Elektrischer Strom in Halbleitern; Anwendung von Halbleiterbauelementen. Elektrischer Strom in Halbleitern. Halbleiterdiode. Halbleiterbauelemente
Zweck der Lektion: sich eine Vorstellung von Freiheit zu machen
elektrische Ladungsträger in Halbleitern und
die Natur des elektrischen Stroms in Halbleitern.
Unterrichtsart: Lektion zum Erlernen neuer Materialien.
UNTERRICHTSPLAN
Wissenscheck 5 Min. 1. Elektrischer Strom in Metallen.
2. Elektrischer Strom in Elektrolyten.
3. Faradaysches Gesetz für die Elektrolyse.
4. Elektrischer Strom in Gasen
Demonstrationen
5 Minuten. Fragmente des Videofilms „Elektrischer Strom in
Halbleiter“
Neue Dinge lernen
Material
28
Mindest.
1. Ladungsträger in Halbleitern.
2. Verunreinigungsleitfähigkeit von Halbleitern.
3. Elektron-Loch-Übergang.
4. Halbleiterdioden und Transistoren.
5. Integrierte Schaltkreise
Konsolidierung
studiert
Material
7 Min. 1. Qualitative Fragen.
2. Lernen, Probleme zu lösen
NEUES MATERIAL LERNEN
1. Ladungen in Halbleitern transportieren
Spezifische Widerstände von Halbleitern im Raum
Temperaturen haben Werte, die stark schwanken
Intervall, d.h. von 10-3 bis 107 Ohm m, und besetzen
Zwischenstellung zwischen Metallen und Dielektrika.
Halbleiter sind Stoffe, deren spezifischer Widerstand
nimmt mit steigender Temperatur sehr schnell ab.
Halbleiter enthalten viele chemische Elemente
(Bor, Silizium, Germanium, Phosphor, Arsen, Selen, Tellur usw.),
eine große Anzahl von Mineralien, Legierungen und Chemikalien
Verbindungen. Fast alle anorganischen Stoffe in der Umwelt
Welt - Halbleiter.
Für ausreichend niedrige Temperaturen und das Fehlen äußerer Einflüsse
Auswirkungen
Beleuchtung oder Heizung)
Halbleiter leiten keinen elektrischen Strom: bei diesen
Bedingungen sind alle Elektronen in Halbleitern
in Verbindung gebracht.
Allerdings ist die Verbindung der Elektronen mit ihren Atomen in
in Halbleitern ist nicht so stark wie in Dielektrika. Und in
bei erhöhter Temperatur, sowie bei hellem Licht
Einige Elektronen lösen sich von ihren Atomen und werden
kostenlose Gebühren, das heißt, sie können sich überall bewegen
Probe.
Aus diesem Grund entstehen Halbleiter
Negative Ladungsträger sind freie Elektronen.
Wenn einem Atom ein Elektron entzogen wird, entsteht eine positive Ladung
dieses Atoms wird unkompensiert, d.h. an diesem Ort
Es gibt noch etwas Positives
Das
die positive Ladung wird als „Loch“ bezeichnet. Atom, nah
das sich ein Loch gebildet hat, kann von den angeschlossenen Personen mitgenommen werden
Elektron von einem benachbarten Atom, und das Loch wird sich dorthin bewegen
benachbartes Atom, und dieses Atom wiederum kann „übertragen“
Loch weiter.
Diese „Staffellauf“-Bewegung gebundener Elektronen kann sein
Betrachten Sie es als die Bewegung von Löchern,
also
positive Ladungen.
(Zum Beispiel,
Aufladung.
Halbleiterleitfähigkeit aufgrund von Bewegung
Löcher nennt man lochförmig.
Unterschied zwischen Lochleitfähigkeit und
Auf diese Weise,
elektronisch ist die elektronische Leitfähigkeit
wird durch die Bewegung freier Moleküle in Halbleitern verursacht
Elektronen und das Loch - durch die Bewegung gebundener Elektronen.
In einem reinen Halbleiter (ohne Verunreinigungen) fließt der elektrische Strom
erzeugt die gleiche Anzahl freier Elektronen und Löcher.
Diese Leitfähigkeit wird intrinsische Leitfähigkeit genannt
Halbleiter.
2. Verunreinigungsleitfähigkeit von Halbleitern
Bei Zugabe zu reinem geschmolzenem Silizium
eine kleine Menge Arsen (ca. 10-5 %), danach
Beim Aushärten entsteht ein regelmäßiges Kristallgitter
Silizium, aber an einigen Gitterplätzen anstelle von Siliziumatomen
Es wird Arsenatome geben.
Arsen ist bekanntermaßen ein fünfwertiges Element. Chotivalentni
Elektronen bilden gepaarte elektronische Bindungen mit benachbarten Elektronen
Siliziumatome. Das fünfte Valenzelektron der Bindung ist es nicht
genug, und es wird so schwach an das Arsenatom gebunden sein,
was leicht frei wird. Infolgedessen alle
Das Verunreinigungsatom gibt ein freies Elektron ab.
Als Verunreinigungen bezeichnet man Verunreinigungen, deren Atome leicht Elektronen abgeben
Spender
Elektronen aus Siliziumatomen können frei werden,
Sie bilden ein Loch, sodass sie gleichzeitig im Kristall verbleiben können
Verunreinigungen, die Elektronen von Atomen „einfangen“.
werden genannt
Es existieren freie Elektronen und Löcher. Jedoch
Es wird um ein Vielfaches mehr freie Elektronen als Löcher geben.
Halbleiter, in denen sich die Hauptladungsträger befinden
Wenn Sie eine kleine Menge Silizium hinzufügen
dreiwertiges Indium,
dann die Natur der Leitfähigkeit
Halbleiter werden sich verändern. Da Indium drei hat
Valenzelektron, dann kann es eine kovalente Bindung aufbauen
Bindung mit nur drei benachbarten Atomen. Etablieren
Es wird keine ausreichende Verbindung zum vierten Elektronenatom geben. Indium
„leiht“ sich ein Elektron von benachbarten Atomen, was zu jedem führt
Das Indien-Atom bildet eine freie Stelle – ein Loch.
Akzeptor.
Im Falle einer Akzeptorverunreinigung sind es die Hauptladungsträger
beim Durchgang von elektrischem Strom
Halbleiter hat Löcher. Halbleiter, in denen
Die Hauptladungsträger sind Löcher, sogenannte Löcher
Halbleiter vom p-Typ.
Fast alle Halbleiter enthalten sowohl Donor- als auch
Akzeptorverunreinigungen. Halbleiter-Leitfähigkeitstyp
Erkennt Verunreinigungen mit höherer Trägerkonzentration
Ladung - Elektronen und Löcher.
3. Elektron-Loch-Übergang
Zu den physikalischen Eigenschaften von Halbleitern gehören
Die Eigenschaften von Kontakten (p-n-
Übergang) zwischen Halbleitern unterschiedlichen Typs
Leitfähigkeit.
In einem Halbleiter vom n-Typ sind Elektronen an der Wärme beteiligt
Bewegung und diffundieren über die Grenze in den Halbleiter p-
Typ, bei dem ihre Konzentration viel geringer ist. Genau so
Löcher diffundieren vom p-Typ-Halbleiter hinein
Halbleiter vom n-Typ. Dies geschieht ähnlich wie
Atome des gelösten Stoffes diffundieren aus dem Feststoff
Lösung im Falle einer Kollision in eine schwache Lösung umwandeln.
Durch die Diffusion wird der Bereich in der Nähe des Kontakts verarmt
Hauptladungsträger: in einem Halbleiter vom n-Typ
die Elektronenkonzentration nimmt ab und im Halbleiter p-
Typ - Konzentration der Löcher.
Deshalb der Widerstand
Die Kontaktfläche erweist sich als sehr bedeutsam.
Die Diffusion von Elektronen und Löchern durch den pn-Übergang führt dazu
weil der Halbleiter vom n-Typ ist, aus dem Elektronen kommen,
ist positiv und p-Typ negativ geladen. Entsteht
doppelte elektrische Schicht, die ein elektrisches Feld erzeugt,
was eine weitere Verbreitung von freiem Material verhindert
Stromträger durch Halbleiterkontakte. Aus irgendeinem Grund
Spannung zwischen der doppelt geladenen Schicht weiter
Verarmung des Kontaktgebiets mit den Hauptträgern
stoppt.
Wenn wir nun den Halbleiter an eine Stromquelle anschließen
damit sein elektronischer Bereich verbunden ist
negativer Pol der Quelle und der Loch eins - mit
positiv, dann das von der Quelle erzeugte elektrische Feld
Der Strom wird so gelenkt, dass er die Hauptleitung bewegt
Stromträger in jedem Abschnitt des Halbleiters mit p-n-
Übergang.
Bei Kontakt wird der Bereich mit Basic angereichert
Stromträger, und sein Widerstand wird abnehmen. Durch
Der Kontakt führt einen spürbaren Strom. Stromrichtung in
Dieser Fall wird durch oder direkt aufgerufen.
Wenn wir einen Halbleiter vom n-Typ anschließen
positiv und p-typ an den negativen pol der quelle,
dann erweitert sich die Kontaktfläche. Flächenwiderstand
nimmt deutlich zu. Der Strom durch die Übergangsschicht wird sein
sehr klein. Diese Stromrichtung wird als Schließen oder Schließen bezeichnet
umkehren.
4. Halbleiterdioden und Transistoren
Daher über die Halbleiterschnittstelle vom n-Typ
und der elektrische Strom vom p-Typ fließt nur in eine Richtung -
vom p-Typ-Halbleiter zum n-Typ-Halbleiter.
Dies wird in Geräten namens Dioden verwendet.
Zur Gleichrichtung von Strom werden Halbleiterdioden eingesetzt
Wechselrichtung (ein solcher Strom wird als Wechselstrom bezeichnet) und
auch für die Produktion von LEDs. Halbleiter
Gleichrichter zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer aus
verwenden.
Geräte:
Halbleiterdioden werden häufig verwendet
Funktechnik
Radios,
Videorecorder, Fernseher, Computer.
Eine noch wichtigere Anwendung von Halbleitern ist geworden
Transistor. Es besteht aus drei Halbleiterschichten:
An den Rändern und dazwischen befinden sich Halbleiter des gleichen Typs
Sie sind eine dünne Schicht eines anderen Halbleitertyps. Breit
Der Einsatz von Transistoren beruht auf der Tatsache, dass mit ihrer Hilfe
Elektrische Signale können verstärkt werden. Deshalb der Transistor
ist zum Hauptelement vieler Halbleiter geworden
Geräte.
5. Integrierte Schaltkreise
Halbleiterdioden und Transistoren sind
„Bausteine“ sehr komplexer Geräte genannt
integrierte Schaltkreise.
Mikrochips funktionieren heute in Computern und Fernsehern,
Mobiltelefone und künstliche Satelliten,
V
Autos, Flugzeuge und sogar Waschmaschinen.
Ein integrierter Schaltkreis wird auf einem Siliziumwafer hergestellt.
Die Größe der Platte liegt zwischen einem Millimeter und einem Zentimeter
Eine solche Platte bietet Platz für bis zu eine Million
Komponenten - winzige Dioden, Transistoren, Widerstände und
usw.
Die wichtigen Vorteile integrierter Schaltkreise sind
hohe Leistung und Zuverlässigkeit sowie niedrige
Preis. Dies ist dem Integral zu verdanken
Schaltkreise und es ist gelungen, komplexe, aber viele Geräte zu erstellen,
Computer und moderne Haushaltsgeräte.
FRAGEN AN STUDENTEN WÄHREND DER PRÄSENTATION NEUER MATERIALIEN
Erste Ebene
1. Welche Stoffe können als Halbleiter eingestuft werden?
2. Die Bewegung geladener Teilchen erzeugt einen Strom
Halbleiter?
3. Warum ist der Widerstand von Halbleitern so hoch?
hängt vom Vorhandensein von Verunreinigungen ab?
4. Wie entsteht ein pn-Übergang? Welche Eigenschaft hat p-n-?
Übergang?
5. Warum freie Ladungsträger nicht passieren können
durch einen pn-Übergang eines Halbleiters?
Zweites Level
1. Nach dem Einbringen von Arsenverunreinigungen in Germanium erfolgt die Konzentration
Ist das die Konzentration der Löcher?
2. Mit Hilfe welcher Erfahrung kann man einseitig überzeugt werden
Leitfähigkeit einer Halbleiterdiode?
3. Ist es möglich, durch Schmelzen von Zinn einen pn-Übergang zu erhalten?
zu Germanium oder Silizium?
KONSTRUKTION VON GELERNTEM MATERIAL
1). Qualitative Fragen
1.
Warum sind die Anforderungen an die Halbleiterreinheit
Materialien sind sehr hoch (in einigen Fällen ist dies nicht zulässig).
das Vorhandensein auch nur eines Verunreinigungsatoms pro Million Atome)?
2. Nach dem Einbringen von Arsenverunreinigungen in Germanium erfolgt die Konzentration
Leitungselektronen erhöht. Wie hat es sich wann verändert?
Ist das die Konzentration der Löcher?
3. Was passiert beim Kontakt zweier Halbleiter n- und p-
wie?
4. Die geschlossene Box enthält eine Halbleiterdiode und
Rheostat. Die Enden der Geräte werden herausgeführt und angeschlossen
Terminals. Wie kann festgestellt werden, welche Anschlüsse zur Diode gehören?
2). Lernen, Probleme zu lösen
1. Welche Art von Leitfähigkeit (elektronisch oder Loch) hat es?
Silizium mit einer Beimischung von Gallium? Indien? Phosphor? Antimon?
2. Welche Art von Leitfähigkeit (elektronisch oder Loch) wird vorhanden sein?
Silizium, wenn Phosphor hinzugefügt wird? Bor? Aluminium?
Arsen?
3. Wie ändert sich der Widerstand einer Siliziumprobe mit einer Verunreinigung?
Phosphor, wenn Sie eine Beimischung von Gallium hinzufügen? Konzentration
der Phosphor- und Galliumatome ist gleich. (Antwort: wird zunehmen)
WAS WIR IN DER LEKTION GELERNT HABEN
Halbleiter sind Stoffe, deren spezifischer Widerstand
nimmt mit steigender Temperatur sehr schnell ab.
Elektronen werden Elektron genannt.
Leitfähigkeit eines Halbleiters aufgrund von Bewegung
Löcher nennt man lochförmig.
Als Verunreinigungen bezeichnet man Verunreinigungen, deren Atome leicht Elektronen abgeben
Spender
sind Elektronen, sogenannte n-Halbleiter.
Verunreinigungen, die die Elektronen von Atomen „einfangen“.
Kristallgitter von Halbleitern,
werden genannt
Akzeptor.
· Halbleiter, in denen sich die Hauptladungsträger befinden
sind Löcher, sogenannte p-Halbleiter.
Kontakt zweier Halbleiter unterschiedlichen Typs
Leitfähigkeit hat die Eigenschaft, Strom gut zu leiten
Richtung und noch viel schlimmer in die entgegengesetzte Richtung
Richtung, d.h. hat eine Einwegleitfähigkeit.
Hausaufgaben
1. §§ 11, 12.
Halbleiter umfassen viele chemische Elemente (Germanium, Silizium, Selen, Tellur, Arsen usw.), eine Vielzahl von Legierungen und chemischen Verbindungen. Fast alle anorganischen Stoffe auf der Welt um uns herum sind Halbleiter. Der in der Natur am häufigsten vorkommende Halbleiter ist Silizium, das etwa 30 % der Erdkruste ausmacht.
Der qualitative Unterschied zwischen Halbleitern und Metallen zeigt sich in Abhängigkeit des spezifischen Widerstands von der Temperatur(Abb.9.3)
Bandmodell der Elektron-Loch-Leitfähigkeit von Halbleitern
Bei der Bildung von Festkörpern ist es möglich, dass das Energieband, das sich aus den Energieniveaus der Valenzelektronen der Ausgangsatome ergibt, vollständig mit Elektronen gefüllt ist und die nächstgelegenen Energieniveaus, die zum Auffüllen mit Elektronen zur Verfügung stehen, davon getrennt werden Valenzband E V-Intervall unaufgelöster Energiezustände – das sogenannte verbotenes Gebiet Z.B.Oberhalb der Bandlücke befindet sich die Zone der für Elektronen zulässigen Energiezustände – Leitungsband E c .
Das Leitungsband ist bei 0 K völlig frei und das Valenzband vollständig besetzt. Ähnliche Bandstrukturen sind charakteristisch für Silizium, Germanium, Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) und viele andere Halbleiterfestkörper.
Wenn die Temperatur von Halbleitern und Dielektrika steigt, können Elektronen zusätzliche Energie aufnehmen, die mit der thermischen Bewegung verbunden ist kT. Für einige Elektronen reicht die Energie der thermischen Bewegung für den Übergang aus vom Valenzband zum Leitungsband, wo sich Elektronen unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes nahezu frei bewegen können.
In diesem Fall, In einem Stromkreis mit einem Halbleitermaterial nimmt der elektrische Strom zu, wenn die Temperatur des Halbleiters steigt. Dieser Strom hängt nicht nur mit der Bewegung von Elektronen im Leitungsband zusammen, sondern auch mit dem Aussehen freie Stellen durch Elektronen, die das Leitungsband verlassen im Valenzband, dem sogenannten Löcher . Der freie Platz kann durch ein Valenzelektron eines benachbarten Paares besetzt werden, dann wandert das Loch an eine neue Stelle im Kristall.
Wird ein Halbleiter in ein elektrisches Feld gebracht, sind an der geordneten Bewegung nicht nur freie Elektronen beteiligt, sondern auch Löcher, die sich wie positiv geladene Teilchen verhalten. Daher die aktuelle ICH in einem Halbleiter besteht es aus Elektron In und Loch Ip Strömungen: ICH= In+ Ip.
Der Elektron-Loch-Leitfähigkeitsmechanismus tritt nur in reinen (d. h. ohne Verunreinigungen) Halbleitern auf. Es wird genannt eigene elektrische Leitfähigkeit Halbleiter. Dabei werden Elektronen in das Leitungsband geschleudert Fermi-Niveau, das sich, wie sich herausstellt, in einem eigenen Halbleiter befindet in der Mitte der Bandlücke(Abb. 9.4).
Die Leitfähigkeit von Halbleitern kann durch das Einbringen sehr geringer Mengen an Verunreinigungen erheblich verändert werden. Bei Metallen verringert eine Verunreinigung immer die Leitfähigkeit. Somit erhöht die Zugabe von 3 % Phosphoratomen zu reinem Silizium die elektrische Leitfähigkeit des Kristalls um das 10 5-fache.
Geringe Zugabe von Verunreinigung zu einem Halbleiter Doping genannt.
Eine notwendige Voraussetzung für einen starken Abfall des spezifischen Widerstands eines Halbleiters beim Einbringen von Verunreinigungen ist der Unterschied in der Wertigkeit der Verunreinigungsatome von der Wertigkeit der Hauptatome des Kristalls. Man nennt die Leitfähigkeit von Halbleitern in Gegenwart von Verunreinigungen Verunreinigungsleitfähigkeit .
Unterscheiden zwei Arten der Verunreinigungsleitfähigkeit – elektronisch Und Loch Leitfähigkeit. Elektronische Leitfähigkeit tritt auf, wenn fünfwertige Atome (z. B. Arsenatome, As) in einen Germaniumkristall mit vierwertigen Atomen eingeführt werden (Abb. 9.5).
Die vier Valenzelektronen des Arsenatoms sind an der Bildung kovalenter Bindungen mit vier benachbarten Germaniumatomen beteiligt. Das fünfte Valenzelektron erwies sich als überflüssig. Es löst sich leicht vom Arsenatom und wird frei. Ein Atom, das ein Elektron verloren hat, wird zu einem positiven Ion, das sich an einer Stelle im Kristallgitter befindet.
Eine Verunreinigung von Atomen mit einer Wertigkeit, die die Wertigkeit der Hauptatome eines Halbleiterkristalls übersteigt, wird als Verunreinigung bezeichnet Spenderbeimischung . Durch seine Einführung erscheint eine erhebliche Anzahl freier Elektronen im Kristall. Dies führt zu einem starken Abfall des spezifischen Widerstands des Halbleiters – tausende und sogar millionenfach.
Der spezifische Widerstand eines Leiters mit einem hohen Gehalt an Verunreinigungen kann dem eines Metallleiters nahe kommen. Eine solche Leitfähigkeit aufgrund freier Elektronen wird als elektronisch bezeichnet, und ein Halbleiter mit elektronischer Leitfähigkeit wird als bezeichnet Halbleiter vom n-Typ.
Lochleitfähigkeit tritt auf, wenn dreiwertige Atome in einen Germaniumkristall eingeführt werden, beispielsweise Indiumatome (Abb. 9.5)
Abbildung 6 zeigt ein Indiumatom, das mithilfe seiner Valenzelektronen kovalente Bindungen mit nur drei benachbarten Germaniumatomen eingegangen ist. Das Indiumatom verfügt nicht über ein Elektron, um eine Bindung mit dem vierten Germaniumatom einzugehen. Dieses fehlende Elektron kann vom Indiumatom aus der kovalenten Bindung benachbarter Germaniumatome eingefangen werden. In diesem Fall verwandelt sich das Indiumatom in ein negatives Ion, das sich an einer Stelle des Kristallgitters befindet, und es entsteht eine Lücke in der kovalenten Bindung benachbarter Atome.
Man nennt es eine Beimischung von Atomen, die Elektronen einfangen können Akzeptorverunreinigung . Durch die Einführung einer Akzeptorverunreinigung werden viele kovalente Bindungen im Kristall aufgebrochen und es entstehen Leerstellen (Löcher). Elektronen aus benachbarten kovalenten Bindungen können an diese Stellen springen, was zu einer chaotischen Wanderung der Löcher im Kristall führt.
Die Konzentration von Löchern in einem Halbleiter mit einer Akzeptorverunreinigung übersteigt die Konzentration von Elektronen, die aufgrund des Mechanismus der eigenen elektrischen Leitfähigkeit des Halbleiters entstanden sind, deutlich: np>> nn. Diese Art der Leitfähigkeit nennt man Lochleitfähigkeit . Ein Störhalbleiter mit Lochleitfähigkeit wird als Verunreinigung bezeichnet Halbleiter vom p-Typ . Die wichtigsten freien Ladungsträger in Halbleitern P-Typ sind Löcher.
Elektron-Loch-Übergang. Dioden und Transistoren
In der modernen Elektroniktechnik spielen Halbleiterbauelemente eine herausragende Rolle. In den letzten drei Jahrzehnten haben sie elektrische Vakuumgeräte fast vollständig ersetzt.
Jedes Halbleiterbauelement verfügt über einen oder mehrere Elektron-Loch-Übergänge . Elektron-Loch-Übergang (oder N–P-Übergang) - Dies ist die Kontaktfläche zwischen zwei Halbleitern mit unterschiedlicher Leitfähigkeit.
An der Grenze von Halbleitern (Abb. 9.7) bildet sich eine doppelte elektrische Schicht, deren elektrisches Feld den Prozess der Diffusion von Elektronen und Löchern zueinander verhindert.
Fähigkeit N–P-Übergänge lassen den Strom praktisch nur in eine Richtung fließen und werden in sogenannten Geräten verwendet Halbleiterdioden. Halbleiterdioden bestehen aus Silizium- oder Germaniumkristallen. Bei ihrer Herstellung wird eine Verunreinigung in einen Kristall mit einer bestimmten Leitfähigkeit eingeschmolzen, wodurch eine andere Leitfähigkeit entsteht.
Abbildung 9.8 zeigt eine typische Strom-Spannungs-Kennlinie einer Siliziumdiode.
Als Halbleiterbauelemente werden nicht nur ein, sondern zwei NP-Übergänge bezeichnet Transistoren . Es gibt zwei Arten von Transistoren: P–N–P-Transistoren und N–P–N-Transistoren. In einem Transistor N–P–N Die Grundplatte aus Germanium ist leitfähig P-Typ und die beiden darauf erzeugten Bereiche sind leitfähig N-Typ (Abb.9.9).
In einem Transistor p–n–p– Es ist eher umgekehrt. Die Transistorplatte heißt Base(B), einer der Bereiche mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp - Kollektor(K) und der zweite – Emitter(E).
Leiter, Halbleiter und Dielektrika
Abhängig von der Konzentration freier Ladungen werden Körper in Leiter, Dielektrika und Halbleiter unterteilt.
Dirigenten– Körper, in denen sich Ladungen über das gesamte Volumen bewegen können (freie Ladungen), sodass sie elektrischen Strom leiten. In Metallen (Leiter erster Art) sind dies Elektronen. In Lösungen und Schmelzen von Salzen, Säuren und Laugen (Leiter zweiter Art) sind dies positive und negative Ionen – Kationen, Anionen.
Dielektrika– Körper, in denen Ladungen über Entfernungen verteilt sind, die die Größe eines Atoms nicht überschreiten (gebundene Ladungen), sodass sie keinen elektrischen Strom leiten.
Halbleiter nehmen eine Zwischenstellung zwischen Leitern und Dielektrika ein. Leiten Sie unter bestimmten Bedingungen elektrischen Strom.
Ladungsträger sind Elektronen und Löcher.
Klassische Theorie der Metallleitfähigkeit
Ein Metall ist ein Kristallgitter, in dessen Knotenpunkten sich positiv geladene Ionen befinden und zwischen denen sich Elektronengas befindet.
Wenn in einem Leiter eine Potentialdifferenz entsteht, beginnen sich freie Elektronen geordnet zu bewegen.
Zunächst bewegen sich die Elektronen gleichmäßig beschleunigt, doch sehr bald hören die Elektronen auf zu beschleunigen, da sie mit den Atomen des Gitters kollidieren.
Die Gitteratome beginnen mit zunehmender Amplitude relativ zum konventionellen Ruhepunkt zu schwingen und es wird ein thermoelektrischer Effekt (Heizleiter) beobachtet.
Bandtheorie fester Körper
In einem isolierten Atom kann die Energie eines Elektrons streng diskrete Werte annehmen, da sich das Elektron nur in einem der Orbitale befinden kann.
Atome in einem Molekül haben gespaltene Elektronenorbitale.
Die Anzahl der Orbitale ist proportional zur Anzahl der Atome. Dies führt zur Bildung von Molekülorbitalen.
In einem makroskopischen Kristall (mehr als 1020 Atome) wird die Anzahl der Orbitale sehr groß und der Energieunterschied der Elektronen in benachbarten Orbitalen wird sehr gering.
Energieniveaus werden in nahezu kontinuierliche diskrete Mengen – Energiezonen – aufgeteilt.
Das höchste Band in Halbleitern und Dielektrika, in dem alle Energiezustände mit Elektronen besetzt sind, wird Valenzband genannt, das nächste ist das Leitungsband.
In Metallen ist das Leitungsband das höchste zulässige Band, in dem sich Elektronen befinden.
Energiediagramme von Leitern (a), Halbleitern (b) und Dielektrika (c) bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.
Energiediagramme von Dielektrika, Halbleitern und Leitern
Halbleiter - ein Material, das hinsichtlich seiner spezifischen Leitfähigkeit eine wichtige Rolle spielt
Zwischenstelle zwischen Leitern und Dielektrika.
Der Unterschied zu Leitern besteht in der starken Abhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit von 1) der Konzentration der Verunreinigungen, 2). Temperatur und 3). Exposition gegenüber verschiedenen Arten von Strahlung.
Halbleiter sind Stoffe, deren Bandlücke in der Größenordnung von mehreren Elektronenvolt (eV) liegt.
Diamant ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke. Indiumarsenid ist ein Halbleiter mit schmaler Bandlücke.
Zu den Halbleitern gehören:
Viele chemische Elemente (Germanium, Silizium, Selen, Tellur, Arsen und andere),
Eine große Anzahl von Legierungen
Chemische Verbindungen (Galliumarsenid usw.).
Fast alle anorganischen Stoffe.
Der in der Natur am häufigsten vorkommende Halbleiter ist Silizium.
Sie machen fast 30 % der Erdkruste aus.
Eigenleitfähigkeit von Halbleitern
Selbstleitfähigkeit– Eigenschaft reiner Halbleiter.
Unter dem Einfluss äußerer Faktoren (Temperatur, Strahlung, starkes elektrisches Feld usw.) können Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband übertragen werden, wodurch ein elektrischer Strom entsteht.
Durch das Aufbrechen von Valenzbindungen entstehen freie Räume (Löcher), die von jedem Elektron besetzt werden können.
Ein Loch ist eine positive Ladung, die sich entgegen dem Elektron in Richtung des äußeren Feldes bewegt.
Diese Art der Leitfähigkeit wird Loch- oder p-Typ (positiv) genannt. Die Leitfähigkeit von Halbleitern stellt sich nur unter dem Einfluss äußerer Faktoren ein.
Bei einer bestimmten Temperatur stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der Erzeugung von Elektronen und Löchern und dem umgekehrten Prozess (Rekombination) ein, bei dem sich eine bestimmte Konzentration an Ladungsträgern einstellt.
Verunreinigungsleitfähigkeit von Halbleitern
Die Leitfähigkeit von Verunreinigungen wird durch Verunreinigungen wie Arsen (V), Bor (III) usw. verursacht, die in den Halbleiter eingebracht werden.
Leitfähigkeit vom N-Typ (negativ)
Silizium (IV) + Arsen (V) – zwischen den Arsen- und Siliziumatomen verbleibt ein „zusätzliches“ freies Leitungselektron. In diesem Fall findet keine Lochbildung statt; die Leitung erfolgt nur durch Elektronen (Donorverunreinigung).
Leitfähigkeit vom P-Typ (positiv - positiv)
Silizium (IV) + Indium (III) – im Kristallgitter sind nicht genügend Elektronen vorhanden, es entsteht ein Loch. In diesem Fall kommt es zur Lochleitung (Akzeptorverunreinigung). Die Leitfähigkeit von Verunreinigungen wird durch Träger mit demselben Vorzeichen (entweder Elektronen oder Löcher) verursacht.
Die Beimischung von Bor in Silizium (1/105 Atome) verringert die spezifische elektrische
Der Siliziumwiderstand beträgt das 1000-fache.
Die Indiumverunreinigung in Germanium 1/ (108 - 109 Atome) verringert den elektrischen Widerstand von Germanium um das Millionenfache.
Kontaktphänomene in Metallen
Wenn zwei Metalle in Kontakt gebracht werden, dann a
Potenzieller unterschied. Wenn die Metalle Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd (Volta-Reihe) in dieser Reihenfolge in Kontakt gebracht werden, dann wird jedes vorherige Metall bei Kontakt aufgeladen eines der folgenden Metalle
positiv. Die Kontaktpotentialdifferenz reicht von Zehnteln bis zu ganzen Volt. Dies erklärt sich dadurch, dass sich alle Metalle durch unterschiedliche Elektronenkonzentrationen voneinander unterscheiden. Wenn zwei Metalle in Kontakt kommen, beginnen Elektronen durch die Grenzfläche zwischen den Metallen zu fließen und es entsteht eine elektrische Doppelschicht mit Potentialdifferenz.
Seebeck-Phänomen(1821). Wenn die Verbindungsstellen der Leiter unterschiedliche Temperaturen haben, entsteht im Stromkreis eine thermoelektromotorische Kraft, die
hängt vom Unterschied der Kontakttemperaturen und der Art der verwendeten Materialien ab. Das Seebeck-Phänomen wird zur Temperaturmessung genutzt (Thermoelemente, Thermoelemente).
Peltier-Phänomen(1834). Wenn ein elektrischer Strom durch einen Kontakt zweier unterschiedlicher Leiter fließt, abhängig von seiner Richtung, zusätzlich zu
Joulesche Wärme gibt zusätzliche Wärme ab oder absorbiert sie. Das Peltier-Phänomen ist das Gegenteil des Seebeck-Phänomens.
Das Peltier-Phänomen wird in thermoelektrischen Halbleiterkühlschränken genutzt.
Kontaktphänomene in Halbleitern
Wenn zwei Halbleiter vom n-Typ und vom p-Typ in Kontakt kommen, entsteht an der Kontaktstelle ein pn-Übergang.
Im Bereich des pn-Übergangs werden Energiebänder gebogen, was zu Potentialbarrieren sowohl für Elektronen als auch für Löcher führt.
Verwendet für die Herstellung von:
Dioden (Gleichrichtung und
Umwandlung von Wechselströmen);
Transistoren (Spannungsverstärkung u
Halbleiter nehmen hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit (oder des spezifischen Widerstands) eine Zwischenstellung zwischen Leitern und Dielektrika ein. Diese Einteilung aller Stoffe nach ihrer Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit ist jedoch bedingt, da sich unter dem Einfluss einer Reihe von Gründen (Verunreinigungen, Bestrahlung, Erwärmung) die elektrische Leitfähigkeit und der spezifische Widerstand vieler Stoffe, insbesondere bei Halbleitern, ganz erheblich ändern.
Dabei unterscheiden sich Halbleiter von Metallen durch eine Reihe von Merkmalen:
1. Der spezifische Widerstand von Halbleitern ist unter normalen Bedingungen viel größer als der von Metallen;
2. Der spezifische Widerstand reiner Halbleiter nimmt mit steigender Temperatur ab (bei Metallen steigt er);
3. Wenn Halbleiter beleuchtet werden, nimmt ihr Widerstand deutlich ab (Licht hat fast keinen Einfluss auf den Widerstand von Metallen):
4. Eine geringe Menge an Verunreinigungen hat einen starken Einfluss auf den Widerstand von Halbleitern.
Halbleiter umfassen 12 chemische Elemente im mittleren Teil des Periodensystems (Abb. 1) – B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, Verbindungen von Elementen der dritten Gruppe mit Elementen der fünften Gruppe, vielen Metalloxiden und -sulfiden, einer Reihe anderer chemischer Verbindungen, einigen organischen Substanzen. Germanium Ge und Silizium Si finden in Wissenschaft und Technik die größte Anwendung.
Halbleiter können rein oder mit Verunreinigungen sein. Dementsprechend unterscheidet man zwischen Eigen- und Störstellenleitfähigkeit von Halbleitern. Verunreinigungen wiederum werden in Donor und Akzeptor unterteilt.
Eigene elektrische Leitfähigkeit
Um den Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit in Halbleitern zu verstehen, betrachten wir die Struktur von Halbleiterkristallen und die Art der Bindungen, die die Atome des Kristalls nahe beieinander halten. Kristalle aus Germanium und anderen Halbleitern haben ein atomares Kristallgitter (Abb. 2).
Ein planares Diagramm der Struktur von Germanium ist in Abbildung 3 dargestellt.
Germanium ist ein vierwertiges Element; in der äußeren Hülle des Atoms befinden sich vier Elektronen, die schwächer an den Kern gebunden sind als der Rest. Die Anzahl der nächsten Nachbarn jedes Germaniumatoms beträgt ebenfalls 4. Die vier Valenzelektronen jedes Germaniumatoms sind durch chemische Paarelektronen an die gleichen Elektronen benachbarter Atome gebunden ( kovalent) Verbindungen. An der Bildung dieser Bindung ist von jedem Atom ein Valenzelektron beteiligt, das von den Atomen abgespalten (vom Kristall kollektiviert) wird und sich bei seiner Bewegung die meiste Zeit im Raum zwischen benachbarten Atomen aufhält. Ihre negative Ladung hält die positiven Germaniumionen nahe beieinander. Diese Art der Verbindung kann konventionell durch zwei Linien dargestellt werden, die die Kerne verbinden (siehe Abb. 3).
Aber das wandernde Elektronenpaar gehört nicht nur zwei Atomen. Jedes Atom bildet vier Bindungen mit seinen Nachbarn, und ein bestimmtes Valenzelektron kann sich entlang jeder dieser Bindungen bewegen (Abb. 4). Sobald es ein benachbartes Atom erreicht hat, kann es zum nächsten und dann weiter entlang des gesamten Kristalls wandern. Die kollektivierten Valenzelektronen gehören zum gesamten Kristall.
Kovalente Bindungen von Germanium sind ziemlich stark und brechen bei niedrigen Temperaturen nicht. Daher leitet Germanium bei niedrigen Temperaturen keinen elektrischen Strom. Die an der Bindung von Atomen beteiligten Valenzelektronen sind fest im Kristallgitter verankert und das äußere elektrische Feld hat keinen merklichen Einfluss auf ihre Bewegung. Der Siliziumkristall hat eine ähnliche Struktur.
Elektrische Leitfähigkeit eines chemisch reinen Halbleiters ist möglich, wenn die kovalenten Bindungen in den Kristallen aufgebrochen werden und freie Elektronen erscheinen.
Die zusätzliche Energie, die aufgewendet werden muss, um eine kovalente Bindung aufzubrechen und ein Elektron freizusetzen, wird aufgerufen Aktivierungsenergie.
Elektronen können diese Energie erhalten, indem sie den Kristall erhitzen, ihn mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen bestrahlen usw.
Sobald ein Elektron, nachdem es die nötige Energie erhalten hat, eine lokale Bindung verlässt, entsteht darauf eine Lücke. Diese Lücke kann leicht durch ein Elektron einer benachbarten Bindung gefüllt werden, wodurch ebenfalls eine Lücke entsteht. Aufgrund der Bewegung der Bindungselektronen verschieben sich somit Leerstellen im gesamten Kristall. Diese Leerstelle verhält sich genauso wie ein freies Elektron – sie bewegt sich frei im Volumen des Halbleiters. Wenn man außerdem berücksichtigt, dass sowohl der Halbleiter als Ganzes als auch jedes seiner Atome elektrisch neutral mit intakten kovalenten Bindungen ist, können wir sagen, dass das Abweichen eines Elektrons von einer Bindung und die Bildung einer Leerstelle tatsächlich dem Auftreten von gleichbedeutend ist eine überschüssige positive Ladung auf dieser Anleihe. Daher kann die resultierende Leerstelle formal als Träger einer positiven Ladung betrachtet werden, die aufgerufen wird Loch(Abb. 5).
Somit erzeugt der Abgang eines Elektrons von einer lokalisierten Bindung ein Paar freier Ladungsträger – ein Elektron und ein Loch. Ihre Konzentration in einem reinen Halbleiter ist gleich. Bei Raumtemperatur ist die Konzentration freier Ladungsträger in reinen Halbleitern gering, etwa 10 9 ÷ 10 10 mal geringer als die Konzentration von Atomen, steigt aber mit steigender Temperatur schnell an.
- Vergleichen Sie es mit Metallen: Dort ist die Konzentration der freien Elektronen ungefähr gleich der Konzentration der Atome.
Ohne ein äußeres elektrisches Feld bewegen sich diese freien Elektronen und Löcher chaotisch im Halbleiterkristall.
In einem äußeren elektrischen Feld bewegen sich Elektronen entgegen der Richtung der elektrischen Feldstärke. Positive Löcher bewegen sich in Richtung der elektrischen Feldstärke (Abb. 6). Der Prozess der Bewegung von Elektronen und Löchern in einem externen Feld findet im gesamten Volumen des Halbleiters statt.
Die gesamte elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters besteht aus Loch- und Elektronenleitfähigkeit. Darüber hinaus ist in reinen Halbleitern die Anzahl der Leitungselektronen immer gleich der Anzahl der Löcher. Daher sagen sie, dass reine Halbleiter vorhanden sind Elektron-Loch-Leitfähigkeit, oder eigene Leitfähigkeit.
Mit steigender Temperatur nimmt die Zahl der Brüche kovalenter Bindungen zu und die Zahl der freien Elektronen und Löcher in Kristallen reiner Halbleiter nimmt zu, und folglich nimmt die elektrische Leitfähigkeit zu und der spezifische Widerstand reiner Halbleiter ab. Ein Diagramm des spezifischen Widerstands eines reinen Halbleiters in Abhängigkeit von der Temperatur ist in Abb. dargestellt. 7.
Neben der Erwärmung kann es auch durch Beleuchtung (Photoleitfähigkeit eines Halbleiters) sowie durch die Einwirkung starker elektrischer Felder zum Aufbrechen kovalenter Bindungen und damit zur Entstehung der intrinsischen Leitfähigkeit von Halbleitern und zu einer Abnahme des spezifischen Widerstands kommen .
Verunreinigungsleitfähigkeit von Halbleitern
Die Leitfähigkeit von Halbleitern steigt mit der Einführung von Verunreinigungen, wenn neben ihrer eigenen Leitfähigkeit auch eine zusätzliche Verunreinigungsleitfähigkeit auftritt.
Leitfähigkeit von Verunreinigungen Aufgrund des Vorhandenseins von Verunreinigungen im Halbleiter wird die Eigenschaft von Halbleitern als Leitfähigkeit bezeichnet.
Verunreinigungszentren können sein:
1. Atome oder Ionen chemischer Elemente, eingebettet in ein Halbleitergitter;
2. überschüssige Atome oder Ionen, die in den Zwischenräumen des Gitters eingebettet sind;
3. verschiedene andere Defekte und Verzerrungen im Kristallgitter: leere Knoten, Risse, Verschiebungen, die bei der Verformung von Kristallen auftreten usw.
Durch Ändern der Konzentration der Verunreinigungen können Sie die Anzahl der Ladungsträger des einen oder anderen Vorzeichens deutlich erhöhen und Halbleiter mit einer vorherrschenden Konzentration entweder negativ oder positiv geladener Ladungsträger erzeugen.
Verunreinigungen können in Spender- (abgebende) und Akzeptor- (empfangende) Verunreinigungen unterteilt werden.
Spenderverunreinigung
- Vom lateinischen „donare“ – geben, opfern.
Betrachten wir den Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit eines Halbleiters mit einer Donor-fünfwertigen Arsenverunreinigung As, die in einen Kristall, beispielsweise Silizium, eingebracht wird. Das fünfwertige Arsenatom gibt vier Valenzelektronen ab, um kovalente Bindungen zu bilden, und das fünfte Elektron ist in diesen Bindungen unbesetzt (Abb. 8).
Die Abstraktionsenergie (Ionisierungsenergie) des fünften Valenzelektrons von Arsen in Silizium beträgt 0,05 eV = 0,08⋅10 -19 J, was 20-mal weniger ist als die Energie der Elektronenabstraktion von einem Siliziumatom. Daher verlieren fast alle Arsenatome bereits bei Raumtemperatur eines ihrer Elektronen und werden zu positiven Ionen. Positive Arsenionen können keine Elektronen benachbarter Atome einfangen, da alle vier Bindungen bereits mit Elektronen ausgestattet sind. In diesem Fall gibt es keine Bewegung der Elektronenlücke – „Loch“ und die Leitfähigkeit des Lochs ist sehr klein, d. h. praktisch nicht vorhanden.
Spenderverunreinigungen- das sind Verunreinigungen, die leicht Elektronen abgeben und dadurch die Zahl der freien Elektronen erhöhen. In Gegenwart eines elektrischen Feldes kommen freie Elektronen in einem Halbleiterkristall in geordnete Bewegung und es entsteht darin eine elektronische Verunreinigungsleitfähigkeit. Das Ergebnis ist ein Halbleiter mit überwiegend elektronischer Leitfähigkeit, ein sogenannter n-Typ-Halbleiter. (Von lateinisch negativus – negativ).
Da in einem Halbleiter vom n-Typ die Anzahl der Elektronen deutlich größer ist als die Anzahl der Löcher, sind Elektronen die Mehrheitsladungsträger und Löcher sind Minoritätsladungsträger.
Akzeptorverunreinigung
- Vom lateinischen „acceptor“ – Empfänger.
Im Falle einer Akzeptorverunreinigung, beispielsweise dreiwertigem Indium In, kann das Verunreinigungsatom seine drei Elektronen abgeben, um eine kovalente Bindung mit nur drei benachbarten Siliziumatomen einzugehen, und ein Elektron „fehlt“ (Abb. 9). Eines der Elektronen benachbarter Siliziumatome kann diese Bindung füllen, dann wird das In-Atom zu einem stationären negativen Ion und an der Stelle des Elektrons, das eines der Siliziumatome verlassen hat, bildet sich ein Loch. Akzeptorverunreinigungen, die Elektronen einfangen und dadurch bewegliche Löcher erzeugen, erhöhen nicht die Anzahl der Leitungselektronen. Die Mehrheitsladungsträger in einem Halbleiter mit einer Akzeptorverunreinigung sind Löcher und die Minderheitsladungsträger sind Elektronen.
Akzeptorverunreinigungen- Dies sind Verunreinigungen, die für die Lochleitfähigkeit sorgen.
Halbleiter, in denen die Konzentration der Löcher die Konzentration der Leitungselektronen übersteigt, werden als p-Typ-Halbleiter bezeichnet (vom lateinischen positivus – positiv).
Es ist zu beachten, dass das Einbringen von Verunreinigungen in Halbleiter wie in alle Metalle die Struktur des Kristallgitters stört und die Bewegung von Elektronen behindert. Der Widerstand erhöht sich jedoch nicht, da eine Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration den Widerstand deutlich verringert. So verringert die Einführung einer Borverunreinigung in einer Menge von 1 Atom pro hunderttausend Siliziumatome den elektrischen Widerstand von Silizium um etwa das Tausendfache, und eine Beimischung von einem Indiumatom pro 10 8 - 10 9 Germaniumatome verringert den elektrischen Widerstand von Germanium um das Millionenfache.
Wenn sowohl Donor- als auch Akzeptorverunreinigungen gleichzeitig in einen Halbleiter eingebracht werden, wird die Art der Leitfähigkeit des Halbleiters (n- oder p-Typ) durch die Verunreinigung mit einer höheren Konzentration an Ladungsträgern bestimmt.
Elektron-Loch-Übergang
Ein Elektron-Loch-Übergang (abgekürzt p-n-Übergang) tritt in einem Halbleiterkristall auf, der an der Grenze zwischen diesen Bereichen gleichzeitig Bereiche mit n-Leitfähigkeit (enthält Donorverunreinigungen) und p-Leitfähigkeit (mit Akzeptorverunreinigungen) aufweist.
Nehmen wir an, wir haben einen Kristall, in dem sich links ein Halbleiterbereich mit Lochleitfähigkeit (p-Typ) und rechts mit elektronischer Leitfähigkeit (n-Typ) befindet (Abb. 10). Aufgrund der thermischen Bewegung diffundieren bei der Bildung eines Kontakts Elektronen vom n-Typ-Halbleiter in den p-Typ-Bereich. In diesem Fall verbleibt ein unkompensiertes positives Donorion im n-Typ-Bereich. Nachdem das Elektron in den Bereich mit Lochleitfähigkeit gelangt ist, rekombiniert es sehr schnell wieder mit dem Loch und im p-Typ-Bereich wird ein unkompensiertes Akzeptorion gebildet.
Ähnlich wie Elektronen diffundieren Löcher aus der p-Typ-Region in die Elektronenregion und hinterlassen ein unkompensiertes negativ geladenes Akzeptorion in der Lochregion. Beim Übergang in den elektronischen Bereich rekombiniert das Loch wieder mit einem Elektron. Dadurch entsteht im elektronischen Bereich ein unkompensiertes positives Donorion.
Durch Diffusion entsteht an der Grenze zwischen diesen Bereichen, der Dicke, eine doppelte elektrische Schicht aus entgegengesetzt geladenen Ionen l die Bruchteile eines Mikrometers nicht überschreitet.
Ein elektrisches Feld mit einer Stärke von E i. Das elektrische Feld eines Elektron-Loch-Übergangs (pn-Übergangs) verhindert, dass sich Elektronen und Löcher weiter über die Grenzfläche zwischen den beiden Halbleitern bewegen. Die Sperrschicht weist im Vergleich zu anderen Halbleitervolumina einen erhöhten Widerstand auf.
Externes elektrisches Feld mit Intensität E beeinflusst den Widerstand des blockierenden elektrischen Feldes. Wenn der n-Halbleiter mit dem Minuspol der Quelle und der Pluspol der Quelle mit dem p-Halbleiter verbunden ist, dann entstehen unter dem Einfluss des elektrischen Feldes Elektronen im n-Halbleiter und Löcher im p- Die Halbleiter bewegen sich aufeinander zu, in Richtung der Grenzfläche der Halbleiter (Abb. 11). Elektronen, die die Grenze überschreiten, „füllen“ Löcher. Bei einer solchen Vorwärtsrichtung des äußeren elektrischen Feldes nehmen die Dicke der Sperrschicht und ihr Widerstand kontinuierlich ab. In dieser Richtung fließt elektrischer Strom durch den pn-Übergang.
Die betrachtete Richtung des pn-Übergangs wird aufgerufen Direkte. Die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung, d.h. Volt-Ampere-Kennlinien direkter Übergang, dargestellt in Abb. 12 mit durchgezogener Linie.
Wenn der n-Halbleiter mit dem positiven Pol der Quelle und der p-Halbleiter mit dem negativen verbunden ist, bewegen sich Elektronen im n-Halbleiter und Löcher im p-Halbleiter unter dem Einfluss des elektrischen Feldes von der Grenzfläche in entgegengesetzte Richtungen (Abb. 13). Dies führt zu einer Verdickung der Barriereschicht und einer Erhöhung ihres Widerstandes. Die Richtung des äußeren elektrischen Feldes, das die Sperrschicht ausdehnt, wird aufgerufen Verriegelung (umkehren). Bei dieser Richtung des äußeren Feldes fließt der elektrische Strom der Hauptladungsträger nicht durch den Kontakt zweier p- und p-Halbleiter.
Der Strom durch den pn-Übergang ist nun auf die im p-Typ-Halbleiter vorhandenen Elektronen und die Löcher im n-Typ-Halbleiter zurückzuführen. Da es jedoch nur sehr wenige Minoritätsladungsträger gibt, erweist sich die Leitfähigkeit des Übergangs als unbedeutend und sein Widerstand groß. Die betrachtete Richtung des pn-Übergangs wird aufgerufen umkehren, seine Strom-Spannungs-Kennlinie ist in Abb. dargestellt. 12 gestrichelte Linie.
Bitte beachten Sie, dass sich der Maßstab der Strommessung für Vorwärts- und Rückwärtsübergänge um das Tausendfache unterscheidet.
Beachten Sie, dass bei einer bestimmten Spannung, die in die entgegengesetzte Richtung angelegt wird, abbauen(d. h. Zerstörung) des pn-Übergangs.
Halbleiterbauelemente
Thermistoren
Der elektrische Widerstand von Halbleitern ist stark temperaturabhängig. Diese Eigenschaft wird genutzt, um die Temperatur anhand der Stromstärke in einem Stromkreis mit einem Halbleiter zu messen. Solche Geräte heißen Thermistoren oder Thermistoren. Die Halbleitersubstanz befindet sich in einem Metallschutzgehäuse, das isolierte Leitungen zum Anschluss des Thermistors an den Stromkreis enthält.
Durch Ändern des Widerstands von Thermistoren beim Heizen oder Kühlen können sie in Instrumenten zur Temperaturmessung verwendet werden, um in automatischen Geräten eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten - in geschlossenen Thermostatkammern, um Feuermelder bereitzustellen usw. Es gibt Thermistoren zur Messung sowohl sehr hoher ( T≈ 1300 K) und sehr niedrig ( T≈ 4 - 80 K) Temperaturen.
Eine schematische Darstellung (Abb. a) und ein Foto (Abb. b) des Thermistors sind in Abbildung 14 dargestellt.
Reis. 14 Fotowiderstände
Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern erhöht sich nicht nur bei Erwärmung, sondern auch bei Beleuchtung. Die elektrische Leitfähigkeit steigt durch das Aufbrechen von Bindungen und die Bildung freier Elektronen und Löcher aufgrund der auf den Halbleiter einfallenden Lichtenergie.
Als Geräte werden Geräte bezeichnet, die die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitern von der Beleuchtung berücksichtigen Fotowiderstände.
Die Materialien zur Herstellung von Fotowiderständen sind Verbindungen wie CdS, CdSe, PbS und eine Reihe anderer.
Die Miniaturgröße und die hohe Empfindlichkeit von Fotowiderständen ermöglichen den Einsatz zur Aufzeichnung und Messung schwacher Lichtflüsse. Fotowiderstände werden verwendet, um die Qualität von Oberflächen zu bestimmen, die Abmessungen von Produkten zu kontrollieren usw.
Eine schematische Darstellung (Abb. a) und ein Foto (Abb. b) des Fotowiderstands sind in Abbildung 15 dargestellt.
Reis. 15 Halbleiterdiode
Die Fähigkeit eines pn-Übergangs, Strom in eine Richtung zu leiten, wird in Halbleiterbauelementen genannt Dioden.
Halbleiterdioden werden aus Germanium, Silizium, Selen und anderen Stoffen hergestellt.
Um schädliche Einflüsse von Luft und Licht zu verhindern, ist der Germaniumkristall in einem versiegelten Metallgehäuse untergebracht. Halbleiterdioden sind die Hauptelemente von Wechselstromgleichrichtern (genauer gesagt dienen sie der Umwandlung von Wechselstrom in einen pulsierenden Gleichstrom).
Eine schematische Darstellung (Abb. a) und ein Foto (Abb. b) einer Halbleiterdiode ist in Abbildung 16 dargestellt.
Reis. 16 LEDs
Leuchtdiode oder Leuchtdiode- ein Halbleiterbauelement mit einem pn-Übergang, das optische Strahlung erzeugt, wenn ein elektrischer Strom durch es fließt.
Das emittierte Licht liegt in einem engen Bereich des Spektrums; seine spektralen Eigenschaften hängen unter anderem von der chemischen Zusammensetzung der darin verwendeten Halbleiter ab.
Literatur
- Aksenovich L. A. Physik in der Sekundarschule: Theorie. Aufgaben. Tests: Lehrbuch. Zuschuss für Einrichtungen der Allgemeinbildung. Umwelt, Bildung / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - S. 300-308.
- Burov L.I., Strelchenya V.M. Physik von A bis Z: für Studierende, Bewerber, Dozenten. - Mn.: Paradox, 2000. - S. 219-228.
- Myakishev G. Ya. Physik: Elektrodynamik. 10. – 11. Klasse: Lehrbuch zum vertieften Studium der Physik / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskow. - M.: Bustard, 2005. - S. 309-320.
- Yavorsky B. M., Seleznev Yu. A. Ein Nachschlagewerk zur Physik für Studienanfänger und Selbststudium. - M.: Nauka, 1984. - S. 165-169.
