A félvezetők olyan anyagok, amelyek normál körülmények között szigetelők, de a hőmérséklet növekedésével vezetővé válnak. Vagyis a félvezetőkben a hőmérséklet növekedésével az ellenállás csökken.

A félvezető szerkezete szilíciumkristály példáján

Tekintsük a félvezetők szerkezetét és a bennük lévő vezetőképesség fő típusait. Példaként vegyünk egy szilíciumkristályt.

A szilícium egy négyértékű elem. Ezért a külső héjában négy elektron található, amelyek gyengén kötődnek az atommaghoz. Mindegyiknek van még négy atomja a szomszédságában.

Az atomok kölcsönhatásba lépnek egymással és kovalens kötéseket alkotnak. Minden atomból egy elektron vesz részt egy ilyen kötésben. A szilícium eszköz diagramja a következő ábrán látható.

kép

A kovalens kötések elég erősek, és nem szakadnak meg alacsony hőmérsékleten. Ezért a szilíciumban nincsenek szabad töltéshordozók, és alacsony hőmérsékleten dielektrikum. A félvezetőkben kétféle vezetés létezik: elektron és lyuk.

Elektronikus vezetőképesség

Amikor a szilíciumot felmelegítik, további energia kerül rá. A részecskék kinetikus energiája megnő, és néhány kovalens kötés megszakad. Ez szabad elektronokat hoz létre.

Az elektromos térben ezek az elektronok a kristályrács csomópontjai között mozognak. Ebben az esetben a szilíciumban elektromos áram jön létre.

Mivel a szabad elektronok a fő töltéshordozók, ezt a fajta vezetést elektronikus vezetésnek nevezik. A szabad elektronok száma a hőmérséklettől függ. Minél jobban hevítjük a szilíciumot, annál több kovalens kötés szakad meg, és ezért több szabad elektron jelenik meg. Ez az ellenállás csökkenéséhez vezet. A szilícium pedig vezetővé válik.

lyukvezetés

A kovalens kötés megszakadásakor a kilökött elektron helyén egy üresedés keletkezik, amelyet egy másik elektron foglalhat el. Ezt a helyet lyuknak hívják. A lyukon túl sok pozitív töltés van.

A kristályban lévő lyuk helyzete folyamatosan változik, bármelyik elektron felveheti ezt a pozíciót, és a lyuk oda kerül, ahonnan az elektron kiugrott. Ha nincs elektromos tér, akkor a lyukak mozgása véletlenszerű, ezért nincs áram.

Ha megvan, akkor a lyukak mozgásában rendezettség van, és a szabad elektronok által keltett áram mellett van olyan áram is, amelyet lyukak hoznak létre. A lyukak az elektronokkal ellentétes irányban mozognak.

Így a félvezetőkben a vezetőképesség elektron-lyuk. Az áramot elektronok és lyukak egyaránt generálják. Ezt a fajta vezetést belső vezetésnek is nevezik, mivel csak egy atom elemei vesznek részt.

A félvezetők olyan anyagok, amelyek az elektromos vezetőképesség szempontjából köztes helyet foglalnak el a jó vezetők és a jó szigetelők (dielektrikumok) között.

A félvezetők kémiai elemek (germánium Ge, szilícium Si, szelén Se, tellúr Te), valamint kémiai elemek vegyületei (PbS, CdS stb.).

A különböző félvezetőkben lévő áramhordozók természete eltérő. Néhányukban a töltéshordozók ionok; másokban a töltéshordozók elektronok.

Félvezetők belső vezetőképessége

A félvezetők belső vezetésének két típusa van: az elektronikus vezetés és a félvezetők lyukvezetése.

1. Félvezetők elektronikus vezetőképessége.

Az elektronikus vezetőképességet az atom vegyértékhéját külső hatások következtében elhagyó szabad elektronok interatomi terében történő irányított mozgással hajtják végre.

2. Félvezetők furatvezetőképessége.

A lyukvezetést a vegyértékelektronok irányított mozgásával hajtják végre az elektronpáros kötések - lyukak - üres helyeire. A pozitív ion (lyuk) közvetlen közelében elhelyezkedő semleges atom vegyértékelektronja a lyukhoz vonzódik és beugrik. Ebben az esetben semleges atom helyett pozitív ion (lyuk), pozitív ion (lyuk) helyett semleges atom keletkezik.

Ideálisan tiszta, idegen szennyeződésektől mentes félvezetőben minden szabad elektron egy lyuk keletkezésének felel meg, azaz. az áram létrehozásában részt vevő elektronok és lyukak száma azonos.

Azt a vezetőképességet, amelynél ugyanannyi töltéshordozó (elektronok és lyukak) fordul elő, a félvezetők belső vezetőképességének nevezzük.

A félvezetők belső vezetőképessége általában kicsi, mivel a szabad elektronok száma kicsi. A szennyeződések legkisebb nyomai is gyökeresen megváltoztatják a félvezetők tulajdonságait.

Félvezetők elektromos vezetőképessége szennyeződések jelenlétében

A félvezető szennyeződései olyan idegen kémiai elemek atomjai, amelyeket a fő félvezető nem tartalmaz.

Szennyeződés vezetőképesség- ez a félvezetők vezetőképessége, a kristályrácsukba való szennyeződések miatt.

Egyes esetekben a szennyeződések hatása abban nyilvánul meg, hogy a "lyuk" vezetési mechanizmus gyakorlatilag lehetetlenné válik, és a félvezetőben lévő áramot elsősorban a szabad elektronok mozgása végzi. Az ilyen félvezetőket ún elektronikus félvezetők vagy n-típusú félvezetők(a latin negativus szóból - negatív). A fő töltéshordozók az elektronok, és nem a fő töltéshordozók a lyukak. Az n-típusú félvezetők donor szennyeződéseket tartalmazó félvezetők.

1. Donor szennyeződések.

A donor szennyeződések azok, amelyek könnyen adnak elektronokat, és ennek következtében növelik a szabad elektronok számát. A donor szennyeződések vezetési elektronokat szolgáltatnak anélkül, hogy ugyanannyi lyuk jelenne meg.

A négy vegyértékű germánium Ge donor szennyeződésének tipikus példája az ötértékű arzénatomok As.

Más esetekben a szabad elektronok mozgása gyakorlatilag lehetetlenné válik, és az áramot csak a lyukak mozgása végzi. Ezeket a félvezetőket ún lyuk félvezetők vagy p-típusú félvezetők(a latin positivus szóból - pozitív). A fő töltéshordozók lyukak, és nem a fő elektronok. . A p-típusú félvezetők akceptor szennyeződésekkel rendelkező félvezetők.

Az akceptor szennyeződések olyan szennyeződések, amelyekben nincs elegendő elektron a normál pár-elektron kötések kialakításához.

A germánium Ge akceptor szennyeződésére példa a Ga háromértékű galliumatom

A p-típusú és n-típusú p-n átmenetű félvezetők érintkezésén keresztül áramló elektromos áram két p-típusú és n-típusú szennyező félvezető érintkezési rétege; A p-n átmenet egy határvonal, amely elválasztja a lyukvezetésű (p) és az elektronikus (n) vezetésű régiókat ugyanabban az egykristályban.

közvetlen p-n átmenet

Ha az n-es félvezető az áramforrás negatív pólusára, az áramforrás pozitív pólusa pedig a p-félvezetőre csatlakozik, akkor elektromos tér hatására az n-félvezetőben lévő elektronok és a a p-félvezetőben lévő lyukak egymás felé mozognak a félvezető interfész felé. Az elektronok, átlépve a határt, "töltik" a lyukakat, a pn átmeneten áthaladó áramot a fő töltéshordozók végzik. Ennek eredményeként a teljes minta vezetőképessége megnő. A külső elektromos tér ilyen közvetlen (áteresztőképességű) irányával a záróréteg vastagsága és ellenállása csökken.

Ebben az irányban az áram áthalad a két félvezető határán.

Fordított pn átmenet

Ha az n-félvezetőt az áramforrás pozitív pólusához, a p-félvezetőt pedig az áramforrás negatív pólusához kötjük, akkor az n-félvezetőben lévő elektronok és a p-félvezetőben lévő lyukak hatása alatt Egy elektromos mező ellentétes irányba fog elmozdulni az interfészről, a p -n-átmeneten áthaladó áramot kisebb töltéshordozók hajtják végre. Ez a záróréteg megvastagodásához és ellenállásának növekedéséhez vezet. Ennek eredményeként a minta vezetőképessége jelentéktelennek bizonyul, és az ellenállás nagy.

Egy úgynevezett gátréteg képződik. A külső tér ilyen irányával az elektromos áram gyakorlatilag nem halad át a p- és n-félvezetők érintkezésén.

Így az elektron-lyuk átmenetnek egyoldalú vezetése van.

Az áram függését a pn átmenet feszültség - volt - áram karakterisztikától az ábra mutatja (volt - a közvetlen pn átmenet áramjellemzője folytonos vonallal, a fordított pn átmenet volt - amper karakterisztikája látható pontozott vonallal).

Félvezetők:

Félvezető dióda - a váltakozó áram egyenirányításához egy p - n - átmenetet használ különböző ellenállásokkal: előrefelé a p - n - átmenet ellenállása sokkal kisebb, mint fordított irányban.

Fotoellenállások - gyenge fényáramok regisztrálására és mérésére. Segítségükkel határozza meg a felületek minőségét, ellenőrizze a termékek méreteit.

Termisztorok - távhőmérsékletméréshez, tűzriasztásokhoz.

>>Fizika: Elektromos áram a félvezetőkben

Mi a fő különbség a félvezetők és a vezetők között? A félvezetők milyen szerkezeti jellemzői biztosították számukra az összes rádiókészülékhez, televízióhoz és számítógéphez való hozzáférést?
A vezetők és a félvezetők közötti különbség különösen szembetűnő, ha elektromos vezetőképességük hőmérséklettől való függését elemezzük. A vizsgálatok azt mutatják, hogy számos elem (szilícium, germánium, szelén stb.) és vegyület (PbS, CdS, GaAs stb.) esetében az ellenállás nem növekszik a hőmérséklet emelkedésével, mint a fémeknél ( ábra.16.3), hanem éppen ellenkezőleg, rendkívül meredeken csökken ( ábra.16.4). Az ilyen anyagokat ún félvezetők.

Az ábrán látható grafikonon jól látható, hogy az abszolút nullához közeli hőmérsékleten a félvezetők ellenállása igen nagy. Ez azt jelenti, hogy alacsony hőmérsékleten a félvezető szigetelőként viselkedik. A hőmérséklet emelkedésével az ellenállása gyorsan csökken.
A félvezetők szerkezete. A tranzisztoros vevő bekapcsolásához semmit sem kell tudnia. De ahhoz, hogy létrejöjjön, sokat kellett tudni, és rendkívüli tehetséggel kellett rendelkeznie. A tranzisztor működésének általános megértése nem olyan nehéz. Először meg kell ismerkednie a félvezetők vezetési mechanizmusával. Ehhez pedig bele kell mélyedni a kapcsolatok jellege egy félvezető kristály atomjait egymás mellett tartva.
Vegyünk például egy szilíciumkristályt.
A szilícium egy négyértékű elem. Ez azt jelenti, hogy atomjának külső héjában négy elektron található, viszonylag gyengén kötve az atommaghoz. Az egyes szilíciumatomok legközelebbi szomszédjainak száma szintén négy. A szilíciumkristály szerkezetének diagramja a 16.5. ábrán látható.

A szomszédos atomok párjának kölcsönhatását egy pár-elektron kötés, ún kovalens kötés. Ennek a kötésnek a kialakításában minden atomból egy vegyértékelektron vesz részt, amely elválik attól az atomtól, amelyhez tartozik (a kristály gyűjti össze), és mozgásuk során idejük nagy részét a szomszédos atomok közötti térben töltik. Negatív töltésük egymás közelében tartja a pozitív szilíciumionokat.
Nem szabad azt gondolni, hogy a kollektivizált elektronpár csak két atomhoz tartozik. Minden atom négy kötést létesít szomszédaival, és bármelyik vegyértékelektron mozoghat az egyik mentén. A szomszédos atomhoz érve továbbléphet a következőre, majd tovább az egész kristály mentén. A vegyértékelektronok az egész kristályhoz tartoznak.
A szilíciumkristályban lévő elektronpáros kötések elég erősek, és alacsony hőmérsékleten nem törnek fel. Ezért a szilícium alacsony hőmérsékleten nem vezet elektromosságot. Az atomok kötésében részt vevő vegyértékelektronok mintegy „becementező oldatok”, amelyek a kristályrácsot tartják, és mozgásukra külső elektromos tér nem gyakorol észrevehető hatást. A germánium kristály hasonló szerkezetű.
elektronikus vezetőképesség. A szilícium hevítésekor a részecskék kinetikus energiája megnő, és az egyes kötések megszakadnak. Egyes elektronok elhagyják „taposott útjaikat”, és szabaddá válnak, mint az elektronok a fémben. Elektromos térben a rács csomópontjai között mozognak, elektromos áramot hozva létre ( ábra.16.6).

A félvezetők vezetőképességét a bennük lévő szabad elektronok miatt nevezzük elektronikus vezetőképesség. A hőmérséklet emelkedésével növekszik a megszakadt kötések száma, és így a szabad elektronok száma is. 300-ról 700 K-ra melegítve a szabad töltéshordozók száma 10 17-ről 10 24 1/m 3 -re nő. Ez az ellenállás csökkenéséhez vezet.
lyukvezetés. Amikor egy kötés megszakad a félvezető atomok között, üresedés keletkezik egy hiányzó elektronnal. Neveztetik lyuk. A lyuk többlet pozitív töltésű a többi megszakadatlan kötéshez képest (lásd 16.6. ábra).
A kristályon lévő lyuk helyzete nem rögzített. A következő folyamat folyamatosan zajlik. Az atomok közötti kapcsolatot biztosító elektronok egyike a kialakult lyuk helyére ugrik és itt helyreállítja a pár-elektron kötést, és ahol ez az elektron kiugrott, ott egy új lyuk keletkezik. Így a lyuk az egész kristályban mozoghat.
Ha a mintában az elektromos térerősség nulla, akkor a lyukak mozgása, ami megegyezik a pozitív töltések mozgásával, véletlenszerűen történik, ezért nem hoz létre elektromos áramot. Elektromos tér jelenlétében a lyukak rendezett mozgása megy végbe, és így a szabad elektronok elektromos áramához a lyukak mozgásához kapcsolódó elektromos áram adódik. A lyukak mozgási iránya ellentétes az elektronok mozgási irányával ( ábra.16.7).

Külső tér hiányában egy lyuk (+) jut egy szabad elektronhoz (-). Ha mezőt alkalmazunk, egy szabad elektron elmozdul a térerősség ellenében. Az egyik megkötött elektron is ebbe az irányba mozog. Úgy tűnik, hogy a lyuk a mező irányába mozog.
Tehát a félvezetőkben kétféle töltéshordozó létezik: elektronok és lyukak. Ezért a félvezetőknek nemcsak elektronikus, hanem lyuk vezetőképesség.
Megvizsgáltuk a tiszta félvezetők vezetési mechanizmusát. A vezetőképesség ilyen körülmények között ún saját vezetőképesség félvezetők.
A tiszta félvezetők vezetőképességét (intrinsic vezetőképesség) a szabad elektronok mozgása (elektronikus vezetés) és a megkötött elektronok pár-elektron kötések szabad helyére való mozgása (lyukvezetés) valósítja meg.

???
1. Milyen kötést nevezünk kovalensnek?
2. Mi a különbség a félvezetők és a fémek ellenállásának a hőmérséklettől való függése között?
3. Milyen mobil töltéshordozók vannak egy tiszta félvezetőben?
4. Mi történik, ha egy elektron találkozik egy lyukkal?

G. Ya. Myakishev, B. B. Buhovcev, N. N. Szockij, fizika 10. osztály

Az óra tartalma óra összefoglalója támogatási keret óra bemutató gyorsító módszerek interaktív technológiák Gyakorlat feladatok és gyakorlatok önvizsgálat műhelyek, tréningek, esetek, küldetések házi feladat megbeszélés kérdések szónoki kérdések tanulóktól Illusztrációk audio, videoklippek és multimédia fényképek, képek grafika, táblázatok, diagramok humor, anekdoták, viccek, képregények példázatok, mondások, keresztrejtvények, idézetek Kiegészítők absztraktokat cikkek chipek érdeklődő csaló lapok tankönyvek alapvető és kiegészítő kifejezések szószedete egyéb Tankönyvek és leckék javításaa tankönyv hibáinak javítása egy töredék frissítése a tankönyvben az innováció elemei a leckében az elavult ismeretek újakkal való helyettesítése Csak tanároknak tökéletes leckék naptári terv évre a vitaprogram módszertani ajánlásai Integrált leckék

Ha javításai vagy javaslatai vannak ehhez a leckéhez,

Ebben a leckében az elektromos áram áthaladására szolgáló ilyen közeget félvezetőként fogjuk megvizsgálni. Megvizsgáljuk vezetőképességük elvét, ennek a vezetőképességnek a hőmérséklettől való függőségét és a szennyeződések jelenlétét, figyelembe vesszük az olyan fogalmakat, mint a p-n átmenet és az alapvető félvezető eszközök.

Ha közvetlen kapcsolatot hozunk létre, akkor a külső mező semlegesíti a reteszelőt, és az áramot a fő töltéshordozók adják (9. ábra).

Rizs. 9. p-n átmenet közvetlen csatlakozással ()

Ebben az esetben a kisebbségi hordozók árama elenyésző, gyakorlatilag nincs. Ezért a p-n átmenet egyirányú elektromos áramvezetést biztosít.

Rizs. 10. A szilícium atomszerkezete növekvő hőmérséklettel

A félvezetők vezetőképessége elektronlyuk, és ezt a vezetőképességet belső vezetőképességnek nevezzük. És a vezetőképes fémekkel ellentétben a hőmérséklet emelkedésével a szabad töltések száma csak nő (az első esetben nem változik), ezért a félvezetők vezetőképessége a hőmérséklet emelkedésével nő, az ellenállás pedig csökken (10. ábra).

A félvezetők tanulmányozása során nagyon fontos kérdés a bennük lévő szennyeződések jelenléte. A szennyeződések jelenléte esetén pedig szennyeződés vezetőképességről kell beszélni.

Félvezetők

Az átvitt jelek kis mérete és nagyon jó minősége a félvezető eszközöket igen elterjedtté tette a modern elektronikai technikában. Az ilyen eszközök összetétele nemcsak a fent említett szilíciumot tartalmazhatja szennyeződésekkel, hanem például germániumot is.

Az egyik ilyen eszköz egy dióda - olyan eszköz, amely képes az áramot az egyik irányba átadni, és megakadályozni az áthaladást a másikban. Más típusú félvezető p- vagy n-típusú félvezető kristályba történő beültetésével nyerik (11. ábra).

Rizs. 11. A dióda jelölése a diagramon, illetve a készülék diagramja

Egy másik, immár két p-n átmenettel rendelkező eszközt tranzisztornak neveznek. Nemcsak az áram áramlási irányának kiválasztására, hanem annak átalakítására is szolgál (12. ábra).

Rizs. 12. A tranzisztor felépítésének vázlata és jelölése az elektromos áramkörön ()

Meg kell jegyezni, hogy a modern mikroáramkörök diódák, tranzisztorok és egyéb elektromos eszközök sok kombinációját használják.

A következő leckében megvizsgáljuk az elektromos áram terjedését vákuumban.

Bibliográfia

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (alapfok) - M.: Mnemozina, 2012.
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10 évfolyam. - M.: Ileksa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizika. Elektrodinamika. - M.: 2010.

1. Az eszközök működési elvei ().
2. Fizikai és Technológiai Enciklopédia ().

Házi feladat

1. Mi okozza a vezetési elektronokat a félvezetőben?
2. Mi a félvezető belső vezetőképessége?
3. Hogyan függ a félvezető vezetőképessége a hőmérséklettől?
4. Mi a különbség a donor szennyeződés és az akceptor szennyeződés között?
5. * Mekkora a szilícium vezetőképessége a) gallium, b) indium, c) foszfor, d) antimon keverékével?

Elektromos áram a félvezetőkben A lecke célja: képet alkotni a félvezetők elektromos töltés szabad hordozóiról és a félvezetők elektromos áram természetéről. Az óra típusa: óra új tananyag tanulása. ÓRATERV Tudásellenőrzés 5 perc. 1. Elektromos áram a fémekben. 2. Elektromos áram az elektrolitokban. 3. Faraday törvénye az elektrolízisre. 4. Elektromos áram gázokban Bemutató 5 perc. Töredékek az "Elektromos áram a félvezetőkben" című videófilmből Új anyag tanulása 28 perc. 1. Töltéshordozók félvezetőkben. 2. Félvezetők szennyező vezetőképessége. 3. Elektron-lyuk átmenet. 4. Félvezető diódák és tranzisztorok. 5. Integrált áramkörök A vizsgált anyag összevonása 7 perc. 1. Kvalitatív kérdések. 2. Problémamegoldás megtanulása ÚJ ANYAG TANULMÁNYOZÁSA 1. Töltések hordozása félvezetőben A félvezetők fajlagos ellenállása szobahőmérsékleten széles tartományban mozog, pl. 10-3 és 107 Ohm m között, és közbenső helyet foglalnak el a fémek és a dielektrikumok között. A félvezetők olyan anyagok, amelyek ellenállása a hőmérséklet emelkedésével nagyon gyorsan csökken. A félvezetők számos kémiai elemet (bórt, szilíciumot, germániumot, foszfort, arzént, szelént, tellúrt stb.), számos ásványt, ötvözetet és kémiai vegyületet tartalmaznak. A környező világ szinte minden szervetlen anyaga félvezető. Megfelelően alacsony hőmérsékleten és a világítás vagy fűtés külső hatásainak hiányában a félvezetők nem vezetnek elektromos áramot: ilyen körülmények között a félvezetőkben lévő összes elektron meg van kötve. Az elektronok kötése atomjaikkal azonban a félvezetőkben nem olyan erős, mint a dielektrikumokban. Hőmérséklet-növekedés esetén, valamint erős megvilágítás esetén egyes elektronok elszakadnak atomjaiktól és szabad töltésekké válnak, vagyis mozoghatnak a mintában. Emiatt negatív töltéshordozók jelennek meg a félvezetőkben - szabad elektronok. az elektronokat elektronnak nevezzük. Ha egy elektron leválik egy atomról, akkor az adott atom pozitív töltése kompenzálatlanná válik, azaz. ezen a helyen egy plusz pozitív töltés jelenik meg.Ezt a pozitív töltést „lyuknak” nevezzük. Az az atom, amelynek közelében lyuk keletkezett, el tudja venni a megkötött elektront a szomszédos atomtól, míg a lyuk a szomszédos atomhoz költözik, és az az atom tovább tudja „átvinni” a lyukat. A megkötött elektronok ilyen „botos” mozgása lyukak, azaz pozitív töltések mozgásának tekinthető. A félvezető vezetőképessége mozgás (például töltés. A félvezető lyukak mozgásából adódó vezetőképességét lyuknak nevezzük. A különbség a lyuk vezetőképessége és így az elektronikus vezetőképesség az, hogy az elektronikus vezetőképesség a szabad mozgásából adódik. a félvezetőkben lévő elektronok, a lyukvezetőképesség pedig a kötött elektronok mozgásának köszönhető.A tiszta félvezetőben (szennyeződések nélkül) az elektromos áram ugyanannyi szabad elektront és lyukat hoz létre.Ezt a vezetőképességet a félvezetők belső vezetőképességének nevezzük.2 Félvezetők szennyezettségi vezetőképessége Ha a tiszta olvadt szilíciumhoz kis mennyiségű (kb. 10-5%) arzént adunk, akkor keményedés után közönséges kristályos szilíciumrács, de egyes rácshelyeken a szilícium atomok helyett arzén atomok lesznek. Az arzén, mint tudják, egy ötértékű elem. A kartivalens elektronok páros elektronikus kötést alkotnak a szomszédos szilíciumatomokkal. Az n-edik elektronnak nem lesz elég kötése, míg az arzénatomhoz olyan gyengén kötődik, amely könnyen felszabadul. Ennek eredményeként minden szennyező atom egy szabad elektront ad. Azokat a szennyeződéseket, amelyek atomjai könnyen adják át az elektronokat, donor szennyeződéseknek nevezzük. A szilícium atomokból származó elektronok szabaddá válhatnak, lyukat képezve, ezért az atomok elektronjait "befogó" szennyeződések egyidejűleg létezhetnek egy kristályban, és szabad elektronokat és lyukakat hívnak. Azonban sokszor több lesz a szabad elektron, mint a lyuk. Azokat a félvezetőket, amelyekben az elektronok a többségi töltéshordozók, n-típusú félvezetőknek nevezzük. Ha kis mennyiségű háromértékű indiumot adunk a szilíciumhoz, akkor a félvezető vezetőképessége megváltozik. Mivel az indiumnak három vegyértékelektronja van, kovalens kötést csak három szomszédos atommal tud létrehozni. Egy elektron nem elég ahhoz, hogy kötést létesítsen a negyedik atommal. Az indium "kölcsönvesz" egy elektront a szomszédos atomoktól, ennek eredményeként India minden atomja egy üres helyet - egy lyukat - képez. félvezetők kristályrácsa, akceptor. Akceptor szennyeződés esetén a fő töltéshordozókon lyukak vannak az elektromos áram félvezetőn való áthaladásakor. Azokat a félvezetőket, amelyekben a lyukak a fő töltéshordozók, p-típusú félvezetőknek nevezzük. Szinte minden félvezető tartalmaz donor és akceptor szennyeződéseket is. A félvezető vezetőképesség típusa határozza meg a szennyeződést nagyobb koncentrációjú töltéshordozókkal - elektronokkal és lyukakkal. 3. Elektron-lyuk átmenet A félvezetőkben rejlő fizikai tulajdonságok közül a különböző vezetőképességű félvezetők közötti érintkezések (p-n-átmenet) tulajdonságai kapták a legnagyobb felhasználást. Az n-típusú félvezetőben az elektronok részt vesznek a hőmozgásban, és a határon keresztül a p-típusú félvezetőbe diffundálnak, ahol koncentrációjuk sokkal alacsonyabb. Hasonlóképpen, a lyukak diffundálnak a p-típusú félvezetőből az n-típusú félvezetőbe. Ez ugyanúgy történik, mint az oldott anyag atomjai, amikor ütközéskor az erős oldatból egy gyengébe diffundálnak. A diffúzió következtében a közeli érintkezési terület kimerül a fő töltéshordozókból: az n-típusú félvezetőben az elektronok, a p-típusú félvezetőben a lyukak koncentrációja csökken. Ezért az érintkezési felület ellenállása nagyon jelentős. Az elektronok és lyukak diffúziója a p-n átmeneten keresztül oda vezet, hogy az n-típusú félvezető, amelyből az elektronok származnak, pozitív töltésű, a p-típusú pedig negatív töltésű. Elektromos kettős réteg keletkezik, amely elektromos mezőt hoz létre, amely megakadályozza a szabad áramhordozók további diffúzióját a félvezető érintkezőn keresztül. A kettős töltésű réteg közötti bizonyos feszültségnél a közeli érintkezési terület további elszegényedése a fő hordozók által megáll. Ha most a félvezetőt úgy csatlakoztatjuk egy áramforráshoz, hogy az elektronikus tartománya a forrás negatív pólusához, a lyuk tartománya pedig a pozitív pólushoz csatlakozik, akkor az áramforrás által létrehozott elektromos mező úgy lesz irányítva, hogy az elmozduljon. a fő áramhordozók a p-n átmenettel rendelkező félvezető egyes szakaszaiban. Érintkezéskor a szakasz a fő áramhordozókkal gazdagodik, ellenállása csökken. Jelentős áram fog átfolyni az érintkezőn. Az áram irányát ebben az esetben áteresztőképességnek vagy közvetlennek nevezzük. Ha azonban a forrás pozitív pólusához egy n-típusú félvezető, a negatív pólushoz pedig egy p-típusú félvezető kapcsolódik, akkor a közeli érintkezési terület kitágul. A terület ellenállása jelentősen megnő. Az átmeneti rétegen áthaladó áram nagyon kicsi lesz. Ezt az áramirányt zárásnak vagy fordítottnak nevezik. 4. Félvezető diódák és tranzisztorok Ezért az n-típusú és p-típusú félvezetők közötti interfészen keresztül az elektromos áram csak egy irányba folyik - a p-típusú félvezetőtől az n-típusú félvezetőig. Ezt a diódáknak nevezett eszközökben használják. A félvezető diódákat váltakozó áram egyenirányításához (ezt az áramot váltakozónak nevezik), valamint LED-ek gyártására használják. A félvezető egyenirányítók nagy megbízhatósággal és hosszú élettartammal rendelkeznek. eszközök: A félvezető diódákat széles körben használják rádióvevőkben, videomagnókban, televíziókban, számítógépekben. A félvezetők még fontosabb alkalmazása a tranzisztor. Három réteg félvezetőből áll: az éleken az egyik típusú félvezető, közöttük egy másik típusú félvezető vékony rétege található. A tranzisztorok elterjedtsége annak köszönhető, hogy elektromos jelek erősítésére használhatók. Ezért a tranzisztor sok félvezető eszköz fő elemévé vált. 5. Integrált áramkörök A félvezető diódák és tranzisztorok nagyon összetett eszközök építőkövei, amelyeket integrált áramköröknek nevezünk. A mikroáramkörök ma számítógépekben és televíziókban, mobiltelefonokban és mesterséges műholdakban, autókban, repülőgépekben és még mosógépekben is működnek. Szilícium lapkára integrált áramkör készül. A lemez mérete egy millimétertől a centiméterig terjed, és egy ilyen lemez akár egymillió alkatrészt is képes befogadni - apró diódák, tranzisztorok, ellenállások stb. Az integrált áramkörök fontos előnye a nagy sebesség és megbízhatóság, valamint az alacsony költség . Ennek köszönhetően az integrált áramkörök alapján összetett, de számos eszköz, számítógép és modern háztartási gép számára elérhető volt. KÉRDÉS DIÁKHOZ AZ ÚJ ANYAG BEMUTATÁSA ALATT Első szint 1. Milyen anyagok sorolhatók a félvezetők közé? 2. Mely töltött részecskék mozgása hoz létre áramot a félvezetőkben? 3. Miért függ a félvezetők ellenállása nagyon erősen a szennyeződések jelenlététől? 4. Hogyan jön létre a p-n átmenet? Milyen tulajdonsága van a p-n átmenetnek? 5. Miért nem tudnak szabad töltéshordozók átjutni egy félvezető p-n átmenetén? Második szint 1. Az arzénszennyeződések germániumba való bevitele után a vezetési elektronok koncentrációja megnőtt. Hogyan változott ebben az esetben a lyukak koncentrációja? 2. Milyen tapasztalatok segítségével lehet meggyőződni a félvezető dióda egyoldalú vezetőképességéről? 3. Lehetséges-e pn átmenetet előállítani ón germániumba vagy szilíciumba olvasztásával? A VIZSGÁLT ANYAG KONFIGURÁLÁSA 1). Kvalitatív kérdések 1. Miért nagyon magasak a félvezető anyagok tisztasági követelményei (néhány esetben millió atomonként még egy szennyezőatom jelenléte sem megengedett)? 2. Az arzénszennyeződések germániumba való bevitele után a vezetési elektronok koncentrációja megnőtt. Hogyan változott ebben az esetben a lyukak koncentrációja? 3. Mi történik két n- és p-típusú félvezető érintkezésében? 4. Zárt dobozban van egy félvezető dióda és egy reosztát. A készülékek végeit ki kell hozni és a sorkapcsokhoz csatlakoztatni. Hogyan állapítható meg, hogy melyik terminál tartozik egy diódához? 2). Feladatmegoldás megtanulása 1. Milyen vezetőképességű (elektronikus vagy lyukas) van a galliummal adalékolt szilíciumnak? India? foszfor? antimon? 2. Milyen vezetőképességű (elektronikus vagy lyukas) lesz a szilícium, ha foszfort adunk hozzá? bór? alumínium? arzén? 3. Hogyan változik meg egy foszfor-szennyezőt tartalmazó szilíciumminta ellenállása, ha gallium-szennyezést viszünk bele? A foszfor és a gallium atomok koncentrációja azonos. (Válasz: növekedni fog) AMIT TANULTUNK A LECKEBEN · A félvezetők olyan anyagok, amelyek ellenállása nagyon gyorsan csökken a hőmérséklet emelkedésével. A félvezetőnek az elektronok mozgásából adódó vezetőképességét elektronnak nevezzük. A félvezetők lyukak mozgásából adódó vezetőképességét lyukvezetésnek nevezzük. Azokat a szennyeződéseket, amelyek atomjai könnyen adják át az elektronokat, donor szennyeződéseknek nevezzük. · Azokat a félvezetőket, amelyekben a fő töltéshordozók elektronok, n-típusú félvezetőknek nevezzük. · A félvezetők kristályrácsának atomjainak elektronjait "befogó" szennyeződéseket akceptoroknak nevezzük. · Azokat a félvezetőket, amelyekben a lyukak a fő töltéshordozók, p-típusú félvezetőknek nevezzük. · Két különböző típusú vezetőképességű félvezető érintkezése olyan tulajdonságokkal rendelkezik, hogy az egyik irányban jól vezeti az áramot, az ellenkező irányban pedig sokkal rosszabb, pl. egyirányú vezetése van. Házi feladat 1. 11., 12. §.