Yarı iletken maddeler. Yarı iletkenler - Fizikte Birleşik Devlet Sınavına hazırlık malzemeleri
Doğada elektrik iletkenlerinin yanı sıra, metal iletkenlerden önemli ölçüde daha düşük elektrik iletkenliğine sahip birçok madde vardır. Bu tür maddelere yarı iletkenler denir.
Yarı iletkenler şunları içerir: selenyum, silikon ve germanyum gibi bazı kimyasal elementler, talyum sülfür, kadmiyum sülfür, gümüş sülfür gibi kükürt bileşikleri, karborundum gibi karbürler,karbon (elmas),bor, gri kalay, fosfor, antimon, arsenik, tellür, iyot ve periyodik sistemin 4. - 7. gruplarının elementlerinden en az birini içeren bir dizi bileşik. Organik yarı iletkenler de vardır.
Bir yarı iletkenin elektriksel iletkenliğinin doğası, yarı iletkenin temel malzemesinde bulunan yabancı maddelerin türüne ve bileşenlerinin üretim teknolojisine bağlıdır.
Yarı iletken, bu özelliklere göre iletken ile yalıtkan arasında yer alan 10 -10 - 10 4 (ohm x cm) -1 değerine sahip bir maddedir. Bant teorisine göre iletkenler, yarı iletkenler ve yalıtkanlar arasındaki fark şu şekildedir: Saf yarı iletkenlerde ve elektronik yalıtkanlarda dolu bant (valans) ile iletim bandı arasında bir enerji boşluğu vardır.
Yarı iletkenler neden akımı iletir?
Bir yarı iletken, safsızlık atomlarındaki dış elektronlar bu atomların çekirdeklerine nispeten zayıf bir şekilde bağlıysa elektronik iletkenliğe sahiptir. Bu tür bir yarı iletkende bir elektrik alanı oluşturulursa, bu alanın kuvvetlerinin etkisi altında, yarı iletkenin safsızlık atomlarının dış elektronları, atomlarının sınırlarını terk edecek ve serbest elektronlara dönüşecektir.
Serbest elektronlar, elektrik alan kuvvetlerinin etkisi altında yarı iletkende bir elektrik iletim akımı oluşturacaktır. Sonuç olarak, elektronik iletkenliğe sahip yarı iletkenlerdeki elektrik akımının doğası, metal iletkenlerdekiyle aynıdır. Ancak bir yarı iletkenin birim hacminde, bir metal iletkenin birim hacmine göre kat kat daha az serbest elektron bulunduğundan, diğer tüm özdeş koşullar altında bir yarı iletkendeki akımın, bir yarı iletkendeki akımın birçok kez daha az olması doğaldır. metal iletken.
Bir yarı iletken, eğer safsızlık atomları yalnızca dış elektronlarından vazgeçmez, aynı zamanda yarı iletkenin ana maddesinin atomlarından elektronları yakalama eğilimindeyse "delik" iletkenliğine sahiptir. Safsızlık atomu, ana maddenin atomundan bir elektron alırsa, ikincisinde elektron için boş alan gibi bir şey oluşur - bir "delik".
Bir elektronunu kaybeden yarı iletken atoma "elektron deliği" veya kısaca "delik" adı verilir. Eğer "delik" komşu bir atomdan aktarılan bir elektronla doldurulursa, o zaman ortadan kaldırılır ve atom elektriksel olarak nötr hale gelir ve "delik", elektronunu kaybetmiş komşu atoma doğru yer değiştirir. Sonuç olarak, “delik” iletkenliğine sahip bir yarı iletken bir elektrik alanına maruz bırakılırsa “elektron delikleri” bu alanın yönünde kayacaktır.
Ön yargı Elektrik alanı yönündeki "elektron delikleri", pozitif elektrik yüklerinin alandaki hareketine benzer ve bu nedenle bir yarı iletkendeki elektrik akımı olgusunu temsil eder.
Yarı iletkenler elektriksel iletkenlik mekanizmalarıyla kesin olarak ayırt edilemezler çünkü"Delik" iletkenliği ile belirli bir yarı iletken, aynı zamanda bir dereceye kadar elektronik iletkenliğe de sahip olabilir.
Yarı iletkenler aşağıdakilerle karakterize edilir:
iletkenlik türü (elektronik - n tipi, delik - p tipi);
direnç;
yük taşıyıcılarının ömrü (azınlık) veya difüzyon uzunluğu, yüzey rekombinasyon hızı;
dislokasyon yoğunluğu.
Silikon en yaygın yarı iletken malzemedir
Sıcaklığın yarı iletkenlerin özellikleri üzerinde önemli bir etkisi vardır. Bundaki bir artış ağırlıklı olarak dirençte bir azalmaya yol açar ve bunun tersi de geçerlidir, yani. yarı iletkenler negatif varlığı ile karakterize edilir . Mutlak sıfıra yakın bir yarı iletken yalıtkan haline gelir.
Yarı iletkenler birçok cihazın temelini oluşturur. Çoğu durumda tek kristal formunda elde edilmeleri gerekir. Belirtilen özellikleri kazandırmak için yarı iletkenler çeşitli yabancı maddelerle katkılanır. Kaynak yarı iletken malzemelerin saflığına yönelik artan talepler bulunmaktadır.
Yarı iletkenler modern teknolojide en geniş uygulama alanını bulmuşlardır; teknik ilerleme üzerinde çok güçlü etkileri olmuştur. Onlar sayesinde elektronik cihazların ağırlığını ve boyutlarını önemli ölçüde azaltmak mümkün. Elektroniğin tüm alanlarının gelişimi, yarı iletken cihazlara dayalı çok sayıda çeşitli ekipmanın oluşturulmasına ve geliştirilmesine yol açmaktadır. Yarı iletken cihazlar mikro hücreler, mikro modüller, katı hal devreleri vb. için temel oluşturur.
Yarı iletken cihazlara dayalı elektronik cihazlar pratik olarak ataletsizdir. Dikkatlice yapılmış ve iyi yalıtılmış bir yarı iletken cihaz on binlerce saat dayanabilir. Bununla birlikte, bazı yarı iletken malzemeler düşük bir sıcaklık sınırına sahiptir (örneğin germanyum), ancak çok karmaşık olmayan sıcaklık dengelemesi veya cihazın ana malzemesinin bir başkasıyla (örneğin silikon, silikon karbür) değiştirilmesi bu dezavantajı büyük ölçüde ortadan kaldırır. Yarı iletken cihazların üretim teknolojisinin iyileştirilmesi, mevcut dağılımda ve parametrelerin kararsızlığında bir azalmaya yol açar.
Yarı iletkenlerde oluşturulan yarı iletken-metal kontağı ve elektron-delik bağlantısı (n-p bağlantısı) yarı iletken diyotların üretiminde kullanılmaktadır. Çift bağlantılar (p-n-p veya n-p-n) - transistörler ve tristörler. Bu cihazlar esas olarak elektrik sinyallerini düzeltmek, üretmek ve yükseltmek için kullanılır.
Yarı iletkenlerin fotoelektrik özelliklerine dayanarak fotodirençler, fotodiyotlar ve fototransistörler oluşturulur. Yarı iletken, salınım jeneratörlerinin (yükselteçlerin) aktif parçası olarak görev yapar. Elektrik akımı ileri yönde bir pn bağlantısından geçtiğinde, yük taşıyıcıları (elektronlar ve delikler) LED'lerin oluşturulmasında kullanılan foton emisyonuyla yeniden birleşir.
Yarı iletkenlerin termoelektrik özellikleri, yarı iletken termal dirençler, yarı iletken termo elemanlar, termopiller ve termoelektrik jeneratörler ve Peltier etkisine dayalı yarı iletkenlerin termoelektrik soğutması - termoelektrik buzdolapları ve termostabilizatörler oluşturmayı mümkün kılmıştır.
Yarı iletkenler, termal ve güneş enerjisini elektriğe çeviren makinesiz dönüştürücülerde (termoelektrik jeneratörler ve fotoelektrik dönüştürücüler (güneş pilleri)) kullanılır.
Bir yarı iletkene uygulanan mekanik stres, yarı iletken gerinim ölçerin temelini oluşturan elektrik direncini değiştirir (etki metallerdekinden daha güçlüdür).
Yarı iletken cihazlar, elektronikte devrim yaratarak dünya pratiğinde yaygınlaştı; aşağıdakilerin geliştirilmesi ve üretimi için temel teşkil ediyor:
ölçüm ekipmanları, bilgisayarlar,
Her türlü iletişim ve ulaşım için ekipman,
endüstride proses otomasyonu için,
bilimsel araştırmalara yönelik cihazlar,
roket teknolojisi,
tıbbi malzeme
diğer elektronik cihazlar ve aletler.
Yarı iletken cihazların kullanımı, yeni ekipmanların oluşturulmasını ve eskilerinin iyileştirilmesini mümkün kılar; bu, boyutlarında, ağırlığında, güç tüketiminde azalma ve dolayısıyla devrede ısı üretiminde azalma, güçte artış, anında harekete hazır olma anlamına gelir. ve elektronik cihazların servis ömrünü ve güvenilirliğini artırabilir.
Tarihi bilgi
Özel bir madde sınıfı olarak yarı iletkenler, 19. yüzyılın sonlarından beri bilinmektedir, yalnızca katı hal teorisinin gelişimi, özelliklerinin keşfedilmeden çok önce anlaşılmasını mümkün kılmıştır:
1. metal-yarı iletken kontağında akım düzeltmenin etkisi
2. fotoiletkenlik.
Onlara dayanan ilk cihazlar inşa edildi.
O. V. Losev (1923), salınımları (kristal dedektörü) yükseltmek ve üretmek için yarı iletken metal kontaklar kullanma olasılığını kanıtladı. Ancak sonraki yıllarda kristal dedektörlerin yerini elektron tüpleri aldı ve ancak 50'li yılların başında transistörlerin keşfiyle (ABD 1949), yarı iletkenlerin (çoğunlukla radyo elektroniklerinde germanyum ve silikon) yaygın kullanımı başladı. Aynı zamanda, kristalleri temizleme ve katkılama (yarı iletkene belirli yabancı maddelerin eklenmesi) yöntemlerinin geliştirilmesiyle kolaylaştırılan yarı iletkenlerin özellikleri üzerine yoğun bir çalışma başladı.
SSCB'de yarı iletkenlerle ilgili çalışmalar 20'li yılların sonlarında A.F. Ioffe, SSCB Bilimler Akademisi Fiziko-Teknik Enstitüsü'nde.
Yarı iletkenlerde uyarılmış emisyonun keşfedilmesi nedeniyle yarı iletkenlerin optik özelliklerine olan ilgi artmıştır; bu, önce p-n ekleminde ve daha sonra heteroeklemlerde yarı iletken lazerlerin yaratılmasına yol açmıştır.
Son zamanlarda yarı iletkenlerin etkisine dayalı cihazlar daha yaygın hale geldi. Bu maddeler nispeten yakın zamanda incelenmeye başlandı, ancak ne modern elektronik, ne tıp ne de diğer birçok bilim onlarsız yapamaz.
Yarı iletkenlerin özellikleri
Yarı iletkenler- metallerin spesifik elektriksel iletkenliği ile iyi dielektrikler arasındaki aralıkta yer alan, spesifik elektriksel iletkenlik değerleri d ile karakterize edilen geniş bir madde sınıfı, yani bu maddeler ya dielektrik olarak sınıflandırılamaz (iyi olmadıkları için) yalıtkanlar) veya metaller (elektrik akımını iyi iletmezler). Yarı iletkenler örneğin germanyum, silikon, selenyum, tellür gibi maddelerin yanı sıra bazı oksitler, sülfitler ve metal alaşımlarını içerir.
Yarı iletkenler uzun süredir bilim insanları ve mühendisler tarafından pek ilgi görmemiştir. Yarı iletkenlerin fiziksel özelliklerine ilişkin sistematik araştırmaya ilk başlayanlardan biri, seçkin Sovyet fizikçisi Abram Fedorovich Ioffe idi. Yarı iletkenlerin birçok dikkate değer özelliğe sahip özel bir kristal sınıfı olduğunu keşfetti:
1) Artan sıcaklıkla birlikte, direnci artan sıcaklıkla artan metallerin aksine, yarı iletkenlerin direnci azalır. Ayrıca, kural olarak, geniş bir sıcaklık aralığında bu artış katlanarak meydana gelir:
d = do ∙ deneyim. (-adet/kT)
burada ea sözde iletim aktivasyon enerjisidir,
dо - sıcaklığa bağlı katsayı
Yarı iletken kristallerin direnci, ışığa veya güçlü elektronik alanlara maruz kaldığında da azalabilir.
2) İki yarı iletkenin temasının tek yönlü iletkenlik özelliği. Çeşitli yarı iletken cihazların oluşturulmasında kullanılan bu özelliktir: diyotlar, transistörler, tristörler vb.
3) Aydınlatıldığında veya ısıtıldığında belirli koşullar altında çeşitli yarı iletkenlerin kontakları foto-e kaynaklarıdır. d.s. veya buna göre termo-e. d.s.
Yarı iletkenlerin yapısı ve çalışma prensibi.
Daha önce de belirtildiği gibi yarı iletkenler özel bir kristal sınıfıdır. Değerlik elektronları, Şekil 1'de şematik olarak gösterilen düzenli kovalent bağlar oluşturur. Böyle ideal bir yarı iletken, elektrik akımını hiç iletmez (aydınlatma ve radyasyona maruz kalma olmadığında).
Tıpkı iletken olmayan maddelerde olduğu gibi yarı iletkenlerde de elektronlar atomlara bağlıdır ancak bu bağ çok zayıftır. Sıcaklık arttıkça
(T>0 K), aydınlatma veya ışınlama altında elektronik bağlar kırılabilir ve bu da bir elektronun atomdan ayrılmasına yol açabilir (Şekil 2). Böyle bir elektron bir akım taşıyıcısıdır. Yarı iletkenin sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, iletim elektronlarının konsantrasyonu da o kadar yüksek olur, dolayısıyla direnç o kadar düşük olur. Bu nedenle, yarı iletkenlerin ısıtıldığında direncindeki azalma, içindeki akım taşıyıcılarının konsantrasyonundaki artıştan kaynaklanmaktadır.
Yarı iletken maddelerdeki akım taşıyıcıları, iletkenlerden farklı olarak yalnızca elektronlar değil aynı zamanda "delikler" de olabilir. Yarı iletken atomlardan biri bir elektronu kaybettiğinde, yörüngesinde boş bir alan kalır - bir "delik"; kristale bir elektrik alanı uygulandığında, "delik" pozitif bir yük olarak E vektörüne doğru hareket eder ve bu aslında nedeniyle oluşur. bazı bağların kopmasına ve diğerlerinin yeniden kurulmasına. Bir "delik" geleneksel olarak pozitif yük taşıyan bir parçacık olarak düşünülebilir.
Safsızlık iletkenliği .
Aynı yarı iletken ya elektronik,veya delik iletkenlik - bu, eklenen yabancı maddelerin kimyasal bileşimine bağlıdır. Safsızlıkların yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliği üzerinde güçlü bir etkisi vardır:
örneğin, safsızlıkların yüzde binde biri yüzbinlerce kez olabilir
dirençlerini azaltın. Bu gerçek bir yandan yarı iletkenlerin özelliklerinin değiştirilebileceğini gösterirken, diğer yandan belirli özelliklere sahip yarı iletken malzemelerin üretiminde teknolojinin zorluklarını da göstermektedir.
Safsızlıkların yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliği üzerindeki etkisinin mekanizması göz önüne alındığında iki durum dikkate alınmalıdır:
Elektronik iletkenlik .
Arsenik veya antimon gibi germanyuma elektron açısından zengin yabancı maddelerin eklenmesi, yarı iletken bir yarı iletken elde edilmesini mümkün kılar. elektronik iletkenlik veya n-tipi yarı iletken (Latince "negativus" - "negatif" kelimesinden gelir).
İncirde. Şekil 3a, 0 K'deki elektron bağlarının resmini şematik olarak göstermektedir. Arseniğin değerlik elektronlarından biri, diğer atomlarla bağlara katılmaz. Sıcaklık arttıkça bir elektron atomdan kopabilir (bkz. Şekil 3b) ve böylece elektronik iletkenlik oluşur.
Bu tür elektriksel iletkenliği yaratan yabancı maddelere donör denir.
Delik iletkenliği
Aynı germanyuma alüminyum, galyum veya indiyum eklenmesi, kristalde aşırı delik oluşmasına neden olur. Daha sonra yarı iletken sahip olacak delik iletkenliği - p tipi yarı iletken.
Delik safsızlığı elektrik iletkenliği, ana atomlardan daha az değerlik elektronuna sahip atomlar tarafından oluşturulur. İncirde. Şekil 4, germanyumun bor safsızlığıyla elektronik bağlantılarını şematik olarak göstermektedir. 0 K'de tüm bağlar tamamdır, yalnızca borda bir bağ eksiktir (bkz. Şekil 4a). Ancak sıcaklığın artmasıyla birlikte bor, komşu atomlardan gelen elektronlar pahasına bağlarını doyurabilir (bkz. Şekil 4b).
Bu tür safsızlıklara alıcı safsızlıkları denir.
Sıvı yarı iletkenler
Birçok kristal yarı iletkenin erimesine, elektriksel iletkenlik Q'larında metaller için tipik değerlere keskin bir artış eşlik eder (bkz. Şekil 5a). Bununla birlikte, bazı yarı iletkenler (örneğin, HgSe, HgTe, vb.) erime sırasında Q'nun korunması veya azalmasıyla karakterize edilir ve yarı iletkenler, Q'nun sıcaklığa bağımlılığının doğasını korur (bkz. Şekil 5b). Bazı sıvı yarı iletkenler, sıcaklığın daha da artmasıyla birlikte yarı iletken özelliklerini kaybeder ve metalik özellikler kazanır (örneğin, Te - Se alaşımları ve Te alaşımları). Se açısından zengin Te - Se alaşımları farklı davranır; elektriksel iletkenlikleri doğası gereği tamamen yarı iletkendir.
Sıvı yarı iletkenlerde bant aralığının rolü, elektronların enerji spektrumundaki minimum durum yoğunluğuna yakın enerji bölgesi tarafından oynanır.
Minimum yeterince derinse, çevresinde düşük hareket kabiliyetine sahip (pseudogap) yük taşıyıcılarının neredeyse lokalize durumlarından oluşan bir bölge belirir. Sıcaklık arttıkça sözde boşluklar "çökerse" sıvı yarı iletken metale dönüşür.
Yarı iletkenlerin kullanımı.
Teknoloji için en önemli yarı iletken cihazlar - diyotlar, transistörler, tristörler, elektronik veya delik iletkenliğine sahip dikkat çekici malzemelerin kullanımına dayanmaktadır.
Yarı iletkenlerin yaygın kullanımı nispeten yakın zamanda başladı ve şimdi çok yaygın olarak kullanılıyorlar. Işık ve termal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler ve bunun tersi olarak elektriği kullanarak ısı ve soğuk üretirler. Yarı iletken cihazlar, geleneksel bir radyo alıcısında ve bir kuantum jeneratöründe (lazer), küçük bir atom pilinde ve mikroişlemcilerde bulunabilir.
Mühendisler yarı iletken redresörler olmadan yapamazlar.
anahtarlar ve amplifikatörler. Tüp ekipmanının yarı iletken ekipmanla değiştirilmesi, elektronik cihazların boyutunu ve ağırlığını on kat azaltmayı, güç tüketimini azaltmayı ve güvenilirliği önemli ölçüde artırmayı mümkün kıldı.
Yarı iletkenler teknolojide yaygın olarak kullanılmaktadır. Yarı iletken bir diyotun etkisi farklı iletkenliğe (p ve n tipi) dayanmaktadır. P ve n iletkenliğine sahip yarı iletkenler belirli bir akım yönü ile temas ettiğinde, devrede bir bariyer katmanı oluşturulur (Şekil 19.4) - alanı yük taşıyıcılarının transferini önleyen çift elektrik katmanı. Bu, alternatif akımı düzeltmeye yarayan yarı iletken diyotun hareketinin temelidir. Selenyum redresörleri ilk yaygınlaşanlar arasındaydı.
Diyotlara ek olarak, yarı iletken triyotlar da radyo mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır - iki p-n bağlantısının bulunduğu transistörler: p-n-p veya n-p-n.
Yarı iletkenlerin güçlü sıcaklık bağımlılığı, sıcaklığı ölçmek için oldukça hassas cihazlar olan termistörlerde kullanılır.
Yarı iletkenlerin birçok uygulaması arasında, çalışması yarı iletkenlerin fotoiletkenliğine (ışığın etkisi altında direnci değiştirme yeteneği) (tamamen katı bir madde içinde meydana gelen fotoelektrik etkiye benzer bir olay) dayanan güneş pilleri de vardır. .
Manyetik kuvvetler
Maddelerin manyetik özellikleri eski çağlardan beri bilinmektedir. Eski bilim adamlarının demiri çeken bir taş olarak tanımladığı bu taş, doğal bir mıknatıstır; doğada oldukça sık bulunan bir mineraldir. Demir bileşiklerinden oluşur (FeO - %31 ve Fe203 - %69). Zaten 1600 yılında, V. Gilbert'in çok sayıda deneysel gerçeğin genellemesini içeren “Mıknatıs, Manyetik Cisimler ve Dünyanın Büyük Mıknatısı Üzerine” adlı çalışması yayınlandı. Başlıcaları şöyleydi:
1) bir mıknatısın özellikleri farklı olan iki kutbu vardır - kuzey ve güney,
2) kutupların aksine, kutupların itmesi gibi çeker;
3) manyetik iğne uzayda belirli bir şekilde kuzeyden güneye bakacak şekilde yerleştirilmiştir;
4) tek kutuplu bir mıknatıs elde etmek imkansızdır;
5) Dünya büyük bir mıknatıstır.
Manyetik olayın doğası ancak 19. yüzyılda elektrik akımının (hareketli yükler) manyetik bir alan yarattığına dair deneysel gerçekler ortaya çıktıktan sonra ortaya çıktı (R. Erstad, 1820).Sonuç olarak iletkenlerin akımlarla etkileşiminin incelenmesi Bunlardan aynı yöndeki paralel akımların çekildiği ve zıt akımların itildiği (J.Amper, I820), hareketli elektrik yükleri arasındaki etkileşim kuvvetlerinin, sabit yükler arasındaki etkileşim kuvvetlerinden farklı olduğu sonucuna varılmıştır. .
Hareketli yükler arasında oluşan ek kuvvetlere manyetik kuvvetler denir. Bunun nedeni, akımın manyetik bir iğne üzerindeki etkisiyle keşfedilmiş olmalarıdır.
Böylece, tüm manyetik bozukluklar elektriksel olanlara indirgenebilir ve Einstein'ın gösterdiği gibi manyetik kuvvetler, Coulomb yasasının göreli bir düzeltmesidir.
İletkenlerde akım yokken aralarında herhangi bir etkileşim kuvveti oluşmaz çünkü metal kristal kafesin iyonlarının pozitif yükü ve elektronların negatif yükü eşit olarak dağıtılır ve iletken içindeki toplam yük sıfırdır. Akımın varlığında elektronların hareketi nedeniyle aralarındaki ortalama mesafe bir faktör kadar azalır.
V elektronların sürüklenme hızıdır. Sonuç olarak elektron yük yoğunluğu iki kat artacak ve dolayısıyla ortaya çıkan yük sıfır olmayacaktır. Bu iletkenlerin etkileşimine yol açar.
Bir p-n-kavşağının temel özelliklerinden biri, elektrik akımını tek (ileri) yönde, ters yöne göre binlerce ve milyonlarca kat daha iyi iletme yeteneğidir.
Yarı iletkenler, elektrik akımını iyi ileten maddeler (iletkenler, çoğunlukla metaller) ile pratik olarak elektrik akımını iletmeyen maddeler (yalıtkanlar veya dielektrikler) arasında bir ara pozisyona sahip olan bir madde sınıfıdır.
Yarı iletkenler, özelliklerinin ve karakteristiklerinin içerdikleri mikroskobik miktardaki yabancı maddelere güçlü bir şekilde bağlı olmasıyla karakterize edilir. Bir yarı iletkendeki safsızlık miktarını yüzde on milyonda birinden %0,1-1'e değiştirerek iletkenliklerini milyonlarca kez değiştirebilirsiniz. Yarı iletkenlerin bir diğer önemli özelliği, elektrik akımının yalnızca negatif yükler - elektronlar tarafından değil, aynı zamanda eşit büyüklükteki pozitif yükler - delikler tarafından da içlerine taşınmasıdır.
İdealleştirilmiş bir yarı iletken kristali, kesinlikle herhangi bir yabancı maddeden arındırılmış olarak düşünürsek, o zaman elektrik akımını iletme yeteneği, içsel elektrik iletkenliği olarak adlandırılan şey tarafından belirlenecektir.
Yarı iletken bir kristaldeki atomlar, dış elektron kabuğundaki elektronlar kullanılarak birbirine bağlanır. Atomların termal titreşimleri sırasında termal enerji, bağ oluşturan elektronlar arasında eşit olmayan bir şekilde dağıtılır. Bireysel elektronlar, atomlarından "kopmak" ve kristal içinde serbestçe hareket edebilmek, yani potansiyel akım taşıyıcıları haline gelmek (başka bir deyişle iletim bandına doğru hareket etmek) için yeterli termal enerjiyi alabilirler. Böyle bir elektron ayrılması, atomun elektriksel nötrlüğünü ihlal eder; ayrılan elektronun yüküne eşit büyüklükte bir pozitif yük kazanır. Bu boş alana delik denir.
Boş yer komşu bağdan gelen bir elektron tarafından doldurulabileceği için delik de kristalin içinde hareket ederek pozitif akım taşıyıcısı haline gelebilir. Doğal olarak bu koşullar altında elektronlar ve delikler eşit miktarlarda ortaya çıkar ve böyle ideal bir kristalin elektriksel iletkenliği hem pozitif hem de negatif yükler tarafından eşit şekilde belirlenecektir.
Ana yarı iletkenin atomunun yerine, dış elektron kabuğu ana yarı iletkenin atomundan bir elektron daha fazla içeren bir safsızlık atomu yerleştirirsek, o zaman böyle bir elektronun oluşumu için gereksiz, gereksiz olduğu ortaya çıkacaktır. Kristaldeki atomlar arası bağlar ve atomuyla zayıf bir şekilde bağlantılıdır. Onlarca kat daha az enerji onu atomundan koparıp serbest bir elektrona dönüştürmeye yeter. Bu tür safsızlıklara donör adı verilir, yani "fazladan" bir elektron bağışlanır. Safsızlık atomu elbette pozitif olarak yüklenir, ancak herhangi bir delik görünmez, çünkü bir delik yalnızca doldurulmamış bir atomlar arası bağdaki bir elektron boşluğu olabilir ve bu durumda tüm bağlar doldurulur. Bu pozitif yük, atomuyla ilişkili olarak hareketsiz kalır ve bu nedenle elektriksel iletkenlik sürecine katılamaz.
Dış elektron kabuğu ana maddenin atomlarından daha az elektron içeren bir yarı iletkene yabancı maddelerin eklenmesi, doldurulmamış bağların, yani deliklerin ortaya çıkmasına neden olur. Yukarıda bahsedildiği gibi bu boşluk, komşu bağdan gelen bir elektron tarafından doldurulabilir ve delik, kristal boyunca serbestçe hareket edebilir. Başka bir deyişle, bir deliğin hareketi, elektronların bir komşu bağdan diğerine sıralı geçişidir. Bir elektronu "kabul eden" bu tür safsızlıklara alıcı safsızlıkları denir.
N tipi metal-dielektrik yarı iletken yapıya bir voltaj (kutup diyagramında belirtildiği gibi) uygulanırsa, yarı iletkenin yüzeye yakın katmanında elektronları iten bir elektrik alanı ortaya çıkar. Bu katmanın tükendiği ortaya çıktı.
Çoğunluk taşıyıcılarının pozitif yükler (delikler) olduğu p tipi bir yarı iletkende, elektronları iten voltajın polaritesi delikleri çekecek ve direnci azaltılmış, zenginleştirilmiş bir katman oluşturacaktır. Bu durumda polaritedeki bir değişiklik deliklerin itilmesine ve artan dirence sahip yüzeye yakın bir tabakanın oluşmasına yol açacaktır.
Bir tür veya diğer türdeki yabancı maddelerin miktarındaki artışla, kristalin elektriksel iletkenliği giderek daha belirgin bir elektronik veya delik karakteri kazanmaya başlar. Latince negativus ve positivus kelimelerinin ilk harflerine uygun olarak, elektronik elektriksel iletkenliğe n-tipi elektriksel iletkenlik, delik iletkenliğine ise p-tipi denir; bu, belirli bir yarı iletken için hangi tip mobil yük taşıyıcılarının ana olduğunu gösterir ve hangisi küçük olanıdır.
Safsızlıkların (yani safsızlıkların) varlığına bağlı elektriksel iletkenlik ile, kristalde hala 2 tip taşıyıcı kalmıştır: esas olarak yarı iletkene yabancı maddelerin girmesi nedeniyle ortaya çıkan ana olanlar ve azınlık olanlar, görünümlerini termal uyarıma borçludurlar. Belirli bir yarı iletken için belirli bir sıcaklıkta n elektronlarının ve p deliklerinin 1 cm3 (konsantrasyon) içeriği sabit bir değerdir: n - p = sabit. Bu, yabancı maddelerin eklenmesi nedeniyle belirli bir tipteki taşıyıcıların konsantrasyonunu birkaç kat artırarak, başka tipteki taşıyıcıların konsantrasyonunu aynı miktarda azalttığımız anlamına gelir. Yarı iletkenlerin bir sonraki önemli özelliği sıcaklık ve radyasyona karşı güçlü hassasiyetleridir. Sıcaklık arttıkça kristaldeki atomların ortalama titreşim enerjisi artar ve giderek daha fazla bağ kırılır. Gittikçe daha fazla elektron ve delik çifti ortaya çıkacak. Yeterince yüksek sıcaklıklarda, içsel (termal) iletkenlik, safsızlık iletkenliğine eşit olabilir veya hatta onu önemli ölçüde aşabilir. Safsızlıkların konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, bu etki o kadar yüksek sıcaklıklar ortaya çıkar.
Işık kuantumunun enerjisi bağları kırmak için yeterliyse, bağlar yarı iletkenin örneğin ışıkla ışınlanmasıyla da kırılabilir. Bağların kopma enerjisi farklı yarı iletkenler için farklıdır, dolayısıyla ışınlama spektrumunun belirli kısımlarına farklı tepki verirler.
Ana yarı iletken malzemeler olarak silikon ve germanyum kristalleri kullanılırken, safsızlık olarak bor, fosfor, indiyum, arsenik, antimon ve yarı iletkenlere gerekli özellikleri veren diğer birçok element kullanılır. Belirli bir yabancı madde içeriğine sahip yarı iletken kristallerin üretimi, yüksek hassasiyet ve karmaşıklığa sahip ekipmanlar kullanılarak özellikle temiz koşullarda gerçekleştirilen karmaşık bir teknolojik süreçtir.
Yarı iletkenlerin listelenen en önemli özelliklerinin tümü, amaçları ve uygulama alanları bakımından çok çeşitli yarı iletken cihazlar oluşturmak için kullanılır. Diyotlar, transistörler, tristörler ve diğer birçok yarı iletken cihaz teknolojide yaygın olarak kullanılmaktadır. Yarı iletkenlerin kullanımı nispeten yakın zamanda başlamıştır ve bugün bunların tüm "mesleklerini" listelemek zordur. Işığı ve termal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler ve bunun tersine, elektriği kullanarak ısı ve soğuk yaratırlar (bkz. Güneş enerjisi). Yarı iletken cihazlar, geleneksel bir radyo alıcısında ve bir kuantum jeneratöründe (lazer), küçük bir atom pilinde ve bir elektronik bilgisayarın minyatür bloklarında bulunabilir. Günümüzün mühendisleri yarı iletken redresörler, anahtarlar ve amplifikatörler olmadan yapamazlar. Tüp ekipmanının yarı iletken ekipmanla değiştirilmesi, elektronik cihazların boyutunu ve ağırlığını on kat azaltmayı, güç tüketimini azaltmayı ve güvenilirliği önemli ölçüde artırmayı mümkün kıldı.
Bunu Mikroelektronik makalesinde okuyabilirsiniz.
Bu makalede olağanüstü derecede önemli veya ilginç hiçbir şey yok, yalnızca "kuklalar" için basit bir sorunun yanıtı var: Yarı iletkenleri metallerden ve dielektriklerden ayıran temel özellikler nelerdir?
Yarı iletkenler, bir bant aralığı (iletim bandı ile valans bandı arasında) bulunan malzemelerdir (kristaller, polikristalin ve amorf malzemeler, elementler veya bileşikler).
Elektronik yarı iletkenler, elektriksel iletkenlik açısından metaller (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) ve dielektrikler (σ = 10 -10 ÷10 -20 Ohm -) arasında bir ara pozisyon işgal eden kristaller ve amorf maddelerdir. 1 cm-1). Ancak verilen iletkenlik sınır değerleri oldukça keyfidir.
Bant teorisi, katıları metaller ve yarı iletkenler (yalıtkanlar) olmak üzere iki sınıfa ayırmayı mümkün kılan bir kriter formüle etmeyi mümkün kılar. Metaller, değerlik bandında elektronların hareket edebileceği, örneğin bir elektrik alanındaki hızlanma nedeniyle ek enerji alabileceği serbest seviyelerin varlığıyla karakterize edilir. Metallerin ayırt edici bir özelliği, uyarılmamış hallerinde (0 K'da) iletken elektronlara sahip olmalarıdır; harici bir elektrik alanının etkisi altında düzenli harekete katılan elektronlar.
0 K'daki yarı iletkenlerde ve yalıtkanlarda değerlik bandı tamamen doludur ve iletim bandı ondan bir bant aralığı ile ayrılır ve taşıyıcı içermez. Bu nedenle çok güçlü olmayan bir elektrik alanı değerlik bandında yer alan elektronları güçlendirip iletim bandına aktaramaz. Başka bir deyişle 0 K'deki bu tür kristaller ideal yalıtkanlar olmalıdır. Sıcaklık arttığında veya böyle bir kristal ışınlandığında, elektronlar iletim bandına geçmeye yetecek miktarda termal veya ışıma enerjisi emebilir. Bu geçiş sırasında değerlik bandında elektriğin transferine de katılabilecek delikler ortaya çıkar. Bir elektronun değerlik bandından iletim bandına geçme olasılığı ( -EG/ kT), Nerede eG - yasak bölgenin genişliği. Büyük bir değere sahip eG (2-3 eV) bu olasılığın çok küçük olduğu ortaya çıkıyor.
Dolayısıyla maddelerin metaller ve metal olmayanlar olarak ayrılmasının çok kesin bir temeli vardır. Buna karşılık, metal olmayanların yarı iletkenlere ve dielektriklere bölünmesinin böyle bir temeli yoktur ve tamamen koşulludur.
Daha önce bant aralığına sahip maddelerin dielektrik olarak sınıflandırılabileceğine inanılıyordu. eG≈ 2÷3 eV, ancak daha sonra çoğunun tipik yarı iletkenler olduğu ortaya çıktı. Ayrıca, bileşenlerden birinin safsızlık konsantrasyonuna veya aşırı (stoikiometrik bileşimin üzerinde) atomlarına bağlı olarak, aynı kristalin hem yarı iletken hem de yalıtkan olabileceği gösterilmiştir. Bu, örneğin elmas, çinko oksit, galyum nitrür vb. kristalleri için geçerlidir. Baryum ve stronsiyum titanatların yanı sıra rutil gibi tipik dielektrikler bile kısmi indirgeme sonrasında, içlerinde fazla metal atomunun ortaya çıkmasıyla ilişkili yarı iletkenlerin özelliklerini kazanır.
Metal olmayanların yarı iletkenlere ve dielektriklere bölünmesinin de belirli bir anlamı vardır, çünkü elektronik iletkenliği yabancı maddelerin eklenmesiyle veya aydınlatma veya ısıtmayla gözle görülür şekilde artırılamayan bir dizi kristal bilinmektedir. Bunun nedeni ya fotoelektronların ömrünün çok kısa olması, ya kristallerdeki derin tuzakların varlığı ya da elektronların çok düşük hareketliliğidir. bir elektrik alanında son derece düşük bir hızla sürüklenirler.
Elektriksel iletkenlik, konsantrasyon n, yük e ve yük taşıyıcıların hareketliliği ile orantılıdır. Bu nedenle, çeşitli malzemelerin iletkenliğinin sıcaklığa bağımlılığı, belirtilen parametrelerin sıcaklığa bağımlılığıyla belirlenir. Tüm elektronik iletkenlerin şarjı için e sabittir ve sıcaklıktan bağımsızdır. Çoğu malzemede, hareketli elektronlar ve fononlar arasındaki çarpışmaların yoğunluğundaki artışa bağlı olarak, hareketlilik değeri genellikle artan sıcaklıkla birlikte hafifçe azalır. kristal kafesin titreşimleri nedeniyle elektron saçılması nedeniyle. Bu nedenle metallerin, yarı iletkenlerin ve dielektriklerin farklı davranışları temel olarak yük taşıyıcı konsantrasyonu ve sıcaklığa bağımlılığı ile ilişkilidir:
1) metallerde yük taşıyıcılarının n konsantrasyonu yüksektir ve sıcaklık değişimleriyle birlikte biraz değişir. Elektriksel iletkenlik denkleminde yer alan değişken hareketliliktir. Hareketlilik sıcaklıkla birlikte biraz azaldığı için elektriksel iletkenlik de azalır;
2) yarı iletkenler ve dielektriklerde N genellikle sıcaklıkla üstel olarak artar. Bu hızlı büyüme N Hareketlilikteki azalmaya göre iletkenlikteki değişikliklere en önemli katkıyı sağlar. Bu nedenle sıcaklık arttıkça elektriksel iletkenlik hızla artar. Bu anlamda dielektrikler belirli bir sınırlayıcı durum olarak düşünülebilir, çünkü normal sıcaklıklarda değer N bu maddelerde son derece küçüktür. Yüksek sıcaklıklarda, bireysel dielektriklerin iletkenliği, artış nedeniyle yarı iletken seviyeye ulaşır. N. Bunun tersi de gözlenir; düşük sıcaklıklarda bazı yarı iletkenler yalıtkan haline gelir.
Kaynakça
- West A. Katıların kimyası. Bölüm 2 Per. İngilizceden - M .: Mir, 1988. - 336 s.
- Modern kristalografi. T.4. Kristallerin fiziksel özellikleri. - M.: Nauka, 1981.
Kimya Fakültesi 501. grup öğrencileri: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.
