Хагас дамжуулагчийн дамжуулах чанар нь дотоод болон хольц юм. Хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулах чанар Дотоод дамжуулалтын мөн чанар юу вэ

Хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулалт

Хагас дамжуулагчийн хувьд үндсэн зурвас нь өдөөгдсөн түвшний зурвасаас хязгаарлагдмал энергийн интервалаар ($\гурвалжин E$) тусгаарлагддаг. Хагас дамжуулагчийн үндсэн зурвасыг валентын зурвас, өдөөгдсөн төлөвийн зурвасыг дамжуулах зурвас гэнэ. T=0 K үед валентийн зурвас бүрэн дүүрсэн байхад дамжуулалтын зурвас чөлөөтэй байна. Тиймээс үнэмлэхүй тэгтэй ойролцоо хагас дамжуулагч нь гүйдэл дамжуулахгүй. Ерөнхийдөө диэлектрик ба хагас дамжуулагч нь зурвасын онолын үүднээс зөвхөн зурвасын зайд ($\гурвалжин E$) ялгаатай байдаг. Уламжлал ёсоор диэлектрикүүдэд $\гурвалжин E>2eV.$ бүхий хагас дамжуулагч орно

Тайлбар 1

Хагас дамжуулагчийн хувьд температур нэмэгдэхийн хэрээр электронууд болор торны ионуудтай энерги солилцдог. Үүнээс болж электрон $\ойролцоогоор кТ хэмжээтэй нэмэлт кинетик энергийг олж авч чадна.\ $Энэ энерги нь зарим электроныг дамжуулалтын зурваст шилжүүлэхэд хангалттай байж болно. Дамжуулах зурвас дахь эдгээр электронууд нь гүйдэл дамжуулдаг.

Валентын зурваст электронууд эзэлдэггүй квант төлөвүүд ялгардаг. Ийм төлөвийг нүх гэж нэрлэдэг. Нүх нь одоогийн тээвэрлэгч юм. Электронууд цоорхойтой дахин нэгдэж чаддаг (дүүрээгүй төлөв рүү квант шилжилтийг хийдэг, өөрөөр хэлбэл нүхнүүд). Энэ тохиолдолд хуучин дүүргэсэн мужууд суллагдана, өөрөөр хэлбэл тэдгээр нь нүх болно. Сүүлийнх нь шинэ электронуудтай дахин нэгдэж, нүхнүүд дахин үүсдэг. Эдгээр үйл явцын үр дүнд нүхний тэнцвэрт концентраци үүсдэг бөгөөд энэ концентраци нь гадаад талбар байхгүй бол дамжуулагчийн бүх эзэлхүүнтэй ижил байна. Электроны квант шилжилт нь түүний талбайн эсрэг хөдөлгөөн дагалддаг. Энэ нь системийн боломжит энергийг бууруулдаг. Талбайн чиглэлд хөдөлгөөнтэй холбоотой шилжилт нь системийн боломжит энергийг нэмэгдүүлдэг. Талбайн эсрэг шилжилт нь талбайн дагуух шилжилтээс давамгайлах бөгөөд энэ нь хэрэглэсэн цахилгаан орны чиглэлд хагас дамжуулагчаар дамжин гүйдэл гүйж эхэлнэ гэсэн үг юм. Нээлттэй хагас дамжуулагчийн хувьд цахилгаан орон гадаад талбайг нөхөх хүртэл гүйдэл гүйнэ. Энэ үзэгдлийн эцсийн үр дүн нь одоогийн тээвэрлэгчид электрон биш харин эерэг цэнэгтэй нүхнүүдтэй адил юм. Үүний үр дүнд хагас дамжуулагчийн электрон ба нүхний дамжуулалтыг хооронд нь ялгадаг.

Металл ба хагас дамжуулагчийн жинхэнэ гүйдэл дамжуулагч нь электронууд бөгөөд нүхийг албан ёсоор нэвтрүүлсэн. Бодит эерэг цэнэгтэй бөөмс шиг нүх байдаггүй. Гэсэн хэдий ч, цахилгаан орон дээр нүхнүүд нь эерэг цэнэгтэй бөөмсүүд сонгодог байдлаар хөдөлдөгтэй адилаар хөдөлдөг нь тогтоогджээ. Дамжуулах зурвас болон валентын зурвас дахь нүхнүүд дэх электронуудын концентраци бага байдаг тул Больцманы сонгодог статистикийг ашиглаж болно.

Тайлбар 2

Цахим болон нүхний аль аль нь хагас дамжуулагчийн дамжуулах чанар нь хольцтой холбоотой биш юм. Үүнийг хагас дамжуулагчийн дотоод цахилгаан дамжуулах чанар гэж нэрлэдэг.

Ямар ч хольцгүй төгс цэвэр хагас дамжуулагчийн хувьд дулааны хөдөлгөөн эсвэл гэрлийн нөлөөгөөр ялгардаг электрон бүр нэг нүх үүсэхтэй тохирч, өөрөөр хэлбэл гүйдэл үүсгэхэд оролцдог электрон ба нүхний тоо ижил байх болно.

Байгалийн хувьд цэвэр хагас дамжуулагч байдаггүй тул тэдгээрийг зохиомлоор хийх нь маш хэцүү байдаг. Жижиг хольцын ул мөр нь хагас дамжуулагчийн шинж чанарыг чанарын хувьд өөрчилдөг.

Хагас дамжуулагчийн хольцын дамжуулалт

Бусад химийн элементүүдийн атомуудын хольцоос үүсдэг хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанарыг бохирдлын цахилгаан дамжуулалт гэж нэрлэдэг. Хамгийн бага хэмжээний хольц нь хагас дамжуулагчийн дамжуулалтыг ихээхэн нэмэгдүүлдэг. Металлын хувьд эсрэг үзэгдэл ажиглагдаж байна. Бохирдол нь металлын дамжуулалтыг үргэлж бууруулдаг.

Бохирдолтой үед цахилгаан дамжуулах чанар нэмэгдэж байгаа нь хагас дамжуулагчийн зурвасын завсарт байрладаг хагас дамжуулагчдад нэмэлт энергийн түвшин гарч ирдэгтэй холбон тайлбарладаг.

Донорын хольц

Дамжуулах зурвасын доод ирмэгийн ойролцоо туузан дахь нэмэлт түвшнийг харуул. Хэрэв дамжуулалтын зурвасаас нэмэлт энергийн түвшинг тусгаарлах энергийн интервал нь зурвасын завсартай харьцуулахад бага байвал дамжуулалтын зурвас дахь электронуудын тоо, улмаар хагас дамжуулагчийн өөрөө дамжуулах чадвар нэмэгдэнэ. Дамжуулах зурваст электрон нийлүүлдэг хольцыг донор (донорын хольц) гэж нэрлэдэг. Нэмэлт энергийн түвшинг донорын түвшин гэж нэрлэдэг.

Донорын хольцтой хагас дамжуулагчийг электрон (n төрлийн хагас дамжуулагч) гэж нэрлэдэг.

Хүлээн авагчийн хольц

Бохирдлыг оруулснаар валентын зурвасын дээд ирмэгийн ойролцоо нэмэлт түвшин гарч ирэхийг зөвшөөрнө үү. Энэ тохиолдолд валентын зурвасаас электронууд эдгээр нэмэлт түвшинд шилжинэ. Энэ тохиолдолд валентын зурваст нүх гарч ирдэг бөгөөд энэ нь хагас дамжуулагчийн нүхний цахилгаан дамжуулах чанар үүсдэг. Ийм хольцыг хүлээн авагч (хүлээн авагч хольц) гэж нэрлэдэг. Нэмэлт түвшинг хүлээн авагч түвшин гэж нэрлэдэг.

Акцепторын хольцтой хагас дамжуулагчийг нүхний хагас дамжуулагч (p төрлийн хагас дамжуулагч) гэж нэрлэдэг. Холимог хагас дамжуулагч байж болно.

Хагас дамжуулагч ямар төрлийн цахилгаан дамжуулагчтай вэ (цахим эсвэл нүх) Холл эффектийн тэмдгээр шүүгддэг.

Бохирдлыг нэвтрүүлэх үйл явцыг допинг гэж нэрлэдэг. Бохирдлын түвшний маш өндөр концентрацитай үед хольцын түвшний хуваагдал ажиглагдаж, үүний үр дүнд тэдгээр нь харгалзах энергийн зурвасын хил хязгаарыг хамарч чаддаг.

Жишээ 1

Даалгавар: Цахиурын болор торонд хүнцлийн атом ба борын атомууд ямар төрлийн хольц байж болохыг тайлбарлана уу?

Цахиур, хүнцэл зэргийг авч үзье. Цахиур нь тетравалент атом тул цахиурын атом нь дөрвөн электронтой. Хүнцэл нь таван валент бөгөөд энэ нь атом нь таван электрон агуулдаг гэсэн үг юм. Дулааны хөдөлгөөний улмаас тав дахь электроныг хүнцлийн атомаас салгаж болно. Эерэг хүнцэл ион нь цахиурын атомуудын аль нэгийг нь торноос нүүлгэн шилжүүлж, түүний байр суурийг эзэлдэг. Тиймээс торны хэсгүүдийн хооронд дамжуулагч электрон гарч ирнэ. Үүний үр дүнд хүнцэл нь цахиурын донор хольц болох нь тогтоогджээ.

Борыг цахиурын хольц гэж үзье. Борын атомын гаднах бүрхүүл нь гурван электронтой. Борын атом нь цахиурын талст дахь зарим зэргэлдээ газраас алга болсон дөрөв дэх электроныг барьж чаддаг. Энэ газарт нүх гарч ирэх ба үүссэн сөрөг борын ион нь цахиурын атомыг болор торноос нүүлгэн шилжүүлж, түүний байрыг эзэлнэ. Нүх дамжуулах чанар нь цахиурын болорт үүсдэг. Бор бол хүлээн авагч хольц юм.

Хариулт: Арсеник нь цахиурын торонд агуулагдах донор хольц, бор нь цахиурын хүлээн авагч хольц юм.

Жишээ 2

Даалгавар: Дулааны элементүүдэд зарим тохиолдолд халуун уулзвар дахь гүйдэл нь металаас хагас дамжуулагч руу, бусад тохиолдолд хагас дамжуулагчаас метал руу урсдагийг тайлбарлах уу?

Энэ нь даалгаврын нөхцөлд тайлбарласан процессыг тайлбарладаг хагас дамжуулагчийн электрон ба нүхний дамжуулалтын хоорондох ялгаа юм.

Электрон хагас дамжуулагчийн хувьд халуун төгсгөл дэх электронуудын хурд хүйтэн төгсгөлөөс их байдаг. Үүний үр дүнд цэнэгийн дахин хуваарилалтын улмаас үүссэн цахилгаан орон нь сарнисан электронуудын урсгалыг зогсоох хүртэл электронууд халуун төгсгөлөөс хүйтэнд урсдаг (сарнидаг). Тэнцвэр тогтсоны дараа электроноо алдсан халуун төгсгөл эерэг цэнэгтэй, илүү их электрон авсан хүйтэн төгсгөл сөрөг цэнэгтэй байна. Энэ нь халуун ба хүйтэн төгсгөлийн хооронд боломжит зөрүү (эерэг) гарч ирнэ гэсэн үг юм.

Нүхний хагас дамжуулагчийн хувьд урвуу процесс явагдана. Нүхний тархалт нь халуун төгсгөлөөс хүйтэн төгсгөл хүртэл үргэлжилдэг. Энэ тохиолдолд халуун төгсгөл нь сөрөг цэнэг хүлээн авдаг бөгөөд хүйтэн төгсгөл нь эерэг цэнэгтэй болдог. Халуун ба хүйтэн төгсгөлийн боломжит ялгааны тэмдэг нь сөрөг байна.

Өөрийгөө дамжуулах чадвар

Төрөл бүрийн бодисын дамжуулалтын квант онолыг авч үзье. Үүнийг сануулъя дамжуулах чанарцэнэг тээвэрлэгчдийн хэрэглэж буй цахилгаан талбайн дагуу чиглэлтэй хөдөлгөөн хийх чадвар (талбайн эсрэг сөрөг цэнэг зөөгч, талбайн дагуух эерэг цэнэг зөөгч). Хагас дамжуулагч бодисын хувьд бодисын химийн найрлагын цэвэр байдлаас хамааран хоёр төрлийн дамжуулагч байж болно.

Ялгах эзэмшдэгТэгээд хольцхагас дамжуулагч. Эдгээрт химийн цэвэр хагас дамжуулагч, өөрөөр хэлбэл зөвхөн нэг төрлийн атом (эсвэл молекул) агуулсан, гадны хольцгүй хагас дамжуулагч орно. Ийм хагас дамжуулагчдад зөвхөн дотоод дамжуулалт.

Дотоод дамжуулалт нь электронууд валентын зурвасын дээд түвшнээс дамжуулах зурвас руу шилжих үед үүсдэг бөгөөд хэрэв тэдгээр нь зурвасын зөрүүтэй тэнцүү (эсвэл түүнээс бага зэрэг их) хангалттай нэмэлт энерги хүлээн авдаг. Жишээ нь. Энэхүү энергийг 9-р лекцэд дурьдсанчлан торны дулааны чичиргээний үр дүнд эсвэл гэрлийн квантын нөлөөн дор электроноор олж авч болно. hν.

Цагаан будаа. 12.1. Хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулалт

Дулааны чичиргээний энерги нь дүрмээр бол гэрлийн квантийн энергиээс хамаагүй бага байдаг тул ямар төрлийн энерги нь дамжуулах чанарыг өдөөх нь болорын зурвасын завсараас хамаарна. Электрон дамжуулалтын зурваст шилжих нь төрөлттэй тохирч байна хоёр чөлөөт бөөмс: энерги нь дамжуулалтын зурвасаас зөвшөөрөгдөх утгуудын аль нэгтэй тэнцүү болж хувирдаг электрон, түүнчлэн энерги нь валентын зурвасын утгуудын аль нэгтэй тэнцүү нүх. Эдгээр бөөмс нь гүйдэл дамжуулагч бөгөөд электрон ба нүх хоёулаа дамжуулалтыг бий болгодог. Хэрэв ийм талст дээр боломжит зөрүүг хэрэглэвэл электрон болон нүх хоёулаа бүх дээжийн дагуу хөдөлж болно. Энэ үзэгдлийг хоёр дахь лекц дээр аль хэдийн хэлэлцсэн бөгөөд үүнийг дотоод фотоэлектрик эффект гэж нэрлэдэг.

Та өгөгдсөн бодисын цахилгаан дамжуулах чанарыг олж болно. Үүнийг хийхийн тулд бид электрон ба нүхний энергийн хуваарилалтыг ашиглана (10-р хэсгийг үзнэ үү). Электрон ба нүхнүүд нь фермионууд байдаг тул i.e. Хагас бүхэл тоо ээрэх тоосонцор нь Ферми-Диракийн статистикт захирагддаг гэсэн үг.

(12.1)

Параметр Э Фгэж нэрлэдэг Ферми энерги. Ферми түвшин нь хоёулангийнх нь тоо ижил байх тохиолдолд бүх эзлэгдсэн болон бүх чөлөөт мужуудын дундах виртуал түвшин юм. Хамгийн тохиромжтой нь бүх чөлөөт түвшин нь Ферми түвшнээс дээш, бүх эзлэгдсэн түвшин доор байрладаг. Гэсэн хэдий ч, бодит талстуудад Ферми түвшнээс дээш электрон эзэлдэг түвшин байвал чөлөөт түвшин нь Ферми түвшнээс доогуур байж болно. Металлын хувьд Ферми түвшин нь дамжуулалтын зурваст байдаг. Дотоод (өөрөөр хэлбэл цэвэр) хагас дамжуулагчийн хувьд тасалгааны температур дахь Ферми энерги нь зурвасын завсартай ойролцоо байдаг тул:

(12.2)

Хаана Жишээ нь- зурвасын зайны өргөн.

Дамжуулах зурваст шилжсэн электронуудын тоо (мөн валентын зурваст үлдсэн нүхнүүд) нь электрон харгалзах энергитэй байх магадлалтай пропорциональ байна.

Дамжуулах чадвар нь чөлөөт гүйдэл дамжуулагчийн тооноос шууд хамаардаг, өөрөөр хэлбэл функцтэй пропорциональ болж хувирдаг. f(E):

(12.4)

эсвэл (12.5)

Эндээс харахад дотоод хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар нь температурын хувьд экспоненциалаар нэмэгддэг (Зураг 12.2). Хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанарыг өөр өөр температурт хэмжих замаар зурвасын зайг тодорхойлж болно. Хагас логарифмын координатуудад (12.2-р зураг шиг) шулуун шугамын налуу өнцгийн тангенс нь пропорциональ байна. Жишээ нь.

Цагаан будаа. 12.2. Цахилгаан дамжуулах чанарын хамаарал

температурын дотоод хагас дамжуулагч

Температур нэмэгдэхийн хэрээр металлын цахилгаан дамжуулах чанар шугаман буурдаг гэдгийг санацгаая. Энэ ялгаа нь хагас дамжуулагч ба металлын дамжуулалтын шинж чанар нь үндсэндээ өөр байдагтай холбон тайлбарладаг.

Бохирдлын дамжуулалт

Цахилгаан ба оптик шинж чанарууд хольцын хагас дамжуулагчбайгалийн болон зохиомлоор оруулсан хольцоос хамаарна. Мэдээжийн хэрэг, материалын шинж чанарыг үр дүнтэй хянахын тулд бодисын найрлага дахь хольцын хэмжээг хатуу хянах шаардлагатай бөгөөд ийм хяналттай хольцыг нэвтрүүлэх гэж нэрлэдэг. допинг. Өгөгдсөн хольцын концентрацийг бий болгох нь нэлээд хэцүү, гэхдээ боломжтой ажил юм. Зарим бодис нь байгалийн хольцыг тодорхой хэмжээгээр агуулдаг гэдгийг ойлгох хэрэгтэй. Ийм тохиолдолд материалын оптик болон цахилгаан шинж чанарт үзүүлэх нөлөөг судалж, дараа нь харгалзан үзэх шаардлагатай.

Сонгодог хагас дамжуулагчийн жишээн дээр хольцын дамжуулалтын механизмыг авч үзье Ге, Мөн Си. Хоёр элемент хоёулаа дөрвөн валент бөгөөд болор дахь атомууд нь ковалент хүчээр холбогддог. Энэ нь сүлжээн дэх атом бүр хос электроныг хуваалцан ижил төстэй дөрвөн атомаар хүрээлэгдсэн бөгөөд тэдгээртэй холбогддог гэсэн үг юм.

Цагаан будаа. 12.3. Болор торны хавтгай дүрс

хамгийн тохиромжтой 4 валентын болор

Хэрэв болор нь хамгийн тохиромжтой бол атомын эргэн тойрон дахь бүх холбоо нь ханасан байна - чөлөөт газар байхгүй, атомуудын хоорондын зайд чөлөөт электрон байхгүй байна (Зураг 12.3).

Нэг гол атомын оронд валент нь нэг нэгжээр өндөр атом (фосфорын атом) болор руу орлоо гэж бодъё. Пболор хэлбэрээр Ге). 5 фосфорын электроны 4 нь зэргэлдээх германий атомуудын хооронд тархаж, 5 дахь электрон нь сул холбоосын улмаас ойролцоо байх болно (Зураг 12.4).

Цагаан будаа. 12.4. Болор торны хавтгай дүрс

Ге 5 валентын фосфорын хольцтой

Энэ холболт нь болорыг халаах эсвэл гэрэлтүүлэх замаар амархан эвдэрч болно. Салсан электрон нь чөлөөтэй байх ба потенциалын зөрүү гарах үед зохих чиглэлд шилжих боломжтой болно. Кристалд чөлөөт электрон нэмдэг хольцыг нэрлэдэг хандивлагч.

Эрчим хүчний диаграммд донорын хольц нь дамжуулалтын зурвасын ёроолоос тодорхой зайд байрлах түвшинд тохирно. Бохирдлын түвшин ба дамжуулах зурвасын хоорондох зай нь энергитэй пропорциональ байна E хольц, энэ нь эх атомаас хольцын электроныг зайлуулахад шаардлагатай, i.e. электроныг чөлөөт төлөвт шилжүүлэх (Зураг 12.6 а). Түүний атомаас электрон салж, чөлөөт төлөвт шилжих баримт нь электрон дамжуулалтын зурваст шилжсэн гэсэн үг юм. Энэ тохиолдолд суллагдсан донорын түвшин нь ямар ч чөлөөт электроныг хэсэг хугацаанд барьж чаддаг, өөрөөр хэлбэл унжсан фосфорын холбоо нь электронуудын богино хугацааны хадгалалт болж чаддаг.

Үүний үр дүнд бид дамжуулагч электроныг олж авдаг бөгөөд дотоод дамжуулалтаас ялгаатай нь (дээрээс харна уу) чөлөөт нүх үүсдэггүй. Энэ тохиолдолд бүртгэгдсэн гүйдэлд оруулах хувь нэмрийг ихэвчлэн ийм хагас дамжуулагчийн гол цэнэг тээвэрлэгч болох электронууд, мөн нүхнүүд нь цөөнх болно. Ийм болор дахь дамжуулалтын төрлийг электрон эсвэл гэж нэрлэдэг n-төрөл, мөн болор нь өөрөө болор статусыг хүлээн авдаг электрон дамжуулалтэсвэл болор n-төрөл.

Хэрэв гурван валент хольцыг дөрвөн валентын талст руу оруулбал 4-р электрон байхгүй тул хольцын хажууд байрлах атомын дөрвөн бондын аль нэг нь ханаагүй болно (Зураг 12.5). Ийм хоосон газар (нүх) нь хөрш зэргэлдээ газраас электроныг амархан барьж авдаг - энэ нь нүхний чөлөөт төлөв рүү шилжихтэй тохирч байна.

Цагаан будаа. 12.5. Болор торны хавтгай дүрс

Си 3 валентын борын хольцтой

Болор талст боломжит зөрүүг хэрэглэх үед нүх нь дамжуулагч электронтой ижил аргаар, зөвхөн эсрэг чиглэлд хөдөлдөг. Тиймээс заасан төрлийн хольцтой болор байх болно нүхний төрлийн дамжуулах чанарэсвэл болор гэж нэрлэнэ х-төрөл. Эрчим хүчний диаграммд хольцын дүр төрхийг энэ тохиолдолд гэж нэрлэдэг хүлээн авагч, дээрх валентын зурвасын дээд хэсгийн ойролцоох зурвас дахь түвшний харагдах байдлаар тусгагдах болно E хольц. Валентын зурвасын эзлэгдсэн түвшнээс энэ түвшинд электрон баригдах бөгөөд үүнд чөлөөт нүх үлдэх болно (Зураг 12.6 b).

Цагаан будаа. 12.6. Бохирдлын дамжуулалт: a) электрон, б) нүх

P хэлбэрийн дамжуулалттай талстуудад зөвхөн нүхнүүд чөлөөтэй байдаг бөгөөд нэмэлт энергигүйгээр чөлөөт электронууд гарч ирдэггүй нь ойлгомжтой. Цооногууд нь ихэнх цэнэгийн тээвэрлэгч, электронууд нь цөөн тооны цэнэг тээвэрлэгчид юм. Үүний үр дүнд гүйдэл нь голчлон нүхнүүдийн эмх цэгцтэй хөдөлгөөнийг илэрхийлэх болно (тэдгээрийн хөдөлгөөний чиглэл нь гүйдлийн чиглэлтэй давхцдаг).

Донор ба хүлээн авагч хольцын өвөрмөц чанар нь энергийн диаграм дээрх тэдгээрийн түвшинг туузан дээр зөвхөн тодорхой байдлаар байрлуулж болно: донорын хольц нь туузны завсарын дээд хэсэгт, хүлээн авагчийн хольцын доод хэсэгт түвшинг өгдөг. Кристал найрлага дахь хольцын харагдах байдал нь Ферми түвшний байрлалыг өөрчлөхөд хүргэдэг (дээрхийг үзнэ үү).

Ялангуяа донорын хольцтой болорын хувьд түвшин Э Фдээш өргөгдөнө, хүлээн авагч хольцтой болор доошоо хөдөлнө (Зураг 12.6). Ферми түвшин нь хагас дамжуулагчийн чухал шинж чанар бөгөөд ялангуяа онол нь энэ ойлголтыг ашиглахгүйгээр хийж чадахгүй. p-nшилжилтүүд.

Хольцын дамжуулалт бүхий талстыг бэлтгэхдээ бусад валентийн атомуудыг нэвтрүүлсэн хольц болгон ашиглаж болно гэдгийг нэмж хэлье. Дараа нь валентын зөрүүБолор атом бүр хэдэн чөлөөт цэнэг зөөгчийг (электрон эсвэл нүх) болор руу оруулж байгааг харуулдаг.

Материалын өндөр цахилгаан дамжуулах чанарыг олж авахын тулд өндөр байх шаардлагатай цэнэг зөөгч концентраци(болорын нэгж эзэлхүүн дэх цэнэгийн тээвэрлэгчдийн тоо). Энэ нь хүссэн төрлийн хольцыг хяналттай нэвтрүүлэх замаар хийгддэг. Орчин үеийн технологи нь нэвтрүүлсэн атомын тоог тус тусад нь авч үзэх боломжийг олгодог. Та Холл эффектийг ашиглан цэнэгийн тээвэрлэгчдийн концентрацийг хэмжиж, тэдгээрийн төрлийг (электрон эсвэл нүх) тодорхойлж болно (цахилгаан соронзон судлалын хичээлийг үзнэ үү).

Ерөнхийдөө хагас дамжуулагч материалын дамжуулах чанар нь дотоод болон хольцын дамжуулалтаас бүрдэнэ.

(12.6)

Бохирдлын дамжуулалт нь дотоод дамжуулалттай адил температураас экспоненциал хамааралтай байдаг.

(12.7)

Харьцангуй бага температурт гол үүрэг нь хольцын дамжуулалт (Зураг 12.7 I хэсэг) гүйцэтгэдэг. Хагас логарифмын координат дахь дамжуулалтын температураас шууд хамаарах налуугаас хольцын идэвхжүүлэлтийн энергийг тодорхойлж болно. E хольц, учир нь tgα ойролцоогоорзурвас дахь хольцын түвшний гүнтэй пропорциональ байна.

Температур нэмэгдэхийн хэрээр бүх хольцын атомууд аль хэдийн оролцож байх үед тодорхой температурын мужид дамжуулах чанар тогтмол хэвээр байна (Зураг 12.7 II хэсэг).

Цагаан будаа. 12.7. Хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанарын температураас хамаарах хамаарал

Өөрийнхөө дамжуулах чадварыг идэвхжүүлэх температураас эхлэн материалын эсэргүүцлийн бууралт дахин ажиглагдаж байна (Зураг 12.7 III хэсэг). Харгалзах хэсгийн налуу өнцгийн тангенс уйлахХагас дамжуулагчийн өөрийн дамжуулах чадварыг идэвхжүүлэх энергитэй пропорциональ, өөрөөр хэлбэл. түүний зурвасын завсарын өргөн.

« Физик - 10-р анги"

Дамжуулагчийн эсэргүүцэл яагаад температураас хамаардаг вэ?
Хэт дамжуулалтын төлөвт ямар үзэгдэл ажиглагдаж байна вэ?

Хагас дамжуулагч- эсэргүүцэл нь металын эсэргүүцэл (10 -6 -10 -8 Ом м) ба диэлектрикийн эсэргүүцэл (10 8 -10 13 Ом м) хооронд завсрын утгатай бодисууд.

Дамжуулагч ба хагас дамжуулагчийн ялгаа нь тэдгээрийн цахилгаан дамжуулах чанар нь температураас хамаарах хамаарлыг шинжлэхэд ялангуяа тод илэрдэг. Судалгаанаас үзэхэд хэд хэдэн элемент (цахиур, германий, селен, индий, хүнцэл гэх мэт) ба нэгдлүүдийн (PbS, CdS, GaAs гэх мэт) эсэргүүцэл нь металлын нэгэн адил температур нэмэгдэх тусам нэмэгддэггүй (Зураг 1). 16.3 ), харин эсрэгээр нь маш огцом буурдаг (Зураг 16.4).

Энэ шинж чанар нь хагас дамжуулагчдад онцгой шинж чанартай байдаг.

Зурагт үзүүлсэн графикаас харахад үнэмлэхүй тэгтэй ойролцоо температурт хагас дамжуулагчийн эсэргүүцэл маш өндөр байдаг нь тодорхой байна. Энэ нь бага температурт хагас дамжуулагч нь диэлектрик шиг ажилладаг гэсэн үг юм. Температур нэмэгдэхийн хэрээр түүний эсэргүүцэл хурдан буурдаг.

Хагас дамжуулагчийн бүтэц.

Транзисторын хүлээн авагчийг асаахын тулд та юу ч мэдэх шаардлагагүй. Гэхдээ үүнийг бүтээхийн тулд та маш их зүйлийг мэддэг, ер бусын авьяастай байх ёстой. Транзистор хэрхэн ажилладагийг ерөнхийд нь ойлгох нь тийм ч хэцүү биш юм. Эхлээд та хагас дамжуулагч дахь дамжуулах механизмтай танилцах хэрэгтэй. Үүний тулд та үүнийг сайтар судлах хэрэгтэй болно холболтын мөн чанар, хагас дамжуулагч талст атомуудыг бие биенийхээ ойролцоо барьж байна.

Жишээлбэл, цахиурын талстыг авч үзье.

Цахиур бол дөрвөн валент элемент юм. Энэ нь түүний атомын гадна бүрхүүлд цөмтэй харьцангуй сул холбоотой дөрвөн электрон байдаг гэсэн үг юм. Цахиурын атом бүрийн хамгийн ойрын хөршүүдийн тоо мөн дөрөв байна. Цахиурын талстуудын бүтцийн диаграммыг Зураг (16.5)-д үзүүлэв.

Хөрш зэргэлдээх хос атомуудын харилцан үйлчлэл нь хос электрон холбоог ашиглан явагддаг. ковалент холбоо. Энэ холбоо үүсэхэд атом бүрээс нэг валентийн электрон оролцдог бөгөөд электронууд нь харьяалагдах атомаас тусгаарлагддаг (болороор цуглуулдаг) бөгөөд хөдөлгөөний явцад ихэнх цагаа хөрш атомуудын хоорондох зайд өнгөрөөдөг. Тэдний сөрөг цэнэг нь эерэг цахиурын ионуудыг бие биедээ ойртуулдаг.

Хамтын хос электрон нь зөвхөн хоёр атомд хамаардаг гэж бодож болохгүй. Атом бүр хөршүүдтэйгээ дөрвөн холбоо үүсгэдэг бөгөөд тэдгээрийн аль нэгнийх нь дагуу ямар ч валентийн электрон хөдөлж чаддаг. Хөрш зэргэлдээх атомд хүрсний дараа тэр дараагийнх руу, дараа нь бүх талст дагуу шилжиж болно. Валент электронууд нь бүхэл талстад хамаарна.

Цахиурын талст дахь хос электрон холбоо нь нэлээд хүчтэй бөгөөд бага температурт тасалддаггүй. Тиймээс бага температурт цахиур нь цахилгаан гүйдэл дамжуулдаггүй. Атомыг холбоход оролцдог валентийн электронууд нь болор торыг барьдаг цементлэх уусмал шиг бөгөөд гадаад цахилгаан орон нь тэдний хөдөлгөөнд мэдэгдэхүйц нөлөө үзүүлэхгүй. Германы болор нь ижил төстэй бүтэцтэй.

Электрон дамжуулалт.

Цахиурыг халаахад бөөмсийн кинетик энерги нэмэгдэж, бие даасан холбоо тасардаг. Зарим электронууд "зодуулсан замаа" орхиж, метал дахь электронууд шиг чөлөөтэй болдог. Цахилгаан талбарт тэд торны зангилааны хооронд шилжиж, цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг (Зураг 16.6).

Чөлөөт электронууд байгаатай холбоотойгоор хагас дамжуулагчийн дамжуулалтыг гэж нэрлэдэг электрон дамжуулалт.

Температур нэмэгдэхийн хэрээр эвдэрсэн холбоо, улмаар чөлөөт электронуудын тоо нэмэгддэг. 300-аас 700 К хүртэл халаахад үнэ төлбөргүй тээвэрлэгчдийн тоо 10 17-аас 10 24 1 / мл 3 хүртэл нэмэгддэг. Энэ нь эсэргүүцэл буурахад хүргэдэг.

Нүх дамжуулах чанар.

Хагас дамжуулагчийн атомуудын хоорондын холбоо тасрахад дутуу электрон бүхий хоосон орон зай үүсдэг. нүх.

Нүх нь бусад тасалдаагүй бондуудтай харьцуулахад илүүдэл эерэг цэнэгтэй байдаг (16.6-р зургийг үз).

Кристал дахь нүхний байрлал тогтмол биш байна. Дараах үйл явц тасралтгүй явагдана. Атомуудын холболтыг хангадаг электронуудын нэг нь үүссэн нүхний газар руу үсэрч, энд хос электрон холбоог сэргээж, энэ электрон үсэрсэн газраас шинэ нүх үүснэ. Тиймээс нүх нь болор даяар хөдөлж болно.

Хэрэв дээж дэх цахилгаан талбайн хүч нь тэг байвал нүхнүүд санамсаргүй хөдөлдөг тул цахилгаан гүйдэл үүсгэдэггүй. Цахилгаан орон байгаа тохиолдолд нүхний дараалсан хөдөлгөөн үүсдэг.

Нүхний хөдөлгөөний чиглэл нь электронуудын хөдөлгөөний чиглэлийн эсрэг байна (Зураг 16.7).

Гадаад талбар байхгүй тохиолдолд чөлөөт электрон (-) тутамд нэг нүх (+) байна. Талбай хэрэглэх үед чөлөөт электрон нь талбайн хүчний эсрэг шилждэг. Холбоотой электронуудын нэг нь мөн энэ чиглэлд хөдөлдөг. Энэ нь талбайн чиглэлд нүхийг хөдөлгөж байгаа мэт харагдаж байна.

Тиймээс хагас дамжуулагчдад хоёр төрлийн цэнэг зөөгч байдаг: электрон ба нүх.

Нүхний хөдөлгөөнөөс үүсэх дамжуулалтыг гэж нэрлэдэг нүхний дамжуулалтхагас дамжуулагч.

Бид цэвэр хагас дамжуулагчийн дамжуулах механизмыг судалсан.

Цэвэр хагас дамжуулагчийн дамжуулалтыг гэж нэрлэдэг өөрийн дамжуулах чадвар.

Бохирдлын дамжуулалт.

Хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулах чанар нь ихэвчлэн бага байдаг, учир нь чөлөөт электронуудын тоо бага байдаг: жишээлбэл, германид өрөөний температурт n e = 3 10 13 см -3 байна. Үүний зэрэгцээ 1 см 3 талбайд германий атомын тоо 10 23 байна.

Тиймээс чөлөөт электронуудын тоо нь нийт атомын арван тэрбумын нэг юм.

Хагас дамжуулагчийн дамжуулалтыг тэдгээрт хольц оруулах замаар мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлэх боломжтой. Энэ тохиолдолд өөрийн цахилгаан дамжуулах чанараас гадна нэмэлт зүйл үүсдэг. хольц дамжуулах чанар.

Болор торонд хольц (гадаад химийн элементийн атомууд) орсны улмаас үүссэн дамжуулагчийн дамжуулах чанарыг гэнэ. хольц дамжуулах чанар.

Донорын хольц.

Цахиурт багахан хэмжээний хүнцэл нэмье. Арсеник атомууд таван валентийн электронтой. Тэдний дөрөв нь өгөгдсөн атом болон хүрээлэн буй цахиурын атомуудын хооронд ковалент холбоо үүсгэхэд оролцдог. Тав дахь валентийн электрон нь атомтай сул холбоотой юм шиг харагдаж байна. Энэ нь хүнцлийн атомыг амархан орхиж, чөлөөтэй болно (Зураг 16.8).

Арсений атомын арван саяны нэгийг нэмэхэд чөлөөт электронуудын концентраци 10 16 см-3-тай тэнцэнэ. Энэ нь цэвэр хагас дамжуулагч дахь чөлөөт электронуудын концентрацаас мянга дахин их юм.

Электроныг амархан өгч, улмаар чөлөөт электронуудын тоог нэмэгдүүлдэг хольцыг нэрлэдэг хандивлагч(өгөх) хольц.

Чөлөөт электронууд нь метал доторх чөлөөт электронууд хөдөлдөгтэй адил хагас дамжуулагчаар дамждаг.

Донорын хольцтой, тиймээс олон тооны электронтой (нүхний тоотой харьцуулахад) хагас дамжуулагч гэж нэрлэдэг. n төрлийн хагас дамжуулагч(Англи хэлний сөрөг - сөрөг гэсэн үгнээс).

n төрлийн хагас дамжуулагчийн хувьд электронууд нь гол цэнэг тээвэрлэгч бөгөөд нүхнүүд байдаг үндсэн бус.

Хүлээн авагчийн хольц.

Хэрэв атомууд нь гурвалсан индий нь хольц болгон ашиглагдвал хагас дамжуулагчийн дамжуулалтын шинж чанар өөрчлөгдөнө. Хөршүүдтэйгээ ердийн хос электрон холбоо үүсгэхийн тулд индий атомд нэг электрон дутагдаж, түүнийг хөрш талст атомаас авдаг. Үүний үр дүнд нүх үүсдэг. Кристал дахь нүхний тоо нь хольцын атомын тоотой тэнцүү байна (Зураг 16.9).

Нүхний нэмэлт концентрацийг үүсгэдэг хагас дамжуулагч дахь хольцыг нэрлэдэг хүлээн авагч(хүлээн авах) хольц.

Цахилгаан орон байгаа үед нүхнүүд чиглэлийн дагуу хөдөлж, нүхний дамжуулах чанараас болж цахилгаан гүйдэл үүсдэг.

Нүх дамжуулах чанар нь электрон дамжуулалтаас давамгайлсан хагас дамжуулагч гэж нэрлэгддэг p төрлийн хагас дамжуулагч(Англи хэлний эерэг - эерэг гэсэн үгнээс).

p төрлийн хагас дамжуулагчийн ихэнх цэнэг зөөгч нь нүх, цөөн цэнэгийн тээвэрлэгч нь электрон юм.

Бохирдлын концентрацийг өөрчилснөөр та нэг буюу өөр тэмдгийн цэнэгийн тээвэрлэгчдийн тоог эрс өөрчилж чадна. Үүний ачаар одоогийн дамжуулагч, электрон эсвэл нүхний аль нэг нь давамгайлсан концентрацитай хагас дамжуулагчийг бий болгох боломжтой юм. Хагас дамжуулагчийн энэ онцлог нь тэдгээрийг практикт ашиглах өргөн боломжийг нээж өгдөг.

6. . 7. . 8. .

Хагас дамжуулагч- эдгээр нь температур нэмэгдэх, бохирдол үүсэх, гэрэлтүүлгийн өөрчлөлтийн үед эсэргүүцэл нь буурдаг бодис юм. Эдгээр шинж чанараараа тэд металаас эрс ялгаатай. Ихэвчлэн хагас дамжуулагч нь электроныг гаргахад 1.5-2 эВ-ээс ихгүй энерги шаардагдах талстуудыг агуулдаг. Ердийн хагас дамжуулагч нь германи ба цахиурын талстууд бөгөөд атомууд нь ковалент холбоогоор нэгддэг. Энэ холболтын шинж чанар нь дээр дурдсан шинж чанаруудыг тайлбарлах боломжийг бидэнд олгодог. Хагас дамжуулагчийг халаахад атомууд нь ионждог. Гарсан электронуудыг хөрш атомууд барьж чадахгүй, учир нь тэдгээрийн бүх валентийн холбоо нь ханасан байдаг. Гадны цахилгаан орны нөлөөгөөр чөлөөт электронууд болор дотор хөдөлж, электрон дамжуулалтын гүйдэл үүсгэдэг. Кристал тор дахь атомуудын аль нэгний гаднах бүрхүүлээс электроныг салгаснаар эерэг ион үүснэ. Энэ ионыг электрон барьж авснаар саармагжуулж болно. Цаашилбал, холбогдсон электронууд атомаас эерэг ион руу шилжсэний үр дүнд алга болсон электронтой газрын талст дахь эмх замбараагүй хөдөлгөөний процесс - "нүх" үүсдэг. Гаднах байдлаар, холбогдсон электронуудын эмх замбараагүй хөдөлгөөний үйл явцыг эерэг цэнэгийн хөдөлгөөн гэж ойлгодог. Болорыг цахилгаан талбарт байрлуулахад "нүх" -ийн дараалсан хөдөлгөөн үүсдэг - нүхний дамжуулалтын гүйдэл.

Тохиромжтой болорт гүйдэл нь тэнцүү тооны электрон ба "нүх"-ээр үүсгэгддэг. Энэ төрлийн дамжуулалтыг гэж нэрлэдэг өөрийн дамжуулах чадвархагас дамжуулагч. Температур (эсвэл гэрэлтүүлэг) нэмэгдэхийн хэрээр дамжуулагчийн дотоод дамжуулалт нэмэгддэг.

Хагас дамжуулагчийн дамжуулах чанар нь хольцоос ихээхэн нөлөөлдөг. Донор болон хүлээн авагч хольцууд байдаг. Донорын хольцболороос илүү валенттай хольц юм. Ийм хольцыг нэмэхэд хагас дамжуулагч дотор нэмэлт чөлөөт электронууд үүсдэг. Тийм ч учраас бохирдлыг донор гэж нэрлэдэг. Цахим дамжуулалт давамгайлж, хагас дамжуулагч гэж нэрлэдэг n төрлийн хагас дамжуулагч. Жишээлбэл, n = 4 валенттай цахиурын хувьд донорын хольц нь n = 5 валенттай хүнцэл юм. Хүнцлийн хольцын атом бүр нэг дамжуулагч электрон үүсгэдэг.

Хүлээн авагчийн хольцболороос бага валенттай хольц юм. Ийм хольцыг нэмэхэд хагас дамжуулагчийн дотор нэмэлт тооны "нүх" үүсдэг. "Нүх" дамжуулах чанар давамгайлж, хагас дамжуулагч гэж нэрлэдэг p төрлийн хагас дамжуулагч. Жишээлбэл, цахиурын хувьд хүлээн авагч хольц нь n = 3 валенттай индий юм. Индий атом бүр нэмэлт "нүх" үүсэхэд хүргэдэг.

Ихэнх хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүдийн ажиллах зарчим нь шинж чанарт суурилдаг pn уулзвар. Хоёр p ба n төрлийн хагас дамжуулагч төхөөрөмжийг контактын цэг дээр холбоход электронууд n мужаас p муж руу, харин эсрэгээрээ p-бүс рүү "нүх" тархаж эхэлдэг. n-бүс нутаг. Энэ үйл явц цаг хугацааны хувьд эцэс төгсгөлгүй байх болно, учир нь энэ нь үүсэх болно саад давхарга, энэ нь электронууд болон "нүхнүүд" цааш тархахаас сэргийлнэ.

Вакуум диод шиг хагас дамжуулагчийн p-n-холбоо нь нэг талын дамжуулалттай байдаг: хэрэв та одоогийн эх үүсвэрийн "+"-ийг p-бүсэд, гүйдлийн эх үүсвэрийн "-"-ийг n-бүсэд холбовол, дараа нь блоклох давхарга устаж, p-n-холбоо нь гүйдэл дамжуулж, n-бүсээс электронууд p-бүс рүү, p-бүсээс n-бүс рүү “нүхнүүд” очно (Зураг 22). Эхний тохиолдолд гүйдэл нь тэг биш, хоёр дахь тохиолдолд гүйдэл тэг байна. Энэ нь хэрэв та "-" эх үүсвэрийг p мужид, "+" гүйдлийн эх үүсвэрийг n мужид холбовол блоклох давхарга өргөжиж, гүйдэл байхгүй болно гэсэн үг юм.

Хагас дамжуулагч диод p ба n төрлийн хоёр хагас дамжуулагчийн хоорондох контактаас бүрдэнэ. Хагас дамжуулагч диодууд нь жижиг хэмжээтэй, жин багатай, удаан эдэлгээтэй, механик бат бөх, өндөр үр ашигтай байдаг; Тэдний сул тал бол эсэргүүцлийн температураас хамааралтай байдаг.

Өөр нэг хагас дамжуулагч төхөөрөмжийг радио электроникийн салбарт ашигладаг. транзистор, 1948 онд зохион бүтээсэн триод нь нэг биш, харин хоёр pn уулзвар дээр суурилдаг. Транзисторын гол хэрэглээ нь түүнийг сул гүйдэл ба хүчдэлийн дохионы өсгөгч болгон ашиглах ба хагас дамжуулагч диодыг гүйдлийн шулуутгагч болгон ашигладаг.

Транзисторыг нээсний дараа электроникийн хөгжлийн чанарын шинэ үе шат эхэлсэн - микроэлектроник нь электрон төхөөрөмж, харилцаа холбооны систем, автоматжуулалтын хөгжлийг чанарын хувьд өөр түвшинд хүргэсэн. Микроэлектроник нь нэгдсэн хэлхээний хөгжил, тэдгээрийн хэрэглээний зарчмуудыг авч үздэг. Нэгдсэн хэлхээнийнэг технологийн процесст үйлдвэрлэсэн транзистор, диод, резистор, холбогч утас гэсэн олон тооны харилцан уялдаатай бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн цуглуулга гэж нэрлэдэг. Энэ үйл явцын үр дүнд нэг чип дээр 3500 хүртэлх элемент болох хэд хэдэн мянган транзистор, конденсатор, резистор, диодууд нэгэн зэрэг үүсдэг. Микро схемийн бие даасан элементүүдийн хэмжээс нь 2-5 микрон байж болох бөгөөд тэдгээрийн хэрэглээний алдаа нь 0.2 микроноос хэтрэхгүй байх ёстой. Орчин үеийн компьютерийн микропроцессор дээр байрладаг. 6х6 мм хэмжээтэй цахиурын болор нь хэдэн арван, бүр хэдэн зуун мянган транзистор агуулдаг.

Гэсэн хэдий ч p-n уулзваргүй хагас дамжуулагч төхөөрөмжийг технологид бас ашигладаг. Жишээлбэл, термистор (температурыг хэмжих), фоторезистор (фото реле, аваарын унтраалга, зурагт болон VCR-ийн алсын удирдлагад).

Өнөөдөр бид хагас дамжуулагчийн дотоод болон хольцын дамжуулалт гэж юу болох, хэрхэн үүсдэг, орчин үеийн амьдралд ямар үүрэг гүйцэтгэдэг болохыг танд хэлэх болно.

Атом ба хамтлагийн онол

Хорьдугаар зууны эхээр атом бол материйн хамгийн жижиг бөөмс биш гэдгийг эрдэмтэд олж мэдсэн. Энэ нь өөрийн гэсэн нарийн төвөгтэй бүтэцтэй бөгөөд түүний элементүүд нь тусгай хуулийн дагуу харилцан үйлчилдэг.

Жишээлбэл, электронууд зөвхөн цөм - тойрог замаас тодорхой зайд байрлах боломжтой болох нь тогтоогдсон. Эдгээр төлөвүүдийн хоорондох шилжилт нь цахилгаан соронзон орны квант ялгарах эсвэл шингээх үед гэнэт тохиолддог. Хагас дамжуулагчийн дотоод болон хольцын дамжуулалтын механизмыг тайлбарлахын тулд эхлээд атомын бүтцийг ойлгох хэрэгтэй.

Орбиталуудын хэмжээ, хэлбэрийг электроны долгионы шинж чанараар тодорхойлно. Долгион шиг энэ бөөмс нь үетэй бөгөөд цөмийн эргэн тойронд эргэлдэж байхдаа өөрийгөө "давааруулдаг". Зөвхөн долгион нь өөрийн энергийг дардаггүй газар л электрон удаан хугацаанд оршин тогтнож чадна. Үүнээс гарах үр дагавар: түвшин нь цөмөөс хол байх тусам энэ болон өмнөх тойрог замын хоорондох зай бага байх болно.

Хатуу доторх тор

Физик нь хагас дамжуулагчийн дотоод ба хольц дамжуулах чанарыг хатуу биетэд үүсдэг ижил орбиталуудын "нэгдэл"-ээр тайлбарладаг. Хатуу бие гэдэг нь нэгтгэх төлөвийг илэрхийлдэггүй, гэхдээ маш тодорхой нэр томъёо юм. Энэ бол талст бүтэцтэй эсвэл талст хэлбэртэй байж болох аморф биетэй бодисын нэр юм. Жишээлбэл, мөс, гантиг нь хатуу биет боловч мод, шавар нь тийм биш юм.

Кристалд ижил төстэй олон атомууд байдаг бөгөөд тэдгээрийн эргэн тойронд ижил тойрог замд ижил электронууд байдаг. Мөн энд нэг жижиг асуудал байна. Электрон нь фермионуудын ангилалд багтдаг. Энэ нь хоёр бөөмс яг ижил төлөвт байж болохгүй гэсэн үг юм. Мөн энэ тохиолдолд хатуу биет юу хийх ёстой вэ?

Байгаль нь гайхалтай энгийн шийдлийг олсон: болор дахь нэг атомын ижил тойрог замд хамаарах бүх электронууд энергийн хувьд арай өөр байдаг. Энэ ялгаа нь маш бага бөгөөд бүх тойрог замууд нь нэг тасралтгүй эрчим хүчний бүсэд "шахагдсан" юм. Бүсүүдийн хооронд том цоорхой байдаг - электронуудыг байрлуулах боломжгүй газрууд. Эдгээр зайг "хориотой" орон зай гэж нэрлэдэг.

Хагас дамжуулагч нь дамжуулагч ба диэлектрикээс юугаараа ялгаатай вэ?

Нэг хатуу биеийн бүх бүсүүдийн дунд хоёр нь ялгардаг. Нэг (хамгийн дээд талд) электронууд чөлөөтэй хөдөлж чаддаг, атомууддаа "холбогддоггүй" бөгөөд нэг газраас нөгөө рүү шилждэг. Үүнийг дамжуулах зурвас гэж нэрлэдэг. Металлын хувьд ийм хэсэг нь бусадтай шууд харьцдаг бөгөөд электронуудыг өдөөхөд их хэмжээний энерги зарцуулах шаардлагагүй юм.

Гэхдээ бусад бодисуудын хувьд бүх зүйл өөр байдаг: электронууд валентын зурваст байрладаг. Тэнд тэд атомуудтай холбогдож, тэднийг орхиж чадахгүй. Валентийн зурвас нь дамжуулагч зурвасаас "дип"-ээр тусгаарлагдана. Электронууд зурвасын цоорхойг даван туулахын тулд бодис руу тодорхой энерги өгөх ёстой. Диэлектрик нь хагас дамжуулагчаас зөвхөн "дүрэлтийн" хэмжээгээр ялгаатай байдаг. Эхнийх нь 3 эВ-ээс их байна. Гэхдээ дунджаар хагас дамжуулагч нь 1-ээс 2 эВ-ийн зурвасын зөрүүтэй байдаг. Хэрэв цоорхой нь том бол энэ бодисыг өргөн зайтай хагас дамжуулагч гэж нэрлэдэг бөгөөд болгоомжтой хэрэглэнэ.

Хагас дамжуулагч дамжуулагчийн төрлүүд

Хагас дамжуулагчийн дотоод болон хольцын дамжуулалтын шинж чанарууд юу болохыг ойлгохын тулд эхлээд түүний төрлүүд юу болохыг олж мэдэх хэрэгтэй.

Хагас дамжуулагч бол болор гэж бид аль хэдийн хэлсэн. Энэ нь түүний тор нь үе үе ижил төстэй элементүүдээс бүрддэг гэсэн үг юм. Мөн түүний электронууд нь дамжуулагчийн зурваст "шидэгдэх" ёстой бөгөөд ингэснээр бодисоор гүйдэл урсдаг. Хэрэв энэ нь болорын эзэлхүүний туршид электронууд хөдөлдөг бол энэ нь электрон дамжуулалт юм. Үүнийг n-дамжуулагч гэж тодорхойлсон (Англи хэлний сөрөг үгийн эхний үсгээс, өөрөөр хэлбэл "сөрөг"). Гэхдээ өөр төрөл байдаг.

Тодорхой үелэх системд нэг элемент дутагдаж байна гэж төсөөлөөд үз дээ. Жишээлбэл, сагсанд теннисний бөмбөг байдаг. Тэдгээр нь жигд, ижил давхаргад байрладаг: тус бүр нь тэнцүү тооны бөмбөгтэй байдаг. Хэрэв нэг бөмбөгийг гаргаж авбал бүтцэд хоосон зай, нүх үүснэ. Бүх эргэн тойрон дахь бөмбөлгүүд цоорхойг нөхөхийг хичээх болно: дээд давхаргаас нэг элемент нь алга болсон нэг элементийг эзлэх болно. Тэнцвэр тогтох хүртэл гэх мэт. Гэхдээ үүнтэй зэрэгцэн нүх нь эсрэг чиглэлд, дээшээ хөдөлнө. Хэрэв эхлээд сагсан дахь бөмбөгний гадаргуу тэгш байсан бол дээд эгнээнд шилжсэний дараа нэг дутуу бөмбөгний оронд нүх үүснэ.

Хагас дамжуулагч дахь электронуудтай адилхан: хэрэв электронууд хүчдэлийн эерэг туйл руу шилждэг бол тэдний байранд үлдсэн хоосон зай нь сөрөг туйл руу шилждэг. Эдгээр эсрэг тэсрэг хэсгүүдийг "нүх" гэж нэрлэдэг бөгөөд тэдгээр нь эерэг цэнэгтэй байдаг.

Хэрэв хагас дамжуулагч дахь нүхнүүд давамгайлж байвал механизмыг p-дамжуулагч гэж нэрлэдэг (англи хэлний эерэг үгийн эхний үсгээс, өөрөөр хэлбэл "эерэг").

Холимог: осол эсвэл хүсэл үү?

Хүн "цэвэр зүйл" гэдэг үгийг сонсохдоо энэ нь ихэвчлэн хүсээгүй зүйлийг илэрхийлдэг. Жишээлбэл, "усан дахь хорт бодисын хольц", "ялалтын баяр баясгалангийн гашуун хольц". Гэхдээ хольц нь бас өчүүхэн, өчүүхэн зүйл юм.

Энэ үг эхнийхээсээ илүү хоёр дахь утгатай. Дамжуулах чанарын нэг хэлбэрийг сайжруулахын тулд атомыг болор руу оруулж болох бөгөөд энэ нь электронуудыг (донор) өгөх эсвэл тэдгээрийг (хүлээн авагч) авах болно. Заримдаа зарим төрлийн гүйдлийг нэмэгдүүлэхийн тулд бага хэмжээний гадны бодис шаардлагатай байдаг.

Тиймээс хагас дамжуулагчийн дотоод болон хольцын дамжуулалт нь ижил төстэй үзэгдэл юм. Нэмэлт нь зөвхөн болорын аль хэдийн байгаа чанарыг сайжруулдаг.

Давсалсан хагас дамжуулагчийн хэрэглээ

Кристалуудын дамжуулалтын төрөл нь чухал боловч практикт тэдгээрийг хослуулан хэрэглэдэг.

n ба p төрлийн хагас дамжуулагчийн уулзвар дээр эерэг ба сөрөг хэсгүүдийн давхарга үүсдэг. Хэрэв гүйдэл зөв холбогдсон бол цэнэгүүд бие биенээ арилгаж, цахилгаан гүйдэл хэлхээгээр урсах болно. Хэрэв туйлуудыг эсрэг чиглэлд холбосон бол өөр өөр цэнэглэгдсэн хэсгүүд бие биенээ хагасаар нь "түгжих" бөгөөд системд гүйдэл байхгүй болно.

Иймээс бага хэмжээний доптой цахиур нь цахилгаан гүйдлийг засах диод болж чаддаг.

Дээр дурдсанчлан хагас дамжуулагчийн дотоод болон хольцын дамжуулалт нь гол үүрэг гүйцэтгэдэг. Хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүд нь хоолойн төхөөрөмжөөс хамаагүй бага хэмжээтэй болсон. Технологийн энэхүү нээлт нь эрдэмтдийн онолын хувьд таамаглаж байсан зүйлсийн ихэнхийг биелүүлэх боломжийг олгосон боловч тоног төхөөрөмжийн хэмжээ том учраас одоогоор практикт хэрэгжих боломжгүй байна.

Цахиур ба орон зай

Хагас дамжуулагчийн ачаар сансрын аялал хамгийн чухал боломжуудын нэг болсон. 20-р зууны жараад он хүртэл пуужингийн удирдлага нь гайхалтай хүнд, эмзэг чийдэнгийн төхөөрөмжид агуулагддаг байсан тул үүнийг хийх боломжгүй байв. Чичиргээ, стрессгүйгээр ийм том чулууг өргөх ганц арга байхгүй. Цахиур, германий дамжуулалтыг нээсэн нь хяналтын элементүүдийн жинг бууруулж, илүү бат бөх, бат бөх болгох боломжтой болсон.