Хагас дамжуулагчийн эсэргүүцэл юунаас хамаардаг вэ? Хагас дамжуулагч гэж юу вэ? Хагас дамжуулагчийн эсэргүүцэл

2. Дамжуулагчийн эсэргүүцэл нь түүний температураас хэрхэн хамаардаг вэ? Эсэргүүцлийн температурын коэффициентийг ямар нэгжээр хэмждэг вэ?

3. Дамжуулагчийн эсэргүүцлийн температураас шугаман хамаарлыг хэрхэн тайлбарлах вэ?

4. Температур нэмэгдэхийн хэрээр хагас дамжуулагчийн эсэргүүцэл яагаад буурдаг вэ?

5. Хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулалтын үйл явцыг тайлбарла.

INТохиромжтой болор торны хувьд дамжуулагч электронууд хөдөлгөөний явцад ямар ч эсэргүүцэл үзүүлэхгүй бөгөөд металлын цахилгаан дамжуулах чанар нь хязгааргүй их байх болно. Гэсэн хэдий ч болор тор хэзээ ч төгс байдаггүй. Торны хатуу үечилсэн байдлыг зөрчих нь бохирдол, сул орон зай, түүнчлэн торны дулааны чичиргээнээс үүдэлтэй байж болно. Бохир атомууд болон чичиргээт ионууд дээр электронуудын тархалт нь металлын цахилгаан эсэргүүцэл үүсэхэд хүргэдэг.

Туршлагаас харахад металл дамжуулагчийн эсэргүүцэл нь хуулийн дагуу температурын дагуу шугаман байдлаар нэмэгддэг.

R = Ro (1+α t), эсвэл R = Ro α T;

Ρ = ρ o (1+α t), эсвэл ρ = ρ o α T

Энд t нь Цельсийн хэмжүүр дэх температур, T нь үнэмлэхүй температур, R 0 (ρ o) нь Цельсийн тэг температурт эсэргүүцэл (тодорхой эсэргүүцэл), α нь эсэргүүцлийн температурын коэффициент юм.

Цэвэр металлын хувьд эсэргүүцлийн температурын коэффициент

α=0.004 К -1 . 1а зурагт металлын эсэргүүцлийн үнэмлэхүй температураас хамаарах хамаарлын ойролцоо графикийг үзүүлэв.

Т

Зураг 1а Зураг 1б

Цахилгаан дамжуулалтын температурын хамаарал нь электронуудын хөдөлгөөнөөр тодорхойлогддог металуудаас ялгаатай нь температур нэмэгдэхийн хэрээр эсэргүүцэл нэмэгддэг бөгөөд хагас дамжуулагчийн дамжуулах чанарт гол үүрэг нь чөлөөт электрон ба нүхний дулааны үүсэлт юм. . Нэмж дурдахад электронуудын Ne ба Ng нүхний концентраци нь дотоод (цэвэр) хагас дамжуулагчийн хувьд ижил бөгөөд температур нэмэгдэх тусам хурдан нэмэгддэг (Больцманы тархалтыг үзнэ үү):

Энд E нь зурвасын зөрүү, k нь Больцманы тогтмол юм. Тиймээс температур нэмэгдэж, цахилгаан дамжуулах чанар Хагас дамжуулагч хурдан нэмэгдэж, эсэргүүцэл нь томъёоны дагуу хурдан буурдаг.

ба r = r o
(3)

Хэрэв бид ln хамаарлыг график 1b дээр үзүүлбэл -аас , дараа нь дотоод хагас дамжуулагчийн хувьд шулуун шугамыг олж авна. Хольцын хагас дамжуулагчийн хувьд зөөвөрлөгчийн концентраци хурдан ханасан байдалд хүрдэг. Температурын өсөлтөөр хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулалт нь өндөр температурт ихээхэн хэмжээгээр нөлөөлж эхэлдэг бөгөөд дамжуулалт нь дотоод болон хольцын дамжуулалтаас бүрдэх болно. Бага температурт хольцын дамжуулалт давамгайлж, өндөр температурт дотоод дамжуулалт давамгайлдаг.

Хагас дамжуулагчийн хольцын дамжуулалт

Ямар ч хольц агуулаагүй хамгийн тохиромжтой талстууд маш ховор байдаг. Хагас дамжуулагч талст дахь хольц нь электрон эсвэл нүхний тоог ихэсгэдэг. Нэг шоо см германий эсвэл цахиурт сурьмагийн нэг атомыг оруулах нь нэг электрон, нэг борын атом нь нэг нүх гарч ирэхэд хүргэдэг болохыг тогтоожээ.

Төрөл бүрийн хольцыг хамгийн тохиромжтой талст руу оруулах үед электрон эсвэл нүхний дамжуулагчийн дүр төрх дараах байдлаар үүсдэг. Цахиурын талст дахь атомуудын аль нэгийг сурьмагийн атомаар сольсон гэж үзье. Сурьма нь гаднах электрон бүрхүүл дээрээ таван электронтой (үелэх системийн V бүлэг). Дөрвөн электрон нь хамгийн ойр орших дөрвөн цахиурын атомтай хосолсон электрон холбоо үүсгэдэг. Үлдсэн тав дахь электрон нь сурьмагийн атомын эргэн тойронд устөрөгчийн атом дахь электроны тойрог замтай төстэй тойрог замд шилжих боловч түүний цөмд үзүүлэх цахилгаан татах хүч нь цахиурын диэлектрик дамжуулалтаас хамааран буурна. Тиймээс тав дахь электроныг гаргахын тулд ойролцоогоор 0.05 эВ-тэй тэнцэх бага хэмжээний энерги шаардагдана. Бага температурт торны дулааны чичиргээний нөлөөн дор сул холбогдсон электрон нь сурьмагийн атомаас амархан салж болно. Бохир атомын ийм бага иончлолын энерги нь -100°C орчим температурт германи болон цахиур дахь бүх хольцын атомууд аль хэдийн ионжсон бөгөөд ялгарсан электронууд нь цахилгаан дамжуулах үйл явцад оролцдог гэсэн үг юм. Энэ тохиолдолд гол цэнэг зөөгч нь электронууд байх болно, i.e. Энд бид электрон дамжуулалт эсвэл n төрлийн дамжуулалттай байна (n нь сөрөг үгийн эхний үсэг юм "нэмэлт" тав дахь электроныг арилгасны дараа сурьмагийн атом нь бүх цахиурын атомуудын нэгэн адил дөрвөн валентийн электронтой эерэг цэнэгтэй ион болно). , өөрөөр хэлбэл .e. Сурьма ион нь болор торонд цахиурын орлуулагч болдог.

Талст дахь электрон дамжуулалтын харагдах байдлыг үүсгэдэг хольцыг донор гэж нэрлэдэг. Цахиур ба германий хувьд эдгээр нь үечилсэн хүснэгтийн V бүлгийн элементүүд - сурьма, фосфор, хүнцэл, висмут юм.

Цахиурын тор дахь гурван валент борын хольцын атом нь өөрөөр ажилладаг. Борын атомын гаднах бүрхүүл нь ердөө гурван валентийн электронтой. Энэ нь хамгийн ойрын дөрвөн хөрштэй дөрвөн валентын холбоог нөхөхөд нэг электрон дутагдаж байна гэсэн үг. Хоосон холбоог өөр бондоос шилжүүлсэн электроноор дүүргэж болно, энэ холбоог дараагийн бондоос электроноор дүүргэх гэх мэт. Эерэг нүх (бөглөгдөөгүй холбоо) болорыг нэг атомаас нөгөө атом руу (электрон эсрэг чиглэлд хөдөлж байх үед) дамжуулж болно. Алга болсон валентын холбоог электрон дүүргэх үед борын хольцын атом нь сөрөг цэнэгтэй ион болж, болор тор дахь цахиурын атомыг орлоно. Нүх нь электростатик таталцлын хүчээр борын атомтай сул холбогдож, устөрөгчийн атом дахь электрон тойрог замтай төстэй тойрог замд эргэн тойрон эргэлдэнэ. Ионжуулалтын энерги, өөрөөр хэлбэл. сөрөг борын ионоос нүхийг салгахад шаардагдах энерги нь ойролцоогоор 0.05 эВ байх болно. Тиймээс тасалгааны температурт бүх гурван валентын хольцын атомууд ионждог бөгөөд нүхнүүд нь цахилгаан дамжуулах үйл явцад оролцдог. Хэрэв цахиурын болор нь гурвалсан атомын хольцыг агуулдаг бол (тогтмол системийн III бүлэг) дамжуулалтыг голчлон нүхээр гүйцэтгэдэг.

Нүхний дамжуулалтыг үүсгэдэг хольцыг хүлээн авагч гэж нэрлэдэг. Герман ба цахиур дахь хүлээн авагчид үечилсэн хүснэгтийн гуравдугаар бүлгийн элементүүд орно: галли, талли, бор, хөнгөн цагаан.

Кристал дахь донор ба хүлээн авагч хольцын ижил концентрацитай бол валентийн холбоо тасарсантай холбоотойгоор дотоод хагас дамжуулагчийн нэгэн адил электрон ба нүхээр дамжуулалтыг хангана. Ийм хагас дамжуулагчийг нөхөн олговор гэж нэрлэдэг.

Нүх эсвэл электроноор дамждаг цахилгааны хэмжээ нь зөвхөн тээвэрлэгчдийн концентрациас гадна электрон ба нүхний хөдөлгөөнөөр тодорхойлогддог.

ХАГАС ДАМЖУУЛАГЧИЙН ХОЛБОО

Хагас дамжуулагчийн технологид энгийн хагас дамжуулагчтай хамт цэвэр элементийг хайлш эсвэл химийн боловсруулалтаар гаргаж авсан хагас дамжуулагч нэгдлүүдийг өргөн ашигладаг. Эдгээр нь янз бүрийн төрлийн хагас дамжуулагч шулуутгагчийг хийдэг аяганы исэл, хагас дамжуулагч термопил үйлдвэрлэхэд ашигладаг цайрын сурьма (SbZn), фотоволтайк төхөөрөмж үйлдвэрлэхэд ашигладаг хар тугалга теллурид (PbTe) юм. термоэлементүүд болон бусад олон.

AIIIBV төрлийн нэгдлүүд онцгой анхаарал татаж байна. Эдгээрийг Менделеевийн үелэх системийн элементүүдийн III ба V бүлгийн элементүүдийг нэгтгэх замаар олж авдаг. Энэ төрлийн нэгдлүүдээс хамгийн сонирхолтой нь хагас дамжуулагч шинж чанар нь AIP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb юм. Хэд хэдэн шинж чанараараа эдгээр нэгдлүүд нь IV бүлгийн хагас дамжуулагч элементүүд болох германий болон цахиуртай ойролцоо байдаг. Тэдгээрийн доторх одоогийн тээвэрлэгчдийн хөдөлгөөн нь том утгад хүрдэг; Эдгээр нэгдлүүдийн заримын зурвасын зөрүү нь бас том; тэдгээрт оруулсан хольц нь цахилгаан дамжуулах механизмыг өөрчилдөг; Тиймээс II бүлгийн зарим атомууд хүлээн авагч, VI бүлгийн хэд хэдэн атомууд донорын үүрэг гүйцэтгэдэг.

Түүний онцлог юу вэ? Хагас дамжуулагчийн физик гэж юу вэ? Тэд хэрхэн баригдсан бэ? Хагас дамжуулагчийн дамжуулалт гэж юу вэ? Тэд ямар физик шинж чанартай вэ?

Хагас дамжуулагчийг юу гэж нэрлэдэг вэ?

Энэ нь метал шиг цахилгаан гүйдэл дамжуулдаггүй талст материалыг хэлдэг. Гэсэн хэдий ч энэ үзүүлэлт нь тусгаарлагчийнхаас хамаагүй дээр юм. Ийм шинж чанар нь хөдөлж буй тээвэрлэгчдийн тоотой холбоотой юм. Ерөнхийдөө цөмд хүчтэй наалддаг. Гэхдээ электроны илүүдэлтэй сурьма гэх мэт хэд хэдэн атомыг дамжуулагч руу оруулахад энэ байдал засагдана. Индий ашиглах үед эерэг цэнэгтэй элементүүдийг олж авдаг. Эдгээр бүх шинж чанаруудыг транзисторуудад өргөн ашигладаг - зөвхөн нэг чиглэлд гүйдлийг нэмэгдүүлэх, хаах эсвэл дамжуулах боломжтой тусгай төхөөрөмжүүд. Хэрэв бид NPN төрлийн элементийг авч үзвэл сул дохиог дамжуулахад чухал ач холбогдолтой өсгөх үүргийг тэмдэглэж болно.

Цахилгаан хагас дамжуулагчийн дизайны онцлог

Дамжуулагчид олон чөлөөт электрон байдаг. Тусгаарлагч нь бараг огт байдаггүй. Хагас дамжуулагч нь тодорхой тооны чөлөөт электронууд ба суллагдсан бөөмсийг хүлээн авахад бэлэн эерэг цэнэгтэй цоорхойг агуулдаг. Хамгийн гол нь тэд бүгдээрээ дамжуулдаг NPN транзистор нь зөвхөн боломжтой хагас дамжуулагч элемент биш юм. Тиймээс PNP транзисторууд, диодууд бас байдаг.

Хэрэв бид сүүлчийнх нь талаар товчхон ярих юм бол энэ нь зөвхөн нэг чиглэлд дохио дамжуулах боломжтой элемент юм. Диод нь хувьсах гүйдлийг шууд гүйдэл болгон хувиргаж чаддаг. Энэ өөрчлөлтийн механизм юу вэ? Тэгээд яагаад зөвхөн нэг чиглэлд хөдөлдөг вэ? Гүйдэл хаанаас ирж байгаагаас хамааран электронууд болон цоорхойнууд хоорондоо зөрөх эсвэл бие бие рүүгээ чиглэж болно. Эхний тохиолдолд зайны өсөлтөөс болж тэжээлийн хангамж тасалддаг тул сөрөг хүчдэлийн тээвэрлэгчид зөвхөн нэг чиглэлд дамждаг, өөрөөр хэлбэл хагас дамжуулагчийн дамжуулалт нь нэг чиглэлтэй байдаг. Эцсийн эцэст, бүрэлдэхүүн хэсгүүд нь ойролцоо байгаа тохиолдолд л гүйдэл дамжуулж болно. Энэ нь зөвхөн нэг талаас гүйдэл өгөх үед л боломжтой юм. Эдгээр нь одоо байгаа болон одоо ашиглагдаж байгаа хагас дамжуулагчийн төрлүүд юм.

Бүсийн бүтэц

Дамжуулагчийн цахилгаан ба оптик шинж чанар нь энергийн түвшинг электроноор дүүргэх үед тэдгээр нь боломжит төлөвөөс зурвасын завсараар тусгаарлагддагтай холбоотой юм. Түүний онцлог юу вэ? Баримт нь зурвасын завсарт энергийн түвшин байдаггүй. Үүнийг хольц, бүтцийн согогийн тусламжтайгаар өөрчилж болно. Хамгийн өндөр бүрэн дүүрэн зурвасыг валентийн зурвас гэж нэрлэдэг. Үүний дараа зөвшөөрөгдсөн, гэхдээ хоосон байна. Үүнийг дамжуулагч хамтлаг гэж нэрлэдэг. Хагас дамжуулагчийн физик бол нэлээд сонирхолтой сэдэв бөгөөд үүнийг нийтлэлийн хүрээнд маш сайн авч үзэх болно.

Электронуудын төлөв байдал

Үүний тулд зөвшөөрөгдсөн бүсийн тоо, бараг импульс гэх мэт ойлголтуудыг ашигладаг. Эхний бүтэц нь тархалтын хуулиар тодорхойлогддог. Түүний хэлснээр энерги нь бараг импульсээс хамааралтай байдаг. Тиймээс хэрэв валентын зурвас нь электронуудаар бүрэн дүүрсэн бол (хагас дамжуулагчийн цэнэгийг зөөвөрлөж байдаг) тэд үүнд ямар ч энгийн өдөөлт байхгүй гэж хэлдэг. Хэрэв ямар нэг шалтгаанаар бөөмс байхгүй бол энэ нь энд эерэг цэнэгтэй хагас бөөмс гарч ирсэн гэсэн үг юм - цоорхой эсвэл нүх. Эдгээр нь валентын зурвас дахь хагас дамжуулагчийн цэнэг зөөгч юм.

Муухай бүсүүд

Ердийн дамжуулагчийн валентын зурвас нь зургаа дахин доройтдог. Энэ нь эргэлт-орбитын харилцан үйлчлэлийг харгалзахгүйгээр зөвхөн бараг импульс тэг байх үед юм. Үүнтэй ижил нөхцөлд энэ нь хоёр дахин, дөрөв дахин доройтсон бүсэд хуваагдаж болно. Тэдний хоорондох энергийн зайг эргэх тойрог замд хуваагдах энерги гэж нэрлэдэг.

Хагас дамжуулагч дахь хольц ба согогууд

Тэд цахилгаан идэвхгүй эсвэл идэвхтэй байж болно. Эхнийх нь хэрэглээ нь хагас дамжуулагчийн эерэг эсвэл сөрөг цэнэгийг олж авах боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь валентын зурвас дахь нүх эсвэл дамжуулагч зурваст электрон харагдах замаар нөхөгдөх боломжтой. Идэвхгүй хольц нь төвийг сахисан бөгөөд электрон шинж чанарт харьцангуй сул нөлөө үзүүлдэг. Түүгээр ч зогсохгүй цэнэг шилжүүлэх үйл явцад оролцдог атомын валент болон бүтэц нь ихэвчлэн чухал байдаг

Бохирдлын төрөл, хэмжээнээс хамааран нүхний тоо ба электронуудын харьцаа өөрчлөгдөж болно. Тиймээс хүссэн үр дүнд хүрэхийн тулд хагас дамжуулагч материалыг үргэлж анхааралтай сонгох хэрэгтэй. Үүний өмнө олон тооны тооцоолол, дараа нь туршилтууд хийгддэг. Ихэнх хүмүүсийн дийлэнх цэнэг тээвэрлэгч гэж нэрлэдэг бөөмс нь цөөнхийн бөөмс юм.

Хагас дамжуулагч руу хольцыг тунгаар оруулах нь шаардлагатай шинж чанартай төхөөрөмжийг олж авах боломжийг олгодог. Хагас дамжуулагчийн гэмтэл нь мөн идэвхгүй эсвэл идэвхтэй цахилгаан төлөвт байж болно. Энд чухал ач холбогдолтой нь дислокаци, завсрын атом ба хоосон орон зай юм. Шингэн ба талст бус дамжуулагч нь бохирдолд талстаас ялгаатай хариу үйлдэл үзүүлдэг. Хатуу бүтэц байхгүй нь эцэстээ шилжсэн атом өөр валент хүлээн авахад хүргэдэг. Энэ нь түүний анх холболтоо хангаж байснаас өөр байх болно. Атомд электрон өгөх, авах нь ашиггүй болдог. Энэ тохиолдолд энэ нь идэвхгүй болж, улмаар хольцын хагас дамжуулагч нь бүтэлгүйтэх магадлал өндөр байдаг. Энэ нь допинг ашиглан дамжуулалтын төрлийг өөрчлөх, жишээлбэл, pn уулзвар үүсгэх боломжгүй болоход хүргэдэг.

Зарим аморф хагас дамжуулагч нь допинг хэрэглэх үед электрон шинж чанараа өөрчилж чаддаг. Гэхдээ энэ нь талстаас хамаагүй бага хэмжээгээр тэдэнд хамаатай. Аморф элементийн хайлшийн мэдрэмжийг технологийн боловсруулалтаар нэмэгдүүлж болно. Эцсийн эцэст, урт удаан, шаргуу хөдөлмөрийн ачаар хагас дамжуулагч нь сайн шинж чанартай хэд хэдэн үр дүнгээр илэрхийлэгдэж байгааг тэмдэглэхийг хүсч байна.

Хагас дамжуулагч дахь электронуудын статистик

Нүх, электронуудын тоог зөвхөн температур, туузны бүтцийн параметр, цахилгаан идэвхтэй хольцын агууламжаар тодорхойлно. Харьцааг тооцоолохдоо зарим хэсгүүд нь дамжуулалтын зурваст (акцептор эсвэл донорын түвшинд) байх болно гэж үздэг. Мөн нэг хэсэг нь валентийн нутаг дэвсгэрийг орхиж, тэнд цоорхой үүсдэг гэдгийг анхаарч үзэх хэрэгтэй.

Цахилгаан дамжуулах чанар

Хагас дамжуулагчийн хувьд электроноос гадна ионууд нь цэнэг зөөвөрлөгчийн үүрэг гүйцэтгэдэг. Гэхдээ тэдний цахилгаан дамжуулах чанар ихэнх тохиолдолд бага байдаг. Үл хамаарах зүйл бол зөвхөн ионы хэт дамжуулагчийг дурдаж болно. Хагас дамжуулагчийн электрон дамжуулах гурван үндсэн механизм байдаг.

1. Үндсэн бүс. Энэ тохиолдолд нэг зөвшөөрөгдсөн талбайн доторх энергийн өөрчлөлтөөс болж электрон хөдөлж эхэлдэг.
2. Орон нутгийн мужууд даяар үсрэх дамжуулалт.
3. Поляроник.

Өдөөлт

Нүх ба электрон нь холбогдсон төлөвийг үүсгэж болно. Үүнийг Wannier-Mott exciton гэж нэрлэдэг. Энэ тохиолдолд шингээлтийн ирмэгтэй тохирч байгаа нь холболтын утгын хэмжээгээр буурдаг. Хангалттай бол хагас дамжуулагчд ихээхэн хэмжээний өдөөлт үүсч болно. Тэдний концентраци нэмэгдэхийн хэрээр конденсаци үүсч, электрон нүхний шингэн үүсдэг.

Хагас дамжуулагч гадаргуу

Эдгээр үгс нь төхөөрөмжийн хилийн ойролцоо байрладаг хэд хэдэн атомын давхаргыг илэрхийлдэг. Гадаргуугийн шинж чанар нь эзэлхүүний шинж чанараас ялгаатай. Эдгээр давхаргууд байгаа нь болорын орчуулгын тэгш хэмийг эвддэг. Энэ нь гадаргуугийн төлөв ба туйлшралд хүргэдэг. Сүүлчийн сэдвийг боловсруулахдаа эргэлт ба чичиргээний долгионы тухай ярих хэрэгтэй. Химийн үйл ажиллагааны улмаас гадаргуу нь хүрээлэн буй орчноос шингэсэн гадны молекулууд эсвэл атомуудын микроскопийн давхаргаар бүрхэгдсэн байдаг. Тэдгээр нь хэд хэдэн атомын давхаргын шинж чанарыг тодорхойлдог. Аз болоход хагас дамжуулагч элементүүдийг бий болгодог хэт өндөр вакуум технологийг бий болгосноор хэдэн цагийн турш цэвэр гадаргууг олж авах, хадгалах боломжтой болсон нь үүссэн бүтээгдэхүүний чанарт эерэг нөлөө үзүүлдэг.

Хагас дамжуулагч. Температур нь эсэргүүцэлд нөлөөлдөг

Металлын температур нэмэгдэхэд тэдгээрийн эсэргүүцэл нэмэгддэг. Хагас дамжуулагчийн хувьд эсрэгээрээ - ижил нөхцөлд энэ параметр буурах болно. Энд гол зүйл бол аливаа материалын цахилгаан дамжуулах чанар (мөн энэ шинж чанар нь эсэргүүцэлтэй урвуу хамааралтай) нь тээвэрлэгчдийн одоогийн цэнэг, цахилгаан орон дахь хөдөлгөөний хурд, нэг нэгж эзэлхүүн дэх тэдгээрийн тоо зэргээс хамаарна. материал.

Хагас дамжуулагч элементүүдэд температур нэмэгдэхийн хэрээр бөөмсийн концентраци нэмэгдэж, үүнээс болж дулаан дамжилтын чанар нэмэгдэж, эсэргүүцэл буурдаг. Хэрэв та залуу физикчдийн энгийн багц, шаардлагатай материал - цахиур эсвэл германий материалтай бол тэднээс хагас дамжуулагч авч болно. Температурыг нэмэгдүүлэх нь тэдний эсэргүүцлийг бууруулна. Үүнийг батлахын тулд та бүх өөрчлөлтийг харах боломжтой хэмжих хэрэгслийг нөөцлөх хэрэгтэй. Энэ бол ерөнхий тохиолдолд. Хэд хэдэн хувийн сонголтыг авч үзье.

Эсэргүүцэл ба электростатик ионжуулалт

Энэ нь микрометрийн 100 орчим хувийг дамжуулдаг маш нарийн саадыг дамжин өнгөрөх электронуудын хонгилтой холбоотой юм. Энэ нь эрчим хүчний бүсийн ирмэгүүдийн хооронд байрладаг. Түүний гадаад төрх нь зөвхөн хүчтэй цахилгаан талбайн нөлөөн дор үүсдэг эрчим хүчний бүсүүд хазайсан үед л боломжтой байдаг. Хонгил үүсэх үед (энэ нь квант механик нөлөө) электронууд энергийг өөрчлөхгүйгээр нарийн потенциал саадыг дамжин өнгөрдөг. Энэ нь цахилгаан дамжуулах чанар ба валент гэсэн хоёр зурвас дахь цэнэгийн тээвэрлэгчдийн концентрацийг нэмэгдүүлэхэд хүргэдэг. Хэрэв цахилгаан статик иончлолын үйл явц үүссэн бол хагас дамжуулагчийн хонгилын эвдрэл үүсч болно. Энэ процессын явцад хагас дамжуулагчийн эсэргүүцэл өөрчлөгдөнө. Энэ нь эргэх боломжтой бөгөөд цахилгаан орон унтармагц бүх процесс сэргээгдэх болно.

Эсэргүүцэл ба нөлөөллийн ионжуулалт

Энэ тохиолдолд нүх ба электронууд хүчтэй цахилгаан орны нөлөөн дор дундаж чөлөөт замаар дамжин атомын иончлол, ковалент холбоог (үндсэн атом эсвэл хольц) таслахад хүргэдэг утгууд хүртэл хурдасдаг. Нөлөөллийн ионжуулалт нь нуранги шиг явагддаг бөгөөд цэнэг тээвэрлэгчид нуранги шиг үрждэг. Энэ тохиолдолд шинээр бий болсон нүхнүүд болон электронууд нь цахилгаан гүйдэлээр хурдасдаг. Одоогийн утгын эцсийн үр дүнг нөлөөллийн иончлолын коэффициентоор үржүүлсэн бөгөөд энэ нь нэг замын сегментийн дагуу цэнэглэгчээс үүссэн электрон нүхний хосуудын тоотой тэнцүү байна. Энэ үйл явцын хөгжил нь эцсийн эцэст хагас дамжуулагчийн нуранги эвдрэлд хүргэдэг. Хагас дамжуулагчийн эсэргүүцэл нь мөн өөрчлөгддөг боловч хонгилын эвдрэлийн нэгэн адил буцах боломжтой байдаг.

Хагас дамжуулагчийг практикт хэрэглэх

Эдгээр элементүүдийн онцгой ач холбогдлыг компьютерийн технологид тэмдэглэх нь зүйтэй. Хэрэв тэдгээрийг ашиглан объектыг бие даан угсрах хүсэл эрмэлзэл байхгүй бол хагас дамжуулагч гэж юу вэ гэсэн асуулт таныг сонирхохгүй гэдэгт бид эргэлзэхгүй байна. Орчин үеийн хөргөгч, зурагт, компьютерийн дэлгэцийн ажиллагааг хагас дамжуулагчгүйгээр төсөөлөхийн аргагүй юм. Автомашины дэвшилтэт хөгжил нь тэдэнгүйгээр хийх боломжгүй юм. Тэдгээрийг нисэх, сансрын технологид ч ашигладаг. Хагас дамжуулагч гэж юу болох, тэдгээр нь ямар чухал болохыг та ойлгож байна уу? Мэдээжийн хэрэг, эдгээр нь бидний соёл иргэншлийн цорын ганц орлуулашгүй элементүүд гэж бид хэлж чадахгүй, гэхдээ бид тэдгээрийг дутуу үнэлж болохгүй.

Хагас дамжуулагчийг практикт ашиглах нь олон хүчин зүйлээс шалтгаалж, тэдгээрийн хийсэн материалын өргөн тархсан байдал, боловсруулж, хүссэн үр дүнд хүрэхэд хялбар байдал, бусад техникийн шинж чанаруудын ачаар эрдэмтэд сонгосон. Тэдэн дээр суурилагдсан электрон тоног төхөөрөмж боловсруулсан.

Дүгнэлт

Бид хагас дамжуулагч гэж юу болох, хэрхэн ажилладаг талаар дэлгэрэнгүй авч үзсэн. Тэдний эсэргүүцэл нь нарийн төвөгтэй физик, химийн процесс дээр суурилдаг. Өгүүлэлд дурдсан баримтууд нь хагас дамжуулагч гэж юу болохыг бүрэн ойлгохгүй гэдгийг бид танд мэдэгдэж байна, учир нь шинжлэх ухаан хүртэл тэдний ажлын онцлогийг бүрэн судлаагүй байна. Гэхдээ бид тэдний үндсэн шинж чанар, шинж чанарыг мэддэг бөгөөд энэ нь практикт ашиглах боломжийг бидэнд олгодог. Тиймээс та хагас дамжуулагч материалыг хайж, өөрөө болгоомжтой туршиж үзэж болно. Хэн мэдэх вэ, магадгүй таны дотор агуу судлаач унтаа байгаа байх?!

Гүйдэл үүсэхэд оролцдоггүй дамжуулагч хэсгүүд (молекулууд, атомууд, ионууд) дулааны хөдөлгөөнд, гүйдэл үүсгэгч хэсгүүд нь цахилгаан талбайн нөлөөн дор дулааны болон чиглэлтэй хөдөлгөөнд нэгэн зэрэг байдаг. Үүнээс үүдэн гүйдэл үүсгэдэг бөөмс болон түүний үүсэхэд оролцдоггүй бөөмсийн хооронд олон тооны мөргөлдөөн үүсдэг бөгөөд эхнийх нь одоогийн эх үүсвэрээс авч явдаг энергийн зарим хэсгийг нөгөө рүү шилжүүлдэг. Мөргөлдөөн их байх тусам гүйдэл үүсгэдэг бөөмсийн дараалсан хөдөлгөөний хурд багасна. Томъёоноос харж болно I = enνS, хурд буурах нь гүйдэл буурахад хүргэдэг. Гүйдлийг багасгах дамжуулагчийн шинж чанарыг тодорхойлдог скаляр хэмжигдэхүүн гэж нэрлэдэг дамжуулагчийн эсэргүүцэл.Ом хуулийн томъёоноос эсэргүүцэл Ом - хүч чадлын гүйдлийг олж авах дамжуулагчийн эсэргүүцэл 1 а 1 В-ын дамжуулагчийн төгсгөлд хүчдэлтэй.

Дамжуулагчийн эсэргүүцэл нь түүний урт l, хөндлөн огтлол S ба эсэргүүцэлээр тодорхойлогддог материалаас хамаарна. Дамжуулагч нь урт байх тусам түүний үүсэхэд оролцдоггүй бөөмстэй гүйдэл үүсгэдэг хэсгүүдийн нэгж хугацаанд мөргөлдөх нь илүү их байдаг тул дамжуулагчийн эсэргүүцэл их байдаг. Дамжуулагчийн хөндлөн огтлол бага байх тусам гүйдэл үүсгэдэг бөөмсийн урсгал илүү нягтралтай байх ба тэдгээрийн үүсэхэд оролцдоггүй хэсгүүдтэй мөргөлдөх нь илүү их байдаг тул дамжуулагчийн эсэргүүцэл их байдаг.

Цахилгаан орны нөлөөгөөр гүйдэл үүсгэгч хэсгүүд мөргөлдөх хооронд хурдасч, талбайн энергийн улмаас кинетик энергийг нэмэгдүүлсэн. Гүйдэл үүсгэдэггүй тоосонцортой мөргөлдөхдөө тэд өөрсдийн кинетик энергийн нэг хэсгийг тэдэнд шилжүүлдэг. Үүний үр дүнд дамжуулагчийн дотоод энерги нэмэгдэж, энэ нь халаахад гаднаасаа илэрдэг. Дамжуулагчийг халаахад эсэргүүцэл өөрчлөгдөх эсэхийг авч үзье.

Цахилгаан хэлхээнд ган утас ороомог (мөр, Зураг 81, а) байдаг. Хэлхээг хаасны дараа бид утсыг халааж эхэлнэ. Илүү их халаах тусам амметрийн гүйдэл бага харагдана. Металлыг халаах үед тэдгээрийн эсэргүүцэл нэмэгддэг тул түүний бууралт үүсдэг. Тиймээс цахилгаан чийдэнгийн үсний эсэргүүцэл нь асахгүй байх үед ойролцоогоор байдаг 20 ом, мөн шатах үед (2900 ° C) - 260 ом. Металлыг халаах үед электронуудын дулааны хөдөлгөөн ба болор тор дахь ионуудын чичиргээний хурд нэмэгдэж, үүний үр дүнд ионуудтай гүйдэл үүсгэдэг электронуудын мөргөлдөөний тоо нэмэгддэг. Энэ нь дамжуулагчийн эсэргүүцлийг нэмэгдүүлэхэд хүргэдэг *. Металлын хувьд чөлөөт электронууд нь ионуудтай маш нягт холбоотой байдаг тул металыг халаах үед чөлөөт электронуудын тоо бараг өөрчлөгддөггүй.

* (Цахим онол дээр үндэслэн эсэргүүцлийн температураас хамаарах тодорхой хуулийг гаргах боломжгүй юм. Ийм хуулийг квантын онолоор тогтоосон бөгөөд электроныг долгионы шинж чанартай бөөм гэж үздэг ба дамжуулагч электроныг металлаар дамжин өнгөрөх хөдөлгөөнийг электрон долгионы тархалтын процесс гэж үздэг бөгөөд тэдгээрийн урт нь тодорхойлогддог. де Бройлийн харилцаа.)

Туршилтаас харахад янз бүрийн бодисоор хийсэн дамжуулагчийн температур ижил тооны градусаар өөрчлөгдөхөд эсэргүүцэл нь тэгш бус өөрчлөгддөг. Жишээлбэл, зэс дамжуулагч эсэргүүцэлтэй байсан бол 1 ом, дараа нь халаасны дараа хүртэл 1°Стэр эсэргүүцэлтэй тулгарах болно 1.004 ом, ба вольфрам - 1.005 ом.Дамжуулагчийн эсэргүүцлийн түүний температураас хамаарлыг тодорхойлохын тулд эсэргүүцлийн температурын коэффициент гэж нэрлэгддэг хэмжигдэхүүнийг нэвтрүүлсэн. Дамжуулагчийн температурын өөрчлөлтөөс 0°С-т авсан 1 Ом-ийн эсэргүүцлийн өөрчлөлтөөр хэмжигдэх скаляр хэмжигдэхүүнийг эсэргүүцлийн температурын коэффициент α гэнэ.. Тэгэхээр вольфрамын хувьд энэ коэффициент тэнцүү байна 0.005 градус -1, зэсийн хувьд - 0.004 градус -1.Эсэргүүцлийн температурын коэффициент нь температураас хамаарна. Металлын хувьд энэ нь температурын хувьд бага зэрэг өөрчлөгддөг. Бага температурын хувьд өгөгдсөн материалын хувьд тогтмол гэж үздэг.

Дамжуулагчийн эсэргүүцлийг температурыг харгалзан тооцоолох томьёог гаргаж авцгаая. Ингэж бодъё R0- дамжуулагчийн эсэргүүцэл at 0°C, хүртэл халаах үед 1°С-аар нэмэгдэх болно αR 0, ба халах үед t°- дээр αRt°бөгөөд энэ нь болдог R = R 0 + αR 0 t°, эсвэл

Металлын эсэргүүцлийн температураас хамаарах хамаарлыг, жишээлбэл, цахилгаан халаалтын төхөөрөмж, чийдэнгийн спираль үйлдвэрлэхэд харгалзан үздэг: спираль утасны урт ба зөвшөөрөгдөх гүйдлийг халаах төлөв дэх эсэргүүцлээс нь тооцдог. Температураас металлын эсэргүүцлийн хамаарлыг дулааны хөдөлгүүр, хийн турбин, тэсэлгээний зуухны металл гэх мэт температурыг хэмжихэд ашигладаг эсэргүүцлийн термометрт ашигладаг. Энэхүү термометр нь нимгэн цагаан алт (никель, төмөр) спираль шархнаас бүрдэнэ. шаазан хүрээ дээр хамгаалалтын хайрцагт хийнэ. Түүний төгсгөлүүд нь амперметр бүхий цахилгаан хэлхээнд холбогдсон бөгөөд хэмжүүр нь температурын градусаар хэмжигддэг. Ороомог халах үед хэлхээний гүйдэл буурч, энэ нь амметрийн зүү хөдөлж, температурыг харуулдаг.

Өгөгдсөн хэсэг эсвэл хэлхээний эсэргүүцлийн эсрэг хариуг нэрлэдэг дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар(цахилгаан дамжуулах чанар). Дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар Дамжуулагчийн дамжуулалт их байх тусам түүний эсэргүүцэл бага, гүйдлийг сайн дамжуулдаг. Цахилгаан дамжуулах чанарын нэгжийн нэр Дамжуулагчийн дамжуулалтын эсэргүүцэл 1 омдуудсан Siemens.

Температур буурах тусам металлын эсэргүүцэл буурдаг. Гэхдээ метал ба хайлш байдаг бөгөөд тэдгээрийн эсэргүүцэл нь бага температурт метал ба хайлш тус бүрд тодорхой хэмжээгээр буурч, багасч, бараг тэгтэй тэнцүү болдог (Зураг 81, б). Ирж байна хэт дамжуулалт- дамжуулагч нь бараг ямар ч эсэргүүцэлгүй бөгөөд дамжуулагч нь хэт дамжуулагч температурт байх үед өдөөгдөх гүйдэл удаан хугацаанд оршин тогтнодог (туршилтын нэгд гүйдэл нэг жилээс илүү хугацаанд ажиглагдсан). Хэт дамжуулагчаар гүйдлийн нягтыг дамжуулах үед 1200 а/мм 2дулаан ялгаруулалт ажиглагдаагүй. Гүйдлийн хамгийн сайн дамжуулагч болох моновалент металлууд нь туршилт хийсэн маш бага температур хүртэл хэт дамжуулагч төлөвт хувирдаггүй. Жишээлбэл, эдгээр туршилтуудад зэсийг хөргөсөн 0.0156°К,алт - хүртэл 0.0204° К.Хэрэв ердийн температурт хэт дамжуулагчтай хайлшийг олж авах боломжтой байсан бол энэ нь цахилгаан инженерийн хувьд маш чухал ач холбогдолтой байх болно.

Орчин үеийн үзэл баримтлалын дагуу хэт дамжуулагчийн гол шалтгаан нь холбогдсон электрон хос үүсэх явдал юм. Хэт дамжуулалтын температурт чөлөөт электронуудын хооронд солилцооны хүч үйлчилж эхэлдэг бөгөөд энэ нь электронууд хоорондоо холбогдсон электрон хосуудыг үүсгэдэг. Холбоотой электрон хосуудын ийм электрон хий нь ердийн электрон хийнээс өөр шинж чанартай байдаг - энэ нь болор торны зангилааны эсрэг үрэлтгүйгээр хэт дамжуулагчаар хөдөлдөг.

Улсын нэгдсэн шалгалтын кодлогчийн сэдвүүд: хагас дамжуулагч, хагас дамжуулагчийн дотоод ба хольц дамжуулах чанар.

Өнөөг хүртэл бодисын цахилгаан гүйдэл дамжуулах чадварын тухай ярихдаа бид тэдгээрийг дамжуулагч ба диэлектрик гэж хуваасан. Энгийн дамжуулагчийн эсэргүүцэл нь Ом м мужид байна; Диэлектрикийн эсэргүүцэл нь эдгээр утгуудаас дундаж хэмжээнээс давж гардаг: Ом м.

Гэхдээ цахилгаан дамжуулах чанараараа дамжуулагч ба диэлектрикийн хооронд завсрын байрлалыг эзэлдэг бодисууд бас байдаг. Энэ хагас дамжуулагч: өрөөний температурт тэдгээрийн эсэргүүцэл нь Ом м-ийн өргөн хүрээний утгыг авч болно. Хагас дамжуулагчдад цахиур, германий, селен болон бусад зарим химийн элемент, нэгдлүүд орно (Хагас дамжуулагч нь байгальд маш түгээмэл байдаг. Жишээлбэл, дэлхийн царцдасын массын 80 орчим хувь нь хагас дамжуулагч бодисуудаас бүрддэг). Хамгийн өргөн хэрэглэгддэг нь цахиур, германи юм.

Хагас дамжуулагчийн гол онцлог нь температур нэмэгдэх тусам цахилгаан дамжуулах чанар нь огцом нэмэгддэг. Хагас дамжуулагчийн эсэргүүцэл нь зурагт үзүүлсэн шиг температур нэмэгдэх тусам буурдаг. 1.

Цагаан будаа. 1. Хагас дамжуулагчийн хамаарал

Өөрөөр хэлбэл, бага температурт хагас дамжуулагч нь диэлектрик шиг, харин өндөр температурт нэлээд сайн дамжуулагч шиг ажилладаг. Энэ бол хагас дамжуулагч ба металлын хоорондох ялгаа юм: таны санаж байгаагаар металлын эсэргүүцэл нь температур нэмэгдэх тусам шугаман нэмэгддэг.

Хагас дамжуулагч ба металлын хооронд өөр ялгаа байдаг. Тиймээс хагас дамжуулагчийг гэрэлтүүлэх нь түүний эсэргүүцлийг бууруулдаг (мөн гэрэл нь металлын эсэргүүцэлд бараг нөлөөлдөггүй). Нэмж дурдахад, хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар нь бүр бага хэмжээний хольцыг нэвтрүүлэхэд ихээхэн өөрчлөгдөж болно.

Туршлагаас харахад металлын нэгэн адил хагас дамжуулагчаар гүйдэл гүйх үед бодис шилжихгүй. Тиймээс хагас дамжуулагч дахь цахилгаан гүйдэл нь электронуудын хөдөлгөөнөөс үүдэлтэй.

Хагас дамжуулагчийг халаах үед эсэргүүцлийн бууралт нь температурын өсөлт нь хагас дамжуулагч дахь чөлөөт цэнэгийн тоо нэмэгдэхэд хүргэдэг болохыг харуулж байна. Металлуудад ийм зүйл тохиолддоггүй; тиймээс хагас дамжуулагч нь металлаас өөр цахилгаан дамжуулах механизмтай байдаг. Үүний шалтгаан нь метал ба хагас дамжуулагчийн атомуудын хоорондох химийн холбоо өөр өөр шинж чанартай байдаг.

Ковалент холбоо

Таны санаж байгаагаар металлын холбоо нь цавуу шиг болор торны зангилаанууд дээр эерэг ионуудыг барьдаг чөлөөт электронуудын хийгээр хангадаг. Хагас дамжуулагч нь өөр өөр бүтэцтэй байдаг - атомууд нь хоорондоо холбоотой байдаг ковалент холбоо. Энэ нь юу болохыг санацгаая.

Гадаад электрон түвшинд байрлах электронууд ба дуудагдсан валент, цөмд ойрхон байрладаг үлдсэн электронуудаас атомтай сул холбоотой байдаг. Ковалентын холбоо үүсгэх явцад хоёр атом нь валентын электронуудын нэгийг "нийтлэг шалтгаанд" хувь нэмэр оруулдаг. Эдгээр хоёр электроныг хуваалцдаг, өөрөөр хэлбэл тэд одоо хоёр атомд харьяалагддаг тул үүнийг нэрлэдэг хуваалцсан электрон хос(Зураг 2).

Цагаан будаа. 2. Ковалент холбоо

Нийгэмшсэн хос электронууд нь атомуудыг бие биедээ ойртуулдаг (цахилгаан таталцлын хүчийг ашигладаг) юм. Ковалент холбоо гэдэг нь электрон хосуудын нэгдэлээс болж атомуудын хооронд үүсдэг холбоо юм. Ийм учраас ковалент холбоог бас нэрлэдэг хос электрон.

Цахиурын болор бүтэц

Одоо бид хагас дамжуулагчийн дотоод бүтцийг нарийвчлан судлахад бэлэн байна. Жишээлбэл, байгаль дээрх хамгийн түгээмэл хагас дамжуулагч болох цахиурыг авч үзье. Хоёр дахь хамгийн чухал хагас дамжуулагч болох германи нь ижил төстэй бүтэцтэй.

Цахиурын орон зайн бүтцийг Зураг дээр үзүүлэв. 3 (Бэн Миллсийн зураг). Бөмбөлөгүүд нь цахиурын атомуудыг төлөөлдөг бөгөөд тэдгээрийг холбосон хоолой нь атомуудын хоорондох ковалент холболтын суваг юм.

Цагаан будаа. 3. Цахиурын болор бүтэц

Цахиурын атом бүр хоорондоо холбогддог гэдгийг анхаарна уу дөрөвхөрш атомууд. Яагаад ийм зүйл болдог вэ?

Баримт нь цахиур нь дөрвөн валент юм - цахиурын атомын гаднах электрон бүрхүүл дээр дөрвөн валентийн электрон байдаг. Эдгээр дөрвөн электрон тус бүр нь өөр атомын валентийн электронтой хамтран электрон хос үүсгэхэд бэлэн байдаг. Ийм зүйл болдог! Үүний үр дүнд цахиурын атом нь түүнд залгагдсан дөрвөн атомаар хүрээлэгдсэн бөгөөд тус бүр нь нэг валентийн электроныг бүрдүүлдэг. Үүний дагуу атом бүрийн эргэн тойронд найман электрон байдаг (бидний дөрөв, өөр дөрвөн).

Цахиурын болор торны хавтгай диаграмм дээр бид үүнийг илүү нарийвчлан харж байна (Зураг 4).

Цагаан будаа. 4. Цахиурын болор тор

Ковалентын холбоог атомуудыг холбосон хос шугамаар дүрсэлсэн; Эдгээр шугамууд нь нийтлэг электрон хосуудыг агуулдаг. Ийм шугам дээр байрлах валентийн электрон бүр ихэнх цагаа хоёр хөрш атомын хоорондох зайд өнгөрөөдөг.

Гэсэн хэдий ч валентийн электронууд нь харгалзах хос атомуудтай ямар ч байдлаар "нягт холбоотой" байдаггүй. Цахим бүрхүүлүүд давхцдаг хүн бүрхөрш атомууд, ингэснээр аливаа валент электрон нь хөрш бүх атомуудын нийтлэг өмч болно. Зарим атом 1-ээс ийм электрон хөрш зэргэлдээх атом 2 руу, дараа нь хөрш зэргэлдээх атом 3 гэх мэтээр явж болно. Валентийн электронууд болор даяар хөдөлж чаддаг - тэд үүнийг хэлдэг бүхэл бүтэн болорт хамаарна(мөн нэг атомын хос биш).

Гэсэн хэдий ч цахиурын валентийн электронууд нь чөлөөтэй байдаггүй (металлын хувьд). Хагас дамжуулагчийн хувьд валентын электрон ба атомуудын хоорондын холбоо нь металаас хамаагүй хүчтэй байдаг; Цахиурын ковалент холбоо нь бага температурт тасрахгүй. Электрон энерги нь гадны цахилгаан орны нөлөөн дор доод потенциалаас өндөр рүү чиглэсэн хөдөлгөөнийг эхлүүлэхэд хангалтгүй юм. Тиймээс хангалттай бага температурт хагас дамжуулагч нь диэлектриктэй ойрхон байдаг - цахилгаан гүйдэл дамжуулдаггүй.

Өөрийгөө дамжуулах чадвар

Хэрэв та хагас дамжуулагч элементийг цахилгаан хэлхээнд холбож, халааж эхлэх юм бол хэлхээний гүйдэл нэмэгддэг. Тиймээс хагас дамжуулагчийн эсэргүүцэл буурдагтемпературын өсөлттэй хамт. Яагаад ийм зүйл болж байна вэ?

Температур нэмэгдэхийн хэрээр цахиурын атомуудын дулааны чичиргээ улам эрчимжиж, валентийн электронуудын энерги нэмэгддэг. Зарим электронуудын хувьд энерги нь ковалент холбоог таслахад хангалттай хэмжээнд хүрдэг. Ийм электронууд атомуудаа орхиж, болдог үнэгүй(эсвэл дамжуулагч электронууд) - металлтай яг адилхан. Гадны цахилгаан талбайд чөлөөт электронууд эмх цэгцтэй хөдөлж, цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг.

Цахиурын температур өндөр байх тусам электрон энерги ихсэх ба эвдэрч тасрах ковалент бондын тоо ихсэх болно. Цахиурын талст дахь чөлөөт электронуудын тоо нэмэгдэж, энэ нь түүний эсэргүүцэл буурахад хүргэдэг.

Ковалентын холбоо тасрах ба чөлөөт электронуудын харагдах байдлыг Зураг дээр үзүүлэв. 5. Эвдэрсэн ковалент холбоо үүссэн газарт а нүх- электроны хоосон орон зай. Нүхтэй эерэгцэнэгтэй, учир нь сөрөг цэнэгтэй электроныг орхиход цахиурын атомын цөмийн нөхөн олговоргүй эерэг цэнэг хэвээр үлдэнэ.

Цагаан будаа. 5. Чөлөөт электрон ба нүх үүсэх

Цоорхойнууд байрандаа үлдэхгүй - тэд болорыг тойрон тэнүүчилж болно. Атомуудын хооронд "аялдаг" хөрш валентын электронуудын нэг нь үүссэн хоосон газар руу үсэрч, нүхийг дүүргэх боломжтой юм. тэгвэл энэ газрын нүх алга болох боловч электрон ирсэн газарт гарч ирнэ.

Гадны цахилгаан орон байхгүй үед валентийн электронууд атомуудын хооронд санамсаргүй байдлаар тэнүүчилдэг тул нүхний хөдөлгөөн санамсаргүй явагддаг. Гэсэн хэдий ч энэ нь цахилгаан орон зайд эхэлдэг чиглүүлсэннүхний хөдөлгөөн. Яагаад? Үүнийг ойлгоход хэцүү биш юм.

Зураг дээр. Зураг 6-д цахилгаан талбарт байрлуулсан хагас дамжуулагчийг харуулав. Зургийн зүүн талд нүхний анхны байрлал байна.

Цагаан будаа. 6. Цахилгаан орон дахь нүхний хөдөлгөөн

Нүх хаашаа явах вэ? Хамгийн их магадлалтай электрон > нүхний үсрэлтүүд чиглэлд байгаа нь тодорхой байна эсрэгталбарын шугамууд (өөрөөр хэлбэл талбарыг үүсгэдэг "нэмэх"). Эдгээр үсрэлтийн нэгийг зургийн дунд хэсэгт харуулав: электрон зүүн тийш үсэрч, хоосон орон зайг дүүргэж, нүх нь баруун тийш шилжсэн. Цахилгаан талбайн улмаас үүссэн электроны дараагийн боломжит үсрэлтийг зургийн баруун талд дүрсэлсэн болно; Энэхүү үсрэлтийн үр дүнд нүх нь баруун тийшээ илүү байрласан шинэ газар авав.

Нүх бүхэлдээ хөдөлж байгааг бид харж байна чиглэлдталбайн шугамууд - өөрөөр хэлбэл эерэг цэнэгүүд шилжих ёстой газар. Талбайн дагуух нүхний чиглэсэн хөдөлгөөн нь гол төлөв талбайн эсрэг чиглэлд явагддаг валентийн электронуудын атомаас атом руу үсрэх замаар үүсдэг гэдгийг дахин онцлон тэмдэглэе.

Тиймээс цахиурын талст дотор хоёр төрлийн цэнэг зөөгч байдаг: чөлөөт электронууд ба нүхнүүд. Гадны цахилгаан талбарыг хэрэглэх үед тэдгээрийн захиалгат эсрэг хөдөлгөөнөөс үүдэлтэй цахилгаан гүйдэл гарч ирдэг: чөлөөт электронууд талбайн хүч чадлын векторын эсрэг, нүхнүүд нь векторын чиглэлд шилждэг.

Чөлөөт электронуудын хөдөлгөөний улмаас гүйдэл үүсэхийг нэрлэдэг электрон дамжуулалт, эсвэл n төрлийн цахилгаан дамжуулах чанар. Цооногийг эмх цэгцтэй хөдөлгөх үйл явц гэж нэрлэдэг нүхний дамжуулалт, эсвэл p төрлийн дамжуулалт(Латин negativus (сөрөг) ба эерэг (эерэг) үгсийн эхний үсгээс). Цахилгаан дамжуулах чанарыг хоёуланг нь - электрон ба нүхийг хамтад нь нэрлэдэг өөрийн дамжуулах чадвархагас дамжуулагч.

Эвдэрсэн ковалент холбоог орхисон электрон бүр "чөлөөт электрон-нүх" хос үүсгэдэг. Иймээс цэвэр цахиурын талст дахь чөлөөт электронуудын концентраци нь нүхний концентрацтай тэнцүү байна. Үүний дагуу болорыг халаах үед зөвхөн чөлөөт электронууд төдийгүй нүхний концентраци нэмэгддэг бөгөөд энэ нь электрон болон нүхний дамжуулалт ихэссэний улмаас хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулах чанар нэмэгдэхэд хүргэдэг.

Чөлөөт электрон нүхний хос үүсэхтэй зэрэгцэн урвуу процесс явагдана. дахин нэгтгэхчөлөөт электрон ба нүхнүүд. Тодруулбал, нүхтэй тулгарсан чөлөөт электрон энэ орон зайг нөхөж, эвдэрсэн ковалент холбоог сэргээж, валентийн электрон болж хувирдаг. Тиймээс хагас дамжуулагч дээр энэ нь тогтдог динамик тэнцвэр: нэгж хугацаанд ковалент холбоо тасрах, электрон нүхний хос үүсэх дундаж тоо нь электрон болон нүхийг дахин нэгтгэх дундаж тоотой тэнцүү байна. Динамик тэнцвэрийн энэ төлөв нь өгөгдсөн нөхцөлд хагас дамжуулагч дахь чөлөөт электрон ба нүхний тэнцвэрийн концентрацийг тодорхойлдог.

Гадаад нөхцөл байдлын өөрчлөлт нь динамик тэнцвэрийн төлөвийг нэг чиглэлд шилжүүлдэг. Энэ тохиолдолд цэнэгийн тээвэрлэгчийн концентрацийн тэнцвэрийн утга нь аяндаа өөрчлөгддөг. Жишээлбэл, хагас дамжуулагчийг халаах эсвэл гэрэлтүүлэх үед чөлөөт электрон ба нүхний тоо нэмэгддэг.

Өрөөний температурт цахиур дахь чөлөөт электронууд ба нүхний концентраци нь ойролцоогоор см-тэй тэнцүү байна. Өөрөөр хэлбэл, цахиурын атомд зөвхөн нэг чөлөөт электрон байдаг. Энэ бол маш бага. Жишээлбэл, металлын хувьд чөлөөт электронуудын концентраци нь атомын концентрацтай ойролцоогоор тэнцүү байдаг. тус тус, Хэвийн нөхцөлд цахиур болон бусад хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулах чанар нь металлын дамжуулах чадвартай харьцуулахад бага байдаг..

Бохирдлын дамжуулалт

Хагас дамжуулагчийн хамгийн чухал шинж чанар нь маш бага хэмжээний хольцыг оруулсны үр дүнд тэдгээрийн эсэргүүцлийг хэд хэдэн дарааллаар бууруулж чаддаг явдал юм. Хагас дамжуулагч нь өөрийн дамжуулах чадвараас гадна давамгайлах чадвартай байдаг хольц дамжуулах чанар. Хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүд нь шинжлэх ухаан, технологид ийм өргөн хэрэглээг олж авсан нь үүний ачаар юм.
Жишээлбэл, цахиурын хайлмал дээр бага зэрэг таван валент хүнцэл нэмсэн гэж бодъё. Хайлмалыг талсжуулсны дараа хүнцлийн атомууд үүссэн цахиурын болор торны зарим зангилаанд байрлаж байгаа нь тогтоогджээ.

Хүнцлийн атомын хамгийн гаднах электрон түвшин нь таван электронтой. Тэдний дөрөв нь хамгийн ойрын хөршүүд болох цахиурын атомуудтай ковалент холбоо үүсгэдэг (Зураг 7). Эдгээр холбоонд ороогүй тав дахь электроны хувь заяа юу вэ?

Цагаан будаа. 7. N хэлбэрийн хагас дамжуулагч

Тэгээд тав дахь электрон чөлөөтэй болно! Энэ "нэмэлт" электроныг цахиурын талст дахь хүнцлийн атомтай холбох энерги нь цахиурын атомуудтай валентийн электронуудын холбох энергиээс хамаагүй бага юм. Тиймээс өрөөний температурт бараг бүх хүнцлийн атомууд дулааны хөдөлгөөний үр дүнд тав дахь электронгүй үлдэж, эерэг ион болж хувирдаг. Мөн цахиурын талст нь хүнцлийн атомуудаас салсан чөлөөт электронуудаар дүүрдэг.

Кристалыг чөлөөт электроноор дүүргэх нь бидний хувьд шинэ зүйл биш юм: бид үүнийг халах үед үүнийг харсан цэвэрхэнцахиур (ямар ч хольцгүй). Харин одоо нөхцөл байдал үндсэндээ өөр байна: хүнцлийн атомаас гарч буй чөлөөт электрон харагдах байдал нь хөдөлгөөнт нүхний харагдах байдал дагалддаггүй.. Яагаад? Үүний шалтгаан нь адилхан - цахиурын атомуудтай валентийн электронуудын холбоо нь тав дахь хоосон орон зайд байгаа хүнцлийн атомаас хамаагүй хүчтэй байдаг тул хөрш цахиурын атомуудын электронууд энэ орон зайг нөхөх хандлагатай байдаггүй. Ийнхүү хоосон орон зай хэвээрээ байгаа бөгөөд энэ нь хүнцлийн атом хүртэл "хөлдөөсөн" бөгөөд гүйдэл үүсгэхэд оролцдоггүй.

Тиймээс, таван валент хүнцлийн атомыг цахиурын болор торонд оруулах нь электрон дамжуулалтыг бий болгодог боловч нүхний дамжуулалтын тэгш хэмтэй харагдахад хүргэдэггүй.. Одоогийн байдлаар гүйдэл үүсгэх гол үүрэг нь чөлөөт электронуудад хамаарах бөгөөд энэ тохиолдолд үүнийг нэрлэдэг гол тээвэрлэгчидцэнэглэх.

Мэдээжийн хэрэг, дотоод дамжуулалтын механизм нь хольцтой нөхцөлд үргэлжлүүлэн ажилладаг: дулааны хөдөлгөөний улмаас ковалент холбоо тасарч, чөлөөт электронууд болон нүхнүүд үүсдэг. Харин одоо хүнцлийн атомаар их хэмжээгээр хангагдсан чөлөөт электронуудаас хамаагүй цөөхөн нүхнүүд байдаг. Тиймээс, энэ тохиолдолд нүхнүүд байх болно томоохон бус хэвлэл мэдээллийн хэрэгсэлцэнэглэх.

Атомууд нь ижил тооны хөдөлгөөнт цоорхой харагдахгүйгээр чөлөөт электронуудыг өгдөг хольцыг нэрлэдэг хандивлагч. Жишээлбэл, таван валент хүнцэл нь донорын хольц юм. Хагас дамжуулагч дахь донорын хольц байгаа бол ихэнх цэнэгийн тээвэрлэгчид нь чөлөөт электронууд, цөөн тооны цэнэгийн тээвэрлэгчид нь нүхнүүд; өөрөөр хэлбэл чөлөөт электронуудын концентраци нь нүхний концентрацаас хамаагүй өндөр байдаг. Тиймээс донорын хольцтой хагас дамжуулагчийг нэрлэдэг электрон хагас дамжуулагч, эсвэл n төрлийн хагас дамжуулагч(эсвэл зүгээр л n-хагас дамжуулагч).

Сонирхолтой нь чөлөөт электронуудын концентраци нь n-хагас дамжуулагч дахь нүхний концентрацаас хэр их давж чадах вэ? Энгийн тооцоо хийцгээе.

Бохирдол нь , өөрөөр хэлбэл мянган цахиурын атом тутамд нэг хүнцлийн атом байна гэж үзье. Цахиурын атомын концентраци бидний санаж байгаагаар см-ийн дараалалтай байдаг.

Үүний дагуу хүнцлийн атомын концентраци мянга дахин бага байх болно: см-ээр бохирдлоос гарах чөлөөт электронуудын концентраци ижил байх болно - эцэст нь хүнцлийн атом бүр нэг электроныг өгдөг. Өрөөний температурт цахиурын ковалент холбоо тасрах үед үүсэх электрон нүхний хосуудын концентраци нь ойролцоогоор см-тэй тэнцүү байдгийг санацгаая. Энэ тохиолдолд чөлөөт электронуудын концентраци нь нүхний концентрациас их, өөрөөр хэлбэл тэрбум дахин их байна! Үүний дагуу ийм бага хэмжээний хольц оруулахад цахиурын хагас дамжуулагчийн эсэргүүцэл тэрбум дахин буурдаг.

Дээрх тооцоолол нь n төрлийн хагас дамжуулагчийн хувьд электрон дамжуулалт гол үүрэг гүйцэтгэдэг болохыг харуулж байна. Чөлөөт электронуудын тоо ийм асар их давуу талтай байгаа нөхцөлд нүхний хөдөлгөөний ерөнхий дамжуулалтад оруулсан хувь нэмэр бага байна.

Үүний эсрэгээр, нүхний дамжуулалт давамгайлсан хагас дамжуулагчийг бий болгох боломжтой. Гурвалсан хольцыг цахиурын талст руу оруулбал энэ нь тохиолдох болно, жишээлбэл, индий. Ийм хэрэгжүүлэлтийн үр дүнг Зураг дээр үзүүлэв. 8.

Цагаан будаа. 8. P хэлбэрийн хагас дамжуулагч

Энэ тохиолдолд юу болох вэ? Индий атомын хамгийн гаднах электрон түвшин нь хүрээлэн буй цахиурын гурван атомтай ковалент холбоо үүсгэдэг гурван электроныг агуулдаг. Дөрөв дэх хөрш цахиурын атомын хувьд индий атом хангалттай электронгүй болж, энэ газарт нүх гарч ирнэ.

Мөн энэ нүх нь энгийн биш, гэхдээ онцгой - маш өндөр холболтын энергитэй. Хөрш зэргэлдээх цахиурын атомын электрон түүн рүү ороход энэ нь "үүнд үүрд гацах болно", учир нь электроны индий атом руу татах нь цахиурын атомуудаас илүү хүчтэй байдаг. Индий атом нь сөрөг ион болж хувирах бөгөөд электрон гарч ирсэн газарт нүх гарч ирнэ - харин одоо цахиурын болор торонд эвдэрсэн ковалент холбоо хэлбэртэй энгийн хөдөлгөөнт нүх гарч ирнэ. Энэ нүх нь валентийн электроныг нэг цахиурын атомаас нөгөөд шилжүүлэх "буухиа уралдаан"-ын улмаас талстыг ердийн байдлаар тэнүүчилж эхэлнэ.

Тиймээс индийн атом бүр нь нүх үүсгэдэг боловч чөлөөт электрон тэгш хэмтэй харагдахад хүргэдэггүй. Атомууд нь электронуудыг "чанга" барьж, улмаар болор дотор хөдөлгөөнт нүх үүсгэдэг ийм хольцыг нэрлэдэг. хүлээн авагч.

Гурвалсан индий бол хүлээн авагч хольцын жишээ юм.

Хэрэв хүлээн авагч хольцыг цэвэр цахиурын талст руу оруулах юм бол хольцоос үүссэн нүхний тоо нь цахиурын атомуудын хоорондын ковалент холбоо тасарсанаас үүссэн чөлөөт электронуудын тооноос хамаагүй их байх болно. Хүлээн авагч хольцтой хагас дамжуулагч нь нүхний хагас дамжуулагч, эсвэл p төрлийн хагас дамжуулагч(эсвэл зүгээр л p-хагас дамжуулагч).

Нүх нь p-хагас дамжуулагч дахь гүйдэл үүсгэх гол үүрэг гүйцэтгэдэг; нүх - үндсэн цэнэг тээвэрлэгчид. Чөлөөт электронууд - жижиг хэвлэл мэдээллийн хэрэгсэл p-хагас дамжуулагч дахь цэнэг. Энэ тохиолдолд чөлөөт электронуудын хөдөлгөөн нь ихээхэн хувь нэмэр оруулдаггүй: цахилгаан гүйдэл нь голчлон нүхний дамжуулалтаар хангадаг.

p-n уулзвар

Өөр өөр төрлийн дамжуулалт (цахим ба нүх) бүхий хоёр хагас дамжуулагчийн хоорондох холбоо барих газрыг нэрлэдэг электрон нүхний шилжилт, эсвэл p-n уулзвар. P-n уулзварын бүсэд сонирхолтой бөгөөд маш чухал үзэгдэл тохиолддог - нэг талын дамжуулалт.

Зураг дээр. 9-д p- ба n төрлийн бүсүүдийн контактыг харуулав; Өнгөт тойрог нь нүхнүүд ба чөлөөт электронууд бөгөөд тэдгээр нь холбогдох бүс нутагт ихэнх (эсвэл цөөнх) цэнэгийн тээвэрлэгч юм.

Цагаан будаа. 9. p-n уулзварын блоклох давхарга

Дулааны хөдөлгөөнийг гүйцэтгэхдээ цэнэгийн тээвэрлэгчид бүс хоорондын интерфейсээр нэвтэрдэг.

Чөлөөт электронууд n-бүсээс p-бүс рүү шилжиж, тэнд нүхтэй дахин нэгддэг; нүхнүүд p-бүсээс n-бүс рүү тархаж, тэнд электронуудтай дахин нэгддэг.

Эдгээр процессын үр дүнд донорын хольцын эерэг ионы нөхөн олгогдоогүй цэнэг электрон хагас дамжуулагчд контактын хилийн ойролцоо үлддэг бөгөөд хүлээн авагчийн хольцын ионуудын нөхөн олгогдоогүй сөрөг цэнэг нь нүхний хагас дамжуулагч дээр (мөн хилийн ойролцоо) гарч ирдэг. Эдгээр нөхөн олговоргүй орон зайн цэнэгүүд гэж нэрлэгддэг зүйлийг бүрдүүлдэг саад давхарга, дотоод цахилгаан орон нь контактын хилээр чөлөөт электронууд болон нүхнүүд цааш тархахаас сэргийлдэг.

Одоо бид хагас дамжуулагч элементтэйгээ гүйдлийн эх үүсвэрийг холбож, эх үүсвэрийн "нэмэх"-ийг n-хагас дамжуулагч, "хасах"-ыг p-хагас дамжуулагчтай холбоно (Зураг 10).

Цагаан будаа. 10. Урвуу чиглэлд асаах: гүйдэл байхгүй

Гадаад цахилгаан орон нь дийлэнх цэнэгийн тээвэрлэгчийг контактын хилээс цааш хөдөлгөж байгааг бид харж байна. Блоклох давхаргын өргөн нэмэгдэж, түүний цахилгаан орон нэмэгддэг. Блоклох давхаргын эсэргүүцэл өндөр, ихэнх тээвэрлэгчид p-n уулзварыг даван туулах чадваргүй байдаг. Цахилгаан орон нь зөвхөн цөөнхийн тээвэрлэгчдийг хил давах боломжийг олгодог боловч цөөнхийн тээвэрлэгчдийн маш бага концентрациас шалтгаалан тэдний үүсгэсэн гүйдэл нь маш бага байдаг.

Боломжит схемийг гэж нэрлэдэг эсрэг чиглэлд p-n уулзварыг асаах. Үндсэн зөөгч цахилгаан гүйдэл байхгүй; зөвхөн өчүүхэн цөөнхийн тээвэрлэгч гүйдэл байдаг. Энэ тохиолдолд p-n уулзвар хаалттай болж хувирна.

Одоо холболтын туйлшралыг өөрчилж, p-хагас дамжуулагч дээр "нэмэх", n-хагас дамжуулагч дээр "хасах"-ыг хэрэглэнэ (Зураг 11). Энэ схемийг нэрлэдэг урагш шилжүүлэх.

Цагаан будаа. 11. Урагшаа чиглэлд асаах: гүйдэл урсдаг

Энэ тохиолдолд гадаад цахилгаан орон нь блоклох талбарын эсрэг чиглэгдэж, p-n уулзвараар дамжин олонхи тээвэрлэгчдийн замыг нээж өгдөг. Саад давхарга нь нимгэн болж, эсэргүүцэл нь буурдаг.

Чөлөөт электронуудын n-бүсээс p-бүс рүү асар их хөдөлгөөн явагдаж, нүхнүүд нь эргээд p-бүсээс n-бүс рүү нийлдэг.

Ихэнх цэнэгийн тээвэрлэгчдийн хөдөлгөөнөөс үүссэн хэлхээнд гүйдэл үүсдэг (Гэхдээ одоо цахилгаан орон нь цөөнхийн тээвэрлэгчдийн гүйдэлд саад болж байгаа боловч энэ ач холбогдолгүй хүчин зүйл нь ерөнхий дамжуулалтад мэдэгдэхүйц нөлөө үзүүлэхгүй).

p-n уулзварын нэг талын дамжуулалтыг ашигладаг хагас дамжуулагч диодууд. Диод нь зөвхөн нэг чиглэлд гүйдэл дамжуулах төхөөрөмж юм; эсрэг чиглэлд диодоор гүйдэл өнгөрөхгүй (диодыг хаалттай гэж нэрлэдэг). Диодын бүдүүвч дүрслэлийг Зураг дээр үзүүлэв. 12.

Цагаан будаа. 12. Диод

Энэ тохиолдолд диод зүүнээс баруун тийш нээлттэй байна: цэнэгүүд нь сумны дагуу урсаж байх шиг байна (зураг дээр харна уу?). Баруунаас зүүн тийш чиглэсэн цэнэгүүд нь хананд наалдаж байгаа мэт санагдаж байна - диод хаалттай байна.