Gjysmëpërçuesit në natyrë. Shembuj gjysmëpërçues

Vetitë e gjysmëpërçuesve - vetia e qelibarit, pas fërkimit me lesh, për të tërhequr sende të vogla, është vënë re shumë kohë më parë. Por dukuritë elektrike, të paqëndrueshme dhe kalimtare, kanë qenë prej kohësh nën hijen e fenomeneve magnetike që janë më të qëndrueshme me kalimin e kohës.

Në shekujt 17 dhe 18 eksperimentet elektrike u vërtetua se ishte gjerësisht i disponueshëm dhe u bënë një numër zbulimesh të reja. Në 1729, anglezi Stephen Grey zbuloi se të gjitha substancat ndahen në 2 klasa: izolues të paaftë për të mbajtur një ngarkesë elektrike (të quajtur " trupat elektrike", meqenëse ato mund të elektrizohen nga fërkimi), dhe përcjellësit që mbartin ngarkesë (të quajtur "trupa jo elektrikë").

Idetë moderne rreth vetive elektrike të substancave

Me zhvillimin e ideve të mëtejshme, vetitë e substancave për të përcjellë rrymë elektrike filluan të karakterizohen në mënyrë sasiore - nga vlera e specifikës. përçueshmëri elektrike, e matur në siemens për metër (S/m). Në temperaturën e dhomës, përçueshmëria e përçuesve është në intervalin nga 10 6 deri në 10 8 S / m, dhe për dielektrikët (izoluesit) është më pak se 10 -8 S / m.

Substancat me përçueshmëri pozicioni i ndërmjetëm, është logjike të quhen gjysmëpërçues ose gjysmëizolues. Emri i parë është fiksuar historikisht. Përçueshmëria e gjysmëpërçuesve qëndron në rangun nga 10 -8 deri në 10 6 S/m. Nuk ka kufij të mprehtë midis këtyre 3 llojeve të substancave, ndryshimet cilësore përcaktohen nga diferenca në vetitë sasiore.

Dihet nga fizika se një elektron në një trup të ngurtë nuk mund të ketë energji arbitrare, kjo energji mund të marrë vetëm disa vlera, të quajtura nivele energjie. Sa më afër bërthamës të jetë elektroni në një atom, aq më e ulët është energjia e tij. Elektroni i largët ka energjinë më të lartë. Në elektrike dhe proceset kimike Marrin pjesë vetëm elektronet e shtresës së jashtme të atomit (elektronet e të ashtuquajturit brezi i valencës).

Elektrone me më shumë energji të lartë, se elektronet e brezit të valencës, i përkasin elektroneve të brezit të përcjelljes. Këto elektrone nuk janë të lidhura me atome individuale dhe ato lëvizin rastësisht brenda trupit për të mundësuar përcjelljen.

Atomet e një lënde që ka dhuruar një elektron në brezin e përcjelljes konsiderohen si jone të ngarkuar pozitivisht dhe formojnë një rrjetë kristalore të substancës brenda së cilës lëvizin elektronet përçuese. Tek përçuesit (metalet), brezi i përcjelljes është ngjitur me brezin e valencës dhe çdo atom metali pa ndërhyrje lëshon një ose më shumë elektrone në brezin e përcjelljes, i cili u siguron metaleve vetinë e përçueshmërisë elektrike.

Vetitë e gjysmëpërçuesve përcaktohen nga hendeku i brezit

Në gjysmëpërçuesit dhe dielektrikët, ekziston një i ashtuquajtur midis brezit të valencës dhe brezit të përcjelljes. zonë e ndaluar. Elektronet nuk mund të kenë energji që korrespondon me energjinë e niveleve të kësaj zone. Ndarja e substancave në dielektrikë dhe gjysmëpërçues kryhet në varësi të gjerësisë së hendekut të brezit. Me një hendek brezi prej disa elektron volt (eV), elektronet e brezit të valencës kanë pak mundësi të hyjnë në brezin e përcjelljes, gjë që i bën këto substanca jopërçuese. Kështu, diamanti ka një hendek brezi prej 5.6 eV. Megjithatë, me rritjen e temperaturës, elektronet në brezin e valencës rrisin energjinë e tyre dhe disa prej tyre hyjnë në brezin e përcjelljes, gjë që përkeqëson vetitë izoluese të dielektrikëve.

Nëse hendeku i brezit është në rendin e një elektron volt, substanca fiton përçueshmëri të dukshme tashmë në temperaturën e dhomës, duke u bërë edhe më përçuese me rritjen e temperaturës. Ne i klasifikojmë substanca të tilla si gjysmëpërçues, dhe vetitë e gjysmëpërçuesve përcaktohen nga hendeku i brezit.

Në temperaturën e dhomës, hendeku i brezit të gjysmëpërçuesve është më pak se 2.5-3 eV. Si shembull, hendeku i brezit të germaniumit është 0.72 eV dhe silikoni është 1.12 eV. Gjysmëpërçuesit me brez të gjerë përfshijnë gjysmëpërçuesit me një hapësirë ​​brezi më të madhe se 2 eV. Në mënyrë tipike, sa më i lartë të jetë hendeku i brezit të një gjysmëpërçuesi, aq më e lartë është pika e shkrirjes së tij. Kështu, germaniumi ka një pikë shkrirjeje prej 936 °C, dhe silici ka një pikë shkrirjeje prej 1414 °C.

Dy lloje të përçueshmërisë gjysmëpërçuese - elektroni dhe vrima

Në temperaturën zero absolute (-273 °C), në një gjysmëpërçues të pastër (gjysmëpërçues i brendshëm ose gjysmëpërçues i-lloj) të gjitha elektronet gjenden në atome, dhe gjysmëpërçuesi është një izolues. Ndërsa temperatura rritet, disa nga elektronet në brezin e valencës hyjnë në brezin e përcjelljes dhe ndodh përçueshmëria elektronike. Por kur një atom humbet një elektron, ai ngarkohet pozitivisht.

Lëvizni ndërsa jeni të prekur fushë elektrike një atom që zë një vend në një rrjetë kristalore nuk mundet, por është në gjendje të tërheqë një elektron nga një atom fqinj, duke mbushur një "vrimë" në brezin e tij të valencës. Atomi që ka humbur një elektron, nga ana tjetër, do të kërkojë gjithashtu një mundësi për të mbushur "vrimën" e formuar në shtresën e jashtme. Një vrimë ka të gjitha vetitë e një ngarkese pozitive, dhe mund të supozojmë se në një gjysmëpërçues ekzistojnë 2 lloje transportuesish - elektrone të ngarkuar negativisht dhe vrima të ngarkuara pozitivisht.

Elektronet e përcjelljes mund të zënë vende të lira në brezin e valencës, d.m.th. bashkohen me vrima. Ky proces quhet rikombinim, dhe meqenëse gjenerimi dhe rikombinimi i bartësve ndodh njëkohësisht, në një temperaturë të caktuar numri i çifteve bartëse është në një gjendje ekuilibri dinamik - numri i çifteve që rezultojnë krahasohet me numrin e atyre që rikombinohen.

Përçueshmëria e brendshme e një gjysmëpërçuesi i-lloji përbëhet nga përçueshmëria elektronike dhe vrima, ku mbizotëron përçueshmëria elektronike, pasi elektronet janë më të lëvizshme se vrimat. Përçueshmëria elektrike specifike e metaleve ose gjysmëpërçuesve varet nga numri i bartësve të ngarkesës për metër kub. cm, ose në përqendrimin e elektroneve dhe vrimave.

Nëse numri i atomeve në 1 kub cm e një substance është rreth 10 22, atëherë në temperaturën e dhomës në metale numri i elektroneve përçuese nuk është më pak numër atomet, d.m.th. gjithashtu të rendit 10 22, ndërsa në germaniumin e pastër përqendrimi i bartësve të ngarkesës është rreth 10 13 cm -3, dhe në silikon 10 10 cm -3, që është dukshëm më i vogël se ai i metalit, prandaj përçueshmëria e gjysmëpërçuesit është miliona e miliarda herë më i keq se ai i metaleve.

Gjithçka ka të bëjë me papastërtitë

Kur një tension aplikohet në një gjysmëpërçues, fusha elektrike që lind në të përshpejton elektronet dhe vrimat, lëvizja e tyre bëhet e urdhëruar dhe lind një rrymë elektrike - rrymë përcjellëse. Përveç përçueshmërisë së brendshme, në gjysmëpërçuesit ekziston edhe përçueshmëria e papastërtive, e cila, siç mund ta merrni me mend nga emri, është për shkak të pranisë së papastërtive në gjysmëpërçues.

Nëse një sasi e parëndësishme e antimonit 5-valent, arsenikut ose fosforit i shtohet germaniumit 4-valent, atomet e papastërtisë do të përdorin 4 elektrone për t'u lidhur me atomet e germaniumit dhe i pesti do të jetë në brezin e përcjelljes, gjë që përmirëson në mënyrë dramatike përçueshmërinë. të gjysmëpërçuesit. Papastërtitë e tilla, atomet e të cilave dhurojnë elektrone, quhen dhurues. Meqenëse përçueshmëria elektronike mbizotëron në gjysmëpërçues të tillë, ata quhen gjysmëpërçues n-lloj (nga fjalë angleze negative- negative). Kështu që të gjithë atomet e donatorëve dhurojnë një elektron në brezin e përcjelljes, zonë energjetike atomet e donatorëve duhet të vendosen sa më afër brezit të përcjelljes së gjysmëpërçuesit, pak poshtë tij.

Kur një papastërti e borit, indiumit ose aluminit 3-valent i shtohet germaniumit 4-valent, atomet e papastërtisë heqin elektronet nga atomet e germaniumit dhe germaniumi fiton përcjellshmërinë e vrimës dhe bëhet gjysmëpërçues. fq-lloj (nga fjala angleze pozitive– pozitive). Papastërtitë që krijojnë përçueshmëri vrimash quhen pranues.

Në mënyrë që pranuesit të kapin lehtësisht elektronet, nivelet e energjisë së atomeve pranues duhet të jenë ngjitur me nivelet e brezit të valencës së gjysmëpërçuesit, të vendosura pikërisht mbi të.

Përçueshmëria e papastërtive zakonisht tejkalon ndjeshëm përçueshmërinë e brendshme, pasi përqendrimi i atomeve dhurues ose pranues tejkalon ndjeshëm përqendrimin e bartësve të brendshëm. Është shumë e vështirë për të marrë një gjysmëpërçues me një sasi rreptësisht të dozuar papastërtie, dhe gjysmëpërçuesi fillestar gjithashtu duhet të jetë shumë i pastër. Kështu, për germaniumin nuk lejohet më shumë se një atom i papastërtisë së huaj (d.m.th., as dhurues dhe as pranues) për 10 miliard atome germanium, dhe për silikon kërkesat për pastërti janë madje 1000 herë më të larta.

Tranzicioni metal-gjysmëpërçues

Në pajisjet gjysmëpërçuese, ekziston nevoja për të përdorur kontakte gjysmëpërçues-metal. Një substancë (metal ose gjysmëpërçues) karakterizohet nga energjia e nevojshme që një elektron të largohet nga substanca - funksioni i punës. Le ta shënojmë funksionin e punës nga metali si A m, dhe nga gjysmëpërçuesi si A p.

Kontaktet omike

Nëse është e nevojshme të krijohet një kontakt omik (d.m.th., jo ndreqës, kur rezistenca e kontaktit është e ulët në çdo polaritet të tensionit të aplikuar), mjafton të sigurohet kontakti i metalit me gjysmëpërçuesin në kushtet e mëposhtme:

• Në kontakt me n-gjysmëpërçues: A m< A п;
• Në kontakt me një gjysmëpërçues p: A m > A p .

Veti të ngjashme gjysmëpërçuesit shpjegohet me faktin se shumica e transportuesve grumbullohen në shtresën kufitare të gjysmëpërçuesit, gjë që siguron rezistencë të ulët të tij. Akumulimi i shumicës së bartësve sigurohet nga fakti se elektronet lëvizin gjithmonë nga një substancë me funksion më të ulët pune në një substancë me më shumë punë dalje.

Kontaktet e ndreqësit

Por nëse me një gjysmëpërçues n-lloj se ka një metal në kontakt me A m > A p, atëherë elektronet do të lëvizin nga gjysmëpërçuesi në metal, dhe në shtresën kufitare formohet një rajon i varfëruar nga shumica e bartësve dhe që ka përçueshmëri të ulët. Për të kapërcyer pengesën e krijuar, duhet të aplikohet një tension i një polariteti të caktuar dhe me madhësi të mjaftueshme në kontakt. Kur aplikohet polariteti i kundërt, përçueshmëria e kontaktit do të përkeqësohet edhe më shumë - një kontakt i tillë ka veti korrigjuese. Është e lehtë të shihet se kontakti metal-gjysmëpërçues ka veti të ngjashme me gjysmëpërçuesit. fq-tipi në A m< A п.

Historia e detektorit gjysmëpërçues

Veti të ngjashme të gjysmëpërçuesve metal-gjysmëpërçues u zbuluan nga fizikani gjerman Ferdinand Braun në 1874. Diodat më të hershme gjysmëpërçuese metalike u shfaqën rreth vitit 1900, kur radiomarrësit filluan të përdorin detektorë të përbërë nga një tel tungsteni i shtypur në sipërfaqen e një kristali galena (sulfidi i plumbit). Radioamatorët bënë vetë detektorë duke shkrirë plumbin me squfur.

Në vitin 1906, shkencëtari francez G. Picard projektoi një detektor nga një kristal silikoni dhe një pranverë kontakti spirale me një majë dhe mori një patentë për të. Pajisjet elektronike të bazuara në një kontakt metal-gjysmëpërçues quhen dioda Schottky sipas fizikantit gjerman Walter Schottky i cili studioi kontakte të tilla.

Në vitin 1926, u shfaqën elementë të fuqishëm ndreqës bakri, të përbërë nga një pllakë bakri e veshur me një shtresë oksidi bakri, të cilat përdoreshin gjerësisht në njësitë e energjisë.

Tranzicioni elektron-vrimë

Tranzicioni elektron-vrimë, ose n-p-kryqëzimi është rajoni në kufirin e dy gjysmëpërçuesve lloje të ndryshme përçueshmëria, dhe funksionimi i pajisjeve gjysmëpërçuese bazohet në përdorimin e vetive të tranzicioneve të tilla. Në mungesë të tensionit të aplikuar në kryqëzim, transportuesit e ngarkesës lëvizin nga zonat me përqendrim më të lartë në zonat me përqendrim më të ulët - jashtë gjysmëpërçuesit n-gjysëmpërçues i tipit fq-elektronet e tipit lëvizin, dhe vrimat lëvizin në drejtim të kundërt.

Si rezultat i këtyre lëvizjeve, rajone me një ngarkesë hapësinore shfaqen në të dy anët e ndërfaqes dhe lind një ndryshim potencial kontakti midis këtyre rajoneve. Ky ndryshim potencial formon një pengesë potenciale, e cila parandalon tranzicioni i mëtejshëm bartësit nëpër barrierë. Lartësia e pengesës (ndryshimi i potencialit të kontaktit) varet nga përqendrimi i papastërtive, dhe për germaniumin zakonisht është 0,3-0,4 V, duke arritur në 0,7 V. Në gjendje të qëndrueshme, nuk ka rrymë përmes kryqëzimit, pasi p-n- kryqëzimi ka një rezistencë të lartë në krahasim me zonat e tjera të gjysmëpërçuesve, dhe shtresa që rezulton quhet shtresë bllokuese.

Nëse për të n-p- aplikoni një tension të jashtëm në kryqëzim, atëherë në varësi të polaritetit të tij, kryqëzimi do të sillet ndryshe.

Rryma e drejtpërdrejtë përmes kryqëzimit

Nëse tek një gjysmëpërçues fq-lloji i aplikimit të “plus”-it të një burimi tensioni, atëherë fusha e krijuar nga burimi vepron në kundërshtim me fushën dallimi në kontakt potencialet, fusha totale zvogëlohet, lartësia e pengesës potenciale zvogëlohet dhe një numër më i madh bartësish e kapërcejnë atë. Një rrymë e quajtur rrymë e drejtpërdrejtë fillon të rrjedhë nëpër kryqëzim. Në të njëjtën kohë, trashësia e shtresës mbrojtëse dhe e saj rezistenca elektrike.

Për një të rëndësishme rrymë e drejtpërdrejtë mjafton të aplikohet një tension në kryqëzim i krahasueshëm me lartësinë e pengesës në mungesë të tensionit të aplikuar, d.m.th. të dhjetat e një volt, dhe në një tension edhe më të lartë, rezistenca e shtresës së pengesës do të bëhet afër zeros.

Rrjedha e kundërt e rrymës përmes kryqëzimit

Nëse tensioni i jashtëm është "i kundërt", d.m.th. bashkëngjitni në fq-burimi i tensionit "minus" gjysmëpërçues, fusha e tensionit të jashtëm do të shtohet në fushën e diferencës së potencialit të kontaktit. Lartësia e pengesës së mundshme rritet, gjë që do të pengojë difuzionin e shumicës së transportuesve përmes kryqëzimit, dhe rryma përmes kryqëzimit, e quajtur "e kundërt", do të jetë e vogël. Shtresa penguese bëhet më e trashë dhe rezistenca e saj elektrike rritet.

Vetitë ndreqëse të kryqëzimeve elektronike-vrima përdoren në dioda me fuqi dhe qëllime të ndryshme - për korrigjim AC në furnizimin me energji elektrike dhe sinjale të dobëta në pajisje për qëllime të ndryshme.

Aplikime të tjera të vetive gjysmëpërçuese

Një tranzicion elektron-vrimë me tension të kundërt sillet në mënyrë të ngjashme me atë të ngarkuar kondensator elektrik me një kapacitet nga njësitë në qindra pikofarad. Ky kapacitet varet nga voltazhi i aplikuar në kryqëzim, i cili lejon që disa lloje të pajisjeve gjysmëpërçuese të përdoren si kondensatorë të ndryshueshëm të kontrolluar nga tensioni i aplikuar.

Vetitë n-p-Tranzicionet gjithashtu varen ndjeshëm nga temperatura e mediumit, gjë që bën të mundur përdorimin specie individuale pajisje gjysmëpërçuese si sensorë të temperaturës. Pajisjet me tre rajone me përçueshmëri të ndryshme, si p.sh n-p-n, ju lejon të krijoni pajisje që kanë vetitë e amplifikimit të sinjaleve elektrike, si dhe gjenerimin e tyre.

Ti, mik i ri, je një bashkëkohës i revolucionit teknik në të gjitha fushat e radio-elektronikës. Thelbi i tij qëndron në faktin se tubat e vakumit janë zëvendësuar me pajisje gjysmëpërçuese dhe tani ato po zëvendësohen gjithnjë e më shumë me mikroqarqe.

Paraardhësi i një prej më përfaqësuesit karakteristik"Ushtria" e pajisjeve gjysmëpërçuese - transistori - ishte i ashtuquajturi detektor gjenerues, i shpikur në vitin 1922 nga radiofizikani sovjetik O. V. Losev. Kjo pajisje, e cila është një kristal gjysmëpërçues me dy tela - përcjellës ngjitur, në kushte të caktuara mund të gjenerojë dhe përforcojë dridhjet elektrike. Por më pas, për shkak të papërsosmërive, ai nuk mund të konkurronte me një tub elektronik. Një rival i denjë gjysmëpërçues i një tubi elektronik, i quajtur transistor, u krijua në 1948 nga shkencëtarët amerikanë Brattain, Bardeen dhe Shockley. Në vendin tonë, një kontribut të madh në zhvillimin e pajisjeve gjysmëpërçuese dhanë A.F. Ioffe, L.D. Davydova, V.E. Loshkarev dhe një sërë shkencëtarësh dhe inxhinierësh të tjerë, shumë ekipe shkencore.

Për të kuptuar thelbin e fenomeneve që ndodhin në pajisjet moderne gjysmëpërçuese, do të duhet të "shikojmë" strukturën e gjysmëpërçuesit dhe të kuptojmë arsyet e formimit të rrymë elektrike. Por para kësaj, do të ishte mirë të kujtonit atë pjesë të bisedës së parë ku fola për strukturën e atomeve.

GJYSMËPËRFAQËSIT DHE VETITË E TYRE

Më lejoni t'ju kujtoj: nga vetitë elektrike Gjysmëpërçuesit zënë një vend të mesëm midis përçuesve dhe jopërçuesve të rrymës. Për sa u tha, do të shtoj se grupi i gjysmëpërçuesve përfshin shumë më tepër substanca sesa grupet e përçuesve dhe jopërçuesve të marra së bashku. Tek gjysmëpërçuesit që kanë gjetur aplikim praktik në teknologji, përfshijnë germanium, silikon, selen, oksid bakri dhe disa substanca të tjera. Por për pajisjet gjysmëpërçuese përdoren vetëm germanium dhe silikon.

Cilat janë më vetitë karakteristike gjysmëpërçuesit, duke i dalluar nga përçuesit dhe jopërçuesit e rrymës? Përçueshmëria elektrike e gjysmëpërçuesve varet fuqishëm nga temperatura e ambientit. Në temperatura shumë të ulëta, afër zeros absolute (-273°C), ato sillen si izolues në raport me rrymën elektrike. Shumica e përçuesve, përkundrazi, në këtë temperaturë bëhen superpërçues, d.m.th. nuk ofrojnë pothuajse asnjë rezistencë ndaj rrymës. Me rritjen e temperaturës së përcjellësve, rezistenca e tyre ndaj rrymës elektrike rritet dhe rezistenca e gjysmëpërçuesve zvogëlohet. Përçueshmëria elektrike e përcjellësve nuk ndryshon kur ekspozohet ndaj dritës. Përçueshmëria elektrike e gjysmëpërçuesve nën ndikimin e dritës, e ashtuquajtura fotopërçueshmëri, rritet. Gjysmëpërçuesit mund ta shndërrojnë energjinë e dritës në rrymë elektrike. Kjo nuk është absolutisht tipike për përçuesit. Përçueshmëria elektrike e gjysmëpërçuesve rritet ndjeshëm kur atomet e disa elementeve të tjerë futen në to. Përçueshmëria elektrike e përcjellësve zvogëlohet kur papastërtitë futen në to. Këto dhe disa veti të tjera të gjysmëpërçuesve janë njohur për një kohë relativisht të gjatë, por ato filluan të përdoren gjerësisht relativisht kohët e fundit.

Germanium dhe silic, të cilat janë materialet fillestare të shumë pajisjeve moderne gjysmëpërçuese, secili ka katër elektrone valente në shtresat e jashtme të guaskës së tyre. Në total, ka 32 elektrone në një atom germanium, dhe 14 në një atom silikoni, por 28 elektrone të një atomi germanium dhe 10 elektrone të një atomi silikoni, të vendosura në shtresat e brendshme të predhave të tyre, mbahen fort nga bërthamat dhe. në asnjë rrethanë nuk ndahen prej tyre. Vetëm katër elektrone valente të atomeve të këtyre gjysmëpërçuesve mund, madje edhe atëherë jo gjithmonë, të bëhen të lirë. Mbani mend: katër! Një atom gjysmëpërçues që ka humbur të paktën një elektron bëhet një jon pozitiv.

Në një gjysmëpërçues, atomet janë të rregulluar brenda në mënyrë strikte: Çdo atom është i rrethuar nga katër atome të ngjashme. Ato janë gjithashtu të vendosura aq afër njëri-tjetrit saqë elektronet e tyre të valencës formojnë orbita të vetme që kalojnë rreth të gjithë atomeve fqinje, duke i lidhur ato në një substancë të vetme. Kjo marrëdhënie e atomeve në një kristal gjysmëpërçues mund të imagjinohet në formën e një diagrami të sheshtë, siç tregohet në Fig. 72, a. Këtu, topa të mëdhenj me shenjën "+" përfaqësojnë në mënyrë konvencionale bërthamat e atomeve me shtresat e brendshme predha elektronike (jonet pozitive), dhe topat e vegjël janë elektrone valence. Çdo atom, siç mund ta shihni, është i rrethuar nga katër atome saktësisht të njëjta. Secili prej atomeve është i lidhur me secilin fqinj me dy elektrone valente, njëri prej të cilëve është "i veti", dhe i dyti është huazuar nga "fqinj". Kjo është një lidhje me dy elektrone ose valencë. Lidhja më e fortë!

Oriz. 72. Diagrami i marrëdhënies së atomeve në një kristal gjysmëpërçues (a) dhe një diagram i thjeshtuar i strukturës së tij (b)

Nga ana tjetër, shtresa e jashtme e shtresës elektronike të secilit atom përmban tetë elektrone: katër të vetat dhe një nga katër atome fqinje. Këtu nuk është më e mundur të dallosh se cili nga elektronet e valencës në atom është "i yti" dhe cili është "i huaj", pasi ato janë bërë të zakonshme. Me një lidhje të tillë të atomeve në të gjithë masën e një kristali germanium ose silikoni, mund të konsiderojmë se kristali gjysmëpërçues është një molekulë e madhe.

Diagrami i ndërlidhjes së atomeve në një gjysmëpërçues mund të thjeshtohet për qartësi duke e përshkruar atë siç tregohet në Fig. 72, b. Këtu, bërthamat e atomeve me predha të brendshme elektronike tregohen si rrathë me një shenjë plus, dhe lidhjet ndëratomike tregohen si dy rreshta që simbolizojnë elektronet e valencës.

Gjysmëpërçuesit karakterizohen si nga vetitë e përçuesve ashtu edhe nga dielektrikët. Në kristalet gjysmëpërçuese, atomet krijojnë lidhje kovalente (d.m.th., një elektron në një kristal silikoni, si diamanti, është i lidhur me dy atome, kërkon një nivel energjie të brendshme për t'u çliruar nga atomi (1.76 10 -19 J kundrejt 11.2); 10 −19 J, që karakterizon ndryshimin midis gjysmëpërçuesve dhe dielektrikëve). Kjo energji shfaqet në to me rritjen e temperaturës (për shembull, në temperaturën e dhomës, niveli i energjisë i lëvizjes termike të atomeve është 0,4·10−19 J), dhe atomet individuale marrin energji për të hequr një elektron nga atomi. Me rritjen e temperaturës, rritet numri i elektroneve dhe vrimave të lira, prandaj, në një gjysmëpërçues që nuk përmban papastërti, rezistenca zvogëlohet. Në mënyrë konvencionale, elementët me një energji të lidhjes së elektroneve më pak se 1.5-2 eV konsiderohen gjysmëpërçues. Mekanizmi i përçueshmërisë së vrimave elektronike manifestohet në gjysmëpërçuesit vendas (domethënë pa papastërti). Ajo quhet përçueshmëri elektrike e brendshme e gjysmëpërçuesve.

Vrima

Kur lidhja midis elektronit dhe bërthamës prishet, një hapësirë ​​e lirë shfaqet në shtresën elektronike të atomit. Kjo shkakton transferimin e një elektroni nga një atom tjetër në një atom me një vend të lirë. Atomi nga i cili kaloi elektroni merr një elektron tjetër nga një atom tjetër, etj. Kjo është për shkak të lidhjeve kovalente të atomeve. Kështu, një ngarkesë pozitive lëviz pa lëvizur vetë atomin. Kjo e kushtëzuar ngarkesë pozitive quhet vrimë.

Vetë-densiteti

Në ekuilibrin termodinamik, dendësia e elektroneve të një gjysmëpërçuesi lidhet me temperaturën nga marrëdhënia e mëposhtme:

- niveli i brezit përçues - Niveli Fermi;

- Konstanta e Plankut;

- masa e vrimës;

- temperatura; - Niveli Fermi;

- niveli i brezit të valencës.

Dendësia e brendshme lidhet me marrëdhënien e mëposhtme:

Llojet e gjysmëpërçuesve

Nga natyra e përcjellshmërisë

Vetëpërçueshmëria

Gjysem percjellesit ne te cilet shfaqen elektrone te lira dhe "vrima" gjate jonizimit te atomeve nga te cilat eshte ndertuar i gjithe kristali quhen gjysmepercjelles percjelles. Në gjysmëpërçuesit me përçueshmëri të brendshme, përqendrimi i elektroneve të lira është i barabartë me përqendrimin e "vrimave".

Përçueshmëria lidhet me lëvizshmërinë e grimcave nga relacioni i mëposhtëm: ku është rezistenca, është lëvizshmëria e elektroneve, është lëvizshmëria e vrimave, është përqendrimi i tyre, q është ngarkesa elektrike elementare (1,602·10 −19 C). Për një gjysmëpërçues të brendshëm, përqendrimet e bartësit përkojnë dhe formula merr formën:

Përçueshmëria e papastërtive

Për të krijuar pajisje gjysmëpërçuese, kristale me

përçueshmëria e papastërtive

. Kristale të tilla bëhen duke futur papastërti me atomet e një elementi kimik trevalent ose pesëvalent. Sipas llojit të përcjellshmërisë Gjysmëpërçuesit elektronikë (n-lloji) gjysmëpërçues i tipit n Afati "n-lloj" vjen nga fjala "negativ", që do të thotë ngarkesë negative transportuesit kryesorë. Ky lloj gjysmëpërçuesi ka një natyrë papastërti. Një papastërti e një gjysmëpërçuesi pesëvalent (për shembull, arseniku) i shtohet një gjysmëpërçuesi katërvalent (për shembull, silikoni). Gjatë ndërveprimit, çdo atom papastërtie hyn në një lidhje kovalente me atomet e silikonit. Megjithatë, nuk ka vend për elektronin e pestë të atomit të arsenikut në lidhjet e ngopura të valencës, dhe ai shkon deri në larg

shtresë elektronike

. Atje, duhet më pak energji për të hequr një elektron nga një atom. Elektroni hiqet dhe bëhet i lirë. Në këtë rast, transferimi i ngarkesës kryhet nga një elektron dhe jo nga një vrimë, domethënë

këtij lloji

. Kristale të tilla bëhen duke futur papastërti me atomet e një elementi kimik trevalent ose pesëvalent. Gjysmëpërçuesit përcjellin rrymë elektrike si metalet. Papastërtitë që u shtohen gjysmëpërçuesve, duke bërë që ata të bëhen gjysmëpërçues të tipit n, quhen papastërti dhuruese. vjen nga fjala "pozitiv", që tregon ngarkesën pozitive të transportuesve kryesorë. Ky lloj gjysmëpërçuesi, përveç bazës së papastërtisë, karakterizohet nga natyra e vrimës së përçueshmërisë. Një sasi e vogël atomesh të një elementi trivalent (si indiumi) i shtohet një gjysmëpërçuesi katërvalent (si silici). Çdo atom papastërti krijon një lidhje kovalente me tre atome silikoni fqinjë. Për të krijuar një lidhje me atomin e katërt të silikonit, atomi i indiumit nuk ka elektron valent, kështu që rrëmben një elektron valence nga lidhje kovalente ndërmjet atomeve fqinje të silikonit dhe bëhet një jon i ngarkuar negativisht, duke rezultuar në formimin e një vrime. Papastërtitë që shtohen në këtë rast quhen papastërti pranuese.

Përçueshmëria e gjysmëpërçuesve p është afërsisht e barabartë me:

Përdorimi në inxhinierinë radio

Diodë gjysmëpërçuese

Një diodë gjysmëpërçuese përbëhet nga dy lloje gjysmëpërçuesish - vrima dhe elektron. Gjatë kontaktit ndërmjet këtyre rajoneve, elektronet kalojnë nga rajoni me gjysmëpërçuesin e tipit n në rajonin me gjysmëpërçuesin e tipit p, i cili më pas rikombinohet me vrima. Si rezultat, midis dy rajoneve lind një fushë elektrike, e cila vendos kufirin për ndarjen e gjysmëpërçuesve - të ashtuquajturin kryqëzim p-n. Si rezultat, në rajonin me një gjysmëpërçues të tipit p, shfaqet një ngarkesë e pakompensuar nga jonet negative, dhe në rajonin me një gjysmëpërçues të tipit n, lind një ngarkesë e pakompensuar nga jone pozitive. Diferenca midis potencialeve arrin 0,3-0,6 V.

Shprehet marrëdhënia midis ndryshimit të mundshëm dhe përqendrimit të papastërtive formulën e mëposhtme:

ku është stresi termodinamik, është përqendrimi i elektroneve, është përqendrimi i vrimës, është përqendrimi i brendshëm.

Në procesin e aplikimit të një tensioni plus në gjysmëpërçuesin p dhe një minus në gjysmëpërçuesin n, fusha elektrike e jashtme do të drejtohet kundër fushës elektrike të brendshme. p-n kryqëzim dhe me tension të mjaftueshëm, elektronet do të kapërcejnë bashkimin p-n dhe në qarkun e diodës do të shfaqet një rrymë elektrike (përçueshmëri direkte). Kur aplikohet një tension minus në një zonë me një gjysmëpërçues të tipit p dhe një tension plus në një zonë me një gjysmëpërçues të tipit n, midis dy zonave shfaqet një rajon që nuk ka bartës të lirë të rrymës elektrike (përçueshmëri e kundërt). Rryma e kundërt e diodës gjysmëpërçuese nuk është e barabartë me zero, pasi në të dy rajonet ka gjithmonë transportues të tarifave të pakicës. Për këto bartësit p-n kalimi do të jetë i hapur.

Kështu, kryqëzimi p-n shfaq vetitë e përçueshmërisë njëkahëshe, e cila shkaktohet nga aplikimi i tensionit me polaritete të ndryshme. Kjo veti përdoret për të korrigjuar rrymën alternative.

Transistor

Një transistor është një pajisje gjysmëpërçuese që përbëhet nga dy rajone me gjysmëpërçues të tipit p ose n, midis të cilëve ekziston një rajon me një gjysmëpërçues të tipit n ose p. Kështu, transistori ka dy p-n zona tranzicionit. Rajoni i kristalit midis dy kryqëzimeve quhet bazë, dhe rajonet e jashtme quhen emitues dhe kolektor. Qarku më i zakonshëm i lidhjes së tranzistorit është një qark lidhës me një emetues të përbashkët, në të cilin rryma përhapet përmes bazës dhe emetuesit në kolektor.

Një tranzistor bipolar përdoret për të përforcuar rrymën elektrike.

Llojet e gjysmëpërçuesve në tabelën periodike të elementeve

Tabela e mëposhtme jep informacion mbi një numër të madh elementësh gjysmëpërçues dhe lidhjet e tyre, të ndara në disa lloje:

• gjysmëpërçuesit me një element të grupit IV të tabelës periodike të elementeve,
• kompleks: dy elementësh A III B V dhe A II B VI nga grupi i tretë dhe i pestë dhe nga grupi i dytë dhe i gjashtë përkatësisht i elementeve.

Të gjitha llojet e gjysmëpërçuesve kanë një varësi interesante të hendekut të brezit nga periudha, domethënë, me rritjen e periudhës, hendeku i brezit zvogëlohet.

Vetitë fizike dhe aplikimet

Para së gjithash, duhet thënë se vetitë fizike të gjysmëpërçuesve janë më të studiuarat në krahasim me metalet dhe dielektrikët. Në një masë të madhe, kjo lehtësohet nga një numër i madh efektesh që nuk mund të vërehen as në një ose në një substancë tjetër, kryesisht të lidhura me strukturën e strukturës së brezit të gjysmëpërçuesve dhe praninë e një hendeku mjaft të ngushtë brezi. Natyrisht, nxitja kryesore për studimin e gjysmëpërçuesve është prodhimi i pajisjeve gjysmëpërçuese dhe qarqeve të integruara - kjo vlen kryesisht për silikonin, por gjithashtu prek komponimet e tjera (GaAs, InP, InSb).

Për shkak të faktit se teknologët mund të marrin shumë substanca të pastra, lind pyetja për një standard të ri për numrin e Avogadro.

aliazh

Vetitë kryesore të një gjysmëpërçuesi mund të varen shumë nga prania e defekteve në strukturën kristalore. Dhe për këtë arsye ata përpiqen të rritin substanca shumë të pastra, kryesisht për industrinë elektronike. Dopantët futen për të kontrolluar sasinë dhe llojin e përçueshmërisë së gjysmëpërçuesit. Për shembull, silikoni i përhapur mund të dopohet me një element të nëngrupit V të tabelës periodike të elementeve - fosfor, i cili është një dhurues, dhe mund të krijohet n-Si. Për të marrë silikon me përçueshmëri të tipit vrima (p-Si), përdoret bor (pranues). Gjithashtu krijohen gjysmëpërçues të kompensuar për të rregulluar nivelin e Fermit në mes të brezit.

Metodat e marrjes

Për të marrë kristale gjysmëpërçuese, përdoren metoda të ndryshme të depozitimit fizik dhe kimik. Mjeti më i saktë dhe më i shtrenjtë në duart e teknologëve për rritjen e filmave me një kristal janë njësitë e epitaksisë me rreze molekulare, të cilat lejojnë rritjen e një kristali me saktësi deri në një shtresë të vetme.

Optika gjysmëpërçuese

Thithja e dritës nga gjysmëpërçuesit është për shkak të tranzicionit ndërmjet gjendjet energjetike struktura e zonës. Duke pasur parasysh parimin e përjashtimit Pauli, elektronet mund të lëvizin vetëm nga një nivel energjie e mbushur në një të paplotësuar. Në një gjysmëpërçues të brendshëm, të gjitha gjendjet e brezit të valencës janë të mbushura, dhe të gjitha gjendjet e brezit të përcjelljes janë të paplotësuara, prandaj kalimet janë të mundshme vetëm nga brezi i valencës në brezin e përcjelljes. Për të bërë një tranzicion të tillë, elektroni duhet të marrë energji nga drita që tejkalon hendekun e brezit. Fotonet me energji më të ulët nuk shkaktojnë kalime ndërmjet gjendjeve elektronike të gjysmëpërçuesit, prandaj gjysmëpërçues të tillë janë transparent në diapazonin e frekuencës, ku është hendeku i brezit dhe është konstanta e Plankut. Kjo frekuencë përcakton skajin themelor të përthithjes për gjysmëpërçuesin. Për gjysmëpërçuesit, të cilët përdoren shpesh në elektronikë (silikon, germanium, arsenid galiumi), ai shtrihet në rajonin infra të kuqe të spektrit.

Kufizime shtesë në thithjen e dritës nga gjysmëpërçuesit vendosen nga rregullat e përzgjedhjes, në veçanti ligji i ruajtjes së momentit. Ligji i ruajtjes së momentit kërkon që kuazi-momenti i gjendjes përfundimtare të ndryshojë nga kuazi-momenti i gjendjes fillestare për nga madhësia e momentit të fotonit të absorbuar. Numri i valës së fotonit, ku është gjatësia e valës, është shumë i vogël në krahasim me vektorin valor të rrjetës reciproke të gjysmëpërçuesit, ose, po e njëjta gjë, gjatësia e valës së fotonit në zonën e dukshme është shumë më e madhe se karakteristika distanca ndëratomike në gjysmëpërçues, e cila çon në kërkesën që kuazi-momenti i një gjendjeje të fundme gjatë tranzicionit elektronik të ishte praktikisht i barabartë me kuazi-momentin e gjendjes fillestare. Në frekuenca afër skajit themelor të përthithjes, kjo është e mundur vetëm për gjysmëpërçuesit me boshllëk të drejtpërdrejtë. Kalimet optike në gjysmëpërçuesit gjatë të cilave momenti i elektronit mbetet pothuajse i pandryshuar quhen drejt ose vertikale. Momenti i gjendjes përfundimtare mund të ndryshojë ndjeshëm nga momenti i gjendjes fillestare nëse një grimcë tjetër, e tretë, për shembull, një fonon, përfshihet në procesin e përthithjes së fotonit. Tranzicione të tilla janë gjithashtu të mundshme, megjithëse më pak të mundshme. Ata quhen tranzicionet indirekte.

Kështu, gjysmëpërçuesit me boshllëk të drejtpërdrejtë si arsenidi i galiumit fillojnë të thithin fuqishëm dritën kur energjia kuantike tejkalon hendekun e brezit. Gjysmëpërçues të tillë janë shumë të përshtatshëm për t'u përdorur në optoelektronikë.

Gjysmëpërçuesit indirekt të brezit, për shembull, silikoni, thithin dritën në diapazonin e frekuencës së dritës me një energji kuantike pak më të madhe se gjerësia e brezit shumë më të dobët, vetëm për shkak të tranzicioneve indirekte, intensiteti i të cilave varet nga prania e fononeve, dhe për këtë arsye nga temperatura. Frekuenca e ndërprerjes së tranzicioneve të drejtpërdrejta në silikon është më e madhe se 3 eV, domethënë shtrihet në rajonin ultravjollcë të spektrit.

Kur një elektron kalon nga brezi i valencës në brezin e përcjelljes, në gjysmëpërçues shfaqen bartës të lirë të ngarkesës, dhe për rrjedhojë fotopërçueshmëria.

Në frekuencat nën skajin themelor të përthithjes, është gjithashtu i mundur thithja e dritës, e cila shoqërohet me ngacmimin e eksitoneve. tranzicione elektronike ndërmjet niveleve të papastërtive dhe brezave të lejuar, si dhe me thithjen e dritës në dridhjet e rrjetës dhe bartësit e lirë. Brezat e eksitonit janë të vendosura në gjysmëpërçues pak nën fundin e brezit të përcjelljes për shkak të energjisë së lidhjes së eksitonit. Spektrat e absorbimit të eksitonit kanë një strukturë të ngjashme me hidrogjenin e niveleve të energjisë. Në mënyrë të ngjashme, papastërtitë, pranuesit ose donatorët, krijojnë nivele pranuesi ose dhuruesi që shtrihen në hendekun e brezit. Ato modifikojnë ndjeshëm spektrin e absorbimit të gjysmëpërçuesit të dopuar. Nëse gjatë një tranzicioni të tërthortë të hendekut një fonon absorbohet njëkohësisht me një kuantë të lehtë, atëherë energjia e absorbuar kuantike e lehtë mund të jetë më pak nga sasia e energjisë së fononit, gjë që çon në përthithje në frekuenca pak më të ulëta në energji nga skaji themelor i përthithjes.

Lista e gjysmëpërçuesve

Përbërjet gjysmëpërçuese ndahen në disa lloje:

• thjeshtë materiale gjysmëpërçuese - në fakt elementet kimike: bor B, karboni C, germanium Ge, silic Si, selen Se, squfur S, antimoni Sb, teluri Te dhe jodi I. Përdorimi i pavarur Gjermanium, silikon dhe selen u gjetën gjerësisht. Pjesa tjetër përdoret më shpesh si dopantë ose si përbërës të materialeve gjysmëpërçuese komplekse;
• te grupi komplekse Materialet gjysmëpërçuese përfshijnë komponime kimike që kanë veti gjysmëpërçuese dhe përfshijnë dy, tre ose më shumë elementë kimikë. Materialet gjysmëpërçuese të këtij grupi, të përbërë nga dy elementë, quhen binare, dhe ashtu siç është zakon në kimi, ata kanë emrin e përbërësit vetitë metalike të cilat janë më pak të theksuara. Kështu, komponimet binare që përmbajnë arsenik quhen arsenidet, squfur - sulfide, teluri - teluridet, karboni - karabitet. Kompleksi materiale gjysmëpërçuese të kombinuara sipas numrit të grupit të Tabelës Periodike të Elementeve të D. I. Mendeleev, të cilit i përkasin përbërësit e përbërjes dhe përcaktohen me shkronja Alfabeti latin(A është elementi i parë, B është i dyti, etj.). Për shembull, përbërja binare e indium fosfidit InP emërtohet A III B V

Komponimet e mëposhtme përdoren gjerësisht:

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

si dhe disa okside të plumbit, kallajit, germaniumit, silicit si dhe ferritit, gotave amorfe dhe shumë komponime të tjera (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).

Bazuar në shumicën e përbërjeve binare të mësipërme, është e mundur të merren ato zgjidhje të ngurta: (CdTe) x (HgTe) 1-x, (HgTe) x (HgSe) 1-x, (PbTe) x (SnTe) 1-x, (PbSe) x (SnSe) 1-x dhe të tjera.

Lidhjet A III B V përdoren kryesisht për produktet elektronike që funksionojnë në frekuenca ultra të larta

Komponimet A II B V përdoren si fosforë të zonës së dukshme, LED, sensorë Hall dhe modulatorë.

Komponimet A III B V, A II B VI dhe A IV B VI përdoren në prodhimin e burimeve dhe marrësve të dritës, treguesve dhe modulatorëve të rrezatimit.

Komponimet gjysmëpërçuese okside përdoren për prodhimin e qelizave fotovoltaike, ndreqësve dhe bërthamave të induktorëve me frekuencë të lartë.

Gjysmëpërçuesit e kanë marrë emrin e tyre sepse zënë një pozicion të ndërmjetëm midis përçuesve (metaleve, elektroliteve, qymyrit), të cilët kanë përçueshmëri të lartë elektrike dhe izolatorëve (porcelani, mikë, gome dhe të tjerë), të cilët pothuajse nuk përcjellin rrymë elektrike.

Nëse krahasojmë rezistencën e vëllimit në Ohm × cm për substanca të ndryshme, atëherë del se përçuesit kanë: ρ U= 10 -6 - 10 -3 Ohm × cm; rezistenca e gjysmëpërçuesve: ρ U= 10 -3 - 10 8 Ohm × cm; dhe për dielektrikët: ρ U= 10 8 - 10 20 Ohm × cm Në gjysmëpërçuesit bëjnë pjesë: oksidet e metaleve - oksidet (Al 2 O 3, Cu 2 O, ZnO, TiO 2, VO 2, WO 2, MoO 3); komponimet e squfurit - sulfide (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); komponimet me selen - selenide; komponimet me teluri - teluride; disa lidhje (MgSb 2, ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb); elementet kimike - germanium, silic, telur, selen, bor, karbon, squfur, fosfor, arsenik, si dhe numër i madh komponimet komplekse(galena, karborund dhe të tjerët).

Figura 1. Germanium

Figura 2. Silic

Figura 3. Tellurium

Një studim i plotë dhe i gjerë i vetive të gjysmëpërçuesve u krye nga shkencëtari sovjetik A.F. Ioffe dhe kolegët e tij.

Vetitë elektrike të gjysmëpërçuesve ndryshojnë ndjeshëm nga vetitë e përçuesve dhe izolatorëve. Përçueshmëria elektrike e përçuesve në shkallë e fortë varet nga temperatura, ndriçimi, prania dhe intensiteti i fushës elektrike dhe sasia e papastërtive. Në temperaturat e zakonshme, gjysmëpërçuesit përmbajnë një numër të caktuar elektronesh të lira që rezultojnë nga thyerja e lidhjeve elektronike. Gjysmëpërçuesit kanë dy lloje përçueshmërie: elektron dhe vrimë. Bartësit e ngarkesës në gjysmëpërçuesit me përçueshmëri elektronike janë elektrone të lira, dhe me përcjelljen e vrimave ato janë lidhje pa elektrone.

Merrni parasysh eksperimentin e mëposhtëm. Le të marrim një përcjellës metalik dhe ta ngrohim njërin skaj të tij, atëherë fundi i nxehtë i përcjellësit do të marrë një ngarkesë pozitive. Kjo shpjegohet me lëvizjen e elektroneve nga fundi i nxehtë në skajin e ftohtë, duke rezultuar në mungesë të elektroneve në skajin e nxehtë të përcjellësit (ngarkesa pozitive) dhe një tepricë elektronesh në skajin e ftohtë (ngarkesa negative). Rrjedha afatshkurtër e rrymës përmes një përcjellësi u shkaktua nga lëvizja e elektroneve nga një skaj i përcjellësit në tjetrin. Pra këtu ne po flasim për rreth dirigjentit me përçueshmëri elektronike. Megjithatë, ka substanca që përvojë të ngjashme sillen ndryshe: buza e ndezur e një substance të tillë merr një ngarkesë negative, dhe buza e ftohtë merr një ngarkesë pozitive. Kjo është e mundur nëse supozojmë se transferimi aktual kryhet nga ngarkesa pozitive.

Figura 4. Lidhja ndërmjet atomeve të një lënde

Figura 5. Përçueshmëria e brendshme e gjysmëpërçuesve

Figura 6. Përçueshmëria elektronike e një gjysmëpërçuesi

Figura 7. Përçueshmëria e vrimës së një gjysmëpërçuesi

Le të njihemi me një lloj tjetër të përçueshmërisë në gjysmëpërçuesit - përçueshmërinë e vrimave. Në gjysmëpërçuesit e pastër, të gjitha elektronet e lidhura dobët me bërthamat marrin pjesë në lidhjet elektronike. Në figurën 4, A tregohet në mënyrë konvencionale lidhja e mbushur ndërmjet atomeve të substancës. Një "vrimë" është një element rrjetë kristali substancat që kanë humbur një elektron, i cili korrespondon me shfaqjen e një ngarkese pozitive (Figura 4, b).

Lidhja e zbrazur mund të mbushet përsëri nëse "vrima" kap një elektron nga lidhje fqinje(Figura 4, V). Kjo do të bëjë që "vrima" të zhvendoset në një vend të ri. Në një substancë gjysmëpërçuese të vendosur në kushte normale, drejtimi i emetimit të elektroneve dhe vendi i formimit të "vrimës" janë kaotike. Nëse aplikoni për një gjysmëpërçues të pastër tension konstant, atëherë elektronet dhe "vrimat" do të lëvizin (e para kundër drejtimit të forcave të fushës, e dyta brenda drejtim të kundërt). Nëse numri i "vrimave" të formuara është i barabartë me numrin e elektroneve të lëshuara, atëherë, siç është rasti me gjysmëpërçuesit e pastër, përçueshmëria e gjysmëpërçuesve është e ulët ( përçueshmëri e brendshme). Madje disponueshmëria Jo sasi e madhe papastërtitë e huaja mund të ndryshojnë mekanizmin e përçueshmërisë elektrike: ta bëjnë atë elektronik ose vrimë. Le të shqyrtojmë shembull konkret. Le të marrim germaniumin (Ge) si gjysmëpërçues. Në një kristal germanium, çdo atom është i lidhur me katër atome të tjera. Kur temperatura rritet ose si rezultat i rrezatimit, lidhjet çift të kristalit mund të prishen. Në këtë rast, formohet një numër i barabartë i elektroneve dhe "vrimave" (Figura 5).

Le të shtojmë arsenikun në germanium si papastërti. Një papastërti e tillë ka një numër i madh elektrone të lidhura lirshëm. Atomet e papastërtive kanë nivelin e tyre të energjisë, të vendosur midis niveleve të energjisë së brezit të lirë dhe të mbushur, më afër këtij të fundit (Figura 6). Papastërti të tilla heqin dorë nga elektronet e tyre në zonën e lirë dhe quhen papastërti dhuruese. Gjysmëpërçuesi do të ketë elektrone të lira, ndërsa të gjitha lidhjet do të jenë të mbushura. Gjysmëpërçuesi do të ketë përçueshmëri elektronike në brezin e lirë.

Nëse tani indium, në vend të arsenikut, i shtohet si papastërti germaniumit, do të ndodhë si më poshtë. Një papastërti e tillë ka një numër të vogël elektronesh të lidhura dobët, dhe niveli i energjisë i papastërtisë ndodhet midis niveleve të energjisë së brezit të lirë dhe të mbushur, më afër brezit të lirë (Figura 7). Papastërtitë e këtij lloji pranojnë elektrone në zonën e tyre nga një zonë e mbushur ngjitur dhe quhen papastërti pranuese. Në gjysmëpërçues do të ketë lidhje të paplotësuara - "vrima" në mungesë të elektroneve të lira. Gjysmëpërçuesi do të ketë përcjellshmëri të vrimës në brezin e mbushur.

Tani përvoja e ngrohjes së një gjysmëpërçuesi do të bëhet e qartë, kur fundi i nxehtë mori një ngarkesë negative dhe fundi i ftohtë mori një ngarkesë pozitive. Nën ndikimin e nxehtësisë, lidhjet në skajin e nxehtë do të fillojnë të prishen, duke krijuar "vrima" dhe elektrone të lira. Nëse gjysmëpërçuesi përmban papastërti, atëherë "vrimat" do të fillojnë të lëvizin në skajin e ftohtë, duke e ngarkuar atë pozitivisht, dhe fundi i nxehtë i gjysmëpërçuesit do të ngarkohet negativisht.

Duke përfunduar shqyrtimin tonë të gjysmëpërçuesve, nxjerrim përfundimin e mëposhtëm.

Duke shtuar papastërti në një gjysmëpërçues, mund t'i jepet përçueshmëri mbizotëruese elektronike ose vrima. Bazuar në këtë, ne marrim llojet e mëposhtme gjysmëpërçuesit. Gjysmëpërçuesit me përçueshmëri elektronike quhen gjysmëpërçues n-lloji (negativ) dhe me përçueshmëri vrimash - fq-lloj (pozitiv).

Ju ftojmë gjithashtu të shikoni video edukative rreth gjysmëpërçuesve:

Lista=PL_QCOTUIndSFAbWcR3t0wYp5IORVEHu3I

Së bashku me përçuesit e energjisë elektrike, ka shumë substanca në natyrë që kanë përçueshmëri elektrike dukshëm më të ulët se përçuesit metalikë. Substancat e këtij lloji quhen gjysmëpërçues.

Gjysem percjellesit perfshijne: disa elemente kimike, si selenium, silic dhe germanium, komponimet e squfurit, si sulfuri i taliumit, sulfuri i kadmiumit, sulfidi i argjendit, karbidet, si karborundi,karboni (diamanti),bor, kallaj gri, fosfori, antimoni, arseniku, teluri, jodi dhe një sërë përbërjesh që përmbajnë të paktën një nga elementët e grupeve 4 - 7 të sistemit periodik. Ka edhe gjysmëpërçues organikë.

Natyra e përçueshmërisë elektrike të një gjysmëpërçuesi varet nga lloji i papastërtive të pranishme në materialin bazë të gjysmëpërçuesit dhe nga teknologjia e prodhimit të përbërësve të tij.

Një gjysmëpërçues është një substancë me 10 -10 - 10 4 (ohm x cm) -1, e cila, sipas këtyre vetive, është midis një përçuesi dhe një izoluesi. Dallimi midis përçuesve, gjysmëpërçuesve dhe izolatorëve sipas teorisë së brezit është si vijon: në gjysmëpërçuesit e pastër dhe izolatorët elektronikë, ekziston një hendek energjie midis brezit të mbushur (valencës) dhe brezit të përcjelljes.

Pse gjysmëpërçuesit përcjellin rrymë?

Një gjysmëpërçues ka përçueshmëri elektronike nëse elektronet e jashtme në atomet e tij të papastërtisë janë relativisht të lidhura dobët me bërthamat e këtyre atomeve. Nëse në një gjysmëpërçues të këtij lloji krijohet një fushë elektrike, atëherë, nën ndikimin e forcave të kësaj fushe, elektronet e jashtme të atomeve të papastërtive të gjysmëpërçuesit do të largohen nga kufijtë e atomeve të tyre dhe do të kthehen në elektrone të lira.

Elektronet e lira do të krijojnë një rrymë përcjellëse elektrike në gjysmëpërçues nën ndikimin e forcave të fushës elektrike. Për rrjedhojë, natyra e rrymës elektrike në gjysmëpërçuesit me përçueshmëri elektronike është e njëjtë si në përçuesit metalikë. Por meqenëse ka shumë herë më pak elektrone të lira në një njësi vëllimi të një gjysmëpërçuesi sesa në një vëllim njësi të një përcjellësi metalik, është e natyrshme që, në të gjitha kushtet e tjera identike, rryma në një gjysmëpërçues do të jetë shumë herë më e vogël se në një përçues metalik.

Një gjysmëpërçues ka përçueshmëri "vrimë" nëse atomet e tij të papastërtisë jo vetëm që nuk heqin dorë nga elektronet e tyre të jashtme, por, përkundrazi, tentojnë të kapin elektrone nga atomet e substancës kryesore të gjysmëpërçuesit. Nëse një atom papastërti merr një elektron nga një atom i substancës kryesore, atëherë diçka e tillë hapësirë ​​të lirë për një elektron - një "vrimë".

Një atom gjysmëpërçues që ka humbur një elektron quhet "vrimë elektronike" ose thjesht "vrimë". Nëse "vrima" është e mbushur me një elektron të transferuar nga një atom fqinj, atëherë ajo eliminohet dhe atomi bëhet elektrikisht neutral, dhe "vrima" zhvendoset në atomin fqinj që ka humbur elektronin. Rrjedhimisht, nëse një gjysmëpërçues me përçueshmëri "vrimë" i ekspozohet një fushe elektrike, atëherë "vrimat e elektroneve" do të zhvendosen në drejtim të kësaj fushe.

Paragjykim "vrima elektronike" në drejtim të fushës elektrike është e ngjashme me lëvizjen e pozitive ngarkesat elektrike në një fushë dhe për këtë arsye paraqet dukurinë e rrymës elektrike në një gjysmëpërçues.

Gjysmëpërçuesit nuk mund të dallohen rreptësisht nga mekanizmi i përçueshmërisë së tyre elektrike, pasi, së bashku meMe përçueshmëri "vrima", një gjysmëpërçues i caktuar, në një shkallë ose në një tjetër, mund të ketë gjithashtu përçueshmëri elektronike.

Gjysmëpërçuesit karakterizohen nga:

lloji i përçueshmërisë (elektronike - lloji n, vrima - tipi p);

rezistenca;

jetëgjatësia e bartësve të ngarkesës (minoritet) ose gjatësia e difuzionit, shpejtësia e rikombinimit të sipërfaqes;

dendësia e dislokimit.

Silici është materiali gjysmëpërçues më i zakonshëm

Temperatura ka një ndikim të rëndësishëm në karakteristikat e gjysmëpërçuesve. Rritja e tij kryesisht çon në ulje rezistenca dhe anasjelltas, d.m.th., gjysmëpërçuesit karakterizohen nga prania e një negativi . Pranë zeros absolute, një gjysmëpërçues bëhet një izolant.

Gjysmëpërçuesit janë baza e shumë pajisjeve. Në shumicën e rasteve ato duhet të merren në formën e kristaleve të vetme. Për të dhënë vetitë e specifikuara gjysmëpërçuesit janë të dopuar me papastërti të ndryshme. Kërkesa të shtuara vendosen për pastërtinë e materialeve gjysmëpërçuese burimore.

NË teknologji moderne gjysmëpërçuesit kanë gjetur aplikimin më të gjerë ata kanë pasur një shumë ndikim të fortë ndaj progresit teknik. Falë tyre, është e mundur të zvogëlohet ndjeshëm pesha dhe dimensionet pajisje elektronike. Zhvillimi i të gjitha fushave të elektronikës çon në krijimin dhe përmirësimin e një numri të madh pajisjesh të ndryshme të bazuara në pajisjet gjysmëpërçuese. Pajisjet gjysmëpërçuese shërbejnë si bazë për mikroqelizat, mikromodulet, qarqet në gjendje të ngurtë, etj.

Pajisjet elektronike të bazuara në pajisjet gjysmëpërçuese janë praktikisht pa inerci. Një pajisje gjysmëpërçuese e ndërtuar me kujdes dhe e mbyllur mirë mund të zgjasë dhjetëra mijëra orë. Sidoqoftë, disa materiale gjysmëpërçuese kanë një kufi të ulët të temperaturës (për shembull, germanium), por kompensimi i temperaturës jo shumë kompleks ose zëvendësimi i materialit kryesor të pajisjes me një tjetër (për shembull, silic, karabit silikoni) eliminon në masë të madhe këtë disavantazh. Përmirësimi i teknologjisë së prodhimit të pajisjeve gjysmëpërçuese çon në një reduktim të shpërndarjes ekzistuese dhe paqëndrueshmërisë së parametrave.

Gjysmëpërçues - kontakti metalik dhe kryqëzimi elektron-vrima (kryqëzimi n-p) i krijuar në gjysmëpërçues përdoren në prodhim diodat gjysmëpërçuese. Kryqëzimet e dyfishta (p-n-p ose n-p-n) - transistorë dhe tiristorë. Këto pajisje përdoren kryesisht për korrigjimin, gjenerimin dhe përforcimin e sinjaleve elektrike.

Bazuar në vetitë fotoelektrike të gjysmëpërçuesve, krijohen fotorezistorë, fotodioda dhe fototransistorë. Gjysmëpërçuesi shërben si pjesë aktive e gjeneratorëve të lëkundjeve (përforcuesve). Kur kalon rrymë elektrike përmes një kryqëzimi p-n në drejtimi përpara, transportuesit e ngarkesave - elektronet dhe vrimat - rikombinohen me emetimin e fotoneve, i cili përdoret për të krijuar LED.

Vetitë termoelektrike të gjysmëpërçuesve bënë të mundur krijimin e rezistencave termike gjysmëpërçuese, termoelementeve gjysmëpërçues, termopileve dhe gjeneratorëve termoelektrikë, si dhe ftohjes termoelektrike të gjysmëpërçuesve, bazuar në efektin Peltier, - frigoriferë termoelektrikë dhe termoelektrikë.

Gjysmëpërçuesit përdoren në konvertuesit pa makineri të energjisë termike dhe diellore në energji elektrike - gjeneratorë termoelektrikë, dhe konvertuesit fotoelektrikë (bateritë diellore).

Stresi mekanik i aplikuar në një gjysmëpërçues ndryshon rezistencën e tij elektrike (efekti është më i fortë se tek metalet), i cili ishte baza e matësit të tendosjes së gjysmëpërçuesit.

Pajisjet gjysmëpërçuese janë bërë të përhapura në praktikën botërore, duke revolucionarizuar elektronikën, ato shërbejnë si bazë për zhvillimin dhe prodhimin e:

pajisje matëse, kompjuterë,

pajisje për të gjitha llojet e komunikimeve dhe transportit,

për automatizimin e proceseve në industri,

pajisje për kërkimin shkencor,

raketa,

pajisje mjekësore

pajisje dhe instrumente të tjera elektronike.

Përdorimi i pajisjeve gjysmëpërçuese bën të mundur krijimin e pajisjeve të reja dhe përmirësimin e atyre të vjetra, që nënkupton një reduktim të dimensioneve të tij, peshës, konsumit të energjisë, dhe për këtë arsye një ulje të gjenerimit të nxehtësisë në qark, një rritje të forcës, gatishmëri të menjëhershme për veprim. , dhe mund të rrisë jetëgjatësinë dhe besueshmërinë e pajisjeve elektronike.