التيار الكهربائي من خلال ملامسة أشباه الموصلات مع أنواع مختلفة من الموصلية. الترانزستورات

18.05.2019

26.01.2015

الدرس رقم 37 (الصف التاسع)

الموضوع: الثرمستورات

التيار الكهربائي من خلال الاتصال بأشباه الموصلات من النوع p و n

( السندات الإذنية تقاطع)

من الأهمية بمكان في مجال التكنولوجيا ملامسة أشباه الموصلات ذات الموصلية المختلفة. ماذا سيحدث مع هذا الاتصال؟ بسبب انتشار الشحنة، ستبدأ الإلكترونات في اختراق شبه الموصل p، والثقوب في أشباه الموصلات n. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل ما يسمى بطبقة الحجب عند الحدود، والتي، بمجالها الكهربائي، تمنع المزيد من تبادل الشحنات (الشكل 6).

أرز. 1. طبقة الحجب عند تقاطع p-n

لبناء خاصية الجهد الحالي للوصلة n-p، تم تجميع الدائرة التالية (انظر الشكل 2)، والتي بفضلها يمكن تغيير القطبية وحجم الجهد المزود إلى الوصلة p-n.

الصورة 2. دائرة للحصول على الخصائص وخصائص الجهد الحالي للوصلة p-n، على التوالي.

يوضح الشكل 16.10 رسمًا تخطيطيًا لشبه الموصل، الذي يحتوي الجانب الأيمن منه على شوائب مانحة، وبالتالي فهو شبه موصل ن-النوع، والأيسر هو متقبل الشوائب ويمثل شبه موصل ر-يكتب؛ بينهم - منطقة انتقالية- المنطقة المستنفدة من الرسوم. يحدث إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب فيه. تم تصوير الإلكترونات على شكل دوائر زرقاء، والثقوب على شكل دوائر رمادية. يسمى الاتصال بين اثنين من أشباه الموصلات ص-ن- أو ن-ر-انتقال.

عند تكوين جهة اتصال، تنتقل الإلكترونات جزئيًا من شبه الموصل ن-نوع أشباه الموصلات ر-النوع، والثقوب في الاتجاه المعاكس. والنتيجة هي أشباه الموصلات ن-النوع مشحون بشكل إيجابي، و ر-النوع - سلبي. يتوقف الانتشار بعد أن يبدأ المجال الكهربائي الناشئ في المنطقة الانتقالية في منع المزيد من حركة الإلكترونات والثقوب.
دعونا نقوم بتشغيل أشباه الموصلات مع ص-ن-الانتقال إلى الدائرة الكهربائية ( الشكل 16.11). لنقم أولاً بتوصيل البطارية بحيث تكون إمكانات أشباه الموصلات ر-كان نوعا من الإيجابية، ولكن ن-النوع - سلبي. في هذه الحالة، التيار من خلال ص-ن- يتم إنشاء الانتقال بواسطة الناقلات الرئيسية : من المنطقة نإلى المنطقة ر- الإلكترونات ومن المنطقة رإلى المنطقة ن- الثقوب ( الشكل 16.12).

ونتيجة لذلك، تكون موصلية العينة بأكملها عالية والمقاومة منخفضة.
يسمى الانتقال المذكور هنا مباشر. يظهر اعتماد التيار على فرق الجهد - خاصية الجهد الحالي للوصلة المباشرة - في الشكل 16.13 بخط متصل.

دعونا الآن نغير قطبية اتصال البطارية. بعد ذلك، عند نفس الفرق المحتمل، ستكون القوة الحالية في الدائرة أقل بكثير من الانتقال المباشر. ويرجع ذلك إلى ما يلي. تمر الإلكترونات الآن عبر الاتصال من المنطقة رإلى المنطقة ن، والثقوب من المنطقة نإلى المنطقة ر. ولكن في أشباه الموصلات ر-النوع يوجد به عدد قليل من الإلكترونات الحرة، وفي شبه الموصل ن-مثل عدد قليل من الثقوب. الآن يتم تنفيذ الانتقال من خلال جهة الاتصال بواسطة ناقلات الأقلية، وعددها صغير ( الشكل 16.14). ونتيجة لذلك، فإن موصلية العينة تكون ضئيلة، والمقاومة كبيرة. يتم تشكيل ما يسمى بالطبقة الحاجزة. ويسمى هذا التحول يعكس. تظهر خاصية الجهد الحالي للانتقال العكسي في الشكل 16.13 بخط متقطع.

هكذا، ص-ن- يمكن استخدام الوصلة لتصحيح التيار الكهربائي. ويسمى هذا الجهاز ديود أشباه الموصلات.
تصنع ثنائيات أشباه الموصلات من الجرمانيوم والسيليكون والسيلينيوم ومواد أخرى.
دعونا ننظر في كيفية خلقهم ص-ن-الانتقال باستخدام الجرمانيوم الموصل ن-النوع، مع إضافة صغيرة من الشوائب المانحة. لا يمكن الحصول على هذا التحول عن طريق توصيل مادتين من أشباه الموصلات ميكانيكيًا بأنواع مختلفة من الموصلية، لأن هذا يؤدي إلى وجود فجوة كبيرة جدًا بين أشباه الموصلات. سماكة ص-ن- يجب ألا يكون الانتقال أكبر من المسافات بين الذرات، بحيث يتم صهر الإنديوم في أحد أسطح العينة. لإنشاء ديود أشباه الموصلات، أشباه الموصلات مخدر ر- النوع الذي يحتوي على ذرات الإنديوم، يتم تسخينه إلى درجة حرارة عالية. أزواج النجاسة ن- النوع (على سبيل المثال، الزرنيخ) يترسب على سطح البلورة. بسبب الانتشار، يتم إدخالها في البلورة، وعلى سطح البلورة مع الموصلية ر-النوع، يتم تشكيل منطقة ذات نوع إلكتروني من الموصلية ( الشكل 16.15).

لمنع التأثيرات الضارة للهواء والضوء، يتم وضع كريستال الجرمانيوم في علبة معدنية محكمة الغلق.

يظهر الشكل التخطيطي للديود في الشكل 16.16. تعتبر مقومات أشباه الموصلات موثوقة للغاية ولها عمر خدمة طويل. ومع ذلك، لا يمكنها العمل إلا في نطاق درجة حرارة محدود (من -70 إلى 125 درجة مئوية).

ص ن- تبين أن الانتقال غير متماثل بالنسبة للتيار: في الاتجاه الأمامي تكون مقاومة الانتقال أقل بكثير منها في الاتجاه العكسي.
ملكيات ص-ن-تستخدم التحولات لتصحيح التيار المتردد. خلال نصف فترة التغير في التيار من خلال الوصلة، عندما تكون إمكانات أشباه الموصلات ص-اكتب إيجابيا، ويتدفق التيار بحرية من خلال ص-ن-انتقال. في النصف التالي من الفترة، التيار هو الصفر عمليا.

2. أجهزة أشباه الموصلات

إن الحجم الصغير والجودة العالية جدًا للإشارات المرسلة جعلت أجهزة أشباه الموصلات شائعة جدًا في التكنولوجيا الإلكترونية الحديثة. قد لا يشمل تكوين هذه الأجهزة فقط السيليكون المذكور أعلاه مع الشوائب، ولكن أيضًا، على سبيل المثال، الجرمانيوم. أحد هذه الأجهزة هو الصمام الثنائي - وهو جهاز يمكنه تمرير التيار في اتجاه واحد ومنعه من المرور في اتجاه آخر. يتم الحصول عليه عن طريق زرع شبه موصل من نوع آخر في بلورة أشباه الموصلات من النوع p أو n (الشكل 11).

أرز. 3. تعيين الصمام الثنائي على الرسم التخطيطي والرسم التخطيطي لجهازه على التوالي

جهاز آخر، الآن مع اثنين من تقاطعات p-n، يسمى الترانزستور. إنه لا يعمل فقط على تحديد اتجاه الإرسال الحالي، ولكن أيضًا على تحويله.

تجدر الإشارة إلى أن الدوائر الدقيقة الحديثة تستخدم مجموعات عديدة من الثنائيات والترانزستورات والأجهزة الكهربائية الأخرى.

أرز. 12. رسم تخطيطي لهيكل الترانزستور وتعيينه على المخطط الكهربائي على التوالي

الترانزستور هو جهاز عبقري. ليس من السهل فهم مبادئ تشغيل الترانزستور، ولكنهم تمكنوا من اختراعه! نأمل أن تتمكن من فهم كيفية عمله، حتى من خلال وصف قصير.
دعونا نفكر في أحد أنواع الترانزستورات المصنوعة من الجرمانيوم أو السيليكون مع شوائب المانح والمستقبل التي يتم إدخالها فيها. يتم توزيع الشوائب بحيث يتم إنشاء طبقة رقيقة جدًا من أشباه الموصلات (حوالي عدة ميكرومترات). ن-النوع بين طبقتين من أشباه الموصلات ر-يكتب ( الشكل 16.17). تسمى هذه الطبقة الرقيقة أساس، أو قاعدة.

يتم تشكيل اثنين في البلورة ص-ن- التحولات التي تكون اتجاهاتها المباشرة متعاكسة. تسمح لك ثلاث محطات من مناطق ذات أنواع مختلفة من الموصلية بتضمين ترانزستور في الدائرة الموضحة في الشكل 16.17. في هذا الرسم البياني، اليسار ص-ن-الانتقال هو مباشرويفصل القاعدة عن المنطقة بالموصلية ر-نوع يسمى باعث. لو لم يكن هناك حق ص-ن-الانتقال، في دائرة قاعدة الباعث سيكون هناك تيار يعتمد على جهد المصادر (البطارية B1 ومصدر الجهد المتناوب) ومقاومة الدائرة، بما في ذلك المقاومة المنخفضة للانتقال المباشر لقاعدة الباعث.
يتم تشغيل البطارية B2 بحيث يكون على اليمين ص-ن-الانتقال في الدائرة (انظر الشكل 16.17) هو يعكس. يفصل القاعدة عن المنطقة الصحيحة بالموصلية ر-نوع يسمى جامع. إذا لم يكن هناك تقاطع pn الأيسر، فإن التيار في دائرة المجمع سيكون قريباً من الصفر، لأن مقاومة الوصلة العكسية عالية جداً. إذا كان هناك تيار في اليسار ص-ن-الانتقال، يظهر تيار أيضًا في دائرة المجمع، وتكون قوة التيار في المجمع أقل بقليل من قوة التيار في الباعث.
هذا يفسر كالتالي. عندما يتم إنشاء جهد بين الباعث والقاعدة، فإن حاملات الأغلبية لأشباه الموصلات ر- النوع (الثقوب) تخترق القاعدة حيث تكون موجودة بالفعل وسائل الإعلام غير الرئيسية. نظرًا لأن سمك القاعدة صغير جدًا وعدد حاملات الأغلبية (الإلكترونات) فيها صغير، فإن الثقوب التي تدخل فيها تكاد لا تتحد (لا تتحد) مع إلكترونات القاعدة وتتغلغل في المجمع بسبب للانتشار. يتم إغلاق تقاطع pn الأيمن أمام حاملات الشحنة الرئيسية للقاعدة - الإلكترونات، ولكن ليس أمام الثقوب. في المجمع، يتم تنفيذ الثقوب بعيدا عن طريق المجال الكهربائي واستكمال الدائرة. إن قوة التيار المتفرع إلى دائرة الباعث من القاعدة صغيرة جدًا، نظرًا لأن مساحة المقطع العرضي للقاعدة في المستوى الأفقي (انظر الشكل 16.17) أصغر بكثير من المقطع العرضي في المستوى الرأسي .
ويختلف تيار المجمع، والذي يساوي تقريبًا تيار الباعث، باختلاف التيار المار عبر الباعث. مقاومة المقاوم رله تأثير ضئيل على تيار المجمع، ويمكن جعل هذه المقاومة كبيرة جدًا. من خلال التحكم في تيار الباعث باستخدام مصدر جهد متردد متصل بدائرته، نحصل على تغيير متزامن في الجهد عبر المقاومة ر.
مع وجود مقاومة كبيرة، يمكن أن يكون التغير في الجهد عبرها أكبر بعشرات الآلاف من المرات من التغير في جهد الإشارة في دائرة الباعث. وهذا يعني زيادة التوتر. لذلك، تحت الحمل رمن الممكن الحصول على إشارات كهربائية تكون قوتها أكبر بعدة مرات من الطاقة التي تدخل دائرة الباعث.
تطبيق الترانزستورات. تعتمد الإلكترونيات الحديثة على الدوائر الدقيقة والمعالجات الدقيقة، والتي تتضمن عددًا هائلاً من الترانزستورات. لقد غيرت أجهزة الكمبيوتر، المكونة من الرقائق والمعالجات الدقيقة، العالم من حولنا بالفعل. في الوقت الحالي، لا يوجد مجال واحد من النشاط البشري لا تعمل فيه أجهزة الكمبيوتر كمساعدين بشريين نشطين. على سبيل المثال، في أبحاث الفضاء أو إنتاج التكنولوجيا الفائقة، تعمل المعالجات الدقيقة، ومستوى التنظيم الذي يتوافق مع الذكاء الاصطناعي.
أصبحت الترانزستورات (الشكل 16.18، 16.19) واسعة الانتشار للغاية في التكنولوجيا الحديثة. إنها تحل محل الأنابيب المفرغة في الدوائر الكهربائية للمعدات العلمية والصناعية والمنزلية. تُسمى أجهزة الراديو المحمولة التي تستخدم مثل هذه الأجهزة عادةً بالترانزستورات. تتمثل ميزة الترانزستورات (وكذلك الثنائيات شبه الموصلة) مقارنة بأنابيب الإلكترون في المقام الأول في عدم وجود كاثود ساخن، والذي يستهلك طاقة كبيرة ويستغرق وقتًا للتسخين. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الأجهزة أصغر حجمًا ووزنًا بعشرات ومئات المرات من الأنابيب المفرغة. أنها تعمل في الفولتية المنخفضة.

تسمى حدود التلامس بين مادتين من أشباه الموصلات، أحدهما ذو موصلية إلكترونية والآخر ذو موصلية ثقبية انتقال ثقب الإلكترون(أو ص ن-انتقال).ولهذه التحولات أهمية عملية كبيرة، كونها الأساس الذي يقوم عليه عمل العديد من الأنظمة شبه

أجهزة الموصل. لا يمكن تحقيق الوصلة p-n ببساطة عن طريق توصيل اثنين من أشباه الموصلات ميكانيكيًا. عادة، يتم إنشاء مناطق ذات موصلية مختلفة إما أثناء نمو البلورات أو من خلال المعالجة المناسبة للبلورات. على سبيل المثال، يتم وضع "قرص" الإنديوم على بلورة الجرمانيوم من النوع n (الشكل 335، أ). يتم تسخين هذا النظام عند حوالي 500 درجة مئوية في جو من الفراغ أو الغاز الخامل؛ تنتشر ذرات الإنديوم إلى عمق معين في الجرمانيوم. ثم يتم تبريد الذوبان ببطء. نظرًا لأن الجرمانيوم الذي يحتوي على الإنديوم له موصلية ثقب، يتم تشكيل تقاطع p-n عند حدود الذوبان المتبلور والجرمانيوم من النوع n (الشكل 335، ب).

دعونا نفكر في العمليات الفيزيائية التي تحدث في تقاطع p-n (الشكل 336). دع أشباه الموصلات المانحة (وظيفة العمل - أ ن , يتم ملامسة مستوى فيرمي - E F) (الشكل 336، ب) معمتقبل أشباه الموصلات (وظيفة العمل - ع,مستوى فيرمي - ه F ). سوف تنتشر الإلكترونات من أشباه الموصلات n، حيث يكون تركيزها أعلى، إلى شبه الموصل p، حيث يكون تركيزها أقل. يحدث انتشار الثقوب في الاتجاه المعاكس - في الاتجاه رن.

في أشباه الموصلات n، بسبب رحيل الإلكترونات بالقرب من الحدود، تبقى شحنة فضائية موجبة غير معوضة من ذرات مانحة متأينة غير متحركة. في أشباه الموصلات p، بسبب هروب الثقوب بالقرب من الحدود، يتم تشكيل شحنة فضائية سلبية للمستقبلات المتأينة الثابتة (الشكل 336، أ).

تشكل هذه الشحنات الفضائية طبقة كهربائية مزدوجة عند الحدود، يمنع مجالها الموجه من المنطقة n إلى المنطقة p المزيد من انتقال الإلكترونات في الاتجاه np والثقوب في الاتجاه صن. إذا كانت تركيزات الجهات المانحة والمتقبلين في أشباه الموصلات ن- والنوع p متماثلان، ثم سمك الطبقة د 1 و د 2 (الشكل 336، ج)، حيث يتم توطين الشحنات الثابتة، تساوي (د 1 = د 2).

عند سمك معين من تقاطع p-n، تحدث حالة توازن تتميز بمحاذاة مستويات فيرمي لكلا أشباه الموصلات (الشكل 336، ج). في منطقة تقاطع pn، تنحني نطاقات الطاقة، مما يؤدي إلى حواجز محتملة لكل من الإلكترونات والثقوب. يتم تحديد ارتفاع حاجز الجهد e بالاختلاف الأولي في مواضع مستوى فيرمي في كل من أشباه الموصلات. جميع مستويات الطاقة

يتم رفع شبه الموصل المستقبل بالنسبة لمستويات شبه الموصل المانح إلى ارتفاع يساوي e، ويحدث الارتفاع عند سمك الطبقة المزدوجة د.

سماكة دتبلغ طبقة الوصل p-n في أشباه الموصلات حوالي 10 -6 - 10 -7 م، وفرق جهد التلامس هو أعشار فولت. الناقلات الحالية قادرة على التغلب على هذا الاختلاف المحتمل فقط عند درجة حرارة عدة آلاف من الدرجات، أي في درجات الحرارة العادية تكون طبقة الاتصال المتوازنة قفل(تتميز بزيادة المقاومة).

يمكن تغيير مقاومة الطبقة العازلة باستخدام مجال كهربائي خارجي. إذا تم توجيه المجال الكهربائي الخارجي المطبق على الوصلة p-n من أشباه الموصلات n إلى أشباه الموصلات p (الشكل 337، أ)، أي يتزامن مع مجال طبقة التلامس، فإنه يتسبب في حركة الإلكترونات في أشباه الموصلات n والثقوب الموجودة في أشباه الموصلات p من حدود تقاطع pn في اتجاهين متعاكسين. ونتيجة لذلك، سوف تتوسع الطبقة العازلة وتزداد مقاومتها. يسمى اتجاه المجال الخارجي الذي يوسع طبقة الحجب قفل (عكس).في هذا الاتجاه، لا يمر أي تيار كهربائي تقريبًا عبر الوصلة p-n. يتشكل التيار في طبقة الحجب في اتجاه الحجب فقط بسبب ناقلات التيار الأقلية (الإلكترونات في أشباه الموصلات p والثقوب الموجودة في أشباه الموصلات n).

إذا كان المجال الكهربائي الخارجي المطبق على تقاطع p-n موجهًا عكس مجال طبقة التلامس (الشكل 337، ب)، فإنه يتسبب في حركة الإلكترونات في أشباه الموصلات n والثقوب في شبه الموصل p باتجاه الحدود من تقاطع p-n تجاه بعضها البعض. في هذه المنطقة يتم إعادة توحيدها، وينخفض سمك طبقة التلامس ومقاومتها. لذلك، في هذا الاتجاه، يتدفق التيار الكهربائي عبر تقاطع p-n في الاتجاه من أشباه الموصلات p إلى أشباه الموصلات n؛ تسمى الإنتاجية (مباشرة).

وبالتالي، فإن تقاطع p-n (على غرار اتصال أشباه الموصلات المعدنية) لديه الموصلية في اتجاه واحد (صمام).

في التين. 338 يُظهر خاصية الجهد الحالي للوصلة p-n. كما هو موضح بالفعل، مع الجهد الكهربي (المباشر)، يعمل المجال الكهربائي الخارجي على تعزيز حركة الموجات الحاملة الحالية إلى حدود تقاطع p-n (انظر الشكل 337، ب). ونتيجة لذلك، ينخفض سمك طبقة الاتصال. وبناء على ذلك، تنخفض مقاومة الوصلة (كلما كان الجهد أقوى)، وتصبح القوة الحالية كبيرة (الفرع الأيمن في الشكل 338). ويسمى هذا الاتجاه الحالي مباشر.

مع حظر (عكس) الجهد، المجال الكهربائي الخارجي

يمنع حركة الموجات الحاملة الحالية للأغلبية إلى حدود تقاطع p-n (انظر الشكل 337، أ) ويعزز حركة الموجات الحاملة الحالية للأقلية، والتي يكون تركيزها في أشباه الموصلات منخفضًا. وهذا يؤدي إلى زيادة في سمك طبقة الاتصال، والتي يتم استنفادها من ناقلات التيار الرئيسية. وبناء على ذلك، تزداد مقاومة التحول. لذلك، في هذه الحالة، يتدفق تيار صغير فقط عبر تقاطع p-n (يسمى يعكس)،ناجمة بالكامل عن ناقلات تيار الأقلية (الفرع الأيسر من الشكل 338). الزيادة السريعة في هذا التيار تعني انهيار طبقة الاتصال وتدميرها. عند توصيلها بدائرة تيار متردد، تعمل وصلات p-n كمقومات.

دعونا ننظر في ظاهرة مرور التيار الكهربائي من خلال ملامسة أشباه الموصلات من النوع p و n. ويوضح الشكل التالي مثل هذا الاتصال.

يحتوي الجانب الأيسر من أشباه الموصلات المعروضة على شوائب متقبلة. يحتوي الجانب الأيمن من أشباه الموصلات المعروضة على شوائب مانحة. وبناء على ذلك، فإن الجانب الأيسر هو شبه موصل من النوع p، والجانب الأيمن هو شبه موصل من النوع n.

يتم تشكيل منطقة خاصة بين أشباه الموصلات - المنطقة الانتقالية. يوجد عدد قليل جدًا من الشحنات فيه، ويحدث هنا إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب.

الاتصال بأشباه الموصلات من النوع p و p

في الشكل، يتم تمثيل الإلكترونات بدوائر زرقاء، والثقوب ممثلة بدوائر رمادية. يسمى الاتصال بين اثنين من أشباه الموصلات من النوع n و p تقاطع p-n، أو تقاطع n-p.

نتيجة للاتصال بين أشباه الموصلات، انتشار. تذهب بعض الإلكترونات إلى الثقوب، وبعض الثقوب تذهب إلى جانب الإلكترون. ونتيجة لذلك، يتم شحن أشباه الموصلات: n بشكل إيجابي، وp بشكل سلبي.

بعد أن يبدأ المجال الكهربائي الذي يظهر في المنطقة الانتقالية بالتداخل مع حركة الإلكترونات والثقوب، سيتوقف الانتشار.

لدراسة خصائص الوصلة pn، نقوم بتوصيلها بالدائرة كما هو موضح في الشكل التالي.

أولاً، نقوم بتوصيل مصدر الطاقة بحيث يكون الجهد على الجانب من النوع p من شبه الموصل موجبًا، والجانب من النوع n سالبًا.

مع مثل هذا الاتصال، ستكون الموصلية لأشباه الموصلات عالية. سيتم إنشاء التيار عبر الوصلة بواسطة ناقلات الأغلبية: من n إلى p – الإلكترونات، ومن p إلى n – الثقوب.

ستكون المقاومة صغيرة جدًا. يسمى هذا الاتصال بوصلة pn مباشرًا. الآن دعونا نتغير قطبيةتوصيل مصدر الطاقة.

ستنخفض القيمة الحالية بشكل ملحوظ عما كانت عليه في الحالة السابقة. سيتم إنشاء التيار في هذه الحالة بواسطة ناقلات الأقلية، وعددها أقل بكثير من عدد ناقلات الأغلبية.

خصائص فولت أمبير

في هذه الحالة، ستكون الموصلية صغيرة والمقاومة كبيرة. يتم تشكيل طبقة حاجزة. يسمى هذا الاتصال بتقاطع pn بالعكس.

عند دراسة خصائص أي عنصر، غالبا ما يتم رسم اعتماد القوة الحالية على فرق الجهد. يسمى هذا النوع من الاعتماد بخاصية الجهد الحالي في الفيزياء. في بعض الأحيان، لسهولة التسجيل، يقومون ببساطة بكتابة رمز CVC.

يوضح الرسم البياني التالي خصائص الجهد الحالي للتوصيلات الأمامية والعكسية لوصلة pn.

يُظهر الخط الصلب خاصية الجهد الحالي للاتصال المباشر لوصلة pn، ويوضح الخط المنقط الاتصال العكسي.
بناءً على خصائص الوصلة pn، يتم تصنيع العديد من عناصر الهندسة الراديوية، على سبيل المثال، الثنائيات.

>>الفيزياء: التيار الكهربائي من خلال ملامسة أشباه الموصلات من النوع p وn

تحدث الظواهر الأكثر إثارة للاهتمام عندما تتلامس أشباه الموصلات ن- و ر-أنواع. وتستخدم هذه الظواهر في معظم أجهزة أشباه الموصلات.
يوضح الشكل 16.10 رسمًا تخطيطيًا لشبه الموصل، الذي يحتوي الجانب الأيمن منه على شوائب مانحة، وبالتالي فهو شبه موصل ن-النوع، والأيسر هو متقبل الشوائب ويمثل شبه موصل ر-يكتب؛ بينهم - منطقة انتقالية- المنطقة المستنفدة من الرسوم. يحدث إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب فيه. تم تصوير الإلكترونات على شكل دوائر زرقاء، والثقوب على شكل دوائر رمادية. يسمى الاتصال بين اثنين من أشباه الموصلات ص-ن- أو ن-ر-انتقال.

لمنع التأثيرات الضارة للهواء والضوء، يتم وضع كريستال الجرمانيوم في علبة معدنية محكمة الغلق.
يظهر الشكل التخطيطي للديود في الشكل 16.16. تعتبر مقومات أشباه الموصلات موثوقة للغاية ولها عمر خدمة طويل. ومع ذلك، لا يمكنها العمل إلا في نطاق درجة حرارة محدود (من -70 إلى 125 درجة مئوية).

???
1. ماذا يحدث عند ملامسة موصلين ن- و ر-أنواع؟
2. ما هي الطبقة الحاجزة؟
3. ما هو الانتقال الذي يسمى المباشر؟
4. ما هو الغرض من الصمام الثنائي شبه الموصل؟

G.Ya.Myakishev، B.B.Bukhovtsev، N.N.Sotsky، الفيزياء الصف العاشر

قم بتنزيل التخطيط المواضيعي للتقويم في الفيزياء وإجابات الاختبارات والواجبات والإجابات لأطفال المدارس والكتب والكتب المدرسية ودورات المعلمين في الفيزياء للصف العاشر

محتوى الدرس ملاحظات الدرسدعم إطار عرض الدرس وأساليب تسريع التقنيات التفاعلية يمارس المهام والتمارين ورش عمل الاختبار الذاتي، والتدريبات، والحالات، والمهام، والواجبات المنزلية، وأسئلة المناقشة، والأسئلة البلاغية من الطلاب الرسوم التوضيحية الصوت ومقاطع الفيديو والوسائط المتعددةصور فوتوغرافية، صور، رسومات، جداول، رسوم بيانية، فكاهة، نوادر، نكت، كاريكاتير، أمثال، أقوال، كلمات متقاطعة، اقتباسات الإضافات الملخصاتالمقالات والحيل لأسرّة الأطفال الفضوليين والكتب المدرسية الأساسية والإضافية للمصطلحات الأخرى تحسين الكتب المدرسية والدروستصحيح الأخطاء في الكتاب المدرسيتحديث جزء من الكتاب المدرسي، وعناصر الابتكار في الدرس، واستبدال المعرفة القديمة بأخرى جديدة فقط للمعلمين دروس مثاليةخطة التقويم للسنة توصيات منهجية دروس متكاملة

إذا كان لديك تصحيحات أو اقتراحات لهذا الدرس،

« الفيزياء - الصف العاشر"

ما هي الناقلات الحالية في أشباه الموصلات التي تمثل الأغلبية وأيها الأقلية؟
كيف تختلف موصلية الشوائب عن الموصلية الجوهرية؟

تحدث الظواهر الأكثر إثارة للاهتمام عندما تتلامس أشباه الموصلات من النوع n وp. وتستخدم هذه الظواهر في معظم أجهزة أشباه الموصلات.

الانتقال p-n.

دعونا نفكر فيما سيحدث إذا قمنا بتلامس اثنين من أشباه الموصلات المتطابقتين، ولكن مع أنواع مختلفة من الموصلية: على اليسار يوجد شبه موصل من النوع n، وعلى اليمين يوجد شبه موصل من النوع p (الشكل 16.10).

يسمى الاتصال بين اثنين من أشباه الموصلات بأنواع مختلفة من الموصلية ع-ن-أو تقاطع n-p.

تظهر الإلكترونات في الشكل في دوائر زرقاء، وفتحات باللون الرمادي.

يوجد على الجانب الأيسر العديد من الإلكترونات الحرة، وعلى الجانب الأيمن تركيزها منخفض جدًا. وعلى الجانب الأيمن، على العكس من ذلك، هناك العديد من الثقوب، أي الأماكن الخالية للإلكترونات. بمجرد ملامسة أشباه الموصلات، تبدأ الإلكترونات في الانتشار من المنطقة ذات الموصلية من النوع n إلى المنطقة ذات الموصلية من النوع p، وبالتالي انتقال الثقوب في الاتجاه المعاكس. تحتل الإلكترونات التي مرت إلى شبه الموصل من النوع p مساحات حرة، وتحدث عملية إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب، كما تختفي الثقوب التي دخلت إلى شبه الموصل من النوع n بسبب احتلال الإلكترونات للمساحة الشاغرة. وهكذا، بالقرب من الواجهة بين أشباه الموصلات ذات أنواع مختلفة من الموصلية، تظهر طبقة مستنفدة من الموجات الحاملة الحالية (وتسمى طبقة الاتصال). هذه الطبقة هي في الواقع عازلة، ومقاومتها عالية جدًا. في هذه الحالة، يتم شحن شبه الموصل من النوع n بشكل إيجابي، ويتم شحن شبه الموصل من النوع p بشكل سلبي. ينشأ مجال كهربائي ثابت بشدته k في منطقة التلامس، مما يمنع المزيد من انتشار الإلكترونات والثقوب.

المقاومة الإجمالية لأشباه الموصلات المتلامسة هي مجموع مقاومة أشباه الموصلات من النوع l والوصلة p-n وأشباه الموصلات من النوع p: R = R n + R pn + R p. نظرًا لأن مقاومة المناطق ذات أنواع الموصلية n و p صغيرة (يوجد العديد من حاملات الشحنة - الإلكترونات والثقوب) ، يتم تحديد المقاومة الإجمالية بشكل أساسي من خلال مقاومة تقاطع p-n: R ≈ R pn.

لنقم بتوصيل شبه موصل مع وصلة p-n بدائرة كهربائية بحيث تكون إمكانات أشباه الموصلات من النوع p موجبة والنوع n سالبًا (الشكل 16.11). في هذه الحالة، سيتم توجيه شدة المجال الخارجي في الاتجاه المعاكس لقوة طبقة الاتصال.

وحدة التوتر الكلي E = E إلى - E تحويلة. وبما أن المجال الذي يحمل حاملات التيار يضعف، فإن الإلكترونات لديها بالفعل طاقة كافية للتغلب عليها.

سوف يتدفق تيار عبر الوصلة، وسيتم إنشاؤه بواسطة حاملات الأغلبية - تنتقل الإلكترونات من المنطقة ذات الموصلية من النوع n إلى المنطقة ذات الموصلية من النوع p، وتأتي الفجوات من المنطقة ذات الموصلية من النوع p إلى المنطقة مع نوع ن. في هذه الحالة، يتم استدعاء تقاطع pn مباشر.

لاحظ أن التيار الكهربائي يتدفق في جميع أنحاء الدائرة: من جهة الاتصال الإيجابية عبر منطقة النوع p إلى تقاطع p-n، ثم عبر منطقة النوع n إلى جهة الاتصال السلبية (الشكل 16.12). موصلية العينة بأكملها عالية والمقاومة منخفضة. كلما زاد الجهد المطبق على جهة الاتصال، زاد التيار.

إن اعتماد التيار على فرق الجهد – خاصية جهد التيار للوصلة المباشرة – يظهر في الشكل (16.13) بخط متصل.

لاحظ أن التغيير في الجهد المطبق يؤدي إلى زيادة حادة في التيار. وبالتالي، فإن زيادة الجهد بمقدار 0.25 فولت يمكن أن تؤدي إلى زيادة في قوة التيار بمقدار 20000 مرة.

في الوصلة المباشرة، تكون مقاومة طبقة الحجب صغيرة، وتعتمد أيضًا على الجهد المطبق، فكلما زاد الجهد، انخفضت المقاومة.

دعونا الآن نغير قطبية اتصال البطارية. في هذه الحالة، يتم توجيه نقاط القوة للمجالات الخارجية ومجالات الاتصال في نفس الاتجاه (الشكل 16.14) ووحدة القوة الإجمالية E = E إلى - E ext. يسحب المجال الخارجي الإلكترونات والثقوب بعيدًا عن طبقة الاتصال، مما يؤدي إلى تمددها. وفي هذا الصدد، لم تعد الإلكترونات تملك الطاقة الكافية للتغلب على هذه الطبقة. الآن يتم تنفيذ الانتقال من خلال جهة الاتصال بواسطة ناقلات الأقلية، وعددها صغير.

مقاومة طبقة الاتصال عالية جدًا. لا يتدفق التيار عبر تقاطع p-n. يتم تشكيل ما يسمى بالطبقة الحاجزة. ويسمى هذا التحول يعكس.

تظهر خاصية الجهد الحالي للانتقال العكسي في الشكل 16.13 بخط متقطع.

تبين أن تقاطع p-n غير متماثل بالنسبة للتيار: في الاتجاه الأمامي تكون مقاومة الوصلة أقل بكثير منها في الاتجاه العكسي. وبالتالي، يمكن استخدام وصلة pn لتصحيح التيار الكهربائي.

يسمى جهاز يحتوي على وصلة p-n وقادر على تمرير التيار في اتجاه واحد وعدم المرور في الاتجاه المعاكس ديود أشباه الموصلات.

إذا تم تطبيق جهد متناوب على نقاط اتصال الصمام الثنائي لأشباه الموصلات، فإن التيار عبر الدائرة سوف يتدفق في اتجاه واحد فقط.

تصنع ثنائيات أشباه الموصلات من الجرمانيوم والسيليكون والسيلينيوم ومواد أخرى.

دعونا نفكر في كيفية إنشاء وصلة pn باستخدام الجرمانيوم، الذي يتمتع بموصلية من النوع n، مع إضافة صغيرة من شوائب المتبرع. لا يمكن الحصول على هذا التحول عن طريق توصيل مادتين من أشباه الموصلات ميكانيكيًا بأنواع مختلفة من الموصلية، لأن هذا يؤدي إلى وجود فجوة كبيرة جدًا بين أشباه الموصلات. يجب ألا يكون سمك الوصلة p-n أكبر من المسافات بين الذرات، بحيث يتم إذابة الإنديوم في أحد أسطح العينة. لإنشاء صمام ثنائي لأشباه الموصلات، يتم تسخين شبه موصل يحتوي على ذرات الإنديوم إلى درجة حرارة عالية. تترسب أبخرة الشوائب من النوع n (مثل الزرنيخ) على سطح البلورة. بسبب الانتشار، يتم إدخالها في البلورة، وعلى سطح البلورة ذات الموصلية من النوع p، يتم تشكيل منطقة ذات موصلية من النوع الإلكتروني (الشكل 16.15).

لمنع التأثيرات الضارة للهواء والضوء، يتم وضع كريستال الجرمانيوم في علبة معدنية محكمة الغلق.

تُستخدم الثنائيات شبه الموصلة في أجهزة الكشف عن المستقبل لعزل الإشارات ذات التردد المنخفض وللحماية من الاتصال غير الصحيح للمصدر بالدائرة.

تستخدم إشارات المرور ثنائيات خاصة لأشباه الموصلات. عندما يتم توصيل هذا الصمام الثنائي مباشرة، يحدث إعادة التركيب النشط للإلكترونات والثقوب. وفي هذه الحالة، يتم إطلاق الطاقة على شكل إشعاع ضوئي.

الترانزستورات.

تطبيق آخر لأشباه الموصلات ذات الموصلية الشائبة هو الترانزستورات - الأجهزة المستخدمة لتضخيم الإشارات الكهربائية.

دعونا نفكر في أحد أنواع الترانزستورات المصنوعة من الجرمانيوم أو السيليكون مع شوائب المانح والمستقبل التي يتم إدخالها فيها. يتم توزيع الشوائب بحيث يتم إنشاء طبقة رقيقة جدًا (في حدود عدة ميكرومترات سميكة) من أشباه الموصلات من النوع n بين طبقتين من أشباه الموصلات من النوع p (الشكل 16.17). تسمى هذه الطبقة الرقيقة أساسأو قاعدة.

يتم تشكيل تقاطعين p-n في البلورة، اتجاهاتهما المباشرة متقابلة. تسمح لك ثلاث محطات من مناطق ذات أنواع مختلفة من الموصلية بتضمين ترانزستور في الدائرة الموضحة في الشكل 16.17. في هذه الدائرة، عند توصيل البطارية B1، يكون تقاطع p-n الأيسر مباشر. يُطلق على شبه الموصل الأيسر ذو الموصلية من النوع p باعث. إذا لم يكن هناك تقاطع pn الأيمن، فسيكون هناك تيار في دائرة قاعدة الباعث، اعتمادًا على جهد المصادر (البطارية B1 ومصدر جهد التيار المتردد) ومقاومة الدائرة، بما في ذلك المقاومة المنخفضة تقاطع قاعدة الباعث المباشر.

يتم توصيل البطارية B2 بحيث يكون الوصلة n-p اليمنى في الدائرة (انظر الشكل 16.17) يعكس. تسمى المنطقة المناسبة ذات الموصلية من النوع p جامع. إذا لم يكن هناك تقاطع pn الأيسر، فإن التيار في دائرة المجمع سيكون قريباً من الصفر، لأن مقاومة الوصلة العكسية عالية جداً. عندما يوجد تيار في الوصلة p-n اليسرى، يظهر تيار في دائرة المجمع، وتكون قوة التيار في المجمع أقل بقليل من قوة التيار في الباعث. (إذا تم تطبيق جهد سلبي على الباعث، فسيتم عكس تقاطع p-n الأيسر، ولن يكون هناك أي تيار عمليًا في دائرة الباعث أو في دائرة المجمع.)

هذا يفسر كالتالي. عندما يتم إنشاء جهد بين الباعث والقاعدة، فإن حاملات الأغلبية لأشباه الموصلات من النوع p (الثقوب) تخترق القاعدة، حيث تكون موجودة بالفعل وسائل الإعلام غير الرئيسية. نظرًا لأن سمك القاعدة صغير جدًا وعدد الناقلات الرئيسية (الإلكترونات) فيها صغير، فإن الثقوب التي تدخل فيها تقريبًا لا تتحد (لا تتحد) مع إلكترونات القاعدة وتتغلغل في المجمع بسبب للانتشار. يتم إغلاق تقاطع pn الأيمن أمام حاملات الشحنة الرئيسية للقاعدة - الإلكترونات، ولكن ليس أمام الثقوب. في المجمع، يتم تنفيذ الثقوب بعيدا عن طريق المجال الكهربائي واستكمال الدائرة. إن قوة التيار المتفرع إلى دائرة الباعث من القاعدة صغيرة جدًا، نظرًا لأن مساحة المقطع العرضي للقاعدة في المستوى الأفقي (انظر الشكل 16.17) أصغر بكثير من المقطع العرضي في المستوى الرأسي .

تيار المجمع يساوي تقريبًا تيار الباعث ويختلف باختلاف التيار المار عبر الباعث. مقاومة المقاوم R لها تأثير ضئيل على التيار في المجمع، ويمكن جعل هذه المقاومة كبيرة جدًا. من خلال التحكم في تيار الباعث باستخدام مصدر جهد متناوب متصل بدائرته، نحصل على تغيير متزامن في الجهد عبر المقاومة R.

مع وجود مقاومة كبيرة، يمكن أن يكون التغير في الجهد عبرها أكبر بعشرات الآلاف من المرات من التغير في جهد الإشارة في دائرة الباعث. وهذا يعني زيادة التوتر. لذلك، عند الحمل R، من الممكن الحصول على إشارات كهربائية تكون قوتها أكبر بعدة مرات من الطاقة التي تدخل دائرة الباعث.

تطبيق الترانزستورات.

تعتمد الإلكترونيات الحديثة على الدوائر الدقيقة والمعالجات الدقيقة، والتي تتضمن عددًا هائلاً من الترانزستورات.

تم طرح أول دائرة متكاملة للبيع في عام 1964. وكانت تحتوي على ستة عناصر - أربعة ترانزستورات ومقاومتين. تحتوي الدوائر الدقيقة الحديثة على ملايين الترانزستورات.

لقد غيرت أجهزة الكمبيوتر، المكونة من الرقائق والمعالجات الدقيقة، العالم من حولنا بالفعل. في الوقت الحالي، لا يوجد مجال واحد من النشاط البشري لا تعمل فيه أجهزة الكمبيوتر كمساعدين بشريين نشطين. على سبيل المثال، في أبحاث الفضاء أو إنتاج التكنولوجيا الفائقة، تعمل المعالجات الدقيقة، ومستوى التنظيم الذي يتوافق مع الذكاء الاصطناعي.

أصبحت الترانزستورات (الشكل 16.18، 16 19) واسعة الانتشار للغاية في التكنولوجيا الحديثة. لقد استبدلوا الأنابيب المفرغة في الدوائر الكهربائية للمعدات العلمية والصناعية والمنزلية. تُسمى أجهزة الراديو المحمولة التي تستخدم مثل هذه الأجهزة عادةً بالترانزستورات. تتمثل ميزة الترانزستورات (وكذلك الثنائيات شبه الموصلة) مقارنة بأنابيب الإلكترون في المقام الأول في عدم وجود كاثود ساخن، والذي يستهلك طاقة كبيرة ويستغرق وقتًا للتسخين. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الأجهزة أصغر حجمًا ووزنًا بعشرات ومئات المرات من الأنابيب المفرغة.

مقالات مماثلة