Байгаль дахь хагас дамжуулагч. Хагас дамжуулагчийн жишээ

Хагас дамжуулагчийн шинж чанар - ноосоор үрж, татахын тулд хувын өмч жижиг зүйлс, эрт дээр үеэс анзаарагдсан. Гэхдээ цахилгаан үзэгдлүүд, хувирамтгай, түр зуурын шинжтэй, цаг хугацааны явцад илүү тогтвортой байдаг соронзон үзэгдлийн сүүдэрт удаан хугацаагаар байсаар ирсэн.

17, 18-р зуунд цахилгаан туршилтуудөргөн боломжтой болох нь батлагдсан бөгөөд хэд хэдэн шинэ нээлт хийсэн. 1729 онд англи хүн Стивен Грэй бүх бодисыг цахилгаан цэнэгийг даахгүй тусгаарлагч гэж 2 ангилдаг болохыг олж мэдэв. цахилгаан биетүүд", учир нь тэд үрэлтийн улмаас цахилгаанжуулж болно), мөн цэнэг зөөгч дамжуулагч ("цахилгаан бус бие" гэж нэрлэдэг).

Бодисын цахилгаан шинж чанарын талаархи орчин үеийн санаанууд

Цаашдын санааг хөгжүүлснээр цахилгаан гүйдэл дамжуулах бодисын шинж чанарыг тоон байдлаар - тодорхой утгаараа тодорхойлж эхлэв. цахилгаан дамжуулах чанар, метр тутамд siemens-ээр хэмжсэн (S/m). Өрөөний температурт дамжуулагчийн дамжуулалт 10 6-аас 10 8 С / м хооронд хэлбэлздэг ба диэлектрик (тусгаарлагч) нь 10 -8 С / м-ээс бага байна.

Дамжуулах чадвартай бодисууд завсрын байрлал, хагас дамжуулагч эсвэл хагас тусгаарлагчийг дуудах нь логик юм. Анхны нэр нь түүхэнд тогтоогдсон байдаг. Хагас дамжуулагчийн дамжуулах чанар нь 10-8-аас 106 S / м-ийн хооронд хэлбэлздэг. Эдгээр 3 төрлийн бодисын хооронд хурц хил хязгаар байхгүй, чанарын ялгаа нь тоон шинж чанарын ялгаагаар тодорхойлогддог.

Хатуу биет дэх электрон дурын энергитэй байж болохгүй гэдгийг физикээс мэддэг бөгөөд энэ энерги нь зөвхөн тодорхой утгыг авч чаддаг бөгөөд үүнийг энергийн түвшин гэж нэрлэдэг. Атом дахь электрон цөмд ойртох тусам түүний энерги бага байдаг. Холын электрон хамгийн их энергитэй байдаг. Цахилгаан ба химийн процессуудЗөвхөн атомын гаднах бүрхүүлийн электронууд (валентийн зурвас гэж нэрлэгддэг электронууд) оролцдог.

Илүү ихтэй электронууд өндөр энерги, валентын зурвасын электронуудаас илүү нь дамжуулалтын зурвасын электронуудад хамаарна. Эдгээр электронууд нь бие даасан атомуудтай холбоогүй бөгөөд дамжуулалтыг идэвхжүүлэхийн тулд бие дотор санамсаргүй байдлаар хөдөлдөг.

Дамжуулалтын зурваст электрон өгсөн бодисын атомуудыг эерэг цэнэгтэй ионууд гэж үздэг бөгөөд тэдгээр нь хөдөлгөөнгүй бөгөөд дамжуулагч электронууд хөдөлдөг бодисын болор тор үүсгэдэг. Дамжуулагчид (металлуудад) дамжуулагчийн зурвас нь валентын зурвастай зэргэлдээ байдаг бөгөөд хөндлөнгийн оролцоогүйгээр металлын атом бүр дамжуулагчийн зурваст нэг буюу хэд хэдэн электроныг өгдөг бөгөөд энэ нь металыг цахилгаан дамжуулах шинж чанартай болгодог.

Хагас дамжуулагчийн шинж чанарыг зурвасын зөрүүгээр тодорхойлно

Хагас дамжуулагч ба диэлектрикийн хувьд валентын зурвас ба дамжуулалтын зурвасын хооронд гэж нэрлэгддэг зүйл байдаг. хориглосон газар. Электронууд нь энэ бүсийн түвшний энергитэй тохирох энергитэй байж чадахгүй. Бодисыг диэлектрик ба хагас дамжуулагч болгон хуваах нь зурвасын өргөнөөс хамаарч хийгддэг. Хэдхэн электрон вольт (eV) зурвасын завсартай үед валентийн зурвасын электронууд дамжуулах зурваст орох боломж бага байдаг нь эдгээр бодисыг дамжуулдаггүй болгодог. Тиймээс алмаз нь 5.6 эВ-ийн зурвасын зөрүүтэй байна. Гэсэн хэдий ч температур нэмэгдэхийн хэрээр валентын зурвас дахь электронууд энергийг нэмэгдүүлж, тэдгээрийн зарим нь дамжуулах зурваст ордог бөгөөд энэ нь диэлектрикийн тусгаарлах шинж чанарыг улам дордуулдаг.

Хэрэв зурвасын завсар нэг электрон вольтын дарааллаар байвал бодис нь өрөөний температурт мэдэгдэхүйц дамжуулалтыг олж авдаг бөгөөд температур нэмэгдэх тусам илүү дамжуулагч болдог. Бид ийм бодисыг хагас дамжуулагч гэж ангилдаг бөгөөд хагас дамжуулагчийн шинж чанарыг зурвасын зөрүүгээр тодорхойлдог.

Өрөөний температурт хагас дамжуулагчийн зурвасын зөрүү 2.5-3 эВ-ээс бага байна. Жишээлбэл, германий зурвасын зөрүү 0.72 эВ, цахиур нь 1.12 эВ байна. Өргөн зурвасын хагас дамжуулагчд 2 эВ-ээс их зурвасын зайтай хагас дамжуулагч орно. Ихэвчлэн хагас дамжуулагчийн зурвасын зай өндөр байх тусам хайлах цэг нь өндөр байдаг. Тиймээс германий хайлах цэг нь 936 ° C, цахиурын хайлах цэг нь 1414 ° C байна.

Хоёр төрлийн хагас дамжуулагч дамжуулагч - электрон ба нүх

Үнэмлэхүй тэг температурт (-273 ° C), цэвэр хагас дамжуулагч (үндсэн хагас дамжуулагч эсвэл хагас дамжуулагч) би-төрөл) бүх электронууд атомуудад байдаг бөгөөд хагас дамжуулагч нь тусгаарлагч юм. Температур нэмэгдэхийн хэрээр валентын зурвасын зарим электронууд дамжуулалтын зурваст орж, электрон дамжуулалт үүсдэг. Харин атом электроноо алдвал эерэг цэнэгтэй болдог.

Нөлөөлөлд өртсөн үедээ хөдөл цахилгаан оронболор торонд байр эзэлдэг атом үүнийг хийж чадахгүй ч хөрш атомын электроныг татаж, валентын зурвас дахь "нүх"-ийг дүүргэх чадвартай. Электроноо алдсан атом нь эргээд гадна бүрхүүлд үүссэн "нүх"-ийг дүүргэх боломжийг эрэлхийлнэ. Нүх нь эерэг цэнэгийн бүх шинж чанартай байдаг бөгөөд хагас дамжуулагч дотор сөрөг цэнэгтэй электрон ба эерэг цэнэгтэй нүх гэсэн 2 төрлийн тээвэрлэгч байдаг гэж бид үзэж болно.

Дамжуулах электронууд нь валентын зурвас дахь чөлөөт газруудыг эзэлж болно, өөрөөр хэлбэл. нүхтэй нийлнэ. Энэ процессыг рекомбинация гэж нэрлэдэг бөгөөд тээвэрлэгчийг үүсгэх, дахин нэгтгэх нь нэгэн зэрэг явагддаг тул өгөгдсөн температурт тээвэрлэгч хосуудын тоо динамик тэнцвэрт байдалд байдаг - үүссэн хосуудын тоог дахин нэгтгэх тоотой харьцуулдаг.

Хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулалт би-Төрөл нь электрон ба нүхний дамжуулалтаас бүрдэх ба электрон дамжуулалт давамгайлдаг, учир нь электронууд нүхнээс илүү хөдөлгөөнтэй байдаг. Металл эсвэл хагас дамжуулагчийн тодорхой цахилгаан дамжуулах чанар нь нэг куб метрт ногдох цэнэгийн тээвэрлэгчдийн тооноос хамаарна. см, эсвэл электрон ба нүхний концентраци дээр.

Хэрэв 1 куб дахь атомын тоо Бодисын см нь ойролцоогоор 10 22 бол өрөөний температурт метал дахь дамжуулагч электронуудын тоо байхгүй байна. бага тооатомууд, өөрөөр хэлбэл. Мөн 10 22 дарааллаар, харин цэвэр германид цэнэг тээвэрлэгчдийн концентраци ойролцоогоор 10 13 см -3, цахиурт 10 10 см -3 байдаг нь металлынхаас хамаагүй бага байдаг тул цахилгаан дамжуулах чанар хагас дамжуулагч нь металлынхаас хэдэн сая, тэрбум дахин муу байдаг.

Энэ бүхэн нь хольцтой холбоотой юм

Хагас дамжуулагч дээр хүчдэл хэрэглэх үед түүний дотор үүссэн цахилгаан орон нь электрон ба нүхийг хурдасгаж, тэдгээрийн хөдөлгөөн эмх цэгцтэй болж, цахилгаан гүйдэл үүсдэг - дамжуулалтын гүйдэл. Хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулалтаас гадна хольцын дамжуулалт бас байдаг бөгөөд энэ нь нэрнээс нь ойлгосноор хагас дамжуулагч дахь хольцтой холбоотой юм.

Хэрэв 5 валенттай сурьма, хүнцэл эсвэл фосфорыг бага хэмжээгээр нэмбэл 4 валенттай германид хольцын атомууд 4 электроныг ашиглан германий атомуудтай холбогдож, 5 дахь нь дамжуулах зурваст байх бөгөөд энэ нь дамжуулалтыг эрс сайжруулдаг. хагас дамжуулагчийн . Атомууд нь электрон өгдөг ийм хольцыг донор гэж нэрлэдэг. Ийм хагас дамжуулагчид электрон дамжуулалт давамгайлдаг тул тэдгээрийг хагас дамжуулагч гэж нэрлэдэг n-төрөл (аас Англи үг сөрөг- сөрөг). Бүх донор атомууд дамжуулалтын зурваст электрон хандивлахын тулд, эрчим хүчний бүсдонорын атомууд нь хагас дамжуулагчийн дамжуулах зурваст аль болох ойр, түүнээс бага зэрэг доогуур байх ёстой.

4 валенттай германид 3 валенттай бор, индий эсвэл хөнгөн цагааны хольц нэмэхэд хольцын атомууд германий атомуудаас электронуудыг салгаж, германи нь нүхний дамжуулагч болж, хагас дамжуулагч болдог. х-төрөл (англи үгнээс эерэг- эерэг). Нүхний дамжуулалтыг үүсгэдэг хольцыг хүлээн авагч гэж нэрлэдэг.

Акцепторууд электроныг хялбархан барьж авахын тулд хүлээн авагч атомуудын энергийн түвшин нь түүний дээр байрлах хагас дамжуулагчийн валентын зурвасын түвшинтэй зэрэгцэн байх ёстой.

Донор эсвэл хүлээн авагч атомын концентраци нь дотоод дамжуулагчийн концентрацаас ихээхэн давсан тул хольцын дамжуулалт нь ихэвчлэн дотоод дамжуулалтаас ихээхэн давж гардаг. Хатуу тунтай хольцтой хагас дамжуулагчийг олж авах нь маш хэцүү бөгөөд эхний хагас дамжуулагч нь бас маш цэвэр байх ёстой. Тиймээс германий хувьд 10 тэрбум германий атом тутамд нэгээс илүүгүй гадны хольц (донор эсвэл хүлээн авагч) байхыг зөвшөөрдөггүй, цахиурын хувьд цэвэршилтийн шаардлага 1000 дахин их байдаг.

Металл-хагас дамжуулагчийн шилжилт

Хагас дамжуулагч төхөөрөмжид хагас дамжуулагч-металл контактыг ашиглах шаардлагатай байдаг. Бодис (металл эсвэл хагас дамжуулагч) нь электроныг бодисоос гарахад шаардагдах энерги - ажлын функцээр тодорхойлогддог. Ажлын функцийг металлаас A m, хагас дамжуулагчаас A p гэж тэмдэглэе.

Ом контактууд

Ом контакт үүсгэх шаардлагатай бол (жишээ нь, хүчдэлийн аль ч туйлшралд контактын эсэргүүцэл бага байх үед шулуутгахгүй) дараах нөхцөлд металыг хагас дамжуулагчтай холбоо барихад хангалттай.

• n-хагас дамжуулагчтай харьцахдаа: А м< A п;
• p-хагас дамжуулагчтай холбогдоход: A m > A p .

Ижил төстэй шинж чанаруудХагас дамжуулагчийг хагас дамжуулагчийн хилийн давхаргад дийлэнх зөөвөрлөгчид хуримтлагддаг бөгөөд энэ нь түүний бага эсэргүүцлийг баталгаажуулдагтай холбон тайлбарладаг. Ихэнх тээвэрлэгчдийн хуримтлал нь электронууд үргэлж ажлын функц багатай бодисоос өөр бодис руу шилждэгээр баталгааждаг. илүү их ажилгарах.

Шулуутгагч контактууд

Харин хагас дамжуулагчтай бол n-А m > A p-тэй шүргэлцсэн металл байгаа гэж бичвэл электронууд хагас дамжуулагчаас метал руу шилжиж, хилийн давхаргад дийлэнх зөөвөрлөгчөөр шавхагдсан, бага дамжуулалттай муж үүснэ. Үүсгэсэн саадыг даван туулахын тулд контакт дээр тодорхой туйлшрал, хангалттай хэмжээний хүчдэлийг хэрэглэх шаардлагатай. Урвуу туйлшралыг ашиглах үед контактын дамжуулалт улам бүр муудах болно - ийм контакт нь засах шинж чанартай байдаг. Металл-хагас дамжуулагчтай холбоо барих нь хагас дамжуулагчтай төстэй шинж чанартай болохыг харахад хялбар байдаг. х-А m дээр бичнэ< A п.

Хагас дамжуулагч илрүүлэгчийн түүх

Металл-хагас дамжуулагч хагас дамжуулагчийн ижил төстэй шинж чанарыг Германы физикч Фердинанд Браун 1874 онд нээсэн. Хамгийн анхны металл-хагас дамжуулагч диодууд 1900 онд радио хүлээн авагчид гален (хар тугалганы сульфид) болор гадаргуу дээр дарагдсан вольфрамын утаснаас бүрдсэн детекторуудыг ашиглаж эхлэх үед гарч ирэв. Радио сонирхогчид хар тугалгатай хүхэр хайлуулах замаар детекторуудыг өөрсдөө хийсэн.

1906 онд Францын эрдэмтэн Г.Пикард цахиурын талст болон үзүүртэй спираль контакт пүршээр илрүүлэгч зохион бүтээж, патент авч байжээ. Металл-хагас дамжуулагч контакт дээр суурилсан электрон төхөөрөмжийг Германы физикч Вальтер Шотткигийн нэрээр Schottky диод гэж нэрлэдэг.

1926 онд эрчим хүчний нэгжид өргөн хэрэглэгддэг аяганы ислийн давхаргаар бүрсэн зэс хавтангаас бүрдэх хүчирхэг купрокс шулуутгагч элементүүд гарч ирэв.

Электрон нүхний шилжилт

Электрон нүхний шилжилт, эсвэл n-p- уулзвар нь хоёр хагас дамжуулагчийн зааг дахь бүс юм янз бүрийн төрөлдамжуулах чадвар, хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүдийн ажиллагаа нь ийм шилжилтийн шинж чанарыг ашиглахад суурилдаг. Уулзварт хүчдэл байхгүй тохиолдолд цэнэг зөөгч нь өндөр концентрацитай газраас бага концентрацитай хэсэгт буюу хагас дамжуулагчаас гадагш шилждэг. n- төрөл хагас дамжуулагч х-төрлийн электронууд хөдөлж, нүхнүүд эсрэг чиглэлд хөдөлдөг.

Эдгээр хөдөлгөөний үр дүнд интерфэйсийн хоёр талд зайны цэнэгтэй бүсүүд гарч ирэх ба эдгээр бүсүүдийн хооронд контактын боломжит зөрүү үүсдэг. Энэ боломжит ялгаа нь боломжит саадыг үүсгэдэг бөгөөд энэ нь саад болдог цаашдын шилжилтхаалтаар дамжин тээвэрлэгчид. Саадын өндөр (холбоо барих боломжит ялгаа) нь хольцын концентрацаас хамаардаг ба германий хувьд энэ нь ихэвчлэн 0.3-0.4 В, 0.7 В хүрдэг. Тогтвортой төлөвт уулзвараар гүйдэл байхгүй, учир нь p-n- уулзвар нь хагас дамжуулагчийн бусад хэсгүүдтэй харьцуулахад өндөр эсэргүүцэлтэй байдаг бөгөөд үүссэн давхаргыг блоклох давхарга гэж нэрлэдэг.

Хэрэв тэгвэл n-p-уулзварт гаднах хүчдэл өгөх, тэгвэл түүний туйлшралаас хамааран уулзвар өөр өөр үйлдэл хийнэ.

Уулзвараар дамжин өнгөрөх шууд гүйдэл

Хэрэв хагас дамжуулагч руу х-хүчдэлийн эх үүсвэрийн "нэмэх"-ийг хэрэглэх төрөл, дараа нь эх үүсвэрийн үүсгэсэн талбар нь талбайн эсрэг үйлчилнэ. холбоо барих ялгаапотенциалууд, нийт талбайн хэмжээ буурч, боломжит саадын өндөр буурч, илүү олон тооны тээвэрлэгчид үүнийг даван туулдаг. Тогтмол гүйдэл гэж нэрлэгддэг гүйдэл уулзвараар урсаж эхэлдэг. Үүний зэрэгцээ хамгаалалтын давхаргын зузаан ба түүний цахилгаан эсэргүүцэл.

Чухал ач холбогдолтой шууд гүйдэлхэрэглэсэн хүчдэл байхгүй үед саадны өндөртэй харьцуулах боломжтой уулзварт хүчдэл хэрэглэхэд хангалттай, өөрөөр хэлбэл. вольтын аравны нэг, түүнээс ч өндөр хүчдэлтэй үед саадны давхаргын эсэргүүцэл тэг рүү ойртох болно.

Уулзвараар урвуу гүйдлийн урсгал

Хэрэв гадаад хүчдэл "урвуу" байвал, өөрөөр хэлбэл. хавсаргана х-хагас дамжуулагч "хасах" хүчдэлийн эх үүсвэр, гадаад хүчдэлийн талбар нь контактын потенциалын зөрүүний талбарт нэмэгдэх болно. Боломжит саадын өндөр нь нэмэгдэж, энэ нь уулзвараар дамжих дийлэнх тээвэрлэгчдийн тархалтыг саатуулж, "урвуу" гэж нэрлэгддэг уулзвараар дамжин өнгөрөх гүйдэл бага байх болно. Саад давхарга нь зузаан болж, цахилгаан эсэргүүцэл нэмэгддэг.

Электрон нүхний уулзваруудыг засах шинж чанарыг янз бүрийн хүч, зориулалттай диодуудад ашигладаг - залруулахад АСянз бүрийн зориулалттай төхөөрөмжүүдийн тэжээлийн хангамж, сул дохио.

Хагас дамжуулагч шинж чанарын бусад хэрэглээ

Урвуу хүчдэлтэй электрон нүхний шилжилт нь цэнэглэгдсэнтэй адил ажилладаг цахилгаан конденсаторнэгжээс хэдэн зуун пикофарад хүртэлх хүчин чадалтай. Энэ багтаамж нь уулзварт хэрэглэсэн хүчдэлээс хамаардаг бөгөөд энэ нь зарим төрлийн хагас дамжуулагч төхөөрөмжийг хэрэглэсэн хүчдэлээр удирддаг хувьсах конденсатор болгон ашиглах боломжийг олгодог.

Үл хөдлөх хөрөнгө n-p-шилжилтүүд нь орчны температураас ихээхэн хамаардаг бөгөөд энэ нь ашиглах боломжтой болгодог бие даасан төрөл зүйлХагас дамжуулагч төхөөрөмжийг температур мэдрэгч болгон . гэх мэт өөр өөр дамжуулалтын гурван мужтай төхөөрөмжүүд n-p-n, цахилгаан дохиог өсгөх, түүнчлэн тэдгээрийг үүсгэх шинж чанартай төхөөрөмжүүдийг бий болгох боломжийг танд олгоно.

Залуу найз аа, та радио электроникийн бүхий л салбарт техникийн хувьсгалын үеийн хүн юм. Үүний мөн чанар нь вакуум хоолойг хагас дамжуулагч төхөөрөмжөөр сольсон бөгөөд одоо микро схемээр улам бүр солигдож байгаа явдал юм.

Хамгийн их өвөг дээдсийн нэг онцлог төлөөлөгчидХагас дамжуулагч төхөөрөмжүүдийн "арми" - транзистор нь 1922 онд Зөвлөлтийн радиофизикч О.В. Лосевын зохион бүтээсэн үүсгэгч детектор гэж нэрлэгддэг төхөөрөмж байв. Хоёр зэргэлдээх утас - дамжуулагч бүхий хагас дамжуулагч болор төхөөрөмж нь тодорхой нөхцөлд цахилгаан эрчим хүчийг үүсгэж, өсгөж чаддаг. цахилгаан чичиргээ. Гэвч дараа нь төгс бус байдлаасаа болж электрон хоолойтой өрсөлдөх боломжгүй болсон. Транзистор гэж нэрлэгддэг вакуум хоолойн зохистой өрсөлдөгч болох хагас дамжуулагчийг 1948 онд Америкийн эрдэмтэд Брэттейн, Бардин, Шокли нар бүтээжээ. Манай улсад хагас дамжуулагч төхөөрөмжийг хөгжүүлэхэд асар их хувь нэмэр оруулсан A.F.Ioffe, L.D.Landau, B.I Davydova, V.E. Лошкарев болон бусад олон тооны эрдэмтэн, инженерүүд, олон шинжлэх ухааны баг.

Орчин үеийн хагас дамжуулагч төхөөрөмжид тохиолддог үзэгдлийн мөн чанарыг ойлгохын тулд бид хагас дамжуулагчийн бүтцийг "харж", үүссэн шалтгааныг ойлгох хэрэгтэй. цахилгаан гүйдэл. Гэхдээ үүнээс өмнө атомын бүтцийн тухай ярьж байсан анхны ярианы тэр хэсгийг санах нь зүйтэй болов уу.

ХАГАС ДАМЖУУЛАГЧ БА ТҮҮНИЙ ШИНЖ

Танд сануулъя: by цахилгаан шинж чанарХагас дамжуулагч нь гүйдлийн дамжуулагч ба дамжуулагчгүй хооронд дунд байр эзэлдэг. Дээр дурдсан зүйлс дээр би хагас дамжуулагчийн бүлэгт дамжуулагч ба дамжуулагч бус бүлгүүдийн нэгдлээс хамаагүй илүү бодис агуулдаг гэдгийг нэмж хэлье. Олсон хагас дамжуулагчдад практик хэрэглээтехнологийн хувьд германий, цахиур, селен, аяганы исэл болон бусад зарим бодисууд орно. Гэхдээ хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүдийн хувьд зөвхөн германий болон цахиурыг ашигладаг.

Хамгийн их нь юу вэ онцлог шинж чанаруудхагас дамжуулагч, тэдгээрийг дамжуулагч ба дамжуулагч бус гүйдлээс ялгах вэ? Хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар нь үүнээс ихээхэн хамаардаг орчны температур. Маш бага температурт, үнэмлэхүй тэгтэй ойролцоо (-273 ° C) тэд цахилгаан гүйдэлтэй холбоотой тусгаарлагчийн үүрэг гүйцэтгэдэг. Ихэнх дамжуулагч нь эсрэгээр, энэ температурт хэт дамжуулагч болдог, i.e. гүйдэлд бараг эсэргүүцэл үзүүлэхгүй. Дамжуулагчийн температур нэмэгдэхийн хэрээр цахилгаан гүйдлийн эсэргүүцэл нэмэгдэж, хагас дамжуулагчийн эсэргүүцэл буурдаг. Гэрлийн нөлөөгөөр дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар өөрчлөгддөггүй. Гэрлийн нөлөөн дор хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар, фото дамжуулагч гэж нэрлэгддэг. Хагас дамжуулагч нь гэрлийн энергийг цахилгаан гүйдэл болгон хувиргаж чаддаг. Энэ нь дамжуулагчийн хувьд ердийн зүйл биш юм. Хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар нь бусад элементүүдийн атомуудыг оруулахад огцом нэмэгддэг. Дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар нь тэдгээрт хольц оруулах үед буурдаг. Хагас дамжуулагчийн эдгээр болон бусад зарим шинж чанарууд нь харьцангуй удаан хугацаанд мэдэгдэж байсан боловч харьцангуй саяхан өргөн хэрэглэгдэж эхэлсэн.

Орчин үеийн олон хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүдийн эхлэлийн материал болох герман, цахиур тус бүр нь бүрхүүлийнхээ гадна давхаргад дөрвөн валентын электронтой байдаг. Нийтдээ германий атомд 32 электрон, цахиурын атомд 14 электрон байдаг боловч тэдгээрийн бүрхүүлийн дотоод давхаргад байрладаг германий атомын 28 электрон, цахиурын атомын 10 электрон нь цөмд бат бөх байдаг. ямар ч тохиолдолд тэднээс тусгаарлагдахгүй. Эдгээр хагас дамжуулагчийн атомуудын зөвхөн дөрвөн валентийн электронууд нь чөлөөтэй байж чаддаг, тэр ч байтугай үргэлж биш байдаг. Санаж байна уу: дөрөв! Хамгийн багадаа нэг электроноо алдсан хагас дамжуулагч атом эерэг ион болдог.

Хагас дамжуулагчийн хувьд атомууд дотор нь байрладаг хатуу дарааллаар: Атом бүр ижил төстэй дөрвөн атомаар хүрээлэгдсэн байдаг. Тэд мөн бие биентэйгээ маш ойрхон байрладаг тул тэдгээрийн валентийн электронууд нь хөрш зэргэлдээх бүх атомуудыг тойрон нэг тойрог зам үүсгэж, тэдгээрийг нэг бодис болгон холбодог. Хагас дамжуулагч талст дахь атомуудын энэ хамаарлыг Зураг дээр үзүүлсэн шиг хавтгай диаграм хэлбэрээр төсөөлж болно. 72, а. Энд "+" тэмдэгтэй том бөмбөлгүүд нь атомын цөмийг илэрхийлдэг дотоод давхаргуудэлектрон бүрхүүл (эерэг ионууд), жижиг бөмбөлгүүд нь валентын электронууд юм. Таны харж байгаагаар атом бүр яг ижил дөрвөн атомаар хүрээлэгдсэн байдаг. Атомуудын аль нэг нь хөрш бүртэй хоёр валентийн электроноор холбогддог бөгөөд тэдгээрийн нэг нь "өөрийн", хоёр дахь нь "хөрш"-ээс зээлдэг. Энэ бол хоёр электрон буюу валентийн холбоо юм. Хамгийн хүчтэй холболт!

Цагаан будаа. 72. Хагас дамжуулагч талст дахь атомуудын хамаарлын диаграмм (a) ба түүний бүтцийн хялбаршуулсан диаграмм (б)

Хариуд нь атом бүрийн электрон бүрхүүлийн гаднах давхарга нь найман электроныг агуулдаг: дөрөв нь өөрийн, нэг нь хөрш дөрвөн атомаас бүрддэг. Энд атомын валентийн электронуудын аль нь “таных”, аль нь “харийн” болохыг ялгах боломжгүй болсон тул тэдгээр нь нийтлэг болсон. Германы эсвэл цахиурын болорын бүх масс дахь атомуудын ийм холболттой бол хагас дамжуулагч болор нь нэг том молекул гэж үзэж болно.

Хагас дамжуулагч дахь атомуудын харилцан холболтын диаграммыг Зураг дээр үзүүлсэн шиг дүрслэн тодорхой болгохын тулд хялбаршуулж болно. 72, б. Энд дотоод электрон бүрхүүлтэй атомуудын цөмүүдийг нэмэх тэмдэгтэй тойрог хэлбэрээр, атом хоорондын холбоог валентийн электроныг илэрхийлсэн хоёр шугамаар харуулав.

Хагас дамжуулагч нь дамжуулагч ба диэлектрикийн шинж чанараараа тодорхойлогддог. Хагас дамжуулагч талстуудад атомууд ковалент холбоо үүсгэдэг (өөрөөр хэлбэл, алмаз шиг цахиурын болор дахь нэг электрон нь хоёр атомаар холбогддог электронууд нь атомаас ялгарах дотоод энергийн түвшинг шаарддаг (11.2-ийн эсрэг 1.76 10 −19 J); Хагас дамжуулагч ба диэлектрикийн ялгааг тодорхойлдог 10 −19 Ж). Температур нэмэгдэхийн хэрээр тэдгээрт энэ энерги гарч ирдэг (жишээлбэл, тасалгааны температурт атомуудын дулааны хөдөлгөөний энергийн түвшин 0.4·10−19 Ж), атомаас электроныг салгах энергийг бие даасан атомууд авдаг. Температур нэмэгдэхийн хэрээр чөлөөт электрон ба нүхний тоо нэмэгддэг тул хольц агуулаагүй хагас дамжуулагчийн эсэргүүцэл буурдаг. Уламжлал ёсоор 1.5-2 эВ-ээс бага электрон холбох энергитэй элементүүдийг хагас дамжуулагч гэж үздэг. Электрон нүхний дамжуулалтын механизм нь уугуул (өөрөөр хэлбэл хольцгүй) хагас дамжуулагчаар илэрдэг. Үүнийг хагас дамжуулагчийн дотоод цахилгаан дамжуулах чанар гэж нэрлэдэг.

Нүх

Электрон ба цөмийн хоорондын холбоо тасрахад атомын электрон бүрхүүлд чөлөөт орон зай үүснэ. Энэ нь электроныг өөр атомаас чөлөөт газартай атом руу шилжүүлэхэд хүргэдэг. Электрон дамжсан атом нь өөр атомаас өөр электрон хүлээн авдаг гэх мэт.Энэ нь атомуудын ковалент холбооноос үүдэлтэй. Тиймээс эерэг цэнэг нь атомыг хөдөлгөхгүйгээр хөдөлдөг. Энэ болзолт эерэг цэнэгнүх гэж нэрлэдэг.

Өөрөө нягтрал

Термодинамикийн тэнцвэрт байдалд хагас дамжуулагчийн электрон нягт нь температуртай дараахь хамаарлаар холбогдоно.

- дамжуулагч хамтлагийн түвшин - Ферми түвшин;

- Планкийн тогтмол;

- нүхний масс;

- температур; - Ферми түвшин;

- валентын зурвасын түвшин.

Дотоод нягтрал нь дараахь хамааралтай ба хамаарал юм.

Хагас дамжуулагчийн төрлүүд

Дамжуулах чадварын шинж чанараар

Өөрийгөө дамжуулах чадвар

Талстыг бүхэлд нь бүрдүүлдэг атомуудыг ионжуулах явцад чөлөөт электронууд ба "нүх" гарч ирдэг хагас дамжуулагчийг дотоод дамжуулагч хагас дамжуулагч гэж нэрлэдэг. Дотоод дамжуулалттай хагас дамжуулагчийн хувьд чөлөөт электронуудын концентраци нь "нүхний" концентрацитай тэнцүү байна.

Дамжуулах чадвар нь бөөмийн хөдөлгөөнтэй дараахь хамаарлаар холбогддог. Үүнд: эсэргүүцэл, электронуудын хөдөлгөөн, нүхний хөдөлгөөн, тэдгээрийн концентраци, q нь энгийн цахилгаан цэнэг (1.602·10 −19 С).Хагас дамжуулагчийн хувьд тээвэрлэгчийн концентраци нь давхцаж, томъёо нь дараах хэлбэртэй байна.

Бохирдлын дамжуулалт

Хагас дамжуулагч төхөөрөмжийг бий болгохын тулд талстыг

хольц дамжуулах чанар

. Ийм талстууд нь гурвалсан эсвэл таван валентын химийн элементийн атомуудтай хольцыг нэвтрүүлэх замаар хийгддэг. Дамжуулах чадварын төрлөөрЦахим хагас дамжуулагч (n-төрөл) n төрлийн хагас дамжуулагчХугацаа "n-төрөл""сөрөг" гэсэн үгнээс гаралтай сөрөг цэнэггол тээвэрлэгчид. Энэ төрлийн хагас дамжуулагч нь хольцгүй шинж чанартай байдаг. Дөрвөн валент хагас дамжуулагч (жишээлбэл, цахиур) дээр таван валент хагас дамжуулагчийн хольц (жишээлбэл, хүнцэл) нэмдэг. Харилцан үйлчлэлийн явцад хольцын атом бүр цахиурын атомуудтай ковалент холбоонд ордог. Гэсэн хэдий ч ханасан валентийн холбоонд хүнцлийн атомын тав дахь электрон байх газар байхгүй бөгөөд энэ нь алс хол явдаг.

электрон бүрхүүл

. Тэнд атомаас электроныг зайлуулахын тулд бага энерги зарцуулдаг. Электроныг зайлуулж, чөлөөтэй болно. Энэ тохиолдолд цэнэгийн дамжуулалтыг нүхээр биш электроноор гүйцэтгэдэг

энэ төрөл

. Ийм талстууд нь гурвалсан эсвэл таван валентын химийн элементийн атомуудтай хольцыг нэвтрүүлэх замаар хийгддэг. Хагас дамжуулагч нь метал шиг цахилгаан гүйдэл дамжуулдаг. Хагас дамжуулагчийг n төрлийн хагас дамжуулагч болгоход хүргэдэг хольцыг донорын хольц гэж нэрлэдэг.Энэ нь үндсэн тээвэрлэгчдийн эерэг цэнэгийг илэрхийлдэг "эерэг" гэсэн үгнээс гаралтай. Энэ төрлийн хагас дамжуулагч нь хольцын сууринаас гадна дамжуулалтын нүхний шинж чанараар тодорхойлогддог. Гурвалсан элементийн (индий гэх мэт) бага хэмжээний атомыг дөрвөн валент хагас дамжуулагч (цахиур гэх мэт) дээр нэмдэг. Хольцын атом бүр хөрш зэргэлдээх цахиурын атомтай ковалент холбоо тогтоодог. Дөрөв дэх цахиурын атомтай холбоо тогтоохын тулд индий атом байхгүй байна валентын электрон, тиймээс энэ нь валентийн электроныг шүүрэн авдаг ковалент холбоохөрш цахиурын атомуудын хооронд болж сөрөг цэнэгтэй ион болж нүх үүснэ. Энэ тохиолдолд нэмсэн хольцыг хүлээн авагч хольц гэж нэрлэдэг.

p-хагас дамжуулагчийн дамжуулах чадвар нь ойролцоогоор тэнцүү байна:

Радио инженерчлэлд ашиглах

Хагас дамжуулагч диод

Хагас дамжуулагч диод нь нүх ба электрон гэсэн хоёр төрлийн хагас дамжуулагчаас бүрдэнэ. Эдгээр мужуудын хооронд харилцах үед электронууд n төрлийн хагас дамжуулагчтай бүсээс p хэлбэрийн хагас дамжуулагчтай муж руу дамждаг бөгөөд дараа нь нүхнүүдтэй дахин нэгддэг. Үүний үр дүнд хоёр бүсийн хооронд цахилгаан орон үүсдэг бөгөөд энэ нь хагас дамжуулагчийг хуваах хязгаарыг тогтоодог - p-n уулзвар гэж нэрлэгддэг. Үүний үр дүнд p хэлбэрийн хагас дамжуулагчтай бүсэд сөрөг ионуудаас нөхөн олгогдоогүй цэнэг гарч ирдэг ба n төрлийн хагас дамжуулагчтай бүсэд нөхөн олгогдоогүй цэнэг үүсдэг. эерэг ионууд. Потенциал хоорондын зөрүү 0.3-0.6 В хүрдэг.

Боломжит ялгаа ба хольцын концентраци хоорондын хамаарлыг илэрхийлнэ дараах томъёо:

термодинамик стресс хаана байна, электроны концентраци байна, нүхний концентраци байна, дотоод концентраци байна.

p-хагас дамжуулагч дээр нэмэх хүчдэл, n-хагас дамжуулагч дээр хасах үед гадаад цахилгаан орон нь дотоод цахилгаан орны эсрэг чиглэнэ. p-n уулзвархангалттай хүчдэлтэй бол электронууд p-n уулзварыг даван туулах ба диодын хэлхээнд цахилгаан гүйдэл гарч ирнэ (шууд дамжуулалт). p төрлийн хагас дамжуулагчтай хэсэгт хасах хүчдэл, n төрлийн хагас дамжуулагчтай хэсэгт нэмэх хүчдэл өгөхөд чөлөөт цахилгаан гүйдэл дамжуулагчгүй (урвуу дамжуулалт) хоёр бүсийн хооронд муж гарч ирнэ. Хагас дамжуулагч диодын урвуу гүйдэл нь тийм биш юм тэгтэй тэнцүү, учир нь хоёр бүс нутагт үргэлж цөөнхийн төлбөр тээвэрлэгчид байдаг. Эдгээрийн хувьд тээвэрлэгч p-nгарц нээлттэй байх болно.

Тиймээс p-n уулзвар нь өөр өөр туйлшрал бүхий хүчдэлийг хэрэглэснээс үүсдэг нэг талын дамжуулалтын шинж чанарыг харуулдаг. Энэ өмчийг хувьсах гүйдлийг засахад ашигладаг.

Транзистор

Транзистор гэдэг нь p эсвэл n төрлийн хагас дамжуулагч бүхий хоёр мужаас бүрдэх хагас дамжуулагч төхөөрөмж бөгөөд тэдгээрийн хооронд n эсвэл p төрлийн хагас дамжуулагчтай муж байдаг. Тиймээс транзистор нь хоёр байна p-n хэсгүүдшилжилт. Хоёр уулзварын хоорондох болорын бүсийг суурь гэж нэрлэдэг бөгөөд гаднах мужуудыг ялгаруулагч ба коллектор гэж нэрлэдэг. Хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг транзисторын холболтын хэлхээ нь нийтлэг ялгаруулагчтай холболтын хэлхээ бөгөөд гүйдэл нь суурь ба ялгаруулагчаар коллектор руу тархдаг.

Хоёр туйлт транзисторыг цахилгаан гүйдлийг нэмэгдүүлэхэд ашигладаг.

Элементүүдийн үелэх систем дэх хагас дамжуулагчийн төрлүүд

Доорх хүснэгтэд олон тооны хагас дамжуулагч элементүүд болон тэдгээрийн холболтын талаархи мэдээллийг хэд хэдэн төрөлд хуваана.

• Элементүүдийн үелэх системийн IV бүлгийн нэг элементийн хагас дамжуулагч,
• цогцолбор: гурав ба тавдугаар бүлгээс хоёр элементтэй A III B V ба A II B VI, хоёр ба зургаа дахь бүлгийн элементүүдээс тус тус.

Бүх төрлийн хагас дамжуулагчид зурвасын завсар нь тухайн үеэс хамааралтай сонирхолтой байдаг, тухайлбал, хугацаа ихсэх тусам зурвасын зөрүү багасдаг.

Физик шинж чанар ба хэрэглээ

Юуны өмнө хагас дамжуулагчийн физик шинж чанар нь метал ба диэлектриктэй харьцуулахад хамгийн их судлагдсан гэдгийг хэлэх хэрэгтэй. Энэ нь үндсэндээ хагас дамжуулагчийн зурвасын бүтцийн бүтэц, нэлээд нарийхан зурвасын завсартай холбоотой нэг буюу өөр бодисын аль алинд нь ажиглагдахгүй асар олон тооны нөлөөлөл нь үүнийг ихээхэн хөнгөвчилдөг. Мэдээжийн хэрэг, хагас дамжуулагчийг судлах гол хөшүүрэг бол хагас дамжуулагч төхөөрөмж, нэгдсэн хэлхээний үйлдвэрлэл юм - энэ нь үндсэндээ цахиурт хамаарахаас гадна бусад нэгдлүүдэд (GaAs, InP, InSb) нөлөөлдөг.

Учир нь технологичид маш их хүлээн авах боломжтой цэвэр бодисууд, Авогадрогийн дугаарын шинэ стандартын тухай асуулт гарч ирнэ.

Хайлшлах

Хагас дамжуулагчийн их хэмжээний шинж чанар нь болор бүтэц дэх согогоос ихээхэн хамаардаг. Тиймээс тэд маш цэвэр бодис, ялангуяа электроникийн үйлдвэрт ашиглахыг хичээдэг. Хагас дамжуулагчийн дамжуулалтын хэмжээ, төрлийг хянахын тулд нэмэлт бодисуудыг нэвтрүүлсэн. Жишээлбэл, өргөн тархсан цахиурыг элементүүдийн үечилсэн системийн V дэд бүлгийн элемент болох донор болох фосфороор баяжуулж, n-Si үүсгэдэг. Нүхний төрлийн дамжуулалт (p-Si) бүхий цахиурыг авахын тулд бор (хүлээн авагч) ашигладаг. Хагас дамжуулагчийг нөхөн олговортой хагас дамжуулагчийг мөн зурвасын дунд хэсэгт байрлах Ферми түвшинг засах зорилгоор бүтээдэг.

Хүлээн авах аргууд

Хагас дамжуулагч дан талстыг олж авахын тулд физик, химийн тунадасжуулах янз бүрийн аргыг ашигладаг. Технологичдын гарт байгаа нэг талст хальсыг ургуулах хамгийн нарийн бөгөөд үнэтэй хэрэгсэл бол болорыг нэг давхарга хүртэл нарийвчлалтайгаар ургуулах боломжийг олгодог молекулын цацрагийн эпитакс юм.

Хагас дамжуулагч оптик

Хагас дамжуулагчийн гэрлийг шингээх нь тэдгээрийн хоорондын шилжилтээс шалтгаална эрчим хүчний төлөвүүдбүсийн бүтэц. Паули хасах зарчмыг харгалзан электронууд зөвхөн дүүргэгдсэн энергийн түвшингээс дүүргэгдээгүй түвшинд шилжих боломжтой. Өвөрмөц хагас дамжуулагчийн хувьд валентын зурвасын бүх төлөвүүд дүүрсэн, дамжуулах зурвасын бүх төлөвүүд дүүргэгдээгүй байдаг тул зөвхөн валентын зурвасаас дамжуулалтын зурвас руу шилжих боломжтой. Ийм шилжилтийг хийхийн тулд электрон зурвасын зайнаас хэтэрсэн гэрлээс энерги авах ёстой. Бага энергитэй фотонууд нь хагас дамжуулагчийн электрон төлөвүүдийн хооронд шилжилт үүсгэдэггүй тул ийм хагас дамжуулагчид давтамжийн мужид тунгалаг байдаг бөгөөд энэ нь зурвасын зөрүү ба Планкийн тогтмол юм. Энэ давтамж нь хагас дамжуулагчийн үндсэн шингээлтийн ирмэгийг тодорхойлдог. Электроникид ихэвчлэн ашиглагддаг хагас дамжуулагчийн хувьд (цахиур, германий, галлийн арсенид) энэ нь спектрийн хэт улаан туяаны бүсэд оршдог.

Хагас дамжуулагчийн гэрлийг шингээхэд нэмэлт хязгаарлалтыг сонгох дүрмүүд, ялангуяа импульсийн хадгалалтын хуулиар тогтоодог. Импульс хадгалагдах хууль нь эцсийн төлөвийн бараг импульс нь шингэсэн фотоны импульсийн хэмжээгээр анхны төлөвийн бараг импульсээс ялгаатай байхыг шаарддаг. Фотоны долгионы дугаар, долгионы урт нь хагас дамжуулагчийн харилцан торны долгионы вектортой харьцуулахад маш бага, эсвэл харагдах бүс дэх фотоны долгионы урт нь шинж чанараас хамаагүй их байна. хагас дамжуулагч дахь атом хоорондын зай, энэ нь цахим шилжилтийн үеийн төгсгөлийн төлөвийн бараг импульс нь анхны төлөвийн бараг импульстэй бараг тэнцүү байх шаардлагыг бий болгодог. Суурийн шингээлтийн ирмэгтэй ойролцоо давтамжтай үед энэ нь зөвхөн шууд зайтай хагас дамжуулагчийн хувьд боломжтой юм. Электрон импульс бараг өөрчлөгддөггүй хагас дамжуулагч дахь оптик шилжилтийг нэрлэдэг шулуунэсвэл босоо. Хэрэв фотон шингээх үйл явцад өөр гуравдагч бөөмс, жишээлбэл фонон оролцвол эцсийн төлөвийн импульс нь анхны төлөвийн импульсээс эрс ялгаатай байж болно. Ийм шилжилт нь бас боломжтой боловч магадлал багатай. Тэднийг дууддаг шууд бус шилжилтүүд.

Тиймээс галийн арсенид зэрэг шууд завсартай хагас дамжуулагч нь квант энерги нь зурвасын зайнаас хэтэрсэн үед гэрлийг хүчтэй шингээж эхэлдэг. Ийм хагас дамжуулагч нь оптоэлектроникт ашиглахад маш тохиромжтой.

Шууд бус хагас дамжуулагч, тухайлбал, цахиур нь шууд бус шилжилтийн улмаас шууд бус шилжилтийн улмаас долгионы зөрүүгээс арай илүү квант энергитэй гэрлийн давтамжийн мужид шингэдэг. температур. Цахиур дахь шууд шилжилтийн хязгаарын давтамж нь 3 эВ-ээс их, өөрөөр хэлбэл энэ нь спектрийн хэт ягаан туяаны бүсэд оршдог.

Электрон нь валентын зурвасаас дамжуулалтын зурваст шилжих үед хагас дамжуулагч дотор чөлөөт цэнэгийн тээвэрлэгчид гарч ирэх ба улмаар фото дамжуулалт үүсдэг.

Үндсэн шингээлтийн ирмэгээс доогуур давтамжтай үед гэрлийг шингээх боломжтой бөгөөд энэ нь өдөөлтийн өдөөлттэй холбоотой байдаг. цахим шилжилтүүдхольцын түвшин ба зөвшөөрөгдсөн зурвасын хооронд, түүнчлэн торны чичиргээ болон чөлөөт зөөгч дээр гэрэл шингээх. Exciton хамтлагууд нь өдөөх энергийн улмаас дамжуулагчийн доод хэсгээс бага зэрэг доогуур хагас дамжуулагчд байрладаг. Exciton шингээлтийн спектрүүд нь энергийн түвшний устөрөгчтэй төстэй бүтэцтэй байдаг. Үүний нэгэн адил, хольц, хүлээн авагч эсвэл донорууд нь туузан дахь хүлээн авагч эсвэл донорын түвшинг үүсгэдэг. Тэд нэмэлт хагас дамжуулагчийн шингээлтийн спектрийг ихээхэн өөрчилдөг. Хэрэв шууд бус завсарын шилжилтийн үед фонон нь гэрлийн кванттай нэгэн зэрэг шингэдэг бол шингээгдсэн энерги гэрлийн квантфонон энергийн хэмжээгээр бага байж болох бөгөөд энэ нь үндсэн шингээлтийн ирмэгээс энерги бага зэрэг бага давтамжтайгаар шингээхэд хүргэдэг.

Хагас дамжуулагчийн жагсаалт

Хагас дамжуулагч нэгдлүүдийг хэд хэдэн төрөлд хуваадаг.

• энгийн хагас дамжуулагч материал - үнэндээ химийн элементүүд: бор B, нүүрстөрөгч С, германий Ge, цахиур Si, селен Se, хүхэр S, сурьма Sb, теллур Те, иод I. Бие даасан хэрэглээГерман, цахиур, селен зэрэг нь өргөн олдсон. Үлдсэн хэсэг нь ихэвчлэн нэмэлт бодис эсвэл нарийн төвөгтэй хагас дамжуулагч материалын бүрэлдэхүүн хэсэг болгон ашиглагддаг;
• бүлэгт цогцолбор Хагас дамжуулагч материалд хагас дамжуулагч шинж чанартай, хоёр, гурав ба түүнээс дээш химийн элемент агуулсан химийн нэгдлүүд орно. Хоёр элементээс бүрдэх энэ бүлгийн хагас дамжуулагч материалыг нэрлэдэг хоёртын, мөн химийн салбарт заншилтай байдаг шиг тэдгээр нь бүрэлдэхүүн хэсгийн нэртэй байдаг металл шинж чанарЭдгээр нь бага тод илэрдэг. Тиймээс хүнцэл агуулсан хоёртын нэгдлүүдийг нэрлэдэг арсенид, хүхэр - сульфидууд, теллур - теллурид, нүүрстөрөгч - карбидууд. Цогцолбор хагас дамжуулагч материалД.И.Менделеевийн элементүүдийн үелэх системийн бүлгийн дугаарын дагуу нэгдлийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг нэгтгэж, үсгээр тэмдэглэв. Латин цагаан толгой(A нь эхний элемент, B нь хоёр дахь гэх мэт). Жишээлбэл, хоёртын нэгдэл индий фосфидын InP нь A III B V гэж нэрлэгддэг

Дараахь нэгдлүүдийг өргөн хэрэглэдэг.

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

түүнчлэн хар тугалга, цагаан тугалга, германий, цахиурын зарим исэл, түүнчлэн феррит, аморф шил болон бусад олон нэгдлүүд (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).

Дээрх хоёртын нэгдлүүдийн ихэнх дээр үндэслэн тэдгээрийг олж авах боломжтой хатуу шийдэл: (CdTe) x (HgTe) 1-x, (HgTe) x (HgSe) 1-x, (PbTe) x (SnTe) 1-x, (PbSe) x (SnSe) 1-x болон бусад.

A III B V холболтыг ихэвчлэн хэт өндөр давтамжтай ажилладаг электрон бүтээгдэхүүнд ашигладаг

A II B V нэгдлүүдийг харагдах бүсийн фосфор, LED, Холл мэдрэгч, модулятор болгон ашигладаг.

A III B V, A II B VI ба A IV B VI нэгдлүүдийг гэрлийн эх үүсвэр ба хүлээн авагч, индикатор, цацрагийн модулятор үйлдвэрлэхэд ашигладаг.

Хагас дамжуулагч ислийн нэгдлүүдийг фотоволтайк эс, шулуутгагч, өндөр давтамжийн ороомгийн цөм үйлдвэрлэхэд ашигладаг.

Хагас дамжуулагч нь цахилгаан дамжуулах чанар өндөртэй дамжуулагч (металл, электролит, нүүрс) ба цахилгаан гүйдэл бараг дамжуулдаггүй тусгаарлагч (шаазан, гялтгануур, резин болон бусад) хооронд завсрын байрлалыг эзэлдэг тул ийм нэрийг авсан.

Хэрэв бид эзэлхүүний эсэргүүцлийг Ом × см-ээр харьцуулж үзвэл янз бүрийн бодисууд, тэгвэл дамжуулагч нь: ρ байна У= 10 -6 - 10 -3 Ом × см; хагас дамжуулагчийн эсэргүүцэл: ρ У= 10 -3 - 10 8 Ом × см; ба диэлектрикийн хувьд: ρ У= 10 8 - 10 20 Ом × см Хагас дамжуулагч нь: металлын исэл - исэл (Al 2 O 3, Cu 2 O, ZnO, TiO 2, VO 2, WO 2, MoO 3); хүхрийн нэгдлүүд - сульфид (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); селентэй нэгдлүүд - селенидүүд; теллуртай нэгдлүүд - теллурид; зарим хайлш (MgSb 2, ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb); химийн элементүүд - германий, цахиур, теллур, селен, бор, нүүрстөрөгч, хүхэр, фосфор, хүнцэл, түүнчлэн их тоо нарийн төвөгтэй нэгдлүүд(галена, карборунд болон бусад).

Зураг 1. Германий

Зураг 2. Цахиур

Зураг 3. Теллур

Хагас дамжуулагчийн шинж чанарыг бүрэн, өргөн хүрээтэй судлах ажлыг Зөвлөлтийн эрдэмтэн А.Ф.Иоффе болон түүний хамтрагчид хийсэн.

Хагас дамжуулагчийн цахилгаан шинж чанар нь дамжуулагч ба тусгаарлагчийн шинж чанараас эрс ялгаатай. Дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар хүчтэй зэрэгтемператур, гэрэлтүүлэг, цахилгаан талбайн оршихуй ба эрч хүч, хольцын хэмжээ зэргээс хамаарна. Энгийн температурт хагас дамжуулагч нь электрон холбоо тасрахаас үүссэн тодорхой тооны чөлөөт электронуудыг агуулдаг. Хагас дамжуулагч нь электрон ба нүх гэсэн хоёр төрлийн дамжуулалттай. Цахим дамжуулалттай хагас дамжуулагчийн цэнэг зөөгч нь чөлөөт электронууд бөгөөд нүхний дамжуулалттай бол тэдгээр нь электронгүй холбоо юм.

Дараах туршилтыг авч үзье. Металл дамжуулагчийг аваад нэг үзүүрийг нь халаавал дамжуулагчийн халсан төгсгөл эерэг цэнэг хүлээн авна. Энэ нь электронуудын халуун үзүүрээс хүйтэн төгсгөл рүү шилжиж, дамжуулагчийн халуун төгсгөлд электронуудын дутагдал (эерэг цэнэг), хүйтэн төгсгөлд электронуудын илүүдэл (сөрөг цэнэг) үүсдэг гэж тайлбарладаг. Дамжуулагчаар дамжин өнгөрөх богино хугацааны гүйдэл нь дамжуулагчийн нэг төгсгөлөөс нөгөө төгсгөлд электронуудын хөдөлгөөнөөс үүдэлтэй байв. Тэгэхээр энд бид ярьж байнакондукторын тухай электрон дамжуулалт. Гэсэн хэдий ч ийм бодисууд байдаг ижил төстэй туршлагаөөрөөр ажиллах: ийм бодисын халсан ирмэг нь сөрөг цэнэг, хүйтэн ирмэг нь эерэг цэнэгийг хүлээн авдаг. Хэрэв бид одоогийн шилжүүлгийг эерэг цэнэгээр гүйцэтгэдэг гэж үзвэл энэ нь боломжтой юм.

Зураг 4. Бодисын атомуудын хоорондын холбоо

Зураг 5. Хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулалт

Зураг 6. Хагас дамжуулагчийн электрон дамжуулалт

Зураг 7. Хагас дамжуулагчийн нүхний дамжуулалт

Хагас дамжуулагч дахь дамжуулалтын өөр нэг төрөл болох нүхний дамжуулалттай танилцацгаая. Цэвэр хагас дамжуулагчийн хувьд цөмтэй сул холбоотой бүх электронууд электрон холбоонд оролцдог. Зураг 4-д, АБодисын атомуудын хоорондох дүүрсэн холбоог уламжлалт байдлаар үзүүлэв. "Нүх" бол элемент юм болор торэерэг цэнэгийн харагдах байдалд тохирсон электроноо алдсан бодисууд (Зураг 4, б).

Хэрэв "нүх" нь электроныг барьж авбал суллагдсан холбоог дахин дүүргэж болно хөрш холболт(Зураг 4, В). Энэ нь "нүх" нь шинэ байршилд шилжихэд хүргэнэ. -д байрлах хагас дамжуулагч бодист хэвийн нөхцөл, электрон ялгаралтын чиглэл, "нүх" үүсэх газар эмх замбараагүй байна. Хэрэв та цэвэр хагас дамжуулагч руу хандвал тогтмол хүчдэл, дараа нь электронууд болон "нүхнүүд" хөдөлнө (эхнийх нь талбайн хүчний чиглэлийн эсрэг, хоёр дахь нь эсрэг чиглэл). Хэрэв үүссэн "нүхний" тоо нь ялгарсан электронуудын тоотой тэнцүү бол цэвэр хагас дамжуулагчийн нэгэн адил хагас дамжуулагчийн дамжуулалт бага байна ( дотоод дамжуулалт). Тэр ч байтугай олдоц Үгүй их хэмжээнийгадны хольц нь цахилгаан дамжуулах механизмыг өөрчилж болно: үүнийг электрон эсвэл нүхтэй болгох. Ингээд авч үзье тодорхой жишээ. Германы (Ge)-ийг хагас дамжуулагчаар авч үзье. Германы талст дахь атом бүр өөр дөрвөн атомтай холбогддог. Температур нэмэгдэхэд эсвэл цацрагийн үр дүнд болорын хос холбоо тасарч болно. Энэ тохиолдолд тэнцүү тооны электрон ба "нүх" үүсдэг (Зураг 5).

Хүнцэлийг германид хольц болгон нэмье. Ийм бохирдол бий их тоосул холбогдсон электронууд. Бохирдлын атомууд нь чөлөөт ба дүүрсэн зурвасын энергийн түвшний хооронд байрлах өөрийн энергийн түвшинтэй бөгөөд сүүлийнхтэй ойр байдаг (Зураг 6). Ийм хольц нь чөлөөт бүсэд электронуудаа өгч, донорын хольц гэж нэрлэдэг. Хагас дамжуулагч нь чөлөөт электронуудтай байх ба бүх холбоог дүүргэх болно. Хагас дамжуулагч нь чөлөөт зурваст электрон дамжуулалттай байх болно.

Хэрэв одоо хүнцэл гэхээсээ илүү индийийг германид хольц болгон нэмбэл дараахь зүйл тохиолдох болно. Ийм хольц нь цөөн тооны сул холбоо бүхий электронуудтай бөгөөд хольцын энергийн түвшин нь чөлөөт ба дүүрсэн зурвасын энергийн түвшний хооронд, чөлөөт зурваст ойрхон байрладаг (Зураг 7). Ийм төрлийн хольцууд нь зэргэлдээ дүүрсэн бүсээс электронуудыг өөрийн бүсэд хүлээн авдаг бөгөөд үүнийг хүлээн авагч хольц гэж нэрлэдэг. Хагас дамжуулагч дээр чөлөөт электрон байхгүй тохиолдолд дүүргэгдээгүй холбоо - "нүх" байх болно. Хагас дамжуулагч нь дүүргэсэн зурваст нүхний дамжуулалттай байх болно.

Одоо хагас дамжуулагчийг халаах туршлага нь халсан төгсгөл нь сөрөг цэнэг, хүйтэн төгсгөл нь эерэг цэнэг хүлээн авсан үед тодорхой болно. Дулааны нөлөөн дор халуун төгсгөлийн бондууд задарч, "нүх" болон чөлөөт электронууд үүсдэг. Хэрэв хагас дамжуулагч нь хольц агуулсан байвал "нүх" нь хүйтэн төгсгөл рүү шилжиж, эерэгээр цэнэглэгдэж, хагас дамжуулагчийн халсан төгсгөл сөрөг цэнэгтэй болно.

Хагас дамжуулагчийн талаархи дүгнэлтээ дуусгаад бид дараах дүгнэлтийг хийж байна.

Хагас дамжуулагч руу хольц нэмснээр электрон эсвэл нүхний дамжуулалтыг давамгайлж болно. Үүний үндсэн дээр бид авдаг дараах төрлүүдхагас дамжуулагч. Электрон дамжуулалттай хагас дамжуулагчийг хагас дамжуулагч гэж нэрлэдэг n-төрөл (сөрөг) ба нүх дамжуулах чадвартай - х-төрөл (эерэг).

Мөн бид таныг хагас дамжуулагчийн тухай боловсролын видео бичлэг үзэхийг урьж байна.

Жагсаалт=PL_QCOTUIndSFAbWcR3t0wYp5IORVEHu3I

Цахилгаан гүйдлийн дамжуулагчийн зэрэгцээ байгальд металл дамжуулагчаас хамаагүй бага цахилгаан дамжуулах чадвартай олон бодис байдаг. Ийм төрлийн бодисыг хагас дамжуулагч гэж нэрлэдэг.

Хагас дамжуулагчид: селен, цахиур, германий зэрэг зарим химийн элементүүд, таллийн сульфид, кадми сульфид, мөнгөний сульфид зэрэг хүхрийн нэгдлүүд, карборунд зэрэг карбидууд,нүүрстөрөгч (алмаз),бор, саарал цагаан тугалга, фосфор, сурьма, хүнцэл, теллур, иод болон үечилсэн системийн 4-7-р бүлгийн элементүүдийн дор хаяж нэгийг агуулсан хэд хэдэн нэгдлүүд. Мөн органик хагас дамжуулагч байдаг.

Хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанарын шинж чанар нь хагас дамжуулагчийн үндсэн материалд агуулагдах хольцын төрөл, түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн үйлдвэрлэлийн технологиос хамаарна.

Хагас дамжуулагч нь 10 -10 - 10 4 (ом х см) -1 хэмжээтэй бодис бөгөөд эдгээр шинж чанаруудын дагуу дамжуулагч ба тусгаарлагчийн хооронд байдаг. Туузны онолын дагуу дамжуулагч, хагас дамжуулагч ба тусгаарлагчийн хоорондох ялгаа нь дараах байдалтай байна: цэвэр хагас дамжуулагч ба электрон тусгаарлагчид дүүргэсэн зурвас (валент) ба дамжуулалтын зурвасын хооронд энергийн зөрүү байдаг.

Хагас дамжуулагч яагаад гүйдэл дамжуулдаг вэ?

Хагас дамжуулагч нь түүний хольцын атом дахь гаднах электронууд нь эдгээр атомуудын цөмтэй харьцангуй сул холбогддог бол электрон дамжуулалттай байдаг. Хэрэв ийм төрлийн хагас дамжуулагч дээр цахилгаан орон үүссэн бол энэ талбайн хүчний нөлөөн дор хагас дамжуулагчийн хольцын атомуудын гаднах электронууд атомынхаа хил хязгаарыг орхиж, чөлөөт электрон болж хувирна.

Чөлөөт электронууд нь цахилгаан талбайн хүчний нөлөөн дор хагас дамжуулагч дотор цахилгаан дамжуулах гүйдэл үүсгэдэг. Иймээс электрон дамжуулагчтай хагас дамжуулагч дахь цахилгаан гүйдлийн шинж чанар нь металл дамжуулагчтай ижил байна. Гэхдээ хагас дамжуулагчийн нэгж эзэлхүүн дэх чөлөөт электронууд нь металл дамжуулагчийн нэгж эзэлхүүнээс хэд дахин цөөн байдаг тул бусад ижил нөхцөлд хагас дамжуулагч дахь гүйдэл нь гүйдэлээс хэд дахин бага байх нь зүйн хэрэг юм. металл дамжуулагч.

Хагас дамжуулагч нь "нүх" дамжуулалттай байдаг бол түүний хольцын атомууд нь зөвхөн гаднах электронуудаа өгөхгүй, харин эсрэгээрээ хагас дамжуулагчийн үндсэн бодисын атомуудаас электронуудыг барьж авах хандлагатай байдаг. Хэрэв хольцын атом нь үндсэн бодисын атомаас электрон авдаг бол ийм зүйл болно чөлөөт зайэлектроны хувьд - "нүх".

Электроноо алдсан хагас дамжуулагч атомыг "электрон нүх" буюу энгийнээр "нүх" гэж нэрлэдэг. Хэрэв "нүх" нь хөрш атомаас шилжсэн электроноор дүүрсэн бол энэ нь устаж, атом нь цахилгаан саармаг болж, "нүх" нь электроноо алдсан хөрш атом руу шилждэг. Үүний үр дүнд, хэрэв "нүх" дамжуулах чадвартай хагас дамжуулагч нь цахилгаан талбарт өртөх юм бол "электрон нүхнүүд" энэ талбайн чиглэлд шилжинэ.

Хэвийн хандлага Цахилгаан талбайн чиглэлд "электрон цоорхой" эерэг хөдөлгөөнтэй төстэй цахилгаан цэнэгталбарт байдаг тул хагас дамжуулагч дахь цахилгаан гүйдлийн үзэгдлийг илэрхийлдэг.

Хагас дамжуулагчийг цахилгаан дамжуулах чадварын механизмаар нь нарийн ялгах боломжгүй, учир нь"Нүх" дамжуулах чадвартай бол тухайн хагас дамжуулагч нь нэг хэмжээгээр электрон дамжуулалттай байж болно.

Хагас дамжуулагч нь дараахь шинж чанартай байдаг.

дамжуулалтын төрөл (цахим - n-төрөл, нүх - p-төрөл);

эсэргүүцэл;

цэнэгийн тээвэрлэгчдийн ашиглалтын хугацаа (цөөнх) буюу тархалтын урт, гадаргуугийн рекомбинацийн хурд;

мултрах нягт.

Цахиур бол хамгийн түгээмэл хагас дамжуулагч материал юм

Температур нь хагас дамжуулагчийн шинж чанарт ихээхэн нөлөөлдөг. Үүнийг нэмэгдүүлэх нь голчлон буурахад хүргэдэг эсэргүүцэлба эсрэгээр, өөрөөр хэлбэл хагас дамжуулагч нь сөрөг шинж чанартай байдаг . Үнэмлэхүй тэгийн ойролцоо хагас дамжуулагч нь тусгаарлагч болдог.

Хагас дамжуулагч нь олон төхөөрөмжийн үндэс суурь болдог. Ихэнх тохиолдолд тэдгээрийг нэг талст хэлбэрээр авах ёстой. Өгөх тодорхойлсон шинж чанаруудхагас дамжуулагч нь янз бүрийн хольцтой. Эх сурвалжийн хагас дамжуулагч материалын цэвэр байдалд тавигдах шаардлага нэмэгдэж байна.

IN орчин үеийн технологихагас дамжуулагч нь хамгийн өргөн хэрэглээг олсон; хүчтэй нөлөөтехникийн дэвшил рүү. Тэдний ачаар жин, хэмжээсийг мэдэгдэхүйц бууруулах боломжтой электрон төхөөрөмж. Электроникийн бүх салбарыг хөгжүүлэх нь хагас дамжуулагч төхөөрөмж дээр суурилсан олон тооны төрөл бүрийн тоног төхөөрөмжийг бий болгож, сайжруулахад хүргэдэг. Хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүд нь микроэлемент, микромодуль, хатуу төлөвт хэлхээ гэх мэт суурь болдог.

Хагас дамжуулагч төхөөрөмж дээр суурилсан электрон төхөөрөмжүүд нь бараг инерцигүй байдаг. Болгоомжтой бүтээгдсэн, сайн битүүмжилсэн хагас дамжуулагч төхөөрөмж нь хэдэн арван мянган цаг ажиллах боломжтой. Гэсэн хэдий ч зарим хагас дамжуулагч материалууд нь бага температурын хязгаартай байдаг (жишээлбэл, германий), гэхдээ тийм ч төвөгтэй биш температурын нөхөн олговор эсвэл төхөөрөмжийн үндсэн материалыг өөр (жишээлбэл, цахиур, цахиурын карбид) солих нь энэ сул талыг ихээхэн арилгадаг. Хагас дамжуулагч төхөөрөмжийг үйлдвэрлэх технологийг боловсронгуй болгох нь одоо байгаа тархалтыг бууруулж, параметрүүдийн тогтворгүй байдалд хүргэдэг.

Хагас дамжуулагч - хагас дамжуулагчид үүссэн металл контакт ба электрон нүхний уулзвар (n-p уулзвар) нь үйлдвэрлэлд ашиглагддаг. хагас дамжуулагч диодууд. Давхар уулзвар (p-n-p эсвэл n-p-n) - транзистор ба тиристор. Эдгээр төхөөрөмжүүд нь цахилгаан дохиог засах, үүсгэх, өсгөхөд голчлон ашиглагддаг.

Хагас дамжуулагчийн фотоэлектрик шинж чанарт үндэслэн фоторезистор, фотодиод, фототранзисторыг бий болгодог. Хагас дамжуулагч нь хэлбэлзлийн генераторын (өсгөгч) идэвхтэй хэсэг болдог. Дотор нь p-n уулзвараар цахилгаан гүйдэл дамжуулах үед урагш чиглэл, цэнэглэгч тээвэрлэгчид - электрон ба нүхнүүд нь LED үүсгэхэд хэрэглэгддэг фотонуудын ялгаралттай дахин нэгддэг.

Хагас дамжуулагчийн термоэлектрик шинж чанар нь хагас дамжуулагчийн дулааны эсэргүүцэл, хагас дамжуулагч термоэлемент, термопил ба термоэлектрик генератор, хагас дамжуулагчийг термоэлектрик хөргөх, Пелтиерийн эффект дээр суурилсан дулааны цахилгаан хөргөгч ба термостабилизаторыг бий болгох боломжийг олгосон.

Хагас дамжуулагчийг дулааны болон нарны энергийг цахилгаан энерги болгон машингүй хувиргахад ашигладаг. термоэлектрик генераторууд, болон фотоэлектрик хувиргагч (нарны зай).

Хагас дамжуулагчийн механик хүчдэл нь түүний цахилгаан эсэргүүцлийг өөрчилдөг (нөлөө нь металаас илүү хүчтэй байдаг) нь хагас дамжуулагчийн омог хэмжүүрийн үндэс болсон.

Хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүд нь дэлхийн практикт өргөн тархсан бөгөөд электроникийг өөрчилсөн бөгөөд тэдгээр нь дараахь зүйлийг хөгжүүлэх, үйлдвэрлэх үндэс суурь болж өгдөг;

хэмжих хэрэгсэл, компьютер,

бүх төрлийн харилцаа холбоо, тээврийн хэрэгсэл,

аж үйлдвэрийн процессын автоматжуулалтын хувьд,

зориулсан төхөөрөмжүүд шинжлэх ухааны судалгаа,

пуужингийн технологи,

эмнэлгийн тоног төхөөрөмж

бусад электрон төхөөрөмж, багаж хэрэгсэл.

Хагас дамжуулагч төхөөрөмжийг ашиглах нь шинэ тоног төхөөрөмж бий болгох, хуучин төхөөрөмжийг сайжруулах боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь түүний хэмжээс, жин, эрчим хүчний зарцуулалтыг бууруулж, улмаар хэлхээний дулааны үйлдвэрлэлийг бууруулж, хүч чадлыг нэмэгдүүлж, яаралтай арга хэмжээ авахад бэлэн болно гэсэн үг юм. , мөн электрон төхөөрөмжүүдийн ашиглалтын хугацаа, найдвартай байдлыг нэмэгдүүлэх боломжтой.