Отпорност на проводникот. Спроводливост. Диелектриците. Примена на проводници и изолатори. Полупроводници.
Физичките супстанции се различни во нивните електрични својства. Најобемни класи на материја се спроводниците и диелектриците.
Диригенти
Главна карактеристика на проводниците– присуство на бесплатни носители на полнеж кои учествуваат во термичкото движење и можат да се движат низ целиот волумен на супстанцијата.
Како по правило, таквите супстанции вклучуваат раствори на сол, топи, вода (освен дестилирана), влажна почва, човечко тело и, се разбира, метали.
Металисе сметаат за најдобри спроводници на електрично полнење.
Има и многу добри спроводници кои не се метали.
Меѓу таквите проводници, најдобар пример е јаглеродот.
Сите проводнициимаат својства како што се отпор
И спроводливост
. Поради фактот што електричните полнежи, кои се судираат со атоми или јони на супстанција, надминуваат одреден отпор на нивното движење во електрично поле, вообичаено е да се каже дека проводниците имаат електричен отпор ( Р).
Реципроцитетот на отпорот се нарекува спроводливост ( Г).
G = 1/R
Тоа е, спроводливост – Тоа е својство или способност на проводникот да спроведува електрична струја.
Треба да го разберете тоа добри водичипретставуваат многу ниска отпорност на протокот на електрични полнежи и, соодветно, имаат висока спроводливост. Колку е подобар проводникот, толку е поголема неговата спроводливост. На пример, бакарен проводник има b О
поголема спроводливост од алуминиумски проводник, а спроводливоста на сребрен проводник е поголема од истиот проводник направен од бакар.
Диелектрици
Диелектриците вклучуваат, пред сè, гасови кои многу лошо спроведуваат електрични полнежи. Како и стакло, порцелан, керамика, гума, картон, суво дрво, разни пластики и смоли.
Предметинаправени од диелектрици се нарекуваат изолатори. Треба да се напомене дека диелектричните својства на изолаторите во голема мера зависат од состојбата на околината. Така, во услови на висока влажност (водата е добар проводник), некои диелектрици може делумно да ги загубат своите диелектрични својства.
За употребата на проводници и изолатори
На пр, сите електрични жици во куќата се направени од метал (обично бакар или алуминиум). А обвивката на овие жици или приклучокот што е приклучен во штекерот мора да бидат направени од разни полимери, кои се добри изолатори и не дозволуваат да поминуваат електрични полнежи.
Треба да се забележидека термините „проводник“ или „изолатор“ не ги одразуваат квалитетните карактеристики: карактеристиките на овие материјали всушност се движат од многу добри до многу лоши.
Среброто, златото, платината се многу добри спроводници, но тоа се скапи метали, па затоа се користат само таму каде што цената е помалку важна во споредба со функцијата на производот (простор, одбрана).
Бакарот и алуминиумот се исто така добри проводници и во исто време ефтини, што ја предодредило нивната широка употреба.
Волфрамот и молибденот, напротив, се лоши проводници и поради оваа причина не можат да се користат во електрични кола (тие ќе ја нарушат работата на колото), но високата отпорност на овие метали, во комбинација со огноотпорноста, ја предодредена нивната употреба во лампи со вжарено влакно. и високотемпературни грејни елементи.
Изолаториима и многу добри, само добри и лоши. Ова се должи на фактот дека вистинските диелектрици содржат и слободни електрони, иако има многу малку од нив. Појавата на слободни полнежи дури и во изолаторите се должи на топлинските вибрации на електроните: под влијание на висока температура, некои електрони сè уште успеваат да се отцепат од јадрото и изолационите својства на диелектрикот се влошуваат. Некои диелектрици имаат повеќе слободни електрони и нивниот квалитет на изолација е соодветно полош. Доволно е да се споредат, на пример, керамика и картон.
Најдобар изолаторе идеален вакуум, но практично е недостижен на Земјата. Апсолутно чистата вода исто така ќе биде одличен изолатор, но дали некој ја видел во реалноста? И водата со присуство на какви било нечистотии е веќе прилично добар проводник.
Критериум за квалитет на изолатор е неговата усогласеност со функциите што мора да ги извршува во дадено коло. Ако диелектричните својства на материјалот се такви што секое истекување низ него е занемарливо (не влијае на работата на колото), тогаш таков материјал се смета за добар изолатор.
Полупроводници
Постојат супстанции, кои во својата спроводливост заземаат средно место помеѓу спроводниците и диелектриците.
Таквите супстанции се нарекуваат полупроводници.
Тие се разликуваат од проводниците по силната зависност на спроводливоста на електричните полнежи од температурата, како и од концентрацијата на нечистотиите и можат да имаат својства и на спроводниците и на диелектриците.
За разлика од металните проводници, во кој спроводливоста се намалува со зголемување на температурата; кај полупроводниците, спроводливоста се зголемува со зголемување на температурата, а отпорот, како што инверзната вредност на спроводливоста, се намалува.
На ниски температуриотпорност на полупроводници, како што може да се види од оризот. 1, се стреми кон бесконечност.
Ова значи дека при апсолутна нулта температура, полупроводникот нема слободни носители во проводниот опсег и, за разлика од спроводниците, се однесува како диелектрик.
Со зголемување на температурата, како и со додавање на нечистотии (допинг), спроводливоста на полупроводникот се зголемува и тој добива својства на спроводник.
Ориз. 1. Зависност на отпорноста на проводниците и полупроводниците од температурата
Големината на електричната струја I низ примерок, на пример во форма на паралелепипед, се одредува во зависност од напонот U и отпорноста на примерокот R:
I = U/R = US/rl = gUS/l = gSE (1)
Каде што сум актуелен; l - должина на примерокот; S - област; R - отпор; r - волуметриска отпорност; g е спроводливоста на материјалот.
Од оваа врска е јасно дека спроводливоста е поврзана со јачината на електричното поле E = U/l и густината на струјата j = I/S:
g = j/E или j = gE (2)
Вредноста на g на полупроводници и метали значително зависи од температурата на кристалите.
Електричната струја во цврста состојба е предизвикана од движењето на слободните наелектризирани честички. Во металите, електричната струја се јавува поради движењето на слободните електрони, во полупроводниците - слободни електрони и дупки.
Вредноста на g зависи од концентрацијата на n и p и мобилноста на m n и m p. Вредноста на мобилноста се определува како однос на брзината на нанос v dr на јачината на полето
m = v dr /E; [m] = m 2 /V×s (3)
Да претпоставиме дека примерокот има одредена концентрација на носители - електрони n. Со примена на напон U на примерок се создава напон E = U/l, а струјата I n тече во колото поради движењето на електроните со брзина на нанос v n.
Анализата покажува дека низ пресекот на примерокот тече струја еднаква на
I n = Q n /t = env n tS/t = env n S = enm n ES (4)
Каде што Q n е полнежот што поминал низ пресекот S за време t; e – електронски полнеж.
Земајќи ја предвид релацијата (2) имаме
Во општиот случај, во присуство на носители од n- и p-тип
g = g n + g p = enm n + epm p (6)
Од односите (2) и (6) јасно е дека густината на струјата j во колото е одредена од спроводливоста g и јачината на електричното поле; при фиксна јачина на електричното поле (константен напон на примерокот), густината на струјата е определена само со вредноста на спроводливоста. Вредноста на g, пак, зависи од вредностите на n, p и m n, m p, определени според температурата, видот на материјалот и нечистотиите.
Зависност од концентрацијата на носачот на полнеж
Кај полупроводниците и металите тоа зависи од температурата.
Метали.
Кога се формира метална решетка, секој атом во решетката донира по еден валентен електрон на „електронскиот гас“ на металот. Како резултат на тоа, на која било температура, бројот на електрони способни да учествуваат во процесот на спроводливост останува практично непроменет и е еднаков на густината на точките на решетката: n @ 10 28 m -3.
Дијаграмот на лентата на металот е прикажан на сл. 5.а. Во метал на која било температура, електроните се во проводниот опсег, што физички значи дека тие се слободни и можат да се движат околу кристалот. При T = 0 o K, сите електрони имаат пониски енергетски вредности (брзината на носачот е ограничена на оваа температура со вредноста v f, енергијата е ограничена со вредноста E f = mv 2 f /2, (E f е енергија на нивото на Ферми). Со зголемување на температурата (T > 0оК) електроните можат да ја зголемат својата брзина (енергија), па енергетските вредности на некои носители ќе бидат поголеми од вредноста на E f; во дијаграмот на опсегот, зголемувањето во електронската енергија е претставена со транзиција 1 (сл. 4.а).
Полупроводници.
Бројот на носителите на полнеж во полупроводниците значително зависи од температурата и видот на материјалот. Појасните дијаграми на различни типови полупроводници се претставени на сл. 4.б-г.
На температура од 0 o K нема слободни носачи; во внатрешниот полупроводник, сите носители се поврзани со сопствените атоми на материјалот (во јазикот на дијаграмот на бендовите, тоа значи дека носителите се во валентниот опсег). Внатрешниот полупроводник има Ферми ниво E f во средината на јазот на лентата.
Во донаторски полупроводник на T = 0, сите слободни носители се исто така отсутни; тие се поврзани со сопствените атоми на материјалот (лоцирани во валентниот опсег) и со атоми на нечистотија (лоцирани на ниво E d).
Нивото на енергија E f n за полупроводник донор на нечистотии при ниски температури е блиску до дното на проводната лента (сл. 4.в).
Во акцепторен полупроводник на T = 0, сите слободни носители се исто така отсутни; Електроните се поврзани со сопствените атоми на материјалот (лоцирани во валентниот опсег), атомите на нечистотијата (акцепторите) не се јонизираат. Како што се зголемува температурата, сопствените атоми почнуваат да јонизираат, електронот е заробен од акцепторот (електронот е на ниво на акцепторот Е а) и се појавува дупка (во валентниот опсег). Нивото на енергија E fr за полупроводник за прием на нечистотии е блиску до врвот на валентната лента (сл. 4.г)
Во внатрешните полупроводници, носителите на полнеж (електрони и дупки) се појавуваат поради јонизацијата на нивните сопствени атоми. Концентрацијата на самоносители се зголемува со зголемување на температурата според изразот:
каде N c, N v – густини на состојби (нивоа) во проводниот опсег и валентниот опсег; Т – температура на кристалот, К; DE z – бенд јаз; k – Болцманова константа.
Земајќи го логаритмот на изразување (7), добиваме
(8)
Ако ја занемариме зависноста на Nc, Nv од температурата, тогаш n(T) се опишува со права линија во координати ln n од (1/T, K) (Слика 5.а)
Во полупроводниците за нечистотија, формирањето на носители се должи на создавањето и од внатрешните атоми и од центрите за нечистотија.
 |
Бидејќи енергијата на јонизација на, на пример, донаторска нечистотија DE d е многу помала од јазот на опсегот DE z, тогаш со зголемување на температурата од 0 o K, центрите за нечистотија - донатори - ќе почнат прво да јонизираат.
Во температурниот опсег 0 – 150 o K, n(T) зависноста е претставена во форма
(9)
каде што Ед е енергијата на јонизација на донаторите; Nd – донорска концентрација.
Во координатите ln n(T) = f(1/T), зависноста n(T) е претставена со права отсечка (сл. 5.b, дел 1).
Зголемувањето на температурата над температурата на јонизација на нечистотиите Т доведува до целосна јонизација на донаторите, така што дополнителното зголемување на температурата не влијае на јонизацијата. Ова води до фактот дека во опсегот на Tcr< Т < Т и концентрацция носителей остается постоянной (Т кр – температура, при которой концентрация генерируемых собственных носителей становится сравнимой с концентрацией доноров).
Така, во температурниот опсег T = 300 – 400 o K, донаторите се целосно јонизирани, концентрацијата на електроните од нечистотија е многу поголема од концентрацијата на електроните од сопственото потекло, дури и со незначителна количина на нечистотија. На пример, силиконот допиран со нечистотија во количина од 0,001% се смета за хемиски чист. Во исто време, ова одговара на концентрација на нечистотија од 10 23 m -3 (концентрација на атоми на силициум 10 28 m -3).
Бидејќи при T = 300 - 400 o K сите атоми на нечистотија се јонизираат, концентрацијата на слободните електрони со потекло од нечистотија ќе биде еднаква на 10 23 m -3, што е многу поголема од концентрацијата на слободните електрони и дупките од нивното потекло ( на 300 o K n i = 10 16 m -3) . Следствено, воведувањето на незначително количество на нечистотија ја зголеми концентрацијата на електроните за седум реда на големина во споредба со концентрацијата на електроните од сопственото потекло. Според тоа, при T = 300 – 400 o K, концентрацијата на електроните од внатрешно потекло може да се занемари и може да се претпостави дека во донорски полупроводник концентрацијата на мнозинските носители се определува само со електрони со потекло од нечистотија, т.е. n n = N d.
На температури T > Tcr, генерирањето на носители од внатрешно потекло создава голем број носители (електрони и дупки) што го надминува бројот на електрони од потекло на нечистотија; во овој опсег, зависноста n(T) е опишана со релацијата (7) .
Насоки.
Статичката струја-напонска карактеристика на кристалот се одредува со проучување на зависноста на струјата во кристалот од напонот I(U n). Отпорот на кристалот се одредува графички од зависноста I(U n):
Вредноста на отпорноста r и електричната спроводливост се одредува земајќи ги предвид односите (1) и (2).
(1),
каде што I е струјата, l е должината на примерокот, S е површината, R е отпорот, r е волуметриската отпорност, g е спроводливоста на материјалот. Параметрите на кристалите (должина и површина на пресек) се означени на штандот.
Од релацијата (1) имаме дека спроводливоста е поврзана со големината на јачината на електричното поле и густината на струјата:
Вредноста s на полупроводниците и металите значително зависи од температурата на кристалите.
Кристалот се загрева индиректно со помош на грејач. Температурата на кристалот се снима за време на процесот на загревање со помош на термоспој.
При загревање на примерокот се отстранува зависноста на струјата од температурата, по што се пресметува зависноста и се исцртува 
.
Земајќи ја предвид релацијата (3),
каде што DE 3 е енергијата на активирање на самоносителите (појасниот јаз), s¢ 0 (T) е параметар кој е малку зависен од температурата, имаме
(4).
Така, во ln g(1/T) координати, зависноста на спроводливоста од температурата е претставена со права линија со наклон еднаков на
Онаму каде што DE 3 е јазот на појасот на полупроводникот, k е Болцмановата константа (k = 8,625 × 10 -5 eV/K = 1,38 × 10 -23 J/K).
На графиконот, вредностите на 1/T (T 0 K) се прикажани по оската на апсцисата; оската на ординатите е вредноста на природниот логаритам на спроводливоста на материјалот (g).
Земајќи ја предвид температурната зависност на електричната спроводливост на полупроводниците, опишана со релацијата (3), отпорноста на полупроводничкиот отпорник се менува со температурата
(5),
каде е коефициентот на чувствителност на температурата, во зависност од видот на нечистотијата, јазот на опсегот, енергијата на активирање на нечистотијата итн.; R ¥ е константа во зависност од материјалот и големината на полупроводникот, T е температурата во степени Келвини.
Во пракса, широко се користат отпори во кои јазот на опсегот е многу мал (0,1 - 0,3 eV), како резултат на што, како што се зголемува температурата, вредноста на отпорот нагло се намалува (термистори). Отпорот на термисторот се движи од неколку оми до неколку стотици килооми.
Коефициентот на чувствителност на температурата B () има вредност од 700 до 15000 K и е речиси ист за даден термистор во опсегот на работната температура.
Температурниот коефициент на отпорност на термисторот ја покажува релативната промена на отпорноста на термисторот кога температурата се менува за 1 Келвин.
Температурниот коефициент зависи од температурата, па затоа мора да се напише со наставка што ја означува температурата на која се јавува оваа вредност. Земајќи ја предвид (5) имаме
(7).
Вредноста TKR на собна температура на различни термистори е во опсегот –(0,8 – 6,0)×10 -2 K-1. Ве молиме имајте предвид дека термисторите имаат негативен температурен коефициент на отпор.
Полупроводниците базирани на метални оксиди, на пример, цинк и титаниум, се избираат како работен елемент на термисторот.
Работата на полупроводнички уреди, позистори, се заснова на зголемување на отпорноста на материјалот со зголемување на температурата. Ова се должи на намалувањето на мобилноста на носителите на полнеж во регионот со висока температура, како резултат на што спроводливоста на полупроводникот почнува да се намалува. Како резултат на тоа, отпорот на позисторот се зголемува со зголемување на температурата на кристалот. Забележете дека позистор, особено, со големо зголемување на температурата, полупроводникот се движи во регионот на сопствената спроводливост, а неговиот отпор ќе почне да се намалува.
Работниот елемент на позисторите е специјална керамика базирана на соединенија на титаниум бариум.
Термисторите и позиторите се користат во електронските кола за снимање на температурата на околината, проценка на флуксот на различни зрачења, на пример, оптичко зрачење од ласери, нуклеарни, рендгенски зраци, итн., во кола за аларм итн.
Мерења и обработка на резултати
1. Анализирајте го колото (сл. 1).
2. Со дозвола на наставникот, вклучете го напојувањето на колото: нанесете напон на полупроводникот.
I. Преземање на струјно-напонската карактеристика на полупроводник на собна температура T 0 (вредноста на T 0 се одредува во лабораторија).
1. Со зголемување на напонот со потенциометар од 0 на 60 V на секои 10 V, отстранете ја зависноста на струјата што тече низ проводникот од напонот. Внесете ги податоците во табелата 1.
Табела 1.
2. Врз основа на добиените податоци, конструирај график на зависност I = f(U) на собна температура (конструирај праволиниски график користејќи го методот на најмали квадрати).
3. Пресметајте го отпорот на полупроводникот за секое мерење користејќи ја формулата.
6. Пресметајте ја просечната вредност на отпорноста r и просечната вредност на специфичната спроводливост g, земајќи ги предвид неговите параметри (кристалот има облик на цилиндар: должина l = 10 mm, дијаметар d = 1 mm). Вредноста на отпорноста r и електричната спроводливост g се одредуваат со односите:
каде што l е должината на кристалот, S е површината на пресекот на кристалот.
Запишете ги резултатите во Табела 1.
II. Проучување на температурната зависност на електричната спроводливост на полупроводник.
1. Поставете го напонот на кристалот како што е наведено од наставникот. Одредете ја моменталната вредност на собна температура.
2. Вклучете го греењето со полупроводници. Кристалот се загрева со помош на грејач активиран со прекинувачот „Вклучено“. грејач“. Температурата на кристалот се снима за време на процесот на загревање. За време на процесот на загревање, отпорот и, следствено, струјата низ кристалот ќе се промени. Запишете ја моменталната вредност на примерокот на различни температури во опсег до 90 0 C. Внесете ги податоците во Табела 2.
Табела 2.
| U = ... В | |||||||
| Ставка бр. | Т 0, Ц | Т, К | 1/Т, К -1 | I(T), mA | Р, Ом | s, cm/m | lns |
| 1. | |||||||
| 2. | |||||||
| 3. | … | ||||||
| 4. |
3. Исклучете го уредот од мрежата.
4. Во процесот на загревање на примерокот се отстранува зависноста на струјата од напонот и се наоѓа вредноста од добиените податоци.
.
 |  ,
 |
Во lng (1/T) координатите, зависноста на спроводливоста од температурата е претставена со права линија со наклон еднаков на , каде DE 3 е јазот на опсегот, k = 1,38×10 23 J/K = 8,625×10 -5 eV/K е Болцманова константа; Т – термодинамичка температура;
.
Прашања за заштита на вашата работа.
1. Нацртајте го дијаграмот на лентата на внатрешната и нечистотијата (акцептор и донорски полупроводник.
2. Кои полупроводници (внатрешни или нечистотии) имаат повеќе слободни носители на полнеж на собна температура?
3. Дали енергијата на слободен носач може да има вредност Е во< Е < Е пр?
4. Како се менува концентрацијата на мнозинските носители на полнеж во полупроводник на нечистотија со зголемување на концентрацијата на нечистотијата?
5. Како се менува концентрацијата на малцинските носители на полнеж во полупроводник на нечистотија со зголемување на концентрацијата на нечистотијата?
6. Германиум и силициум имаат ист број на центри за нечистотија. Кој полупроводник има поголема концентрација на малцински носители на собна температура?
7. Нацртајте ја зависноста ln n(1/T) за внатрешни и нечистотии полупроводници.
8. Дали спроводливоста на полупроводниците може да се намали со зголемување на температурата?
9. Како да се одреди јазот на појасот на полупроводниците?
ЛАБОТАРСКА РАБОТА 16
СТУДИРААТ ФОТОРЕСИСТРИ
Цел на работата:Истражете ги карактеристиките на фотоотпорникот на кадмиум сулфур
Опрема: фотоотпорник, монохроматски извор на светлина, микроамперметар, волтметар, амперметар, реостати, напојувања.
Теоретски информации
Фотоспроводливост е појава на спроводливост на супстанција под влијание на светлината. Зголемувањето на електричната спроводливост под осветлување, како што покажува искуството, е поврзано со зголемување на концентрацијата на тековните носачи.
Постојат три начини да се зголеми концентрацијата под влијание на светлината:
1. Лесните кванти извлекуваат електрон од пополнетата зона и го фрлаат во проводниот појас (сл. 1), во исто време бројот на дупки и електрони се зголемува. Во овој случај, енергијата на фотонот треба да биде малку поголема од јазот на појасот на полупроводникот:
2. Под влијание на светлината, електроните се исфрлаат од пополнетата (валентна) лента и се фрлаат во слободни нивоа на нечистотии, додека спроводливоста на дупките се зголемува (сл. 2), квантната енергија е малку поголема од енергијата на активирање на акцепторите:
3. Под влијание на светлината, електроните се фрлаат од нивоата на нечистотија во слободната зона и електронската спроводливост се зголемува (сл. 3). Енергијата на светлосните кванти е малку поголема од енергијата на донорските нечистотии:
Процесот на внатрешно ослободување на електрони под влијание на светлината е внатрешен фотоелектричен ефект.
На слика 1 е прикажан дијаграм на формирање на фотоносачи во полупроводник: а – внатрешен, б – донор, в – акцептор.
Минималната фреквенција n 0 (или максималната бранова должина l 0) на која светлината сè уште може да формира фотоносачи, т.е. е фотоелектрично активна, наречена фотоспроводливост на црвената граница. Од формулите (1 – 2) можеме да ја одредиме црвената граница на фотоспроводливост:
За сопственички полупроводници;
За нечистотии полупроводници,
Каде што c е брзината на ширење на светлината во вакуум, h е Планковата константа.
За внатрешните полупроводници, чиј јаз на опсегот е 2¸3 eV, црвената граница на фотоспроводливост паѓа во видливиот дел од спектарот. Многу допирани полупроводници имаат енергии за активирање на нечистотии од редот на десетини од електрон волт. Црвената граница на фотоспроводливост за нив лежи во инфрацрвениот регион на спектарот.
Во внатрешниот полупроводник, фотоспроводливоста е поврзана со пренос на електрони од валентниот опсег до опсегот на спроводливост. Црвената граница се определува со минималната енергија потребна за таков пренос, односно на прв поглед треба да се определи со односот:
Сепак, ова не е сосема точно. Факт е дека при апсорпција на светлината не мора да се почитува само законот за зачувување на енергијата, туку и законот за зачувување на импулсот. Електронот што „голта“ фотон добива не само енергија, туку и импулс:
Во општиот случај, кога електрон е исфрлен со светлина од произволно ниво на валентниот опсег, при кој имал брзина V 1, се фрла во проводниот опсег до ниво каде неговата брзина станува V 2, законот за зачувување на енергија и моментум има форма:
(4)
.
Ако се земе предвид дека моментумот на фотонот е релативно мал (бидејќи брзината на светлината е многу голема), тогаш формулите (3) и (4) даваат блиски вредности. Затоа, за приближно да го процените јазот на опсегот на полупроводникот, можете да ја користите формулата (3).
Кога коефициентот на апсорпција е многу висок; Речиси целата светлина се апсорбира во многу тенкиот површински слој на полупроводникот. Во овој случај, концентрацијата на фотоелектрони се покажува многу висока и ја зголемува веројатноста за рекомбинација (т.е. нивната обратна транзиција кон валентниот опсег со намалување на животниот век на носачот). Покрај тоа, површинскиот слој секогаш содржи голем број на дефекти и нечистотии кои го попречуваат наносот на слободните електрони.
Поради овие причини, светлината се апсорбира со фреквенција од површинскиот слој и не предизвикува забележлив фотоелектричен ефект.
Законите за зачувување на енергијата и импулсот во случај на нечистотија полупроводник имаат посложена форма и не се разгледуваат во оваа работа.
Заедно со јонизацијата на атомот во главната решетка, можна е уште една возбудена состојба на главниот атом, во која електронот не се одвојува од него, туку само се движи до едно од неисполнетите нивоа. Со други зборови, електронот не ја прекинува врската со дупката, туку со неа формира единствен систем. Таквиот систем се нарекува ексцитонски.Нивоата на енергија на ексцитон се наоѓаат на дното на лентата за спроводливост (сл. 2).
Движењето на ексцитон може да се претстави како заедничко движење на електрон и дупка. Отприлика изгледа вака: ексцитонот во оваа фаза „се затвора“, т.е. електронот се враќа во својата нормална состојба. Екситонот ослободен во овој случај се пренесува во соседниот атом. Бидејќи ексцитонот е електрично неутрален систем, нивното појавување во полупроводник не доведува до зголемување на спроводливоста. Во моментов се претпоставува дека ексцитоните произлегуваат од фотоелектрично активната апсорпција на светлината. Откако се појавија, тие талкаат некое време низ обемот на полупроводникот. Кога се судираат со атоми на нечистотија или други дефекти на решетката, ексцитоните или се рекомбинираат или „се распаѓаат“. Во првиот случај, возбудениот атом оди во нормална состојба, а енергијата се емитува во форма на светлосни кванти. Во вториот случај, се формира пар носители - електрон-„дупка“, што придонесува за фотоспроводливоста на полупроводникот.
На фотоспроводливоста на полупроводникот значително влијае температурата. Како што се намалува температурата, се намалува и бројот на струјни носачи. Ова води, прво, до зголемување на релативното учество на фотоспроводливоста во вкупната спроводливост на полупроводникот, и второ, до зголемување на апсолутната вредност на фотоспроводливоста, бидејќи Како што се намалува концентрацијата на носачот, веројатноста за рекомбинација на фотоносачот се намалува.
Промената на температурата се нарекува промена на црвената граница на фотоспроводливоста, бидејќи вредноста на јазот на опсегот се менува.
Во пракса широко се користат полупроводнички фотоотпорници. Тие се светлосни релеи. Фотоотпорниците имаат иста спроводливост во двете насоки.
За разлика од фотоелементите во фотоотпорниците, под влијание на светлината фото emf. не се јавува. Фотоотпорниците имаат различна чувствителност на различни бранови должини. На пример, FS-A1 е најчувствителен на инфрацрвениот регион на спектарот (l max = 2,2 μm), FSK - на видливиот регион на спектарот (l max = 0,38 - 0,78 μm) и FS-B - на граница на видливи и инфрацрвени региони (l max = 0,7 µm).
Структурно, фотоотпорниците се обични омски отпорници, кои се состојат од пластично куќиште 1, полупроводнички слој 2, затворен помеѓу проводните електроди 3 и изолациониот разделник 4 (сл. 3).
Мерење и обработка на резултатите
Дијаграм за инсталација
1. Поставете ја струјата на влакното на светилката во рамките на 3 -3,5 А.
2. Прочитајте ја струјно-напонската карактеристика на фотоотпорникот со менување на напонот со помош на потенциометар на секои 5 V. Во исто време (поставен од наставникот). Внесете ги мерните податоци во табелата 1.
Табела 1.
| Ставка бр. | l=конст | У, В | Јас, µA |
| 1. | |||
| 2. | |||
| 3. | |||
| 4. | |||
| 5. |
3. Со осветлување на фотоотпорникот со светлина со различна бранова должина, отстранете ја зависноста , додека (U a - поставено од наставникот). Земете отчитувања на секои 25 nm во опсег од 300 до 900 nm. Внесете ги податоците од мерењето во табелата 2.
Табела 2.
Презентирајте ги добиените резултати графички.
4. Со помош на графиконот, определи ја брановата должина на која фотоотпорникот е најчувствителен.
Контролни прашања
1. Што го објаснува зголемувањето на спроводливоста на полупроводниците кога се осветлени?
2. Зошто нема забележлив фотоелектричен ефект?
3. Што се ексцитони?
4. Како се менува фотоспроводливоста на полупроводниците со температурата?
Поврзани информации.
Полупроводниците се широка класа на супстанции кои се карактеризираат со специфични вредности на електрична спроводливост кои лежат во опсегот помеѓу електричната спроводливост на металите и добрите диелектрици, односно овие супстанции не можат да се класифицираат ниту како диелектрици (бидејќи не се добри изолатори) или метали (не се добри спроводници на електрична струја). Полупроводниците, на пример, вклучуваат супстанции како што се германиум, силициум, селен, телуриум, како и некои оксиди, сулфиди и легури на метали.
Својства:
1) Со зголемување на температурата, отпорноста на полупроводниците се намалува, за разлика од металите, чија отпорност се зголемува со зголемување на температурата. Покрај тоа, како по правило, во широк температурен опсег, ова зголемување се случува експоненцијално. Отпорноста на полупроводничките кристали, исто така, може да се намали кога се изложени на светлина или силни електронски полиња.
2) Својството на еднонасочна спроводливост на контактот на два полупроводници. Токму овој имот се користи при создавање на различни полупроводнички уреди: диоди, транзистори, тиристори итн.
3) Контактите на различни полупроводници под одредени услови при осветлување или загревање се извори на фото-д. д.с. или, соодветно, термо-е. д.с.
Полупроводниците се разликуваат од другите класи на цврсти материи по многу специфични карактеристики, од кои најважни се:
1) позитивен температурен коефициент на електрична спроводливост, односно со зголемување на температурата се зголемува електричната спроводливост на полупроводниците;
2) спроводливоста на полупроводниците е помала од онаа на металите, но поголема од онаа на изолаторите;
3) големи вредности на термоелектромоторната сила во споредба со металите;
4) висока чувствителност на својствата на полупроводниците на јонизирачко зрачење;
5) способност за остра промена на физичките својства под влијание на занемарливи концентрации на нечистотии;
6) тековен ефект на исправување или не-омско однесување на контактите.
3. Физички процеси во p-n спојот.
Главниот елемент на повеќето полупроводнички уреди е спојот електрон-дупка ( р-n-спој), кој е преоден слој помеѓу два региони на полупроводник, од кои едниот има електронска спроводливост, а другиот има спроводливост на дупки.
Образование p-nтранзиција. P-nтранзиција во рамнотежна состојба
Да го погледнеме подетално образовниот процес p-nтранзиција. Преодната состојба се нарекува рамнотежа кога нема надворешен напон. Да потсетиме дека во Р-регионот постојат два типа на главни носители на полнеж: стационарни негативно наелектризирани јони на атоми на нечистотија на акцепторот и слободни позитивно наелектризирани дупки; и во n-регион, исто така, постојат два типа на главни носители на полнеж: стационарни позитивно наелектризирани јони на атоми на нечистотија на акцепторот и слободни негативно наелектризирани електрони.
Пред контакт стрИ nобласти, електрони, дупки и нечистотии јони се распоредени рамномерно. По контакт на граница стрИ nрегиони, се јавува градиент на концентрација на носителите на слободни полнеж и дифузија. Под влијание на дифузија, електроните од n-областа оди во стри таму се рекомбинира со дупки. Дупки од Р-области одат до n-регионираат и таму се рекомбинираат со електрони. Како резултат на ова движење на носителите на слободни полнежи во граничниот регион, нивната концентрација се намалува речиси на нула и во исто време Ррегион, се формира негативен просторен полнеж на јони на акцепторски нечистотии, а во n-регионот има позитивен просторен полнеж на донорски нечистотии. Помеѓу овие полнења се појавува контакт потенцијална разлика φ дои електрично поле Е к, што ја спречува дифузијата на бесплатните носители на полнење од длабоко R-И n-области низ p-n-транзиција. Така, се нарекува регионот обединет со слободни носители на полнеж со своето електрично поле p-n-транзиција.
P-n-транзицијата се карактеризира со два главни параметри:
1. Потенцијална висина на бариерата. Тоа е еднакво на контактната потенцијална разлика φ до. Ова е потенцијалната разлика во спојот предизвикана од градиентот на концентрацијата на носачот на полнеж. Ова е енергијата што мора да ја има бесплатното плаќање за да се надмине потенцијалната бариера:
Каде к– Болцманова константа; д– електронски полнеж; Т- температура; Н аИ Н Д– концентрации на акцептори и донатори во областите на дупката и електроните, соодветно; r rИ р n– концентрација на дупки во R-И n-области соодветно; n јас -внатрешна концентрација на носителите на полнеж во нелигиран полупроводник, t = kT/e- температурен потенцијал. На температура Т=27 0 C т=0,025V, за спој на германиум да=0,6V, за силиконски спој да=0,8V.
2. pn ширина на раскрсницата(сл. 1) е граничен регион осиромашен од носители на полнење, кој се наоѓа во стрИ nобласти: l p-n = l p + l n:
Од тука,
Каде ε – релативна диелектрична константа на полупроводничкиот материјал; ε 0 - диелектрична константа на слободен простор.
Дебелината на транзициите на електрон-дупка е од редот на (0,1-10) µm. Ако, тогаш и p-n-транзицијата се нарекува симетрична, ако , тогаш и p-n- транзицијата се нарекува асиметрична, а главно се наоѓа во пределот на полупроводникот со помала концентрација на нечистотии.
Во рамнотежна состојба (без надворешен напон) преку р-nтранзиција, се движат два контра текови на полнежи (течат две струи). Тоа се струјата на дрифт на малцинските носачи на полнеж и дифузната струја, која е поврзана со мнозинските носители на полнеж. Со оглед на тоа што нема надворешен напон и нема струја во надворешното коло, струјата на дрифт и дифузната струја се меѓусебно избалансирани и добиената струја е нула
I dr + I diff = 0.
Овој однос се нарекува услов на динамичка рамнотежа на процесите на дифузија и нанос во изолирана (рамнотежа) p-n-транзиција.
Површина на која контакт стрИ nобласт се нарекува металуршка граница. Во реалноста има конечна дебелина - δ m. Ако δ m<< l p-n , Тоа p-n- транзицијата се нарекува нагло. Ако δ m >> l p-n, Тоа p-n- транзицијата се нарекува мазна.
Р-nтранзиција со надворешен напон што се применува на него
Надворешниот напон ја нарушува динамичката рамнотежа на струите во p-n-транзиција. P-n- транзицијата оди во нерамнотежна состојба. Во зависност од поларитетот на напонот што се применува на областите во p-n-транзиција, можни се два режима на работа.
1) Напред офсетp-n транзиција. P-n-Раскрсницата се смета за пристрасна напред ако е поврзан позитивниот пол на напојувањето Р-површина, а негативно на n-области (сл. 1.2)
Со напредна пристрасност, напоните k и U се насочен бројач, добиениот напон е p-n-транзицијата се намалува до вредноста да -У. Ова води до фактот дека јачината на електричното поле се намалува и процесот на дифузија на главните носачи на полнеж продолжува. Покрај тоа, поместувањето напред ја намалува ширината p-nтранзиција, бидејќи l p-n ≈( k – U) 1/2. Струјата на дифузија, струјата на мнозинството носители на полнеж, станува многу поголема од струјата на нанос. Преку p-n- спојни текови на еднонасочна струја
I r-n =I pr =I Diff +I dr Јас се разликувам .
Кога тече директна струја, мнозинските носители на полнеж од p-регионот се движат во n-регионот, каде што стануваат малцинство. Процесот на дифузија на воведување мнозински носители на полнење во регион каде што тие стануваат малцински носители се нарекува инјекција, а директната струја е дифузна струја или струја за инјектирање. За да се компензира за малцинските носачи на полнеж акумулирани во p и n регионите, електронска струја произлегува од изворот на напон во надворешното коло, т.е. зачуван е принципот на електрична неутралност.
Кога се зголемува Уструјата нагло се зголемува, - температурен потенцијал и може да достигне големи вредности затоа што поврзани со главните носители чија концентрација е висока.
2) Обратна пристрасност, се јавува кога Р-се применува минус на областа, и на n- плус област, надворешен извор на напон (сл. 1.3).
Таков надворешен стрес Увклучени според да. Тоа: ја зголемува висината на потенцијалната бариера до вредноста да + У; јачината на електричното поле се зголемува; ширина p-nтранзицијата се зголемува, бидејќи l p-n ≈( до + У) 1/2; процесот на дифузија запира целосно и потоа p-nтранзиција, тече струја на нанос, струја на малцински носители на полнеж. Оваа струја p-n-транзицијата се нарекува обратна, а бидејќи е поврзана со малцински носители на полнеж, кои настануваат поради термичко создавање, се нарекува топлинска струја и е означена - јас 0, т.е.
I r-n =I arr =I Diff +I dr I dr = I 0.
Оваа струја е мала по магнитуда бидејќи поврзани со малцински носители на полнење, чија концентрација е ниска. Така, p-nРаскрсницата има еднонасочна спроводливост.
За време на обратна пристрасност, концентрацијата на малцинските носители на полнеж на преодната граница малку се намалува во споредба со вредноста на рамнотежата. Ова води до дифузија на малцинските носители на полнеж од длабоко стрИ n-региони до границата p-nтранзиција. Откако го достигнале, малцинските носачи влегуваат во силно електрично поле и се пренесуваат низ p-nтранзиција каде што стануваат мнозински носители на полнење. Дифузија на малцинските носители на полнеж до границата p-nтранзиција и лебдат низ него во регионот каде што стануваат главни носители на полнење се нарекува екстракција. Екстракција и создава обратна струја p-nтранзицијата е струјата на малцинските носители на полнење.
Големината на обратната струја силно зависи од: температурата на околината, полупроводничкиот материјал и површината p-nтранзиција.
Температурната зависност на обратната струја се определува со изразот , каде што е номиналната температура, е вистинската температура, е температурата на удвојување на топлинската струја.
Термичката струја на силиконскиот спој е многу помала од топлинската струја на спојот базиран на германиум (за 3-4 реда на величина). Тоа е поврзано со даматеријал.
Како што се зголемува површината на раскрсницата, нејзиниот волумен се зголемува, и затоа се зголемува бројот на малцинските носачи кои се појавуваат како резултат на термичко производство и топлинска струја.
Значи, главниот имот p-n-транзиција е негова еднонасочна спроводливост.
4. Струјно-напонски карактеристики на p-n спојот.
Дозволете ни да ја добиеме карактеристиката на струја-напон на p-n спојот. За да го направите ова, ја пишуваме равенката за континуитет во општа форма:
Ќе го разгледаме стационарниот случај dp/dt = 0.
Да ја разгледаме струјата во квазинеутралниот волумен на полупроводник од n-тип десно од регионот на исцрпување на p-n спојот (x > 0). Стапката на генерирање на G во квазинеутрален волумен е нула: G = 0. Електричното поле E е исто така нула: E = 0. Составната компонента на струјата е исто така нула: I E = 0, според тоа, струјата е дифузија. Стапката на рекомбинација R на ниско ниво на инјектирање е опишана со врската:
Дозволете ни да ја искористиме следнава релација што ги поврзува коефициентот на дифузија, должината на дифузијата и животниот век на малцинскиот носител: Dτ = L p 2 .
Земајќи ги предвид горенаведените претпоставки, равенката за континуитет има форма:
Граничните услови за равенката на дифузија во p-n спојот имаат форма:
Решението на диференцијалната равенка (2.58) со гранични услови (*) има форма:
Врската (2.59) го опишува законот за распределба на вбризгуваните дупки во квазинеутралниот волумен на полупроводник од n-тип за транзиција електрон-дупка (сл. 2.15). Сите носители кои ја преминуваат границата на SCR со квазинеутралниот волумен на pn спојот учествуваат во струјата на pn спојката. Бидејќи целата струја е дифузија, заменувајќи ја (2.59) во изразот за струјата, добиваме (сл. 2.16):
Релацијата (2.60) ја опишува дифузната компонента на струјата на дупката на pn-спојот, која се јавува при вбризгување на малцинските носачи под напредна пристрасност. За електронската компонента на струјата на раскрсницата p-n, на сличен начин добиваме:
При V G = 0, компонентите на дрифтот и дифузијата се балансираат една со друга. Оттука,.
Вкупната струја на раскрсницата p-n е збир на сите четири компоненти на струјата на раскрсницата p-n:
Изразот во загради го има физичкото значење на обратната струја на pn-спојот. Навистина, при негативни напони V G< 0 ток дрейфовый и обусловлен неосновными носителями. Все эти носители уходят из цилиндра длиной L n со скоростью L n /τ p . Тогда для дрейфовой компоненты тока получаем:
Ориз. 2.15. Распределба на нерамнотежни носачи инјектирани од емитер преку квазинеутралниот волумен на p-n спојната основа
Лесно е да се види дека оваа врска е еквивалентна на онаа добиена претходно во анализата на равенката на континуитет.
Ако е неопходно да се имплементира условот за еднострано вбризгување (на пример, само вбризгување со дупка), тогаш од релацијата (2.61) произлегува дека е неопходно да се избере мала вредност на концентрацијата на малцинскиот носител n p0 во p- регион. Следи дека полупроводникот од р-тип мора да биде силно допингуван во споредба со полупроводник од n-тип: N A >> N D . Во овој случај, на струјата на приклучокот pn ќе доминира компонентата на дупката (сл. 2.16).
Ориз. 2.16. Струи во асиметричен p-n спој со напредна пристрасност
Така, карактеристиката на струја-напон на раскрсницата p-n ја има формата:
Густината на заситената струја J s е еднаква на:
Карактеристиката на струја-напон на p-n спојот, опишана со релацијата (2.62), е прикажана на слика 2.17.
Ориз. 2.17. Струјно-напонска карактеристика на идеален p-n спој
Како што следува од релацијата (2.16) и слика 2.17, карактеристиката на струја-напон на идеален pn спој има јасно асиметричен изглед. Во регионот на напредни напони, струјата на спојката p-n е дифузна и експоненцијално се зголемува со зголемување на применетиот напон. Во регионот на негативни напони, струјата на спојката p-n е дрифт и не зависи од применетиот напон.
5. Капацитет на p-n спој.
Секој систем во кој електричниот полнеж Q се менува кога потенцијалот φ се менува има капацитивност. Вредноста на капацитивноста C се определува со односот: .
За p-n спој, може да се разликуваат два вида полнежи: полнење во регионот на просторот полнење на јонизираните донатори и акцептори Q B и полнењето на носачите вбризгувани во основата од емитер Q p. При различни пристрасности на раскрсницата pn, едно или друго полнење ќе доминира при пресметувањето на капацитетот. Во овој поглед, за капацитивност на раскрсницата p-n, се разликуваат капацитивност на бариера C B и капацитивност на дифузија C D.
Капацитет на бариера C B е капацитетот на p-n спојот при обратна пристрасност V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.
Вредноста на полнењето на јонизираните донатори и акцептори Q B по единица површина за асиметричен p-n спој е еднаква на:
Диференцирајќи го изразот (2.65), добиваме:
Од равенката (2.66) следува дека капацитивноста на бариерата C B е капацитивност на рамен кондензатор, чие растојание помеѓу плочите е еднакво на ширината на просторот за полнење W. Бидејќи ширината на SCR зависи од применетиот напон V G, капацитетот на бариерата зависи и од применетиот напон. Нумеричките проценки на капацитетот на бариерата покажуваат дека неговата вредност е десетици или стотици пикофаради.
Дифузиона капацитивност C D е капацитивност на p-n-спојот на напредната пристрасност V G > 0, предизвикана од промената на полнењето Q p на инјектираните носачи во основата од емитер Q p.
Зависноста на капацитивноста на бариерата C B од применетиот обратен напон V G се користи за инструментална имплементација. Полупроводничка диода што ја спроведува оваа зависност се нарекува варикап. Варикапот ја има својата максимална вредност на капацитетот при нула напон V G. Како што се зголемува обратната пристрасност, капацитетот на варикапот се намалува. Функционалната зависност на капацитивноста на варикапот од напонот се одредува со допинг профилот на основата на варикапот. Во случај на еднообразен допинг, капацитетот е обратно пропорционален на коренот на применетиот напон V G. Со поставување на допинг профилот во основата на варикапот N D (x), можно е да се добијат различни зависности на капацитивноста на варикапот од напонот C(V G) - линеарно се намалува, експоненцијално се намалува.
6. Полупроводнички диоди: класификација, карактеристики на дизајнот, симболи и ознаки.
Полупроводничка диода- полупроводнички уред со еден електричен спој и два терминали (електроди). За разлика од другите типови диоди, принципот на работа на полупроводничка диода се заснова на феноменот p-n-транзиција.
Дискретните нивоа на атомот во цврсто тело секогаш одговараат на дискретен систем на дозволени зони одделени со забранети зони. Како по правило, ако електроните формираат целосна група во атом или молекула, тогаш кога ќе се соединат во цврсто или течно тело, се создаваат зони, чиишто нивоа се исполнети, затоа таквите супстанции ќе имаат својства на изолатори на апсолутна нула. . Тие вклучуваат благородни гасни решетки, молекуларни и јонски решетки на соединенија со заситени врски. Во решетките од дијамант, силициум, германиум, а-калај, соединенија од типот AIIIBV, AIIBVI, CSi, секој атом е поврзан со едновалентни врски со четири најблиски соседи, така што околу него се формира целосна група на електрони. с 2стр 6, а валентниот појас е пополнет.
Без да навлегуваме во детали за структурата на зоните, го нагласуваме тоа полупроводниците и диелектриците се разликуваат од металите по тоа што нивната валентна лента еТ» 0°К секогаш е целосно исполнета со електрони, а најблиската слободна лента (појас на спроводливост) е одвоена од валентниот опсег на забранети состојби.Д Е во полупроводници- од десетини електрон волти до 3 ев(условно), и за диелектриците- од 3 пред 5 ев(условно).Ако постои само квантитативна разлика помеѓу полупроводниците и диелектриците, тогаш нивната разлика од металите е квалитативна. За да тече струја во металот, не е потребно друго дејство освен примена на електрично поле, бидејќи валентниот опсег во металот не е исполнет или се преклопува со проводниот појас (сл. 20, а).
На сл. Слика 20 покажува дијаграми на појава на дупка во атомската решетка на елементарен полупроводник и појава на спроводлив електрон.
Ориз. 20. Шема на енергетски зони: А- во метал; б- во полупроводник; В- во диелектрик; Д Е - бенд јаз
За да се возбуди спроводливоста во полупроводник (слика 20, б), потребно е да се напојува електрон лоциран во пополнетата валентна лента со енергија доволна за надминување на опсегот на забранети состојби. Само кога апсорбира енергија не помалку од Д Е,ќе се префрли електрон од горниот раб на валентната лента до слободната лента (проводна лента). Ако овој енергетски праг е надминат, тогаш чистиот (всушност) полупроводник има електронска спроводливост. Колку е помал просечниот јаз Д Е, толку е поголема спроводливоста на дадена температура. Бидејќи диелектриците имаат Д Ее многу голема, тогаш нивната спроводливост е многу мала (слика 20, б).
Како што се приближува апсолутната нула, термичкото возбудување станува недоволно, а полупроводниците стануваат изолатори, а металите стануваат суперпроводници. Колку е повисока температурата и поинтензивно полупроводникот е зрачен од квантите со енергија hvне помалку од Д Е,толку е поголема спроводливоста на самиот полупроводник, бидејќи се зголемува бројот на електрони пренесени од валентниот опсег до проводниот опсег.
За чисти полупроводници, како што се намалува фреквенцијата на упадната светлина, коефициентот на апсорпција на одредена вредност vнагло паѓа, а материјалот станува проѕирен за зраците со пониски фреквенции. Овој регион на брзо распаѓање на апсорпција се нарекува внатрешен раб на апсорпција. Бранова должина Xи фреквенција v, што одговара на работ на сопствената апсорпција, се приближно одредени со условите:
каде Д Енаречен јаз на оптичкиот опсег.
Енергијата на квантите на видлива светлина лежи во опсег од 1,5-3,0 ев, тие. обично ја надминува енергијата на возбудувањето на спроводливоста (АЕ).Ако полупроводникот содржи одредена количина на нечистотии, тој станува непроѕирен во широк опсег на фреквенции - од ултравиолетови до радиофреквенции.
Металите, кога се озрачени со светлина, практично не ја менуваат нивната спроводливост, бидејќи бројот на спроводливи електрони во нив не се менува. Следно, ќе се задржиме на причините за големата чувствителност на полупроводниците на дефекти во структурата на кристалите и на нарушувања на составот, во кои тие исто така се многу различни од металите.
Заминувањето на електрон од валентниот појас на полупроводникот до проводниот појас остава слободен простор (дупка) во валентниот опсег со позитивен полнеж нумерички еднаков на полнежот на електронот.Така, Дупка е место ослободено од електрон во регионот на скршена ковалентна врска што ги поврзува соседните атоми на самиот полупроводник, кој има единствен позитивен полнеж.
Електронот што се појавува во интерстицијална локација е мобилен носител на полнење. Таквите електрони, како дупките, можат слободно да се движат низ кристалот (дифузни). Ако поставите кристал во електрично поле со напон кој паѓа од десно кон лево, тогаш „слободниот“ електрон добива насочено движење против полето (десно). Дополнително, местото на добиената дупка (+) ќе биде заменето со електрон од некое место во соседната врска лево од дупката. Така, наместо старата се формира нова дупка. Следствено, дупката се движи во насока на полето (лево) додека електроните скокаат во валентниот опсег од лево кон десно, како што е прикажано на сл. 21 (стрелки). Преносот на полнеж преку електрони во валентниот појас се нарекува пренос на дупка. Така, во внатрешните полупроводници постојат два спроводливи механизми: електронски и дупка. Електричната спроводливост на полупроводникот генерално се изразува со равенката:
Каде: СПи ir- подвижност на електрони и дупки, соодветно; n и p се нивните концентрации.
Ориз. 21. Шема на раскинување на валентна врска и појава на слободен електрон и дупка како носители на полнеж: А- во рамна слика; б - во енергетскиот дијаграм на опсегот; А - атоми на силициум или германиум; (:) - валентни електрони кои ги поврзуваат соседните атоми; (+) - дупка; (-) - слободен електрон; ЕУ- пониско ниво на слободната зона; ЕВ- горното ниво на валентниот појас
Во сопствениот полупроводник
Каде: к- Болцманова константа еднаква на 1,38 × 10-16 erg/deg,или 0,863 × 10-4 ев/степени; Аза полупроводници со ковалентни врски (на пример, силициум и германиум) е пропорционален Т 1.5, а мобилноста на носителите на полнеж е пропорционална Т-1,5, значи без многу грешка можеме да пишуваме
сметајќи дека s0 е константна вредност за даден полупроводник. Земајќи логаритми, добиваме:
Ова е равенката на права линија Во s = ѓсо аголен коефициент tg j = . Од тука: 
каде што j е аголот помеѓу правата линија и позитивната насока на оската 1 /Т.
Бидејќи овој агол е секогаш тап, тогаш tgj< 0, а DЕ> 0. Овде Д Есе нарекува јаз на топлинска лента, т.е. пресметан од температурното однесување на спроводливоста.
Појавата на пар електрон-дупка поради прекршување на нормално исполнета врска (NS) може да се запише во форма на равенката на реверзибилната реакција NS + D Е ↔+ (каде - спроводен електрон, - дупка). На дадена температура се воспоставува динамичка рамнотежа. Процесот што оди од лево кон десно е генерирање на електрони и дупки, а обратниот процес се нарекува рекомбинација на електрони и дупки. Како што се зголемува температурата, во согласност со принципот на Ле Шателие, оваа рамнотежа се поместува надесно. На дадена температура, според законот за дејство на масата, константата на рамнотежа може да се запише на следниов начин: ДО.= итн/ [NZ] Од фактот дека практично многу голема вредност [NZ] е константна, следува
Има скоро исто толку нормално пополнети врски колку што има врски во 1 cm3.На пример, на 1 cm3германиумски врски (6,02 × 1023 × 5,32/72,59) × 2 = 9,0 × 1022 (овде 5,32 е густината на германиум, Г/cm3; 72,59 е неговата атомска маса). Дропка што го претставува бројот на атоми на германиум во 1 cm3,помножено со 2 бидејќи секој атом има 4 врски со соседните атоми, но секоја врска поврзува два атома.
За чист полупроводник П= Р= Пјас(Пјас- од зборот внатрешен- сопствени); така што претходната равенка може да се претстави како:
Ова значи: производот од концентрациите на спроводливи електрони и дупки во полупроводник на константна температура е константен, еднаков на производот од нивните концентрации во сопствениот полупроводник на иста температура и не зависи од природата и количината на нечистотии што ги содржи.За германиум на 300o К итн - 6,25 × 1026. Оттука и концентрацијата на електроните и дупките во чистиот германиум П= Р= Пјас= 2,5 × 113 цм-3.За силициум ниоколу три реда по големина помалку.
Кикоин А.К. Диелектрици, полупроводници, полуметали, метали // Квантна. - 1984. - бр. 2. - стр. 25-29.
По посебен договор со уредувачкиот одбор и уредниците на списанието „Квант“
Во класичната физика, вообичаено било да се делат сите супстанции според нивните електрични својства на спроводници и диелектрици („Физика 9“, §§44 и 46). Современата физика разликува уште две средни состојби - полупроводници („Физика 9“, § 78) и полуметали. Само со појавата на квантната механика стана јасно кои се разликите помеѓу сите овие видови на супстанции. Во оваа забелешка ќе се обидеме накратко да ја опишеме суштината на модерната квантна механичка теорија која ги објаснува електричните својства на цврстите материи.
Цврстата е составена од атоми кои формираат кристална решетка. Атомите се држат во решетка со интеракција на електрично наелектризирани атомски честички - позитивно наелектризирани јадра и негативно наелектризирани електрони. Електричната струја во кристалот е движење на електроните, што ги почитува законите на квантната механика. Според овие закони, електроните и во поединечен атом и во кристал можат да имаат само одредени (дозволени) енергетски вредности или, со други зборови, да бидат на одредени нивоа на енергија. Колку е повисоко нивото, толку повеќе енергија одговара.
Во атом, овие нивоа се наоѓаат доста далеку едно од друго - вообичаено е да се каже дека нивоата формираат дискретен енергетски спектар (сл. 1). Под одредени услови, електроните можат да се движат од едно ниво до друго, дозволено ниво. Електрон со дадена енергија може да се движи само по затворена траекторија - орбита - околу јадрото.
Кога атомите се комбинираат за да формираат кристал, некои електрони сè уште остануваат во нивните атомски орбити, но електроните најоддалечени од јадрото се способни да се движат низ кристалот поради преклопувањето на надворешните орбити на соседните атоми. Ова значи дека енергетските нивоа кои претходно припаѓале на поединечни атоми стануваат „вообичаени“ за целиот кристал. Наместо дискретни нивоа во кристалот, енергетски зони, кој се состои од многу тесно распоредени нивоа. Електроните кои се на овие „социјализирани“ нивоа се нарекуваат валентни електрони.
Валентните електрони се движат во орбити кои го опфаќаат целиот кристал и се чини дека можат да спроведат електрична струја. Меѓутоа, кога сè би било толку едноставно, сите цврсти материи би биле добри спроводници (метали). Законите на квантната механика ја прават сликата многу посложена и разновидна.
Прво, енергетските зони се одделени со празнини во кои нема ниту едно ниво на енергија. Овие интервали се нарекуваат забранети области. Второ, електроните го почитуваат таканаречениот Паули принцип, според кој само еден електрон може да биде во дадена состојба на секое ниво. При најниска можна температура (еднакво на апсолутна нула), енергетските нивоа последователно од дното кон врвот (односно, почнувајќи од најниските енергетски вредности) се полни со електрони во согласност со принципот на Паули, а нивоата со повисоки енергии остануваат слободни. Различните степени на полнење на енергетските појаси, како и разликите во нивната релативна локација, овозможуваат да се поделат сите цврсти материи на диелектрици, полупроводници, полуметали и метали.
Диелектриците.
На Т= 0 валентни електрони целосно ја исполнуваат најниската лента, наречена валентна лента(сл. 2). Во него нема слободни нивоа, а следната дозволена зона е проводен појас- одвоено од него со широк појас јаз. Ако на таков примерок се примени електрично поле, тој нема да може да ги забрза електроните, односно да создаде електрична струја, бидејќи забрзувањето на електрон значи да му се даде дополнителна енергија и, според законите на квантната механика, ова може да се направи само со пренесување на повисоко енергетско ниво . Но, принципот на Паули им забранува на електроните да ги заземаат веќе окупираните нивоа и тие не можат да влезат во следната дозволена лента, која е целосно празна, бидејќи енергијата добиена од електричното поле е многу помала од ширината Δ на јазот на опсегот.
На температури различни од нула, електроните, во принцип, можат да се движат во проводниот опсег и да станат носители на електрична струја. Меѓутоа, за да може бројот на електрони пренесени во оваа зона да биде доволно голем, диелектрикот мора да се загрее на толку висока температура што ќе се стопи пред струјата да достигне мерлива вредност. На собна температура, практично не тече струја во диелектрикот.
Полупроводници.
Полупроводникот се разликува од диелектрикот само по тоа што ширината Δ на јазот на појасот што ја одвојува валентната лента од спроводната лента е многу помала (десетици пати). На Т= 0, валентниот појас во полупроводник, како кај диелектрикот, е целосно исполнет и струјата не може да тече низ примерокот. Но, поради фактот што енергијата Δ е мала, дури и со мало зголемување на температурата, некои електрони можат да се движат во опсегот на спроводливост (сл. 3). Тогаш електричната струја во супстанцијата ќе стане возможна и преку два „канали“ одеднаш.
Прво, во опсегот на спроводливост, електроните, стекнувајќи енергија во електричното поле, се движат на повисоки енергетски нивоа. Второ, придонесот за електричната струја доаѓа од... празните нивоа оставени во валентниот опсег од електроните кои отишле во проводниот опсег. Навистина, принципот на Паули дозволува секој електрон да заземе празно ниво во валентниот опсег. Но, откако го окупира ова ниво, го остава слободно сопственото ниво, итн. Ако не го следите движењето на електроните низ нивоата во валентниот опсег, туку движењето на самите празни нивоа, тогаш излегува дека овие нивоа, кои имаат научно име дупки, исто така стануваат тековни превозници. Бројот на дупки очигледно е еднаков на бројот на електрони кои влегле во проводниот опсег (т.н. спроводливи електрони), но дупките имаат позитивен полнеж бидејќи дупката е електрон што недостасува.
Така, во полупроводникот, електричната струја е струјата на електроните во проводниот опсег и дупките во валентниот опсег. Оваа спроводливост на полупроводникот се нарекува свој.
Електроните и дупките, кога се движат низ кристал, комуницираат со атомите на кристалната решетка, губејќи ја својата енергија. Овие загуби се поврзани со електричниот отпор на супстанцијата. Како што температурата се зголемува, загубите на енергија се зголемуваат, така што отпорот на полупроводникот исто така треба да се зголемува со зголемување на температурата. Но, како што температурата расте, бројот се зголемува електрони, поминувајќи во проводната лента, а со тоа и бројот на дупки r во валентната лента. Тоа значи дека вкупниот број на тековни превозници расте (и многу брзо). Поради ова, отпорот на полупроводникот не се зголемува со зголемување на температурата, туку се намалува. Полупроводник може да се дефинира како супстанца која практично не спроведува струја при температури на апсолутна нула, но чиј отпор нагло се намалува со зголемување на температурата.
Меѓутоа, во природата не постојат полупроводници со сопствена спроводливост: тие секогаш содржат нечистотии од други супстанции, кои ги одредуваат нивните електрични својства. Присуството на нечистотии доведува до појава на дополнителни нивоа на енергија во јазот на појасот на полупроводникот, од кој или до кој се можни и електронски транзиции. Широката употреба на полупроводници во технологијата стана возможна само откако технолозите научија да ја контролираат содржината на нечистотии во полупроводниците и да ја направат нивната спроводливост по сопствена дискреција ( спроводливост на нечистотија) речиси чисто електронски или чисто дупка.
Излегува дека е можно да се изберат нечистотии чии атоми лесно се откажуваат од електрони. Дополнителните нивоа на енергија ослободени во овој случај се наоѓаат во внатрешноста на јазот на појасот на полупроводникот во близина на неговиот горен раб (сл. 4а). Таквите нечистотии се нарекуваат донаторски нечистотии, а нивоата се донаторски нивоа. Од Слика 4, јасно е дека на иста температура е многу полесно за електроните од таквите нивоа да се префрлат во спроводниот опсег отколку за електроните од валентниот опсег, затоа нивоата на нечистотија ќе станат главни снабдувачи на електрони во проводниот опсег. . Но, во овој случај, нема да се појават дупки во валентниот опсег, а спроводливоста на полупроводникот ќе стане речиси чисто електронска. Таквите полупроводници се нарекуваат полупроводници n-тип.
Исто така, постојат нечистотии чии атоми лесно прикачуваат електрони за себе ( акцепторски нечистотии). Дополнителни нивоа на нивните електрони (нивоа на акцептор) исто така се наоѓаат во внатрешноста на јазот на појасот на полупроводникот, но во близина на неговото дно (сл. 4, б). Во овој случај, полесно е електроните од валентниот опсег да се преселат до нивоата на акцептор на нечистотијата отколку до проводниот опсег. Тогаш ќе се појават дупки во валентниот појас без да се појават електрони во проводниот појас. Резултатот е полупроводник со речиси чиста спроводливост со дупки, или полупроводник стр-тип. 
Електроните во металите конечно го „забораваат“ своето атомско потекло, нивните нивоа формираат една многу широка зона. Секогаш се пополнува само делумно (бројот на електрони е помал од бројот на нивоа) и затоа може да се нарече проводен опсег (сл. 6). Јасно е дека кај металите струјата може да тече дури и при нулта температура. Покрај тоа, со помош на квантната механика може да се докаже дека во идеален метал(чија решетка нема дефекти) кај Т= 0 струја мора да тече без отпор!
За жал, нема идеални кристали и не може да се постигне нулта температура. Во реалноста, електроните губат енергија преку интеракција со атоми на вибрирачки решетки, така што Отпорот на реалниот метал се зголемува со температурата(за разлика од отпорот на полупроводници). Но, најважно е дека на која било температура електричната спроводливост на металот е значително повисока од електричната спроводливост на полупроводникот бидејќи металот содржи многу повеќе електрони способни да спроведат електрична струја.