Was ist der Träger des elektrischen Stroms in Halbleitern? P-N-Übergang einer Halbleiterdiode. Eigene elektrische Leitfähigkeit

Halbleiter sind eine Klasse von Stoffen, deren Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur zunimmt und deren elektrischer Widerstand abnimmt. Darin unterscheiden sich Halbleiter grundsätzlich von Metallen.

Typische Halbleiter sind Kristalle aus Germanium und Silizium, in denen die Atome durch eine kovalente Bindung verbunden sind. Halbleiter enthalten bei jeder Temperatur freie Elektronen. Freie Elektronen können sich unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes im Kristall bewegen und einen elektronischen Leitungsstrom erzeugen. Das Entfernen eines Elektrons aus der äußeren Hülle eines der Atome des Kristallgitters führt zur Umwandlung dieses Atoms in ein positives Ion. Dieses Ion kann neutralisiert werden, indem ein Elektron von einem seiner Nachbaratome eingefangen wird. Darüber hinaus kommt es durch den Übergang von Elektronen von Atomen zu positiven Ionen im Kristall zu einem Prozess der chaotischen Bewegung der Stelle mit dem fehlenden Elektron. Äußerlich wird dieser Vorgang als Bewegung einer positiven elektrischen Ladung wahrgenommen, genannt Loch.

Wenn ein Kristall in ein elektrisches Feld gebracht wird, kommt es zu einer geordneten Bewegung der Löcher – dem Lochleitungsstrom.

In einem idealen Halbleiterkristall entsteht elektrischer Strom durch die Bewegung einer gleichen Anzahl negativ geladener Elektronen und positiv geladener Löcher. Die Leitung in idealen Halbleitern wird als intrinsische Leitfähigkeit bezeichnet.

Die Eigenschaften von Halbleitern hängen stark vom Verunreinigungsgehalt ab. Es gibt zwei Arten von Verunreinigungen – Donor und Akzeptor.

Verunreinigungen, die Elektronen abgeben und elektronische Leitfähigkeit erzeugen, werden als Verunreinigungen bezeichnet Spender(Verunreinigungen mit einer Wertigkeit größer als die des Haupthalbleiters). Halbleiter, in denen die Elektronenkonzentration die Löcherkonzentration übersteigt, werden als n-Typ-Halbleiter bezeichnet.

Als Verunreinigungen werden Verunreinigungen bezeichnet, die Elektronen einfangen und dadurch bewegliche Löcher erzeugen, ohne die Anzahl der Leitungselektronen zu erhöhen Akzeptor(Verunreinigungen mit einer geringeren Wertigkeit als die des Haupthalbleiters).

Bei niedrigen Temperaturen sind die Hauptstromträger in einem Halbleiterkristall mit einer Akzeptorverunreinigung Löcher und nicht die Hauptträger – Elektronen. Halbleiter, in denen die Konzentration der Löcher die Konzentration der Leitungselektronen übersteigt, werden Lochhalbleiter oder p-Typ-Halbleiter genannt. Betrachten wir den Kontakt zweier Halbleiter mit unterschiedlicher Leitfähigkeit.

Über die Grenze dieser Halbleiter findet eine gegenseitige Diffusion der Majoritätsträger statt: Elektronen vom n-Halbleiter diffundieren in den p-Halbleiter und Löcher vom p-Halbleiter in den n-Halbleiter. Dadurch wird der an den Kontakt angrenzende Bereich des n-Halbleiters an Elektronen verarmt und es bildet sich darin aufgrund des Vorhandenseins bloßer Verunreinigungsionen eine überschüssige positive Ladung. Die Bewegung von Löchern vom p-Halbleiter zum n-Halbleiter führt zum Auftreten einer überschüssigen negativen Ladung im Grenzbereich des p-Halbleiters. Dadurch entsteht eine elektrische Doppelschicht und es entsteht ein elektrisches Kontaktfeld, das eine weitere Diffusion der Hauptladungsträger verhindert. Diese Schicht heißt Verriegelung.

Ein äußeres elektrisches Feld beeinflusst die elektrische Leitfähigkeit der Barriereschicht. Wenn die Halbleiter wie in Abb. 55, dann bewegen sich unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes die Hauptladungsträger – freie Elektronen im p-Halbleiter und Löcher im p-Halbleiter – zueinander in Richtung der Grenzfläche der Halbleiter, während die Dicke des p-n-Übergangs nimmt ab, daher nimmt sein Widerstand ab. In diesem Fall wird der Strom durch den äußeren Widerstand begrenzt. Diese Richtung des äußeren elektrischen Feldes wird als direkt bezeichnet. Der direkte Anschluss des pn-Übergangs entspricht Abschnitt 1 zur Strom-Spannungs-Kennlinie (siehe Abb. 57).

Elektrische Stromträger in verschiedenen Umgebungen und Strom-Spannungs-Eigenschaften sind in der Tabelle zusammengefasst. 1.

Wenn die Halbleiter wie in Abb. 56, dann bewegen sich Elektronen im n-Halbleiter und Löcher im p-Halbleiter unter der Wirkung eines externen elektrischen Feldes von der Grenze in entgegengesetzte Richtungen. Die Dicke der Barriereschicht und damit ihr Widerstand nimmt zu. Bei dieser umgekehrten (blockierenden) Richtung des externen elektrischen Feldes passieren nur Minoritätsladungsträger die Grenzfläche, deren Konzentration viel geringer ist als die der Mehrheitsladungsträger, und der Strom ist praktisch gleich Null. Das umgekehrte Einschalten des pn-Übergangs entspricht Abschnitt 2 zur Strom-Spannungs-Kennlinie (Abb. 57).

Somit weist der pn-Übergang eine asymmetrische Leitfähigkeit auf. Diese Eigenschaft wird bei Halbleiterdioden mit einem einzelnen pn-Übergang genutzt und beispielsweise zur Wechselstromgleichrichtung oder -erkennung genutzt.

Halbleiter sind in der modernen Elektroniktechnik weit verbreitet.

Die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von Halbleitermetallen von der Temperatur wird in speziellen Halbleiterbauelementen genutzt - Thermistoren. Als Geräte werden Geräte bezeichnet, die die Eigenschaft von Halbleiterkristallen nutzen, bei Beleuchtung mit Licht ihren elektrischen Widerstand zu ändern Fotowiderstände.

Elektrischer Strom im Vakuum

Wenn zwei Elektroden in einem verschlossenen Gefäß platziert werden und die Luft aus dem Gefäß entfernt wird, entsteht im Vakuum kein elektrischer Strom – es gibt keine elektrischen Stromträger. Der amerikanische Wissenschaftler T. A. Edison (1847-1931) entdeckte 1879, dass in einem Vakuumglaskolben ein elektrischer Strom entstehen kann, wenn eine der darin befindlichen Elektroden auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. Das Phänomen der Emission freier Elektronen von der Oberfläche erhitzter Körper wird als thermionische Emission bezeichnet. Die Arbeit, die verrichtet werden muss, um ein Elektron von der Oberfläche eines Körpers freizusetzen, wird als Austrittsarbeit bezeichnet. Das Phänomen der thermionischen Emission wird dadurch erklärt, dass mit steigender Körpertemperatur die kinetische Energie einiger Elektronen in der Substanz zunimmt. Übersteigt die kinetische Energie eines Elektrons die Austrittsarbeit, kann es die Wirkung der Anziehungskräfte positiver Ionen überwinden und die Körperoberfläche im Vakuum verlassen. Der Betrieb verschiedener Elektronenröhren basiert auf dem Phänomen der thermionischen Emission.

Lektion Nr. 41-169 Elektrischer Strom in Halbleitern. Halbleiterdiode. Halbleiterbauelemente.

Ein Halbleiter ist ein Stoff, dessen spezifischer Widerstand in einem weiten Bereich variieren kann und mit zunehmender Temperatur sehr schnell abnimmt, was bedeutet, dass die elektrische Leitfähigkeit zunimmt. Es wird in Silizium, Germanium, Selen und einigen Verbindungen beobachtet. Leitungsmechanismus in Halbleitern Halbleiterkristalle haben ein atomares Kristallgitter, in dem äußere Elektronen durch kovalente Bindungen an benachbarte Atome gebunden sind. Bei niedrigen Temperaturen haben reine Halbleiter keine freien Elektronen und verhalten sich wie ein Isolator. Wenn der Halbleiter rein ist (ohne Verunreinigungen), dann hat er eine eigene Leitfähigkeit (gering). Es gibt zwei Arten von Eigenleitfähigkeit: 1) elektronische (Leitfähigkeit) P"-Typ) Bei niedrigen Temperaturen in Halbleitern sind alle Elektronen mit den Kernen verbunden und der Widerstand ist hoch; Mit steigender Temperatur steigt die kinetische Energie der Teilchen, Bindungen werden aufgelöst und freie Elektronen treten auf - der Widerstand nimmt ab. Freie Elektronen Die elektronische Leitfähigkeit von Halbleitern ist auf das Vorhandensein freier Elektronen (2) zurückzuführen. Mit zunehmender Temperatur werden kovalente Bindungen zwischen Valenzelektronen zerstört Es entsteht ein „Loch“, dessen Platz durch Valenzelektronen ersetzt werden kann. Die Bewegung des „Lochs“ erfolgt in Richtung des elektrischen Feldstärkevektors . Das Aufbrechen kovalenter Bindungen und die Entstehung der intrinsischen Leitfähigkeit von Halbleitern kann durch Erwärmung, Beleuchtung (Photoleitung) und die Einwirkung starker elektrischer Felder verursacht werden. Abhängigkeit R(t): Thermistor
- Fernmessung t; - Feueralarm

Die Gesamtleitfähigkeit eines reinen Halbleiters ist die Summe der Leitfähigkeiten vom „p“- und „n“-Typ und wird Elektron-Loch-Leitfähigkeit genannt. Halbleiter mit Verunreinigungen Sie verfügen über Eigen- und Fremdleitfähigkeit. Das Vorhandensein von Verunreinigungen erhöht die Leitfähigkeit erheblich. Wenn sich die Konzentration der Verunreinigungen ändert, ändert sich die Anzahl der elektrischen Stromträger – Elektronen und Löcher. Die Fähigkeit, den Strom zu steuern, liegt der weit verbreiteten Verwendung von Halbleitern zugrunde. Folgende Verunreinigungen liegen vor: 1) Spenderverunreinigungen (Spenden) – sind zusätzlich Sie liefern Elektronen an Halbleiterkristalle, geben leicht Elektronen ab und erhöhen die Anzahl freier Elektronen im Halbleiter. Das sind die Dirigenten“ n "-Typ, d. h. Halbleiter mit Donator-Verunreinigungen, bei denen der Hauptladungsträger Elektronen und der Minoritätsladungsträger Löcher sind. Ein solcher Halbleiter hat die Leitfähigkeit elektronischer Verunreinigungen (z. B. Arsen). 2) Akzeptorverunreinigungen (Empfänger) erzeugen „Löcher“, indem sie Elektronen in sich aufnehmen. Dabei handelt es sich um Halbleiter vom Typ „p“, d. h. Halbleiter mit Akzeptorverunreinigungen, in denen sich der Hauptladungsträger befindet Löcher und die Minderheit - Elektronen. Ein solcher Halbleiter hat Lochverunreinigungsleitfähigkeit (Beispiel - Indium). Elektrische Eigenschaften „p- N„Übergänge.„pn“-Übergang (oder Elektron-Loch-Übergang) ist der Kontaktbereich zweier Halbleiter, in dem sich die Leitfähigkeit von elektronisch zu Loch (oder umgekehrt) ändert. IN Solche Bereiche können in einem Halbleiterkristall durch das Einbringen von Verunreinigungen erzeugt werden. In der Kontaktzone zweier Halbleiter mit unterschiedlicher Leitfähigkeit findet eine gegenseitige Diffusion von Elektronen und Löchern statt und es bildet sich eine Sperrbarriere. elektrische Schicht. Das elektrische Feld der Barriereschicht verhindertweiterer Übergang von Elektronen und Löchern über die Grenze. Die Sperrschicht weist im Vergleich zu anderen Bereichen des Halbleiters einen erhöhten Widerstand auf. IN Das äußere elektrische Feld beeinflusst den Widerstand der Barriereschicht. In der Vorwärtsrichtung (Durchgangsrichtung) des externen elektrischen Feldes fließt der Strom durch die Grenze zweier Halbleiter. Weil Elektronen und Löcher bewegen sich aufeinander zu, zur Grenzfläche hin, dann die Elektronen Beim Überqueren der Grenze füllen sie die Löcher. Die Dicke der Sperrschicht und ihr Widerstand nehmen kontinuierlich ab.

P Bei einer Sperrung (umgekehrte Richtung des externen elektrischen Feldes) fließt kein Strom durch die Kontaktfläche zweier Halbleiter. Weil Elektronen und Löcher bewegen sich von der Grenze in entgegengesetzte Richtungen, dann von der Sperrschicht verdickt sich, sein Widerstand erhöht sich. Somit weist der Elektron-Loch-Übergang eine Einwegleitfähigkeit auf.

Halbleiterdiode- Halbleiter mit einem pn-Übergang.P
Halbleiterdioden sind die Hauptelemente von Wechselstromgleichrichtern.
Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird: In einer Richtung ist der Widerstand des Halbleiters hoch, in der entgegengesetzten Richtung ist der Widerstand niedrig.
Transistoren.(von den englischen Wörtern Transfer – Transfer, Widerstand – Widerstand) Betrachten wir einen der Transistortypen aus Germanium oder Silizium mit eingebrachten Donor- und Akzeptor-Verunreinigungen. Die Verteilung der Verunreinigungen ist so, dass eine sehr dünne (in der Größenordnung von mehreren Mikrometern) Schicht aus Halbleiter vom n-Typ zwischen zwei Schichten aus Halbleiter vom p-Typ entsteht (siehe Abbildung). Diese dünne Schicht heißt Basis oder Base. Im Kristall bilden sich zwei R-n Knotenpunkte, deren Vorwärtsrichtung entgegengesetzt ist. Drei Anschlüsse aus Bereichen mit unterschiedlicher Leitfähigkeit ermöglichen die Einbindung eines Transistors in die in der Abbildung dargestellte Schaltung. Wenn dieser Schalter eingeschaltet ist, wird die linke Seite angezeigt R-n-Übergang ist Direkte und trennt die Basis vom Bereich mit p-Leitfähigkeit, genannt Emitter. Wenn es kein Recht gäbe R-n-Übergang, in der Emitter-Basis-Schaltung würde ein Strom abhängig von der Spannung der Quellen (Batterien) fließen B1 und Wechselspannungsquelle) und Schaltungswiderstand, einschließlich des niedrigen Widerstands der direkten Emitter-Basis-Verbindung. Batterie B2 eingeschaltet, so dass das Recht R Der -n-Anschluss in der Schaltung (siehe Abbildung) ist umkehren. Es trennt die Basis vom rechten Bereich mit sogenannter p-Leitfähigkeit Kollektor. Wenn es keine mehr gäbe R-n-Übergang würde der Strom im Kollektorkreis nahe Null liegen, da der Widerstand des umgekehrten Übergangs sehr hoch ist. Wenn links Strom fließt R-n-Übergang tritt im Kollektorkreis ein Strom auf, und der Strom im Kollektor ist nur geringfügig kleiner als der Strom im Emitter (wenn eine negative Spannung an den Emitter angelegt wird, dann die linke). R Der -n-Übergang wird umgekehrt und es fließt praktisch kein Strom im Emitter- oder Kollektorkreis. Wenn zwischen Emitter und Basis eine Spannung angelegt wird, dringen die Majoritätsträger eines p-Typ-Halbleiters – Löcher – in die Basis ein, wo sie bereits Minoritätsträger sind. Da die Dicke der Basis sehr gering ist und die Anzahl der darin enthaltenen Mehrheitsträger (Elektronen) gering ist, verbinden sich die Löcher, die in sie gelangen, fast nicht mit den Elektronen der Basis (rekombinieren sie nicht) und dringen in den Kollektor ein zur Verbreitung. Rechts R Der -n-Übergang ist für die Hauptladungsträger der Basiselektronen geschlossen, nicht jedoch für Löcher. Im Kollektor werden Löcher durch das elektrische Feld weggetragen und schließen den Stromkreis. Die Stärke des von der Basis in den Emitterkreis abzweigenden Stroms ist sehr gering, da die Querschnittsfläche der Basis in der horizontalen Ebene (siehe Abbildung oben) viel kleiner ist als der Querschnitt in der vertikalen Ebene.

Der Strom im Kollektor, der nahezu gleich dem Strom im Emitter ist, ändert sich zusammen mit dem Strom im Emitter. Widerstand R hat wenig Einfluss auf den Kollektorstrom und dieser Widerstand kann ziemlich groß gemacht werden. Durch die Steuerung des Emitterstroms mithilfe einer an seinen Stromkreis angeschlossenen Wechselspannungsquelle erhalten wir eine synchrone Änderung der Spannung am Widerstand R .

Bei einem großen Widerstand kann die Spannungsänderung an ihm zehntausendmal größer sein als die Signalspannungsänderung im Emitterkreis. Das bedeutet erhöhte Spannung. Daher bei Last R Es ist möglich, elektrische Signale zu erhalten, deren Leistung um ein Vielfaches größer ist als die in den Emitterkreis eingehende Leistung.

Anwendung von Transistoren Eigenschaften R-n-Übergänge in Halbleitern werden zur Verstärkung und Erzeugung elektrischer Schwingungen verwendet.

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In dieser Lektion werden wir uns ein solches Medium für den Durchgang von elektrischem Strom wie Halbleiter ansehen. Wir werden das Prinzip ihrer Leitfähigkeit, die Abhängigkeit dieser Leitfähigkeit von der Temperatur und das Vorhandensein von Verunreinigungen betrachten, wir werden ein Konzept wie einen pn-Übergang und grundlegende Halbleiterbauelemente betrachten.

Wenn Sie eine direkte Verbindung herstellen, neutralisiert das äußere Feld das blockierende und der Strom wird von den Hauptladungsträgern getragen (Abb. 9).

Reis. 9. p-n-Übergang mit direkter Verbindung ()

In diesem Fall ist der Strom der Minderheitsträger vernachlässigbar, er ist praktisch nicht vorhanden. Daher sorgt der pn-Übergang für eine einseitige Leitung des elektrischen Stroms.

Reis. 10. Atomstruktur von Silizium bei steigender Temperatur

Die Leitfähigkeit von Halbleitern ist die Elektronen-Loch-Leitfähigkeit, und diese Leitfähigkeit wird als intrinsische Leitfähigkeit bezeichnet. Und im Gegensatz zu Leitermetallen nimmt mit steigender Temperatur die Anzahl der freien Ladungen zu (im ersten Fall ändert sie sich nicht), daher steigt die Leitfähigkeit von Halbleitern mit steigender Temperatur und der Widerstand nimmt ab (Abb. 10).

Ein sehr wichtiges Thema bei der Untersuchung von Halbleitern ist das Vorhandensein von Verunreinigungen in ihnen. Und im Falle des Vorhandenseins von Verunreinigungen sollten wir über die Leitfähigkeit der Verunreinigung sprechen.

Halbleiterbauelemente

Aufgrund ihrer geringen Größe und der sehr hohen Qualität der übertragenen Signale sind Halbleiterbauelemente in der modernen elektronischen Technologie weit verbreitet. Die Zusammensetzung solcher Geräte kann nicht nur das oben erwähnte Silizium mit Verunreinigungen, sondern beispielsweise auch Germanium enthalten.

Ein solches Gerät ist eine Diode – ein Gerät, das Strom in eine Richtung leiten und in der anderen verhindern kann. Es wird durch Implantation eines Halbleiters eines anderen Typs in einen Halbleiterkristall vom p- oder n-Typ erhalten (Abb. 11).

Reis. 11. Bezeichnung der Diode im Diagramm bzw. im Diagramm ihres Geräts

Ein anderes Gerät, jetzt mit zwei pn-Übergängen, wird Transistor genannt. Es dient nicht nur dazu, die Richtung der Stromübertragung auszuwählen, sondern auch zu transformieren (Abb. 12).

Reis. 12. Diagramm der Struktur des Transistors bzw. seiner Bezeichnung im Schaltplan ()

Es ist zu beachten, dass moderne Mikroschaltungen viele Kombinationen von Dioden, Transistoren und anderen elektrischen Geräten verwenden.

In der nächsten Lektion werden wir uns mit der Ausbreitung von elektrischem Strom im Vakuum befassen.

Referenzliste

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Physik (Grundniveau) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Physik 10. Klasse. - M.: Ilexa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Physik. Elektrodynamik. - M.: 2010.

1. Funktionsprinzipien von Geräten ().
2. Enzyklopädie der Physik und Technologie ().

Hausaufgaben

1. Was bewirkt, dass Leitungselektronen in einem Halbleiter erscheinen?
2. Was ist die Eigenleitfähigkeit eines Halbleiters?
3. Wie hängt die Leitfähigkeit eines Halbleiters von der Temperatur ab?
4. Wie unterscheidet sich eine Donor-Verunreinigung von einer Akzeptor-Verunreinigung?
5. *Wie groß ist die Leitfähigkeit von Silizium mit einer Beimischung von a) Gallium, b) Indium, c) Phosphor, d) Antimon?

Erjutkin Jewgenij Sergejewitsch
Physiklehrer der höchsten Qualifikationskategorie, Staatliche Bildungseinrichtung Sekundarschule Nr. 1360, Moskau

Wenn Sie eine direkte Verbindung herstellen, neutralisiert das äußere Feld das Sperrfeld und der Strom wird von den Hauptladungsträgern getragen.

Reis. 9. p-n-Übergang mit direkter Verbindung ()

In diesem Fall ist der Strom der Minderheitsträger vernachlässigbar, er ist praktisch nicht vorhanden. Daher sorgt der pn-Übergang für eine einseitige Leitung des elektrischen Stroms.

Reis. 10. Atomstruktur von Silizium bei steigender Temperatur

Die Leitfähigkeit von Halbleitern ist die Elektronen-Loch-Leitfähigkeit, und diese Leitfähigkeit wird als intrinsische Leitfähigkeit bezeichnet. Und im Gegensatz zu Leitermetallen nimmt mit steigender Temperatur die Anzahl der freien Ladungen zu (im ersten Fall ändert sie sich nicht), daher steigt die Leitfähigkeit von Halbleitern mit steigender Temperatur und der Widerstand nimmt ab

Ein sehr wichtiges Thema bei der Untersuchung von Halbleitern ist das Vorhandensein von Verunreinigungen in ihnen. Und im Falle des Vorhandenseins von Verunreinigungen sollten wir über die Leitfähigkeit der Verunreinigung sprechen.

Aufgrund ihrer geringen Größe und der sehr hohen Qualität der übertragenen Signale sind Halbleiterbauelemente in der modernen elektronischen Technologie weit verbreitet. Die Zusammensetzung solcher Geräte kann nicht nur das oben erwähnte Silizium mit Verunreinigungen, sondern beispielsweise auch Germanium enthalten.

Ein solches Gerät ist eine Diode – ein Gerät, das Strom in eine Richtung leiten und verhindern kann, dass er in eine andere Richtung fließt. Es wird durch Implantation eines Halbleiters eines anderen Typs in einen Halbleiterkristall vom p- oder n-Typ erhalten.

Reis. 11. Bezeichnung der Diode im Diagramm bzw. im Diagramm ihres Geräts

Ein anderes Gerät, jetzt mit zwei pn-Übergängen, wird Transistor genannt. Es dient nicht nur dazu, die Richtung der Stromübertragung auszuwählen, sondern auch umzuwandeln.

Reis. 12. Diagramm der Struktur des Transistors bzw. seiner Bezeichnung im Schaltplan ()

Es ist zu beachten, dass moderne Mikroschaltungen viele Kombinationen von Dioden, Transistoren und anderen elektrischen Geräten verwenden.

In der nächsten Lektion werden wir uns mit der Ausbreitung von elektrischem Strom im Vakuum befassen.

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Physik (Grundniveau) M.: Mnemosyne. 2012
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Physik 10. Klasse. M.: Ilexa. 2005
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Physik. Elektrodynamik M.: 2010

1. Funktionsprinzipien von Geräten ().
2. Enzyklopädie der Physik und Technologie ().

1. Was bewirkt, dass Leitungselektronen in einem Halbleiter erscheinen?
2. Was ist die Eigenleitfähigkeit eines Halbleiters?
3. Wie hängt die Leitfähigkeit eines Halbleiters von der Temperatur ab?
4. Wie unterscheidet sich eine Donor-Verunreinigung von einer Akzeptor-Verunreinigung?
5. *Wie groß ist die Leitfähigkeit von Silizium mit einer Beimischung von a) Gallium, b) Indium, c) Phosphor, d) Antimon?

Bei Halbleitern handelt es sich dabei um die gerichtete Bewegung von Löchern und Elektronen, die durch ein elektrisches Feld beeinflusst wird.

Als Ergebnis der Experimente wurde festgestellt, dass der elektrische Strom in Halbleitern nicht mit der Übertragung von Materie einhergeht – in ihnen treten keine chemischen Veränderungen auf. Somit können Elektronen als Stromträger in Halbleitern betrachtet werden.

Anhand dieses Indikators kann die Fähigkeit eines Materials bestimmt werden, darin einen elektrischen Strom zu bilden. Leiter nehmen eine Zwischenstellung zwischen Leitern und Dielektrika ein. Halbleiter sind verschiedene Arten von Mineralien, einige Metalle, Metallsulfide usw. Elektrischer Strom in Halbleitern entsteht durch die Konzentration freier Elektronen, die sich in der Substanz gerichtet bewegen können. Beim Vergleich von Metallen und Leitern lässt sich feststellen, dass es einen Unterschied im Einfluss der Temperatur auf deren Leitfähigkeit gibt. Eine Temperaturerhöhung führt zu einer Abnahme der Leitfähigkeit von Halbleitern. Wenn die Temperatur in einem Halbleiter steigt, wird die Bewegung freier Elektronen chaotischer. Dies ist auf eine Zunahme der Kollisionszahlen zurückzuführen. Allerdings steigt in Halbleitern im Vergleich zu Metallen die Konzentration freier Elektronen deutlich an. Diese Faktoren haben den gegenteiligen Effekt auf die Leitfähigkeit: Je mehr Kollisionen, desto geringer die Leitfähigkeit; In Metallen besteht kein Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Konzentration freier Elektronen, sodass bei einer Änderung der Leitfähigkeit mit steigender Temperatur die Möglichkeit einer geordneten Bewegung freier Elektronen nur abnimmt. Bei Halbleitern ist der Effekt mit zunehmender Konzentration stärker. Je stärker also die Temperatur steigt, desto größer wird die Leitfähigkeit.

Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Bewegung von Ladungsträgern und einem Konzept wie elektrischem Strom in Halbleitern. In Halbleitern wird das Erscheinungsbild von Ladungsträgern durch verschiedene Faktoren geprägt, wobei Temperatur und Reinheit des Materials besonders wichtig sind. Aufgrund ihrer Reinheit werden Halbleiter in Verunreinigungshalbleiter und intrinsische Halbleiter unterteilt.

Für den eigenen Leiter kann der Einfluss von Verunreinigungen bei einer bestimmten Temperatur nicht als signifikant angesehen werden. Da die Bandlücke in Halbleitern klein ist, ist das Valenzband im nativen Halbleiter bei Erreichen der Temperatur vollständig mit Elektronen gefüllt. Das Leitungsband ist jedoch völlig frei: Es besitzt keine elektrische Leitfähigkeit und fungiert als ideales Dielektrikum. Bei anderen Temperaturen besteht die Möglichkeit, dass bestimmte Elektronen aufgrund thermischer Schwankungen die Potentialbarriere überwinden und in das Leitungsband gelangen.

Thomson-Effekt

Das Prinzip des thermoelektrischen Thomson-Effekts: Wenn ein elektrischer Strom durch Halbleiter geleitet wird, entlang derer ein Temperaturgradient herrscht, werden zusätzlich zur Jouleschen Wärme je nach Stromflussrichtung zusätzliche Wärmemengen abgegeben oder absorbiert.

Eine unzureichend gleichmäßige Erwärmung einer Probe mit homogener Struktur beeinträchtigt deren Eigenschaften, wodurch die Substanz inhomogen wird. Somit ist das Thomson-Phänomen ein spezifisches Pelte-Phänomen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass es nicht die unterschiedliche chemische Zusammensetzung der Probe ist, sondern die ungewöhnliche Temperatur, die diese Heterogenität verursacht.