Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2.4: Напівпровідники

Напівпровідник - це матеріал, питомий опір руху заряду падає десь між провідником, через який ми можемо легко переміщати заряд, і ізолятором, який чинить опір руху заряду. Деякі напівпровідники є елементарними, такими як кремній та германій (обидва з яких ми детальніше розглядаємо в цьому розділі), а деякі - багатоелементні, такі як карбід кремнію.

Властивості кремнієвих та германієвих напівпровідників

Провідник, такий як алюміній або мідь, має питомий опір на порядок108106 Ωm, а значить, його опір руху електронів досить мало, що він переносить струм без особливих зусиль. Ізолятор, такий як мінеральний кварцSiO2, має питомий опір на порядку10151019 Ωm. Кремній, з іншого боку, має питомий опір приблизно,640 Ωm а гермайн має питомий опір близько0.46 Ωm.

Примітка

Обернене питомого опору - провідність.

Кремній і германій знаходяться в одній групі з вуглецем. Якщо ми використовуємо спрощене уявлення про атоми, ми можемо розглядати кремній та германій як мають чотири валентні електрони та ефективний ядерний зарядZeff,

(Zeff)Si=Z number of core electrons=1410=+4(Zeff)Ge=Z number of core electrons=3228=+4

Ми можемо збільшити провідність кремнію та германію, додаючи до них - це називається легуванням - невелику кількість домішки. Додавання невеликої кількості In або Ga, які мають три валентних електронів замість чотирьох валентних електронів, залишає невелику кількість вакансій, або дірок, в яких відсутній електрон. Додавання невеликої кількості As або Sb, які мають п'ять валентних електронів замість чотирьох валентних електронів, залишає невелику кількість зайвих електронів. На малюнку2.4.1 показані всі три можливості.

Напівпровідники.
Малюнок2.4.1. Ілюстрація, що показує двовимірний переріз через (зліва) монокристал кремнію або германію; (середній) монокристал кремнію або германію, легований індієм або галієм; і (праворуч) монокристал кремнію або германію, легований миш'яком або сурмою. Легування індієм або галієм залишає отвір, де відсутній електрон, а легування миш'яком або сурмою залишає зайвий електрон. Візерунок за фігурами в Diefenderfer, A J Принципи електронного приладобудування, WB Saunders (1972).

Якщо застосувати потенціал через напівпровідник, легований As або Sb, додатковий електрон рухається до позитивного полюса, створюючи невеликий струм і залишаючи після себе вакансію або дірку. Якщо застосувати потенціал через напівпровідник, легований In або Ga, електрони надходять в напівпровідник з негативного полюса, займаючи вакансії або дірки, і створюючи невеликий струм. В обох випадках електрони рухаються до позитивного полюса, а дірки рухаються до негативного полюса. Ми називаємо напівпровідник, легований As або Sb, напівпровідником типу n, оскільки первинним носієм заряду є електрон; ми називаємо напівпровідник, легований In або Ga, напівпровідником p -типу, оскільки основним носієм заряду є дірка.

напівпровідникові діоди

Діод - це електричний прилад, який більш струмопровідний в одному напрямку, ніж в протилежному напрямку. Діод використовує властивості переходу між напівпровідником p -типу і n -типу.

Властивості pn переходів

Давайте використаємо Рисунок,2.4.2 щоб зрозуміти, як працює напівпровідниковий діод. Малюнок розділений на дві частини: ліва сторона фігури, частини (а), (b) і (в), показують поведінку напівпровідникового діода при застосуванні прямого зміщення, а права сторона фігури, частини (d), (e) і (f) показують його поведінку при застосуванні зворотного зміщення. Для обох напівпровідниковий діод складається з переходу між напівпровідником n -типу, який має надлишок електронів і несе негативний заряд, і напівпровідником p -типу, який має надлишок дірок і, таким чином, позитивний заряд; це показано в (а) і (d). Те, як виготовляється напівпровідник, для нас не має значення.

Напівпровідниковий діод при прямому зміщенні і зворотному зміщен
Малюнок2.4.2. Поведінка напівпровідникового діода при прямому зміщенні і зворотному зміщенні, і символ напівпровідникового діода. Додаткові відомості див. в тексті.

Для здійснення прямого зміщення ми застосуємо позитивний потенціал до області p -типу і застосуємо негативний потенціал до області n -типу. Як ми бачимо в (b), дірки в p -області рухаються до переходу, а електрони в n -області рухаються до з'єднання, а також. Коли дірки та електрони зустрічаються, вони об'єднуються та усуваються, тому ми бачимо менше дірок та електронів у (c). Додаткові електрони впадають у n -область, а електрони відтягуються від p -області, як видно з (c), в результаті чого утворюється струм. Для здійснення зворотного зміщення перемикаємо застосовані потенціали так, щоб p -область мала негативний потенціал, а n -область мала позитивний потенціал. Результат, як видно в (е), є коротким струмом, коли дірки та електрони віддаляються один від одного. залишаючи позаду, в (f), зону виснаження, яка по суті не має електронів або дірок.

Криві струм-напруга для напівпровідникових діодів

2.4.3На малюнку показаний графік струму як функції напруги для напівпровідникового діода. У режимі прямого зміщення струм зростає експоненціально зі збільшенням прикладеної напруги, але залишається на рівні практично нуля при роботі при зворотному зміщенні. Використання досить великого негативного потенціалу, однак, призводить до раптового і різкого збільшення струму; потенціал, при якому це відбувається, називається напругою пробою.

Крива напруги струму для напівпровідникового діода при прямому і зворотному зміщенні.
Малюнок2.4.3. Крива струм-напруга для напівпровідникового діода при прямому зміщенні і при зворотному зміщенні.