Mësimi nr. 41-169 Rryma elektrike në gjysmëpërçuesit. Diodë gjysmëpërçuese. Pajisjet gjysmëpërçuese.

Një gjysmëpërçues është një substancë në të cilën rezistenca mund të ndryshojë në një gamë të gjerë dhe zvogëlohet shumë shpejt me rritjen e temperaturës, që do të thotë se përçueshmëria elektrike rritet. Vërehet në silikon, germanium, selen dhe në disa komponime. Mekanizmi i përcjelljes në gjysmëpërçues Kristalët gjysmëpërçues kanë një rrjetë kristalore atomike ku elektronet e jashtme janë të lidhura me atomet fqinje me lidhje kovalente. Në temperatura të ulëta, gjysmëpërçuesit e pastër nuk kanë elektrone të lira dhe sillen si një izolues. Nëse gjysmëpërçuesi është i pastër (pa papastërti), atëherë ai ka përçueshmërinë e tij (të vogël). Përçueshmëria e brendshme është e dy llojeve: 1) elektronike (përçueshmëria " P"-lloj) Në temperatura të ulëta në gjysmëpërçues, të gjitha elektronet lidhen me bërthamat dhe rezistenca është e lartë; Me rritjen e temperaturës, energjia kinetike e grimcave rritet, lidhjet prishen dhe shfaqen elektrone të lira - rezistenca zvogëlohet. Elektrone të lira lëvizin përballë vektorit të forcës së fushës elektrike formohet një "vrimë" e saj. Lëvizja e "vrimës" është e barabartë me lëvizjen e një ngarkese pozitive Thyerja e lidhjeve kovalente dhe shfaqja e përçueshmërisë së brendshme të gjysmëpërçuesve mund të shkaktohet nga ngrohja, ndriçimi (fotopërçueshmëria) dhe veprimi i fushave të forta elektrike. Varësia R(t): termistor
- matje në distancë t; - alarm zjarri

Përçueshmëria totale e një gjysmëpërçuesi të pastër është shuma e përçueshmërive të llojeve "p" dhe "n" dhe quhet përçueshmëri elektron-vrima. Gjysmëpërçuesit me papastërti Ata kanë përçueshmëri të brendshme dhe të papastërtive. Prania e papastërtive rrit shumë përçueshmërinë. Kur përqendrimi i papastërtive ndryshon, numri i bartësve të rrymës elektrike - elektroneve dhe vrimave - ndryshon. Aftësia për të kontrolluar rrymën qëndron në themel të përdorimit të gjerë të gjysmëpërçuesve. Ekzistojnë papastërtitë e mëposhtme:

1) papastërtitë dhuruese (dhuruese) - janë shtesë furnizuesit e elektroneve për kristalet gjysmëpërçuese, dhurojnë lehtësisht elektrone dhe rrisin numrin e elektroneve të lira në gjysmëpërçues. Këta janë dirigjentët" n "-lloj, d.m.th. gjysmëpërçues me papastërti dhuruese, ku bartësi kryesor i ngarkesës janë elektronet, dhe bartësi i ngarkesës së vogël janë vrima. Një gjysmëpërçues i tillë ka përçueshmëri elektronike të papastërtive (për shembull, arseniku). 2

) papastërtitë e pranuesit (marrësit) krijojnë "vrima" duke marrë elektrone në vetvete. Këta janë gjysmëpërçues të tipit "p", d.m.th. gjysmëpërçuesit me papastërti pranuese, ku është bartësi kryesor i ngarkesës vrima, dhe pakica - elektrone. Një gjysmëpërçues i tillë ka përçueshmëria e papastërtisë së vrimës (shembull - indium). Vetitë elektrike "p- n"Tranzicionet.Kryqëzimi "pn" (ose kryqëzimi elektron-vrimë) është zona e kontaktit të dy gjysmëpërçuesve ku përçueshmëria ndryshon nga elektronike në vrimë (ose anasjelltas). NË

Rajone të tilla mund të krijohen në një kristal gjysmëpërçues duke futur papastërti. Në zonën e kontaktit të dy gjysmëpërçuesve me përçueshmëri të ndryshme, do të bëhet difuzioni i ndërsjellë i elektroneve dhe vrimave dhe do të formohet një pengesë bllokuese. shtresë elektrike. Fusha elektrike e shtresës penguese parandalontranzicioni i mëtejshëm i elektroneve dhe vrimave përtej kufirit. Shtresa bllokuese ka rritur rezistencën në krahasim me zonat e tjera të gjysmëpërçuesit. NË

Fusha elektrike e jashtme ndikon në rezistencën e shtresës penguese. Në drejtimin përpara (përmes) të fushës elektrike të jashtme, rryma kalon nëpër kufirin e dy gjysmëpërçuesve. Sepse elektronet dhe vrimat lëvizin drejt njëri-tjetrit drejt ndërfaqes, pastaj elektronet duke kaluar kufirin, mbushin gropat. Trashësia e shtresës penguese dhe rezistenca e saj janë në rënie të vazhdueshme.

P Me një bllokim (drejtimi i kundërt i fushës elektrike të jashtme) rryma nuk do të kalojë nëpër zonën e kontaktit të dy gjysmëpërçuesve. Sepse elektronet dhe vrimat lëvizin nga kufiri në drejtime të kundërta, pastaj shtresa bllokuese trashet, rritet rezistenca e tij. Kështu, tranzicioni elektron-vrimë ka përçueshmëri njëkahëshe.

Diodë gjysmëpërçuese- gjysmëpërçues me një kryqëzim pn.P
Diodat gjysmëpërçuese janë elementët kryesorë të ndreqësve AC.
Kur aplikohet një fushë elektrike: në një drejtim rezistenca e gjysmëpërçuesit është e lartë, në drejtim të kundërt rezistenca është e ulët.
Transistorët.(nga fjalët angleze transfer - transfer, rezistencë - rezistencë) Le të shqyrtojmë një nga llojet e transistorëve të bërë nga germanium ose silikon me papastërti dhuruese dhe pranuese të futura në to. Shpërndarja e papastërtive është e tillë që një shtresë shumë e hollë (në rendin e disa mikrometrave) të gjysmëpërçuesit të tipit n krijohet midis dy shtresave të gjysmëpërçuesit të tipit p (shih figurën). Kjo shtresë e hollë quhet bazë ose bazë. Dy janë formuar në kristal R-n kryqëzime drejtimet e të cilave përpara janë të kundërta. Tre terminale nga zona me lloje të ndryshme përçueshmërie ju lejojnë të përfshini një transistor në qarkun e treguar në figurë. Me këtë çelës të ndezur, majtas R-n-tranzicioni është e drejtpërdrejtë dhe ndan bazën nga rajoni me përçueshmëri të tipit p, i quajtur emetues. Nëse nuk kishte të drejtë R-n-bashkim, në qarkun e emetuesit-bazë do të kishte një rrymë në varësi të tensionit të burimeve (bateritë B1 dhe burimi i tensionit AC) dhe rezistenca e qarkut, duke përfshirë rezistencën e ulët të kryqëzimit direkt emetues-bazë. Bateria B2 ndezur në mënyrë që e djathta R Kryqëzimi -n në qark (shih figurën) është e kundërta. Ndan bazën nga rajoni i duhur me përçueshmëri të tipit p, i quajtur koleksionist. Sikur të mos kishte mbetur R-n kryqëzim, rryma në qarkun e kolektorit do të ishte afër zeros, pasi rezistenca e kryqëzimit të kundërt është shumë e lartë. Nëse ka një rrymë në të majtë R-n kryqëzim, një rrymë shfaqet në qarkun e kolektorit dhe rryma në kolektor është vetëm pak më e vogël se rryma në emetues (nëse një tension negativ aplikohet në emetues, atëherë e majta R Kryqëzimi -n do të kthehet mbrapsht dhe praktikisht nuk do të ketë rrymë në qarkun e emetuesit ose në qarkun e kolektorit). Kur krijohet një tension midis emetuesit dhe bazës, bartësit e shumicës së një gjysmëpërçuesi të tipit p - vrimat - depërtojnë në bazë, ku tashmë janë bartës të pakicës. Meqenëse trashësia e bazës është shumë e vogël dhe numri i shumicës së bartësve (elektroneve) në të është i vogël, vrimat që futen në të pothuajse nuk kombinohen (mos rikombinohen) me elektronet e bazës dhe depërtojnë në kolektor për shkak të te difuzioni. E drejta R Kryqëzimi -n është i mbyllur për bartësit kryesorë të ngarkesës së bazës - elektronet, por jo për vrimat. Në kolektor, vrimat largohen nga fusha elektrike dhe plotësojnë qarkun. Fuqia e degëzimit të rrymës në qarkun e emetuesit nga baza është shumë e vogël, pasi zona e seksionit kryq të bazës në rrafshin horizontal (shih figurën më lart) është shumë më e vogël se seksioni kryq në planin vertikal.

Rryma në kolektor, e cila është pothuajse e barabartë me rrymën në emetues, ndryshon së bashku me rrymën në emetues. Rezistenca R ka pak efekt në rrymën e kolektorit dhe kjo rezistencë mund të bëhet mjaft e madhe. Duke kontrolluar rrymën e emetuesit duke përdorur një burim tensioni alternativ të lidhur me qarkun e tij, marrim një ndryshim sinkron në tensionin në të gjithë rezistencën R. .

Me një rezistencë të madhe të rezistencës, ndryshimi i tensionit në të mund të jetë dhjetëra mijëra herë më i madh se ndryshimi në tensionin e sinjalit në qarkun e emetuesit. Kjo do të thotë rritje e tensionit. Prandaj, në ngarkesë R Është e mundur të merren sinjale elektrike, fuqia e të cilëve është shumë herë më e madhe se fuqia që hyn në qarkun e emetuesit.

Aplikimi i tranzistorëve Vetitë R-n kryqëzimet në gjysmëpërçues përdoren për të përforcuar dhe gjeneruar lëkundje elektrike.

Gjysmëpërçuesit zënë një vend të ndërmjetëm në përçueshmërinë elektrike midis përçuesve dhe jopërçuesve të rrymës elektrike. Grupi i gjysmëpërçuesve përfshin shumë më tepër substanca sesa grupet e përçuesve dhe jopërçuesve të marra së bashku. Përfaqësuesit më tipikë të gjysmëpërçuesve që kanë gjetur aplikim praktik në teknologji janë germani, silikoni, seleniumi, teluri, arseniku, oksidi i bakrit dhe një numër i madh lidhjesh dhe përbërjesh kimike. Pothuajse të gjitha substancat inorganike në botën përreth nesh janë gjysmëpërçues. Gjysmëpërçuesi më i zakonshëm në natyrë është silikoni, i cili përbën rreth 30% të kores së tokës.

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

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

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

Ndërsa temperatura rritet, disa nga elektronet e valencës mund të fitojnë energji të mjaftueshme për të thyer lidhjet kovalente. Pastaj elektronet e lira (elektrone përçuese) do të shfaqen në kristal. Në të njëjtën kohë, vende të lira formohen në vendet ku lidhjet janë thyer, të cilat nuk janë të zëna nga elektronet. Këto vende të lira quhen "vrima".

Në një temperaturë të caktuar gjysmëpërçuesi, një numër i caktuar çiftesh elektron-vrima formohen për njësi të kohës. Në të njëjtën kohë, ndodh procesi i kundërt - kur një elektron i lirë takon një vrimë, lidhja elektronike midis atomeve të germaniumit rikthehet. Ky proces quhet rikombinim. Çiftet elektron-vrima mund të krijohen gjithashtu kur një gjysmëpërçues ndriçohet për shkak të energjisë së rrezatimit elektromagnetik.

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

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

Në prani të papastërtive, përçueshmëria elektrike e gjysmëpërçuesve ndryshon shumë. Për shembull, duke shtuar papastërti fosforit në kristal silikon në një sasi prej 0,001 përqind atomike zvogëlon rezistencën me më shumë se pesë rend të madhësisë.

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

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

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

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

Në të njëjtin mostër të materialit gjysmëpërçues, një seksion mund të ketë p - përçueshmëri, dhe një tjetër n - përçueshmëri. Një pajisje e tillë quhet diodë gjysmëpërçuese.

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

Nëse aplikoni një tension konstant "plus" në zonën nga bateria në diodë R dhe "minus" në zonë P, atëherë ngarkesat e lira - elektronet dhe vrimat - do të nxitojnë në kufi dhe do të nxitojnë në kryqëzimin pn. Këtu ata do të neutralizojnë njëri-tjetrin, ngarkesat e reja do t'i afrohen kufirit dhe një rrymë konstante do të vendoset në qarkun e diodës. Kjo është e ashtuquajtura lidhje e drejtpërdrejtë e një diode - ngarkesat lëvizin intensivisht nëpër të, dhe një rrymë direkte relativisht e madhe rrjedh në qark.

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

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

Gjysmëpërçuesit përfshijnë shumë elementë kimikë (germanium, silikon, selen, telur, arsenik, etj.), Një numër i madh lidhjesh dhe përbërjesh kimike. Pothuajse të gjitha substancat inorganike në botën përreth nesh janë gjysmëpërçues. Gjysmëpërçuesi më i zakonshëm në natyrë është silikoni, i cili përbën rreth 30% të kores së tokës.

Dallimi cilësor midis gjysmëpërçuesve dhe metaleve manifestohet në varësia e rezistencës nga temperatura(Fig.9.3)

Modeli i brezit të përcjellshmërisë elektron-vrima të gjysmëpërçuesve

Gjatë formimit të trupave të ngurtë, një situatë është e mundur kur brezi i energjisë që lind nga nivelet e energjisë së elektroneve të valencës së atomeve fillestare rezulton të jetë plotësisht i mbushur me elektrone, dhe nivelet më të afërta të energjisë në dispozicion për mbushje me elektrone ndahen nga brezi i valencës E V intervali i gjendjeve energjetike të pazgjidhura - të ashtuquajturat zonë e ndaluar P.sh Mbi hendekun e brezit është zona e gjendjeve energjetike të lejuara për elektronet - brezi përcjellës E c .

Brezi i përcjelljes në 0 K është plotësisht i lirë, dhe brezi i valencës është plotësisht i zënë. Struktura të ngjashme brezash janë karakteristike për silikon, germanium, arsenid galium (GaAs), fosfid indium (InP) dhe shumë lëndë të tjera gjysmëpërçuese.

Ndërsa temperatura e gjysmëpërçuesve dhe dielektrikëve rritet, elektronet janë në gjendje të marrin energji shtesë të lidhur me lëvizjen termike kT. Për disa elektrone, energjia e lëvizjes termike është e mjaftueshme për kalimin nga brezi i valencës në brezin e përcjelljes, ku elektronet nën ndikimin e një fushe elektrike të jashtme mund të lëvizin pothuajse lirshëm.

Në këtë rast, në një qark me një material gjysmëpërçues, me rritjen e temperaturës së gjysmëpërçuesit, rryma elektrike do të rritet. Kjo rrymë shoqërohet jo vetëm me lëvizjen e elektroneve në brezin e përcjelljes, por edhe me pamjen vende të lira nga elektronet që largohen nga brezi i përcjelljes në brezin e valencës, të ashtuquajturat vrima . Vendi i lirë mund të zërë një elektron valence nga një çift fqinj, pastaj vrima zhvendoset në një vend të ri në kristal.

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

Mekanizmi i përcjellshmërisë së vrimave elektronike shfaqet vetëm në gjysmëpërçues të pastër (d.m.th., pa papastërti). Quhet përçueshmëria e vet elektrike gjysmëpërçuesit. Elektronet hidhen në brezin e përcjelljes me Niveli i Fermit, e cila rezulton të jetë e vendosur në gjysmëpërçuesin e vet në mes të brezit(Fig. 9.4).

Përçueshmëria e gjysmëpërçuesve mund të ndryshohet ndjeshëm duke futur sasi shumë të vogla papastërtish në to. Në metale, një papastërti gjithmonë zvogëlon përçueshmërinë. Kështu, shtimi i 3% të atomeve të fosforit në silikon të pastër rrit përçueshmërinë elektrike të kristalit me 10 5 herë.

Shtim i vogël i papastërtisë në një gjysmëpërçues quajtur doping.

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

Të dallojë dy lloje të përçueshmërisë së papastërtive – elektronike Dhe vrimë përçueshmëri. Përçueshmëri elektronike ndodh kur atomet pesëvalente (për shembull, atomet e arsenikut, As) futen në një kristal germanium me atome tetravalente (Fig. 9.5).

Katër elektronet valente të atomit të arsenikut përfshihen në formimin e lidhjeve kovalente me katër atome fqinje të germaniumit. Elektroni i pestë i valencës doli të ishte i tepërt. Ai shkëputet lehtësisht nga atomi i arsenikut dhe bëhet i lirë. Një atom që ka humbur një elektron bëhet një jon pozitiv i vendosur në një vend në rrjetën kristalore.

Një papastërti e atomeve me një valencë që tejkalon valencën e atomeve kryesore të një kristali gjysmëpërçues quhet përzierje e donatorëve . Si rezultat i futjes së tij, një numër i konsiderueshëm i elektroneve të lira shfaqen në kristal. Kjo çon në një rënie të mprehtë të rezistencës së gjysmëpërçuesit - mijëra dhe madje miliona herë.

Rezistenca e një përcjellësi me një përmbajtje të lartë papastërtish mund të afrohet me atë të një përçuesi metalik. Një përçueshmëri e tillë për shkak të elektroneve të lira quhet elektronike, dhe një gjysmëpërçues me përçueshmëri elektronike quhet gjysmëpërçues i tipit n.

Përçueshmëria e vrimës ndodh kur atomet trevalente futen në një kristal germanium, për shembull, atomet e indiumit (Fig. 9.5)

Figura 6 tregon një atom indiumi që ka krijuar lidhje kovalente me vetëm tre atome fqinje të germaniumit duke përdorur elektronet e tij valente. Atomi i indiumit nuk ka një elektron për të formuar një lidhje me atomin e katërt të germaniumit. Ky elektron që mungon mund të kapet nga atomi i indiumit nga lidhja kovalente e atomeve fqinje të germaniumit. Në këtë rast, atomi i indiumit shndërrohet në një jon negativ të vendosur në një vend të rrjetës kristalore dhe formohet një boshllëk në lidhjen kovalente të atomeve fqinje.

Një përzierje e atomeve të afta për të kapur elektrone quhet papastërti pranuese . Si rezultat i futjes së një papastërtie pranuese, shumë lidhje kovalente thyhen në kristal dhe krijohen hapësira (vrima) të lira. Elektronet nga lidhjet kovalente fqinje mund të kërcejnë në këto vende, gjë që çon në bredhje kaotike të vrimave në të gjithë kristalin.

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

Tranzicioni elektron-vrimë. Diodat dhe transistorët

Në teknologjinë moderne elektronike, pajisjet gjysmëpërçuese luajnë një rol të jashtëzakonshëm. Gjatë tre dekadave të fundit, ata kanë zëvendësuar pothuajse plotësisht pajisjet elektrike me vakum.

Çdo pajisje gjysmëpërçuese ka një ose më shumë nyje elektron-vrima . Tranzicioni elektron-vrimë (ose n–fq- tranzicioni) - Kjo është zona e kontaktit midis dy gjysmëpërçuesve me lloje të ndryshme përçueshmërie.

Në kufirin e gjysmëpërçuesve (Fig. 9.7), formohet një shtresë elektrike e dyfishtë, fusha elektrike e së cilës pengon procesin e difuzionit të elektroneve dhe vrimave drejt njëra-tjetrës.

Aftësia n–fq-Tranzicionet lejojnë që rryma të kalojë pothuajse vetëm në një drejtim, që përdoret në pajisjet e quajtura diodat gjysmëpërçuese. Diodat gjysmëpërçuese janë bërë nga kristale silikoni ose germanium. Gjatë prodhimit të tyre, një papastërti shkrihet në një kristal me një lloj përçueshmërie të caktuar, duke siguruar një lloj tjetër përçueshmërie.

Figura 9.8 tregon një karakteristikë tipike të tensionit të rrymës së një diode silikoni.

Quhen pajisjet gjysmëpërçuese me jo një, por dy kryqëzime n–p tranzistorë . Transistorët janë dy llojesh: fq–n–fq-tranzistorë dhe n–fq–n- tranzistorë. Në një tranzistor n–fq–n-Pllaka e tipit bazë të germaniumit ka përçueshmëri fq-lloj, dhe dy rajonet e krijuara mbi të janë përçuese n-lloji (Fig.9.9).

Në një tranzistor p–n–p- është disi e kundërta. Pllaka e tranzistorit quhet bazë(B), një nga zonat me llojin e kundërt të përçueshmërisë - koleksionist(K), dhe e dyta - emetues(E).

Përshëndetje të dashur lexues të faqes. Faqja ka një seksion të dedikuar për amatorët fillestarë të radios, por deri më tani nuk kam shkruar asgjë për fillestarët që hedhin hapat e tyre të parë në botën e elektronikës. Unë e plotësoj këtë boshllëk dhe me këtë artikull fillojmë të njihemi me strukturën dhe funksionimin e komponentëve të radios (komponentëve të radios).

Le të fillojmë me pajisjet gjysmëpërçuese. Por për të kuptuar se si funksionon një diodë, tiristor ose transistor, duhet të imagjinoni se çfarë është gjysmëpërçues. Prandaj, fillimisht do të studiojmë strukturën dhe vetitë e gjysmëpërçuesve në nivel molekular dhe më pas do të merremi me funksionimin dhe projektimin e komponentëve të radios gjysmëpërçuese.

Konceptet e përgjithshme.

Pse pikërisht gjysmëpërçues diodë, tranzistor apo tiristor? Sepse baza e këtyre komponentëve radio është gjysmëpërçuesit- substanca të afta për të përcjellë rrymën elektrike dhe për të parandaluar kalimin e saj.

Ky është një grup i madh substancash të përdorura në inxhinierinë radio (gjermanium, silikon, selen, oksid bakri), por kryesisht vetëm Silikoni(Si) dhe Germanium(Gje).

Për sa i përket vetive të tyre elektrike, gjysmëpërçuesit zënë një vend të mesëm midis përçuesve dhe jopërçuesve të rrymës elektrike.

Vetitë e gjysmëpërçuesve.

Përçueshmëria elektrike e përcjellësve varet shumë nga temperatura e ambientit.
Në shumë të ulëta temperatura afër zeros absolute (-273°C), gjysmëpërçuesit mos e kryeni rryma elektrike dhe rrit temperaturat, rezistenca e tyre ndaj rrymës zvogëlohet.

Nëse tregoni një gjysmëpërçues dritë, atëherë përçueshmëria e tij elektrike fillon të rritet. Duke përdorur këtë veti të gjysmëpërçuesve, ata u krijuan fotovoltaike pajisje. Gjysmëpërçuesit janë gjithashtu të aftë të konvertojnë energjinë e dritës në rrymë elektrike, për shembull, panelet diellore. Dhe kur futet në gjysmëpërçues papastërtitë substanca të caktuara, përçueshmëria e tyre elektrike rritet ndjeshëm.

Struktura e atomeve gjysmëpërçuese.

Germanium dhe silic janë materialet kryesore të shumë pajisjeve gjysmëpërçuese dhe kanë katër elektron valencë.

Atomi Gjermania përbëhet nga 32 elektrone dhe një atom silikon nga 14. Por vetëm 28 elektronet e atomit të germaniumit dhe 10 Elektronet e një atomi silikoni, të vendosura në shtresat e brendshme të guaskës së tyre, mbahen fort nga bërthamat dhe nuk shkëputen kurrë prej tyre. Vetëm katër Elektronet e valencës së atomeve të këtyre përcjellësve mund të bëhen të lirë, dhe madje edhe atëherë jo gjithmonë. Dhe nëse një atom gjysmëpërçues humbet të paktën një elektron, atëherë ai bëhet jon pozitiv.

Në një gjysmëpërçues, atomet janë të rregulluar në një mënyrë strikte: çdo atom është i rrethuar nga katër të njëjtat atome. Për më tepër, ato janë të vendosura aq afër njëri-tjetrit saqë elektronet e tyre të valencës formojnë orbita të vetme që kalojnë rreth atomeve fqinje, duke i lidhur kështu atomet në një substancë të vetme të tërë.

Le të imagjinojmë marrëdhënien e atomeve në një kristal gjysmëpërçues në formën e një diagrami të sheshtë.
Në diagram, topa të kuq me një plus, në mënyrë konvencionale, tregojnë bërthamat atomike(jonet pozitive), dhe topat blu janë elektronet e valencës.

Këtu mund të shihni se rreth çdo atomi ka katër saktësisht të njëjtat atome, dhe secila nga këto katër ka një lidhje me katër atome të tjera, etj. Secili prej atomeve është i lidhur me secilin fqinj dy elektronet valente, me një elektron të tijin dhe tjetrin të huazuar nga një atom fqinj. Një lidhje e tillë quhet dy-elektron ose kovalente.

Nga ana tjetër, shtresa e jashtme e shtresës elektronike të secilit atom përmban tetë elektronet: katër e tyre, dhe vetëm, huazuar nga katër fqinje atomet. Këtu nuk mund të dalloni më se cili prej elektroneve të valencës në atom është "i juaji" 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 i madh. molekulë. Në figurë, rrathët rozë dhe të verdhë tregojnë lidhjen midis shtresave të jashtme të predhave të dy atomeve fqinje.

Përçueshmëria elektrike e një gjysmëpërçuesi.

Konsideroni një vizatim të thjeshtuar të një kristali gjysmëpërçues, ku atomet përfaqësohen nga një top i kuq me një plus, dhe lidhjet ndëratomike tregohen nga dy vija që simbolizojnë elektronet e valencës.

Në temperatura afër zeros absolute, një gjysmëpërçues nuk kryen aktuale, pasi nuk ka elektronet e lira. Por me rritjen e temperaturës, lidhja e elektroneve të valencës me bërthamat atomike dobësohet dhe disa nga elektronet, për shkak të lëvizjes termike, mund të largohen nga atomet e tyre. Një elektron i shpëtuar nga një lidhje ndëratomike bëhet " falas", dhe aty ku ishte më parë, formohet një hapësirë boshe, e cila quhet në mënyrë konvencionale vrimë.

Si më të larta temperatura e gjysmëpërçuesit, më shumë ai bëhet i lirë nga elektronet dhe vrimat. Si rezultat, rezulton se formimi i një "vrime" shoqërohet me largimin e një elektroni të valencës nga guaska e një atomi, dhe vetë vrima bëhet pozitive ngarkesë elektrike e barabartë negativ ngarkesa elektronike.

Tani le të shohim figurën, e cila tregon në mënyrë skematike fenomeni i gjenerimit aktual në një gjysmëpërçues.

Nëse aplikoni pak tension në gjysmëpërçues, kontaktet "+" dhe "-", atëherë do të lindë një rrymë në të.
Për shkak të dukuritë termike, në një kristal gjysmëpërçues nga lidhjet ndëratomike do të fillojë liro veten një numër i caktuar elektronesh (topa blu me shigjeta). Tërheqja e elektroneve pozitive pol i burimit të tensionit do të jetë lëvizin drejt tij, duke lënë pas vrima, e cila do të plotësohet nga të tjerët elektronet e lëshuara. Kjo do të thotë, nën ndikimin e një fushe elektrike të jashtme, transportuesit e ngarkesës fitojnë një shpejtësi të caktuar të lëvizjes së drejtimit dhe në këtë mënyrë krijojnë elektricitet.

Për shembull: elektroni i lëshuar më afër polit pozitiv të burimit të tensionit tërheq këtë pol. Thyerja e lidhjes ndëratomike dhe lënia e saj, elektroni gjethet pas vetes vrimë. Një tjetër elektron i lëshuar, i cili ndodhet në disa heqjen edhe nga poli pozitiv tërheq shtyllë dhe lëviz ndaj tij, por duke u takuar ka një vrimë në rrugën e saj, ajo është tërhequr në të bërthamë atom, duke rivendosur lidhjen ndëratomike.

Rezultati i ri vrima pas elektronit të dytë, plotëson elektroni i tretë i lëshuar që ndodhet pranë kësaj vrime (Figura nr. 1). Nga ana e saj vrima, ndodhet më afër negativ shtyllë, e mbushur me të tjera elektronet e lëshuara(Figura nr. 2). Kështu, një rrymë elektrike lind në gjysmëpërçues.

Ndërsa në një gjysmëpërçues funksionon fushe elektrike, ky proces të vazhdueshme: lidhjet ndëratomike prishen - shfaqen elektrone të lira - krijohen vrima. Vrimat mbushen me elektrone të lëshuara - lidhjet ndëratomike rikthehen, ndërsa lidhjet e tjera ndëratomike prishen, nga të cilat elektronet largohen dhe mbushin vrimat e ardhshme (Figura nr. 2-4).

Nga kjo përfundojmë: elektronet lëvizin nga poli negativ i burimit të tensionit në pozitiv, dhe vrimat lëvizin nga poli pozitiv në negativ.

Përçueshmëria me vrima elektronike.

Në një kristal gjysmëpërçues "të pastër" numri liruar për momentin ka elektrone të barabartë me numrin duke u shfaqur në këtë rast, vrima, pra përçueshmëria elektrike e një gjysmëpërçuesi të tillë i vogël, pasi siguron rrymë elektrike i madh rezistencë, dhe kjo përçueshmëri elektrike quhet vet.

Por nëse e shtoni atë në një gjysmëpërçues në formë papastërtitë një numër i caktuar atomesh të elementeve të tjerë, atëherë përçueshmëria e tij elektrike do të rritet ndjeshëm, dhe në varësi të strukturat atomet e elementeve të papastërtive, përçueshmëria elektrike e gjysmëpërçuesit do të jetë elektronike ose vrimë.

Përçueshmëria elektronike.

Supozoni, në një kristal gjysmëpërçues në të cilin atomet kanë katër elektrone valente, ne zëvendësojmë një atom me një atom në të cilin pesë elektronet e valencës. Ky atom me të katër elektronet do të lidhen me katër atome fqinje të gjysmëpërçuesit dhe e pesta elektroni i valencës do të mbetet " e tepërt- domethënë falas. Dhe ç'farë më shumë më shumë do të ketë elektrone të lira, që do të thotë se një gjysmëpërçues i tillë do të jetë më afër në vetitë e tij me metalin, dhe në mënyrë që një rrymë elektrike të kalojë nëpër të, ai lidhjet ndëratomike nuk duhet domosdoshmërisht të shkatërrohen.

Gjysmëpërçuesit me veti të tilla quhen gjysmëpërçues me përçueshmëri "tip". n", ose gjysmëpërçuesit n-lloj. Këtu shkronja latine n vjen nga fjala "negative" - domethënë "negative". Nga kjo rrjedh se në një gjysmëpërçues n-lloj kryesore transportuesit e ngarkesave janë - elektronet, dhe jo ato kryesore - vrima.

Përçueshmëria e vrimës.

Le të marrim të njëjtin kristal, por tani zëvendësojmë atomin e tij me një atom në të cilin vetëm tre elektron i lirë. Me tre elektronet e tij do të kontaktojë vetëm tre atomet fqinje, dhe nuk do të ketë mjaftueshëm për t'u lidhur me atomin e katërt një elektron. Si rezultat, ajo formohet vrimë. Natyrisht, ai do të mbushet me çdo elektron tjetër të lirë që ndodhet afër, por, në çdo rast, nuk do të ketë gjysmëpërçues të tillë në kristal. kap elektrone për të mbushur vrimat. Dhe ç'farë më shumë do të ketë atome të tilla në një kristal, pra më shumë do të ketë vrima.

Kështu që elektronet e lira mund të lirohen dhe të lëvizin në një gjysmëpërçues të tillë, Lidhjet e valencës midis atomeve duhet të prishen. Por ende nuk do të ketë elektrone të mjaftueshme, pasi numri i vrimave do të jetë gjithmonë më shumë numri i elektroneve në çdo kohë të caktuar.

Të tillë gjysmëpërçues quhen gjysmëpërçues me vrimë përcjellshmërisë ose përcjellësve fq-lloj, i cili përkthehet nga latinishtja "pozitive" do të thotë "pozitiv". Kështu, dukuria e rrymës elektrike në një kristal gjysmëpërçues të tipit p shoqërohet me një të vazhdueshme shfaqjen Dhe zhdukje ngarkesa pozitive - vrima. Kjo do të thotë se në një gjysmëpërçues fq-lloj kryesore transportuesit e ngarkesave janë vrima, dhe jo ato kryesore - elektronet.

Tani që keni një ide për fenomenet që ndodhin në gjysmëpërçuesit, nuk do të jetë e vështirë për ju të kuptoni parimin e funksionimit të komponentëve të radios gjysmëpërçuese.

Le të ndalemi këtu dhe të shqyrtojmë pajisjen, parimin e funksionimit të diodës dhe të analizojmë karakteristikat e saj aktuale të tensionit dhe qarqet e kalimit.
Paç fat!

Burimi:

1 . Borisov V.G. - Radio amator i ri. 1985
2 . Uebfaqja akademike.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

RRYMAT NË GJYSMËPËRÇËS

Rryma e lëvizjes

Në gjysmëpërçuesit, elektronet e lira dhe vrimat janë në një gjendje lëvizjeje kaotike. Prandaj, nëse zgjidhni një seksion kryq arbitrar brenda vëllimit të gjysmëpërçuesit dhe numëroni numrin e transportuesve të ngarkesës që kalojnë nëpër këtë seksion kryq për njësi të kohës nga e majta në të djathtë dhe nga e djathta në të majtë, vlerat e këtyre numrave do të jenë njëjtë. Kjo do të thotë se nuk ka rrymë elektrike në një vëllim të caktuar të gjysmëpërçuesit.

Kur një gjysmëpërçues vendoset në një fushë elektrike me intensitet E, një komponent i lëvizjes së drejtuar mbivendoset mbi lëvizjen kaotike të transportuesve të ngarkesës. Lëvizja e drejtuar e bartësve të ngarkesës në një fushë elektrike shkakton shfaqjen e një rryme të quajtur drift (Figura 1.6, a) Për shkak të përplasjes së transportuesve të ngarkesës me atomet e rrjetës kristalore, lëvizja e tyre është në drejtim të fushës elektrike.

me ndërprerje dhe karakterizohet nga lëvizshmëri m. Lëvizshmëria është e barabartë me shpejtësinë mesatare të fituar nga transportuesit e ngarkesës në drejtim të veprimit të një fushe elektrike me forcë E = 1 V/m, d.m.th.

Lëvizshmëria e transportuesve të ngarkesës varet nga mekanizmi i shpërndarjes së tyre në rrjetën kristalore. Hulumtimet tregojnë se lëvizshmëria e elektroneve m n dhe vrimave m p kanë vlera të ndryshme (m n > m p) dhe përcaktohen nga temperatura dhe përqendrimi i papastërtive. Një rritje e temperaturës çon në një ulje të lëvizshmërisë, e cila varet nga numri i përplasjeve të transportuesve të ngarkesës për njësi të kohës.

Dendësia e rrymës në një gjysmëpërçues, e shkaktuar nga lëvizja e elektroneve të lira nën ndikimin e një fushe elektrike të jashtme me një shpejtësi mesatare, përcaktohet nga shprehja.

Lëvizja (driftimi) i vrimave në brezin e valencës me një shpejtësi mesatare krijon një rrymë vrime në gjysmëpërçues, dendësia e së cilës është . Rrjedhimisht, dendësia totale e rrymës në një gjysmëpërçues përmban elektron j n dhe vrimën j p komponentë dhe është e barabartë me shumën e tyre (n dhe p janë përqendrimet e elektroneve dhe vrimave, përkatësisht).

Duke zëvendësuar relacionin për shpejtësinë mesatare të elektroneve dhe vrimave (1.11) në shprehjen për densitetin e rrymës, marrim

(1.12)

Nëse e krahasojmë shprehjen (1.12) me ligjin e Ohmit j = sE, atëherë përçueshmëria elektrike specifike e gjysmëpërçuesit përcaktohet nga relacioni

Për një gjysmëpërçues me përçueshmëri elektrike të brendshme, përqendrimi i elektronit është i barabartë me përqendrimin e vrimës (n i = p i), dhe përçueshmëria e tij elektrike specifike përcaktohet nga shprehja

Në një gjysmëpërçues të tipit n > , dhe përçueshmëria e tij elektrike mund të përcaktohet me një shkallë të mjaftueshme saktësie nga shprehja

Në një gjysmëpërçues të tipit p > , dhe përçueshmëria elektrike e një gjysmëpërçuesi të tillë

Në temperatura të larta, përqendrimi i elektroneve dhe vrimave rritet ndjeshëm për shkak të thyerjes së lidhjeve kovalente dhe, megjithë një ulje të lëvizshmërisë së tyre, përçueshmëria elektrike e gjysmëpërçuesit rritet në mënyrë eksponenciale.

Rryma e difuzionit

Përveç ngacmimit termik, i cili çon në shfaqjen e një përqendrimi ekuilibër të ngarkesave të shpërndara në mënyrë uniforme në të gjithë vëllimin e gjysmëpërçuesit, pasurimi i gjysmëpërçuesit me elektrone në një përqendrim n p dhe vrima në një përqendrim p n mund të kryhet me anë të ndriçimit. rrezatimi me një rrjedhë grimcash të ngarkuara, futja e tyre përmes një kontakti (injeksioni), etj. Në këtë rast, energjia e ngacmuesit transferohet drejtpërdrejt në bartësit e ngarkesës dhe energjia termike e rrjetës kristalore mbetet pothuajse konstante. Rrjedhimisht, bartësit e tepërt të ngarkesës nuk janë në ekuilibër termik me rrjetën dhe për këtë arsye quhen jo ekuilibër. Ndryshe nga ato të ekuilibrit, ato mund të shpërndahen në mënyrë të pabarabartë në të gjithë vëllimin e gjysmëpërçuesit (Figura 1.6, b)

Pasi veprimi i patogjenit pushon për shkak të rikombinimit të elektroneve dhe vrimave, përqendrimi i transportuesve të tepërt zvogëlohet shpejt dhe arrin një vlerë ekuilibri.

Shkalla e rikombinimit të bartësve jo-ekuilibër është proporcionale me përqendrimin e tepërt të vrimave (p n - ) ose elektroneve (n p - ):

ku t p është jetëgjatësia e vrimave; t n - jetëgjatësia e elektronit. Gjatë jetës, përqendrimi i bartësve joekuilibër zvogëlohet me 2.7 herë. Jetëgjatësia e mediave të tepërta është 0,01...0,001 s.

Transportuesit e ngarkesës rikombinohen në pjesën më të madhe të gjysmëpërçuesit dhe në sipërfaqen e tij. Shpërndarja e pabarabartë e bartësve të ngarkesës jo ekuilibër shoqërohet me difuzionin e tyre drejt përqendrimeve më të ulëta. Kjo lëvizje e bartësve të ngarkesës shkakton kalimin e një rryme elektrike, të quajtur difuzion (Figura 1.6, b).

Le të shqyrtojmë rastin njëdimensional. Le të jenë përqendrimet e elektroneve n(x) dhe vrimave p(x) në një gjysmëpërçues funksione të koordinatës. Kjo do të çojë në lëvizjen e difuzionit të vrimave dhe elektroneve nga një zonë me një përqendrim më të lartë në një zonë me një përqendrim më të ulët.

Lëvizja e difuzionit të transportuesve të ngarkesës përcakton kalimin e një rryme difuzioni të elektroneve dhe vrimave, dendësia e të cilave përcaktohet nga marrëdhëniet:

; (1.13) ; (1.14)

ku dn(x)/dx, dp(x)/dx janë gradientët e përqendrimit të elektroneve dhe vrimave; D n, D p - koeficientët e difuzionit të elektroneve dhe vrimave.

Gradienti i përqendrimit karakterizon shkallën e pabarazisë në shpërndarjen e ngarkesave (elektrone dhe vrima) në një gjysmëpërçues përgjatë një drejtimi të zgjedhur (në këtë rast, përgjatë boshtit x). Koeficientët e difuzionit tregojnë numrin e bartësve të ngarkesës që kalojnë një njësi sipërfaqe për njësi të kohës, pingul me drejtimin e zgjedhur, me një gradient përqendrimi në këtë drejtim të barabartë me unitetin. Shanset

Difuzionet lidhen me lëvizshmërinë e bartësve të ngarkesës nga marrëdhëniet e Ajnshtajnit:

; .

Shenja minus në shprehjen (1.14) nënkupton drejtimin e kundërt të rrymave elektrike në një gjysmëpërçues gjatë lëvizjes së difuzionit të elektroneve dhe vrimave në drejtim të uljes së përqendrimeve të tyre.

Nëse një fushë elektrike dhe një gradient përqendrimi i bartësit ekzistojnë në një gjysmëpërçues, rryma që kalon do të ketë komponentë drift dhe difuzion. Në këtë rast, dendësia e rrymës llogaritet duke përdorur ekuacionet e mëposhtme:

; .