelgti“ į puslaidininkio struktūrą ir suprasti puslaidininkių susidarymo priežastis. elektros srovė. Bet prieš tai būtų gerai, kad prisimintumėte tą pirmojo pokalbio dalį, kurioje kalbėjau apie atomų sandarą.

PUSLAIDINČIAI IR JŲ SAVYBĖS

Leiskite jums priminti: iki elektrines savybes puslaidininkiai užima vidurinę vietą tarp srovės laidininkų ir nelaidininkų. Prie to, kas pasakyta, pridursiu, kad puslaidininkių grupė apima daug daugiau medžiagų nei laidininkų ir nelaidininkų grupės kartu paėmus. Puslaidininkiams, kurie rado praktinis pritaikymas technologijoje yra germanis, silicis, selenas, vario oksidas ir kai kurios kitos medžiagos. Tačiau puslaidininkiniams įtaisams daugiausia naudojamas tik germanis ir silicis.

Kokių yra daugiausia būdingos savybės puslaidininkius, skiriant juos nuo srovės laidininkų ir nelaidininkų? Puslaidininkių elektrinis laidumas labai priklauso nuo aplinkos temperatūra. Esant labai žemai temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui (-273°C), jie veikia kaip izoliatoriai elektros srovės atžvilgiu. Dauguma laidininkų, priešingai, tokioje temperatūroje tampa superlaidžiais, t.y. beveik neturi atsparumo srovei. Didėjant laidininkų temperatūrai, didėja jų varža elektros srovei, mažėja puslaidininkių. Laidininkų elektrinis laidumas nesikeičia veikiant šviesai. Padidėja puslaidininkių elektros laidumas, veikiant šviesai, vadinamasis fotolaidumas. Puslaidininkiai gali paversti šviesos energiją į elektros srovę. Tai absoliučiai nebūdinga laidininkams. Puslaidininkių elektrinis laidumas smarkiai padidėja, kai į juos įvedami kai kurių kitų elementų atomai. Laidininkų elektrinis laidumas mažėja, kai į juos patenka priemaišų. Šios ir kai kurios kitos puslaidininkių savybės buvo žinomos gana seniai, tačiau jos buvo pradėtos plačiai naudoti palyginti neseniai.

Germanis ir silicis, kurie yra daugelio šiuolaikinių puslaidininkinių įtaisų pradinės medžiagos, išoriniuose apvalkalo sluoksniuose turi po keturis valentinius elektronus. Iš viso germanio atome yra 32 elektronai, o silicio atome - 14, tačiau 28 germanio atomo elektronus ir 10 elektronų silicio atomo, esančių vidiniuose jų apvalkalo sluoksniuose, tvirtai laikomi branduoliuose ir. jokiomis aplinkybėmis nuo jų neatskiriami. Tik keturi šių puslaidininkių atomų valentiniai elektronai gali ir net tada ne visada tapti laisvi. Prisiminkite: keturi! Puslaidininkio atomas, praradęs bent vieną elektroną, tampa teigiamu jonu.

Puslaidininkyje atomai yra išdėstyti griežta tvarka: Kiekvienas atomas yra apsuptas keturių panašių atomų. Jie taip pat yra taip arti vienas kito, kad jų valentiniai elektronai sudaro atskiras orbitas, einančias aplink visus gretimus atomus, sujungdami juos į vieną medžiagą. Šis puslaidininkinio kristalo atomų santykis gali būti įsivaizduojamas plokščios diagramos pavidalu, kaip parodyta Fig. 72, a. Čia dideli rutuliai su „+“ ženklu paprastai žymi atomų branduolius su vidinius sluoksnius elektronų apvalkalas (teigiami jonai), o maži rutuliukai yra valentiniai elektronai. Kiekvienas atomas, kaip matote, yra apsuptas keturių lygiai tokių pačių atomų. Bet kuris iš atomų yra sujungtas su kiekvienu kaimyniniu dviem valentiniais elektronais, iš kurių vienas yra „savas“, o antrasis yra pasiskolintas iš „kaimyno“. Tai dviejų elektronų arba valentinė jungtis. Stipriausias ryšys!

Ryžiai. 72. Puslaidininkinio kristalo atomų santykio diagrama (a) ir supaprastinta jo sandaros schema (b)

Savo ruožtu kiekvieno atomo elektroninio apvalkalo išoriniame sluoksnyje yra aštuoni elektronai: keturi savo ir po vieną iš keturių gretimų atomų. Čia jau nebeįmanoma atskirti, kuris iš valentinių elektronų atome yra „tavo“, o kuris „svetimas“, nes jie tapo įprasti. Su tokiu atomų ryšiu visoje germanio ar silicio kristalo masėje galime manyti, kad puslaidininkinis kristalas yra viena didelė molekulė.

Atomų sujungimo puslaidininkyje diagramą galima supaprastinti, pavaizduojant ją taip, kaip parodyta Fig. 72, gim. Čia atomų branduoliai su vidiniais elektronų apvalkalais pavaizduoti kaip apskritimai su pliuso ženklu, o tarpatominiai ryšiai – kaip dvi linijos, simbolizuojančios valentinius elektronus.

Puslaidininkiams būdingos ir laidininkų, ir dielektrikų savybės. Puslaidininkiniuose kristaluose atomai užmezga kovalentinius ryšius (tai yra, vienas elektronas silicio kristale, kaip ir deimantas, yra sujungtas dviem atomais, kad iš atomo išsiskirtų tam tikras vidinės energijos lygis (1,76 10 -19 J, palyginti su 11,2); 10 −19 J, kuri apibūdina skirtumą tarp puslaidininkių ir dielektrikų). Ši energija juose atsiranda kylant temperatūrai (pavyzdžiui, kambario temperatūroje atomų šiluminio judėjimo energijos lygis yra 0,4·10−19 J), o atskiri atomai gauna energiją elektronui pašalinti iš atomo. Kylant temperatūrai, didėja laisvųjų elektronų ir skylių skaičius, todėl puslaidininkyje, kuriame nėra priemaišų, savitoji varža mažėja. Paprastai puslaidininkiais laikomi elementai, kurių elektronų surišimo energija yra mažesnė nei 1,5-2 eV. Elektronų skylių laidumo mechanizmas pasireiškia vietiniuose (ty be priemaišų) puslaidininkiuose. Jis vadinamas vidiniu puslaidininkių elektriniu laidumu.

Skylė

Nutrūkus ryšiui tarp elektrono ir branduolio, atomo elektroniniame apvalkale atsiranda laisva erdvė. Tai sukelia elektrono perkėlimą iš kito atomo į atomą, turintį laisvą vietą. Atomas, iš kurio praėjo elektronas, gauna kitą elektroną iš kito atomo ir tt Taip yra dėl atomų kovalentinių ryšių. Taigi teigiamas krūvis juda nejudindamas paties atomo. Šis sąlyginis teigiamas krūvis vadinama skyle.

Savaiminis tankumas

Esant termodinaminei pusiausvyrai, puslaidininkio elektronų tankis yra susijęs su temperatūra tokiu ryšiu:

- laidžios juostos lygis - Fermi lygis;

- Planko konstanta;

- skylės masė;

- temperatūra; - Fermi lygis;

- valentinės juostos lygis.

Vidinis tankis yra susijęs su šiais santykiais:

Puslaidininkių tipai

Pagal laidumo prigimtį

Savaiminis laidumas

Puslaidininkiai, kuriuose jonizuojantis atomams, iš kurių yra pastatytas visas kristalas, atsiranda laisvųjų elektronų ir „skylių“, vadinami savaime laidžiais puslaidininkiais. Puslaidininkiuose su vidiniu laidumu laisvųjų elektronų koncentracija yra lygi „skylių“ koncentracijai.

Laidumas yra susijęs su dalelių judumu tokiu ryšiu: kur varža, elektronų judrumas, skylių judrumas, jų koncentracija, q elementarusis elektros krūvis (1,602·10 −19 C). Vidiniam puslaidininkiui nešiklio koncentracijos sutampa, o formulė yra tokia:

Priemaišų laidumas

Norėdami sukurti puslaidininkinius įtaisus, kristalus su

priemaišų laidumas

. Tokie kristalai gaminami įvedant priemaišas su trivalenčio arba penkiavalenčio cheminio elemento atomais. Pagal laidumo tipą Elektroniniai puslaidininkiai (n tipo) n tipo puslaidininkis Terminas "n tipo" kilęs iš žodžio „neigiamas“, reiškiančio neigiamas krūvis pagrindiniai vežėjai. Šio tipo puslaidininkiai turi priemaišų pobūdį. Į keturvalentį puslaidininkį (pavyzdžiui, silicį) dedama penkiavalenčio puslaidininkio priemaiša (pavyzdžiui, arsenas). Sąveikos metu kiekvienas priemaišos atomas įveda kovalentinį ryšį su silicio atomais. Tačiau penktam arseno atomo elektronui sočiųjų valentinių ryšių nėra vietos ir jis nukeliauja į toli.

elektronų apvalkalas

. Ten elektronui pašalinti iš atomo reikia mažiau energijos. Elektronas nuimamas ir tampa laisvas. Šiuo atveju krūvį perduoda elektronas, o ne skylė, tai yra

šio tipo

. Tokie kristalai gaminami įvedant priemaišas su trivalenčio arba penkiavalenčio cheminio elemento atomais. Puslaidininkiai praleidžia elektros srovę kaip metalai. Priemaišos, kurios dedamos į puslaidininkius, todėl jie tampa n tipo puslaidininkiais, vadinamos donorinėmis priemaišomis. kilęs iš žodžio „teigiamas“, reiškiančio teigiamą pagrindinių nešėjų krūvį. Šio tipo puslaidininkiams, be priemaišų pagrindo, būdingas skylinis laidumo pobūdis. Nedidelis trivalenčio elemento (pavyzdžiui, indžio) atomų kiekis pridedamas prie keturvalenčio puslaidininkio (pavyzdžiui, silicio). Kiekvienas priemaišos atomas sukuria kovalentinį ryšį su trimis gretimais silicio atomais. Kad užmegztų ryšį su ketvirtuoju silicio atomu, indžio atomas neturi valentinis elektronas, todėl jis paima valentinį elektroną iš kovalentinis ryšys tarp gretimų silicio atomų ir tampa neigiamo krūvio jonu, todėl susidaro skylė. Priemaišos, kurios pridedamos šiuo atveju, vadinamos akceptoriaus priemaišomis.

P-puslaidininkių laidumas yra maždaug lygus:

Naudojimas radijo inžinerijoje

Puslaidininkinis diodas

Puslaidininkinis diodas susideda iš dviejų tipų puslaidininkių – skylės ir elektronų. Šių sričių kontakto metu elektronai pereina iš srities su n-tipo puslaidininkiu į sritį su p-tipo puslaidininkiu, kuri vėliau rekombinuojasi su skylutėmis. Dėl to tarp dviejų sričių atsiranda elektrinis laukas, kuris nustato puslaidininkių padalijimo ribą – vadinamąją p-n sandūrą. Dėl to srityje, kurioje yra p tipo puslaidininkis, atsiranda nekompensuotas krūvis iš neigiamų jonų, o srityje, kurioje yra n tipo puslaidininkis, nekompensuotas krūvis atsiranda nuo teigiami jonai. Skirtumas tarp potencialų siekia 0,3-0,6 V.

Išreiškiamas ryšys tarp potencialų skirtumo ir priemaišų koncentracijos tokią formulę:

kur yra termodinaminis įtempis, yra elektronų koncentracija, yra skylės koncentracija, yra vidinė koncentracija.

Taikant pliusinę įtampą p-puslaidininkiui ir minusą n-puslaidininkiui, išorinis elektrinis laukas bus nukreiptas prieš vidinį elektrinį lauką. p-n sandūra ir esant pakankamai įtampai, elektronai įveiks p-n sandūrą, o diodo grandinėje atsiras elektros srovė (tiesioginis laidumas). Kai minusinė įtampa įvedama į sritį, kurioje yra p tipo puslaidininkis, o į pliusinę į sritį, kurioje yra n tipo puslaidininkis, tarp dviejų sričių atsiranda sritis, kurioje nėra laisvų elektros srovės nešėjų (atvirkštinis laidumas). Puslaidininkinio diodo atvirkštinė srovė nėra lygus nuliui, nes abiejuose regionuose visada yra mažumos krūvininkų. Dėl šių vežėjai p-n praėjimas bus atidarytas.

Taigi p-n sandūra pasižymi vienpusio laidumo savybėmis, kurias sukelia skirtingo poliškumo įtampa. Ši savybė naudojama kintamajai srovei ištaisyti.

Tranzistorius

Tranzistorius yra puslaidininkinis įtaisas, susidedantis iš dviejų sričių su p arba n tipo puslaidininkiais, tarp kurių yra sritis su n arba p tipo puslaidininkiu. Taigi, tranzistorius turi du p-n plotai perėjimas. Kristalo sritis tarp dviejų sandūrų vadinama baze, o išorinės – emiteriu ir kolektorius. Dažniausiai naudojama tranzistorių prijungimo grandinė yra jungties grandinė su bendru emiteriu, kurioje srovė sklinda per bazę ir emiterį į kolektorių.

Elektros srovei stiprinti naudojamas bipolinis tranzistorius.

Puslaidininkių tipai periodinėje elementų lentelėje

Žemiau esančioje lentelėje pateikiama informacija apie daugybę puslaidininkinių elementų ir jų jungčių, suskirstytų į keletą tipų:

• periodinės elementų lentelės IV grupės vieno elemento puslaidininkiai,
• kompleksas: dviejų elementų A III B V ir A II B VI atitinkamai iš trečios ir penktos grupių bei iš antros ir šeštos elementų grupių.

Visų tipų puslaidininkiai turi įdomią juostos tarpo priklausomybę nuo periodo, būtent, periodui didėjant, juostos tarpas mažėja.

Fizinės savybės ir pritaikymas

Visų pirma, reikia pasakyti, kad puslaidininkių fizikinės savybės yra labiausiai ištirtos, palyginti su metalais ir dielektrikais. Daugeliu atvejų tai palengvina daugybė poveikių, kurių negalima pastebėti nei vienoje, nei kitoje medžiagoje, visų pirma susijusių su puslaidininkių juostos struktūros struktūra ir gana siauro juostos tarpo buvimu. Žinoma, pagrindinė paskata studijuoti puslaidininkius yra puslaidininkinių įtaisų ir integrinių grandynų gamyba – tai visų pirma taikoma siliciui, bet turi įtakos ir kitiems junginiams (GaAs, InP, InSb).

Dėl to, kad technologai gali gauti labai grynos medžiagos, kyla klausimas dėl naujo Avogadro numerio standarto.

Legiravimas

Tūrinės puslaidininkių savybės gali labai priklausyti nuo kristalinės struktūros defektų. Todėl jie stengiasi auginti labai grynas medžiagas, daugiausia elektronikos pramonei. Siekiant kontroliuoti puslaidininkio laidumo kiekį ir tipą, įvedami priedai. Pavyzdžiui, plačiai paplitęs silicis gali būti legiruotas periodinės elementų lentelės V pogrupio elementu - fosforu, kuris yra donoras, ir sukurti n-Si. Norint gauti silicį su skylės tipo laidumu (p-Si), naudojamas boras (akceptorius). Taip pat sukuriami kompensuoti puslaidininkiai, siekiant užfiksuoti Fermi lygį juostos tarpo viduryje.

Priėmimo būdai

Puslaidininkiniams monokristalams gauti naudojami įvairūs fizinio ir cheminio nusodinimo būdai. Pats tiksliausias ir brangiausias vienkristalinių plėvelių auginimo įrankis technologų rankose yra molekulinio pluošto epitaksiniai blokai, leidžiantys preciziškai išauginti kristalą iki monosluoksnio.

Puslaidininkinė optika

Puslaidininkiai sugeria šviesą dėl perėjimų tarp energetinės būsenos zonos struktūra. Atsižvelgiant į Pauli išskyrimo principą, elektronai gali pereiti tik iš užpildyto energijos lygio į neužpildytą. Vidiniame puslaidininkyje visos valentinės juostos būsenos yra užpildytos, o visos laidumo juostos būsenos yra neužpildytos, todėl perėjimai galimi tik iš valentinės juostos į laidumo juostą. Norint atlikti tokį perėjimą, elektronas turi gauti energiją iš šviesos, kuri viršija juostos tarpą. Mažesnės energijos fotonai nesukelia perėjimų tarp puslaidininkio elektroninių būsenų, todėl tokie puslaidininkiai yra skaidrūs dažnių diapazone, kur yra juostos tarpas ir yra Planko konstanta. Šis dažnis nustato pagrindinę puslaidininkio sugerties kraštą. Puslaidininkiams, kurie dažnai naudojami elektronikoje (silicis, germanis, galio arsenidas), jis yra infraraudonųjų spindulių spektro srityje.

Papildomus puslaidininkių šviesos sugerties apribojimus nustato atrankos taisyklės, ypač impulso tvermės dėsnis. Impulso tvermės dėsnis reikalauja, kad galutinės būsenos kvaziimpulsas skirtųsi nuo pradinės būsenos kvaziimpulso sugerto fotono impulso dydžiu. Fotono bangos skaičius, kur yra bangos ilgis, yra labai mažas, palyginti su puslaidininkio grįžtamosios gardelės bangos vektoriumi, arba, kas yra tas pats, fotono bangos ilgis matomoje srityje yra daug didesnis nei charakteristika tarpatominis atstumas puslaidininkyje, o tai lemia reikalavimą, kad baigtinės būsenos kvazi-impulsas elektroninio perėjimo metu būtų praktiškai lygus pradinės būsenos kvaziimpulsui. Esant dažniams, artimiems pagrindinės sugerties briaunoms, tai įmanoma tik tiesioginio tarpo puslaidininkiams. Vadinami optiniai perėjimai puslaidininkiuose, kurių metu elektronų impulsas išlieka beveik nepakitęs tiesiai arba vertikaliai. Galutinės būsenos impulsas gali labai skirtis nuo pradinės būsenos impulso, jei fotonų sugerties procese dalyvauja kita, trečioji dalelė, pavyzdžiui, fononas. Tokie perėjimai taip pat galimi, nors ir mažiau tikėtini. Jie vadinami netiesioginiai perėjimai.

Taigi tiesioginio tarpo puslaidininkiai, tokie kaip galio arsenidas, pradeda stipriai sugerti šviesą, kai kvantinė energija viršija juostos tarpą. Tokius puslaidininkius labai patogu naudoti optoelektronikoje.

Netiesioginio tarpo puslaidininkiai, pavyzdžiui, silicis, sugeria šviesos dažnių diapazone, kurios kvantinė energija yra šiek tiek didesnė už juostos tarpą, tik dėl netiesioginių perėjimų, kurių intensyvumas priklauso nuo fononų buvimo, todėl temperatūros. Tiesioginių perėjimų silicyje ribinis dažnis yra didesnis nei 3 eV, tai yra, jis yra ultravioletinėje spektro srityje.

Kai elektronas pereina iš valentinės juostos į laidumo juostą, puslaidininkyje atsiranda laisvieji krūvininkai, taigi ir fotolaidumas.

Esant dažniams, esantiems žemiau pagrindinės sugerties briaunos, taip pat galima sugerti šviesą, kuri yra susijusi su eksitonų sužadinimu. elektroniniai perėjimai tarp priemaišų lygių ir leidžiamų juostų, taip pat su šviesos sugertimi ant grotelių virpesių ir laisvųjų nešėjų. Eksitono juostos yra puslaidininkyje šiek tiek žemiau laidumo juostos apačios dėl eksitono surišimo energijos. Eksitonų sugerties spektrai turi į vandenilį panašią energijos lygių struktūrą. Panašiai priemaišos, akceptoriai arba donorai sukuria akceptorių arba donorų lygius, esančius juostos tarpelyje. Jie žymiai pakeičia legiruoto puslaidininkio sugerties spektrą. Jei netiesioginio tarpo perėjimo metu fononas sugeriamas kartu su šviesos kvantu, tada sugerto energijos šviesos kvantas gali būti mažesnis fonono energijos kiekiu, o tai sukelia absorbciją dažniais, kurių energija yra šiek tiek mažesnė nuo pagrindinės sugerties krašto.

Puslaidininkių sąrašas

Puslaidininkiniai junginiai skirstomi į keletą tipų:

• paprastas puslaidininkinės medžiagos – iš tikrųjų cheminiai elementai: boras B, anglis C, germanis Ge, silicis Si, selenas Se, siera S, stibis Sb, telūras Te ir jodas I. Nepriklausomas naudojimas Germanis, silicis ir selenas buvo plačiai randami. Likusieji dažniausiai naudojami kaip priedai arba kaip sudėtingų puslaidininkinių medžiagų komponentai;
• į grupę kompleksas Puslaidininkinės medžiagos apima cheminius junginius, turinčius puslaidininkių savybių ir turinčius du, tris ar daugiau cheminių elementų. Šios grupės puslaidininkinės medžiagos, susidedančios iš dviejų elementų, vadinamos dvejetainis, ir kaip įprasta chemijoje, jie turi komponento pavadinimą metalines savybes kurie yra mažiau ryškūs. Taigi vadinami dvejetainiai junginiai, kuriuose yra arseno arsenidai, siera - sulfidai, telūras - teluridai, anglis - karbidai. Sudėtingas puslaidininkinės medžiagos sujungti pagal D. I. Mendelejevo periodinės elementų lentelės, kuriai priklauso junginio komponentai, grupės numerį ir žymimi raidėmis Lotynų abėcėlė(A yra pirmasis elementas, B yra antrasis ir tt). Pavyzdžiui, dvejetainis junginys indžio fosfidas InP žymimas A III B V

Plačiai naudojami šie junginiai:

A III B V

• InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN

• CdSb, ZnSb

• ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS

• PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe

taip pat kai kurie švino, alavo, germanio, silicio oksidai, taip pat feritas, amorfiniai stiklai ir daugelis kitų junginių (A I B III C 2 VI, A I B V C 2 VI, A II B IV C 2 V, A II B 2 II C 4 VI, A II B IV C 3 VI).

Remiantis dauguma pirmiau minėtų dvejetainių junginių, juos galima gauti kietų tirpalų: (CdTe) x (HgTe) 1-x, (HgTe) x (HgSe) 1-x, (PbTe) x (SnTe) 1-x, (PbSe) x (SnSe) 1-x ir kt.

Jungtys A III B V daugiausia naudojamos elektroniniams gaminiams, veikiantiems itin aukštais dažniais

A II B V junginiai naudojami kaip matomos srities luminoforai, šviesos diodai, Holo jutikliai ir moduliatoriai.

Junginiai A III B V, A II B VI ir A IV B VI naudojami šviesos šaltinių ir imtuvų, indikatorių ir spinduliuotės moduliatorių gamyboje.

Oksidiniai puslaidininkiniai junginiai naudojami fotovoltinių elementų, lygintuvų ir aukšto dažnio induktorių šerdims gaminti.

Puslaidininkiai gavo savo pavadinimą, nes užima tarpinę padėtį tarp laidininkų (metalų, elektrolitų, anglies), kurie turi didelį elektros laidumą, ir izoliatorių (porceliano, žėručio, gumos ir kt.), kurie beveik nelaidžia elektros srovės.

Jei palyginsime tūrio varžą Om × cm įvairių medžiagų, tada paaiškėja, kad laidininkai turi: ρ U= 10 -6 - 10 -3 Ohm × cm; puslaidininkių savitoji varža: ρ U= 10 -3 - 10 8 Ohm × cm; o dielektrikams: ρ U= 10 8 - 10 20 omų × cm Puslaidininkiams priklauso: metalų oksidai – oksidai (Al 2 O 3, Cu 2 O, ZnO, TiO 2, VO 2, WO 2, MoO 3); sieros junginiai - sulfidai (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); junginiai su selenu – selenidai; junginiai su telūru – telūridai; kai kurie lydiniai (MgSb 2, ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb); cheminiai elementai - germanis, silicis, telūras, selenas, boras, anglis, siera, fosforas, arsenas, taip pat didelis skaičius sudėtingi junginiai(galena, karborundas ir kt.).

1 pav. Germanis

2 pav. Silicis

3 pav. Telūras

Išsamų ir išsamų puslaidininkių savybių tyrimą atliko sovietų mokslininkas A.F.Ioffe'as ir jo kolegos.

Puslaidininkių elektrinės savybės smarkiai skiriasi nuo laidininkų ir izoliatorių savybių. Laidininkų elektros laidumas in stiprus laipsnis priklauso nuo temperatūros, apšvietimo, elektrinio lauko buvimo ir intensyvumo bei priemaišų kiekio. Esant įprastoms temperatūroms, puslaidininkiuose yra tam tikras laisvųjų elektronų skaičius, atsirandantis dėl elektroninių ryšių nutrūkimo. Puslaidininkiai turi dviejų tipų laidumą: elektronų ir skylių. Elektroninio laidumo puslaidininkiuose krūvininkai yra laisvieji elektronai, o su skylutiniu laidumu – ryšiai, kuriuose nėra elektronų.

Apsvarstykite toliau pateiktą eksperimentą. Paimkime metalinį laidininką ir pakaitinkime vieną jo galą, tada įkaitęs laidininko galas gaus teigiamą krūvį. Tai paaiškinama elektronų judėjimu iš karštojo galo į šaltąjį, todėl karštajame laidininko gale trūksta elektronų (teigiamas krūvis), o šaltajame – elektronų perteklius (neigiamas krūvis). Trumpalaikį srovės tekėjimą per laidininką sukėlė elektronų judėjimas iš vieno laidininko galo į kitą. Taigi čia mes kalbame apie apie dirigentą su elektroninis laidumas. Tačiau yra medžiagų, kurios panaši patirtis elgiasi skirtingai: tokios medžiagos įkaitęs kraštas gauna neigiamą krūvį, o šaltasis – teigiamą. Tai įmanoma, jei manome, kad srovės perdavimas vyksta teigiamais krūviais.

4 pav. Ryšys tarp medžiagos atomų

5 pav. Puslaidininkių savitasis laidumas

6 pav. Puslaidininkio elektroninis laidumas

7 pav. Puslaidininkio skylės laidumas

Susipažinkime su kita puslaidininkių laidumo rūšimi – skylutiniu laidumu. Grynuose puslaidininkiuose visi elektronai, silpnai surišti su branduoliais, dalyvauja elektroniniuose ryšiuose. 4 paveiksle A sutartinai parodytas užpildytas ryšys tarp medžiagos atomų. „Skylė“ yra elementas kristalinė gardelė medžiagos, praradusios elektroną, o tai atitinka teigiamo krūvio atsiradimą (4 pav. b).

Atsilaisvinusi jungtis gali būti vėl užpildyta, jei „skylė“ užfiksuoja elektroną iš kaimyninis ryšys(4 pav., V). Dėl to „skylė“ persikels į naują vietą. Puslaidininkinėje medžiagoje, esančioje normaliomis sąlygomis, elektronų emisijos kryptis ir „skylės“ susidarymo vieta yra chaotiški. Jei kreipsitės į gryną puslaidininkį nuolatinė įtampa, tada elektronai ir „skylės“ judės (pirmasis prieš lauko jėgų kryptį, antrasis priešinga kryptimi). Jei susidariusių „skylių“ skaičius yra lygus išleistų elektronų skaičiui, tai, kaip ir grynų puslaidininkių atveju, puslaidininkių laidumas yra mažas ( vidinis laidumas). Netgi prieinamumas Ne didelis kiekis pašalinės priemaišos gali pakeisti elektros laidumo mechanizmą: padaryti jį elektroniniu ar skylėtu. Pasvarstykime konkretus pavyzdys. Paimkime germanį (Ge) kaip puslaidininkį. Germanio kristale kiekvienas atomas yra prijungtas prie keturių kitų atomų. Kai temperatūra pakyla arba dėl švitinimo gali nutrūkti poros kristalo ryšiai. Tokiu atveju susidaro vienodas skaičius elektronų ir „skylių“ (5 pav.).

Į germanį kaip priemaišą įdėkime arseno. Tokia priemaiša turi didelis skaičius laisvai surišti elektronai. Priemaišų atomai turi savo energijos lygį, esantį tarp laisvosios ir užpildytos juostų energijos lygių, arčiau pastarosios (6 pav.). Tokios priemaišos atiduoda savo elektronus į laisvąją zoną ir vadinamos donorinėmis priemaišomis. Puslaidininkyje bus laisvųjų elektronų, o visos jungtys bus užpildytos. Puslaidininkis turės elektroninį laidumą laisvojoje juostoje.

Jei dabar kaip priemaiša į germanį bus pridėta indžio, o ne arseno, atsitiks taip. Tokia priemaiša turi nedaug silpnai surištų elektronų, o priemaišos energijos lygis yra tarp laisvosios ir užpildytos juostos energijos lygių, arčiau laisvosios juostos (7 pav.). Tokios priemaišos priima elektronus iš gretimos užpildytos zonos į savo zoną ir yra vadinamos akceptoriaus priemaišomis. Puslaidininkyje bus neužpildytos jungtys - „skylės“, jei nėra laisvųjų elektronų. Puslaidininkis užpildytoje juostoje turės skylės laidumą.

Dabar paaiškės puslaidininkio šildymo patirtis, kai šildomas galas gavo neigiamą krūvį, o šaltasis - teigiamą. Šilumos įtakoje ryšiai karštajame gale pradės irti, sukurdami „skyles“ ir laisvus elektronus. Jei puslaidininkyje yra priemaišų, „skylės“ pradės judėti į šaltąjį galą, teigiamai įkraudamos, o šildomas puslaidininkio galas bus neigiamai įkrautas.

Baigdami puslaidininkių svarstymą, darome tokią išvadą.

Pridėjus priemaišų į puslaidininkį, galima suteikti jam vyraujantį elektroninį arba skylinį laidumą. Remdamiesi tuo, gauname šių tipų puslaidininkiai. Puslaidininkiai, turintys elektroninį laidumą, vadinami puslaidininkiais n-tipo (neigiamas) ir su skylutiniu laidumu - p-tipas (teigiamas).

Taip pat kviečiame žiūrėti mokomuosius filmukus apie puslaidininkius:

List=PL_QCOTUIndSFAbWcR3t0wYp5IORVEHu3I

Kartu su elektros laidininkais gamtoje yra daug medžiagų, kurių elektros laidumas yra žymiai mažesnis nei metalinių laidininkų. Tokios medžiagos vadinamos puslaidininkiais.

Puslaidininkius sudaro: kai kurie cheminiai elementai, tokie kaip selenas, silicis ir germanis, sieros junginiai, tokie kaip talio sulfidas, kadmio sulfidas, sidabro sulfidas, karbidai, tokie kaip karborundas,anglis (deimantas),boras, pilka skarda, fosforas, stibis, arsenas, telūras, jodas ir daugybė junginių, kuriuose yra bent vienas iš 4-7 periodinės sistemos grupių elementų. Taip pat yra organinių puslaidininkių.

Puslaidininkio elektrinio laidumo pobūdis priklauso nuo priemaišų, esančių puslaidininkio pagrindinėje medžiagoje, tipo ir nuo jo komponentų gamybos technologijos.

Puslaidininkis yra medžiaga, turinti 10 -10 - 10 4 (omų x cm) -1, kuri pagal šias savybes yra tarp laidininko ir izoliatoriaus. Skirtumas tarp laidininkų, puslaidininkių ir izoliatorių pagal juostų teoriją yra toks: grynuose puslaidininkiuose ir elektroniniuose izoliatoriuose yra energijos tarpas tarp užpildytos juostos (valentinės) ir laidumo juostos.

Kodėl puslaidininkiai praleidžia srovę?

Puslaidininkis turi elektroninį laidumą, jei jo priemaišų atomų išoriniai elektronai yra palyginti silpnai susieti su šių atomų branduoliais. Jei tokio tipo puslaidininkyje sukuriamas elektrinis laukas, tada, veikiami šio lauko jėgų, išoriniai puslaidininkio priemaišų atomų elektronai išeis iš savo atomų ribų ir virsta laisvais elektronais.

Laisvieji elektronai, veikiami elektrinio lauko jėgų, sukurs elektros laidumo srovę puslaidininkyje. Vadinasi, elektroninio laidumo puslaidininkiuose elektros srovės pobūdis yra toks pat kaip ir metaliniuose. Tačiau kadangi puslaidininkio tūrio vienete yra daug kartų mažiau laisvųjų elektronų nei metalinio laidininko tūrio vienete, natūralu, kad esant visoms kitoms identiškoms sąlygoms srovė puslaidininkyje bus daug kartų mažesnė nei puslaidininkyje. metalinis laidininkas.

Puslaidininkio laidumas yra „skylė“, jei jo priemaišų atomai ne tik neatsisako savo išorinių elektronų, bet, priešingai, yra linkę užfiksuoti elektronus iš pagrindinės puslaidininkio medžiagos atomų. Jei priemaišos atomas paima elektroną iš pagrindinės medžiagos atomo, tada kažkas panašaus laisvos vietos elektronui - „skylė“.

Puslaidininkio atomas, praradęs elektroną, vadinamas „elektronų skyle“ arba tiesiog „skyle“. Jei „skylė“ užpildyta elektronu, perkeltu iš gretimo atomo, tada jis pašalinamas ir atomas tampa elektriškai neutralus, o „skylė“ perkeliama į kaimyninį atomą, kuris prarado elektroną. Vadinasi, jei puslaidininkis, turintis „skylės“ laidumą, yra veikiamas elektrinio lauko, „elektronų skylės“ pasislinks šio lauko kryptimi.

Šališkumas "elektronų skylės" elektrinio lauko kryptimi yra panašios į teigiamo judėjimą elektros krūviai lauke ir todėl reiškia elektros srovės reiškinį puslaidininkyje.

Puslaidininkių negalima griežtai atskirti pagal jų elektrinio laidumo mechanizmą, nes kartu suEsant „skylės“ laidumui, tam tikras puslaidininkis vienu ar kitu laipsniu taip pat gali turėti elektroninį laidumą.

Puslaidininkiams būdingos šios savybės:

laidumo tipas (elektroninis - n tipo, skylė - p tipo);

varža;

krūvininkų gyvavimo trukmė (mažuma) arba difuzijos ilgis, paviršiaus rekombinacijos greitis;

dislokacijos tankis.

Silicis yra labiausiai paplitusi puslaidininkinė medžiaga

Temperatūra turi didelę įtaką puslaidininkių charakteristikoms. Jį padidinus daugiausia sumažėja varža ir atvirkščiai, ty puslaidininkiams būdingas negatyvo buvimas . Netoli absoliutaus nulio puslaidininkis tampa izoliatoriumi.

Puslaidininkiai yra daugelio prietaisų pagrindas. Daugeliu atvejų jie turi būti gauti pavienių kristalų pavidalu. Duoti nurodytos savybės puslaidininkiai yra legiruoti įvairiomis priemaišomis. Didesni reikalavimai keliami pirminių puslaidininkinių medžiagų grynumui.

IN šiuolaikinės technologijos puslaidininkiai rado plačiausią pritaikymą; stiprią įtakąį technikos pažangą. Jų dėka galima žymiai sumažinti svorį ir matmenis elektroniniai prietaisai. Visų elektronikos sričių plėtra leidžia sukurti ir tobulinti daugybę įvairios įrangos, pagrįstos puslaidininkiniais įtaisais. Puslaidininkiniai įtaisai yra mikroelementų, mikromodulių, kietojo kūno grandinių ir kt.

Elektroniniai prietaisai, kurių pagrindą sudaro puslaidininkiniai įtaisai, yra praktiškai be inercijos. Kruopščiai sukonstruotas ir gerai užsandarintas puslaidininkinis įtaisas gali tarnauti dešimtis tūkstančių valandų. Tačiau kai kurios puslaidininkinės medžiagos turi žemą temperatūros ribą (pavyzdžiui, germanis), tačiau ne itin sudėtinga temperatūros kompensacija arba pagrindinės įrenginio medžiagos pakeitimas kita (pavyzdžiui, siliciu, silicio karbidu) šį trūkumą iš esmės pašalina. Tobulinant puslaidininkinių įtaisų gamybos technologiją, sumažėja esama sklaida ir parametrų nestabilumas.

Puslaidininkis - gamyboje naudojamas metalinis kontaktas ir puslaidininkiuose sukurta elektronų skylė (n-p sandūra) puslaidininkiniai diodai. Dvigubos jungtys (p-n-p arba n-p-n) - tranzistoriai ir tiristoriai. Šie prietaisai daugiausia naudojami elektros signalams ištaisyti, generuoti ir stiprinti.

Remiantis puslaidininkių fotoelektrinėmis savybėmis, sukuriami fotorezistoriai, fotodiodai ir fototranzistoriai. Puslaidininkis tarnauja kaip aktyvioji virpesių generatorių (stiprintuvų) dalis. Praleidžiant elektros srovę per p-n sandūrą kryptis į priekį, krūvininkai – elektronai ir skylės – rekombinuojasi su fotonų emisija, kuri naudojama kuriant šviesos diodus.

Puslaidininkių termoelektrinės savybės leido sukurti puslaidininkių šilumines varžas, puslaidininkinius termoelementus, termopolius ir termoelektrinius generatorius bei termoelektrinį puslaidininkių aušinimą, remiantis Peltier efektu, - termoelektrinius šaldytuvus ir termostabilizatorius.

Puslaidininkiai naudojami be mašinų šilumos ir saulės energijos keitikliuose į elektros energiją - termoelektriniai generatoriai, ir fotoelektriniai keitikliai (saulės baterijos).

Puslaidininkiui taikomas mechaninis įtempis keičia jo elektrinę varžą (poveikis stipresnis nei metalų), kuris buvo puslaidininkio deformacijos matuoklio pagrindas.

Puslaidininkiniai įtaisai tapo plačiai paplitę pasaulinėje praktikoje, sukeldami revoliuciją elektronikoje, jie yra pagrindas kuriant ir gaminant:

matavimo įranga, kompiuteriai,

visų tipų ryšių ir transporto įranga,

procesų automatizavimui pramonėje,

prietaisai, skirti moksliniai tyrimai,

raketų technologija,

medicinos įranga

kiti elektroniniai prietaisai ir prietaisai.

Puslaidininkinių įtaisų naudojimas leidžia sukurti naują įrangą ir patobulinti seną, o tai reiškia, kad sumažėja jos matmenys, svoris, energijos suvartojimas, todėl sumažėja šilumos susidarymas grandinėje, padidėja stiprumas, nedelsiant pasirengimas veikti. ir gali padidinti elektroninių prietaisų tarnavimo laiką bei patikimumą.