Përkufizimi i rrymës elektrike në gjysmëpërçuesit. Natyra e rrymës elektrike në gjysmëpërçues

Gjysmëpërçuesit zënë një vend të ndërmjetëm në përçueshmërinë elektrike midis përçuesve dhe jopërçuesve të rrymës elektrike. Grupi i gjysmëpërçuesve përfshin shumë më shumë substanca sesa te grupet e përçuesve dhe jopërçuesve të marra së bashku. Shumica përfaqësuesit karakteristik gjysmëpërçuesit që gjetën përdorim praktik në teknologji janë germaniumi, silikoni, seleniumi, teluri, arseniku, oksidi i bakrit dhe sasi e madhe aliazhet dhe komponimet kimike. Pothuajse te gjitha substancave inorganike bota rreth nesh - gjysmëpërçuesit. Gjysmëpërçuesi më i zakonshëm në natyrë është silikoni, i cili përbën rreth 30% të kores së tokës.

Dallimi cilësor midis gjysmëpërçuesve dhe metaleve manifestohet kryesisht në varësinë e rezistencës nga temperatura. Me uljen e temperaturës, rezistenca e metaleve zvogëlohet. Në gjysmëpërçuesit, përkundrazi, me uljen e temperaturës, rezistenca rritet dhe afrohet zero absolute praktikisht bëhen izolues.

Në gjysmëpërçuesit, përqendrimi i transportuesve të ngarkesës së lirë rritet me rritjen e temperaturës. Mekanizmi i rrymës elektrike në gjysmëpërçues nuk mund të shpjegohet brenda modelit të gazit elektrone të lira.

Atomet e gjermaniumit kanë katër elektrone të lidhura dobët në shtresën e tyre të jashtme. Ata quhen elektrone valence. Në një rrjetë kristali, çdo atom është i rrethuar nga katër fqinjët më të afërt. Lidhja midis atomeve në një kristal germanium është kovalente, d.m.th., ndodh në çifte elektronet e valencës. Çdo elektron valence i përket dy atomeve. Elektronet e valencës në një kristal germanium janë shumë më fort të lidhur me atomet sesa te metalet; Prandaj, përqendrimi i elektroneve të përcjelljes në temperaturën e dhomës në gjysmëpërçues është shumë herë më i ulët se në metale. Pranë temperaturës zero absolute në një kristal germanium, të gjitha elektronet janë të zënë në formimin e lidhjeve. Një kristal i tillë nuk përcjell rrymë elektrike.

Ndërsa temperatura rritet, disa nga elektronet e valencës mund të fitojnë energji të mjaftueshme për t'u thyer lidhje kovalente. Pastaj elektronet e lira (elektrone përçuese) do të shfaqen në kristal. Në të njëjtën kohë, vende të lira formohen në vendet ku lidhjet janë thyer, të cilat nuk janë të zëna nga elektronet. Këto vende të lira quhen "vrima".

Në një temperaturë të caktuar gjysmëpërçuesi, një numër i caktuar çiftesh elektron-vrima formohen për njësi të kohës. Në të njëjtën koha po shkon procesi i kundërt - kur një elektron i lirë takon një vrimë, lidhja elektronike midis atomeve të germaniumit rikthehet. Ky proces quhet rikombinim. Çiftet elektron-vrima mund të lindë edhe kur ndriçon një gjysmëpërçues për shkak të energjisë rrezatimi elektromagnetik.

Nëse një gjysmëpërçues vendoset në një fushë elektrike, atëherë në lëvizjen e rendit nuk përfshihen vetëm elektronet e lira, por edhe vrimat, të cilat sillen si grimca të ngarkuara pozitivisht. Prandaj, rryma I në një gjysmëpërçues përbëhet nga rrymat e elektronit I n dhe vrimës I p: I = I n + I p.

Përqendrimi i elektroneve të përcjelljes në një gjysmëpërçues është i barabartë me përqendrimin e vrimave: n n = n p. Mekanizmi i përcjelljes së vrimave elektronike manifestohet vetëm në gjysmëpërçues të pastër (d.m.th., pa papastërti). Ajo quhet përçueshmëri elektrike e brendshme e gjysmëpërçuesve.

Në prani të papastërtive, përçueshmëria elektrike e gjysmëpërçuesve ndryshon shumë. Për shembull, duke shtuar papastërti fosforit në kristal silikon në një sasi prej 0.001 për qind atomike zvogëlohet rezistenca me më shumë se pesë rend të madhësisë.

Një gjysmëpërçues në të cilin futet një papastërti (d.m.th., një pjesë e atomeve të një lloji zëvendësohet me atome të një lloji tjetër) quhet papastërti ose e dopuar.

Ekzistojnë dy lloje të përçueshmërisë së papastërtive - përçueshmëria elektronike dhe vrima.

Kështu, kur dopingoni një katërvalencë germanium (Ge) ose silikon (Si) pesëvalente - fosfor (P), antimoni (Sb), arsenik (As) Një elektron shtesë i lirë shfaqet në vendndodhjen e atomit të papastërtisë. Në këtë rast, papastërtia quhet donator .

Kur dopingoni germanium katërvalent (Ge) ose silikon (Si) me trivalent - alumini (Al), indium (Jn), bor (B), galium (Ga) - shfaqet një vrimë vije. Papastërtitë e tilla quhen pranues .

Në të njëjtën mostër material gjysmëpërçues një seksion mund të ketë p - përçueshmëri, dhe tjetri n - përçueshmëri. Një pajisje e tillë quhet diodë gjysmëpërçuese.

Parashtesa "di" në fjalën "diodë" do të thotë "dy", tregon se pajisja ka dy "pjesë" kryesore, dy kristale gjysmëpërçues afër njëri-tjetrit: njëri me përçueshmëri p (kjo është zona R), tjetra - me n - përçueshmëri (kjo është zona P). Në fakt, një diodë gjysmëpërçuese është një kristal, në një pjesë të të cilit futet një papastërti e donatorit (zona P), tek tjetri - pranuesi (zona R).

Nëse e lidhni baterinë me një diodë presion konstant"plus" për zonën R dhe "minus" në zonë P, atëherë ngarkesat e lira - elektronet dhe vrimat - do të nxitojnë në kufi dhe do të nxitojnë në kryqëzimin pn. Këtu ata do të neutralizojnë njëri-tjetrin, ngarkesat e reja do t'i afrohen kufirit dhe a D.C.. Kjo është e ashtuquajtura lidhje e drejtpërdrejtë e një diode - ngarkesat lëvizin intensivisht përmes saj, dhe një rrymë relativisht e madhe përpara rrjedh në qark.

Tani le të ndryshojmë polaritetin e tensionit në diodë dhe, siç thonë ata, ta ndezim në të kundërt - lidhni baterinë "plus" në zonë P,"minus" - në zonë R. Ngarkesat e lira do të tërhiqen nga kufiri, elektronet do të lëvizin në "plus", vrimat në "minus" dhe si rezultat kryqëzimi pn do të kthehet në një zonë pa tarifa falas, në një izolant të pastër. Kjo do të thotë që qarku do të prishet dhe rryma në të do të ndalet.

Një rrymë e vogël e kundërt do të vazhdojë të rrjedhë nëpër diodë. Sepse, përveç ngarkesave kryesore të lira (bartësve të ngarkesës) - elektrone, në zonë P, dhe vrimat në zonën p - në secilën prej zonave ka gjithashtu një sasi të parëndësishme ngarkesash të shenjës së kundërt. Këta janë transportuesit e tyre të ngarkesave të pakicës, ato ekzistojnë në çdo gjysmëpërçues, ato shfaqen në të për shkak të lëvizjeve termike të atomeve, dhe janë ata që krijojnë rrymën e kundërt përmes diodës. Këto ngarkesa janë relativisht të vogla dhe rryma e kundërt është shumë herë më e vogël se rryma e përparme. Sasia e rrymës së kundërt varet fuqishëm nga temperatura mjedisi, materiali gjysmëpërçues dhe sipërfaqja p-n tranzicionit. Me një rritje të zonës së kryqëzimit, vëllimi i tij rritet, dhe për këtë arsye rritet numri i transportuesve minoritarë që shfaqen si rezultat i gjenerimit termik dhe rrymës termike. Shpesh karakteristikat e tensionit të rrymës paraqiten në formën e grafikëve për qartësi.

Vetitë fizike gjysmëpërçuesit Gjysmëpërçuesit janë materiale që, në mënyrën e tyre, përçueshmëri zënë një vend të ndërmjetëm midis përçuesve dhe dielektrikëve. Vetia kryesore e këtyre materialeve është rritja e përçueshmërisë elektrike me rritjen e temperaturës. Vetitë elektrike substancat Përçuesit Përcjellin mirë rrymën elektrike Këtu bëjnë pjesë metalet, elektrolitet, plazma... Përçuesit më të përdorur janë Au, Ag, Cu, Al, Fe... Gjysmëpërçuesit Renditur sipas përçueshmërisë pozicioni i ndërmjetëm ndërmjet përçuesve dhe dielektrikëve Si, Ge, Se, In, Si Dielektrikë Praktikisht nuk përçojnë rrymë elektrike Këtu përfshihen plastika, goma, qelqi, porcelani, druri i thatë, letra...

Vetitë fizike të gjysmëpërçuesve Përçueshmëria e gjysmëpërçuesve varet nga temperatura. Ndryshe nga përçuesit, rezistenca e të cilëve rritet me temperaturën, rezistenca e gjysmëpërçuesve zvogëlohet kur nxehen. Pranë zeros absolute, gjysmëpërçuesit kanë vetitë e dielektrikëve. R (Ohm) metal R 0 gjysmëpërçues t (0 C)

Përçueshmëria e brendshme e gjysmëpërçuesve Në kushte normale (temperatura të ulëta), nuk ka grimca të lira të ngarkuara në gjysmëpërçues, kështu që gjysmëpërçuesi nuk përcjell rrymë elektrike. - Si Si - - Si

"Vrima" Kur nxehet energjia kinetike elektronet rriten dhe më të shpejtët prej tyre largohen nga orbita e tyre. Kur lidhja ndërmjet elektronit dhe bërthamës prishet, a vend i lirë V shtresë elektronike atom. Në këtë pikë një kusht ngarkesë pozitive, i quajtur "vrimë". Si + Si - elektron i lirë Si - + - Vrima Si - + Si

Përçueshmëria e brendshme e gjysmëpërçuesve Elektroni i valencës së një atomi fqinj, duke u tërhequr nga një vrimë, mund të hidhet në të (rikombinohet). Në këtë rast, në vendin e saj origjinal formohet një "vrimë" e re, e cila më pas mund të lëvizë në mënyrë të ngjashme rreth kristalit.

Përçueshmëria e brendshme e gjysmëpërçuesve Nëse tensioni fushe elektrike në kampion është zero, atëherë lëvizja e elektroneve të lëshuara dhe "vrimave" ndodh rastësisht dhe për këtë arsye nuk krijon një rrymë elektrike. Nën ndikimin e një fushe elektrike, elektronet dhe vrimat fillojnë një lëvizje të urdhëruar (kundër), duke formuar një rrymë elektrike. Përçueshmëria në këto kushte quhet përçueshmëri e brendshme e gjysmëpërçuesve. Në këtë rast, lëvizja e elektroneve krijon përçueshmëri elektronike, dhe lëvizja e vrimave krijon përçueshmëri të vrimave.

Përçueshmëria e papastërtive e gjysmëpërçuesve Futja e dozuar e papastërtive në një përcjellës të pastër ju lejon të ndryshoni me qëllim përçueshmërinë e tij. Prandaj, për të rritur përçueshmërinë, papastërtitë futen në gjysmëpërçues të pastër (të dopuar), të cilët janë papastërti dhuruese dhe pranuese.

Gjysmëpërçuesit elektronikë (n-lloji) vijnë nga gjysmëpërçuesi tetravalent B. Termi "lloj n" (p.sh. silic) shton një papastërti gjysmëpërçuese pesëvalente (p.sh. arseniku). Kur dopingoni silikonin me 4 valencë (Si) me arsenik me 5 valencë (As), një nga 5 elektronet e arsenikut bëhet i lirë. NË në këtë rast Transferimi i ngarkesës kryhet kryesisht nga elektronet, pasi përqendrimi i tyre është më i madh se ai i vrimave. Kjo përçueshmëri quhet elektronike. Papastërtitë që u shtohen gjysmëpërçuesve, duke bërë që ata të bëhen gjysmëpërçues të tipit n, quhen papastërti dhuruese. Përçueshmëria e gjysmëpërçuesve N është afërsisht e barabartë me: - Si Si - As - Si -

Gjysmëpërçuesit e vrimave (lloj p) Termi "p-lloj" vjen nga fjala "pozitiv", që tregon ngarkesën pozitive të shumicës së transportuesve. Atomet e një elementi trevalent (si indiumi) i shtohen një gjysmëpërçuesi katërvalent (silici). Papastërtitë që shtohen në këtë rast quhen papastërti pranuese. Nëse silikoni është i dopuar me indium trevalent, atëherë indiumit i mungon një elektron për të formuar lidhje me silikon, d.m.th., formohet një vrimë shtesë. Në një gjysmëpërçues të tillë, bartësit kryesorë të ngarkesës janë vrimat, dhe përçueshmëria quhet përçueshmëri e vrimës. Përçueshmëria e gjysmëpërçuesve P është afërsisht e barabartë me: - Si Si - In + - Si

Lidhja direkte p + + + n + + - - _ - Rryma përmes kryqëzimit p – n kryhet nga bartësit kryesorë të ngarkesës (vrimat, rezistenca e kryqëzimit është e ulët, rryma është e lartë, lëviz djathtas, elektronet në majtas)

Ndërrimi i kundërt p _ + + n + + - - + - Shtresa bllokuese Bartësit kryesorë të ngarkesës nuk kalojnë nëpër kryqëzimin p – n. Rezistenca e kryqëzimit është e lartë, rryma praktikisht mungon.

Dioda Një diodë gjysmëpërçuese është një pajisje gjysmëpërçuese me një bashkim elektrik dhe dy priza (elektroda). Ndryshe nga llojet e tjera të diodave, parimi i funksionimit diodë gjysmëpërçuese bazohet në dukurinë e kryqëzimit p-n. Dioda u shpik për herë të parë nga John Flemming në 1904.

Llojet dhe aplikimet e diodave Diodat përdoren në: shndërrim rrymë alternative në zbulimin e vazhdueshëm të mbrojtjes së sinjaleve elektrike pajisje të ndryshme nga polariteti i gabuar i ndezjes së sinjaleve me frekuencë të lartë, stabilizimi i rrymës dhe tensionit, transmetimi dhe marrja e sinjaleve

Transistor Pajisje elektronike bërë nga materiali gjysmëpërçues, zakonisht me tre terminale, duke lejuar sinjalet hyrëse të kontrollojnë rrymën brenda qark elektrik. Zakonisht përdoret për të përforcuar, gjeneruar dhe konvertuar sinjale elektrike. Në vitin 1947, William Shockley, John Bardeen dhe Walter Brattain krijuan transistorin e parë bipolar të punës në Bell Labs.

Transistori bipolar është një pajisje gjysmëpërçuese me tre elektroda, një nga llojet e tranzistorit. Sipas kësaj metode të alternimit, dallohen transistorët npn dhe pnp (n (negativ) - lloji elektronik i përçueshmërisë së papastërtive, p (pozitiv) - lloji i vrimës). Në një transistor bipolar, ndryshe nga varietetet e tjera, bartësit kryesorë janë elektronet dhe vrimat. Transistori me pikë bipolare u shpik në vitin 1947 dhe gjatë viteve në vijim u vendos si një element themelor për prodhimin e qarqeve të integruara.

Një transistor me efekt në terren është një pajisje gjysmëpërçuese në të cilën rryma ndryshon si rezultat i veprimit të një fushe elektrike pingul me rrymën e krijuar nga sinjali hyrës. Rrjedha e rrymës së funksionimit në një transistor me efekt në terren shkaktohet nga transportuesit e ngarkesës të vetëm një shenje. Një tranzistor me efekt në terren ndahet në mënyrë konvencionale në 2 grupe: me një kryqëzim kontrolli p-n ose një kryqëzim metal-gjysmëpërçues me kontroll nëpërmjet një elektrode të izoluar (portë)

Fjala "rrymë" nënkupton lëvizjen ose rrjedhën e diçkaje. Rryma elektrike është lëvizja e urdhëruar (e drejtuar) e grimcave të ngarkuara. Në mënyrë tipike, një rrymë elektrike ndodh kur ngarkesat e lira ekspozohen ndaj një force elektromagnetike të drejtuar nga jashtë. Sidoqoftë, në gjysmëpërçuesit, lëvizja e drejtuar e ngarkesave është e mundur për shkak të lëvizjes termike kaotike nëse ka johomogjenitet në densitetin e vendosjes së tyre. Në këtë rast, tarifat preferohen të lëvizin nga një zonë me përqendrim më të lartë në një zonë me një përqendrim më të ulët. Ky fenomen quhet difuzion dhe rryma për shkak të difuzionit quhet difuzion.

Për të dalluar rrymën e zakonshme të shkaktuar nga veprimi forcë elektrike, nga rryma e difuzionit rryma e zakonshme quhet drift.

Tranzicioni elektron-vrimë

Kur studioni dukuritë e kontaktit në gjysmëpërçuesit, duhet të përqendroheni në metodat e marrjes së një tranzicioni: shkrirja e papastërtive, difuzioni, implantimi i joneve. Të gjitha ato sigurojnë krijimin e rajoneve me përçueshmëri elektrike të elektroneve dhe vrimave në një kampion gjysmëpërçues.

Edhe në fazën e krijimit të kalimit, në të ndodhin procese të difuzionit të vrimave nga rajoni p në rajonin n dhe të elektroneve të lira nga rajoni n në rajonin p. Si rezultat, në kufirin e dy rajoneve formohet një shtresë e dyfishtë ngarkesash elektrike, e përbërë nga jone negative dhe pozitive të atomeve të papastërtive dhe një fushë elektrike e krijuar nga ngarkesat e transferuara. Kjo fushë kundërshton përhapjen e mëtejshme të bartësve kryesorë të ngarkesës, për shkak të të cilave krijohet një gjendje ekuilibri.

Rajoni i tranzicionit elektron-vrima konsiderohet të jetë një shtresë ngarkesash hapësinore në të dy anët e kufirit të rajoneve (Fig. 2.5). Kjo shtresë quhet një shtresë barriere sepse është e varfëruar nga bartës të lirë të ngarkesës dhe në shumë raste mund të konsiderohet si një dielektrik. Këtu është e nevojshme të theksohet se dendësia e ngarkesës hapësinore në shtresën e barrierës është e ndryshme në të dy anët e kufirit të rajoneve, pasi ato përcaktohen nga përqendrimet e papastërtisë së dhuruesit në rajonin n dhe papastërtia pranuese në p. -Rajon. Në përgjithësi, shtresa e dyfishtë e ngarkesës hapësinore është elektrikisht neutrale: ngarkesa totale pozitive në rajonin n është e barabartë me totalin ngarkesë negative në rajonin p. Efekti kryesor i fushës elektrike të një ngarkese hapësinore është të dobësojë rrymën e difuzionit në një vlerë shumë të vogël të rrymës së përcjelljes (rrymës së lëvizjes) të shtresës penguese. Si rezultat, rryma totale përmes kryqëzimit rezulton të jetë zero.

Nëse një tension i jashtëm aplikohet në kryqëzim, ai shton tensionin e kontaktit dhe, në varësi të polaritetit, ose rrit ose ul tensionin në kryqëzim, gjë që çon në një ndryshim në rrymën e difuzionit nëpër të. Sa i përket rrymës së lëvizjes, vlera e saj është praktikisht e pavarur nga tensioni i jashtëm dhe përcaktohet vetëm nga shkalla e gjenerimit të transportuesve të lirë në shtresën e varfërimit. Përçueshmëria e njëanshme e kryqëzimit është për faktin se me polaritetin e drejtpërdrejtë të tensionit të jashtëm, është e mundur një rritje shumë e fortë e rrymës së difuzionit, dhe me polaritet të kundërt, vetëm një rënie shumë e lehtë, pasi ishte afër zeros. .

Përveç kësaj, stresi i jashtëm ka ndikim të fortë në trashësinë e shtresës penguese, ngarkesat hapësinore të së cilës lidhen drejtpërdrejt me tensionin në kryqëzim. Një rritje në këtë tension duhet të çojë në një rritje të ngarkesave hapësinore. Megjithatë, dendësia e këtyre ngarkesave përcaktohet vetëm nga përqendrimet e papastërtive. Rrjedhimisht, një rritje e tarifave do të ndodhë për shkak të rritjes së vëllimeve të tyre, që do të thotë një rritje në trashësinë e shtresës së pengesës.

Sipas vlerës specifike rezistenca elektrike gjysmëpërçuesit zënë një pozicion të ndërmjetëm midis përçuesve të mirë dhe dielektrikëve. Gjysmëpërçuesit përfshijnë shumë elementet kimike(germanium, silikon, selen, telur, arsenik, etj.), Një numër i madh lidhjesh dhe përbërjesh kimike. Pothuajse të gjitha substancat inorganike në botën përreth nesh janë gjysmëpërçues. Gjysmëpërçuesi më i zakonshëm në natyrë është silikoni, i cili përbën rreth 30% të kores së tokës.

Dallimi cilësor midis gjysmëpërçuesve dhe metaleve manifestohet kryesisht në varësinë e rezistencës nga temperatura. Me uljen e temperaturës, rezistenca e metaleve zvogëlohet (shih Fig. 1.12.4). Në gjysmëpërçuesit, përkundrazi, rezistenca rritet me uljen e temperaturës dhe afër zeros absolute ata praktikisht bëhen izolues (Fig. 1.13.1).

Një kurs i tillë i varësisë ρ ( T) tregon se në gjysmëpërçues përqendrimi i bartësve të ngarkesës së lirë nuk mbetet konstant, por rritet me rritjen e temperaturës. Mekanizmi i rrymës elektrike në gjysmëpërçuesit nuk mund të shpjegohet brenda kornizës së modelit të gazit elektron të lirë. Le ta shqyrtojmë në mënyrë cilësore këtë mekanizëm duke përdorur shembullin e germaniumit (Ge). Në një kristal silikoni (Si) mekanizmi është i ngjashëm.

Atomet e gjermaniumit kanë katër elektrone të lidhura dobët në shtresën e tyre të jashtme. Ata quhen elektronet e valencës . Në një rrjetë kristali, çdo atom është i rrethuar nga katër fqinjët e tij më të afërt. Lidhja midis atomeve në një kristal germanium është kovalente , d.m.th., kryhet nga çifte elektronesh valente. Çdo elektron valence i përket dy atomeve (Fig. 1.13.2). Elektronet e valencës në një kristal germanium janë shumë më fort të lidhur me atomet sesa te metalet; Prandaj, përqendrimi i elektroneve të përçueshmërisë në temperaturën e dhomës në gjysmëpërçues është shumë herë më i ulët se në metale. Pranë temperaturës zero absolute në një kristal germanium, të gjitha elektronet janë të zënë në formimin e lidhjeve. Një kristal i tillë nuk përcjell rrymë elektrike.

Ndërsa temperatura rritet, disa nga elektronet e valencës mund të fitojnë energji të mjaftueshme për të thyer lidhjet kovalente. Pastaj elektronet e lira (elektrone përçuese) do të shfaqen në kristal. Në të njëjtën kohë, vende të lira formohen në vendet ku lidhjet janë thyer, të cilat nuk janë të zëna nga elektronet. Këto vende të lira pune quhen vrima . Vendi i lirë mund të zërë një elektron valence nga një çift fqinj, atëherë vrima do të zhvendoset në një vend të ri në kristal. Në një temperaturë të caktuar gjysmëpërçuesi, një numër i caktuar çiftesh elektron-vrima formohen për njësi të kohës. Në të njëjtën kohë, ndodh procesi i kundërt - kur një elektron i lirë takon një vrimë, lidhja elektronike midis atomeve të germaniumit rikthehet. Ky proces quhet rikombinim . Çiftet elektron-vrima mund të krijohen gjithashtu kur një gjysmëpërçues ndriçohet për shkak të energjisë së rrezatimit elektromagnetik. Në mungesë të një fushe elektrike, elektronet dhe vrimat përçuese marrin pjesë në lëvizjen termike kaotike.

Nëse një gjysmëpërçues vendoset në një fushë elektrike, atëherë në lëvizjen e rendit nuk përfshihen vetëm elektronet e lira, por edhe vrimat, të cilat sillen si grimca të ngarkuara pozitivisht. Prandaj rryma I në një gjysmëpërçues ai përbëhet nga elektron Në dhe vrima Ip rrymat:

I = Në + Ip.

Përqendrimi i elektroneve të përcjelljes në një gjysmëpërçues është i barabartë me përqendrimin e vrimave: n n = n f. Mekanizmi i përcjelljes së vrimave elektronike manifestohet vetëm në gjysmëpërçues të pastër (d.m.th., pa papastërti). Quhet përçueshmëria e vet elektrike gjysmëpërçuesit.

Nëse ka papastërti Përçueshmëria elektrike gjysmëpërçuesit ndryshojnë shumë. Për shembull, shtimi i papastërtive të fosforit në një sasi prej 0.001 për qind atomike në një kristal silikoni redukton rezistencën me më shumë se pesë rend të madhësisë. Një ndikim kaq i fortë i papastërtive mund të shpjegohet në bazë të ideve të mësipërme rreth strukturës së gjysmëpërçuesve.

Një kusht i domosdoshëm për një ulje të mprehtë të rezistencës së një gjysmëpërçuesi me futjen e papastërtive është ndryshimi në valencën e atomeve të papastërtive nga valenca e atomeve kryesore të kristalit.

Përçueshmëria e gjysmëpërçuesve në prani të papastërtive quhet përçueshmëria e papastërtive . Ekzistojnë dy lloje të përçueshmërisë së papastërtive - elektronike Dhe vrimë.

Përçueshmëria elektronike ndodh kur atomet pesëvalente (për shembull, atomet e arsenikut, As) futen në një kristal germanium me atome tetravalente.

Në Fig. 1.13.3 tregon një atom arseniku pesëvalent të gjetur në një nyje rrjetë kristali Gjermania. Katër elektronet valente të atomit të arsenikut përfshihen në formimin e lidhjeve kovalente me katër atome fqinje të germaniumit. Elektroni i pestë i valencës doli të ishte i tepërt; shkëputet lehtësisht nga atomi i arsenikut dhe bëhet i lirë. Një atom që ka humbur një elektron bëhet jon pozitiv, i vendosur në një nyje të rrjetës kristalore. Një papastërti e atomeve me një valencë që tejkalon valencën e atomeve kryesore të një kristali gjysmëpërçues quhet papastërtia e donatorëve . Si rezultat i futjes së tij, një numër i konsiderueshëm i elektroneve të lira shfaqen në kristal. Kjo çon në një rënie të mprehtë të rezistencës së gjysmëpërçuesit - mijëra dhe madje miliona herë. Rezistenca e një përcjellësi me një përmbajtje të lartë papastërtish mund të afrohet me atë të një përcjellësi metalik.

Në një kristal germanium me një përzierje arseniku, ka elektrone dhe vrima përgjegjëse për përçueshmërinë e vetë kristalit. Por lloji kryesor i bartësve të ngarkesës së lirë janë elektronet e shkëputura nga atomet e arsenikut. Në një kristal të tillë n n >> n f. Kjo përçueshmëri quhet elektronike, dhe një gjysmëpërçues që ka përçueshmëri elektronike, thirri gjysmëpërçues i tipit n .

Përçueshmëria e vrimës ndodh kur atomet trevalente (për shembull, atomet e indiumit, In) futen në një kristal germanium. Në Fig. Figura 1.13.4 tregon një atom indiumi që, me ndihmën e elektroneve të tij valente, ka krijuar lidhje kovalente me vetëm tre atome fqinje të germaniumit. Atomi i indiumit nuk ka një elektron për të formuar një lidhje me atomin e katërt të germaniumit. Ky elektron që mungon mund të kapet nga atomi i indiumit nga lidhja kovalente e atomeve fqinje të germaniumit. Në këtë rast, atomi i indiumit shndërrohet në jon negativ, i vendosur në një vend të rrjetës kristalore dhe formohet një vend i lirë në lidhjen kovalente të atomeve fqinje. Një përzierje e atomeve të afta për të kapur elektrone quhet papastërti pranuese . Si rezultat i futjes së një papastërtie pranuese, shumë lidhje kovalente thyhen në kristal dhe formohen boshllëqe (vrima). Elektronet nga lidhjet kovalente fqinje mund të kërcejnë në këto vende, gjë që çon në bredhje kaotike të vrimave në të gjithë kristalin.

Prania e një papastërtie pranuesi redukton ndjeshëm rezistencën e gjysmëpërçuesit për shkak të pamjes numer i madh vrima të lira. Përqendrimi i vrimave në një gjysmëpërçues me një papastërti pranuesi tejkalon ndjeshëm përqendrimin e elektroneve që u ngritën për shkak të mekanizmit të përçueshmërisë elektrike të vetë gjysmëpërçuesit: n f >> n n. Ky lloj përçueshmërie quhet përçueshmëria e vrimës. Një gjysmëpërçues papastërti me përçueshmëri vrimash quhet gjysmëpërçues i tipit p . Transportuesit kryesorë të ngarkesës falas në gjysmëpërçuesit fq-lloji janë vrima.

Duhet theksuar se përçueshmëria e vrimës është në fakt për shkak të lëvizjes rele të elektroneve nëpër vende të lira nga një atom germanium në tjetrin, të cilat kryejnë një lidhje kovalente.

2. Problem me temën "Lëvizja e një trupi në një rreth me modul shpejtësie konstante".

Një top në një varg 80 cm të gjatë rrotullohet rreth e rrotull boshti vertikal Me shpejtësi konstante. Nëse këndi i devijimit të fillit nga vertikali është 60°, atëherë me çfarë shpejtësie rrotullohet topi?

3. Detyrë eksperimentale. Përcaktimi i rezistencës së brendshme të një qelize galvanike.

Bileta nr 25-B

1. Reaksionet bërthamore. Reaksionet zinxhir bërthamore. Reaktor bërthamor.

Reaksioni bërthamorështë një proces ndërveprimi bërthama atomike me një kernel tjetër ose grimcë elementare, shoqëruar me një ndryshim në përbërjen dhe strukturën e bërthamës dhe lëshimin sasi e madhe energji. Reaksioni bërthamor u vëzhgua për herë të parë nga Rutherford në vitin 1919, duke bombarduar bërthamat e atomeve të azotit me grimca alfa, ai u zbulua nga shfaqja e grimcave dytësore jonizuese me një interval më të madh në gaz se diapazoni i grimcave alfa. Më pas, fotografitë e këtij procesi u morën duke përdorur një dhomë reje.

Sipas mekanizmit të ndërveprimit, reaksionet bërthamore ndahen në dy lloje:

· reaksionet me formimin e një bërthame të përbërë janë një proces me dy faza që ndodh me një energji jo shumë të lartë kinetike të grimcave që përplasen (deri në rreth 10 MeV).

reaksionet e drejtpërdrejta bërthamore që ndodhin gjatë koha bërthamore kërkohet që grimca të kalojë bërthamën. Ky mekanizëm manifestohet kryesisht në energjitë e larta të grimcave bombarduese.

Reaksioni zinxhir bërthamor- një sekuencë e reaksioneve të vetme bërthamore, secila prej të cilave shkaktohet nga një grimcë që u shfaq si produkt reaksioni në hapin e mëparshëm të sekuencës. Një shembull i një zinxhiri reaksion bërthamorështë reaksion zinxhir ndarja e bërthamave të elementeve të rënda, në të cilën numri kryesor i ngjarjeve të ndarjes inicohet nga neutronet e fituara gjatë ndarjes së bërthamave në gjeneratën e mëparshme.

Reaktor bërthamor- kjo është një pajisje e krijuar për të organizuar një reaksion zinxhir të fisionit të kontrolluar të vetë-qëndrueshëm, i cili shoqërohet gjithmonë me çlirimin e energjisë (1 MW për 3·10 16 ngjarje të ndarjes në sekondë). Përndryshe: një reaktor bërthamor është një pajisje që është projektuar për të kryer një reaksion bërthamor të kontrolluar.

Çdo reaktor bërthamor përbëhet nga pjesët e mëposhtme:

· Bërthama me lëndë djegëse bërthamore dhe moderator;

· Reflektori i neutronit që rrethon bërthamën;

· Ftohës;

· Sistemi i kontrollit të reaksionit zinxhir, duke përfshirë mbrojtjen emergjente;

Gjendja e tanishme reaktor bërthamor mund të karakterizohet nga faktori efektiv i shumëzimit të neutronit k ose reaktivitet ρ , të cilat lidhen me relacionin e mëposhtëm:

Këto sasi karakterizohen nga vlerat e mëposhtme:

· k> 1 - reaksioni zinxhir rritet me kalimin e kohës, reaktori është brenda superkritike gjendjen, reaktivitetin e saj ρ > 0;

· k < 1 - реакция затухает, реактор - nënkritike, ρ < 0;

· k = 1, ρ = 0 - numri i ndarjeve bërthamore është konstant, reaktori është në stallë kritike gjendje.

Kushti kritik për një reaktor bërthamor:

· të ketë një pjesë numri i plotë neutronet e krijuara në reaktor, të zhytur në bërthamën e reaktorit, ose probabiliteti për të shmangur rrjedhjen e neutronit nga vëllimi përfundimtar.

· k 0 - faktori i shumëzimit të neutronit në një bërthamë pafundësisht të madhe.

Kthimi i faktorit të shumëzimit në unitet arrihet duke balancuar shumëzimin e neutroneve me humbjet e tyre. Në fakt, ekzistojnë dy arsye për humbjet: kapja pa ndarje dhe rrjedhja e neutroneve jashtë mjedisit riprodhues.

2. Problem me temën "Ekuacioni themelor i teorisë kinetike molekulare të një gazi ideal".

Në një enë të mbyllur ka gaz ideal. Nëse shpejtësia mesatare katrore e molekulave të saj rritet me 20%, atëherë si do të ndryshojë presioni i gazit në enë?

3. Detyrë eksperimentale. Kontrollimi i realizueshmërisë së "rregullit të artë të mekanikës" për një levë.

________________________________________________________________

Bileta nr 26-B

1. Valët elektromagnetike. Vetitë e valëve elektromagnetike. Shpejtësia e përhapjes së një valë elektromagnetike.

Lëvizjet osciluese të një ngarkese elektrike shkaktojnë gjithashtu valë ndryshimesh në fushat elektrike dhe magnetike. Në të vërtetë, këto luhatje të ngarkesës së pari do të çojnë në ndryshime periodike fushë elektrike përreth, e cila nga ana tjetër, sipas hipotezës së Maksuellit (shih §7), do të shkaktojë shfaqjen e një fushe magnetike alternative të së njëjtës frekuencë. Në këtë rast, fusha magnetike që rezulton do të shkojë përtej lëkundjeve të ngarkesës elektrike që e ka krijuar atë. Pastaj, ndryshimi i fushës magnetike sipas ligjit induksioni elektromagnetik do të shkaktojë goditje elektrike distancë më të madhe nga një ngarkesë lëkundëse etj. Kështu, lëvizjet osciluese të një ngarkese elektrike çojnë në shfaqjen e valëve të lëkundjeve të fushave elektrike dhe magnetike që përhapen në hapësirë. Valë të tilla quhen elektromagnetike.

Rezultati më i rëndësishëm, e cila rrjedh nga teoria e formuluar nga Maxwell fushë elektromagnetike, u bë një parashikim i mundësisë së ekzistencës së valëve elektromagnetike. Vala elektromagnetike- përhapja e fushave elektromagnetike në hapësirë dhe kohë.

Burimi i fushës elektromagnetike - ngarkesat elektrike, duke lëvizur me nxitim.

Valët elektromagnetike, ndryshe nga valët elastike (të zërit), mund të përhapen në vakum ose në ndonjë substancë tjetër.

Valët elektromagnetike në vakum përhapen me shpejtësi c=299 792 km/s, pra me shpejtësinë e dritës.

2. Problem me temën “Ligji i marrëdhënies ndërmjet masës dhe energjisë”.

Fuqia totale e rrezatimit të Diellit është 3,84 * 10 26 W. Përcaktoni se sa zvogëlohet masa e Diellit për shkak të rrezatimit në ditë.

3. Detyrë eksperimentale:

"Përcaktimi i rezultatit të dy forcave të drejtuara përgjatë një vije të drejtë."

Eryutkin Evgeniy Sergeevich
mësues i lartë i fizikës kategoria e kualifikimit Shkolla e mesme GOU nr. 1360, Moskë

Nëse bëni një lidhje të drejtpërdrejtë, atëherë fusha e jashtme do të neutralizojë fushën e bllokimit dhe rryma do të bartet nga transportuesit kryesorë të ngarkesës.

Oriz. 9. Kryqëzim p-n me lidhje direkte ()

Në këtë rast, rryma e bartësit të pakicës është e papërfillshme, praktikisht nuk ekziston. Prandaj, kryqëzimi p-n siguron përcjelljen e njëanshme të rrymës elektrike.

Oriz. 10. Struktura atomike e silikonit me rritjen e temperaturës

Përçueshmëria e gjysmëpërçuesve është elektron-vrimë, dhe një përçueshmëri e tillë quhet përçueshmëri e brendshme. Dhe ndryshe nga metalet përcjellës, me rritjen e temperaturës, numri i ngarkesave të lira rritet (në rastin e parë nuk ndryshon), prandaj përçueshmëria e gjysmëpërçuesve rritet me rritjen e temperaturës, dhe rezistenca zvogëlohet

Shumë çështje e rëndësishme në studimin e gjysmëpërçuesve është prania e papastërtive në to. Dhe në rastin e pranisë së papastërtive, duhet të flasim për përçueshmërinë e papastërtive.

Madhësia e vogël dhe cilësia shumë e lartë e sinjaleve të transmetuara i kanë bërë pajisjet gjysmëpërçuese shumë të zakonshme në teknologjinë moderne elektronike. Përbërja e pajisjeve të tilla mund të përfshijë jo vetëm silikonin e lartpërmendur me papastërti, por edhe, për shembull, germanium.

Një pajisje e tillë është një diodë - një pajisje që mund të kalojë rrymë në një drejtim dhe ta pengojë atë të kalojë në tjetrin. Përftohet duke futur një gjysmëpërçues të një lloji tjetër në një kristal gjysmëpërçues të tipit p ose n.

Oriz. 11. Përcaktimi i diodës në diagram dhe diagrami i pajisjes së saj, përkatësisht

Një pajisje tjetër, tani me dy p-n kryqëzimet quhet transistor. Shërben jo vetëm për të zgjedhur drejtimin e transmetimit të rrymës, por edhe për ta transformuar atë.

Oriz. 12. Diagrami i strukturës së tranzistorit dhe përcaktimi i tij në diagrami elektrik respektivisht ()

Duhet të theksohet se mikroqarqet moderne përdorin shumë kombinime të diodave, transistorëve dhe pajisjeve të tjera elektrike.

Në mësimin tjetër do të shikojmë përhapjen e rrymës elektrike në vakum.

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. fizikë ( një nivel bazë të) M.: Mnemosyne. 2012
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizikë klasa e 10-të. M.: Ilexa. 2005
Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizika. Elektrodinamika M.: 2010

Parimet e funksionimit të pajisjeve ().
Enciklopedia e Fizikës dhe Teknologjisë ().

Çfarë i shkakton elektronet përçuese të shfaqen në një gjysmëpërçues?
Cfare ndodhi përçueshmëri e brendshme gjysmëpërçues?
Si varet përçueshmëria e një gjysmëpërçuesi nga temperatura?
Si ndryshon papastërtia e dhuruesit nga papastërtia pranuese?
*Sa është përçueshmëria e silikonit me një përzierje të a) galiumit, b) indiumit, c) fosforit, d) antimonit?