กระแสไฟฟ้าในคำจำกัดความของสารกึ่งตัวนำ กระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ

ตัวนำ สารกึ่งตัวนำ และไดอิเล็กทริก

ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของประจุอิสระ ร่างกายจะถูกแบ่งออกเป็นตัวนำ ไดอิเล็กทริก และเซมิคอนดักเตอร์

ตัวนำ– วัตถุที่ประจุสามารถเคลื่อนที่ได้ตลอดปริมาตร (ประจุฟรี) จึงนำกระแสไฟฟ้า ในโลหะ (ตัวนำชนิดที่ 1) สิ่งเหล่านี้คืออิเล็กตรอน ในสารละลายและการละลายของเกลือ กรดและด่าง (ตัวนำประเภทที่สอง) สิ่งเหล่านี้คือไอออนบวกและลบ - แคตไอออน, แอนไอออน

อิเล็กทริก– วัตถุซึ่งมีประจุถูกแทนที่ในระยะทางไม่เกินขนาดของอะตอม (ประจุที่ถูกผูกไว้) จึงไม่นำกระแสไฟฟ้า

เซมิคอนดักเตอร์ครอบครอง ตำแหน่งกลางระหว่างตัวนำและไดอิเล็กทริก นำกระแสไฟฟ้าภายใต้เงื่อนไขบางประการ

พาหะประจุได้แก่อิเล็กตรอนและรู

ทฤษฎีคลาสสิกของการนำโลหะ

โลหะคือโครงตาข่ายคริสตัล ซึ่งอยู่ในโหนดที่มีไอออนที่มีประจุบวก โดยมีก๊าซอิเล็กตรอนอยู่ระหว่างไอออน

เมื่อความต่างศักย์ถูกสร้างขึ้นในตัวนำ อิเล็กตรอนอิสระจะเริ่มเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบ

ในตอนแรก อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยความเร่งสม่ำเสมอ แต่ในไม่ช้า อิเล็กตรอนก็หยุดเร่งความเร็วเมื่อชนกับอะตอมของโครงตาข่าย

อะตอมของโครงตาข่ายเริ่มสั่นสะเทือนด้วยแอมพลิจูดที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับจุดพักแบบธรรมดาและสังเกตเห็นผลกระทบจากเทอร์โมอิเล็กทริก (ตัวนำความร้อน)

ทฤษฎีวงดนตรีของของแข็ง

ในอะตอมที่แยกเดี่ยว พลังงานของอิเล็กตรอนสามารถรับค่าที่แยกจากกันอย่างเคร่งครัด เนื่องจากอิเล็กตรอนสามารถอยู่ในวงโคจรวงใดวงหนึ่งเท่านั้น

อะตอมในโมเลกุลมีวงโคจรของอิเล็กตรอนแตกตัว

จำนวนออร์บิทัลเป็นสัดส่วนกับจำนวนอะตอม สิ่งนี้นำไปสู่การก่อตัวของวงโคจรโมเลกุล

ในผลึกขนาดมหภาค (มากกว่า 1,020 อะตอม) จำนวนออร์บิทัลจะมีขนาดใหญ่มากและความแตกต่างในพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ในออร์บิทัลข้างเคียงจะมีน้อยมาก

ระดับพลังงานแบ่งออกเป็นชุดแยกกันเกือบต่อเนื่องกัน - โซนพลังงาน

แถบที่สูงที่สุดในเซมิคอนดักเตอร์และไดอิเล็กทริกซึ่งสถานะพลังงานทั้งหมดถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนเรียกว่าแถบเวเลนซ์ส่วนถัดไปคือแถบการนำ

ในโลหะ แถบการนำคือแถบสูงสุดที่อนุญาตให้มีอิเล็กตรอนอาศัยอยู่

แผนภาพพลังงานของตัวนำ (a) เซมิคอนดักเตอร์ (b) และไดอิเล็กทริก (c) ที่อุณหภูมิใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์

แผนภาพพลังงานของไดอิเล็กทริก สารกึ่งตัวนำ และตัวนำ

เซมิคอนดักเตอร์ - วัสดุซึ่งในแง่ของค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะนั้นครอบครองอยู่

สถานที่ตรงกลางระหว่างตัวนำและไดอิเล็กทริก

ความแตกต่างจากตัวนำคือการพึ่งพาการนำไฟฟ้าจำเพาะอย่างมากต่อ 1) ความเข้มข้นของสิ่งสกปรก 2) อุณหภูมิและ 3) การสัมผัสกับรังสีประเภทต่างๆ

เซมิคอนดักเตอร์เป็นสารที่มีช่องว่างของแถบความถี่ตามคำสั่งของอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) หลายตัว

เพชรเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างกว้าง อินเดียมอาร์เซไนด์เป็นสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างแคบ

เซมิคอนดักเตอร์ ได้แก่ :

องค์ประกอบทางเคมีหลายชนิด (เจอร์เมเนียม ซิลิคอน ซีลีเนียม เทลลูเรียม สารหนู และอื่นๆ)

โลหะผสมจำนวนมาก

สารประกอบทางเคมี (แกลเลียมอาร์เซไนด์ ฯลฯ )

สารอนินทรีย์เกือบทั้งหมด

เซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุดในธรรมชาติคือซิลิคอน

คิดเป็นเกือบ 30% ของเปลือกโลก

ค่าการนำไฟฟ้าภายในของเซมิคอนดักเตอร์

การนำไฟฟ้าด้วยตนเอง– คุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์

ภายใต้อิทธิพลของปัจจัยภายนอก (อุณหภูมิ, รังสี, แรง สนามไฟฟ้าฯลฯ) อิเล็กตรอนจากแถบเวเลนซ์สามารถถ่ายโอนไปยังแถบการนำไฟฟ้าได้ ซึ่งทำให้เกิดลักษณะของกระแสไฟฟ้า

การแตกพันธะเวเลนซ์ทำให้เกิดช่องว่าง (รู) ที่อิเล็กตรอนใดๆ ก็สามารถครอบครองได้

รูคือประจุบวกที่เคลื่อนที่ตรงข้ามกับอิเล็กตรอนในทิศทางของสนามภายนอก

ค่าการนำไฟฟ้าประเภทนี้เรียกว่ารูหรือชนิด p (บวก) ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จะปรากฏภายใต้อิทธิพลของปัจจัยภายนอกเท่านั้น

ที่อุณหภูมิหนึ่ง ความสมดุลจะเกิดขึ้นระหว่างการสร้างอิเล็กตรอนและรูและกระบวนการย้อนกลับ (การรวมตัวกันใหม่) ซึ่งทำให้เกิดความเข้มข้นของตัวพาประจุที่แน่นอน

การนำสิ่งเจือปนของเซมิคอนดักเตอร์

การนำสิ่งเจือปนเกิดจากการเจือปนของสารหนู (V) โบรอน (III) ฯลฯ ที่ใส่เข้าไปในเซมิคอนดักเตอร์

การนำไฟฟ้าชนิด N (ลบ)

ซิลิคอน (IV) + สารหนู (V) - อิเล็กตรอนนำอิสระ "พิเศษ" จะยังคงอยู่ระหว่างอะตอมของสารหนูและซิลิคอน ในกรณีนี้การก่อตัวของรูจะไม่เกิดขึ้นการนำไฟฟ้าทำได้โดยอิเล็กตรอนเท่านั้น (สิ่งเจือปนของผู้บริจาค)

ค่าการนำไฟฟ้าชนิด P (บวก-บวก)

ซิลิคอน (IV) + อินเดียม (III) - ในตาข่ายคริสตัลจะมีอิเล็กตรอนไม่เพียงพอจะเกิดรู ในกรณีนี้ การนำรู (ตัวรับสิ่งเจือปน) เกิดขึ้น การนำไฟฟ้าเจือปนเกิดจากพาหะของเครื่องหมายเดียวกัน (ไม่ว่าจะเป็นอิเล็กตรอนหรือรู)

ส่วนผสมของโบรอนในซิลิคอน (1/105 อะตอม) ช่วยลดค่าไฟฟ้าจำเพาะ

ความต้านทานของซิลิคอนคือ 1,000 เท่า

สารเจือปนอินเดียมในเจอร์เมเนียม 1/ (108 - 109 อะตอม) ช่วยลดความจำเพาะ ความต้านทานไฟฟ้าเจอร์เมเนียมนับล้านครั้ง

ปรากฏการณ์การสัมผัสในโลหะ

ถ้าโลหะสองชนิดสัมผัสกัน แล้ว ก

ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น หากโลหะ Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd (ซีรีส์โวลตา) ถูกสัมผัสกันในลำดับนี้ จากนั้นแต่ละโลหะก่อนหน้านี้จะถูกชาร์จเมื่อสัมผัสกับ โลหะอย่างใดอย่างหนึ่งต่อไปนี้

ในเชิงบวก ความต่างศักย์หน้าสัมผัสมีตั้งแต่หนึ่งในสิบถึงโวลต์ทั้งหมด สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าโลหะทุกชนิดแตกต่างกันในความเข้มข้นของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกัน เมื่อโลหะสองชนิดสัมผัสกัน อิเล็กตรอนจะเริ่มผ่านส่วนต่อประสานระหว่างโลหะและชั้นไฟฟ้าสองชั้นที่มีความต่างศักย์จะปรากฏขึ้น

ปรากฏการณ์ซีเบค(1821) หากทางแยกตัวนำอยู่ที่ อุณหภูมิที่แตกต่างกันจากนั้นแรงเทอร์โมอิเล็กโทรโมทีฟจะเกิดขึ้นในวงจรซึ่ง

ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิสัมผัสและลักษณะของวัสดุที่ใช้ ปรากฏการณ์ Seebeck ใช้ในการวัดอุณหภูมิ (เทอร์โมอิลิเมนต์, เทอร์โมคัปเปิ้ล)

ปรากฏการณ์เพลเทียร์(1834) เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านหน้าสัมผัสของตัวนำสองตัวที่แตกต่างกัน นอกเหนือจากนั้นขึ้นอยู่กับทิศทางของมัน

ความร้อนของจูลจะปล่อยหรือดูดซับความร้อนเพิ่มเติม ปรากฏการณ์ Peltier เป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามกับปรากฏการณ์ Seebeck

ปรากฏการณ์ Peltier ใช้ในตู้เย็นเซมิคอนดักเตอร์แบบเทอร์โมอิเล็กทริก

ปรากฏการณ์การสัมผัสในเซมิคอนดักเตอร์

เมื่อสารกึ่งตัวนำชนิด n และชนิด p สองตัวสัมผัสกัน จุดเชื่อมต่อ p-n จะถูกสร้างขึ้นที่จุดที่สัมผัสกัน

ในบริเวณรอยต่อ pn แถบพลังงานจะโค้งงอ ส่งผลให้เกิดอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้นกับทั้งอิเล็กตรอนและรู

ใช้สำหรับทำ:

ไดโอด (การแก้ไขและ

การแปลงกระแสสลับ);

ทรานซิสเตอร์ (การขยายแรงดันไฟฟ้าและ

เซมิคอนดักเตอร์เป็นสารที่อยู่ในตำแหน่งกึ่งกลางระหว่างตัวนำที่ดีและฉนวนที่ดี (ไดอิเล็กทริก) ในแง่ของการนำไฟฟ้า

สารกึ่งตัวนำเป็นทั้งองค์ประกอบทางเคมี (เจอร์เมเนียม Ge, ซิลิคอน Si, ซีลีเนียม Se, เทลลูเรียม Te) และสารประกอบ องค์ประกอบทางเคมี(PbS, CdS ฯลฯ)

ธรรมชาติของพาหะปัจจุบันในเซมิคอนดักเตอร์ต่างกันจะแตกต่างกัน ในบางส่วนพาหะประจุคือไอออน ส่วนพาหะประจุคืออิเล็กตรอน

ค่าการนำไฟฟ้าภายในของเซมิคอนดักเตอร์

การนำไฟฟ้าภายในของเซมิคอนดักเตอร์มีสองประเภท: การนำไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์และการนำไฟฟ้าของรูของเซมิคอนดักเตอร์

1. การนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์

การนำไฟฟ้าจะดำเนินการโดยการเคลื่อนที่โดยตรงในพื้นที่ระหว่างอะตอมของอิเล็กตรอนอิสระที่ออกจากเปลือกความจุของอะตอมอันเป็นผลมาจากอิทธิพลภายนอก

2. ค่าการนำไฟฟ้าของรูของเซมิคอนดักเตอร์

การนำรูเกิดขึ้นพร้อมกับการเคลื่อนที่โดยตรงของเวเลนซ์อิเล็กตรอนไปยังตำแหน่งว่างในพันธะคู่อิเล็กตรอน - รู เวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมที่เป็นกลางซึ่งอยู่ใกล้กับไอออนบวก (รู) จะถูกดึงดูดไปที่รูแล้วกระโดดเข้าไป ในกรณีนี้ ไอออนบวก (รู) จะถูกสร้างขึ้นแทนที่อะตอมที่เป็นกลาง และอะตอมที่เป็นกลางจะเกิดขึ้นแทนที่ไอออนบวก (รู)

ในเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์อุดมคติที่ไม่มีสิ่งเจือปนแปลกปลอม อิเล็กตรอนอิสระแต่ละตัวจะสอดคล้องกับการก่อตัวของรูหนึ่งรู นั่นคือ จำนวนอิเล็กตรอนและรูที่เกี่ยวข้องกับการสร้างกระแสจะเท่ากัน

ค่าการนำไฟฟ้าที่มีพาหะประจุจำนวนเท่ากัน (อิเล็กตรอนและรู) ปรากฏเรียกว่าค่าการนำไฟฟ้าภายในของเซมิคอนดักเตอร์

ค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงของเซมิคอนดักเตอร์มักจะต่ำ เนื่องจากจำนวนอิเล็กตรอนอิสระมีน้อย ร่องรอยของสิ่งสกปรกเพียงเล็กน้อยจะเปลี่ยนคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์อย่างรุนแรง

การนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์เมื่อมีสิ่งสกปรก

สิ่งเจือปนในเซมิคอนดักเตอร์ถือเป็นอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีแปลกปลอมซึ่งไม่มีอยู่ในเซมิคอนดักเตอร์หลัก

การนำสิ่งเจือปนคือค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากการใส่สิ่งเจือปนเข้าไปในโครงผลึก

ในบางกรณีอิทธิพลของสิ่งเจือปนปรากฏให้เห็นในความจริงที่ว่ากลไกการนำ "รู" นั้นเป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติและกระแสในเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ สารกึ่งตัวนำดังกล่าวเรียกว่า เซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์หรือ สารกึ่งตัวนำชนิด n(จากคำภาษาละติน negativus - ลบ) พาหะประจุส่วนใหญ่เป็นอิเล็กตรอน และพาหะประจุที่ไม่ใช่ส่วนใหญ่คือรู เซมิคอนดักเตอร์ชนิด N เป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่มีสิ่งเจือปนจากผู้บริจาค

1. สิ่งเจือปนของผู้บริจาค

สิ่งเจือปนที่บริจาคอิเล็กตรอนได้ง่ายและเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนอิสระจึงเรียกว่าสิ่งเจือปนของผู้บริจาค สิ่งเจือปนของผู้บริจาคจะจ่ายอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าโดยไม่สร้างจำนวนรูเท่ากัน

ตัวอย่างทั่วไปของการเจือปนของผู้บริจาคในเจอร์เมเนียม Ge แบบเตตระวาเลนต์คืออะตอมของสารหนูเพนทาวาเลนต์ As

ในกรณีอื่น ๆ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยและกระแสไฟฟ้าจะดำเนินการโดยการเคลื่อนที่ของรูเท่านั้น สารกึ่งตัวนำเหล่านี้เรียกว่า เซมิคอนดักเตอร์แบบรูหรือ สารกึ่งตัวนำชนิด p(จากคำภาษาละติน positivus - บวก) พาหะประจุหลักคือรู ไม่ใช่พาหะประจุหลักคืออิเล็กตรอน . เซมิคอนดักเตอร์ชนิด P เป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่มีสิ่งเจือปนจากตัวรับ

สิ่งเจือปนของตัวรับคือสิ่งเจือปนซึ่งมีอิเล็กตรอนไม่เพียงพอที่จะสร้างพันธะคู่-อิเล็กทรอนิกส์ปกติ

ตัวอย่างของความไม่บริสุทธิ์ของตัวรับในเจอร์เมเนียม Ge คืออะตอมแกลเลียมไตรวาเลนต์ Ga

ไฟฟ้าผ่านการสัมผัสของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p และ n รอยต่อ p-n เป็นชั้นสัมผัสของเซมิคอนดักเตอร์เจือปนสองตัวชนิด p และ n รอยต่อ p-n คือขอบเขตที่แยกขอบเขตด้วยความนำไฟฟ้าแบบรู (p) และสภาพนำไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์ (n) ในผลึกเดี่ยวเดียวกัน

ทางแยก p-n โดยตรง

หาก n-เซมิคอนดักเตอร์เชื่อมต่อกับขั้วลบของแหล่งพลังงาน และขั้วบวกของแหล่งพลังงานเชื่อมต่อกับ p-เซมิคอนดักเตอร์ จากนั้นภายใต้อิทธิพล สนามไฟฟ้าอิเล็กตรอนใน n-เซมิคอนดักเตอร์และรูใน p-เซมิคอนดักเตอร์จะเคลื่อนที่เข้าหากันไปยังส่วนต่อประสานของเซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กตรอนที่ข้ามขอบเขตหลุม "เติม" กระแสผ่านทางแยก p-n จะดำเนินการโดยพาหะประจุหลัก เป็นผลให้ค่าการนำไฟฟ้าของตัวอย่างทั้งหมดเพิ่มขึ้น ด้วยทิศทางไปข้างหน้า (ผ่าน) ของสนามไฟฟ้าภายนอก ความหนาของชั้นปิดกั้นและความต้านทานลดลง

ในทิศทางนี้ กระแสจะไหลผ่านขอบเขตของสารกึ่งตัวนำทั้งสอง

ทางแยก pn ย้อนกลับ

หาก n-เซมิคอนดักเตอร์เชื่อมต่อกับขั้วบวกของแหล่งพลังงาน และ p-เซมิคอนดักเตอร์เชื่อมต่อกับขั้วลบของแหล่งพลังงาน ดังนั้นอิเล็กตรอนใน n-เซมิคอนดักเตอร์และรูใน p-เซมิคอนดักเตอร์ภายใต้อิทธิพลของ สนามไฟฟ้าจะเคลื่อนที่จากส่วนต่อประสานในทิศทางตรงกันข้าม กระแสไฟฟ้าผ่าน p จุดเชื่อมต่อ -n ดำเนินการโดยผู้ให้บริการประจุรายย่อย สิ่งนี้นำไปสู่ความหนาของชั้นกั้นและเพิ่มความต้านทาน เป็นผลให้ค่าการนำไฟฟ้าของตัวอย่างไม่มีนัยสำคัญและมีความต้านทานสูง

มีสิ่งที่เรียกว่าชั้นกั้นเกิดขึ้น ด้วยทิศทางของสนามภายนอกนี้กระแสไฟฟ้าจะไม่ผ่านการสัมผัสกับเซมิคอนดักเตอร์ p- และ n

ดังนั้นการเปลี่ยนผ่านของหลุมอิเล็กตรอนจึงมีการนำไฟฟ้าทางเดียว

การพึ่งพากระแสกับลักษณะแรงดันไฟฟ้า - โวลต์ - แอมแปร์ ทางแยก р-nแสดงในรูป (ลักษณะโวลต์-แอมแปร์ โดยตรงการเปลี่ยนแปลงจะแสดงเป็นเส้นทึบ ลักษณะเฉพาะของโวลต์-แอมแปร์ ย้อนกลับ p-nการเปลี่ยนแปลงจะแสดงด้วยเส้นประ)

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์:

ไดโอดสารกึ่งตัวนำ- ในการแก้ไขกระแสสลับ จะใช้จุดเชื่อมต่อ p-n หนึ่งจุดที่มีความต้านทานต่างกัน: ในทิศทางไปข้างหน้า ความต้านทานของจุดเชื่อมต่อ p-n จะน้อยกว่าในทิศทางตรงกันข้ามอย่างมาก

โฟโตรีซีสเตอร์ - สำหรับบันทึกและวัดฟลักซ์แสงอ่อน ด้วยความช่วยเหลือ พวกเขากำหนดคุณภาพของพื้นผิวและควบคุมขนาดของผลิตภัณฑ์

เทอร์มิสเตอร์ - สำหรับการวัดอุณหภูมิระยะไกล สัญญาณเตือนไฟไหม้

ในบทนี้เราจะดูตัวกลางสำหรับการส่งผ่านของกระแสไฟฟ้าในฐานะเซมิคอนดักเตอร์ เราจะพิจารณาหลักการของการนำไฟฟ้าการพึ่งพาการนำไฟฟ้านี้กับอุณหภูมิและการมีอยู่ของสิ่งสกปรกเราจะพิจารณาแนวคิดเช่นทางแยก p-n และอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์พื้นฐาน

หากคุณทำการเชื่อมต่อโดยตรงแล้ว สนามภายนอกทำให้การปิดกั้นเป็นกลางและกระแสจะถูกดำเนินการโดยผู้ให้บริการประจุหลัก (รูปที่ 9)

ข้าว. 9. ทางแยก p-n พร้อมการเชื่อมต่อโดยตรง ()

ในกรณีนี้ กระแสไฟฟ้าของผู้ให้บริการรายย่อยนั้นไม่มีนัยสำคัญและไม่มีอยู่จริง ดังนั้นทางแยก p-n จึงมีการนำกระแสไฟฟ้าทางเดียว

ข้าว. 10. โครงสร้างอะตอมของซิลิคอนที่มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น

ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์คือรูอิเล็กตรอน และค่าการนำไฟฟ้าดังกล่าวเรียกว่าการนำไฟฟ้าภายใน และแตกต่างจากโลหะตัวนำเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจำนวนประจุอิสระจะเพิ่มขึ้น (ในกรณีแรกจะไม่เปลี่ยนแปลง) ดังนั้นค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและความต้านทานจะลดลง (รูปที่ 10)

มาก ปัญหาสำคัญในการศึกษาเซมิคอนดักเตอร์คือการมีสิ่งเจือปนอยู่ในตัว และในกรณีที่มีสิ่งเจือปนอยู่ เราควรพูดถึงการนำสิ่งเจือปน

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

ขนาดที่เล็กและคุณภาพการส่งสัญญาณที่สูงมากทำให้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มีอยู่ทั่วไปในเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ องค์ประกอบของอุปกรณ์ดังกล่าวอาจรวมถึงไม่เพียงแต่ซิลิคอนที่กล่าวมาข้างต้นที่มีสิ่งเจือปนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเจอร์เมเนียมด้วย

อุปกรณ์หนึ่งคือไดโอด - อุปกรณ์ที่สามารถส่งกระแสไฟไปในทิศทางเดียวและป้องกันไม่ให้กระแสไหลไปในอีกทิศทางหนึ่ง ได้มาจากการฝังเซมิคอนดักเตอร์ประเภทอื่นลงในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p หรือ n (รูปที่ 11)

ข้าว. 11. การกำหนดไดโอดบนไดอะแกรมและไดอะแกรมของอุปกรณ์ตามลำดับ

อีกอุปกรณ์หนึ่ง ตอนนี้มีสองเครื่อง ทางแยก p-nเรียกว่าทรานซิสเตอร์ ไม่เพียงทำหน้าที่เลือกทิศทางของการส่งสัญญาณปัจจุบันเท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่แปลงทิศทางด้วย (รูปที่ 12)

ข้าว. 12. แผนผังโครงสร้างของทรานซิสเตอร์และการกำหนดบนแผนภาพไฟฟ้าตามลำดับ ()

ควรสังเกตว่าวงจรไมโครสมัยใหม่ใช้ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่น ๆ หลายชนิดรวมกัน

ในบทต่อไป เราจะดูการแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ

บรรณานุกรม

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. ฟิสิกส์ (ระดับพื้นฐาน) - อ.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. ฟิสิกส์ ชั้นประถมศึกษาปีที่ 10 - อ.: อิเลกซ่า, 2548.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. ฟิสิกส์. ไฟฟ้ากระแส. - ม.: 2010.

1. หลักการทำงานของอุปกรณ์ ()
2. สารานุกรมฟิสิกส์และเทคโนโลยี ()

การบ้าน

1. อะไรทำให้การนำอิเล็กตรอนปรากฏในเซมิคอนดักเตอร์?
2. ค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงของเซมิคอนดักเตอร์คืออะไร?
3. ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างไร
4. สิ่งเจือปนของผู้บริจาคแตกต่างจากสิ่งเจือปนของผู้บริจาคอย่างไร
5. *ค่าการนำไฟฟ้าของซิลิคอนที่มีส่วนผสมของ a) แกลเลียม b) อินเดียม c) ฟอสฟอรัส d) พลวงคืออะไร

เอริวตคิน เยฟเกนี เซอร์เกวิช
ครูฟิสิกส์ประเภทวุฒิการศึกษาสูงสุด State Educational Institution Secondary School No. 1360, Moscow

หากคุณทำการเชื่อมต่อโดยตรง สนามภายนอกจะทำให้สนามปิดกั้นเป็นกลาง และกระแสไฟจะถูกดำเนินการโดยผู้ให้บริการชาร์จหลัก

ข้าว. 9. ทางแยก p-n พร้อมการเชื่อมต่อโดยตรง ()

ในกรณีนี้ กระแสไฟฟ้าของผู้ให้บริการรายย่อยนั้นไม่มีนัยสำคัญและไม่มีอยู่จริง ดังนั้นทางแยก p-n จึงมีการนำกระแสไฟฟ้าทางเดียว

ข้าว. 10. โครงสร้างอะตอมของซิลิคอนที่มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น

ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์คือรูอิเล็กตรอน และค่าการนำไฟฟ้าดังกล่าวเรียกว่าการนำไฟฟ้าภายใน และแตกต่างจากโลหะตัวนำเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจำนวนประจุอิสระจะเพิ่มขึ้น (ในกรณีแรกจะไม่เปลี่ยนแปลง) ดังนั้นค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและความต้านทานจะลดลง

ปัญหาที่สำคัญมากในการศึกษาเซมิคอนดักเตอร์คือการมีสิ่งเจือปนอยู่ในตัว และในกรณีที่มีสิ่งเจือปนอยู่ เราควรพูดถึงการนำสิ่งเจือปน

ขนาดที่เล็กและคุณภาพการส่งสัญญาณที่สูงมากทำให้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มีอยู่ทั่วไปในเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ องค์ประกอบของอุปกรณ์ดังกล่าวอาจรวมถึงไม่เพียงแต่ซิลิคอนที่กล่าวมาข้างต้นที่มีสิ่งเจือปนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเจอร์เมเนียมด้วย

อุปกรณ์ดังกล่าวอย่างหนึ่งคือ ไดโอด ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่สามารถส่งกระแสไฟในทิศทางเดียวและป้องกันไม่ให้กระแสไฟไหลผ่านไปยังอีกทิศทางหนึ่งได้ ได้มาจากการฝังเซมิคอนดักเตอร์ประเภทอื่นลงในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p หรือ n

ข้าว. 11. การกำหนดไดโอดบนไดอะแกรมและไดอะแกรมของอุปกรณ์ตามลำดับ

อุปกรณ์อีกชิ้นหนึ่งซึ่งมีจุดเชื่อมต่อ p-n สองจุดเรียกว่าทรานซิสเตอร์ ไม่เพียงทำหน้าที่เลือกทิศทางของการส่งสัญญาณปัจจุบันเท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่แปลงทิศทางอีกด้วย

ข้าว. 12. แผนผังโครงสร้างของทรานซิสเตอร์และการกำหนดบนแผนภาพไฟฟ้าตามลำดับ ()

ควรสังเกตว่าวงจรไมโครสมัยใหม่ใช้ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่น ๆ หลายชนิดรวมกัน

ในบทต่อไป เราจะดูการแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. ฟิสิกส์ (ระดับพื้นฐาน) อ.: ความจำ. 2555
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. ฟิสิกส์ ชั้นประถมศึกษาปีที่ 10 อ.: อิเล็กซา. 2548
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. ฟิสิกส์. ไฟฟ้าพลศาสตร์ ม.: 2010

1. หลักการทำงานของอุปกรณ์ ()
2. สารานุกรมฟิสิกส์และเทคโนโลยี ()

1. อะไรทำให้การนำอิเล็กตรอนปรากฏในเซมิคอนดักเตอร์?
2. ค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงของเซมิคอนดักเตอร์คืออะไร?
3. ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างไร
4. สิ่งเจือปนของผู้บริจาคแตกต่างจากสิ่งเจือปนของผู้บริจาคอย่างไร
5. *ค่าการนำไฟฟ้าของซิลิคอนที่มีส่วนผสมของ a) แกลเลียม b) อินเดียม c) ฟอสฟอรัส d) พลวงคืออะไร

เซมิคอนดักเตอร์เป็นสารประเภทหนึ่งที่มีค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นและความต้านทานไฟฟ้าลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น นี่คือลักษณะที่เซมิคอนดักเตอร์แตกต่างจากโลหะโดยพื้นฐาน

เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปคือผลึกของเจอร์เมเนียมและซิลิคอน ซึ่งอะตอมจะรวมกันเป็นหนึ่งด้วยพันธะโควาเลนต์ ที่อุณหภูมิใดก็ตาม สารกึ่งตัวนำจะมีอิเล็กตรอนอิสระ อิเล็กตรอนอิสระภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายนอกสามารถเคลื่อนที่ในคริสตัลได้ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า การดึงอิเล็กตรอนออกจากเปลือกนอกของอะตอมตัวใดตัวหนึ่งของโครงตาข่ายคริสตัลจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอะตอมนี้ให้เป็นไอออนบวก ไอออนนี้สามารถทำให้ตัวเองเป็นกลางได้ด้วยการจับอิเล็กตรอนจากอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง นอกจากนี้อันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากอะตอมไปเป็นไอออนบวกทำให้เกิดกระบวนการเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายของสถานที่โดยที่อิเล็กตรอนหายไปเกิดขึ้นในคริสตัล ภายนอกกระบวนการนี้ถูกมองว่าเป็นการเคลื่อนไหวเชิงบวก ค่าไฟฟ้า, เรียกว่า รู.

เมื่อวางคริสตัลในสนามไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของรูตามลำดับจะเกิดขึ้น - กระแสการนำของรู

ในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติ กระแสไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและรูที่มีประจุบวกในจำนวนเท่ากัน การนำไฟฟ้าในเซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติเรียกว่าการนำไฟฟ้าภายใน

คุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับปริมาณสิ่งเจือปนเป็นอย่างมาก สิ่งเจือปนมีสองประเภท - ผู้บริจาคและผู้รับ

สิ่งเจือปนที่บริจาคอิเล็กตรอนและสร้างการนำไฟฟ้าเรียกว่า ผู้บริจาค(สิ่งเจือปนที่มีเวเลนซ์มากกว่าเซมิคอนดักเตอร์หลัก) สารกึ่งตัวนำที่ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนเกินความเข้มข้นของรูเรียกว่าสารกึ่งตัวนำชนิด n

สิ่งเจือปนที่จับอิเล็กตรอนและทำให้เกิดรูเคลื่อนที่โดยไม่เพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าเรียกว่า ผู้ยอมรับ(สิ่งเจือปนที่มีวาเลนซีน้อยกว่าเซมิคอนดักเตอร์หลัก)

ที่ อุณหภูมิต่ำพาหะกระแสหลักในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความไม่บริสุทธิ์จากตัวรับคือรู และพาหะหลักไม่ใช่อิเล็กตรอน สารกึ่งตัวนำที่ความเข้มข้นของรูเกินกว่าความเข้มข้นของอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าเรียกว่าโฮลเซมิคอนดักเตอร์หรือเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p ให้เราพิจารณาการสัมผัสกันของเซมิคอนดักเตอร์สองตัวที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน

การแพร่กระจายร่วมกันของพาหะส่วนใหญ่เกิดขึ้นข้ามขอบเขตของเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้: อิเล็กตรอนจากเซมิคอนดักเตอร์ n กระจายเข้าไปใน p-เซมิคอนดักเตอร์ และรูจาก p-เซมิคอนดักเตอร์เข้าไปใน n-เซมิคอนดักเตอร์ เป็นผลให้บริเวณของ n-เซมิคอนดักเตอร์ที่อยู่ติดกับหน้าสัมผัสจะหมดอิเล็กตรอนและประจุบวกส่วนเกินจะก่อตัวขึ้นเนื่องจากมีไอออนเจือปนเปลือยเปล่า การเคลื่อนตัวของรูจาก p-เซมิคอนดักเตอร์ไปยัง n-เซมิคอนดักเตอร์ ทำให้เกิดประจุลบส่วนเกินในบริเวณขอบเขตของ p-เซมิคอนดักเตอร์ เป็นผลให้เกิดชั้นไฟฟ้าสองชั้นขึ้นและเกิดสนามไฟฟ้าสัมผัสซึ่งป้องกันการแพร่กระจายของพาหะประจุหลักเพิ่มเติม ชั้นนี้เรียกว่า ล็อค.

สนามไฟฟ้าภายนอกส่งผลต่อการนำไฟฟ้าของชั้นกั้น หากเซมิคอนดักเตอร์เชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดดังแสดงในรูป 55 จากนั้นภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายนอก ตัวพาประจุหลัก - อิเล็กตรอนอิสระในเซมิคอนดักเตอร์ p และรูในเซมิคอนดักเตอร์ p - จะเคลื่อนที่เข้าหากันไปยังส่วนต่อประสานของเซมิคอนดักเตอร์ ในขณะที่ความหนาของรอยต่อ p-n ลดลง ดังนั้นความต้านทานจึงลดลง ในกรณีนี้ กระแสไฟจะถูกจำกัดด้วยความต้านทานภายนอก ทิศทางของสนามไฟฟ้าภายนอกนี้เรียกว่าโดยตรง การเชื่อมต่อโดยตรงของจุดเชื่อมต่อ p-n สอดคล้องกับส่วนที่ 1 เกี่ยวกับคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบัน (ดูรูปที่ 57)

ตัวพากระแสไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมต่างๆ และลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันสรุปไว้ในตารางที่ 1 1.

หากเซมิคอนดักเตอร์เชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดดังแสดงในรูป 56 จากนั้นอิเล็กตรอนใน n-เซมิคอนดักเตอร์และรูใน p-เซมิคอนดักเตอร์จะเคลื่อนที่ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายนอกจากขอบเขตในทิศทางตรงกันข้าม ความหนาของชั้นกั้นจึงเพิ่มความต้านทาน ด้วยทิศทางของสนามไฟฟ้าภายนอกนี้ - ย้อนกลับ (ปิดกั้น) มีเพียงพาหะประจุส่วนน้อยเท่านั้นที่ผ่านอินเทอร์เฟซซึ่งมีความเข้มข้นต่ำกว่าส่วนใหญ่มากและกระแสก็เท่ากับศูนย์ การเปิดสวิตช์ย้อนกลับของจุดเชื่อมต่อ pn สอดคล้องกับส่วนที่ 2 เกี่ยวกับคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบัน (รูปที่ 57)