Odată cu creșterea temperaturii, rezistența unui semiconductor. Ce sunt semiconductorii? Rezistenta semiconductoare

2. Cum depinde rezistivitatea unui conductor de temperatura acestuia? În ce unități se măsoară coeficientul de temperatură al rezistenței?

3. Cum se poate explica dependența liniară a rezistivității conductorului de temperatură?

4. De ce scade rezistivitatea semiconductorilor odata cu cresterea temperaturii?

5. Descrieţi procesul conducţiei intrinseci în semiconductori.

Particulele conductoare (molecule, atomi, ioni) care nu participă la formarea curentului sunt în mișcare termică, iar particulele care formează curentul sunt simultan în mișcări termice și direcționale sub acțiunea unui câmp electric. Din acest motiv, se produc numeroase ciocniri între particulele care formează curentul și particulele care nu participă la formarea acestuia, în care primele dau o parte din energia sursei de curent transferată de ele celor din urmă. Cu cât sunt mai multe ciocniri, cu atât viteza de mișcare ordonată a particulelor care formează curentul este mai mică. După cum se vede din formulă I = enνS, reducerea vitezei duce la o scădere a puterii curentului. Se numește mărimea scalară care caracterizează proprietatea unui conductor de a reduce puterea curentului rezistența conductorului. Din formula rezistenței legii lui Ohm Ohm - rezistența conductorului, în care curentul se obține cu o forță de 1 a la o tensiune la capetele conductorului în 1 v.

Rezistența unui conductor depinde de lungimea lui l, de secțiunea transversală S și de material, care se caracterizează prin rezistivitate Cu cât conductorul este mai lung, cu atât mai mult pe unitatea de timp sunt ciocnirile particulelor care formează curent cu particulele care nu participă la formarea acestuia și, prin urmare, cu atât rezistența conductorului este mai mare. Cu cât secțiunea transversală a conductorului este mai mică, cu atât fluxul de particule care formează curentul este mai dens și cu atât mai des se ciocnesc cu particule care nu participă la formarea acestuia și, prin urmare, cu atât rezistența conductorului este mai mare.

Sub acțiunea unui câmp electric, particulele care formează curentul se mișcă cu o rată accelerată între ciocniri, crescându-și energia cinetică datorită energiei câmpului. Când se ciocnesc cu particule care nu formează curent, acestea le transferă o parte din energia lor cinetică. Ca urmare, energia internă a conductorului crește, care se manifestă extern prin încălzirea acestuia. Luați în considerare dacă rezistența conductorului se modifică atunci când este încălzit.

În circuitul electric există o bobină de sârmă de oțel (șir, Fig. 81, a). După ce am închis circuitul, vom începe să încălzim firul. Cu cât îl încălzim mai mult, cu atât ampermetrul arată mai puțin curent. Scăderea acestuia vine din faptul că atunci când metalele sunt încălzite, rezistența lor crește. Deci, rezistența unui fir de păr al unui bec atunci când nu este aprins este de aproximativ 20 ohmi, iar când arde (2900° C) - 260 ohmi. Când un metal este încălzit, mișcarea termică a electronilor și viteza de oscilație a ionilor din rețeaua cristalină cresc, drept urmare numărul de ciocniri de electroni care formează un curent cu ionii crește. Acest lucru determină o creștere a rezistenței conductorului *. În metale, electronii neliberi sunt legați foarte puternic de ioni; prin urmare, atunci când metalele sunt încălzite, numărul de electroni liberi practic nu se modifică.

* (Pe baza teoriei electronice, este imposibil de derivat legea exactă a dependenței rezistenței de temperatură. O astfel de lege este stabilită de teoria cuantică, în care un electron este considerat o particulă cu proprietăți de undă, iar mișcarea unui electron de conducere printr-un metal este considerată ca un proces de propagare a undelor de electroni, a cărui lungime este determinată de relația de Broglie.)

Experimentele arată că atunci când temperatura conductoarelor din diferite substanțe se modifică cu același număr de grade, rezistența acestora se modifică inegal. De exemplu, dacă un conductor de cupru avea o rezistență 1 ohm, apoi după încălzire 1°С el va rezista 1.004 ohmiși tungsten - 1.005 ohmi. Pentru a caracteriza dependența rezistenței conductorului de temperatura sa, a fost introdusă o mărime numită coeficient de temperatură al rezistenței. Valoarea scalară măsurată prin modificarea rezistenței unui conductor de 1 ohm, luată la 0 ° C, de la o modificare a temperaturii acestuia cu 1 ° C, se numește coeficient de temperatură al rezistenței α. Deci, pentru wolfram, acest coeficient este egal cu 0,005 grade -1, pentru cupru - 0,004 grade -1. Coeficientul de temperatură de rezistență depinde de temperatură. Pentru metale, se schimbă puțin cu temperatura. Cu un interval mic de temperatură, este considerat constant pentru un anumit material.

Deducem formula prin care se calculează rezistența conductorului ținând cont de temperatura acestuia. Să presupunem că R0- rezistenta conductorului la 0°C, când este încălzit la 1°С va creste cu αR 0, iar când este încălzit la t°- pe αRt° si devine R = R0 + aR0 t°, sau

Dependența rezistenței metalelor de temperatură este luată în considerare, de exemplu, la fabricarea spiralelor pentru încălzitoare electrice, lămpi: lungimea firului spiralat și puterea admisibilă a curentului sunt calculate din rezistența lor în stare încălzită. Dependența rezistenței metalelor de temperatură este folosită în termometrele de rezistență, care sunt utilizate pentru măsurarea temperaturii motoarelor termice, turbinelor cu gaz, metalului din furnalele, etc. Acest termometru este format dintr-o spirală subțire de platină (nichel, fier) pe un cadru de porțelan și plasat într-o carcasă de protecție. Capetele sale sunt conectate la un circuit electric cu un ampermetru, a cărui scară este gradată în grade de temperatură. Când bobina este încălzită, curentul din circuit scade, acest lucru face ca acul ampermetrului să se miște, ceea ce indică temperatura.

Se numește inversul rezistenței unei secțiuni date, circuit conductivitatea electrică a conductorului(conductivitate electrică). Conductivitatea electrică a conductorului Cu cât conductivitatea conductorului este mai mare, cu atât rezistența acestuia este mai mică și conduce mai bine curentul. Denumirea unității de conductivitate electrică Conductibilitatea rezistenței conductorului 1 ohm numit Siemens.

Pe măsură ce temperatura scade, rezistența metalelor scade. Dar există metale și aliaje, a căror rezistență, la o temperatură scăzută determinată pentru fiecare metal și aliaj, scade brusc și devine extrem de mică - practic egală cu zero (Fig. 81, b). Venire supraconductivitate- conductorul nu are practic nicio rezistență, iar odată ce curentul excitat în el există de mult timp, în timp ce conductorul se află la temperatura de supraconductivitate (într-unul dintre experimente, curentul a fost observat mai mult de un an). Când un curent trece printr-un supraconductor cu o densitate 1200 a/mm 2 nu s-a observat degajare de căldură. Metalele monovalente, care sunt cele mai bune conductoare de curent, nu trec în starea supraconductoare până la temperaturile extrem de scăzute la care au fost efectuate experimentele. De exemplu, în aceste experimente, cuprul a fost răcit la 0,0156°K, aur – înainte 0,0204° K. Dacă ar fi posibil să se obțină aliaje cu supraconductivitate la temperaturi obișnuite, atunci acest lucru ar fi de mare importanță pentru inginerie electrică.

Conform conceptelor moderne, principala cauză a supraconductivității este formarea perechilor de electroni legați. La temperatura de supraconductivitate, forțele de schimb încep să acționeze între electronii liberi, determinând electronii să formeze perechi de electroni legați. Un astfel de gaz de electroni de perechi de electroni legați are proprietăți diferite decât gazul de electroni obișnuit - se mișcă într-un supraconductor fără frecare împotriva nodurilor rețelei cristaline.

În practica sa, fiecare electrician întâlnește condiții diferite pentru trecerea purtătorilor de sarcină în metale, semiconductori, gaze și lichide. Mărimea curentului este afectată de rezistența electrică, care variază în diferite moduri sub influența mediului.

Unul dintre acești factori este efectul temperaturii. Deoarece schimbă semnificativ condițiile de curgere a curentului, este luat în considerare de proiectanți în producția de echipamente electrice. Personalul electric implicat în întreținerea și exploatarea instalațiilor electrice trebuie să utilizeze în mod competent aceste caracteristici în lucrările practice.

Efectul temperaturii asupra rezistenței electrice a metalelor

Într-un curs de fizică școlară, se propune efectuarea unui astfel de experiment: luați un ampermetru, o baterie, o bucată de sârmă, fire de conectare și un arzător. În loc de un ampermetru cu baterie, puteți conecta un ohmmetru sau puteți utiliza modul său într-un multimetru.

Acum aducem flacăra arzătorului pe fir și începem să-l încălzim. Dacă te uiți la ampermetru, vei vedea că săgeata se va deplasa spre stânga și va ajunge în poziția marcată cu roșu.

Rezultatul experimentului demonstrează că atunci când metalele sunt încălzite, conductivitatea lor scade, iar rezistența crește.

Justificarea matematică a acestui fenomen este dată de formulele din imagine. Expresia inferioară arată clar că rezistența electrică „R” a unui conductor metalic este direct proporțională cu temperatura sa „T” și depinde de mai mulți parametri.

Cum încălzirea metalelor limitează curentul electric în practică

Lămpi cu incandescență

În fiecare zi, când iluminatul este aprins, ne întâlnim cu manifestarea acestei proprietăți în lămpi cu incandescență. Vom efectua măsurători simple pe un bec cu o putere de 60 wați.

Cu cel mai simplu ohmmetru, alimentat de o baterie de joasă tensiune de 4,5 V, măsurăm rezistența dintre contactele bazei și vedem valoarea de 59 ohmi. Această valoare este deținută de un filament în stare rece.

Înșurubam becul în cartuș și prin ampermetru conectăm la acesta tensiunea rețelei de acasă de 220 de volți. Acul ampermetrului va indica 0,273 amperi. Să determinăm rezistența filamentului în stare încălzită. Acesta va fi de 896 ohmi și va depăși citirea anterioară a ohmmetrului de 15,2 ori.

Un astfel de exces protejează metalul corpului de căldură de ardere și distrugere, asigurând performanța sa pe termen lung sub tensiune.

Tranzitorii de pornire

Când filamentul este în funcțiune, pe acesta se creează un echilibru termic între încălzirea de la curentul electric care trece și îndepărtarea unei părți din căldură în mediu. Dar, în stadiul inițial de pornire, atunci când se aplică tensiune, apar tranzitorii care creează un curent de pornire, care poate duce la arderea filamentului.

Procesele tranzitorii au loc într-un timp scurt și sunt cauzate de faptul că rata de creștere a rezistenței electrice de la încălzirea metalului nu ține pasul cu creșterea curentului. După finalizarea lor, modul de funcționare este setat.

În timpul unei străluciri lungi a lămpii, grosimea filamentului său atinge treptat o stare critică, ceea ce duce la ardere. Cel mai adesea, acest moment apare la următoarea nouă includere.

Pentru a prelungi durata de viață a lămpii, acest curent de pornire este redus în diferite moduri, folosind:

1. dispozitive care asigură alimentarea lină și eliminarea tensiunii;

2. circuite de conectare a rezistențelor, semiconductoarelor sau termistoarelor (termistoarelor) în serie la filament.

Un exemplu de una dintre modalitățile de limitare a curentului de pornire pentru luminile auto este prezentat în imaginea de mai jos.

Aici, curentul este furnizat becului după pornirea comutatorului SA prin siguranța FU și este limitat de rezistența R, a cărei valoare este selectată astfel încât creșterea curentului în timpul tranzitorii să nu depășească valoarea nominală.

Când filamentul este încălzit, rezistența acestuia crește, ceea ce duce la o creștere a diferenței de potențial dintre contactele sale și înfășurarea conectată în paralel a releului KL1. Când tensiunea atinge setarea releului, contactul normal deschis KL1 se închide și oprește rezistența. Curentul de funcționare al modului deja stabilit va începe să curgă prin bec.

Efectul temperaturii metalului asupra rezistenței sale electrice este utilizat în operarea instrumentelor de măsură. Ei sunt numiti, cunoscuti .

Elementul lor sensibil este realizat dintr-un fir metalic subțire, a cărui rezistență este măsurată cu atenție la anumite temperaturi. Acest filet este montat într-o carcasă cu proprietăți termice stabile și acoperit cu un capac de protecție. Structura creată este plasată într-un mediu a cărui temperatură trebuie monitorizată constant.

Firele circuitului electric sunt montate pe bornele elementului sensibil, cu care este conectat circuitul de măsurare a rezistenței. Valoarea sa este convertită în valori de temperatură pe baza calibrării instrumentului efectuată anterior.

Baretter - stabilizator de curent

Acesta este numele unui dispozitiv constând dintr-un cilindru de sticlă sigilat cu hidrogen gazos și o spirală de sârmă metalică din fier, wolfram sau platină. Acest design seamănă cu un bec incandescent, dar are o caracteristică specifică volt-amperi neliniară.

Pe CVC, într-un anumit interval, se formează o zonă de lucru, care nu depinde de fluctuațiile tensiunii aplicate corpului de încălzire. În această secțiune, barterul compensează bine ondulațiile de putere și funcționează ca un stabilizator de curent pe o sarcină conectată în serie la acesta.

Funcționarea barterului se bazează pe proprietatea inerției termice a filamentului, care este asigurată de secțiunea transversală mică a filamentului și de conductibilitatea termică ridicată a hidrogenului care îl înconjoară. Din acest motiv, atunci când tensiunea de pe dispozitiv scade, îndepărtarea căldurii din firul său este accelerată.

Aceasta este principala diferență dintre lămpile de barter și cele cu incandescență, în care, pentru a menține luminozitatea strălucirii, ele caută să reducă pierderea de căldură convectivă din filament.

Supraconductivitate

În condiții normale de mediu, atunci când un conductor metalic este răcit, rezistența sa electrică scade.

Când se atinge temperatura critică, aproape de zero grade conform sistemului de măsurare Kelvin, are loc o scădere bruscă a rezistenței la zero. Imaginea din dreapta arată o astfel de dependență de mercur.

Acest fenomen, numit supraconductivitate, este considerat un domeniu promițător pentru cercetare pentru a crea materiale care pot reduce semnificativ pierderile de energie electrică în timpul transmiterii acesteia pe distanțe lungi.

Cu toate acestea, studiile în curs de desfășurare ale supraconductivității au relevat o serie de regularități atunci când alți factori influențează rezistența electrică a unui metal situat în regiunea temperaturilor critice. În special, în timpul trecerii unui curent alternativ cu o creștere a frecvenței oscilațiilor sale, apare rezistență, a cărei valoare atinge intervalul de valori obișnuite pentru armonici cu o perioadă de unde luminoase.

Efectul temperaturii asupra rezistenței/conductivității electrice a gazelor

Gazele și aerul obișnuit sunt dielectrice și nu conduc electricitatea. Pentru formarea sa, sunt necesari purtători de sarcină, care sunt ioni formați ca urmare a unor factori externi.

Încălzirea poate provoca ionizarea și mișcarea ionilor de la un pol al mediului la altul. Acest lucru poate fi verificat printr-un experiment simplu. Să luăm același echipament care a fost folosit pentru a determina efectul încălzirii asupra rezistenței unui conductor metalic, doar că în loc de un fir, conectăm două plăci metalice separate prin spațiu de aer la fire.

Un ampermetru conectat la circuit va indica absența curentului. Dacă între plăci este plasată o flacără a arzătorului, săgeata dispozitivului se va abate de la zero și va arăta valoarea curentului care trece prin mediul gazos.

Astfel, s-a stabilit că ionizarea are loc în gaze în timpul încălzirii, ducând la mișcarea particulelor încărcate electric și la scăderea rezistenței mediului.

Valoarea curentului este afectată de puterea sursei externe de tensiune aplicată și de diferența de potențial dintre contactele acesteia. Este capabil să străpungă stratul izolator de gaze la valori mari. O manifestare caracteristică a unui astfel de caz în natură este descărcarea naturală a fulgerelor în timpul unei furtuni.

O vedere aproximativă a caracteristicii curent-tensiune a fluxului de curent în gaze este prezentată în grafic.

În stadiul inițial, sub acțiunea temperaturii și a diferenței de potențial, se observă o creștere a ionizării și trecerea curentului aproximativ după o lege liniară. Curba devine apoi orizontală atunci când creșterea tensiunii nu provoacă o creștere a curentului.

A treia etapă de defalcare are loc atunci când energia ridicată a câmpului aplicat accelerează ionii, astfel încât aceștia încep să se ciocnească de molecule neutre, formând masiv din ei noi purtători de sarcină. Ca urmare, curentul crește brusc, formând o defalcare a stratului dielectric.

Utilizarea practică a conductibilității gazelor

Fenomenul de curgere a curentului prin gaze este utilizat în lămpile electronice și lămpile fluorescente.

Pentru a face acest lucru, doi electrozi sunt plasați în interiorul unui cilindru de sticlă sigilat cu un gaz inert:

1. anod;

2. catod.

Într-o lampă fluorescentă, acestea sunt realizate sub formă de filamente, care sunt încălzite atunci când sunt pornite pentru a crea o emisie termoionică. Suprafața interioară a balonului este acoperită cu un strat de fosfor. Emite spectrul de lumină pe care îl vedem, care este format din radiația infraroșie provenită din vaporii de mercur bombardați de un flux de electroni.

Curentul de descărcare în gaz apare atunci când între electrozii aflați la diferite capete ale becului se aplică o tensiune de o anumită valoare.

Când unul dintre filamente se arde, atunci emisia de electroni va fi perturbată pe acest electrod și lampa nu se va arde. Cu toate acestea, dacă diferența de potențial dintre catod și anod este crescută, atunci va apărea din nou o descărcare de gaz în interiorul becului și strălucirea fosforului va relua.

Acest lucru vă permite să utilizați becuri LED cu filamente rupte și să prelungiți durata de viață a acestora. Trebuie reținut doar că în acest caz este necesară creșterea tensiunii de pe acesta de mai multe ori, iar acest lucru crește semnificativ consumul de energie și riscurile de utilizare în siguranță.

Efectul temperaturii asupra rezistenței electrice a lichidelor

Trecerea curentului în lichide este creată în principal din cauza mișcării cationilor și anionilor sub acțiunea unui câmp electric aplicat extern. Doar o mică parte din conductivitate este furnizată de electroni.

Efectul temperaturii asupra valorii rezistenței electrice a electrolitului lichid este descris de formula prezentată în imagine. Deoarece valoarea coeficientului de temperatură α din acesta este întotdeauna negativă, atunci odată cu creșterea încălzirii, conductivitatea crește, iar rezistența scade așa cum se arată în grafic.

Acest fenomen trebuie luat în considerare la încărcarea bateriilor lichide auto (și nu numai).

Influența temperaturii asupra rezistenței electrice a semiconductorilor

Modificarea proprietăților materialelor semiconductoare sub influența temperaturii a făcut posibilă utilizarea acestora ca:

rezistenta termica;

termoelemente;

frigidere;

încălzitoare.

Termistori

Acest nume se referă la dispozitivele semiconductoare care își schimbă rezistența electrică sub influența căldurii. Sunt mult mai mari decât cele ale metalelor.

Valoarea TCR pentru semiconductori poate fi pozitivă sau negativă. Conform acestui parametru, ele sunt împărțite în termistori „RTS” pozitivi și negativi „NTC”. Au caracteristici diferite.

Pentru funcționarea termistorului, este selectat unul dintre punctele caracteristicii curent-tensiune:

secțiunea liniară este utilizată pentru a controla temperatura sau a compensa curenții sau tensiunile în schimbare;

ramura descendentă a CVC pentru elemente cu TCS

Utilizarea unui termistor releu este convenabilă pentru monitorizarea sau măsurarea proceselor de radiație electromagnetică care apar la frecvențele microundelor. Acest lucru a asigurat utilizarea lor în sisteme:

1. controlul căldurii;

2. alarma de incendiu;

3. controlul fluxului de medii și lichide în vrac.

Termistorii de siliciu cu TCR>0 mic sunt utilizați în sistemele de răcire și stabilizarea temperaturii tranzistoarelor.

termoelemente

Acești semiconductori funcționează pe baza fenomenului Seebeck: atunci când locul de lipit a două metale disparate este încălzit, apare o fem la joncțiunea unui circuit închis. În acest fel, ele transformă energia termică în electricitate.

Proiectarea a două astfel de elemente se numește termocuplu. Eficiența sa este în intervalul 7÷10%.

Elementele termice sunt utilizate în contoarele de temperatură ale dispozitivelor de calcul digitale care necesită dimensiuni miniaturale și precizie ridicată a citirilor, precum și surse de curent cu putere redusă.

Incalzitoare si frigidere cu semiconductori

Acestea funcționează prin reutilizarea termocuplurilor prin care trece curentul electric. În acest caz, într-un loc al joncțiunii este încălzit, iar în locul opus este răcit.

Joncțiunile semiconductoare pe bază de seleniu, bismut, antimoniu, teluriu fac posibilă asigurarea unei diferențe de temperatură în termoelement de până la 60 de grade. Acest lucru a făcut posibilă crearea unui design al unui frigider din semiconductori cu o temperatură în camera de răcire de până la -16 grade.

Care sunt caracteristicile sale? Care este fizica semiconductorilor? Cum sunt construite? Ce este conductivitatea semiconductorului? Ce proprietăți fizice au?

Ce este un semiconductor?

Aceasta se referă la materiale cristaline care nu conduc electricitatea la fel de bine ca metalele. Dar totuși, acest indicator este mai bun decât izolatoarele. Asemenea caracteristici se datorează numărului de operatori de telefonie mobilă. În general, există un atașament puternic față de nuclee. Dar atunci când în conductor sunt introduși mai mulți atomi, de exemplu, antimoniul, care are un exces de electroni, această situație va fi corectată. La utilizarea indiului se obțin elemente cu sarcină pozitivă. Toate aceste proprietăți sunt utilizate pe scară largă în tranzistoare - dispozitive speciale care pot amplifica, bloca sau trece curentul într-o singură direcție. Dacă luăm în considerare un element de tip NPN, atunci putem observa un rol semnificativ de amplificare, care este deosebit de important atunci când se transmit semnale slabe.

Caracteristici de design posedate de semiconductori electrici

Conductorii au mulți electroni liberi. Izolatoarele practic nu le posedă deloc. Semiconductorii, pe de altă parte, conțin atât o anumită cantitate de electroni liberi, cât și goluri cu sarcină pozitivă, care sunt gata să primească particulele eliberate. Și cel mai important, toate conduc.Tipul de tranzistor NPN discutat mai devreme nu este singurul element semiconductor posibil. Deci, există și tranzistori PNP, precum și diode.

Dacă vorbim despre acesta din urmă pe scurt, atunci acesta este un astfel de element care poate transmite semnale într-o singură direcție. De asemenea, o diodă poate transforma curentul alternativ în curent continuu. Care este mecanismul unei astfel de transformări? Și de ce se mișcă într-o singură direcție? În funcție de unde provine curentul, electronii și golurile pot fie să diverge, fie să se îndrepte unul spre celălalt. În primul caz, din cauza creșterii distanței, alimentarea este întreruptă și, prin urmare, transferul purtătorilor de tensiune negativă se efectuează numai într-o singură direcție, adică conductivitatea semiconductorilor este unilaterală. La urma urmei, curentul poate fi transmis numai dacă particulele constitutive sunt în apropiere. Și acest lucru este posibil numai atunci când curentul este aplicat dintr-o parte. Aceste tipuri de semiconductori există și sunt utilizate în prezent.

Structura benzii

Proprietățile electrice și optice ale conductorilor sunt legate de faptul că, atunci când nivelurile de energie sunt umplute cu electroni, acestea sunt separate de stările posibile printr-o bandă interzisă. Care sunt trăsăturile ei? Faptul este că nu există niveluri de energie în band gap. Cu ajutorul impurităților și a defectelor structurale, aceasta poate fi schimbată. Cea mai înaltă bandă complet umplută se numește bandă de valență. Apoi urmează permisul, dar gol. Se numește bandă de conducere. Fizica semiconductorilor este un subiect destul de interesant, iar în cadrul articolului va fi bine acoperit.

Starea electronilor

Pentru aceasta se folosesc concepte precum numărul zonei permise și cvasi-impulsul. Structura primului este determinată de legea dispersiei. El spune că este afectat de dependența energiei de cvasi-impuls. Deci, dacă banda de valență este complet umplută cu electroni (care poartă sarcină în semiconductori), atunci ei spun că nu există excitații elementare în ea. Dacă dintr-un motiv oarecare nu există nicio particulă, atunci aceasta înseamnă că aici a apărut o cvasiparticulă încărcată pozitiv - un gol sau o gaură. Sunt purtători de sarcină în semiconductori în banda de valență.

Zone degenerate

Banda de valență într-un conductor tipic este de șase ori degenerată. Acest lucru se întâmplă fără a lua în considerare interacțiunea spin-orbita și numai atunci când cvasi-momentul este zero. Poate fi împărțit în aceeași condiție în benzi degenerate dublu și cvadruplu. Distanța de energie dintre ele se numește energie de scindare spin-orbită.

Impurități și defecte la semiconductori

Ele pot fi inactive sau active din punct de vedere electric. Utilizarea primului face posibilă obținerea unei sarcini pozitive sau negative în semiconductori, care poate fi compensată prin apariția unei găuri în banda de valență sau a unui electron în banda conductivă. Impuritățile inactive sunt neutre și au un efect relativ redus asupra proprietăților electronice. Mai mult decât atât, poate conta adesea ce valență au atomii care participă la procesul de transfer al sarcinii și structura

În funcție de tipul și cantitatea de impurități, se poate modifica și raportul dintre numărul de găuri și electroni. Prin urmare, materialele semiconductoare trebuie întotdeauna selectate cu atenție pentru a obține rezultatul dorit. Acesta este precedat de un număr semnificativ de calcule și ulterior experimente. Particulele care se referă cel mai mult ca purtători majoritari de sarcină sunt non-primare.

Introducerea dozată a impurităților în semiconductori face posibilă obținerea de dispozitive cu proprietățile necesare. Defectele semiconductorilor pot fi, de asemenea, în stare electrică inactivă sau activă. Dislocarea, atomul interstițial și locul liber sunt importante aici. Conductoarele lichide și necristaline reacționează diferit la impurități decât cele cristaline. Absența unei structuri rigide are ca rezultat în cele din urmă faptul că atomul deplasat primește o valență diferită. Va fi diferit de cel cu care își saturează inițial legăturile. Devine neprofitabil ca un atom să dea sau să adauge un electron. În acest caz, devine inactiv și, prin urmare, semiconductorii dopați au șanse mari de defecțiune. Acest lucru duce la faptul că este imposibil să se schimbe tipul de conductivitate cu ajutorul dopajului și să se creeze, de exemplu, o joncțiune p-n.

Unii semiconductori amorfi își pot modifica proprietățile electronice sub influența dopajului. Dar acest lucru se aplică lor într-o măsură mult mai mică decât celor cristaline. Sensibilitatea elementelor amorfe la dopaj poate fi îmbunătățită prin procesare. În cele din urmă, aș dori să remarc că, datorită muncii de lungă durată și asidue, semiconductorii dopați sunt încă reprezentați de o serie de rezultate cu caracteristici bune.

Statistica electronilor într-un semiconductor

Când există, numărul de găuri și electroni este determinat numai de temperatură, parametrii structurii benzii și concentrația de impurități active electric. Când se calculează raportul, se presupune că unele dintre particule vor fi în banda de conducție (la nivel acceptor sau donor). De asemenea, ia în considerare faptul că o parte poate părăsi teritoriul de valență, iar acolo se formează goluri.

Conductivitate electrică

În semiconductori, pe lângă electroni, ionii pot acționa și ca purtători de sarcină. Dar conductivitatea lor electrică în majoritatea cazurilor este neglijabilă. Ca excepție, pot fi citați doar supraconductorii ionici. Există trei mecanisme principale de transfer de electroni în semiconductori:

1. Zona principală. În acest caz, electronul intră în mișcare din cauza unei modificări a energiei sale pe același teritoriu permis.
2. Transfer cu sărituri peste state localizate.
3. Polaron.

exciton

O gaură și un electron pot forma o stare legată. Se numește excitonul Wannier-Mott. În acest caz, care corespunde marginii de absorbție, scade cu dimensiunea legăturii. Cu energie suficientă, în semiconductori se poate forma o cantitate semnificativă de excitoni. Pe măsură ce concentrația lor crește, are loc condensarea și se formează un lichid cu gaură de electroni.

Suprafata semiconductoare

Aceste cuvinte denotă mai multe straturi atomice care sunt situate lângă marginea dispozitivului. Proprietățile suprafeței sunt diferite de proprietățile în vrac. Prezența acestor straturi rupe simetria translațională a cristalului. Acest lucru duce la așa-numitele stări de suprafață și polaritoni. Dezvoltând tema celui din urmă, ar trebui să se informeze și despre spin și undele vibraționale. Datorită activității sale chimice, suprafața este acoperită cu un strat microscopic de molecule străine sau atomi care au fost adsorbiți din mediu. Ele determină proprietățile acelor mai multe straturi atomice. Din fericire, crearea tehnologiei de vid ultra-înalt, în care sunt create elemente semiconductoare, face posibilă obținerea și menținerea unei suprafețe curate timp de câteva ore, ceea ce are un efect pozitiv asupra calității produselor rezultate.

Semiconductor. Temperatura afectează rezistența

Când temperatura metalelor crește, crește și rezistența acestora. Cu semiconductori, opusul este adevărat - în aceleași condiții, acest parametru va scădea pentru ei. Ideea aici este că conductivitatea electrică a oricărui material (și această caracteristică este invers proporțională cu rezistența) depinde de sarcina curentă pe care o au purtătorii, de viteza de mișcare a acestora într-un câmp electric și de numărul lor într-o unitate de volum de materialul.

În elementele semiconductoare, odată cu creșterea temperaturii, concentrația de particule crește, din această cauză conductivitatea termică crește, iar rezistența scade. Puteți verifica acest lucru dacă aveți un set simplu de un tânăr fizician și materialul necesar - siliciu sau germaniu, puteți lua și un semiconductor făcut din ele. O creștere a temperaturii le va reduce rezistența. Pentru a vă asigura de acest lucru, trebuie să vă aprovizionați cu instrumente de măsurare care vă vor permite să vedeți toate modificările. Aceasta este în cazul general. Să ne uităm la câteva opțiuni private.

Rezistenta si ionizare electrostatica

Acest lucru se datorează tunelului electronilor care trec printr-o barieră foarte îngustă care furnizează aproximativ o sutime de micrometru. Este situat între marginile zonelor energetice. Apariția sa este posibilă numai atunci când benzile de energie sunt înclinate, ceea ce are loc numai sub influența unui câmp electric puternic. Când are loc tunelarea (care este un efect mecanic cuantic), atunci electronii trec printr-o barieră îngustă de potențial, iar energia lor nu se schimbă. Aceasta implică o creștere a concentrației purtătorilor de sarcină și în ambele benzi: atât conducție, cât și valență. Dacă se dezvoltă procesul de ionizare electrostatică, atunci poate apărea o defalcare tunelică a semiconductorului. În timpul acestui proces, rezistența semiconductorilor se va modifica. Este reversibil și, de îndată ce câmpul electric este oprit, toate procesele vor fi restabilite.

Rezistență și ionizare la impact

În acest caz, găurile și electronii sunt accelerați în timp ce trec pe calea liberă medie sub influența unui câmp electric puternic la valori care contribuie la ionizarea atomilor și la ruperea uneia dintre legăturile covalente (atomul sau impuritatea principală). ). Ionizarea prin impact are loc ca o avalanșă, iar purtătorii de sarcină se înmulțesc în ea ca o avalanșă. În acest caz, găurile și electronii nou creați sunt accelerați de un curent electric. Valoarea curentului din rezultatul final este înmulțită cu coeficientul de ionizare de impact, care este egal cu numărul de perechi electron-gaură care sunt formate de purtătorul de sarcină într-un segment al căii. Dezvoltarea acestui proces duce în cele din urmă la o defalcare a semiconductorului prin avalanșă. Rezistența semiconductorilor se modifică și ea, dar, ca și în cazul ruperii tunelului, este reversibilă.

Utilizarea semiconductorilor în practică

Importanta deosebita a acestor elemente trebuie remarcata in tehnologiile informatice. Nu avem aproape nicio îndoială că nu ați fi interesat de întrebarea ce sunt semiconductorii, dacă nu ar fi dorința de a asambla independent un obiect folosindu-le. Este imposibil să ne imaginăm funcționarea frigiderelor moderne, televizoarelor, monitoarelor de computer fără semiconductori. Nu te lipsi de ele și de dezvoltarea auto avansată. Ele sunt, de asemenea, utilizate în aviație și în tehnologia spațială. Înțelegi ce sunt semiconductorii, cât de importanți sunt? Desigur, nu se poate spune că acestea sunt singurele elemente de neînlocuit pentru civilizația noastră, dar nici ele nu trebuie subestimate.

Utilizarea semiconductorilor în practică se datorează și unui număr de factori, inclusiv utilizarea pe scară largă a materialelor din care sunt fabricate și ușurința procesării și obținerii rezultatului dorit, precum și altor caracteristici tehnice datorită cărora alegerea oamenilor de știință. care au dezvoltat echipamente electronice s-au stabilit pe ele.

Concluzie

Am examinat în detaliu ce sunt semiconductorii și cum funcționează. Rezistența lor se bazează pe procese fizice și chimice complexe. Și vă putem anunța că faptele descrise în articol nu vor înțelege pe deplin ce sunt semiconductori, pentru simplul motiv că nici măcar știința nu a studiat trăsăturile muncii lor până la sfârșit. Dar le cunoaștem principalele proprietăți și caracteristici, care ne permit să le aplicăm în practică. Prin urmare, puteți căuta materiale semiconductoare și puteți experimenta singuri cu ele, având grijă. Cine știe, poate un mare explorator moștenește în tine?!