Bir yarı iletkenin direnci neye bağlıdır? Yarı iletkenler nelerdir? Yarı iletken direnci

2. Bir iletkenin direnci sıcaklığına nasıl bağlıdır? Sıcaklık direnci katsayısı hangi birimlerde ölçülür?

3. Bir iletkenin direncinin sıcaklığa doğrusal bağımlılığını nasıl açıklayabiliriz?

4. Yarı iletkenlerin direnci sıcaklık arttıkça neden azalır?

5. Yarıiletkenlerde içsel iletkenlik sürecini tanımlayın.

İÇİNDEİdeal bir kristal kafes durumunda, iletim elektronları hareketleri sırasında herhangi bir dirençle karşılaşmaz ve metallerin elektrik iletkenliği sonsuz derecede büyük olur. Ancak kristal kafes asla mükemmel değildir. Kafesin katı periyodikliğinin ihlali, kafesin termal titreşimlerinin yanı sıra yabancı maddelerin veya boşlukların varlığından da kaynaklanabilir. Elektronların safsızlık atomları ve titreşen iyonlar üzerine saçılması, metallerin elektriksel direncinin ortaya çıkmasına neden olur.

Deneyimler, ilk yaklaşım olarak, metal iletkenlerin direncinin aşağıdaki yasaya göre sıcaklıkla doğrusal olarak arttığını göstermektedir:

R = Ro (1+a t) veya R = Ro a T;

Ρ = ρ o (1+α t) veya ρ = ρ o α T

Burada t Celsius ölçeğindeki sıcaklıktır, T mutlak sıcaklıktır, R 0 (ρ o) sıfır sıcaklıktaki Celsius direncidir (özgül direnç), α direncin sıcaklık katsayısıdır.

Saf metaller için sıcaklık direnç katsayısı

a=0.004 K-1. Şekil 1a, metallerin direncinin mutlak sıcaklığa bağımlılığının yaklaşık bir grafiğini göstermektedir.

T

Şekil 1a Şekil 1b

Elektriksel iletkenliğin sıcaklığa bağımlılığının elektronların hareketliliği ile belirlendiği, bunun sonucunda artan sıcaklıkla direncin arttığı metallerin aksine, yarı iletkenlerin iletkenliğindeki ana rol, serbest elektronların ve deliklerin termal üretimi tarafından oynanır. . Ayrıca, Ne elektronlarının ve Ng deliklerinin konsantrasyonları, içsel (saf) yarı iletkenler için aynıdır ve artan sıcaklıkla hızla artar (bkz. Boltzmann dağılımı):

burada E bant aralığıdır, k ise Boltzmann sabitidir. Bu nedenle artan sıcaklıkla birlikte elektrik iletkenliği yarı iletkenler hızlı bir şekilde artar ve direnç buna bağlı olarak aşağıdaki formüllere göre hızlı bir şekilde azalır:

ve r = r o
(3)

ln bağımlılığını grafik 1b'de gösterirsek itibaren , daha sonra içsel yarı iletkenler için düz bir çizgi elde edilir. Saf olmayan yarı iletkenler durumunda, akım taşıyıcılarının konsantrasyonu hızla doyuma ulaşır. Artan sıcaklıkla birlikte yarı iletkenlerin içsel iletkenliği büyük ölçüde kendini etkilemeye başlar; yüksek sıcaklıklarda iletkenlik içsel ve safsızlık iletkenliğinden oluşacaktır. Düşük sıcaklıklarda safsızlık iletkenliği baskındır; yüksek sıcaklıklarda içsel iletkenlik baskındır.

Yarı iletkenlerin safsızlık iletkenliği

Herhangi bir yabancı madde içermeyen ideal kristaller çok nadirdir. Yarı iletken kristallerdeki yabancı maddeler elektron veya delik sayısını artırabilir. Bir antimon atomunun bir santimetreküp germanyum veya silikona eklenmesinin bir elektronun ve bir bor atomunun bir deliğin ortaya çıkmasına yol açtığı bulundu.

İdeal bir kristale çeşitli safsızlıklar eklendiğinde elektronik veya delik iletkenliğinin görünümü aşağıdaki gibi ortaya çıkar. Bir silikon kristalinde atomlardan birinin yerini bir antimon atomunun aldığını varsayalım. Antimonun dış elektron kabuğunda (periyodik tablonun V grubu) beş elektronu vardır. Dört elektron, en yakın dört komşu silikon atomuyla eşleştirilmiş elektronik bağlar oluşturur. Kalan beşinci elektron, antimon atomunun etrafında, hidrojen atomundaki elektronun yörüngesine benzer bir yörüngede hareket edecek, ancak çekirdeğe olan elektriksel çekim kuvveti, silikonun dielektrik sabitine göre azalacaktır. Bu nedenle, beşinci elektronu serbest bırakmak için yaklaşık 0,05 eV'ye eşit, ihmal edilebilir bir enerjiye ihtiyaç vardır. Zayıf bağlı bir elektron, düşük sıcaklıklarda kafesin termal titreşimlerinin etkisi altında bir antimon atomundan kolayca kopabilir. Safsızlık atomunun bu kadar düşük iyonizasyon enerjisi, -100°C civarındaki sıcaklıklarda, germanyum ve silikondaki tüm safsızlık atomlarının zaten iyonize olduğu ve serbest kalan elektronların elektriksel iletkenlik sürecine katıldığı anlamına gelir. Bu durumda ana yük taşıyıcıları elektronlar olacaktır. burada elektronik iletkenlik veya n-tipi iletkenlik var (n, negatif kelimesinin ilk harfidir). "Ekstra" beşinci elektron çıkarıldıktan sonra, antimon atomu, tüm silikon atomları gibi dört değerlik elektronuna sahip, pozitif yüklü bir iyon haline gelir. , yani .e. Antimon iyonu kristal kafeste silikonun yerine geçer.

Kristallerde elektronik iletkenliğin ortaya çıkmasına neden olan yabancı maddelere donör denir. Silikon ve germanyum için bunlar periyodik tablonun V grubunun elemanlarıdır - antimon, fosfor, arsenik ve bizmut.

Silikon kafesindeki üç değerlikli bor safsızlık atomu farklı davranır. Bor atomunun dış kabuğunda yalnızca üç değerlik elektronu bulunur. Bu, en yakın dört komşuyla dört değerlik bağını doldurmak için bir elektronun eksik olduğu anlamına gelir. Boş bir bağ, başka bir bağdan aktarılan bir elektronla doldurulabilir; bu bağ, bir sonraki bağdan gelen elektronlarla doldurulacaktır, vb. Pozitif bir delik (doldurulmamış bağ), kristal boyunca bir atomdan diğerine hareket edebilir (elektron ters yönde hareket ederken). Bir elektron eksik değerlik bağını doldurduğunda safsızlık bor atomu negatif yüklü bir iyon haline gelir ve kristal kafesteki silikon atomunun yerini alır. Delik, elektrostatik çekim kuvvetleriyle bor atomuna zayıf bir şekilde bağlanacak ve hidrojen atomundaki elektronun yörüngesine benzer bir yörüngede onun etrafında hareket edecek. İyonlaşma enerjisi, yani. Negatif bir bor iyonundan bir deliği ayırmak için gereken enerji yaklaşık 0,05 eV olacaktır. Bu nedenle, oda sıcaklığında tüm üç değerlikli safsızlık atomları iyonize edilir ve elektriksel iletkenlik sürecinde delikler yer alır. Bir silikon kristali, üç değerlikli atomların bir karışımını içeriyorsa (periyodik sistemin III. grubu), iletkenlik esas olarak delikler tarafından gerçekleştirilir. Bu iletkenliğe delik veya p tipi iletkenlik denir (p, pozitif kelimesinin ilk harfidir). Delik iletimine neden olan safsızlıklara alıcı denir. Germanyum ve silikondaki alıcılar, periyodik tablonun üçüncü grubunun elemanlarını içerir: galyum, talyum, bor, alüminyum. Her bir safsızlık türünün ayrı ayrı eklenmesiyle üretilen akım taşıyıcılarının sayısı, belirli bir yarı iletkendeki safsızlığın konsantrasyonuna ve iyonizasyon enerjisine bağlıdır. Bununla birlikte, pratikte kullanılan safsızlıkların çoğu oda sıcaklığında tamamen iyonize edilir, dolayısıyla bu koşullar altında safsızlıklar tarafından oluşturulan taşıyıcıların konsantrasyonu yalnızca safsızlık konsantrasyonuyla belirlenir ve çoğu durumda yarı iletkene eklenen safsızlık atomlarının sayısına eşittir.

Her donör safsızlık atomu bir iletim elektronuna katkıda bulunur, bu nedenle, bir yarı iletkenin her santimetreküpünde ne kadar çok donör atomu varsa, bunların konsantrasyonu delik konsantrasyonunu o kadar aşar ve iletkenlik doğası gereği elektroniktir. Alıcı safsızlıklar eklendiğinde ise tam tersi bir durum ortaya çıkar.

Kristaldeki donör ve alıcı safsızlıklarının eşit konsantrasyonları ile iletkenlik, değerlik bağlarının kırılmasından dolayı elektronlar ve delikler tarafından içsel bir yarı iletkende olduğu gibi sağlanacaktır. Böyle bir yarı iletkene telafi edilmiş denir.

Delikler veya elektronlar tarafından taşınan elektrik miktarı yalnızca taşıyıcıların konsantrasyonuyla değil aynı zamanda elektronların ve deliklerin hareketliliğiyle de belirlenir.

YARI İLETKEN BAĞLANTILARI

Temel yarı iletkenlerin yanı sıra, saf elementlerin alaşımlanması veya kimyasal işlenmesiyle elde edilen yarı iletken bileşikler de yarı iletken teknolojisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlar, çeşitli tiplerde yarı iletken redresörlerin yapıldığı bakır oksit, yarı iletken termopillerin üretiminde kullanılan çinko antimon (SbZn), fotovoltaik cihazların üretiminde ve negatif dalda kullanılan kurşun tellürdür (PbTe). termoelementler ve diğerleri.

AIIIBV tipi bileşikler özellikle ilgi çekicidir. Mendeleev'in periyodik element tablosunun III ve V gruplarının elementlerinin sentezlenmesiyle elde edilirler. Bu tip bileşiklerin en ilginç yarı iletken özellikleri AIP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb'dir. Bir dizi özellik bakımından bu bileşikler, grup IV yarı iletken elementler germanyum ve silikona yakındır. İçlerindeki mevcut taşıyıcıların hareketliliği büyük değerlere ulaşıyor; Bu bileşiklerden bazılarının bant aralığı da büyüktür; içlerine giren yabancı maddeler elektriksel iletkenlik mekanizmasını değiştirir; Böylece grup II'nin bazı atomları alıcı olarak davranırken, grup VI'nın bazı atomları donör olarak davranır.

Özellikleri nelerdir? Yarı iletkenlerin fiziği nedir? Nasıl inşa edilmişler? Yarı iletkenlerin iletkenliği nedir? Hangi fiziksel özelliklere sahipler?

Yarı iletkenlere ne denir?

Bu, elektriği metaller kadar iyi iletmeyen kristal malzemeleri ifade eder. Ancak yine de bu gösterge yalıtkanlarınkinden daha iyidir. Bu özellikler hareketli taşıyıcıların sayısından kaynaklanmaktadır. Genel olarak konuşursak, çekirdeklere güçlü bir bağlılık vardır. Ancak iletkene fazla miktarda elektron içeren antimon gibi birkaç atom eklendiğinde bu durum düzeltilecektir. İndiyum kullanıldığında pozitif yüklü elementler elde edilir. Tüm bu özellikler, akımı yalnızca bir yönde yükseltebilen, bloke edebilen veya aktarabilen özel cihazlar olan transistörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. NPN tipi bir öğeyi düşünürsek, özellikle zayıf sinyalleri iletirken önemli olan önemli bir yükseltici rolü not edebiliriz.

Elektrik yarı iletkenlerinin tasarım özellikleri

İletkenlerin çok sayıda serbest elektronu vardır. İzolatörler pratikte bunlara hiç sahip değildir. Yarı iletkenler hem belirli sayıda serbest elektron hem de salınan parçacıkları kabul etmeye hazır pozitif yüklü boşluklar içerir. Ve en önemlisi, bunların hepsi iletkendir. Daha önce tartışılan NPN transistör tipi, mümkün olan tek yarı iletken eleman değildir. Yani diyotların yanı sıra PNP transistörleri de var.

İkincisi hakkında kısaca konuşursak, bu, sinyalleri yalnızca tek yönde iletebilen bir unsurdur. Bir diyot ayrıca alternatif akımı doğru akıma dönüştürebilir. Bu dönüşümün mekanizması nedir? Peki neden sadece tek yönde hareket ediyor? Akımın nereden geldiğine bağlı olarak elektronlar ve boşluklar birbirinden uzaklaşabilir veya birbirine doğru gidebilir. İlk durumda, mesafenin artması nedeniyle besleme kesintiye uğrar ve bu nedenle negatif voltaj taşıyıcıları yalnızca bir yönde iletilir, yani yarı iletkenlerin iletkenliği tek yönlüdür. Sonuçta akım yalnızca kurucu parçacıklar yakındaysa iletilebilir. Bu da ancak akımın bir taraftan sağlanmasıyla mümkündür. Bunlar mevcut ve şu anda kullanımda olan yarı iletken türleridir.

Bölge yapısı

İletkenlerin elektriksel ve optik özellikleri, enerji seviyeleri elektronlarla dolduğunda olası durumlardan bir bant aralığıyla ayrılmalarından kaynaklanmaktadır. Özellikleri nelerdir? Gerçek şu ki bant aralığında enerji seviyesi yoktur. Bu, safsızlıklar ve yapısal kusurların yardımıyla değiştirilebilir. Tamamen dolu olan en yüksek bant değerlik bandı olarak adlandırılır. Bunu izin verilen ancak boş olan takip eder. İletim bandı denir. Yarı iletken fiziği oldukça ilginç bir konudur ve makale çerçevesinde iyi bir şekilde ele alınacaktır.

Elektronların durumu

Bunun için izin verilen bölge sayısı ve yarı darbe gibi kavramlar kullanılmaktadır. İlkinin yapısı dağılım yasasıyla belirlenir. Enerjinin yarı momentuma bağımlılığından etkilendiğini söylüyor. Dolayısıyla, değerlik bandı tamamen elektronlarla (yarı iletkenlerde yük taşıyan) doluysa, o zaman içinde temel uyarıların olmadığı söylenir. Herhangi bir nedenle parçacık yoksa, bu, burada pozitif yüklü bir yarı parçacık - bir boşluk veya delik - ortaya çıktığı anlamına gelir. Değerlik bandındaki yarı iletkenlerdeki yük taşıyıcılarıdır.

Dejenere bölgeler

Tipik bir iletkenin değerlik bandı altı kat dejeneredir. Bu, dönüş-yörünge etkileşimini hesaba katmadan ve yalnızca yarı momentum sıfır olduğunda gerçekleşir. Aynı koşullar altında ikili ve dörtlü dejenere bölgelere ayrılabilir. Aralarındaki enerji mesafesine spin-yörünge bölünme enerjisi denir.

Yarı iletkenlerdeki yabancı maddeler ve kusurlar

Elektriksel olarak aktif veya pasif olabilirler. İlkinin kullanılması, yarı iletkenlerde, değerlik bandında bir delik veya iletken bantta bir elektronun ortaya çıkmasıyla telafi edilebilecek pozitif veya negatif bir yük elde edilmesini mümkün kılar. Aktif olmayan safsızlıklar nötrdür ve elektronik özellikler üzerinde nispeten zayıf bir etkiye sahiptirler. Üstelik çoğu zaman önemli olan, yük aktarım sürecinde yer alan atomların değeri ve yapısıdır.

Safsızlıkların türüne ve miktarına bağlı olarak delik sayısı ile elektron sayısı arasındaki oran da değişebilir. Bu nedenle istenilen sonucun alınabilmesi için yarı iletken malzemelerin her zaman dikkatli seçilmesi gerekmektedir. Bunun öncesinde önemli sayıda hesaplama ve ardından deneyler gelir. Çoğu insanın çoğunluk yükü taşıyıcıları olarak adlandırdığı parçacıklar azınlıkta olanlardır.

Yarı iletkenlere yabancı maddelerin dozajlı olarak eklenmesi, gerekli özelliklere sahip cihazların elde edilmesini mümkün kılar. Yarı iletkenlerdeki kusurlar aynı zamanda aktif olmayan veya aktif bir elektriksel durumda da olabilir. Burada önemli olan dislokasyon, arayer atomu ve boşluktur. Sıvı ve kristal olmayan iletkenler, yabancı maddelere kristal olanlardan farklı şekilde tepki verir. Katı bir yapının olmaması sonuçta yer değiştirmiş atomun farklı bir değer almasına neden olur. Başlangıçta bağlantılarını doyurduğundan farklı olacaktır. Atomun elektron vermesi veya alması kârsız hale gelir. Bu durumda etkisiz hale gelir ve bu nedenle safsızlık içeren yarı iletkenlerin arızalanma şansı yüksektir. Bu, iletkenlik türünü doping yaparak değiştirmenin ve örneğin bir pn bağlantısı oluşturmanın imkansız olduğu gerçeğine yol açar.

Bazı amorf yarı iletkenler katkıya maruz kaldıklarında elektronik özelliklerini değiştirebilirler. Ancak bu onlar için kristal olanlardan çok daha az geçerlidir. Amorf elementlerin alaşımlamaya karşı hassasiyeti işleme yoluyla arttırılabilir. Son olarak, uzun ve sıkı çalışma sayesinde saf olmayan yarı iletkenlerin hala iyi özelliklere sahip bir dizi sonuçla temsil edildiğini belirtmek isterim.

Yarı iletkendeki elektronların istatistikleri

Deliklerin ve elektronların sayısı yalnızca sıcaklık, bant yapısı parametreleri ve elektriksel olarak aktif yabancı maddelerin konsantrasyonu ile belirlenir. Oran hesaplanırken parçacıkların bir kısmının iletim bandında (akseptör veya donör seviyesinde) olacağı varsayılmaktadır. Ayrıca parçanın değerlik bölgesini terk edebileceği ve orada boşluklar oluşabileceği gerçeği de dikkate alınır.

Elektiriksel iletkenlik

Yarıiletkenlerde elektronların yanı sıra iyonlar da yük taşıyıcı olarak görev yapabilir. Ancak çoğu durumda elektriksel iletkenlikleri ihmal edilebilir düzeydedir. Bir istisna olarak yalnızca iyonik süperiletkenlerden bahsedilebilir. Yarı iletkenlerde üç ana elektron transfer mekanizması vardır:

1. Ana bölge. Bu durumda elektron, izin verilen bir alan içerisinde enerjisindeki değişiklik nedeniyle hareket etmeye başlar.
2. Yerelleştirilmiş durumlar üzerinden aktarımın atlanması.
3. Polaronik.

Eksiton

Bir delik ve bir elektron bağlı bir durum oluşturabilir. Buna Wannier-Mott eksitonu denir. Bu durumda soğurma kenarına karşılık gelen bağlantı değeri boyutu kadar azalır. Yeterli olması halinde yarı iletkenlerde önemli sayıda eksiton oluşabilmektedir. Konsantrasyonları arttıkça yoğunlaşma meydana gelir ve bir elektron deliği sıvısı oluşur.

Yarı iletken yüzey

Bu kelimeler, cihazın sınırına yakın konumda bulunan birkaç atomik katmanı belirtir. Yüzey özellikleri hacimsel özelliklerden farklıdır. Bu katmanların varlığı kristalin öteleme simetrisini bozar. Bu, sözde yüzey durumlarına ve polaritonlara yol açar. İkincisinin temasını geliştirirken, aynı zamanda spin ve titreşim dalgalarından da bahsetmeliyiz. Kimyasal aktivitesi nedeniyle yüzey, çevreden emilen mikroskobik bir yabancı molekül veya atom tabakasıyla kaplanır. Bu birkaç atomik katmanın özelliklerini belirlerler. Neyse ki, yarı iletken elemanların oluşturulduğu ultra yüksek vakum teknolojisinin yaratılması, temiz bir yüzeyin birkaç saat boyunca elde edilmesini ve korunmasını mümkün kılar ve bu da ortaya çıkan ürünün kalitesi üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir.

Yarı iletken. Sıcaklık direnci etkiler

Metallerin sıcaklığı arttığında dirençleri de artar. Yarı iletkenlerde bunun tersi doğrudur - aynı koşullar altında bu parametre azalacaktır. Buradaki önemli nokta, herhangi bir malzemenin elektriksel iletkenliğinin (ve bu karakteristik, dirençle ters orantılıdır), taşıyıcıların hangi akım yüküne sahip olduğuna, elektrik alanındaki hareket hızlarına ve bir birim hacimdeki sayılarına bağlı olmasıdır. malzeme.

Yarı iletken elemanlarda sıcaklık arttıkça parçacıkların konsantrasyonu artar, bunun sonucunda termal iletkenlik artar ve direnç azalır. Basit bir grup genç fizikçiniz ve gerekli malzemeniz (silikon veya germanyum) varsa bunu kontrol edebilirsiniz, ayrıca onlardan yapılmış bir yarı iletken de alabilirsiniz. Sıcaklığın arttırılması dirençlerini azaltacaktır. Bundan emin olmak için tüm değişiklikleri görmenizi sağlayacak ölçüm cihazlarını stoklamanız gerekir. Bu genel durumdur. Birkaç özel seçeneğe bakalım.

Direnç ve elektrostatik iyonizasyon

Bunun nedeni, bir mikrometrenin yaklaşık yüzde birini sağlayan çok dar bir bariyerden geçen elektronların tünellenmesidir. Enerji bölgelerinin kenarları arasında bulunur. Görünüşü ancak enerji bölgeleri eğildiğinde mümkündür, bu da yalnızca güçlü bir elektrik alanının etkisi altında meydana gelir. Tünelleme meydana geldiğinde (ki bu kuantum mekaniksel bir etkidir), elektronlar dar bir potansiyel bariyerinden geçer ve enerjileri değişmez. Bu, her iki bantta da (iletkenlik ve değerlik) yük taşıyıcılarının konsantrasyonunda bir artışı gerektirir. Elektrostatik iyonizasyon işlemi geliştirilirse, yarı iletkende tünel bozulması meydana gelebilir. Bu işlem sırasında yarı iletkenlerin direnci değişecektir. Bu tersine çevrilebilir ve elektrik alanı kapatılır kapatılmaz tüm süreçler geri yüklenecektir.

Direnç ve darbe iyonizasyonu

Bu durumda, delikler ve elektronlar, güçlü bir elektrik alanının etkisi altında ortalama serbest yol boyunca atomların iyonlaşmasını ve kovalent bağlardan birinin (ana atom veya safsızlık) kırılmasını teşvik eden değerlere doğru ilerledikçe hızlandırılır. Darbe iyonizasyonu çığ gibi meydana gelir ve yük taşıyıcıları çığ gibi çoğalır. Bu durumda yeni oluşturulan delikler ve elektronlar bir elektrik akımıyla hızlandırılır. Akım değerinin nihai sonucu, yük taşıyıcı tarafından bir yol bölümü boyunca oluşturulan elektron-delik çiftlerinin sayısına eşit olan darbe iyonizasyon katsayısı ile çarpılır. Bu sürecin gelişimi sonuçta yarı iletkenin çığ gibi bozulmasına yol açar. Yarı iletkenlerin direnci de değişir, ancak tünel arızasında olduğu gibi bu durum tersine çevrilebilir.

Yarı iletkenlerin pratikte uygulanması

Bilgisayar teknolojisinde bu unsurların özel önemine dikkat edilmelidir. Bir nesneyi bunları kullanarak bağımsız olarak bir araya getirme arzusu olmasaydı, yarı iletkenlerin ne olduğu sorusuyla ilgilenmeyeceğinizden neredeyse hiç şüphemiz yok. Modern buzdolaplarının, televizyonların ve bilgisayar monitörlerinin yarı iletkenler olmadan çalışmasını hayal etmek imkansızdır. Gelişmiş otomotiv gelişmeleri onlarsız yapamaz. Havacılık ve uzay teknolojisinde de kullanılırlar. Yarı iletkenlerin ne olduğunu ve ne kadar önemli olduklarını anlıyor musunuz? Elbette medeniyetimizin vazgeçilmez unsurlarının bunlar olduğunu söyleyemeyiz ama bunları da küçümsememek lazım.

Yarı iletkenlerin pratikte kullanımı, yapıldıkları malzemelerin yaygın olarak bulunabilirliği, işlenme kolaylığı ve istenen sonucun elde edilmesi ve bilim adamlarının seçiminin neden olduğu diğer teknik özellikler de dahil olmak üzere bir dizi faktörden kaynaklanmaktadır. geliştirilen elektronik ekipmanlar onlar tarafından seçildi.

Çözüm

Yarı iletkenlerin ne olduğuna ve nasıl çalıştıklarına detaylı olarak baktık. Dirençleri karmaşık fiziksel ve kimyasal süreçlere dayanmaktadır. Ve makalede açıklanan gerçeklerin yarı iletkenlerin ne olduğunu tam olarak anlamayacağını size bildirebiliriz, çünkü bilim bile onların çalışmalarının özelliklerini tam olarak incelememiştir. Ancak bunları pratikte kullanmamıza izin veren temel özelliklerini ve özelliklerini biliyoruz. Bu nedenle, yarı iletken malzemeleri arayabilir ve bunları dikkatli bir şekilde kendiniz deneyebilirsiniz. Kim bilir belki de içinizde büyük bir kaşif vardır?

Akım oluşumuna katılmayan iletken parçacıklar (moleküller, atomlar, iyonlar) termal hareket halindedir ve akımı oluşturan parçacıklar, bir elektrik alanının etkisi altında aynı anda termal ve yönsel hareket halindedir. Bu nedenle, akımı oluşturan parçacıklar ile oluşumuna katılmayan parçacıklar arasında çok sayıda çarpışma meydana gelir; burada birincisi, akım kaynağından taşıdığı enerjinin bir kısmını ikincisine verir. Çarpışma sayısı arttıkça akımı oluşturan parçacıkların düzenli hareketinin hızı da azalır. Formülden de anlaşılacağı üzere ben = enνS Hızdaki bir azalma akımın azalmasına neden olur. Bir iletkenin akımı azaltma özelliğini karakterize eden skaler miktara denir iletken direnci. Ohm kanununun formülünden direnç Ohm - güçlü bir akımın elde edildiği iletkenin direnci 1 A 1 V'luk iletkenin uçlarında bir voltaj ile.

Bir iletkenin direnci, uzunluğuna, S kesitine ve dirençle karakterize edilen malzemeye bağlıdır. İletken ne kadar uzun olursa, akımı oluşturan parçacıkların oluşumuna katılmayan parçacıklarla birim zaman başına çarpışmaları o kadar fazla olur ve dolayısıyla iletkenin direnci o kadar büyük olur. İletkenin kesiti ne kadar küçük olursa, akımı oluşturan parçacıkların akışı o kadar yoğun olur ve oluşumuna katılmayan parçacıklarla çarpışmaları o kadar sık ​​​​ve dolayısıyla iletkenin direnci o kadar büyük olur.

Bir elektrik alanının etkisi altında, akımı oluşturan parçacıklar çarpışmalar arasında hızlanarak alanın enerjisinden dolayı kinetik enerjilerini arttırırlar. Akım oluşturmayan parçacıklarla çarpıştıklarında kinetik enerjilerinin bir kısmını onlara aktarırlar. Sonuç olarak, iletkenin ısınmasında dışarıdan ortaya çıkan iç enerjisi artar. Bir iletkenin ısıtıldığında direncinin değişip değişmediğini düşünelim.

Elektrik devresinde bir çelik tel bobini bulunur (ip, Şekil 81, a). Devreyi kapattıktan sonra teli ısıtmaya başlıyoruz. Ne kadar ısıtırsak ampermetre o kadar az akım gösterir. Azalması, metaller ısıtıldığında dirençlerinin artması nedeniyle oluşur. Böylece bir elektrik ampulünün bir telinin yanmadığı durumdaki direnci yaklaşık olarak 20 ohm ve yandığında (2900°C) - 260ohm. Bir metal ısıtıldığında, elektronların termal hareketi ve kristal kafesteki iyonların titreşim hızı artar, bunun sonucunda iyonlarla akım oluşturan elektronların çarpışma sayısı artar. Bu iletken direncinin artmasına neden olur *. Metallerde serbest olmayan elektronlar iyonlara çok sıkı bir şekilde bağlanır, bu nedenle metaller ısıtıldığında serbest elektronların sayısı pratikte değişmez.

* (Elektronik teorisine dayanarak direncin sıcaklığa bağımlılığı konusunda kesin bir yasa çıkarmak imkansızdır. Böyle bir yasa, bir elektronun dalga özelliklerine sahip bir parçacık olarak kabul edildiği ve bir iletken elektronun bir metal boyunca hareketinin, uzunluğu ile belirlenen elektronik dalgaların yayılma süreci olarak kabul edildiği kuantum teorisi ile oluşturulmuştur. de Broglie ilişkisi.)

Deneyler, farklı maddelerden yapılmış iletkenlerin sıcaklığı aynı derece değiştiğinde dirençlerinin eşit olmayan şekilde değiştiğini göstermektedir. Örneğin bakır bir iletkenin direnci varsa 1 ohm, daha sonra ısıtıldıktan sonra 1°C direnci olacak 1,004 ohm ve tungsten - 1,005ohm. Bir iletkenin direncinin sıcaklığına bağımlılığını karakterize etmek için direnç sıcaklık katsayısı adı verilen bir miktar tanıtıldı. Bir iletkenin sıcaklığındaki 1°C'lik değişiklikten 0°C'de alınan 1 ohm'luk direnç değişimiyle ölçülen skaler miktara direncin sıcaklık katsayısı α denir.. Yani tungsten için bu katsayı şuna eşittir: 0,005 derece -1, bakır için - 0,004 derece -1. Sıcaklık direnci katsayısı sıcaklığa bağlıdır. Metaller için sıcaklıkla çok az değişir. Küçük bir sıcaklık aralığında, belirli bir malzeme için sabit kabul edilir.

Bir iletkenin direncini sıcaklığını dikkate alarak hesaplayan bir formül türetelim. Diyelim ki R0- iletken direnci 0°C, ısıtıldığında 1°C kadar artacak αR 0 ve ısıtıldığında t°- Açık αRt° ve olur R = R 0 + αR 0 t°, veya

Metallerin direncinin sıcaklığa bağımlılığı, örneğin elektrikli ısıtma cihazları ve lambalar için spirallerin imalatında dikkate alınır: spiral telin uzunluğu ve izin verilen akım, ısıtılmış durumdaki dirençlerinden hesaplanır. Metallerin direncinin sıcaklığa bağımlılığı, ısı motorlarının, gaz türbinlerinin, yüksek fırınlardaki metalin vb. sıcaklığını ölçmek için kullanılan direnç termometrelerinde kullanılır. Bu termometre, ince bir platin (nikel, demir) spiral sarımdan oluşur. Porselen bir çerçeve üzerinde ve koruyucu bir kutuya yerleştirilmiştir. Uçları, ölçeği sıcaklık derecesine göre derecelendirilen bir ampermetre ile bir elektrik devresine bağlanır. Bobin ısındığında devredeki akım azalır, bu da sıcaklığı gösteren ampermetre iğnesinin hareket etmesine neden olur.

Belirli bir bölümün veya devrenin direncinin karşılıklılığına denir iletkenin elektriksel iletkenliği(elektiriksel iletkenlik). Bir iletkenin elektriksel iletkenliği Bir iletkenin iletkenliği ne kadar büyük olursa, direnci o kadar düşük olur ve akımı o kadar iyi iletir. Elektriksel iletkenlik biriminin adı İletken iletkenlik direnci 1 ohm isminde Siemens.

Sıcaklık düştükçe metallerin direnci azalır. Ancak, her metal ve alaşıma özel düşük sıcaklıkta direnci keskin bir şekilde azalan ve yok olacak kadar küçük hale gelen - neredeyse sıfıra eşit olan metaller ve alaşımlar vardır (Şekil 81, b). Gelen süperiletkenlik- iletkenin neredeyse hiç direnci yoktur ve iletken süperiletken sıcaklıkta iken, içinde uyarılan akım uzun süre mevcut olduğunda (deneylerden birinde akım bir yıldan fazla bir süre gözlemlenmiştir). Akım yoğunluğunu bir süperiletkenden geçirirken 1200 a/mm2 herhangi bir ısı salınımı gözlemlenmedi. Akımı en iyi ileten tek değerlikli metaller, deneylerin yapıldığı aşırı düşük sıcaklıklara kadar süperiletken duruma geçmiyor. Örneğin, bu deneylerde bakır soğutuldu. 0,0156°K, altın - kadar 0,0204° K. Normal sıcaklıklarda süperiletkenliğe sahip alaşımlar elde etmek mümkün olsaydı, bu elektrik mühendisliği açısından büyük önem taşırdı.

Modern kavramlara göre süperiletkenliğin ana nedeni bağlı elektron çiftlerinin oluşmasıdır. Süper iletkenlik sıcaklığında, serbest elektronlar arasında değişim kuvvetleri etki etmeye başlar ve elektronların bağlı elektron çiftleri oluşturmasına neden olur. Bağlı elektron çiftlerinden oluşan böyle bir elektron gazı, sıradan elektron gazından farklı özelliklere sahiptir - kristal kafesin düğümlerine karşı sürtünme olmadan bir süper iletken içinde hareket eder.

Birleşik Devlet Sınavı kodlayıcısının konuları: yarı iletkenler, yarı iletkenlerin içsel ve safsızlık iletkenliği.

Şimdiye kadar maddelerin elektrik akımını iletme yeteneğinden bahsederken onları iletkenler ve dielektrikler olarak ayırdık. Sıradan iletkenlerin direnci Ohm m aralığındadır; Dielektriklerin direnci bu değerleri ortalama olarak büyüklük sırasına göre aşmaktadır: Ohm m.

Ancak elektriksel iletkenlikleri bakımından iletkenler ve dielektrikler arasında bir ara pozisyon işgal eden maddeler de vardır. Bu yarı iletkenler: Oda sıcaklığındaki özdirençleri çok geniş bir Ohm m aralığında değerler alabilir. Yarı iletkenler arasında silikon, germanyum, selenyum ve diğer bazı kimyasal elementler ve bileşikler bulunur (Yarı iletkenler doğada oldukça yaygındır. Örneğin yer kabuğunun kütlesinin yaklaşık %80'i yarı iletken maddelerden oluşur). En yaygın kullanılanlar silikon ve germanyumdur.

Yarı iletkenlerin temel özelliği, artan sıcaklıkla birlikte elektrik iletkenliklerinin keskin bir şekilde artmasıdır. Bir yarı iletkenin direnci, sıcaklık arttıkça yaklaşık olarak Şekil 2'de gösterildiği gibi azalır. 1.

Pirinç. 1. Yarı iletkene bağımlılık

Başka bir deyişle, yarı iletkenler düşük sıcaklıklarda dielektrik gibi davranırken, yüksek sıcaklıklarda oldukça iyi iletkenler gibi davranırlar. Yarı iletkenler ve metaller arasındaki fark budur: Hatırlayacağınız gibi bir metalin direnci sıcaklık arttıkça doğrusal olarak artar.

Yarı iletkenler ve metaller arasında başka farklılıklar da vardır. Böylece, bir yarı iletkenin aydınlatılması direncinin azalmasına neden olur (ve ışığın metalin direnci üzerinde neredeyse hiçbir etkisi yoktur). Ek olarak, yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliği, çok küçük miktarlardaki yabancı maddelerin bile eklenmesiyle büyük ölçüde değişebilir.

Deneyimler, metallerde olduğu gibi, bir yarı iletkenden akım geçtiğinde madde aktarımının gerçekleşmediğini göstermektedir. Bu nedenle yarı iletkenlerdeki elektrik akımı elektronların hareketinden kaynaklanmaktadır.

Bir yarı iletkenin ısıtıldığında direncinin azalması, sıcaklıktaki bir artışın yarı iletkendeki serbest yüklerin sayısında bir artışa yol açtığını gösterir. Metallerde böyle bir şey olmaz; bu nedenle yarı iletkenler metallerden farklı bir elektriksel iletkenlik mekanizmasına sahiptir. Bunun nedeni ise metallerin ve yarı iletkenlerin atomları arasındaki kimyasal bağın farklı doğasıdır.

Kovalent bağ

Hatırlayacağınız gibi metalik bağ, kristal kafesin düğüm noktalarında pozitif iyonları tutkal gibi tutan serbest elektronlardan oluşan bir gaz tarafından sağlanır. Yarı iletkenler farklı yapılandırılmıştır; atomları bir arada tutulur kovalent bağ. Ne olduğunu hatırlayalım.

Elektronlar dış elektronik seviyede yer alır ve çağrılır. değerlik, çekirdeğe daha yakın bulunan diğer elektronlara göre atoma daha zayıf bağlanır. Kovalent bir bağ oluşturma sürecinde, iki atom değerlik elektronlarından birini "ortak nedene" katkıda bulunur. Bu iki elektron ortaktır, yani artık her iki atoma da aittirler ve bu nedenle denir. Paylaşılan elektron çifti(İncir. 2).

Pirinç. 2. Kovalent bağ

Sosyalleşmiş bir elektron çifti, atomları birbirine yakın tutan şeydir (elektriksel çekim kuvvetlerini kullanarak). Kovalent bağ, ortak elektron çiftleri nedeniyle atomlar arasında var olan bir bağdır.. Bu nedenle kovalent bağa da denir çift ​​elektronik.

Silisyumun kristal yapısı

Artık yarı iletkenlerin iç yapısına daha yakından bakmaya hazırız. Örnek olarak, doğadaki en yaygın yarı iletken olan silikonu ele alalım. İkinci en önemli yarı iletken olan germanyum da benzer bir yapıya sahiptir.

Silikonun uzaysal yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir. 3 (Ben Mills'in resmi). Toplar silikon atomlarını temsil ediyor ve onları bağlayan tüpler atomlar arasındaki kovalent bağ kanallarıdır.

Pirinç. 3. Silikonun kristal yapısı

Her silikon atomunun birbirine bağlı olduğunu unutmayın. dört komşu atomlar Bu neden oluyor?

Gerçek şu ki silikon dört değerliklidir; silikon atomunun dış elektron kabuğunda dört değerlik elektronu vardır. Bu dört elektronun her biri, başka bir atomun değerlik elektronuyla ortak bir elektron çifti oluşturmaya hazırdır. Olan bu! Sonuç olarak silikon atomu, her biri bir değerlik elektronuna katkıda bulunan dört atomla çevrilidir. Buna göre her atomun etrafında sekiz elektron vardır (dördü bizimkilerden, dördü diğerlerinden).

Bunu silikon kristal kafesin düz diyagramında daha ayrıntılı olarak görüyoruz (Şekil 4).

Pirinç. 4. Silikon kristal kafes

Kovalent bağlar, atomları birbirine bağlayan çizgi çiftleri olarak gösterilir; Bu çizgiler ortak elektron çiftleri içerir. Böyle bir çizgide yer alan her değerlik elektronu, zamanının çoğunu iki komşu atom arasındaki boşlukta geçirir.

Ancak değerlik elektronları karşılık gelen atom çiftlerine hiçbir şekilde "sıkı bir şekilde bağlı" değildir. Elektronik kabuklar örtüşüyor herkes Komşu atomlar öyle ki herhangi bir değerlik elektronu tüm komşu atomların ortak özelliğidir. Böyle bir elektron, bir atom 1'den komşu atom 2'ye, ardından komşu atom 3'e vb. gidebilir. Değerlik elektronları kristal boyunca hareket edebilirler. tüm kristale ait(ve herhangi bir atom çifti değil).

Ancak silikonun değerlik elektronları (metalde olduğu gibi) serbest değildir. Bir yarı iletkende değerlik elektronları ve atomlar arasındaki bağ, metaldekinden çok daha güçlüdür; Silikonun kovalent bağları düşük sıcaklıklarda kopmaz. Elektron enerjisi, harici bir elektrik alanının etkisi altında daha düşük bir potansiyelden daha yüksek bir potansiyele doğru düzenli bir hareketi başlatmak için yeterli değildir. Bu nedenle, yeterince düşük sıcaklıklarda yarı iletkenler dielektriklere yakındır - elektrik akımı iletmezler.

Öz iletkenlik

Bir yarı iletken elemanı bir elektrik devresine bağlayıp ısıtmaya başlarsanız devredeki akım artar. Bu nedenle yarıiletkenin direnci azalır artan sıcaklıkla. Bu neden oluyor?

Sıcaklık arttıkça silikon atomlarının termal titreşimleri daha yoğun hale gelir ve değerlik elektronlarının enerjisi artar. Bazı elektronlar için enerji, kovalent bağları kırmaya yetecek değerlere ulaşır. Bu tür elektronlar atomlarını terk eder ve özgür(veya iletim elektronları) - metaldekiyle tamamen aynı. Dış elektrik alanında serbest elektronlar düzenli bir şekilde hareket ederek bir elektrik akımı oluşturur.

Silikon sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, elektron enerjisi de o kadar büyük olur ve başarısız olan ve kırılan kovalent bağların sayısı da o kadar artar. Silikon kristalindeki serbest elektronların sayısı artar, bu da direncinin azalmasına neden olur.

Kovalent bağların kırılması ve serbest elektronların ortaya çıkışı Şekil 2'de gösterilmektedir. 5. Kovalent bağın kırıldığı yerde, delik- bir elektron için boş yer. Delik var pozitifşarj, çünkü negatif yüklü bir elektronun ayrılmasıyla, silikon atomunun çekirdeğinin telafi edilmemiş bir pozitif yükü kalır.

Pirinç. 5. Serbest elektronların ve deliklerin oluşumu

Delikler yerinde kalmıyor; kristalin etrafında dolaşabiliyorlar. Gerçek şu ki, atomlar arasında "seyahat eden" komşu değerlik elektronlarından biri, ortaya çıkan boş yere atlayarak deliği doldurabilir; o zaman buradaki delik kaybolacak ama elektronun geldiği yerde görünecektir.

Harici bir elektrik alanının yokluğunda, değerlik elektronları atomlar arasında rastgele dolaştığından deliklerin hareketi rastgeledir. Ancak elektrik alanında başlar yönlendirilmiş deliklerin hareketi. Neden? Bunu anlamak zor değil.

İncirde. Şekil 6, bir elektrik alanına yerleştirilmiş bir yarı iletkeni göstermektedir. Resmin sol tarafında deliğin başlangıç ​​konumu bulunmaktadır.

Pirinç. 6. Elektrik alanındaki bir deliğin hareketi

Delik nereye açılacak? En olası elektron>delik sıçramalarının yönünde olduğu açıktır. aykırı alan çizgileri (yani alanı oluşturan “artılara”). Bu sıçramalardan biri şeklin orta kısmında gösterilmiştir: Elektron sola sıçradı, boşluğu doldurdu ve buna göre delik sağa kaydı. Elektrik alanının neden olduğu bir sonraki olası elektron sıçraması şeklin sağ tarafında gösterilmektedir; Bu sıçrama sonucunda delik daha da sağda yeni bir yer aldı.

Deliğin bir bütün olarak hareket ettiğini görüyoruz karşı alan çizgileri - yani pozitif yüklerin hareket etmesi gereken yer. Bir deliğin alan boyunca yönlendirilmiş hareketinin, ağırlıklı olarak alanın tersi yönde meydana gelen değerlik elektronlarının atomdan atoma sıçramalarından kaynaklandığını bir kez daha vurgulayalım.

Dolayısıyla bir silikon kristalinde iki tür yük taşıyıcı vardır: serbest elektronlar ve delikler. Harici bir elektrik alanı uygulandığında, sıralı karşı hareketlerinden kaynaklanan bir elektrik akımı ortaya çıkar: serbest elektronlar alan kuvveti vektörünün tersi yönde hareket eder ve delikler vektör yönünde hareket eder.

Serbest elektronların hareketi nedeniyle akım oluşumuna denir. elektronik iletkenlik, veya n-tipi iletkenlik. Deliklerin düzenli hareket etme sürecine denir delik iletkenliği,veya p tipi iletkenlik(Latince negativus (negatif) ve positivus (pozitif) kelimelerinin ilk harflerinden). Her iki iletkenliğe de (elektron ve boşluk) topluca denir. kendi iletkenliği yarı iletken.

Kırık bir kovalent bağdan ayrılan her elektron, bir "serbest elektron-boşluk" çifti oluşturur. Bu nedenle saf silikon kristalindeki serbest elektronların konsantrasyonu deliklerin konsantrasyonuna eşittir. Buna göre, kristal ısıtıldığında sadece serbest elektronların değil aynı zamanda deliklerin konsantrasyonu da artar, bu da hem elektron hem de delik iletkenliğindeki artışa bağlı olarak yarı iletkenin içsel iletkenliğinde bir artışa yol açar.

Serbest elektron-delik çiftlerinin oluşumunun yanı sıra ters süreç de meydana gelir: rekombinasyon serbest elektronlar ve delikler. Yani bir delikle karşılaşan serbest bir elektron bu boşluğu doldurarak kopan kovalent bağı onarır ve değerlik elektronuna dönüşür. Böylece, bir yarı iletkende kurulur dinamik denge: kovalent bağların ortalama kopma sayısı ve birim zaman başına elektron-delik çiftlerinin oluşumu, yeniden birleşen elektron ve deliklerin ortalama sayısına eşittir. Bu dinamik denge durumu, verilen koşullar altında yarı iletkendeki serbest elektronların ve deliklerin denge konsantrasyonunu belirler.

Dış koşullardaki değişiklikler dinamik denge durumunu şu veya bu yönde değiştirir. Bu durumda yük taşıyıcı konsantrasyonunun denge değeri doğal olarak değişir. Örneğin yarı iletken ısıtıldığında veya aydınlatıldığında serbest elektron ve deliklerin sayısı artar.

Oda sıcaklığında silikondaki serbest elektron ve deliklerin konsantrasyonu yaklaşık olarak cm'ye eşittir. Silikon atomlarının konsantrasyonu cm mertebesindedir. Başka bir deyişle, silikon atomu başına yalnızca bir serbest elektron vardır! Bu çok az. Örneğin metallerde serbest elektronların konsantrasyonu yaklaşık olarak atomların konsantrasyonuna eşittir. Sırasıyla, Silikonun ve diğer yarı iletkenlerin normal koşullar altında içsel iletkenliği, metallerin iletkenliğine kıyasla küçüktür..

Safsızlık iletkenliği

Yarıiletkenlerin en önemli özelliği, çok küçük miktardaki yabancı maddelerin bile girmesi sonucunda dirençlerinin birkaç kat azaltılabilmesidir. Bir yarı iletken, kendi iletkenliğine ek olarak baskın bir özelliğe de sahiptir. safsızlık iletkenliği. Yarı iletken cihazların bilim ve teknolojide bu kadar geniş bir uygulama alanı bulması bu gerçek sayesindedir.
Örneğin, silikon eriyiğine biraz beş değerlikli arseniğin eklendiğini varsayalım. Eriyiğin kristalleşmesinden sonra, oluşan silikon kristal kafesinin bazı düğümlerinde arsenik atomlarının yer kapladığı ortaya çıktı.

Arsenik atomunun en dış elektronik seviyesinde beş elektron bulunur. Bunlardan dördü en yakın komşuları olan silikon atomlarıyla kovalent bağlar oluşturur (Şekil 7). Bu bağlarda yer almayan beşinci elektronun kaderi nedir?

Pirinç. 7. N tipi yarı iletken

Ve beşinci elektron serbest kalıyor! Gerçek şu ki, bu "ekstra" elektronun silikon kristalinde bulunan arsenik atomu ile bağlanma enerjisi, değerlik elektronlarının silikon atomları ile bağlanma enerjisinden çok daha azdır. Bu nedenle, zaten oda sıcaklığında, termal hareketin bir sonucu olarak neredeyse tüm arsenik atomları beşinci elektron olmadan kalır ve pozitif iyonlara dönüşür. Ve buna göre silikon kristali, arsenik atomlarından ayrılmış serbest elektronlarla doludur.

Bir kristalin serbest elektronlarla doldurulması bizim için yeni değil: Bunu yukarıda kristal ısıtıldığında görmüştük. temiz silikon (herhangi bir yabancı madde olmadan). Ancak şimdi durum temelde farklı: arsenik atomundan ayrılan serbest bir elektronun görünümüne, hareketli bir deliğin görünümü eşlik etmez. Neden? Sebep aynıdır - değerlik elektronlarının silikon atomlarıyla bağı, beşinci boşluktaki arsenik atomundan çok daha güçlüdür, bu nedenle komşu silikon atomlarının elektronları bu boşluğu doldurma eğiliminde değildir. Böylece boşluk yerinde kalır; arsenik atomuna "donmuş" gibi görünür ve akımın oluşumuna katılmaz.

Böylece, beş değerlikli arsenik atomlarının silikon kristal kafesine dahil edilmesi elektronik iletkenlik yaratır, ancak delik iletkenliğinin simetrik görünümüne yol açmaz. Akım yaratmadaki ana rol artık serbest elektronlara aittir ve bu durumda bunlara denir. ana taşıyıcılarşarj.

Doğal iletkenlik mekanizması elbette bir safsızlık varlığında bile çalışmaya devam eder: kovalent bağlar termal hareket nedeniyle hala kırılır ve serbest elektronlar ve delikler oluşur. Ancak artık arsenik atomları tarafından büyük miktarlarda sağlanan serbest elektronlardan çok daha az delik var. Bu nedenle bu durumda delikler büyük olmayan medyaşarj.

Eşit sayıda hareketli delik görünmeden atomları serbest elektron bırakan safsızlıklara denir. bağışçı. Örneğin, beş değerlikli arsenik bir donör safsızlığıdır. Bir yarı iletkende donör safsızlığı varsa, çoğunluk yük taşıyıcıları serbest elektronlardır ve azınlık yük taşıyıcıları deliklerdir; başka bir deyişle serbest elektronların konsantrasyonu deliklerin konsantrasyonundan çok daha yüksektir. Bu nedenle, donör safsızlıklarına sahip yarı iletkenlere denir. elektronik yarı iletkenler, veya n tipi yarı iletkenler(ya da sadece n-yarı iletkenler).

Ve ilginç bir şekilde, serbest elektronların konsantrasyonu bir n-yarı iletkendeki deliklerin konsantrasyonunu ne kadar aşabilir? Basit bir hesaplama yapalım.

Safsızlığın, yani bin silikon atomu başına bir arsenik atomu olduğunu varsayalım. Hatırladığımız gibi silikon atomlarının konsantrasyonu cm mertebesindedir.

Buna göre arsenik atomlarının konsantrasyonu bin kat daha az olacaktır: cm Safsızlıktan vazgeçilen serbest elektronların konsantrasyonu da aynı olacaktır - sonuçta her arsenik atomu bir elektron verir. Şimdi oda sıcaklığında silikon kovalent bağlarının kırılması durumunda ortaya çıkan elektron-delik çiftlerinin konsantrasyonunun yaklaşık olarak cm olduğunu hatırlayalım. Farkı hissediyor musunuz? Bu durumda serbest elektronların konsantrasyonu, büyüklük sırasına göre deliklerin konsantrasyonundan, yani bir milyar kat daha fazladır! Buna göre, silikon yarı iletkenin direnci, bu kadar az miktarda yabancı madde eklendiğinde milyarlarca kez azalır.

Yukarıdaki hesaplama, n-tipi yarı iletkenlerde asıl rolün aslında elektronik iletkenlik tarafından oynandığını göstermektedir. Serbest elektron sayısındaki bu kadar büyük bir üstünlüğün arka planına karşı, delik hareketinin genel iletkenliğe katkısı ihmal edilebilir.

Aksine, baskın delik iletkenliğine sahip bir yarı iletken oluşturmak mümkündür. Bu, bir silikon kristaline, örneğin indiyuma üç değerlikli bir safsızlık eklenirse gerçekleşir. Böyle bir uygulamanın sonucu Şekil 1'de gösterilmektedir. 8.

Pirinç. 8. P tipi yarı iletken

Bu durumda ne olur? İndiyum atomunun en dıştaki elektronik seviyesi, çevredeki üç silikon atomuyla kovalent bağlar oluşturan üç elektron içerir. Dördüncü komşu silikon atomu için indiyum atomunun artık yeterli elektronu yoktur ve bu yerde bir delik belirir.

Ve bu delik basit değil ama özeldir; çok yüksek bağlanma enerjisine sahiptir. Komşu bir silikon atomundan bir elektron ona girdiğinde, "sonsuza kadar içinde sıkışıp kalacaktır", çünkü elektronun indiyum atomuna olan çekimi çok güçlüdür - silikon atomlarına göre daha fazla. İndiyum atomu negatif bir iyona dönüşecek ve elektronun geldiği yerde bir delik görünecek - ancak şimdi silikon kristal kafesinde kırık bir kovalent bağ şeklinde sıradan bir hareketli delik ortaya çıkacak. Bu delik, değerlik elektronlarının bir silikon atomundan diğerine "röle yarışı" aktarımı nedeniyle kristalin etrafında olağan şekilde dolaşmaya başlayacaktır.

Ve böylece, her safsızlık indiyum atomu bir delik oluşturur, ancak serbest bir elektronun simetrik görünümüne yol açmaz. Atomları elektronları "sıkıca" yakalayan ve böylece kristalde hareketli bir delik oluşturan bu tür safsızlıklara denir. akseptör.

Üç değerlikli indiyum, alıcı safsızlığının bir örneğidir.

Saf silikon kristaline bir alıcı safsızlığı eklenirse, safsızlık tarafından oluşturulan deliklerin sayısı, silikon atomları arasındaki kovalent bağların kopması nedeniyle oluşturulan serbest elektronların sayısından çok daha fazla olacaktır. Alıcı safsızlığına sahip bir yarı iletken delik yarı iletken, veya p tipi yarı iletken(ya da sadece p-yarı iletken).

Delikler, p-yarı iletkende akım yaratılmasında önemli bir rol oynar; delikler - ana yük taşıyıcıları. Serbest elektronlar - küçük medya p-yarı iletkende şarj. Bu durumda serbest elektronların hareketi önemli bir katkı sağlamaz: elektrik akımı öncelikle delik iletkenliği ile sağlanır.

Pn kavşağı

Farklı iletkenlik türlerine (elektronik ve delik) sahip iki yarı iletken arasındaki temas yerine denir. elektron deliği geçişi, veya Pn kavşağı. P-n birleşimi bölgesinde ilginç ve çok önemli bir olay meydana gelir: tek yönlü iletkenlik.

İncirde. Şekil 9, p ve n tipi bölgelerin temasını göstermektedir; renkli daireler, karşılık gelen bölgelerdeki çoğunluk (veya azınlık) yük taşıyıcıları olan delikler ve serbest elektronlardır.

Pirinç. 9. P-n bağlantısının blokaj katmanı

Termal hareket gerçekleştiren yük taşıyıcıları, bölgeler arasındaki arayüze nüfuz eder.

Serbest elektronlar n bölgesinden p bölgesine hareket eder ve orada deliklerle yeniden birleşir; delikler p bölgesinden n bölgesine yayılır ve orada elektronlarla yeniden birleşir.

Bu işlemlerin bir sonucu olarak, elektronik yarı iletkende temas sınırı yakınında, donör safsızlığının pozitif iyonlarının telafi edilmemiş bir yükü kalır ve delik yarı iletkeninde (aynı zamanda sınırın yakınında) alıcı safsızlık iyonlarının telafi edilmemiş bir negatif yükü görünür. Bu telafi edilmeyen alan ücretleri sözde bariyer katmanı iç elektrik alanı serbest elektronların ve deliklerin temas sınırı boyunca daha fazla yayılmasını önler.

Şimdi kaynağın “artı”sını n-yarıiletkene ve “eksi”yi p-yarıiletkene uygulayarak yarı iletken elemanımıza bir akım kaynağı bağlayalım (Şekil 10).

Pirinç. 10. Ters yönde açma: akım yok

Dış elektrik alanının çoğunluk yük taşıyıcılarını temas sınırından uzaklaştırdığını görüyoruz. Engelleme katmanının genişliği artar ve elektrik alanı artar. Engelleme katmanının direnci yüksektir ve çoğunluk taşıyıcıları p-n bağlantısını aşamaz. Elektrik alanı yalnızca azınlık taşıyıcılarının sınırı geçmesine izin verir, ancak azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonunun çok düşük olması nedeniyle oluşturdukları akım ihmal edilebilir düzeydedir.

Dikkate alınan şema denir p-n bağlantısının ters yönde açılması. Ana taşıyıcı elektrik akımı yoktur; yalnızca ihmal edilebilir bir azınlık taşıyıcı akımı vardır. Bu durumda p-n bağlantısının kapalı olduğu ortaya çıkar.

Şimdi bağlantının polaritesini değiştirelim ve p-yarı iletkene “artı”, n-yarı iletkene “eksi” uygulayalım (Şekil 11). Bu şema denir ileri anahtarlama.

Pirinç. 11. İleri yönde açma: akım akar

Bu durumda, dış elektrik alanı engelleme alanına karşı yönlendirilir ve p-n bağlantısı yoluyla çoğunluk taşıyıcılarına yol açar. Bariyer tabakası incelir ve direnci azalır.

Serbest elektronların n-bölgesinden p-bölgesine doğru büyük bir hareketi vardır ve buna karşılık delikler de p-bölgesinden n-bölgesine doğru birlikte hareket ederler.

Çoğunluk yük taşıyıcılarının hareketi nedeniyle devrede bir akım ortaya çıkar (Ancak şimdi elektrik alanı azınlık taşıyıcılarının akımına müdahale etmektedir, ancak bu önemsiz faktörün genel iletkenlik üzerinde gözle görülür bir etkisi yoktur).

P-n bağlantısının tek yönlü iletkenliği yarı iletken diyotlar. Diyot, akımı yalnızca bir yönde ileten bir cihazdır; ters yönde ise diyottan hiçbir akım geçmez (diyotun kapalı olduğu söylenir). Diyotun şematik bir temsili Şekil 2'de gösterilmektedir. 12.

Pirinç. 12. Diyot

Bu durumda diyot soldan sağa doğru açıktır: yükler ok boyunca akıyor gibi görünür (şekilde görüyor musunuz?). Sağdan sola yönde, yükler duvara yaslanmış gibi görünüyor - diyot kapalı.