กระแสถูกสร้างขึ้นในเซมิคอนดักเตอร์ กระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ

เซมิคอนดักเตอร์- เป็นสารที่ความต้านทานสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในช่วงกว้างและลดลงอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่าค่าการนำไฟฟ้า (1/R) เพิ่มขึ้น
- พบได้ในซิลิคอน เจอร์เมเนียม ซีลีเนียม และสารประกอบบางชนิด

กลไกการนำในสารกึ่งตัวนำ

ผลึกเซมิคอนดักเตอร์มีตาข่ายคริสตัลอะตอมที่อิเล็กตรอนชั้นนอกถูกพันธะกับอะตอมข้างเคียงด้วยพันธะโควาเลนต์

ที่ อุณหภูมิต่ำเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์ไม่มีอิเล็กตรอนอิสระและมีพฤติกรรมเหมือนอิเล็กทริก

สารกึ่งตัวนำมีความบริสุทธิ์ (ไม่มีสิ่งเจือปน)

ถ้าเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์ (ไม่มีสิ่งเจือปน) ก็แสดงว่ามี เป็นเจ้าของการนำไฟฟ้าซึ่งต่ำ

การนำไฟฟ้าภายในมีสองประเภท:

1 อิเล็กทรอนิกส์(ค่าการนำไฟฟ้า "n" - ประเภท)

ที่อุณหภูมิต่ำในเซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กตรอนทั้งหมดจะถูกจับกับนิวเคลียสและมีความต้านทานสูง เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์ของอนุภาคจะเพิ่มขึ้น พันธะแตกตัวและมีอิเล็กตรอนอิสระปรากฏขึ้น ความต้านทานจะลดลง
อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ตรงข้ามกับเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้า
ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์เกิดจากการมีอิเล็กตรอนอิสระ

2. รู(การนำไฟฟ้าประเภท "p")

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมซึ่งดำเนินการโดยเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะถูกทำลาย และเกิดจุดที่มีอิเล็กตรอนที่หายไปซึ่งเรียกว่า "รู" เกิดขึ้น
มันสามารถเคลื่อนที่ได้ทั่วคริสตัลเพราะว่า ตำแหน่งของมันสามารถถูกแทนที่ด้วยวาเลนซ์อิเล็กตรอน การเคลื่อน "รู" เทียบเท่ากับการเคลื่อนประจุบวก
รูจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางของเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้า

นอกเหนือจากการให้ความร้อนแล้ว การแตกของพันธะโควาเลนต์และการเกิดขึ้นของค่าการนำไฟฟ้าภายในของเซมิคอนดักเตอร์ยังอาจเกิดจากการส่องสว่าง (โฟโตคอนดักเตอร์) และการกระทำของสนามไฟฟ้าแรงสูง

ค่าการนำไฟฟ้ารวมของเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์คือผลรวมของค่าการนำไฟฟ้าประเภท "p" และ "n"
และเรียกว่าการนำไฟฟ้าของหลุมอิเล็กตรอน

สารกึ่งตัวนำที่มีสิ่งเจือปน

พวกเขามี ของตัวเอง+สิ่งเจือปนการนำไฟฟ้า
การมีสิ่งเจือปนช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าได้อย่างมาก
เมื่อความเข้มข้นของสิ่งเจือปนเปลี่ยนแปลง จำนวนพาหะของกระแสไฟฟ้า - อิเล็กตรอนและรู - จะเปลี่ยนไป
ความสามารถในการควบคุมกระแสไฟฟ้ารองรับการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์อย่างแพร่หลาย

มีอยู่:

1)ผู้บริจาคสิ่งเจือปน (ให้ออก)

พวกเขาเป็นผู้จัดหาอิเล็กตรอนเพิ่มเติมให้กับผลึกเซมิคอนดักเตอร์ ปล่อยอิเล็กตรอนได้ง่าย และเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนอิสระในเซมิคอนดักเตอร์
เหล่านี้คือตัวนำ "n" - ประเภท, เช่น. เซมิคอนดักเตอร์ที่มีสิ่งเจือปนจากผู้บริจาค โดยที่ตัวพาประจุส่วนใหญ่เป็นอิเล็กตรอน และตัวพาประจุส่วนน้อยคือรู
เซมิคอนดักเตอร์ดังกล่าวมีค่าการนำไฟฟ้าเจือปน

ตัวอย่างเช่นสารหนู

2. ผู้ยอมรับสิ่งเจือปน (รับ)

พวกมันสร้าง "รู" โดยการดูดซับอิเล็กตรอน
เหล่านี้คือเซมิคอนดักเตอร์ "p" - เหมือนเหล่านั้น. เซมิคอนดักเตอร์ที่มีสารเจือปนจากตัวรับ โดยที่ตัวพาประจุหลักคือรู และตัวพาประจุส่วนน้อยคืออิเล็กตรอน
เซมิคอนดักเตอร์ดังกล่าวมีรูนำสิ่งเจือปน

ตัวอย่างเช่น - อินเดียม

สมบัติทางไฟฟ้าของจุดเชื่อมต่อ p-n

การเปลี่ยนแปลง "p-n"(หรือการเปลี่ยนผ่านหลุมอิเล็กตรอน) - พื้นที่สัมผัสของเซมิคอนดักเตอร์สองตัวโดยที่ค่าการนำไฟฟ้าเปลี่ยนจากอิเล็กทรอนิกส์เป็นรู (หรือกลับกัน)

บริเวณดังกล่าวสามารถสร้างขึ้นได้ในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์โดยการแนะนำสิ่งเจือปน ในบริเวณสัมผัสของเซมิคอนดักเตอร์สองตัวที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน จะเกิดการแพร่กระจายซึ่งกันและกัน อิเล็กตรอนและรูและชั้นไฟฟ้าปิดกั้นเกิดขึ้น สนามไฟฟ้าของชั้นปิดกั้นจะป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนและรูทะลุผ่านขอบเขตต่อไป ชั้นปิดกั้นมีความต้านทานเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับพื้นที่อื่นๆ ของเซมิคอนดักเตอร์

ภายนอก สนามไฟฟ้าส่งผลต่อความต้านทานของชั้นกั้น
ในทิศทางไปข้างหน้า (ผ่าน) ของสนามไฟฟ้าภายนอก กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านขอบเขตของสารกึ่งตัวนำสองตัว
เพราะ อิเล็กตรอนและรูจะเคลื่อนที่เข้าหากันไปยังส่วนต่อประสาน จากนั้นอิเล็กตรอนที่ข้ามขอบเขตจะเต็มรูนั้น ความหนาของชั้นกั้นและความต้านทานลดลงอย่างต่อเนื่อง

โหมดการเข้าถึง ทางแยก р-n:

เมื่อสนามไฟฟ้าภายนอกอยู่ในทิศทางปิดกั้น (ย้อนกลับ) จะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านบริเวณหน้าสัมผัสของเซมิคอนดักเตอร์สองตัว
เพราะ เมื่ออิเล็กตรอนและรูเคลื่อนที่จากขอบเขตไปในทิศทางตรงกันข้าม ชั้นที่ปิดกั้นจะหนาขึ้นและความต้านทานจะเพิ่มขึ้น

การล็อค โหมด pnการเปลี่ยนแปลง

ถึง เซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งรวมถึงวัสดุนำไฟฟ้าซึ่งมีมากกว่าวัสดุที่เป็นฉนวนและน้อยกว่าวัสดุที่เป็นตัวนำ อุปกรณ์กึ่งตัวนำ ได้แก่ ซิลิคอน (Si) ฟอสฟอรัส (P) เจอร์เมเนียม (Ge) อินเดียม (In) สารหนู (As)

สารกึ่งตัวนำมีคุณสมบัติหลายประการ:

กระแสไฟฟ้าในเซมิคอนดักเตอร์เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้ ที่เรียกว่ารู ดังนั้นจึงมีความแตกต่างระหว่างการนำอิเล็กตรอนและรู สถานที่ที่เหลือจากอิเล็กตรอนจะมีประจุบวกตามเงื่อนไข - หลุม เซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าเป็นส่วนใหญ่เรียกว่า (-) เซมิคอนดักเตอร์ชนิด n เซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าเป็นรูส่วนใหญ่เรียกว่า (+)เซมิคอนดักเตอร์ชนิด p

ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมากการพึ่งพานี้มากกว่าโลหะหลายสิบเท่า เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จะเพิ่มขึ้น และความต้านทานจะลดลงเพราะว่า จำนวนคู่ของพาหะประจุ ē และรูเพิ่มขึ้น

ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับสิ่งเจือปนเป็นอย่างมาก และเรียกว่าการนำไฟฟ้าของสารเจือปน ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์มีค่าน้อยมาก ดังนั้น เพื่อเพิ่มค่าการนำไฟฟ้า จึงมีการเติมสิ่งเจือปนลงในเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์

สิ่งเจือปนสามารถเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนอิสระหรือรูได้หลายเท่า ในกรณีแรก (รูปที่ 44(a)) สิ่งเจือปนมีบทบาทของผู้บริจาค (บริจาคอิเล็กตรอน) - การนำไฟฟ้าแบบ n และในกรณีที่สอง (รูปที่ 44(b)) - บทบาทของตัวรับ ( รับอิเล็กตรอน) - ค่าการนำไฟฟ้าชนิด p

จุดต่อ p-n ของไดโอดสารกึ่งตัวนำ

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าทางเดียว ขึ้นอยู่กับการทำงานของจุดเชื่อมต่อ p-n กระแสไฟที่ไหลผ่านไดโอดสามารถไหลไปในทิศทางเดียวเท่านั้น

ที่ส่วนต่อประสานระหว่างเซมิคอนดักเตอร์สองตัวที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกันเนื่องจากความเข้มข้นของอิเล็กตรอนและรูต่างกันทำให้เกิดการแพร่กระจายซึ่งเป็นผลมาจากความต่างศักย์ที่เกิดขึ้น (ประจุ (+) ปรากฏขึ้นในบริเวณประเภท n และ (- ) ประจุจะปรากฏในภูมิภาคประเภท p) มีความแรงของสนาม E อยู่

หากเราใช้สนามภายนอก E 0 กับทางแยก p–n– สิ่งต่อไปนี้จะเกิดขึ้นขึ้นอยู่กับทิศทางของมัน:

1. E 0 เกิดขึ้นพร้อมกับ E ใน; E = E 0 + E นิ้ว ขนาด ë จะเพิ่มขึ้นและจะไม่มีกระแส

2. ถ้า E 0 อยู่ตรงข้ามกับ E ใน แล้ว E = E ใน – E 0; อีใน = E 0; E = 0 กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านทางแยก

คุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันของไดโอดเซมิคอนดักเตอร์

ไตรโอดสารกึ่งตัวนำ

ไตรโอดเซมิคอนดักเตอร์ประกอบด้วยเซมิคอนดักเตอร์สองตัวที่มีความนำไฟฟ้าประเภทหนึ่งคั่นด้วยชั้นบาง ๆ ของเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความนำไฟฟ้าประเภทอื่น (p-n-p) หรือ (n-p-n)

กระแสในระบบนี้ถูกควบคุมโดยแรงดันไฟฟ้าระหว่างฐานและตัวปล่อย การเปลี่ยนแปลงของกระแสในวงจรตัวส่งจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของกระแสในวงจรตัวสะสมและการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าจะมีนัยสำคัญ (แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น) . P/ntriodes (ทรานซิสเตอร์) เช่นเดียวกับหลอดสุญญากาศ ไตรโอดถูกใช้เพื่อขยายและสร้างการสั่นทางไฟฟ้า ทรานซิสเตอร์มีข้อได้เปรียบเหนือหลอดสุญญากาศหลายประการ - ไม่ต้องการพลังงานในการให้ความร้อนกับแคโทด ทนทานต่อการสั่นสะเทือน ขนาดเล็ก ฯลฯ แต่ลักษณะเฉพาะของมันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

เซมิคอนดักเตอร์เป็นสารประเภทหนึ่งที่มีค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและลดลง ความต้านทานไฟฟ้า. นี่คือลักษณะที่เซมิคอนดักเตอร์แตกต่างจากโลหะโดยพื้นฐาน

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

เมื่อวางคริสตัลในสนามไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของรูตามลำดับจะเกิดขึ้น - กระแสการนำของรู

ในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติ กระแสไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและรูที่มีประจุบวกในจำนวนเท่ากัน การนำไฟฟ้าในเซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติเรียกว่าการนำไฟฟ้าภายใน

คุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับปริมาณสิ่งเจือปนเป็นอย่างมาก สิ่งเจือปนมีสองประเภท - ผู้บริจาคและผู้รับ

สิ่งเจือปนที่บริจาคอิเล็กตรอนและสร้างการนำไฟฟ้าเรียกว่า ผู้บริจาค(สิ่งเจือปนที่มีเวเลนซ์มากกว่าเซมิคอนดักเตอร์หลัก) สารกึ่งตัวนำที่ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนเกินความเข้มข้นของรูเรียกว่าสารกึ่งตัวนำชนิด n

สิ่งเจือปนที่จับอิเล็กตรอนและทำให้เกิดรูเคลื่อนที่โดยไม่เพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าเรียกว่า ผู้ยอมรับ(สิ่งเจือปนที่มีวาเลนซีน้อยกว่าเซมิคอนดักเตอร์หลัก)

ที่อุณหภูมิต่ำ พาหะกระแสหลักในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความไม่บริสุทธิ์ของตัวรับคือรู ไม่ใช่พาหะหลัก - อิเล็กตรอน 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)

ดังนั้นทางแยก pn จึงมีค่าการนำไฟฟ้าไม่สมมาตร คุณสมบัตินี้ใช้ในไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ที่มีจุดเชื่อมต่อ pn เดียว และใช้ เช่น สำหรับการแก้ไขหรือการตรวจจับ AC

สารกึ่งตัวนำถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

การพึ่งพาความต้านทานไฟฟ้าของโลหะเซมิคอนดักเตอร์กับอุณหภูมิใช้ในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์พิเศษ - เทอร์มิสเตอร์. อุปกรณ์ที่ใช้คุณสมบัติของคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ในการเปลี่ยนความต้านทานไฟฟ้าเมื่อถูกส่องสว่างด้วยแสงเรียกว่า ตัวต้านทานแสง.

กระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ

หากวางอิเล็กโทรดสองตัวไว้ในภาชนะที่ปิดสนิทและนำอากาศออกจากภาชนะ กระแสไฟฟ้าจะไม่เกิดขึ้นในสุญญากาศ - จะไม่มีพาหะของกระแสไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน ที.เอ. เอดิสัน (พ.ศ. 2390-2474) ค้นพบในปี พ.ศ. 2422 ว่ากระแสไฟฟ้าสามารถเกิดขึ้นได้ในขวดแก้วสุญญากาศ หากอิเล็กโทรดตัวใดตัวหนึ่งในนั้นถูกให้ความร้อนจน อุณหภูมิสูง. ปรากฏการณ์การปล่อยอิเล็กตรอนอิสระจากพื้นผิวของวัตถุที่ได้รับความร้อนเรียกว่าการปล่อยความร้อน งานที่ต้องทำเพื่อปล่อยอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวของร่างกายเรียกว่าฟังก์ชันการทำงาน ปรากฏการณ์ของการปล่อยความร้อนอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่ออุณหภูมิของร่างกายเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนบางตัวในสารจะเพิ่มขึ้น หากพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนเกินฟังก์ชันการทำงาน ก็สามารถเอาชนะแรงดึงดูดจากไอออนบวกและปล่อยให้พื้นผิวของร่างกายอยู่ในสุญญากาศ การทำงานของหลอดอิเล็กตรอนชนิดต่างๆ ขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์การปล่อยความร้อน

เซมิคอนดักเตอร์เป็นสารประเภทหนึ่งที่มีค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นและความต้านทานไฟฟ้าลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น นี่คือลักษณะที่เซมิคอนดักเตอร์แตกต่างจากโลหะโดยพื้นฐาน

เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปคือผลึกของเจอร์เมเนียมและซิลิคอน ซึ่งอะตอมจะรวมกันเป็นหนึ่งด้วยพันธะโควาเลนต์ ที่อุณหภูมิใดก็ตาม สารกึ่งตัวนำจะมีอิเล็กตรอนอิสระ อิเล็กตรอนอิสระภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายนอกสามารถเคลื่อนที่ในคริสตัลได้ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า การดึงอิเล็กตรอนออกจากเปลือกนอกของอะตอมตัวใดตัวหนึ่งของโครงตาข่ายคริสตัลจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอะตอมนี้ให้เป็นไอออนบวก ไอออนนี้สามารถทำให้ตัวเองเป็นกลางได้ด้วยการจับอิเล็กตรอนจากอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง นอกจากนี้อันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากอะตอมไปเป็นไอออนบวกทำให้เกิดกระบวนการเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายของสถานที่โดยที่อิเล็กตรอนหายไปเกิดขึ้นในคริสตัล ภายนอกกระบวนการนี้ถูกมองว่าเป็นการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าบวกที่เรียกว่า รู.

เมื่อวางคริสตัลในสนามไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของรูตามลำดับจะเกิดขึ้น - กระแสการนำของรู

ในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติ กระแสไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและรูที่มีประจุบวกในจำนวนเท่ากัน การนำไฟฟ้าในเซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติเรียกว่าการนำไฟฟ้าภายใน

คุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับปริมาณสิ่งเจือปนเป็นอย่างมาก สิ่งเจือปนมีสองประเภท - ผู้บริจาคและผู้รับ

สิ่งเจือปนที่บริจาคอิเล็กตรอนและสร้างการนำไฟฟ้าเรียกว่า ผู้บริจาค(สิ่งเจือปนที่มีเวเลนซ์มากกว่าเซมิคอนดักเตอร์หลัก) สารกึ่งตัวนำที่ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนเกินความเข้มข้นของรูเรียกว่าสารกึ่งตัวนำชนิด n

สิ่งเจือปนที่จับอิเล็กตรอนและทำให้เกิดรูเคลื่อนที่โดยไม่เพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าเรียกว่า ผู้ยอมรับ(สิ่งเจือปนที่มีวาเลนซีน้อยกว่าเซมิคอนดักเตอร์หลัก)

ที่อุณหภูมิต่ำ พาหะกระแสหลักในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความไม่บริสุทธิ์ของตัวรับคือรู ไม่ใช่พาหะหลัก - อิเล็กตรอน 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)

บทเรียนที่ 41-169 ไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ ไดโอดสารกึ่งตัวนำ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์.

เซมิคอนดักเตอร์เป็นสารที่ความต้านทานสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในช่วงกว้างและลดลงอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่าค่าการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น พบได้ในซิลิคอน เจอร์เมเนียม ซีลีเนียม และในสารประกอบบางชนิด

กลไกการนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ

ผลึกเซมิคอนดักเตอร์มีตาข่ายคริสตัลอะตอมที่อิเล็กตรอนชั้นนอกถูกพันธะกับอะตอมข้างเคียงด้วยพันธะโควาเลนต์ ที่อุณหภูมิต่ำ เซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์จะไม่มีอิเล็กตรอนอิสระและมีพฤติกรรมเหมือนฉนวน หากเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์ (ไม่มีสิ่งเจือปน) แสดงว่ามีค่าการนำไฟฟ้าของตัวเอง (เล็ก)

การนำไฟฟ้าภายในมีสองประเภท:

1) อิเล็กทรอนิกส์ (การนำไฟฟ้า " ป“-type) ที่อุณหภูมิต่ำในเซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กตรอนทั้งหมดจะสัมพันธ์กับนิวเคลียสและมีความต้านทานสูง เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์ของอนุภาคจะเพิ่มขึ้น พันธะแตกตัวและมีอิเล็กตรอนอิสระปรากฏขึ้น ความต้านทานจะลดลง

อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ตรงข้ามกับเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้า ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์เกิดจากการมีอิเล็กตรอนอิสระ

2) รู (การนำไฟฟ้าชนิด p) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พันธะโควาเลนต์ระหว่างเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะถูกทำลาย และช่องว่างที่มีอิเล็กตรอนหายไปเรียกว่า "รู" เกิดขึ้น มันสามารถเคลื่อนที่ได้ทั่วคริสตัลเพราะว่า ตำแหน่งของมันสามารถถูกแทนที่ด้วยวาเลนซ์อิเล็กตรอน การย้าย "รู" เทียบเท่ากับการเคลื่อนย้ายประจุบวก รูจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางของเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้า

การแตกของพันธะโควาเลนต์และการเกิดขึ้นของค่าการนำไฟฟ้าภายในในเซมิคอนดักเตอร์อาจเกิดจากความร้อน แสง (โฟโตคอนดักเตอร์) และการกระทำของสนามไฟฟ้าแรงสูง

การพึ่งพา R(t): เทอร์มิสเตอร์

— การวัดระยะไกล t;

- สัญญาณเตือนไฟไหม้

การพึ่งพา R ต่อการส่องสว่าง: โฟโตรีซีสเตอร์ - รีเลย์ภาพถ่าย - สวิตช์ฉุกเฉิน

ค่าการนำไฟฟ้ารวมของเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์คือผลรวมของค่าการนำไฟฟ้าประเภท "p" และ "n" และเรียกว่าการนำไฟฟ้าแบบรูอิเล็กตรอน

สารกึ่งตัวนำที่มีสิ่งเจือปน

พวกมันมีค่าการนำไฟฟ้าจากภายในและไม่บริสุทธิ์ การมีสิ่งเจือปนช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าได้อย่างมาก เมื่อความเข้มข้นของสิ่งเจือปนเปลี่ยนแปลง จำนวนพาหะของกระแสไฟฟ้า—อิเล็กตรอนและรู—จะเปลี่ยนไป ความสามารถในการควบคุมกระแสไฟฟ้ารองรับการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์อย่างแพร่หลาย มีสิ่งสกปรกดังต่อไปนี้:

1) สิ่งเจือปนของผู้บริจาค (การบริจาค) - เป็นส่วนเพิ่มเติม

ผู้จัดหาอิเล็กตรอนให้กับคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ บริจาคอิเล็กตรอนได้อย่างง่ายดาย และเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนอิสระในเซมิคอนดักเตอร์ เหล่านี้เป็นตัวนำประเภท "n" เช่น เซมิคอนดักเตอร์ที่มีสิ่งเจือปนจากผู้บริจาค โดยที่ตัวพาประจุส่วนใหญ่เป็นอิเล็กตรอน และตัวพาประจุส่วนน้อยคือรู เซมิคอนดักเตอร์ดังกล่าวมีค่าการนำไฟฟ้าเจือปน (เช่นสารหนู)

2) สิ่งเจือปนของตัวรับ (ตัวรับ) สร้าง "รู" โดยการนำอิเล็กตรอนเข้าไปในตัวมันเอง เหล่านี้คือเซมิคอนดักเตอร์ประเภท "p" เช่น เซมิคอนดักเตอร์ที่มีตัวรับสิ่งเจือปน โดยมีตัวพาประจุหลักอยู่

รูและส่วนน้อยคืออิเล็กตรอน สารกึ่งตัวนำดังกล่าวมี

การนำสิ่งเจือปนของรู (ตัวอย่าง - อินเดียม)

คุณสมบัติทางไฟฟ้า "p-n » การเปลี่ยนผ่าน

รอยต่อ “pn” (หรือรอยต่อรูอิเล็กตรอน) คือพื้นที่สัมผัสกันของสารกึ่งตัวนำสองตัวโดยที่ค่าการนำไฟฟ้าเปลี่ยนจากอิเล็กทรอนิกส์เป็นรู (หรือกลับกัน)

บริเวณดังกล่าวสามารถสร้างขึ้นได้ในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์โดยการแนะนำสิ่งเจือปน ในบริเวณสัมผัสกันของเซมิคอนดักเตอร์สองตัวที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน จะเกิดการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนและรูซึ่งกันและกัน และจะเกิดสิ่งกีดขวางที่กั้นไว้

ชั้นไฟฟ้า สนามไฟฟ้าของชั้นกั้นป้องกัน

การเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมของอิเล็กตรอนและรูข้ามขอบเขต ชั้นปิดกั้นมีความต้านทานเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับพื้นที่อื่นๆ ของเซมิคอนดักเตอร์

สนามไฟฟ้าภายนอกส่งผลต่อความต้านทานของชั้นกั้น ในทิศทางไปข้างหน้า (ผ่าน) ของสนามไฟฟ้าภายนอก กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านขอบเขตของสารกึ่งตัวนำสองตัว เพราะ อิเล็กตรอนและรูจะเคลื่อนที่เข้าหากันไปยังส่วนต่อประสาน จากนั้นอิเล็กตรอน

ข้ามเขตแดนก็อุดช่องโหว่ ความหนาของชั้นกั้นและความต้านทานลดลงอย่างต่อเนื่อง

ด้วยการปิดกั้น (ทิศทางย้อนกลับของสนามไฟฟ้าภายนอก) กระแสไฟฟ้าจะไม่ผ่านพื้นที่สัมผัสของเซมิคอนดักเตอร์สองตัว เพราะ อิเล็กตรอนและรูเคลื่อนที่จากขอบเขตไปในทิศทางตรงกันข้าม จากนั้นจึงไปเป็นชั้นปิดกั้น

หนาขึ้นความต้านทานเพิ่มขึ้น

ดังนั้นการเปลี่ยนผ่านของหลุมอิเล็กตรอนจึงมีการนำไฟฟ้าทางเดียว

ไดโอดสารกึ่งตัวนำ- สารกึ่งตัวนำที่มีจุดเชื่อมต่อ "p-n" หนึ่งจุด

ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์เป็นองค์ประกอบหลักของวงจรเรียงกระแสไฟ AC

เมื่อใช้สนามไฟฟ้า: ในทิศทางเดียวความต้านทานของเซมิคอนดักเตอร์จะสูง ในทิศทางตรงกันข้ามความต้านทานจะต่ำ

ทรานซิสเตอร์(จาก คำภาษาอังกฤษถ่ายโอน - ถ่ายโอน, ตัวต้านทาน - ความต้านทาน)

ลองพิจารณาทรานซิสเตอร์ประเภทหนึ่งที่ทำจากเจอร์เมเนียมหรือซิลิคอนโดยมีสิ่งเจือปนจากผู้บริจาคและผู้รับ การกระจายตัวของสารเจือปนทำให้ชั้นเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n บางมาก (ตามลำดับหลายไมโครเมตร) ถูกสร้างขึ้นระหว่างสองชั้นของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p สองชั้น (ดูรูป)

ชั้นบางๆ นี้เรียกว่า พื้นฐานหรือ ฐาน.ทั้งสองก่อตัวขึ้นในคริสตัล ร-n ทางแยกซึ่งมีทิศทางตรงซึ่งอยู่ตรงข้ามกัน เทอร์มินัลสามตัวจากพื้นที่ที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกันช่วยให้คุณสามารถรวมทรานซิสเตอร์ในวงจรที่แสดงในรูป เมื่อเปิดสวิตช์นี้ด้านซ้าย ร-n -การเปลี่ยนแปลงคือ โดยตรงและแยกฐานออกจากบริเวณด้วยค่าการนำไฟฟ้าชนิด p เรียกว่า ตัวส่งถ้าไม่มีสิทธิ ร-n ทางแยกในวงจรอิมิตเตอร์ - ฐานจะมีกระแสไฟฟ้าขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งกำเนิด (แบตเตอรี่ B1และแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ) และความต้านทานของวงจร รวมถึงความต้านทานต่ำของจุดเชื่อมต่อฐานตัวปล่อยโดยตรง

แบตเตอรี่ บี2เปิดเพื่อให้ถูกต้อง รจุดเชื่อมต่อ -n ในวงจร (ดูรูป) คือ ย้อนกลับโดยแยกฐานออกจากบริเวณที่ถูกต้องด้วยการนำไฟฟ้าชนิด p เรียกว่า นักสะสมถ้ามันไม่เหลือ ร-n ชุมทาง กระแสไฟฟ้าในวงจรสะสมจะใกล้เคียงกับศูนย์เนื่องจาก

ความต้านทานของจุดเชื่อมต่อแบบย้อนกลับนั้นสูงมาก หากมีกระแสไฟเข้าทางด้านซ้าย ร-n ทางแยก กระแสจะปรากฏในวงจรสะสม และกระแสในตัวสะสมจะน้อยกว่ากระแสในตัวส่งเพียงเล็กน้อยเท่านั้น (หากใช้แรงดันลบกับตัวปล่อย จากนั้นทางซ้าย ร-n-junction จะย้อนกลับและจะไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจรตัวปล่อยและในวงจรตัวรวบรวม) เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นระหว่างตัวปล่อยและฐาน พาหะส่วนใหญ่ของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p - รูจะทะลุเข้าไปในฐาน ซึ่งพวกมันเป็นพาหะส่วนน้อยอยู่แล้ว เนื่องจากความหนาของฐานมีขนาดเล็กมากและจำนวนพาหะส่วนใหญ่ (อิเล็กตรอน) ในนั้นมีขนาดเล็ก รูที่เข้าไปข้างในนั้นแทบจะไม่รวมกัน (อย่ารวมตัวกันใหม่) กับอิเล็กตรอนของฐานและเจาะเข้าไปในตัวสะสมเนื่องจาก เพื่อการแพร่กระจาย ขวา รทางแยก -n ปิดอยู่กับพาหะประจุหลักของเบส - อิเล็กตรอน แต่ไม่ใช่กับรู รูในท่อร่วมไอดีถูกพัดพาออกไป สนามไฟฟ้าและปิดวงจร ความแรงของกระแสที่แตกแขนงเข้าสู่วงจรตัวปล่อยจากฐานมีขนาดเล็กมาก เนื่องจากพื้นที่หน้าตัดของฐานในระนาบแนวนอน (ดูรูปด้านบน) มีขนาดเล็กกว่าหน้าตัดในระนาบแนวตั้งมาก

กระแสในตัวสะสมซึ่งเกือบเท่ากับกระแสในตัวปล่อย เปลี่ยนแปลงไปพร้อมกับกระแสในตัวปล่อย ตัวต้านทานอาร์ มีผลเพียงเล็กน้อยต่อกระแสสะสม และความต้านทานนี้สามารถทำให้มีขนาดค่อนข้างใหญ่ โดยการควบคุมกระแสอิมิตเตอร์โดยใช้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่เชื่อมต่อกับวงจร เราได้รับการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบซิงโครนัสทั่วตัวต้านทาน R .

ด้วยความต้านทานของตัวต้านทานขนาดใหญ่ การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าทั่วทั้งตัวต้านทานนั้นอาจมากกว่าการเปลี่ยนแปลงของแรงดันสัญญาณในวงจรตัวปล่อยสัญญาณหลายหมื่นเท่า นี่หมายถึงความตึงเครียดที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นที่โหลด R เป็นไปได้ที่จะรับสัญญาณไฟฟ้าที่มีกำลังมากกว่ากำลังที่เข้าสู่วงจรตัวส่งสัญญาณหลายเท่า

การประยุกต์ใช้ทรานซิสเตอร์คุณสมบัติ ร-n ทางแยกในเซมิคอนดักเตอร์ใช้เพื่อขยายและสร้างการสั่นทางไฟฟ้า