Σύμφωνα με την τιμή της ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης ημιαγωγώνκαταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ καλών αγωγών (σ = 10 6 -10 4 Ohm -1 cm -1) και διηλεκτρικών (σ = -12 - 10 -10 Ohm -1 cm -1). Οι ημιαγωγοί περιλαμβάνουν πολλά χημικά στοιχεία (γερμάνιο, πυρίτιο, σελήνιο, ίνδιο, τελλούριο, αρσενικό κ.λπ.), έναν τεράστιο αριθμό κραμάτων και χημικών ενώσεων. Σχεδόν όλοι ανόργανες ουσίεςο κόσμος γύρω μας - ημιαγωγοί. Ο πιο κοινός ημιαγωγός στη φύση είναι το πυρίτιο, που αποτελεί περίπου το 30% φλοιός της γης.
Εκτός από τη θερμοκρασία, επηρεάζεται έντονα και η ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών ηλεκτρικό πεδίο, πίεση, έκθεση σε οπτική και ιονίζουσα ακτινοβολία, παρουσία ακαθαρσιών και άλλων παραγόντων που μπορούν να αλλάξουν τη δομή της ύλης και την κατάσταση των ηλεκτρονίων. Αυτή η περίσταση παίζει καθοριστικό ρόλο στις πολυάριθμες και ποικίλες χρήσεις ημιαγωγών.
Η ποιοτική διαφορά μεταξύ ημιαγωγών και μετάλλων εκδηλώνεται κυρίως στην εξάρτηση της ειδικής αντίστασης από τη θερμοκρασία. Καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, η αντίσταση των μετάλλων μειώνεται. Στους ημιαγωγούς, αντίθετα, η αντίσταση αυξάνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας και σχεδόν στο απόλυτο μηδέν γίνονται πρακτικά μονωτές.
Εξάρτηση της ειδικής αντίστασης ενός καθαρού ημιαγωγού από τη θερμοκρασία.
Αυτή η συμπεριφορά της εξάρτησης ρ(Τ) δείχνει ότι στους ημιαγωγούς η συγκέντρωση των ελεύθερων φορέων φορτίου δεν παραμένει σταθερή, αλλά αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Μηχανισμός ηλεκτρικό ρεύμαστους ημιαγωγούς δεν μπορεί να εξηγηθεί στο πλαίσιο του μοντέλου αερίου ελεύθερων ηλεκτρονίων. Ας εξετάσουμε ποιοτικά αυτόν τον μηχανισμό χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του γερμανίου (Ge). Σε ένα κρύσταλλο πυριτίου (Si) ο μηχανισμός είναι παρόμοιος.
Τα άτομα γερμανίου έχουν τέσσερα ασθενώς συνδεδεμένα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό τους περίβλημα. Αυτά ονομάζονται ομοιοπολικά ηλεκτρόνια. Σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα, κάθε άτομο περιβάλλεται από τους τέσσερις πλησιέστερους γείτονές του. Ο δεσμός μεταξύ των ατόμων σε έναν κρύσταλλο γερμανίου είναι ομοιοπολικός, δηλαδή πραγματοποιείται από ζεύγη ηλεκτρονίων σθένους. Κάθε ηλεκτρόνιο σθένους ανήκει σε δύο άτομα.
Δεσμοί ζεύγους ηλεκτρονίων σε κρύσταλλο γερμανίου και σχηματισμός ζεύγους ηλεκτρονίων-οπών
Τα ηλεκτρόνια σθένους σε έναν κρύσταλλο γερμανίου συνδέονται πολύ πιο ισχυρά με τα άτομα από ό,τι στα μέταλλα. επομένως, η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας στο θερμοκρασία δωματίουστους ημιαγωγούς είναι πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερος από ότι στα μέταλλα. Κοντά στο απόλυτο μηδέν θερμοκρασία σε έναν κρύσταλλο γερμανίου, όλα τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνονται στο σχηματισμό δεσμών. Ένας τέτοιος κρύσταλλος δεν άγει ηλεκτρικό ρεύμα.
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, μερικά από τα ηλεκτρόνια σθένους μπορεί να αποκτήσουν αρκετή ενέργεια για να σπάσουν τους ομοιοπολικούς δεσμούς. Τότε θα εμφανιστούν ελεύθερα ηλεκτρόνια (ηλεκτρόνια αγωγιμότητας) στον κρύσταλλο. Ταυτόχρονα, κενά σχηματίζονται σε σημεία που σπάνε δεσμοί, που δεν καταλαμβάνονται από ηλεκτρόνια. Αυτές οι κενές θέσεις ονομάζονται τρύπες. Η κενή θέση μπορεί να καταληφθεί από ένα ηλεκτρόνιο σθένους από ένα γειτονικό ζεύγος, τότε η τρύπα θα μετακινηθεί σε μια νέα θέση στον κρύσταλλο. Σε μια δεδομένη θερμοκρασία ημιαγωγού, σχηματίζεται ένας ορισμένος αριθμός ζευγών ηλεκτρονίων-οπών ανά μονάδα χρόνου. Ταυτόχρονα, συμβαίνει η αντίστροφη διαδικασία - όταν ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο συναντά μια οπή, ο ηλεκτρονικός δεσμός μεταξύ των ατόμων γερμανίου αποκαθίσταται. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ανασυνδυασμός. Μπορούν επίσης να δημιουργηθούν ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών όταν φωτίζεται ένας ημιαγωγός λόγω ενέργειας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Με την απουσία του ηλεκτρικό πεδίοΤα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας και οι οπές συμμετέχουν στη χαοτική θερμική κίνηση.
Η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας σε έναν ημιαγωγό είναι ίση με τη συγκέντρωση των οπών: n n = n p. Ο μηχανισμός αγωγιμότητας ηλεκτρονίων-οπών εκδηλώνεται μόνο σε καθαρούς (δηλαδή, χωρίς ακαθαρσίες) ημιαγωγούς. Ονομάζεται Με ιδιωτική ηλεκτρική αγωγιμότηταημιαγωγών .
Παρουσία ακαθαρσιών, η ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών αλλάζει πολύ. Για παράδειγμα, η προσθήκη ακαθαρσιών φωσφόρου σε ποσότητα 0,001 ατομικό τοις εκατό σε έναν κρύσταλλο πυριτίου μειώνει την ειδική αντίσταση κατά περισσότερες από πέντε τάξεις μεγέθους. Μια τέτοια ισχυρή επίδραση ακαθαρσιών μπορεί να εξηγηθεί με βάση τις παραπάνω ιδέες για τη δομή των ημιαγωγών. Απαραίτητη προϋπόθεσηΜια απότομη μείωση της ειδικής αντίστασης ενός ημιαγωγού με την εισαγωγή ακαθαρσιών είναι η διαφορά στο σθένος των ατόμων ακαθαρσίας από το σθένος των κύριων ατόμων του κρυστάλλου.
Η αγωγιμότητα των ημιαγωγών παρουσία ακαθαρσιών ονομάζεται αγωγιμότητα ακαθαρσιών . Υπάρχουν δύο τύποι αγωγιμότητας ακαθαρσιών - ηλεκτρόνιο και οπή.
Ηλεκτρονική αγωγιμότηταεμφανίζεται όταν πεντασθενή άτομα (για παράδειγμα, άτομα αρσενικού, As) εισάγονται σε έναν κρύσταλλο γερμανίου με τετρασθενή άτομα. 
Ημιαγωγός n - τύπου. Ένα άτομο αρσενικού σε κρυσταλλικό πλέγμα γερμανίου.
Το σχήμα δείχνει ένα πεντασθενές άτομο αρσενικού που βρέθηκε σε μια θέση του κρυσταλλικού πλέγματος γερμανίου. Τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους του ατόμου του αρσενικού περιλαμβάνονται στο σχηματισμό ομοιοπολικών δεσμών με τέσσερα γειτονικά άτομα γερμανίου. Το πέμπτο ηλεκτρόνιο σθένους αποδείχθηκε περιττό. αποσπάται εύκολα από το άτομο αρσενικού και απελευθερώνεται. Ένα άτομο που έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο γίνεται θετικό ιόν που βρίσκεται σε μια θέση στο κρυσταλλικό πλέγμα. Μια ακαθαρσία ατόμων με σθένος που υπερβαίνει το σθένος των κύριων ατόμων ενός κρυστάλλου ημιαγωγών ονομάζεται ακαθαρσία δότη . Ως αποτέλεσμα της εισαγωγής του, ένας σημαντικός αριθμός ελεύθερων ηλεκτρονίων εμφανίζεται στον κρύσταλλο. Οδηγεί σε απότομη μείωσηειδική αντίσταση ενός ημιαγωγού - χιλιάδες και ακόμη και εκατομμύρια φορές. Η ειδική αντίσταση ενός αγωγού με υψηλή περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες μπορεί να πλησιάζει αυτή ενός μεταλλικού αγωγού.
Σε έναν κρύσταλλο γερμανίου με πρόσμιξη αρσενικού, υπάρχουν ηλεκτρόνια και οπές υπεύθυνες για την αγωγιμότητα του ίδιου του κρυστάλλου. Αλλά ο κύριος τύπος φορέων ελεύθερου φορτίου είναι τα ηλεκτρόνια που αποσπώνται από άτομα αρσενικού. Σε ένα τέτοιο κρύσταλλο n n >> n p . Αυτή η αγωγιμότητα ονομάζεται ηλεκτρονική και ένας ημιαγωγός με ηλεκτρονική αγωγιμότητα ονομάζεται ημιαγωγός τύπου n.
Η αγωγιμότητα της οπής συμβαίνει όταν τρισθενή άτομα (για παράδειγμα, άτομα ινδίου, In) εισάγονται σε έναν κρύσταλλο γερμανίου. Το σχήμα δείχνει ένα άτομο ινδίου που, χρησιμοποιώντας τα ηλεκτρόνια του σθένους, έχει δημιουργήσει ομοιοπολικούς δεσμούς μόνο με τρία γειτονικά άτομα γερμανίου.
Ημιαγωγός τύπου P. Άτομο της Ινδίας σε κρυσταλλικό πλέγμα γερμανίου
Το άτομο του ινδίου δεν έχει ηλεκτρόνιο για να σχηματίσει δεσμό με το τέταρτο άτομο γερμανίου. Αυτό το ηλεκτρόνιο που λείπει μπορεί να συλληφθεί από το άτομο του ινδίου από τον ομοιοπολικό δεσμό γειτονικών ατόμων γερμανίου. Σε αυτή την περίπτωση, το άτομο του ινδίου μετατρέπεται σε αρνητικό ιόν που βρίσκεται σε μια θέση του κρυσταλλικού πλέγματος και σχηματίζεται ένα κενό στον ομοιοπολικό δεσμό γειτονικών ατόμων. Μια πρόσμιξη ατόμων ικανών να συλλάβουν ηλεκτρόνια ονομάζεται ακαθαρσία δέκτη. Ως αποτέλεσμα της εισαγωγής μιας ακαθαρσίας δέκτη, πολλοί ομοιοπολικοί δεσμοί σπάνε στον κρύσταλλο και σχηματίζονται κενά (οπές). Τα ηλεκτρόνια από γειτονικούς ομοιοπολικούς δεσμούς μπορούν να πηδήξουν σε αυτά τα μέρη, γεγονός που οδηγεί σε χαοτική περιπλάνηση οπών σε όλο τον κρύσταλλο.
Η παρουσία μιας ακαθαρσίας δέκτη μειώνει απότομα την ειδική αντίσταση του ημιαγωγού λόγω της εμφάνισης μεγάλου αριθμού ελεύθερων οπών. Η συγκέντρωση των οπών σε έναν ημιαγωγό με ακαθαρσία δέκτη υπερβαίνει σημαντικά τη συγκέντρωση ηλεκτρονίων που προέκυψε λόγω του μηχανισμού της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του ίδιου του ημιαγωγού: n p >> n n . Αυτός ο τύπος αγωγιμότητας ονομάζεται αγωγιμότητα οπών. Ένας ημιαγωγός ακαθαρσιών με αγωγιμότητα οπής ονομάζεται ημιαγωγός τύπου p. Οι κύριοι φορείς δωρεάν φορτίου στους ημιαγωγούς τύπου p είναι οι τρύπες.
Πρέπει να τονιστεί ότι η αγωγιμότητα της οπής στην πραγματικότητα οφείλεται στην κίνηση ηλεκτρονίων ηλεκτρονίων μέσω κενών από το ένα άτομο γερμανίου στο άλλο, τα οποία πραγματοποιούν έναν ομοιοπολικό δεσμό.
Για ημιαγωγούς τύπου n και p, ο νόμος του Ohm ικανοποιείται σε ορισμένες περιοχές ρεύματος και τάσης, με την προϋπόθεση ότι οι συγκεντρώσεις των ελεύθερων φορέων είναι σταθερές.
Με την ανακάλυψη των ημιαγωγών και τη μελέτη των ιδιοτήτων τους, κατέστη δυνατή η δημιουργία κυκλωμάτων με χρήση διόδων και τρανζίστορ. Σύντομα λόγω των καλύτερων χαρακτηριστικά απόδοσηςκαι μικρότερα μεγέθη αντικατέστησαν σωλήνες κενού, τότε κατέστη δυνατή η παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που βασίζονται σε στοιχεία ημιαγωγών.
Ο ορισμός των ημιαγωγών σημαίνει ότι τους χαρακτηρίζουμε ως προς την ικανότητά τους να φέρουν ηλεκτρικό ρεύμα. Στα δεδομένα κρυσταλλικές ουσίεςΗ ηλεκτρική αγωγιμότητα αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, την έκθεση στο φως και την παρουσία διαφόρων ακαθαρσιών.
Οι ημιαγωγοί μπορεί να έχουν μεγάλο διάκενο ή στενό διάκενο, γεγονός που καθορίζει τις ιδιότητες των υλικών ημιαγωγών. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα εξαρτάται από το διάκενο ζώνης, μετρούμενο σε ηλεκτρονιοβολτ (eV). Αυτή η παράμετρος μπορεί να αναπαρασταθεί ως η ενέργεια που απαιτείται για να διεισδύσει ένα ηλεκτρόνιο στη ζώνη ηλεκτρικού ρεύματος. Κατά μέσο όρο για ημιαγωγούς είναι 1 eV, μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο.
Εάν η κανονικότητα του κρυσταλλικού πλέγματος των ημιαγωγών διαταραχθεί από ένα ξένο άτομο, τότε αυτή η αγωγιμότητα θα είναι ακαθαρσία. Όταν οι ημιαγωγικές ουσίες προορίζονται να δημιουργήσουν στοιχεία μικροκυκλώματος, προστίθενται ειδικά ακαθαρσίες σε αυτές, οι οποίες σχηματίζουν αυξημένες συσσωρεύσεις οπών ή ηλεκτρονίων:
Σπουδαίος! ΒΑΣΙΚΟΣ παραγοντας, που επηρεάζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα των αγωγών, είναι η θερμοκρασία.
Παραδείγματα ημιαγωγών είναι το πυρίτιο, το γερμάνιο. Στους κρυστάλλους αυτών των ουσιών, τα άτομα έχουν ομοιοπολικούς δεσμούς. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, μερικά ηλεκτρόνια μπορεί να απελευθερωθούν. Μετά από αυτό, το άτομο που έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο γίνεται θετικά φορτισμένο ιόν. Και το ηλεκτρόνιο, που δεν μπορεί να μετακινηθεί σε άλλο άτομο λόγω του κορεσμού των δεσμών, αποδεικνύεται ελεύθερο. Υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, τα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν σε κατευθυνόμενη ροή.
Ένα ιόν που έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο τείνει να «αφαιρεί» ένα άλλο από το πλησιέστερο άτομο. Εάν τα καταφέρει, τότε αυτό το άτομο θα γίνει ένα ιόν, με τη σειρά του, που προσπαθεί να αντικαταστήσει το χαμένο ηλεκτρόνιο. Έτσι, εμφανίζεται η κίνηση των «οπών» (θετικά φορτία), τα οποία μπορούν επίσης να διαταχθούν στο ηλεκτρικό πεδίο.
Η αυξημένη θερμοκρασία επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να απελευθερώνονται πιο ενεργητικά, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της αντίστασης του ημιαγωγού και αύξηση της αγωγιμότητας. Τα ηλεκτρόνια και οι οπές συσχετίζονται σε περίπου ίσες αναλογίες σε καθαρούς κρυστάλλους, μια τέτοια αγωγιμότητα ονομάζεται εγγενής αγωγιμότητα.
Οι τύποι αγωγιμότητας ακαθαρσιών χωρίζονται σε:
Τα στοιχεία ημιαγωγών λειτουργούν κυρίως με βάση τα χαρακτηριστικά της διασταύρωσης pn. Όταν δύο υλικά με ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙαγωγιμότητα φέρνουν σε επαφή, στο όριο μεταξύ τους θα υπάρξει αλληλοδιείσδυση ηλεκτρονίων και οπών σε αντίθετες ζώνες.
Σπουδαίος!Η διαδικασία ανταλλαγής υλικών ημιαγωγών με θετικούς και αρνητικούς φορείς φορτίου έχει χρονικά όρια - μέχρι το σχηματισμό του στρώματος φραγμού.
Θετικοί και αρνητικοί φορείς φορτίου συσσωρεύονται στα συνδεδεμένα μέρη, και στις δύο πλευρές της γραμμής επαφής. Η προκύπτουσα διαφορά δυναμικού μπορεί να φτάσει τα 0,6 V.
Όταν ένα στοιχείο σύνδεσης p-n τοποθετείται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, η αγωγιμότητά του θα εξαρτηθεί από τη σύνδεση του τροφοδοτικού (PS). Με ένα «συν» στο τμήμα με αγωγιμότητα p και ένα «μείον» στο τμήμα με αγωγιμότητα n, το στρώμα μπλοκαρίσματος θα καταστραφεί και το ρεύμα θα ρέει μέσω της διασταύρωσης. Εάν το τροφοδοτικό συνδεθεί με τον αντίθετο τρόπο, το στρώμα μπλοκαρίσματος θα αυξηθεί ακόμη περισσότερο και θα επιτρέψει τη διέλευση ενός αμελητέου ηλεκτρικού ρεύματος.
Σπουδαίος!Η διασταύρωση p-n έχει μονόδρομη αγωγιμότητα.
Με βάση τις ιδιότητες των ημιαγωγών, έχουν δημιουργηθεί διάφορες συσκευές που χρησιμοποιούνται στη ραδιομηχανική, την ηλεκτρονική και άλλους τομείς.
Η μονόδρομη αγωγιμότητα των διόδων ημιαγωγών έχει καθορίσει την περιοχή εφαρμογής τους - κυρίως στην ανόρθωση εναλλασσόμενο ρεύμα. Άλλοι τύποι διόδων:
Αυτή η δίοδος δεν είναι κατασκευασμένη από δύο υλικά ημιαγωγών, ο ημιαγωγός έρχεται σε επαφή με ένα μέταλλο. Δεδομένου ότι το μέταλλο δεν έχει κρυσταλλική δομή, δεν μπορεί να υπάρχουν τρύπες σε αυτό. Αυτό σημαίνει ότι στο σημείο επαφής με το υλικό ημιαγωγών, μόνο τα ηλεκτρόνια και από τις δύο πλευρές είναι ικανά να διεισδύσουν, εκτελώντας μια λειτουργία εργασίας. Αυτό γίνεται δυνατό όταν:
Στο σημείο επαφής, ο ημιαγωγός θα χάσει τους φορείς φορτίου και η αγωγιμότητά του θα μειωθεί. Δημιουργείται ένα φράγμα που ξεπερνιέται με άμεση τάση της απαιτούμενης τιμής. Η αντίστροφη τάση πρακτικά απενεργοποιεί τη δίοδο, η οποία λειτουργεί ως ανορθωτής. Λόγω της υψηλής ταχύτητας τους, οι δίοδοι Schottky χρησιμοποιούνται σε παλμικά κυκλώματα, σε υπολογιστικές συσκευές, χρησιμεύουν επίσης ως δίοδοι ισχύος για την ανόρθωση ρεύματος σημαντικού μεγέθους.
Σχεδόν κανένα μικροκύκλωμα δεν μπορεί να κάνει χωρίς τρανζίστορ, στοιχεία ημιαγωγών με δύο συνδέσεις p-n. Το στοιχείο τρανζίστορ έχει τρεις επαφές εξόδου:
Εάν εφαρμοστεί ένα σήμα ελέγχου χαμηλής ισχύος στη βάση, πολύ περισσότερο ρεύμα διέρχεται μεταξύ του συλλέκτη και του πομπού. Όταν δεν παρέχεται σήμα στη βάση, δεν διοχετεύεται ρεύμα. Με αυτόν τον τρόπο, το ρεύμα μπορεί να ρυθμιστεί. Η συσκευή χρησιμοποιείται για την ενίσχυση του σήματος και της ανεπαφικής μεταγωγής του κυκλώματος.
Τύποι τρανζίστορ ημιαγωγών:
Το ντόπινγκ είναι η εισαγωγή στοιχείων ακαθαρσίας, δότη και δέκτη, σε κρυστάλλους ημιαγωγών για τη ρύθμιση της αγωγιμότητάς τους. Αυτό συμβαίνει κατά την ανάπτυξη των κρυστάλλων ή μέσω τοπικής εφαρμογής σε ορισμένες περιοχές.
Μέθοδοι που χρησιμοποιούνται:
Υπάρχουν και άλλες μέθοδοι ντόπινγκ: χημική χάραξη, δημιουργία λεπτών μεμβρανών με ψεκασμό.
Το κύριο πράγμα στην απόκτηση ημιαγωγών είναι ο καθαρισμός τους από περιττές ακαθαρσίες. Μεταξύ των πολλών τρόπων απόκτησής τους, μπορούν να εντοπιστούν δύο πιο συχνά χρησιμοποιούμενες:
Οι διαφορές στη σύνθεση καθορίζουν το εύρος των ημιαγωγών:
Τώρα είναι δύσκολο να ονομάσουμε έναν τομέα τεχνολογίας όπου δεν θα χρησιμοποιούνται υλικά ημιαγωγών, συμπεριλαμβανομένης της απουσίας σύνδεσης p-n, για παράδειγμα, της θερμικής αντίστασης σε αισθητήρες θερμοκρασίας, φωτοαντιστάσεις σε τηλεχειριστήρια και άλλα.
Το άρθρο μας θα εξετάσει παραδείγματα ημιαγωγών, τις ιδιότητες και τις εφαρμογές τους. Αυτά τα υλικά έχουν τη θέση τους στη ραδιομηχανική και την ηλεκτρονική. Είναι κάτι μεταξύ διηλεκτρικού και αγωγού. Παρεμπιπτόντως, το απλό γυαλί μπορεί επίσης να θεωρηθεί ημιαγωγός - στην κανονική του κατάσταση δεν μεταφέρει ρεύμα. Αλλά με ισχυρή θέρμανση (σχεδόν σε υγρή κατάσταση), εμφανίζεται μια αλλαγή στις ιδιότητες και το γυαλί γίνεται αγωγός. Αλλά αυτό είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα για άλλα υλικά τα πράγματα είναι λίγο διαφορετικά.
Ο δείκτης αγωγιμότητας είναι περίπου 1000 Ohm*m (σε θερμοκρασία 180 μοίρες). Σε σύγκριση με τα μέταλλα, οι ημιαγωγοί έχουν μείωση της αγωγιμότητας καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Τα διηλεκτρικά έχουν την ίδια ιδιότητα. Τα υλικά ημιαγωγών έχουν μια αρκετά ισχυρή εξάρτηση του δείκτη αγωγιμότητας από την ποσότητα και τον τύπο των ακαθαρσιών.
Ας πούμε ότι εάν εισάγετε μόνο ένα χιλιοστό αρσενικού στο καθαρό γερμάνιο, η αγωγιμότητα θα αυξηθεί κατά περίπου 10 φορές. Χωρίς εξαίρεση, όλοι οι ημιαγωγοί είναι ευαίσθητοι σε εξωτερικές επιδράσεις - πυρηνική ακτινοβολία, φως, ηλεκτρομαγνητικά πεδία, πίεση κ.λπ. Παραδείγματα υλικών ημιαγωγών είναι το αντιμόνιο, το πυρίτιο, το γερμάνιο, το τελλούριο, ο φώσφορος, ο άνθρακας, το αρσενικό, το ιώδιο, το βόριο, καθώς και διάφορες συνδέσειςαυτές τις ουσίες.
Λόγω του ότι τα ημιαγωγικά υλικά έχουν τέτοια συγκεκριμένες ιδιότητες, έχουν γίνει αρκετά διαδεδομένα. Στη βάση τους κατασκευάζονται διόδους, τρανζίστορ, τριακ, λέιζερ, θυρίστορ, αισθητήρες πίεσης, μαγνητικού πεδίου, θερμοκρασίας κ.λπ. Μετά την ανάπτυξη των ημιαγωγών, έλαβε χώρα ένας ριζικός μετασχηματισμός στον αυτοματισμό, τη ραδιομηχανική, την κυβερνητική και την ηλεκτρική μηχανική. Με τη χρήση ημιαγωγών κατέστη δυνατό να επιτευχθούν τόσο μικρές διαστάσεις του εξοπλισμού - δεν χρειάζεται να χρησιμοποιηθούν μαζικά τροφοδοτικά και ραδιοσωλήνες μεγέθους ενός βάζου ενάμισι λίτρου.
Στους αγωγούς, το ρεύμα καθορίζεται από το πού κινούνται τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Υπάρχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια σε υλικά ημιαγωγών, και υπάρχουν λόγοι για αυτό. Όλα τα ηλεκτρόνια σθένους που υπάρχουν σε έναν ημιαγωγό δεν είναι ελεύθερα, αφού συνδέονται με τα άτομά τους.
Στους ημιαγωγούς, το ρεύμα μπορεί να εμφανιστεί και να αλλάξει μέσα σε αρκετά μεγάλα όρια, αλλά μόνο με την παρουσία εξωτερικής επιρροής. Το ρεύμα αλλάζει με τη θέρμανση, την ακτινοβολία και την εισαγωγή ακαθαρσιών. Όλες οι επιρροές μπορούν να αυξήσουν σημαντικά την ενέργεια των ηλεκτρονίων σθένους, γεγονός που συμβάλλει στον διαχωρισμό τους από τα άτομα. Και η εφαρμοζόμενη τάση αναγκάζει αυτά τα ηλεκτρόνια να κινηθούν προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Με άλλα λόγια, αυτά τα ηλεκτρόνια γίνονται φορείς ρεύματος.
Καθώς η θερμοκρασία ή η ένταση της εξωτερικής ακτινοβολίας αυξάνεται, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων αυξάνεται. Κατά συνέπεια, το ρεύμα αυξάνεται. Αυτά τα άτομα σε μια ουσία που έχουν χάσει ηλεκτρόνια γίνονται θετικά ιόντα δεν κινούνται. ΜΕ εξω αποΈνα άτομο από το οποίο έχει μείνει ένα ηλεκτρόνιο μένει με μια οπή. Ένα άλλο ηλεκτρόνιο που έχει αφήσει τη θέση του σε ένα κοντινό άτομο μπορεί να χωρέσει σε αυτό. Ως αποτέλεσμα αυτού, σχηματίζεται μια οπή στο εξωτερικό μέρος του γειτονικού ατόμου - μετατρέπεται σε ιόν (θετικό).
Εάν εφαρμοστεί μια τάση σε έναν ημιαγωγό, τα ηλεκτρόνια θα αρχίσουν να κινούνται από το ένα άτομο στο άλλο προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Οι τρύπες θα αρχίσουν να κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Μια τρύπα είναι ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο. Επιπλέον, το φορτίο του είναι ίδιο σε συντελεστή με αυτό ενός ηλεκτρονίου. Χρησιμοποιώντας αυτόν τον ορισμό, μπορείτε να απλοποιήσετε σημαντικά την ανάλυση όλων των διεργασιών που συμβαίνουν σε έναν κρύσταλλο ημιαγωγών. Το ρεύμα της οπής (σημαίνει I D) είναι η κίνηση των σωματιδίων προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κίνηση των ηλεκτρονίων.
Ένας ημιαγωγός έχει δύο τύπους ηλεκτρικής αγωγιμότητας - ηλεκτρόνιο και οπή. Σε καθαρούς ημιαγωγούς (χωρίς ακαθαρσίες), οι οπές και τα ηλεκτρόνια έχουν την ίδια συγκέντρωση (N D και N E, αντίστοιχα). Για το λόγο αυτό, μια τέτοια ηλεκτρική αγωγιμότητα ονομάζεται εγγενής αγωγιμότητα. Η συνολική τρέχουσα τιμή θα είναι ίση με:
Αλλά αν λάβουμε υπόψη το γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια έχουν μεγαλύτερη κινητικότητα από τις τρύπες, μπορούμε να καταλήξουμε στην ακόλουθη ανισότητα:
Η κινητικότητα φόρτισης προσδιορίζεται με το γράμμα M, αυτή είναι μια από τις κύριες ιδιότητες των ημιαγωγών. Η κινητικότητα είναι η αναλογία δύο παραμέτρων. Το πρώτο είναι η ταχύτητα κίνησης του φορέα φορτίου (που συμβολίζεται με το γράμμα V με τον δείκτη "E" ή "D", ανάλογα με τον τύπο του φορέα), το δεύτερο είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου (που συμβολίζεται με το γράμμα E) . Μπορεί να εκφραστεί με τη μορφή τύπων:
M E = (V E / E).
M D = (V D / E).
Η κινητικότητα σάς επιτρέπει να προσδιορίσετε τη διαδρομή που διανύει μια οπή ή ένα ηλεκτρόνιο σε ένα δευτερόλεπτο με τιμή τάσης 1 V/cm. Μπορούμε τώρα να υπολογίσουμε το εγγενές ρεύμα του υλικού ημιαγωγού:
I = N * e * (M E + M D) * E.
Αλλά πρέπει να σημειωθεί ότι έχουμε ισότητες:
N = N E = N D.
Το γράμμα e στον τύπο υποδηλώνει το φορτίο του ηλεκτρονίου (αυτή είναι μια σταθερή τιμή).
Μπορείτε να δώσετε αμέσως παραδείγματα συσκευές ημιαγωγών- αυτά είναι τρανζίστορ, θυρίστορ, δίοδοι, ακόμη και μικροκυκλώματα. Φυσικά, αυτό απέχει πολύ από πλήρης λίστα. Για να φτιάξετε μια συσκευή ημιαγωγών, πρέπει να χρησιμοποιήσετε υλικά που έχουν αγωγιμότητα οπών ή ηλεκτρονίων. Για να ληφθεί ένα τέτοιο υλικό, είναι απαραίτητο να εισαχθεί ένα πρόσθετο σε έναν ιδανικά καθαρό ημιαγωγό με συγκέντρωση ακαθαρσιών μικρότερη από 10 -11% (ονομάζεται προσμίκτη).
Εκείνες οι ακαθαρσίες των οποίων το σθένος είναι μεγαλύτερο από αυτό του ημιαγωγού εγκαταλείπουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αυτές οι ακαθαρσίες ονομάζονται δότες. Αλλά εκείνοι των οποίων το σθένος είναι μικρότερο από αυτό ενός ημιαγωγού τείνουν να αρπάζουν και να συγκρατούν ηλεκτρόνια. Ονομάζονται αποδέκτες. Για να αποκτήσουμε έναν ημιαγωγό που θα έχει μόνο αγωγιμότητα ηλεκτρονικού τύπου, V πρώτη ύληΑρκεί να εισαγάγουμε μια ουσία της οποίας το σθένος είναι μόνο μία ακόμη. Ως παράδειγμα ημιαγωγών, το μάθημα της σχολικής φυσικής θεωρεί το γερμάνιο - το σθένος του είναι 4. Προστίθεται ένας δότης σε αυτό - φώσφορος ή αντιμόνιο, το σθένος τους είναι πέντε. Υπάρχουν λίγα μέταλλα ημιαγωγών που πρακτικά δεν χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία.
Σε αυτή την περίπτωση, 4 ηλεκτρόνια σε κάθε άτομο δημιουργούν τέσσερις ζευγαρωμένους (ομοιοπολικούς) δεσμούς με το γερμάνιο. Το πέμπτο ηλεκτρόνιο δεν έχει τέτοιο δεσμό, που σημαίνει ότι βρίσκεται σε ελεύθερη κατάσταση. Και αν εφαρμόσετε τάση σε αυτό, θα σχηματίσει ένα ηλεκτρονικό ρεύμα.
Όταν το ρεύμα των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερο από αυτό των οπών, ο ημιαγωγός ονομάζεται n-type (αρνητικός). Ας εξετάσουμε ένα παράδειγμα - μια μικρή ακαθαρσία δέκτη (για παράδειγμα, βόριο) εισάγεται σε ιδανικά καθαρό γερμάνιο. Σε αυτή την περίπτωση, κάθε άτομο δέκτη θα αρχίσει να δημιουργεί ομοιοπολικούς δεσμούς με το γερμάνιο. Αλλά το τέταρτο άτομο γερμανίου δεν έχει καμία σχέση με το βόριο. Κατά συνέπεια, ένας ορισμένος αριθμός ατόμων γερμανίου θα έχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο χωρίς δεσμό ομοιοπολικού τύπου.
Αλλά μια ελαφρά εξωτερική επίδραση είναι αρκετή για να αρχίσουν τα ηλεκτρόνια να φεύγουν από τις θέσεις τους. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζονται τρύπες στο γερμάνιο.
Το σχήμα δείχνει ότι στα άτομα 2, 4 και 6, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αρχίζουν να προσκολλώνται στο βόριο. Για το λόγο αυτό δεν δημιουργείται ρεύμα στον ημιαγωγό. Τρύπες με αριθμούς 1, 3 και 5 σχηματίζονται στην επιφάνεια των ατόμων γερμανίου - με τη βοήθειά τους, μεταφέρονται σε αυτά ηλεκτρόνια από γειτονικά άτομα. Στο τελευταίο αρχίζουν να εμφανίζονται τρύπες, καθώς τα ηλεκτρόνια πετούν μακριά τους.
Κάθε τρύπα που εμφανίζεται θα αρχίσει να κινείται μεταξύ ατόμων γερμανίου. Όταν εφαρμόζεται τάση, οι οπές αρχίζουν να κινούνται με τάξη. Με άλλα λόγια, εμφανίζεται ένα ρεύμα οπών στην ουσία. Αυτός ο τύπος ημιαγωγών ονομάζεται τρύπα ή τύπου p. Όταν εκτίθενται σε τάση, δεν κινούνται μόνο ηλεκτρόνια, αλλά και τρύπες - συναντούν διάφορα εμπόδια στο δρόμο τους. Σε αυτή την περίπτωση, υπάρχει απώλεια ενέργειας και απόκλιση από την αρχική τροχιά. Με άλλα λόγια, η χρέωση των μεταφορέων διαλύεται. Όλα αυτά συμβαίνουν επειδή ο ημιαγωγός περιέχει ρύπους.
Παραδείγματα ουσιών ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται σε μοντέρνα τεχνολογία. Όλα τα υλικά έχουν τα δικά τους χαρακτηριστικά. Συγκεκριμένα, μία από τις βασικές ιδιότητες είναι η μη γραμμικότητα του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης.
Με άλλα λόγια, όταν υπάρχει αύξηση της τάσης που εφαρμόζεται στον ημιαγωγό, εμφανίζεται μια γρήγορη αύξηση του ρεύματος. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίσταση μειώνεται απότομα. Αυτή η ιδιότητα έχει βρει εφαρμογή σε μια ποικιλία απαγωγέων βαλβίδων. Παραδείγματα διαταραγμένων ημιαγωγών μπορούν να εξεταστούν λεπτομερέστερα στην εξειδικευμένη βιβλιογραφία.
Ένα καλό παράδειγμα: στην τιμή της τάσης λειτουργίας, το διάκενο σπινθήρα έχει υψηλή αντίσταση, επομένως το ρεύμα δεν ρέει από το καλώδιο τροφοδοσίας στο έδαφος. Αλλά μόλις ο κεραυνός χτυπήσει ένα καλώδιο ή ένα στήριγμα, η αντίσταση μειώνεται πολύ γρήγορα σχεδόν στο μηδέν και όλο το ρεύμα πηγαίνει στο έδαφος. Και η τάση πέφτει στο κανονικό.
Όταν η πολικότητα της τάσης αλλάζει, το ρεύμα στον ημιαγωγό αρχίζει να ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Και αλλάζει σύμφωνα με τον ίδιο νόμο. Αυτό υποδηλώνει ότι το στοιχείο ημιαγωγού έχει ένα συμμετρικό χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης. Στην περίπτωση που ένα μέρος του στοιχείου είναι τύπου οπής και το δεύτερο είναι ηλεκτρονικό, τότε εμφανίζεται μια διασταύρωση p-n (ηλεκτρόνιο-οπή) στο όριο της επαφής τους. Είναι ακριβώς αυτές οι μεταβάσεις που υπάρχουν σε όλα τα στοιχεία - τρανζίστορ, δίοδοι, μικροκυκλώματα. Αλλά μόνο σε μικροκυκλώματα συναρμολογούνται πολλά τρανζίστορ σε ένα τσιπ ταυτόχρονα - μερικές φορές ο αριθμός τους είναι πάνω από μια ντουζίνα.
Τώρα ας δούμε πώς σχηματίζεται μια διασταύρωση pn. Εάν η επαφή μεταξύ ημιαγωγών οπής και ηλεκτρονίων δεν είναι πολύ υψηλής ποιότητας, τότε σχηματίζεται ένα σύστημα που αποτελείται από δύο περιοχές. Το ένα θα έχει αγωγιμότητα οπών και το δεύτερο θα έχει ηλεκτρονική αγωγιμότητα.
Και τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην περιοχή n θα αρχίσουν να διαχέονται εκεί όπου η συγκέντρωσή τους είναι χαμηλότερη - δηλαδή στην περιοχή p. Ταυτόχρονα με τα ηλεκτρόνια κινούνται οπές, αλλά η κατεύθυνσή τους είναι αντίθετη. Με την αμοιβαία διάχυση, η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων στην περιοχή n και των οπών στην περιοχή p μειώνεται.
Έχοντας εξετάσει τα παραδείγματα των αγωγών, των ημιαγωγών και των διηλεκτρικών, μπορείτε να καταλάβετε ότι οι ιδιότητές τους είναι διαφορετικές. Για παράδειγμα, η κύρια ποιότητα των ημιαγωγών είναι η δυνατότητα διέλευσης ρεύματος προς μία μόνο κατεύθυνση. Για το λόγο αυτό, οι συσκευές που κατασκευάζονται με χρήση ημιαγωγών έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένες στους ανορθωτές. Στην πράξη, χρησιμοποιώντας πολλά όργανα μέτρησης, μπορείτε να δείτε το έργο των ημιαγωγών και να αξιολογήσετε πολλές παραμέτρους - τόσο σε κατάσταση ηρεμίας όσο και όταν εκτίθενται σε εξωτερικούς «διεγέρτες».
Μέχρι τώρα, μιλώντας για την ικανότητα των ουσιών να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα, τις χωρίζαμε σε αγωγούς και διηλεκτρικά. Η ειδική αντίσταση των συνηθισμένων αγωγών είναι στην περιοχή Ohm m. Η ειδική αντίσταση των διηλεκτρικών υπερβαίνει αυτές τις τιμές κατά μέσο όρο κατά τάξεις μεγέθους: Ohm m.
Υπάρχουν όμως και ουσίες που, στην ηλεκτρική τους αγωγιμότητα, καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ αγωγών και διηλεκτρικών. Αυτό ημιαγωγών: η αντίστασή τους σε θερμοκρασία δωματίου μπορεί να πάρει πολύ τιμές ευρύ φάσμαΩμ μ. Οι ημιαγωγοί περιλαμβάνουν πυρίτιο, γερμάνιο, σελήνιο και ορισμένα άλλα χημικά στοιχεία και ενώσεις (Οι ημιαγωγοί είναι εξαιρετικά συνηθισμένοι στη φύση. Για παράδειγμα, περίπου το 80% της μάζας του φλοιού της γης αποτελείται από ουσίες που είναι ημιαγωγοί). Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα είναι το πυρίτιο και το γερμάνιο.
Το κύριο χαρακτηριστικό των ημιαγωγών είναι ότι η ηλεκτρική τους αγωγιμότητα αυξάνεται απότομα με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική αντίσταση ενός ημιαγωγού μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας περίπου όπως φαίνεται στο Σχ. 1 .
Ρύζι. 1. Εξάρτηση για ημιαγωγό
Με άλλα λόγια, σε χαμηλές θερμοκρασίες οι ημιαγωγοί συμπεριφέρονται σαν διηλεκτρικοί, και σε υψηλές θερμοκρασίες συμπεριφέρονται σαν αρκετά καλοί αγωγοί. Αυτή είναι η διαφορά μεταξύ ημιαγωγών και μετάλλων: η ειδική αντίσταση ενός μετάλλου, όπως θυμάστε, αυξάνεται γραμμικά με την αύξηση της θερμοκρασίας.
Υπάρχουν και άλλες διαφορές μεταξύ ημιαγωγών και μετάλλων. Έτσι, ο φωτισμός ενός ημιαγωγού προκαλεί μείωση της αντίστασής του (και το φως δεν έχει σχεδόν καμία επίδραση στην αντίσταση του μετάλλου). Επιπλέον, η ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών μπορεί να αλλάξει πολύ με την εισαγωγή έστω και μικρών ποσοτήτων ακαθαρσιών.
Η εμπειρία δείχνει ότι, όπως και στην περίπτωση των μετάλλων, δεν πραγματοποιείται μεταφορά ουσίας όταν το ρεύμα ρέει μέσω ενός ημιαγωγού. Επομένως, το ηλεκτρικό ρεύμα στους ημιαγωγούς οφείλεται στην κίνηση των ηλεκτρονίων.
Η μείωση της αντίστασης ενός ημιαγωγού όταν θερμαίνεται δείχνει ότι η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε αύξηση του αριθμού των ελεύθερων φορτίων στον ημιαγωγό. Τίποτα τέτοιο δεν συμβαίνει στα μέταλλα. Επομένως, οι ημιαγωγοί έχουν διαφορετικό μηχανισμό ηλεκτρικής αγωγιμότητας από τα μέταλλα. Και ο λόγος για αυτό είναι διαφορετική φύση χημικός δεσμόςμεταξύ ατόμων μετάλλου και ημιαγωγών.
Ο μεταλλικός δεσμός, όπως θυμάστε, παρέχεται από ένα αέριο ελεύθερων ηλεκτρονίων, το οποίο, όπως η κόλλα, συγκρατεί θετικά ιόντα στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος. Οι ημιαγωγοί έχουν διαφορετική δομή - τα άτομά τους συγκρατούνται μεταξύ τους ομοιοπολικό δεσμό. Ας θυμηθούμε τι είναι.
Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στο εξωτερικό ηλεκτρονικό επίπεδο και καλούνται σθένος, είναι ασθενέστερα συνδεδεμένα με το άτομο από τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια, τα οποία βρίσκονται πιο κοντά στον πυρήνα. Στη διαδικασία σχηματισμού ενός ομοιοπολικού δεσμού, δύο άτομα συνεισφέρουν ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους τους «στην κοινή αιτία». Αυτά τα δύο ηλεκτρόνια είναι κοινά, δηλαδή ανήκουν πλέον και στα δύο άτομα και επομένως ονομάζονται κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων(Εικ. 2).
Ρύζι. 2. Ομοιοπολικός δεσμός
Ένα κοινωνικοποιημένο ζεύγος ηλεκτρονίων είναι αυτό που κρατά τα άτομα το ένα κοντά στο άλλο (χρησιμοποιώντας τις δυνάμεις της ηλεκτρικής έλξης). Ο ομοιοπολικός δεσμός είναι ένας δεσμός που υπάρχει μεταξύ ατόμων λόγω κοινών ζευγών ηλεκτρονίων. Για το λόγο αυτό ονομάζεται και ομοιοπολικός δεσμός ζεύγος-ηλεκτρονικό.
Τώρα είμαστε έτοιμοι να ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά εσωτερική οργάνωσηημιαγωγών. Ως παράδειγμα, εξετάστε τον πιο κοινό ημιαγωγό στη φύση - το πυρίτιο. Ο δεύτερος πιο σημαντικός ημιαγωγός, το γερμάνιο, έχει παρόμοια δομή.
Η χωρική δομή του πυριτίου φαίνεται στο Σχ. 3 (εικόνα από τον Ben Mills). Οι μπάλες αντιπροσωπεύουν άτομα πυριτίου και οι σωλήνες που τις συνδέουν είναι κανάλια ομοιοπολικών δεσμών μεταξύ των ατόμων.
Ρύζι. 3. Κρυσταλλική δομή πυριτίου
Σημειώστε ότι κάθε άτομο πυριτίου είναι συνδεδεμένο με τέσσεριςγειτονικά άτομα. Γιατί συμβαίνει αυτό;
Το γεγονός είναι ότι το πυρίτιο είναι τετρασθενές - υπάρχουν τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους στο εξωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων του ατόμου του πυριτίου. Κάθε ένα από αυτά τα τέσσερα ηλεκτρόνια είναι έτοιμο να σχηματίσει ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων με το ηλεκτρόνιο σθένους ενός άλλου ατόμου. Αυτό συμβαίνει! Ως αποτέλεσμα, το άτομο πυριτίου περιβάλλεται από τέσσερα άτομα συνδεδεμένα σε αυτό, καθένα από τα οποία συνεισφέρει ένα ηλεκτρόνιο σθένους. Αντίστοιχα, υπάρχουν οκτώ ηλεκτρόνια γύρω από κάθε άτομο (τέσσερα δικά μας και τέσσερα άλλα).
Αυτό το βλέπουμε με περισσότερες λεπτομέρειες στο επίπεδο σχέδιοκρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου (Εικ. 4).
Ρύζι. 4. Κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου
Οι ομοιοπολικοί δεσμοί απεικονίζονται ως ζεύγη γραμμών που συνδέουν άτομα. Αυτές οι γραμμές περιέχουν κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων. Κάθε ηλεκτρόνιο σθένους που βρίσκεται σε μια τέτοια γραμμή περνά τον περισσότερο χρόνο του στο χώρο μεταξύ δύο γειτονικών ατόμων.
Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια σθένους δεν είναι σε καμία περίπτωση «στενά συνδεδεμένα» με τα αντίστοιχα ζεύγη ατόμων. Τα ηλεκτρονικά κελύφη επικαλύπτονται Ολοιγειτονικά άτομα, έτσι ώστε οποιοδήποτε ηλεκτρόνιο σθένους είναι η κοινή ιδιότητα όλων των γειτονικών ατόμων. Από κάποιο άτομο 1, ένα τέτοιο ηλεκτρόνιο μπορεί να πάει στο γειτονικό του άτομο 2, μετά στο γειτονικό του άτομο 3, και ούτω καθεξής. Τα ηλεκτρόνια σθένους μπορούν να κινηθούν σε όλο τον κρύσταλλο - λέγεται ότι ανήκουν σε ολόκληρο το κρύσταλλο(και όχι μόνο ένα ατομικό ζεύγος).
Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια σθένους του πυριτίου δεν είναι ελεύθερα (όπως συμβαίνει στο μέταλλο). Σε έναν ημιαγωγό, ο δεσμός μεταξύ ηλεκτρονίων σθένους και ατόμων είναι πολύ ισχυρότερος από ό,τι σε ένα μέταλλο. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί πυριτίου δεν σπάνε σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων δεν είναι αρκετή για να ξεκινήσει μια διατεταγμένη κίνηση από ένα χαμηλότερο δυναμικό σε ένα υψηλότερο υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Επομένως, με αρκετά χαμηλές θερμοκρασίεςΟι ημιαγωγοί είναι κοντά στα διηλεκτρικά - δεν μεταφέρουν ηλεκτρισμό.
Εάν περιλαμβάνεται σε ηλεκτρικό κύκλωμαστοιχείο ημιαγωγού και να αρχίσει να το θερμαίνει, τότε το ρεύμα στο κύκλωμα αυξάνεται. Επομένως, η αντίσταση του ημιαγωγού μειώνεταιμε την αύξηση της θερμοκρασίας. Γιατί συμβαίνει αυτό;
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, οι θερμικές δονήσεις των ατόμων πυριτίου γίνονται πιο έντονες και η ενέργεια των ηλεκτρονίων σθένους αυξάνεται. Για ορισμένα ηλεκτρόνια, η ενέργεια φτάνει σε τιμές επαρκείς για τη διάσπαση ομοιοπολικών δεσμών. Τέτοια ηλεκτρόνια αφήνουν τα άτομα τους και γίνονται Ελεύθερος(ή ηλεκτρόνια αγωγιμότητας) - ακριβώς το ίδιο όπως στο μέταλλο. Σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται με τάξη, σχηματίζοντας ηλεκτρικό ρεύμα.
Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του πυριτίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια των ηλεκτρονίων και τόσο περισσότερο μεγάλη ποσότηταδεν αντέχει ομοιοπολικούς δεσμούς και σπασίματα. Ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε έναν κρύσταλλο πυριτίου αυξάνεται, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της αντίστασής του.
Το σπάσιμο των ομοιοπολικών δεσμών και η εμφάνιση ελεύθερων ηλεκτρονίων φαίνεται στο Σχ. 5 . Στη θέση του σπασμένου ομοιοπολικού δεσμού, α τρύπα- κενή θέση για ένα ηλεκτρόνιο. Η τρύπα έχει θετικόςφορτίο, αφού με την αποχώρηση ενός αρνητικά φορτισμένου ηλεκτρονίου, παραμένει ένα μη αντισταθμισμένο θετικό φορτίο του πυρήνα του ατόμου του πυριτίου.
Ρύζι. 5. Σχηματισμός ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών
Οι τρύπες δεν μένουν στη θέση τους - μπορούν να περιπλανηθούν γύρω από τον κρύσταλλο. Το γεγονός είναι ότι ένα από τα γειτονικά ηλεκτρόνια σθένους, που "ταξιδεύουν" μεταξύ των ατόμων, μπορεί να μεταπηδήσει στην προκύπτουσα κενή θέση, γεμίζοντας την τρύπα. τότε η οπή σε αυτό το μέρος θα εξαφανιστεί, αλλά θα εμφανιστεί στο μέρος από όπου προήλθε το ηλεκτρόνιο.
Ελλείψει εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, η κίνηση των οπών είναι τυχαία, επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους περιφέρονται τυχαία μεταξύ των ατόμων. Ωστόσο, σε ένα ηλεκτρικό πεδίο αρχίζει σκηνοθετημένοςκίνηση των οπών. Γιατί; Αυτό δεν είναι δύσκολο να το καταλάβεις.
Στο Σχ. Το σχήμα 6 δείχνει έναν ημιαγωγό τοποθετημένο σε ηλεκτρικό πεδίο. Στην αριστερή πλευρά της εικόνας είναι η αρχική θέση της τρύπας.
Ρύζι. 6. Κίνηση οπής σε ηλεκτρικό πεδίο
Πού θα πάει η τρύπα; Είναι σαφές ότι τα πιο πιθανά άλματα ηλεκτρονίων > οπών είναι προς την κατεύθυνση κατάγραμμές πεδίου (δηλαδή στα «συν» που δημιουργούν το πεδίο). Ένα από αυτά τα άλματα φαίνεται στο μεσαίο τμήμα του σχήματος: το ηλεκτρόνιο πήδηξε προς τα αριστερά, γεμίζοντας το κενό και η τρύπα, κατά συνέπεια, μετατοπίστηκε προς τα δεξιά. Το επόμενο πιθανό άλμα ηλεκτρονίων που προκαλείται από το ηλεκτρικό πεδίο απεικονίζεται στη δεξιά πλευρά του σχήματος. Ως αποτέλεσμα αυτού του άλματος, η τρύπα πήρε μια νέα θέση, που βρίσκεται ακόμη πιο δεξιά.
Βλέπουμε ότι η τρύπα στο σύνολό της κινείται προςγραμμές πεδίου - δηλαδή εκεί που υποτίθεται ότι κινούνται θετικά φορτία. Ας τονίσουμε για άλλη μια φορά ότι η κατευθυνόμενη κίνηση μιας οπής κατά μήκος του πεδίου προκαλείται από άλματα ηλεκτρονίων σθένους από άτομο σε άτομο, που συμβαίνουν κυρίως προς την κατεύθυνση ενάντια στο πεδίο.
Έτσι, σε έναν κρύσταλλο πυριτίου υπάρχουν δύο τύποι φορέων φορτίου: ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές. Όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό ρεύμα, που προκαλείται από τη διατεταγμένη αντίστροφη κίνησή τους: τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται αντίθετα από το διάνυσμα έντασης πεδίου και οι οπές - προς την κατεύθυνση του διανύσματος.
Η εμφάνιση ρεύματος λόγω της κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων ονομάζεται ηλεκτρονική αγωγιμότητα, ή αγωγιμότητα τύπου n. Η διαδικασία της ομαλής κίνησης των οπών ονομάζεται αγωγιμότητα οπών,ή αγωγιμότητα τύπου p(από τα πρώτα γράμματα των λατινικών λέξεων negativus (αρνητικό) και positivus (θετικό)). Και οι δύο αγωγιμότητα - ηλεκτρόνιο και οπή - ονομάζονται συλλογικά δική της αγωγιμότηταημιαγωγός.
Κάθε ηλεκτρόνιο που αφήνει έναν σπασμένο ομοιοπολικό δεσμό δημιουργεί ένα ζεύγος «ελεύθερου ηλεκτρονίου-οπής». Επομένως, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε έναν καθαρό κρύσταλλο πυριτίου είναι ίση με τη συγκέντρωση των οπών. Κατά συνέπεια, όταν ο κρύσταλλος θερμαίνεται, η συγκέντρωση όχι μόνο των ελεύθερων ηλεκτρονίων, αλλά και των οπών αυξάνεται, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της εγγενούς αγωγιμότητας του ημιαγωγού λόγω αύξησης της αγωγιμότητας τόσο των ηλεκτρονίων όσο και της οπής.
Μαζί με το σχηματισμό ζευγών ελεύθερων ηλεκτρονίων-οπών, συμβαίνει και η αντίστροφη διαδικασία: ανασυνδυασμόςελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές. Δηλαδή, ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο, που συναντά μια τρύπα, γεμίζει αυτό το κενό, αποκαθιστώντας τον σπασμένο ομοιοπολικό δεσμό και μετατρέποντας σε ηλεκτρόνιο σθένους. Έτσι, σε έναν ημιαγωγό εγκαθίσταται δυναμική ισορροπία: ο μέσος αριθμός ρήξεων ομοιοπολικών δεσμών και ο σχηματισμός ζευγών ηλεκτρονίων-οπών ανά μονάδα χρόνου είναι ίσος με τον μέσο αριθμό ανασυνδυαζόμενων ηλεκτρονίων και οπών. Αυτή η κατάσταση δυναμικής ισορροπίας καθορίζει τη συγκέντρωση ισορροπίας των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών στον ημιαγωγό υπό δεδομένες συνθήκες.
Αλλαγή εξωτερικές συνθήκεςμετατοπίζει την κατάσταση της δυναμικής ισορροπίας προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση. Σε αυτή την περίπτωση, η τιμή ισορροπίας της συγκέντρωσης του φορέα φορτίου αλλάζει φυσικά. Για παράδειγμα, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών αυξάνεται όταν ο ημιαγωγός θερμαίνεται ή φωτίζεται.
Σε θερμοκρασία δωματίου, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών στο πυρίτιο είναι περίπου ίση με cm. Αυτό είναι πολύ λίγο. Στα μέταλλα, για παράδειγμα, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι περίπου ίση με τη συγκέντρωση των ατόμων. Αντίστοιχα, Η εγγενής αγωγιμότητα του πυριτίου και άλλων ημιαγωγών υπό κανονικές συνθήκες είναι μικρή σε σύγκριση με την αγωγιμότητα των μετάλλων.
Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό των ημιαγωγών είναι ότι η ειδική αντίστασή τους μπορεί να μειωθεί κατά αρκετές τάξεις μεγέθους ως αποτέλεσμα της εισαγωγής ακόμη και πολύ μικρής ποσότητας ακαθαρσιών. Εκτός από τη δική του αγωγιμότητα, ένας ημιαγωγός έχει μια κυρίαρχη αγωγιμότητα ακαθαρσιών. Χάρη σε αυτό το γεγονός, οι συσκευές ημιαγωγών έχουν βρει τόσο ευρεία εφαρμογή στην επιστήμη και την τεχνολογία.
Ας υποθέσουμε, για παράδειγμα, ότι στο τήγμα του πυριτίου προστίθεται λίγο πεντασθενές αρσενικό. Μετά την κρυστάλλωση του τήγματος, αποδεικνύεται ότι τα άτομα αρσενικού καταλαμβάνουν θέσεις σε ορισμένους κόμβους του σχηματιζόμενου κρυσταλλικού πλέγματος πυριτίου.
Το πιο εξωτερικό ηλεκτρονικό επίπεδο του ατόμου αρσενικού έχει πέντε ηλεκτρόνια. Τέσσερα από αυτά σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τους πλησιέστερους γείτονές τους - άτομα πυριτίου (Εικ. 7). Ποια είναι η μοίρα του πέμπτου ηλεκτρονίου που δεν καταλαμβάνεται σε αυτούς τους δεσμούς;
Ρύζι. 7. Ημιαγωγός τύπου Ν
Και το πέμπτο ηλεκτρόνιο γίνεται ελεύθερο! Το γεγονός είναι ότι η ενέργεια δέσμευσης αυτού του «επιπλέον» ηλεκτρονίου με το άτομο αρσενικού που βρίσκεται στον κρύσταλλο του πυριτίου είναι πολύ μικρότερη από την ενέργεια δέσμευσης των ηλεκτρονίων σθένους με άτομα πυριτίου. Ως εκ τούτου, ήδη σε θερμοκρασία δωματίου, σχεδόν όλα τα άτομα αρσενικού ως αποτέλεσμα θερμική κίνησηπαραμένουν χωρίς πέμπτο ηλεκτρόνιο, μετατρέποντας σε θετικά ιόντα. Και ο κρύσταλλος πυριτίου, κατά συνέπεια, είναι γεμάτος με ελεύθερα ηλεκτρόνια που έχουν αποκολληθεί από τα άτομα αρσενικού.
Η πλήρωση ενός κρυστάλλου με ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν είναι κάτι νέο για εμάς: το είδαμε παραπάνω όταν θερμάνθηκε ΚΑΘΑΡΗπυρίτιο (χωρίς ακαθαρσίες). Αλλά τώρα η κατάσταση είναι ριζικά διαφορετική: η εμφάνιση ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου που αφήνει ένα άτομο αρσενικού δεν συνοδεύεται από την εμφάνιση κινητής οπής. Γιατί; Ο λόγος είναι ο ίδιος - ο δεσμός των ηλεκτρονίων σθένους με τα άτομα πυριτίου είναι πολύ ισχυρότερος από ό, τι με το άτομο αρσενικού στην πέμπτη κενή θέση, επομένως τα ηλεκτρόνια των γειτονικών ατόμων πυριτίου δεν τείνουν να γεμίσουν αυτό το κενό. Έτσι, το κενό παραμένει στη θέση του, είναι, σαν να λέγαμε, «παγωμένο» στο άτομο αρσενικού και δεν συμμετέχει στη δημιουργία ρεύματος.
Ετσι, η εισαγωγή πεντασθενών ατόμων αρσενικού στο κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου δημιουργεί ηλεκτρονική αγωγιμότητα, αλλά δεν οδηγεί στη συμμετρική εμφάνιση της αγωγιμότητας της οπής. Ο κύριος ρόλος στη δημιουργία ρεύματος ανήκει πλέον στα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία σε αυτήν την περίπτωσηλέγονται κύριοι μεταφορείςχρέωση.
Ο μηχανισμός της εγγενούς αγωγιμότητας, φυσικά, συνεχίζει να λειτουργεί ακόμη και με την παρουσία μιας ακαθαρσίας: οι ομοιοπολικοί δεσμοί εξακολουθούν να είναι σπασμένοι λόγω θερμικής κίνησης, δημιουργώντας ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές. Τώρα όμως υπάρχουν πολύ λιγότερες οπές από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία παρέχονται σε μεγάλες ποσότητες από άτομα αρσενικού. Επομένως, σε αυτή την περίπτωση οι τρύπες θα είναι μη σημαντικά μέσα ενημέρωσηςχρέωση.
Οι προσμίξεις των οποίων τα άτομα δίνουν ελεύθερα ηλεκτρόνια χωρίς την εμφάνιση ίσου αριθμού κινητών οπών ονομάζονται δότης. Για παράδειγμα, το πεντασθενές αρσενικό είναι μια ακαθαρσία δότη. Εάν υπάρχει ακαθαρσία δότη σε έναν ημιαγωγό, οι περισσότεροι φορείς φορτίου είναι ελεύθερα ηλεκτρόνια και οι φορείς μειοψηφίας φορτίου είναι οπές. Με άλλα λόγια, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι πολύ μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση των οπών. Επομένως, ονομάζονται ημιαγωγοί με ακαθαρσίες δότη ηλεκτρονικών ημιαγωγών, ή ημιαγωγοί τύπου n(ή απλά n-ημιαγωγοί).
Και πόσο, ενδιαφέροντα, μπορεί η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων να ξεπεράσει τη συγκέντρωση των οπών σε έναν n-ημιαγωγό; Ας κάνουμε έναν απλό υπολογισμό.
Ας υποθέσουμε ότι η ακαθαρσία είναι , δηλαδή, υπάρχει ένα άτομο αρσενικού ανά χίλια άτομα πυριτίου. Η συγκέντρωση των ατόμων πυριτίου, όπως θυμόμαστε, είναι της τάξης των cm.
Η συγκέντρωση των ατόμων αρσενικού, κατά συνέπεια, θα είναι χίλιες φορές μικρότερη: εκατοστά Η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων που δίνει η ακαθαρσία θα είναι επίσης η ίδια - σε τελική ανάλυση, κάθε άτομο αρσενικού δίνει ένα ηλεκτρόνιο. Ας θυμηθούμε τώρα ότι η συγκέντρωση των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που εμφανίζονται όταν σπάνε οι ομοιοπολικοί δεσμοί του πυριτίου είναι περίπου ίση με cm σε θερμοκρασία δωματίου Νιώθετε τη διαφορά; Η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε αυτή την περίπτωση είναι μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση των οπών κατά τάξεις μεγέθους, δηλαδή ένα δισεκατομμύριο φορές! Κατά συνέπεια, η ειδική αντίσταση ενός ημιαγωγού πυριτίου μειώνεται κατά ένα δισεκατομμύριο φορές όταν εισάγεται μια τόσο μικρή ποσότητα ακαθαρσίας.
Ο παραπάνω υπολογισμός δείχνει ότι στους ημιαγωγούς τύπου n τον κύριο ρόλο παίζει πράγματι η ηλεκτρονική αγωγιμότητα. Στο πλαίσιο μιας τέτοιας κολοσσιαίας υπεροχής στον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων, η συμβολή της κίνησης της οπής στη συνολική αγωγιμότητα είναι αμελητέα.
Αντίθετα, είναι δυνατή η δημιουργία ημιαγωγού με κυρίαρχη αγωγιμότητα οπών. Αυτό θα συμβεί εάν μια τρισθενής ακαθαρσία εισαχθεί σε έναν κρύσταλλο πυριτίου - για παράδειγμα, ίνδιο. Το αποτέλεσμα μιας τέτοιας υλοποίησης φαίνεται στο Σχ. 8 .
Ρύζι. 8. Ημιαγωγός τύπου Ρ
Τι συμβαίνει σε αυτή την περίπτωση; Το πιο εξωτερικό ηλεκτρονικό επίπεδο του ατόμου του ινδίου περιέχει τρία ηλεκτρόνια που σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τα τρία γύρω άτομα πυριτίου. Για το τέταρτο γειτονικό άτομο πυριτίου, το άτομο του ινδίου δεν έχει πλέον αρκετό ηλεκτρόνιο και εμφανίζεται μια τρύπα σε αυτό το μέρος.
Και αυτή η τρύπα δεν είναι απλή, αλλά ιδιαίτερη - με πολύ υψηλή δεσμευτική ενέργεια. Όταν ένα ηλεκτρόνιο από ένα γειτονικό άτομο πυριτίου εισέλθει σε αυτό, θα «κολλήσει σε αυτό για πάντα», επειδή η έλξη του ηλεκτρονίου προς το άτομο του ινδίου είναι πολύ ισχυρή - περισσότερο από τα άτομα πυριτίου. Το άτομο του ινδίου θα μετατραπεί σε αρνητικό ιόν και μια οπή θα εμφανιστεί στο μέρος από όπου προήλθε το ηλεκτρόνιο - αλλά τώρα μια συνηθισμένη κινητή οπή με τη μορφή ενός σπασμένου ομοιοπολικού δεσμού στο κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου. Αυτή η τρύπα θα αρχίσει να περιπλανιέται γύρω από τον κρύσταλλο με τον συνηθισμένο τρόπο λόγω της μεταφοράς ηλεκτρονίων σθένους «φυλής αναμετάδοσης» από το ένα άτομο πυριτίου στο άλλο.
Και έτσι, κάθε άτομο ινδίου ακαθαρσίας δημιουργεί μια οπή, αλλά δεν οδηγεί στη συμμετρική εμφάνιση ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου. Τέτοιες ακαθαρσίες, τα άτομα των οποίων συλλαμβάνουν «σφιχτά» ηλεκτρόνια και έτσι δημιουργούν μια κινητή τρύπα στον κρύσταλλο, ονομάζονται αποδέκτης.
Το τρισθενές ίνδιο είναι ένα παράδειγμα ακαθαρσίας δέκτη.
Εάν μια ακαθαρσία δέκτη εισαχθεί σε έναν κρύσταλλο καθαρού πυριτίου, τότε ο αριθμός των οπών που δημιουργούνται από την ακαθαρσία θα είναι μεγάλος περισσότερος αριθμόςελεύθερα ηλεκτρόνια που προκύπτουν από τη διάσπαση ομοιοπολικών δεσμών μεταξύ ατόμων πυριτίου. Ένας ημιαγωγός με ακαθαρσία δέκτη είναι ημιαγωγός οπής, ή ημιαγωγός τύπου p(ή απλά p-ημιαγωγός).
Οι τρύπες παίζουν κύριος ρόλοςκατά τη δημιουργία ρεύματος σε ημιαγωγό p. τρύπες - φορείς κύριας χρέωσης. Ελεύθερα ηλεκτρόνια - δευτερεύοντα μέσαφορτίο σε ημιαγωγό p. Η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε αυτή την περίπτωση δεν συμβάλλει σημαντικά: το ηλεκτρικό ρεύμα παρέχεται κυρίως από την αγωγιμότητα της οπής.
Το σημείο επαφής δύο ημιαγωγών διάφοροι τύποιαγωγιμότητα (ηλεκτρονική και οπή) ονομάζεται μετάβαση ηλεκτρονίου-οπής, ή διασταύρωση p–n. Στην περιοχή της διασταύρωσης p–n, εμφανίζεται ένα ενδιαφέρον και πολύ σημαντικό φαινόμενο - αγωγιμότητα μονής κατεύθυνσης.
Στο Σχ. 9 δείχνει την επαφή των περιοχών τύπου p και n. Οι έγχρωμοι κύκλοι είναι οπές και ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία είναι οι περισσότεροι (ή μειοψηφικοί) φορείς φορτίου στις αντίστοιχες περιοχές.
Ρύζι. 9. Στρώμα αποκλεισμού της διασταύρωσης p–n
Εκτελώντας θερμική κίνηση, οι φορείς φορτίου διεισδύουν μέσω της διεπαφής μεταξύ των περιοχών.
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μετακινούνται από την περιοχή n στην περιοχή p και ανασυνδυάζονται εκεί με οπές. Οι οπές διαχέονται από την περιοχή p στην περιοχή n και ανασυνδυάζονται εκεί με ηλεκτρόνια.
Ως αποτέλεσμα αυτών των διεργασιών, ένα μη αντισταθμισμένο φορτίο θετικών ιόντων της ακαθαρσίας δότη παραμένει στον ηλεκτρονικό ημιαγωγό κοντά στο όριο επαφής και ένα μη αντισταθμισμένο αρνητικό φορτίο των ιόντων ακαθαρσίας δέκτη εμφανίζεται στον ημιαγωγό οπής (επίσης κοντά στο όριο). Αυτές οι μη αντισταθμισμένες διαστημικές χρεώσεις σχηματίζουν τα λεγόμενα στρώμα φραγμού, το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο του οποίου εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών κατά μήκος του ορίου επαφής.
Ας συνδέσουμε τώρα μια πηγή ρεύματος στο στοιχείο ημιαγωγών μας, εφαρμόζοντας το «συν» της πηγής στον n-ημιαγωγό και το «μείον» στον p-ημιαγωγό (Εικ. 10).
Ρύζι. 10. Ενεργοποίηση σε αντίστροφη κατεύθυνση: δεν υπάρχει ρεύμα
Βλέπουμε ότι το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο μετακινεί τους περισσότερους φορείς φορτίου πιο μακριά από το όριο της επαφής. Το πλάτος του στρώματος αποκλεισμού αυξάνεται και το ηλεκτρικό του πεδίο αυξάνεται. Η αντίσταση του στρώματος αποκλεισμού είναι υψηλή και οι περισσότεροι φορείς δεν είναι σε θέση να ξεπεράσουν τη διασταύρωση p–n. Το ηλεκτρικό πεδίο επιτρέπει μόνο σε φορείς μειοψηφίας να διασχίσουν το όριο, αλλά λόγω της πολύ χαμηλής συγκέντρωσης των φορέων μειοψηφίας, το ρεύμα που δημιουργούν είναι αμελητέο.
Το υπό εξέταση σχήμα ονομάζεται ενεργοποίηση της διασταύρωσης p–n προς την αντίθετη κατεύθυνση. Δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα κύριου φορέα. υπάρχει μόνο ένα αμελητέο ρεύμα μειοψηφίας φορέα. Σε αυτήν την περίπτωση, η διασταύρωση p-n αποδεικνύεται ότι είναι κλειστή.
Τώρα ας αλλάξουμε την πολικότητα της σύνδεσης και ας εφαρμόσουμε "συν" στον ημιαγωγό p και "μείον" στον n ημιαγωγό (Εικ. 11). Αυτό το σχήμα ονομάζεται μεταγωγή προς τα εμπρός.
Ρύζι. 11. Ενεργοποίηση προς τα εμπρός: ρέει ρεύμα
Σε αυτή την περίπτωση, το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο κατευθύνεται ενάντια στο πεδίο αποκλεισμού και ανοίγει το δρόμο για τους περισσότερους φορείς μέσω της διασταύρωσης p–n. Το στρώμα φραγμού γίνεται λεπτότερο και η αντίστασή του μειώνεται.
Υπάρχει μια μαζική κίνηση ελεύθερων ηλεκτρονίων από την περιοχή n προς την περιοχή p και οι οπές, με τη σειρά τους, ορμούν μαζί από την περιοχή p στην περιοχή n.
Ένα ρεύμα προκύπτει στο κύκλωμα που προκαλείται από την κίνηση των πλειοψηφικών φορέων φορτίου (τώρα, ωστόσο, το ηλεκτρικό πεδίο παρεμβαίνει στο ρεύμα των φορέων μειοψηφίας, αλλά αυτός ο ασήμαντος παράγοντας δεν έχει αξιοσημείωτη επίδραση στη συνολική αγωγιμότητα).
Χρησιμοποιείται μονόδρομη αγωγιμότητα της σύνδεσης p–n διόδους ημιαγωγών. Μια δίοδος είναι μια συσκευή που μεταφέρει ρεύμα μόνο σε μία κατεύθυνση. V αντίθετη κατεύθυνσηδεν διέρχεται ρεύμα από τη δίοδο (η δίοδος λέγεται ότι είναι κλειστή). Μια σχηματική αναπαράσταση της διόδου φαίνεται στο Σχ. 12 .
Ρύζι. 12. Δίοδος
Σε αυτή την περίπτωση, η δίοδος είναι ανοιχτή προς την κατεύθυνση από αριστερά προς τα δεξιά: τα φορτία φαίνεται να ρέουν κατά μήκος του βέλους (το βλέπετε στο σχήμα;). Στην κατεύθυνση από δεξιά προς τα αριστερά, τα φορτία φαίνεται να ακουμπούν στον τοίχο - η δίοδος είναι κλειστή.
Οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται τόσο από τις ιδιότητες των αγωγών όσο και από τα διηλεκτρικά. Στους κρυστάλλους ημιαγωγών, τα άτομα δημιουργούν ομοιοπολικούς δεσμούς (δηλαδή, ένα ηλεκτρόνιο σε έναν κρύσταλλο πυριτίου, όπως το διαμάντι, συνδέεται με δύο άτομα, απαιτείται ένα επίπεδο εσωτερικής ενέργειας για να απελευθερωθεί από το άτομο (1,76 10 −19 J έναντι 11,2). 10 −19 J, που χαρακτηρίζει τη διαφορά μεταξύ ημιαγωγών και διηλεκτρικών). Αυτή η ενέργεια εμφανίζεται σε αυτά καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία (για παράδειγμα, σε θερμοκρασία δωματίου, το ενεργειακό επίπεδο της θερμικής κίνησης των ατόμων είναι 0,4·10−19 J) και τα μεμονωμένα άτομα λαμβάνουν ενέργεια για να αφαιρέσουν ένα ηλεκτρόνιο από το άτομο. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών αυξάνεται, επομένως, σε έναν ημιαγωγό που δεν περιέχει ακαθαρσίες, η ειδική αντίσταση μειώνεται. Συμβατικά, στοιχεία με ενέργεια δέσμευσης ηλεκτρονίων μικρότερη από 1,5-2 eV θεωρούνται ημιαγωγοί. Ο μηχανισμός αγωγιμότητας ηλεκτρονίων-οπών εκδηλώνεται σε εγγενείς (δηλαδή χωρίς ακαθαρσίες) ημιαγωγούς. Ονομάζεται εγγενής ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών.
Όταν ο δεσμός μεταξύ του ηλεκτρονίου και του πυρήνα σπάσει, εμφανίζεται ένας ελεύθερος χώρος στο ηλεκτρονιακό κέλυφος του ατόμου. Αυτό προκαλεί τη μεταφορά ενός ηλεκτρονίου από ένα άλλο άτομο σε ένα άτομο με ελεύθερος χώρος. Το άτομο από το οποίο πέρασε το ηλεκτρόνιο λαμβάνει άλλο ηλεκτρόνιο από άλλο άτομο κλπ. Αυτό οφείλεται στους ομοιοπολικούς δεσμούς των ατόμων. Έτσι, ένα θετικό φορτίο κινείται χωρίς να μετακινεί το ίδιο το άτομο. Αυτό το υπό όρους θετικό φορτίο ονομάζεται τρύπα.
Σε θερμοδυναμική ισορροπία, η πυκνότητα ηλεκτρονίων ενός ημιαγωγού σχετίζεται με τη θερμοκρασία με την ακόλουθη σχέση:
- Σταθερά Planck - μάζα ηλεκτρονίων - θερμοκρασία. - επίπεδο της αγώγιμης ζώνης - επίπεδο Fermi.Επίσης, η πυκνότητα της οπής ενός ημιαγωγού σχετίζεται με τη θερμοκρασία ως εξής:
- Σταθερά του Planck. - μάζα οπών. - θερμοκρασία ;- Επίπεδο Fermi - επίπεδο της ζώνης σθένους.
Αυτοαγωγιμότητα
Οι ημιαγωγοί στους οποίους εμφανίζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια και «οπές» κατά τον ιονισμό των ατόμων από τα οποία είναι κατασκευασμένος ολόκληρος ο κρύσταλλος ονομάζονται εγγενώς αγώγιμοι ημιαγωγοί. Σε ημιαγωγούς με εγγενή αγωγιμότητα, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι ίση με τη συγκέντρωση των «οπών».
όπου είναι η ειδική αντίσταση, είναι η κινητικότητα των ηλεκτρονίων, είναι η κινητικότητα των οπών, είναι η συγκέντρωσή τους, q είναι το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο (1,602·10 −19 C).
Για έναν εγγενή ημιαγωγό, οι συγκεντρώσεις του φορέα συμπίπτουν και ο τύπος παίρνει τη μορφή:
Για τη δημιουργία συσκευών ημιαγωγών, χρησιμοποιούνται συχνά κρύσταλλοι με αγωγιμότητα ακαθαρσιών. Τέτοιοι κρύσταλλοι κατασκευάζονται με την εισαγωγή ακαθαρσιών με άτομα ενός τρισθενούς ή πεντασθενούς χημικού στοιχείου.
ημιαγωγός τύπου n
Ορος "n-type"προέρχεται από τη λέξη "αρνητικό", που σημαίνει το αρνητικό φορτίο των πλειοψηφικών φορέων. Αυτός ο τύπος ημιαγωγών έχει φύση ακαθαρσίας. Μια ακαθαρσία ενός πεντασθενούς ημιαγωγού (για παράδειγμα, αρσενικό) προστίθεται σε έναν τετρασθενή ημιαγωγό (για παράδειγμα, πυρίτιο). Κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης, κάθε άτομο ακαθαρσίας εισέρχεται σε ομοιοπολικό δεσμό με άτομα πυριτίου. Ωστόσο, δεν υπάρχει θέση για το πέμπτο ηλεκτρόνιο του ατόμου του αρσενικού στους κορεσμένους δεσμούς σθένους και πηγαίνει στο εξωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων. Εκεί, χρειάζεται λιγότερη ενέργεια για να αφαιρεθεί ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο. Το ηλεκτρόνιο απογυμνώνεται και γίνεται ελεύθερο. Σε αυτή την περίπτωση, η μεταφορά φορτίου πραγματοποιείται από ηλεκτρόνιο και όχι από οπή, δηλαδή αυτός ο τύποςΟι ημιαγωγοί μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα όπως τα μέταλλα. Οι ακαθαρσίες που προστίθενται στους ημιαγωγούς, με αποτέλεσμα να γίνουν ημιαγωγοί τύπου n, ονομάζονται ακαθαρσίες δότη.
Η αγωγιμότητα των Ν-ημιαγωγών είναι περίπου ίση με:
ημιαγωγός τύπου p
Ορος "p-type"προέρχεται από τη λέξη «θετικό», που δηλώνει το θετικό φορτίο των κύριων φορέων. Αυτός ο τύπος ημιαγωγών, εκτός από τη βάση ακαθαρσιών, χαρακτηρίζεται από την τρύπα φύση της αγωγιμότητας. Σε έναν τετρασθενή ημιαγωγό (για παράδειγμα, πυρίτιο) προσθέστε μια μικρή ποσότητα απόάτομα ενός τρισθενούς στοιχείου (για παράδειγμα, ίνδιο). Κάθε άτομο ακαθαρσίας δημιουργεί έναν ομοιοπολικό δεσμό με τρία γειτονικά άτομα πυριτίου. Για τη δημιουργία δεσμού με το τέταρτο άτομο πυριτίου, το άτομο του ινδίου δεν έχει ηλεκτρόνιο σθένους, επομένως αρπάζει ένα ηλεκτρόνιο σθένους από τον ομοιοπολικό δεσμό μεταξύ γειτονικών ατόμων πυριτίου και γίνεται αρνητικά φορτισμένο ιόν, με αποτέλεσμα να σχηματίζεται μια οπή. Οι ακαθαρσίες που προστίθενται σε αυτή την περίπτωση ονομάζονται προσμίξεις δέκτη.
Η αγωγιμότητα των ημιαγωγών p είναι περίπου ίση με:
Μια δίοδος ημιαγωγών αποτελείται από δύο τύπους ημιαγωγών - οπή και ηλεκτρόνιο. Κατά την επαφή μεταξύ αυτών των περιοχών, τα ηλεκτρόνια περνούν από την περιοχή με τον ημιαγωγό τύπου n στην περιοχή με τον ημιαγωγό τύπου p, ο οποίος στη συνέχεια ανασυνδυάζεται με οπές. Ως αποτέλεσμα, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των δύο περιοχών, το οποίο θέτει το όριο για τη διαίρεση των ημιαγωγών - τη λεγόμενη διασταύρωση p-n. Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται ένα μη αντισταθμισμένο φορτίο αρνητικών ιόντων στην περιοχή με έναν ημιαγωγό τύπου p και ένα μη αντισταθμισμένο φορτίο θετικών ιόντων εμφανίζεται στην περιοχή με έναν ημιαγωγό τύπου n. Η διαφορά μεταξύ των δυναμικών φτάνει τα 0,3-0,6 V.
Η σχέση μεταξύ διαφοράς δυναμικού και συγκέντρωσης ακαθαρσιών εκφράζεται με τον ακόλουθο τύπο:
όπου είναι η θερμοδυναμική τάση, είναι η συγκέντρωση ηλεκτρονίων, είναι η συγκέντρωση οπής, είναι η εγγενής συγκέντρωση.
Κατά τη διαδικασία εφαρμογής μιας θετικής τάσης στον ημιαγωγό p και ενός μείοντος στον n-ημιαγωγό, το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο θα κατευθυνθεί ενάντια στο εσωτερικό ηλεκτρικό p-n πεδίαμετάβαση και με επαρκή τάση, τα ηλεκτρόνια θα ξεπεράσουν τη διασταύρωση p-n και ένα ηλεκτρικό ρεύμα θα εμφανιστεί στο κύκλωμα της διόδου (άμεση αγωγιμότητα). Όταν εφαρμόζεται μια αρνητική τάση σε μια περιοχή με ημιαγωγό τύπου p και μια θετική τάση σε μια περιοχή με ημιαγωγό τύπου n, εμφανίζεται μια περιοχή μεταξύ των δύο περιοχών που δεν έχει ελεύθερους φορείς ηλεκτρικού ρεύματος (αντίστροφη αγωγιμότητα). Το αντίστροφο ρεύμα μιας διόδου ημιαγωγών δεν είναι μηδέν επειδή υπάρχουν πάντα φορείς μειοψηφίας φορτίου και στις δύο περιοχές. Για αυτά φορείς p-nη δίοδος θα είναι ανοιχτή.
Έτσι, η σύνδεση p-n παρουσιάζει τις ιδιότητες της μονόδρομης αγωγιμότητας, η οποία προκαλείται από την εφαρμογή τάσης με διαφορετικές πολικότητες. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται για τη διόρθωση εναλλασσόμενου ρεύματος.
Ένα τρανζίστορ είναι μια συσκευή ημιαγωγών που αποτελείται από δύο περιοχές με ημιαγωγούς τύπου p ή n, μεταξύ των οποίων υπάρχει μια περιοχή με ημιαγωγό τύπου n ή p. Έτσι, το τρανζίστορ έχει δύο p-n περιοχέςμετάβαση. Η περιοχή του κρυστάλλου μεταξύ των δύο συνδέσεων ονομάζεται βάση και οι εξωτερικές περιοχές ονομάζονται πομπός και συλλέκτης. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο κύκλωμα σύνδεσης τρανζίστορ είναι ένα κύκλωμα σύνδεσης με κοινό πομπό, στο οποίο το ρεύμα διαδίδεται μέσω της βάσης και του πομπού στον συλλέκτη.
Ένα διπολικό τρανζίστορ χρησιμοποιείται για την ενίσχυση του ηλεκτρικού ρεύματος.
Ο παρακάτω πίνακας παρέχει πληροφορίες για μεγάλο αριθμό στοιχείων ημιαγωγών και τις συνδέσεις τους, χωρισμένες σε διάφορους τύπους:
Όλοι οι τύποι ημιαγωγών έχουν μια ενδιαφέρουσα εξάρτηση του κενού ζώνης από την περίοδο, δηλαδή, καθώς αυξάνεται η περίοδος, το χάσμα ζώνης μειώνεται.
| Ομάδα | IIB | IIIA | IVA | V.A. | ΜΕΣΩ |
| Περίοδος | |||||
| 2 | 5 | 6 | 7 | ||
| 3 | 13 | 14 | 15 | 16 | |
| 4 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 |
| 5 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 |
| 6 | 80 |
Πρώτα απ 'όλα, πρέπει να πούμε ότι οι φυσικές ιδιότητες των ημιαγωγών είναι οι πιο μελετημένες σε σύγκριση με τα μέταλλα και τα διηλεκτρικά. Σε μεγάλο βαθμό, αυτό διευκολύνεται από έναν τεράστιο αριθμό επιδράσεων που δεν μπορούν να παρατηρηθούν ούτε σε μία ούτε στην άλλη ουσία, που σχετίζονται κυρίως με τη δομή της δομής της ζώνης των ημιαγωγών και την παρουσία ενός αρκετά στενού κενού ζώνης. Φυσικά, το κύριο κίνητρο για τη μελέτη ημιαγωγών είναι η παραγωγή συσκευών ημιαγωγών και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων - αυτό ισχύει κυρίως για το πυρίτιο, αλλά επηρεάζει και άλλες ενώσεις (GaAs, InP, InSb).
Λόγω του γεγονότος ότι οι τεχνολόγοι μπορούν να αποκτήσουν πολύ καθαρές ουσίες, τίθεται το ερώτημα σχετικά με ένα νέο πρότυπο για τον αριθμό του Avogadro.
Οι ιδιότητες όγκου ενός ημιαγωγού μπορεί να εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την παρουσία ελαττωμάτων στην κρυσταλλική δομή. Και ως εκ τούτου προσπαθούν να καλλιεργήσουν πολύ καθαρές ουσίες, κυρίως για τη βιομηχανία ηλεκτρονικών. Τα πρόσθετα εισάγονται για τον έλεγχο της ποσότητας και του τύπου της αγωγιμότητας του ημιαγωγού. Για παράδειγμα, το ευρέως διαδεδομένο πυρίτιο μπορεί να ντοπαριστεί με ένα στοιχείο της υποομάδας V του περιοδικού πίνακα στοιχείων - τον φώσφορο, που είναι δότης, και να δημιουργήσει n-Si. Για τη λήψη πυριτίου με αγωγιμότητα τύπου οπής (p-Si), χρησιμοποιείται βόριο (δέκτης). Δημιουργούνται επίσης αντισταθμισμένοι ημιαγωγοί προκειμένου να σταθεροποιηθεί η στάθμη Fermi στη μέση του διάκενου ζώνης.
Για να αποκτήσουν μονοκρυστάλλους ημιαγωγών που χρησιμοποιούν διάφορες μεθόδουςφυσική και χημική εναπόθεση. Το πιο ακριβές και ακριβό εργαλείο στα χέρια των τεχνολόγων για την ανάπτυξη μεμβρανών μονού κρυστάλλου είναι οι μονάδες επιταξίας μοριακής δέσμης, οι οποίες επιτρέπουν την ανάπτυξη ενός κρυστάλλου με ακρίβεια μέχρι τη μονοστοιβάδα.
Η απορρόφηση του φωτός από τους ημιαγωγούς οφείλεται σε μεταβάσεις μεταξύ ενεργειακών καταστάσεων της δομής της ζώνης. Δεδομένης της αρχής αποκλεισμού Pauli, τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν μόνο από ένα γεμάτο ενεργειακό επίπεδο σε ένα μη γεμάτο. Σε έναν εγγενή ημιαγωγό, όλες οι καταστάσεις της ζώνης σθένους είναι γεμάτες και όλες οι καταστάσεις της ζώνης αγωγιμότητας είναι μη συμπληρωμένες, επομένως οι μεταβάσεις είναι δυνατές μόνο από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Για να γίνει μια τέτοια μετάβαση, το ηλεκτρόνιο πρέπει να λάβει ενέργεια από φως που υπερβαίνει το διάκενο ζώνης. Τα φωτόνια με χαμηλότερη ενέργεια δεν προκαλούν μεταβάσεις μεταξύ των ηλεκτρονικών καταστάσεων του ημιαγωγού, επομένως τέτοιοι ημιαγωγοί είναι διαφανείς στο εύρος συχνοτήτων, όπου είναι το χάσμα ζώνης και είναι η σταθερά του Planck. Αυτή η συχνότητα καθορίζει τη θεμελιώδη ακμή απορρόφησης για τον ημιαγωγό. Για ημιαγωγούς, που χρησιμοποιούνται συχνά στα ηλεκτρονικά (πυρίτιο, γερμάνιο, αρσενίδιο του γαλλίου), βρίσκεται στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος.
Πρόσθετοι περιορισμοί στην απορρόφηση του φωτός από τους ημιαγωγούς επιβάλλονται από κανόνες επιλογής, ιδίως από τον νόμο της διατήρησης της ορμής. Ο νόμος της διατήρησης της ορμής απαιτεί η οιονεί ορμή της τελικής κατάστασης να διαφέρει από την οιονεί ορμή της αρχικής κατάστασης κατά το μέγεθος της ορμής του απορροφούμενου φωτονίου. Ο αριθμός κύματος του φωτονίου, όπου είναι το μήκος κύματος, είναι πολύ μικρός σε σύγκριση με το διάνυσμα κύματος του παλινδρομικού πλέγματος του ημιαγωγού ή, το ίδιο, το μήκος κύματος του φωτονίου στην ορατή περιοχή είναι πολύ μεγαλύτερο από το χαρακτηριστικό διατομική απόσταση στον ημιαγωγό, η οποία οδηγεί στην απαίτηση ότι η οιονεί ορμή μιας πεπερασμένης κατάστασης κατά την ηλεκτρονική μετάβαση ήταν σχεδόν ίση με την οιονεί ορμή της αρχικής κατάστασης. Σε συχνότητες κοντά στη θεμελιώδη ακμή απορρόφησης, αυτό είναι δυνατό μόνο για ημιαγωγούς με άμεσο διάκενο. Οι οπτικές μεταπτώσεις σε ημιαγωγούς κατά τις οποίες η ορμή του ηλεκτρονίου παραμένει σχεδόν αμετάβλητη ονομάζονται ευθείαή κατακόρυφος. Η ορμή της τελικής κατάστασης μπορεί να διαφέρει σημαντικά από την ορμή της αρχικής κατάστασης εάν ένα άλλο, τρίτο σωματίδιο, για παράδειγμα, ένα φωνόνιο, εμπλέκεται στη διαδικασία απορρόφησης φωτονίων. Τέτοιες μεταβάσεις είναι επίσης πιθανές, αν και λιγότερο πιθανές. Καλούνται έμμεσες μεταβάσεις.
Έτσι, οι ημιαγωγοί με απευθείας διάκενο, όπως το αρσενίδιο του γαλλίου, αρχίζουν να απορροφούν έντονα το φως όταν η κβαντική ενέργεια υπερβαίνει το διάκενο ζώνης. Τέτοιοι ημιαγωγοί είναι πολύ βολικοί για χρήση στην οπτοηλεκτρονική.
Οι ημιαγωγοί έμμεσου κενού, για παράδειγμα, το πυρίτιο, απορροφούν στο εύρος συχνοτήτων του φωτός με κβαντική ενέργεια ελαφρώς μεγαλύτερη από το πλάτος ζώνης πολύ πιο αδύναμη, μόνο λόγω έμμεσων μεταβάσεων, η ένταση των οποίων εξαρτάται από την παρουσία φωνονίων και επομένως από θερμοκρασία. Η συχνότητα αποκοπής των άμεσων μεταβάσεων στο πυρίτιο είναι μεγαλύτερη από 3 eV, δηλαδή βρίσκεται στην υπεριώδη περιοχή του φάσματος.
Όταν ένα ηλεκτρόνιο περνά από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, εμφανίζονται ελεύθεροι φορείς φορτίου στον ημιαγωγό και ως εκ τούτου η φωτοαγωγιμότητα.
Σε συχνότητες κάτω από το θεμελιώδες άκρο απορρόφησης, είναι επίσης δυνατή η απορρόφηση φωτός, η οποία σχετίζεται με διέγερση εξιτονίων, ηλεκτρονικές μεταβάσεις μεταξύ επιπέδων ακαθαρσίας και επιτρεπόμενες ζώνες, καθώς και απορρόφηση φωτός από δονήσεις πλέγματος και ελεύθερες φορείς. Οι ζώνες εξιτονίων βρίσκονται στον ημιαγωγό λίγο κάτω από τον πυθμένα της ζώνης αγωγιμότητας λόγω της ενέργειας δέσμευσης εξιτονίων. Τα φάσματα απορρόφησης εξιτονίων έχουν δομή παρόμοια με το υδρογόνο ενεργειακά επίπεδα. Ομοίως, ακαθαρσίες, αποδέκτες ή δότες, δημιουργούν επίπεδα αποδέκτη ή δότη που βρίσκονται στο διάκενο ζώνης. Τροποποιούν σημαντικά το φάσμα απορρόφησης του ντοπαρισμένου ημιαγωγού. Εάν κατά τη διάρκεια μιας έμμεσης μετάβασης κενού ένα φωνόνιο απορροφάται ταυτόχρονα με ένα κβάντο φωτός, τότε η ενέργεια του κβαντικού φωτός που απορροφάται μπορεί να είναι μικρότερη κατά την ποσότητα της ενέργειας του φωνονίου, γεγονός που οδηγεί σε απορρόφηση σε συχνότητες ελαφρώς χαμηλότερες σε ενέργεια από το θεμελιώδες άκρο απορρόφησης .
Οι ενώσεις ημιαγωγών χωρίζονται σε διάφορους τύπους:
Οι ακόλουθες ενώσεις χρησιμοποιούνται ευρέως:
A III B V
καθώς και ορισμένα οξείδια μολύβδου, κασσίτερου, γερμανίου, πυριτίου καθώς και φερρίτη, άμορφα γυαλιά και πολλές άλλες ενώσεις (A I B III C 2 VI, A I B V C 2 VI, A II B IV C 2 V, A II B 2 II C 4 VI, A II B IV C 3 VI).
Με βάση τις περισσότερες από τις παραπάνω δυαδικές ενώσεις, είναι δυνατό να ληφθούν τα στερεά διαλύματά τους: (CdTe) x (HgTe) 1-x, (HgTe) x (HgSe) 1-x, (PbTe) x (SnTe) 1-x , (PbSe) x (SnSe) 1-x και άλλα.
Οι συνδέσεις A III B V χρησιμοποιούνται κυρίως για ηλεκτρονικά προϊόντα που λειτουργούν σε εξαιρετικά υψηλές συχνότητες
Οι ενώσεις A II B V χρησιμοποιούνται ως φωσφόροι ορατών περιοχών, LED, αισθητήρες Hall και διαμορφωτές.
Οι ενώσεις A III B V, A II B VI και A IV B VI χρησιμοποιούνται στην κατασκευή φωτεινών πηγών και δεκτών, δεικτών και διαμορφωτών ακτινοβολίας.
Οι ενώσεις ημιαγωγών οξειδίου χρησιμοποιούνται για την κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων, ανορθωτών και πυρήνων επαγωγέων υψηλής συχνότητας.
| Επιλογές | AlSb | GaSb | InSb | Αλίμονο | GaAs | InAs |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Σημείο τήξης, Κ | 1333 | 998 | 798 | 1873 | 1553 | 1218 |
| Σταθερά πλέγματος, | 6,14 | 6,09 | 6,47 | 5,66 | 5,69 | 6,06 |
| Διάκενο ζώνης Δ μι, eV | 0,52 | 0,7 | 0,18 | 2,2 | 1,32 | 0,35 |
| Διηλεκτρική σταθερά ε | 8,4 | 14,0 | 15,9 | - | - | - |
| Κινητικότητα, cm²/(V s): | ||||||
| ηλεκτρόνια | 50 | 5000 | 60 000 | - | 4000 | 3400 |
| τρύπες | 150 | 1000 | 4000 | - | 400 | 460 |
| Δείκτης διάθλασης φωτός, n | 3,0 | 3,7 | 4,1 | - | 3,2 | 3,2 |
| Γραμμικός θερμικός συντελεστής επεκτάσεις, Κ -1 |
- | 6,9·10 -6 | 5,5·10 -6 | 5,7·10 -6 | 5,3·10 -6 | - |
