Nadharia ya zamani ya elektroniki ya upitishaji wa Drude-Lorentz. Nadharia ya umeme ya conductivity Kanuni za msingi za nadharia ya conductivity ya umeme

Kwa upande wa nadharia ya elektroniki ya classical, conductivity ya juu ya umeme ya metali ni kwa sababu ya uwepo wa idadi kubwa ya elektroni za bure, harakati ambayo inatii sheria za mechanics ya Newtonian ya zamani. Katika nadharia hii, mwingiliano wa elektroni na kila mmoja hupuuzwa, na mwingiliano wao na ions chanya hupunguzwa tu kwa migongano. Kwa maneno mengine, elektroni za upitishaji huzingatiwa kama gesi ya elektroni, sawa na monatomic, gesi bora. Gesi kama hiyo ya elektroni lazima ifuate sheria zote za gesi bora. Kwa hiyo, wastani wa nishati ya kinetic ya mwendo wa joto wa elektroni itakuwa sawa na , ambapo ni wingi wa elektroni, ni kasi yake ya mizizi-maana ya mraba, k ni mara kwa mara ya Boltzmann, T ni joto la thermodynamic. Kwa hiyo, kwa T = 300 K, kasi ya mizizi-maana-mraba ya mwendo wa joto wa elektroni ni »10 5 m/s.

Harakati ya machafuko ya joto ya elektroni haiwezi kusababisha kuibuka kwa sasa ya umeme, lakini chini ya ushawishi wa uwanja wa nje wa umeme, harakati iliyoagizwa ya elektroni hutokea kwa conductor kwa kasi ya . Thamani inaweza kukadiriwa kutoka kwa uhusiano uliotolewa hapo awali, ambapo j ni msongamano wa sasa, ni mkusanyiko wa elektroni, e ni malipo ya elektroni. Kama hesabu inavyoonyesha, "8×10 -4 m/s. Thamani ndogo sana ya thamani ikilinganishwa na thamani inaelezewa na migongano ya mara kwa mara ya elektroni na ioni za kimiani. Inaweza kuonekana kuwa matokeo yaliyopatikana yanapingana na ukweli kwamba maambukizi ya ishara ya umeme kwa umbali mrefu sana hutokea karibu mara moja. Lakini ukweli ni kwamba kufungwa kwa mzunguko wa umeme kunahusisha uenezi wa shamba la umeme kwa kasi ya 3 × 10 8 m / s (kasi ya mwanga). Kwa hiyo, harakati iliyoagizwa ya elektroni kwa kasi chini ya ushawishi wa shamba itatokea karibu mara moja kwa urefu wote wa mzunguko, ambayo inahakikisha maambukizi ya ishara ya papo hapo.

Kwa msingi wa nadharia ya elektroniki ya classical, sheria za msingi za sasa za umeme zilizojadiliwa hapo juu zilitolewa - sheria za Ohm na Joule-Lenz kwa fomu tofauti na. Kwa kuongezea, nadharia ya kitamaduni ilitoa maelezo ya ubora wa sheria ya Wiedemann-Franz. Mnamo 1853, I. Wiedemann na F. Franz walianzisha kwamba kwa joto fulani uwiano wa mgawo wa conductivity ya mafuta l kwa conductivity maalum g ni sawa kwa metali zote. Sheria ya Wiedemann-Franz ina fomu , ambapo b ni huru mara kwa mara ya asili ya chuma. Nadharia ya classical elektroni inaelezea muundo huu pia. Elektroni za upitishaji, zinazohamia kwenye chuma, hubeba pamoja nao sio malipo ya umeme tu, bali pia nishati ya kinetic ya mwendo wa joto wa nasibu. Kwa hiyo, metali hizo zinazofanya umeme vizuri ni conductors nzuri za joto. Nadharia ya classical ya elektroniki ilielezea kwa usawa asili ya upinzani wa umeme wa metali. Katika uwanja wa nje, harakati iliyoagizwa ya elektroni inasumbuliwa na migongano yao na ions chanya ya latiti. Kati ya migongano miwili, elektroni husogea kwa kasi ya kasi na kupata nishati, ambayo hutoa tena kwa ioni wakati wa mgongano unaofuata. Tunaweza kudhani kwamba harakati ya elektroni katika chuma hutokea kwa msuguano sawa na msuguano wa ndani katika gesi. Msuguano huu hujenga upinzani katika chuma.

Hata hivyo, nadharia ya classical ilipata matatizo makubwa. Hebu tuorodhe baadhi yao:

1. Tofauti kati ya nadharia na majaribio ilitokea wakati wa kuhesabu uwezo wa joto wa metali. Kulingana na nadharia ya kinetic, uwezo wa joto wa metali unapaswa kuwa jumla ya uwezo wa joto wa atomi na uwezo wa joto wa elektroni za bure. Kwa kuwa atomi katika mwili imara hufanya harakati za vibrational tu, uwezo wao wa joto wa molar ni sawa na C = 3R (R = 8.31 ​​J/(mol×K) - gesi ya molar mara kwa mara); elektroni za bure husogea tu kwa kutafsiri na uwezo wao wa joto wa molar ni sawa na C=3/2R. Jumla ya uwezo wa joto inapaswa kuwa C»4.5R, lakini kulingana na data ya majaribio C=3R.

Pia walijua kuwa wabebaji wa sasa wa umeme katika metali ni elektroni zenye chaji hasi. Yote iliyobaki ilikuwa kuunda maelezo ya upinzani wa umeme katika kiwango cha atomiki. Jaribio la kwanza la aina hii lilifanywa mnamo 1900 na mwanafizikia wa Ujerumani Paul Drude (1863-1906).

Maana ya nadharia ya elektroniki ya conductivity inakuja kwa ukweli kwamba kila atomi ya chuma hutoa elektroni ya valence kutoka shell ya nje, na elektroni hizi za bure huenea katika chuma, na kutengeneza aina ya gesi yenye chaji hasi. Katika kesi hii, atomi za chuma zimejumuishwa kwenye kimiani ya kioo yenye sura tatu, ambayo kwa kweli haiingilii na harakati ya elektroni za bure ndani yake ( sentimita. Vifungo vya kemikali). Mara tu tofauti ya uwezo wa umeme inatumiwa kwa kondakta (kwa mfano, kwa kufupisha vituo viwili vya betri kwenye ncha zake mbili), elektroni za bure huanza kusonga kwa utaratibu. Mara ya kwanza husogea kwa kasi, lakini hii haidumu kwa muda mrefu, kwani hivi karibuni elektroni huacha kuharakisha, kugongana na atomi za kimiani, ambazo, kwa upande wake, huanza kuzunguka na kuongezeka kwa amplitude kuhusiana na mahali pa kupumzika kwa masharti, na tunaona thermoelectric. athari ya kupokanzwa kondakta.

Migongano hii ina athari ya kupungua kwa elektroni, sawa na jinsi, sema, ni vigumu kwa mtu kusonga kwa kasi ya kutosha katika umati wa watu. Matokeo yake, kasi ya elektroni imewekwa kwa kiwango fulani cha wastani, kinachoitwa kasi ya uhamiaji, na kasi hii, kwa kweli, sio juu kabisa. Kwa mfano, katika wiring ya kawaida ya umeme ya kaya, kasi ya wastani ya uhamiaji wa elektroni ni milimita chache tu kwa sekunde, yaani, elektroni haziruki kando ya waya, lakini hutambaa pamoja nao kwa kasi inayostahili konokono. Mwangaza katika balbu huwaka karibu mara moja kwa sababu elektroni hizi zote za polepole huanza kusonga. kwa wakati mmoja, mara tu unapobonyeza kitufe cha kubadili, elektroni kwenye coil ya balbu ya mwanga pia huanza kusonga mara moja. Hiyo ni, kwa kubonyeza kitufe cha kubadili, hutoa athari kwenye waya sawa na kile ambacho kingetokea ikiwa utawasha pampu iliyounganishwa na hose ya kumwagilia iliyojazwa na maji - mkondo ulio karibu na pampu utatoka haraka. ya hose mara moja.

Drude alichukua maelezo ya elektroni za bure kwa umakini sana. Alidhani kuwa ndani ya chuma wanaishi kama gesi bora, na akatumia mlingano bora wa hali ya gesi kwao, akichora kwa usawa mlinganisho kati ya migongano ya elektroni na migongano ya joto ya molekuli za gesi bora. Hii ilimruhusu kuunda fomula ya upinzani wa umeme kama kazi ya muda wa wastani kati ya migongano ya elektroni za bure na atomi za kimiani ya kioo. Kama nadharia nyingi rahisi, nadharia ya elektroniki ya conductivity ni nzuri katika kuelezea baadhi ya matukio ya msingi katika uwanja wa conductivity ya umeme, lakini haina uwezo wa kuelezea nuances nyingi za jambo hili. Hasa, sio tu haielezi uzushi wa superconductivity kwa joto la chini kabisa ( sentimita. Nadharia ya superconductivity, kinyume chake, inatabiri ongezeko lisilo na kikomo la upinzani wa umeme wa dutu yoyote kama joto lake huwa na sifuri kabisa. Kwa hivyo, leo sifa za upitishaji umeme za maada kawaida hufasiriwa ndani ya mfumo wa mechanics ya quantum ( sentimita.

Atomu ina kiini kilichozungukwa na wingu la elektroni, ambazo ziko katika mwendo kwa umbali fulani kutoka kwa kiini ndani ya tabaka (maganda) iliyoamuliwa na nishati yao. Kadiri elektroni inayozunguka inavyotoka kwenye kiini, ndivyo kiwango chake cha nishati kiko juu. Atomi za bure zina wigo tofauti wa nishati. Wakati mabadiliko ya elektroni kutoka ngazi moja iliyoruhusiwa hadi nyingine, moja ya mbali zaidi, nishati inachukuliwa, na wakati wa mpito wa reverse, hutolewa. Kunyonya na kutolewa kwa nishati kunaweza kutokea tu katika sehemu zilizoainishwa madhubuti - quanta. Kila ngazi ya nishati inaweza kuwa na si zaidi ya elektroni mbili. Umbali kati ya viwango vya nishati hupungua kwa kuongezeka kwa nishati. "dari" ya wigo wa nishati ni kiwango cha ionization ambacho elektroni hupata nishati ambayo inaruhusu kuwa huru na kuacha atomi.

Ikiwa tunazingatia muundo wa atomi za vipengele mbalimbali, tunaweza kutofautisha shells ambazo zimejaa kabisa elektroni (ndani) na shells zisizojazwa (nje). Mwisho ni dhaifu zaidi kushikamana na kiini na kuingiliana kwa urahisi zaidi na atomi nyingine. Kwa hivyo, elektroni ziko kwenye ganda la nje ambalo halijakamilika huitwa elektroni za valence.

Wakati molekuli zinaundwa, aina tofauti za vifungo hufanya kazi kati ya atomi za mtu binafsi. Kwa semiconductors, zinazojulikana zaidi ni vifungo shirikishi vinavyoundwa kwa kushiriki elektroni za valence za atomi za jirani. Kwa mfano, katika germanium, atomi ambayo ina elektroni nne za valence, vifungo vya covalent hutokea katika molekuli kati ya atomi nne za jirani (Mchoro 2.1, a).

Mchele. 2.1. Muundo wa vifungo vya atomi ya germanium kwenye kimiani ya fuwele (a) na alama za marufuku na kuruhusiwa (b)

Ikiwa atomi ziko katika hali ya kufungwa, basi elektroni za valence huchukuliwa na sehemu za elektroni na nuclei za atomi za jirani, kama matokeo ambayo kila kiwango cha nishati kinachoruhusiwa cha atomi kinagawanywa katika viwango kadhaa vya nishati. nishati ambayo ni karibu na kila mmoja. Kila moja ya viwango hivi inaweza pia kuwa na elektroni mbili tu. Seti ya viwango, ambayo kila moja inaweza kuwa na elektroni, inaitwa bendi inayoruhusiwa kwenye Mtini. . Mapungufu kati ya kanda zinazoruhusiwa huitwa kanda zilizopigwa marufuku (2 kwenye Kielelezo). Viwango vya chini vya nishati vya atomi kawaida havifanyi bendi, kwa kuwa maganda ya elektroni ya ndani katika mango yanaingiliana kwa unyonge na atomi za jirani, kuwa, kana kwamba, "kimelindwa" na ganda la nje. Katika wigo wa nishati ya imara, aina tatu za bendi zinaweza kutofautishwa: bendi zinazoruhusiwa (zinazojazwa kikamilifu), bendi zilizokatazwa na bendi za uendeshaji.

Bendi ya kuruhusiwa ina sifa ya ukweli kwamba viwango vyake vyote kwa joto la 0 K vinajazwa na elektroni. Bendi iliyojaa juu inaitwa bendi ya valence.

Bendi iliyokatazwa ina sifa ya ukweli kwamba ndani ya mipaka yake hakuna viwango vya nishati ambavyo elektroni zinaweza kupatikana.

Bendi ya uendeshaji ina sifa ya ukweli kwamba elektroni ziko ndani yake zina nguvu zinazowawezesha kujifungua kutoka kwa vifungo na atomi na kuhamia ndani ya imara, kwa mfano, chini ya ushawishi wa shamba la umeme.

Mgawanyiko wa vitu katika metali, semiconductors na dielectrics hufanyika kulingana na muundo wa bendi ya mwili kwa joto la sifuri kabisa.

Katika metali, bendi ya valence na bendi ya upitishaji huingiliana, kwa hivyo kwa 0 K chuma kina conductivity ya umeme.

Kwa semiconductors na dielectrics, bendi ya conduction saa 0 K ni tupu na hakuna conductivity ya umeme. Tofauti kati yao ni kiasi - katika pengo la bendi ya AE. Semiconductors za kawaida (semiconductors kwa msingi ambao wanatarajia kuunda vifaa vya hali ya juu katika siku zijazo) katika dielectrics.

Katika halvledare, kwa thamani fulani ya joto tofauti na sifuri, baadhi ya elektroni zitakuwa na nishati ya kutosha kuhamia kwenye bendi ya upitishaji. Elektroni hizi huwa huru, na semiconductor inakuwa conductive umeme.

Kuondoka kwa elektroni kutoka kwa bendi ya valence husababisha kuundwa kwa kiwango cha nishati isiyojazwa ndani yake. Hali ya nishati iliyo wazi inaitwa shimo.

Elektroni za valence kutoka kwa atomi za jirani, mbele ya uwanja wa umeme, zinaweza kuhamia viwango hivi vya bure, na kuunda mashimo mahali pengine. Mwendo huu wa elektroni unaweza kuzingatiwa kama harakati ya chaji chaji chaji chaji cha uwongo - mashimo.

Conductivity umeme kutokana na harakati ya elektroni bure inaitwa umeme, na conductivity umeme kutokana na harakati ya mashimo inaitwa shimo conductivity.

Katika semiconductor safi kabisa na homogeneous kwa joto tofauti na 0 K, elektroni za bure na mashimo huundwa kwa jozi, yaani, idadi ya elektroni ni sawa na idadi ya mashimo. Conductivity ya umeme ya semiconductor vile (ndani), kutokana na flygbolag jozi ya asili ya mafuta, inaitwa intrinsic.

Mchakato wa kuunda jozi ya shimo la elektroni huitwa kizazi cha jozi. Katika kesi hii, kizazi cha jozi kinaweza kuwa matokeo sio tu ya ushawishi wa nishati ya joto (kizazi cha joto), lakini pia ya nishati ya kinetic ya chembe zinazohamia (kizazi cha athari), nishati ya shamba la umeme, nishati ya mionzi ya mwanga (kizazi cha mwanga. ), na kadhalika.

Elektroni na shimo linaloundwa kama matokeo ya kupasuka kwa dhamana ya valence hupitia mwendo wa machafuko kwa kiasi cha semiconductor hadi elektroni "imekamatwa" na shimo, na kiwango cha nishati ya shimo "huchukuliwa" na elektroni kutoka. bendi ya uongozaji. Katika kesi hiyo, vifungo vya valence vilivyovunjika vinarejeshwa, na flygbolag za malipo - elektroni na shimo - hupotea. Utaratibu huu wa kurejesha vifungo vya valence vilivyovunjika huitwa recombination.

Kipindi cha muda kinachopita kutoka wakati wa kuzaliwa kwa chembe ambayo ni kibeba chaji hadi muunganisho wake unaitwa wakati wa maisha, na umbali unaosafirishwa na chembe wakati wa maisha yake unaitwa urefu wa uenezi. Kwa kuwa muda wa maisha wa kila mtoa huduma wa chaji ni tofauti, kwa sifa isiyoeleweka ya semicondukta, muda wa maisha mara nyingi hueleweka kama wastani (wastani wa takwimu) wa maisha ya wabebaji chaji, na urefu wa usambaaji ni umbali wa wastani ambao mtoa chaji husafiri. wakati wa wastani wa maisha. Urefu wa kueneza na maisha ya elektroni na mashimo yanahusiana na mahusiano

wapi urefu wa uenezi wa elektroni na mashimo; - maisha ya elektroni na mashimo; - mgawo wa usambazaji wa elektroni na mashimo (wiani wa carrier wa malipo hubadilika kwenye gradient ya kitengo cha viwango vyao).

Muda wa wastani wa maisha ya wabebaji wa malipo hufafanuliwa kwa nambari kuwa kipindi cha wakati ambapo mkusanyiko wa wabebaji wa malipo unaoletwa kwa njia moja au nyingine kwenye semiconductor hupungua kwa sababu ya ().

Ikiwa uwanja wa umeme wa kiwango cha E umeundwa katika semiconductor, basi harakati ya machafuko ya wabebaji wa malipo itaamriwa, i.e., mashimo na elektroni zitaanza kusonga kwa mwelekeo tofauti, na mashimo yataenda kwa mwelekeo unaofanana na mwelekeo. ya uwanja wa umeme. Mitiririko miwili ya kukabiliana na wabebaji wa malipo itatokea, na kuunda mikondo ambayo wiani wake ni sawa

ambapo q ni malipo ya carrier wa malipo (electron); - idadi ya elektroni na mashimo kwa kitengo cha kiasi cha dutu; , - uhamaji wa flygbolag za malipo.

Uhamaji wa flygbolag za malipo ni wingi wa kimwili unaojulikana na kasi yao ya wastani ya mwelekeo katika uwanja wa umeme na intensiteten , ambapo v ni kasi ya wastani ya carrier.

Kwa kuwa wabebaji wa malipo wa ishara kinyume husogea upande mwingine, msongamano wa sasa unaotokana na semiconductor.

Harakati ya flygbolag za malipo katika semiconductor, inayosababishwa na kuwepo kwa shamba la umeme na gradient inayoweza kutokea, inaitwa drift, na sasa inayoundwa na mashtaka haya inaitwa sasa ya drift.

Harakati chini ya ushawishi wa gradient ya ukolezi inaitwa kuenea.

Uendeshaji maalum wa semiconductor a inaweza kupatikana kama uwiano wa wiani maalum wa sasa kwa nguvu ya uwanja wa umeme:

iko wapi resistivity ya semiconductor.

VIPENGELE VYA SEMICONDUCTOR YA MIZUNGUKO YA KIELEKTRONIKI

UENDESHAJI WA UMEME WA SEMICONDUCTOR

Semiconductors ni pamoja na vifaa ambavyo kwa joto la kawaida vina upinzani maalum wa umeme kutoka 10 -5 hadi 10 10 Ohm cm (katika teknolojia ya semiconductor ni desturi kupima upinzani wa 1 cm 3 ya nyenzo). Idadi ya semiconductors inazidi idadi ya metali na dielectri. Ya kawaida hutumiwa ni silicon, gallium arsenide, selenium, germanium, tellurium, oksidi mbalimbali, sulfidi, nitridi na carbides.

Kanuni za msingi za nadharia ya conductivity ya umeme.

Atomu ina kiini kilichozungukwa na wingu la elektroni, ambazo ziko katika mwendo kwa umbali fulani kutoka kwa kiini ndani ya tabaka (maganda) iliyoamuliwa na nishati yao. Kadiri elektroni inayozunguka inavyotoka kwenye kiini, ndivyo kiwango chake cha nishati kiko juu. Atomi za bure zina wigo tofauti wa nishati. Wakati mabadiliko ya elektroni kutoka ngazi moja iliyoruhusiwa hadi nyingine, moja ya mbali zaidi, nishati inachukuliwa, na wakati wa mpito wa reverse, hutolewa. Kunyonya na kutolewa kwa nishati kunaweza kutokea tu katika sehemu zilizoainishwa madhubuti - quanta. Kila ngazi ya nishati inaweza kuwa na si zaidi ya elektroni mbili. Umbali kati ya viwango vya nishati hupungua kwa kuongezeka kwa nishati. "dari" ya wigo wa nishati ni kiwango cha ionization ambacho elektroni hupata nishati ambayo inaruhusu kuwa huru na kuacha atomi.

Ikiwa tunazingatia muundo wa atomi za vipengele mbalimbali, tunaweza kutofautisha shells ambazo zimejaa kabisa elektroni (ndani) na shells zisizojazwa (nje). Mwisho ni dhaifu zaidi kushikamana na kiini na kuingiliana kwa urahisi zaidi na atomi nyingine. Kwa hivyo, elektroni ziko kwenye ganda la nje ambalo halijakamilika huitwa elektroni za valence.

Mchoro.2.1. Muundo wa vifungo vya atomi za germanium kwenye kimiani ya kioo na alama za maeneo yaliyokatazwa na kuruhusiwa.

Wakati molekuli zinaundwa, aina tofauti za vifungo hufanya kazi kati ya atomi za mtu binafsi. Kwa semiconductors, zinazojulikana zaidi ni vifungo vya ushirikiano vinavyoundwa kwa kugawana elektroni za valence na jirani. Kwa mfano, katika silicon, atomi ambayo ina elektroni nne za valence, vifungo vya covalent hutokea katika molekuli kati ya atomi nne za jirani (Mchoro 2.1, a).

Ikiwa atomi ziko katika hali ya kufungwa, basi elektroni za valence huchukuliwa na sehemu za elektroni na nuclei za atomi za jirani, kama matokeo ambayo kila kiwango cha nishati kinachoruhusiwa cha atomi kinagawanywa katika viwango kadhaa vya nishati. nishati ambayo ni karibu na kila mmoja. Kila moja ya viwango hivi inaweza pia kuwa na elektroni mbili tu. Seti ya viwango, ambayo kila moja inaweza kuwa na elektroni, inaitwa bendi ya kuruhusiwa (1; 3 kwenye Mchoro 2.1, b). Mapungufu kati ya kanda zinazoruhusiwa huitwa kanda zilizopigwa marufuku (2 kwenye Mchoro 2.1, b). Viwango vya chini vya nishati ya atomi kawaida havifanyi bendi, kwa kuwa maganda ya elektroni ya ndani katika mango huingiliana kwa unyonge na atomi za jirani, kuwa, kama ilivyokuwa, "kimelindwa" na ganda la nje. Katika wigo wa nishati ya imara, aina tatu za bendi zinaweza kutofautishwa: bendi zinazoruhusiwa (zinazojazwa kikamilifu), bendi zilizokatazwa na bendi za uendeshaji.

Ruhusiwa Kanda hiyo ina sifa ya ukweli kwamba viwango vyake vyote kwa joto la 0 K vinajazwa na elektroni. Bendi iliyojaa juu inaitwa bendi ya valence.

Imepigwa marufuku Eneo hilo linajulikana na ukweli kwamba ndani ya mipaka yake hakuna viwango vya nishati ambavyo elektroni zinaweza kupatikana.

Bendi ya uendeshaji ina sifa ya ukweli kwamba elektroni ziko ndani yake zina nguvu zinazowawezesha kujifungua kutoka kwa vifungo na atomi na kuhamia ndani ya imara, kwa mfano, chini ya ushawishi wa shamba la umeme.

Mgawanyiko wa vitu katika metali, semiconductors na dielectrics hufanyika kulingana na muundo wa bendi ya mwili kwa joto la sifuri kabisa.

Katika metali, bendi ya valence na bendi ya upitishaji huingiliana, kwa hivyo kwa 0 K chuma kina conductivity ya umeme.

Kwa semiconductors na dielectrics, bendi ya conduction saa 0 K ni tupu na hakuna conductivity ya umeme. Tofauti kati yao ni kiasi - katika pengo la bendi ΔE. Kwa semiconductors za kawaida ΔE=0.1÷3 eV (kwa semiconductors, kwa misingi ambayo wanatarajia kuunda vifaa vya juu vya joto katika siku zijazo, ΔE=3÷6 eV), kwa dielectri ΔE>6 eV.

Katika halvledare, kwa thamani fulani ya joto tofauti na sifuri, baadhi ya elektroni zitakuwa na nishati ya kutosha kuhamia kwenye bendi ya upitishaji. Elektroni hizi huwa huru, na semiconductor inakuwa conductive umeme.

Kuondoka kwa elektroni kutoka kwa bendi ya valence husababisha kuundwa kwa kiwango cha nishati isiyojazwa ndani yake. Hali ya nishati iliyo wazi inaitwa shimo. Elektroni za valence za atomi za jirani mbele ya uwanja wa umeme zinaweza kusonga kwa viwango hivi vya bure, na kuunda mashimo mahali pengine. Mwendo huu wa elektroni unaweza kuzingatiwa kama mwendo wa chaji za uwongo zenye chaji chanya—mashimo.

Conductivity umeme kutokana na harakati ya elektroni bure inaitwa umeme, na conductivity umeme kutokana na harakati ya mashimo inaitwa shimo conductivity.

Katika semiconductor safi kabisa na homogeneous kwa joto tofauti na 0 K, elektroni za bure na mashimo huundwa kwa jozi, i.e. idadi ya elektroni ni sawa na idadi ya mashimo. Conductivity ya umeme ya semiconductor vile (ndani), kutokana na flygbolag jozi ya asili ya mafuta, inaitwa intrinsic.

Mchakato wa kuunda jozi ya elektroni-shimo inaitwa kizazi cha jozi. Katika kesi hii, kizazi cha jozi kinaweza kuwa matokeo sio tu ya ushawishi wa nishati ya joto (kizazi cha joto), lakini pia ya nishati ya kinetic ya chembe zinazohamia (kizazi cha athari), nishati ya shamba la umeme, nishati ya mionzi ya mwanga (kizazi cha mwanga. ), na kadhalika.

Elektroni na shimo linaloundwa kama matokeo ya kupasuka kwa dhamana ya valence hupitia mwendo wa machafuko kwa kiasi cha semiconductor hadi elektroni "imekamatwa" na shimo, na kiwango cha nishati ya shimo "huchukuliwa" na elektroni kutoka. bendi ya uendeshaji. Katika kesi hiyo, vifungo vya valence vilivyovunjika vinarejeshwa, na flygbolag za malipo-elektroni na shimo-hupotea. Utaratibu huu wa kurejesha vifungo vya valence vilivyovunjika huitwa recombination.

Kipindi cha muda kinachopita kutoka wakati wa kuzaliwa kwa chembe ambayo ni kibeba chaji hadi muunganisho wake unaitwa wakati wa maisha, na umbali unaosafirishwa na chembe wakati wa maisha yake unaitwa urefu wa uenezi. Kwa kuwa muda wa maisha wa kila mtoa huduma ni tofauti, ili kubainisha bila utata semiconductor, muda wa maisha mara nyingi hueleweka kama wastani (wastani wa takwimu) wa maisha ya wabebaji chaji, na urefu wa usambaaji ni umbali wa wastani ambao mtoa chaji husafiri wakati wa maisha ya wastani. . Urefu wa kueneza na maisha ya elektroni na mashimo yanahusiana na mahusiano

; (2,1)

ambapo , ni urefu wa uenezi wa elektroni na mashimo;

, - maisha ya elektroni na mashimo;

- mgawo wa uenezaji wa elektroni na mashimo (wiani wa carrier wa malipo hubadilika kwenye gradient ya kitengo cha viwango vyao).

Muda wa wastani wa maisha ya wabebaji wa chaji hufafanuliwa kwa nambari kama kipindi cha muda ambapo mkusanyiko wa wabebaji wa chaji unaoletwa kwa njia moja au nyingine kwenye semiconductor hupungua kwa e mara moja ( e≈2,7).

Ikiwa uwanja wa umeme wa kiwango E umeundwa katika semiconductor, basi harakati ya machafuko ya flygbolag za malipo itaagizwa, i.e. mashimo na elektroni zitaanza kusonga kwa mwelekeo tofauti, na mashimo katika mwelekeo unaofanana na mwelekeo wa uwanja wa umeme. Mitiririko miwili ya kukabiliana na wabebaji wa malipo itatokea, na kuunda mikondo ambayo wiani wake ni sawa

Jn dr = qnμ n E; Jp dr = qpμ p E,(2,2)

Wapi q- malipo ya carrier wa malipo (elektroni);

n, uk- idadi ya elektroni na mashimo kwa kiasi cha kitengo cha dutu (mkusanyiko);

μ n , μ p - uhamaji wa flygbolag za malipo.

Uhamaji wa flygbolag za malipo ni wingi wa kimwili unaojulikana na kasi yao ya wastani ya mwelekeo katika uwanja wa umeme na nguvu ya 1 V / cm; μ =v/E, Wapi v- kasi ya wastani ya mtoa huduma.

Kwa kuwa wabebaji chaji wa ishara kinyume husogea pande tofauti, msongamano wa sasa unaotokea katika semiconductor.

J dr = Jn dr + Jp dr =( qnμ n +qpμ p)E (2.3)

Harakati ya flygbolag za malipo katika semiconductor, inayosababishwa na kuwepo kwa shamba la umeme na gradient inayoweza kutokea, inaitwa drift, na sasa inayoundwa na mashtaka haya inaitwa sasa ya drift.

Harakati chini ya ushawishi wa gradient ya ukolezi inaitwa kuenea.

Uendeshaji maalum wa semiconductor σ unaweza kupatikana kama uwiano wa wiani maalum wa sasa kwa nguvu ya uwanja wa umeme.

σ =1/ρ= J/E=qnμ n +qpμ p,

ambapo ρ ni resistivity ya semiconductor.

Uchafu wa conductivity ya umeme. Sifa za umeme za halvledare hutegemea maudhui ya atomi za uchafu ndani yao, na pia juu ya kasoro mbalimbali za kimiani za kioo: maeneo ya kimiani tupu, atomi au ioni ziko kati ya tovuti za kimiani, nk Uchafu ni wapokeaji na wafadhili.

Kukubali uchafu. Atomi za uchafu wa kukubali zina uwezo wa kukubali elektroni moja au zaidi kutoka nje, na kugeuka kuwa ioni hasi.

Ikiwa, kwa mfano, atomi ya trivalent ya boroni inaletwa kwenye silicon, dhamana ya ushirikiano huundwa kati ya boroni na atomi nne za silicon za jirani na shell ya elektroni nane imara hupatikana kutokana na elektroni ya ziada iliyochukuliwa kutoka kwa atomi moja ya silicon. Elektroni hii, "imefungwa," inageuza atomi ya boroni kuwa ioni hasi isiyosimama (Mchoro 2.2, a). Katika nafasi ya elektroni iliyoondoka, shimo hutengenezwa, ambayo huongezwa kwa mashimo yake yanayotokana na joto (kizazi cha joto). Katika kesi hiyo, mkusanyiko wa mashimo katika semiconductor itazidi mkusanyiko wa elektroni za bure za conductivity yake mwenyewe (p> n). Kwa hivyo katika semiconductor

Mchoro.2.2. Muundo (a) na mchoro wa bendi (b) wa semicondukta yenye uchafu unaokubalika.

conductivity ya umeme ya shimo itatawala. Semiconductor kama hiyo inaitwa semiconductor ya aina ya p.

Wakati voltage inatumiwa kwa semiconductor hii, sehemu ya shimo ya sasa itatawala, i.e. Jn