सेमीकंडक्टर. n-प्रकार, p-प्रकार, अशुद्धता घटक. वेगवेगळ्या प्रकारच्या चालकतेसह अर्धसंवाहकांचा संपर्क

26.01.2015

धडा क्र. 37 (9वी इयत्ता)

विषय: थर्मिस्टर्स

वीज p- आणि n-प्रकार सेमीकंडक्टरच्या संपर्काद्वारे

( p-n जंक्शन)

तंत्रज्ञानातील विशेष महत्त्व म्हणजे वेगवेगळ्या चालकता असलेल्या अर्धसंवाहकांच्या संपर्कात आणणे. अशा संपर्काने काय होईल? चार्ज डिफ्यूजनमुळे, इलेक्ट्रॉन p-सेमीकंडक्टरमध्ये प्रवेश करू लागतील आणि एन-सेमीकंडक्टरमध्ये छिद्र पाडतील. परिणामी, सीमेवर एक तथाकथित अडथळा स्तर तयार होतो, जो त्याच्यासह विद्युत क्षेत्रशुल्काची पुढील देवाणघेवाण प्रतिबंधित करते (चित्र 6).

तांदूळ. 1. p-n जंक्शनवर ब्लॉकिंग लेयर

n-p जंक्शनचे वर्तमान-व्होल्टेज वैशिष्ट्य तयार करण्यासाठी, आम्ही गोळा केले खालील आकृती(चित्र 2 पहा), ज्यामुळे तुम्ही pn जंक्शनवर लागू होणारी ध्रुवीयता आणि व्होल्टेज दोन्ही बदलू शकता.

अंजीर.2. वैशिष्ट्ये प्राप्त करण्यासाठी सर्किट आणि व्होल्ट-अँपिअर स्वतः p-n वैशिष्ट्यपूर्णत्यानुसार संक्रमण.

आकृती 16.10 सेमीकंडक्टरचे आकृती दाखवते, ज्याच्या उजव्या बाजूला दात्यातील अशुद्धता असतात आणि म्हणून तो अर्धसंवाहक असतो. n-प्रकार, आणि डावीकडे स्विकारणारी अशुद्धता आहे आणि अर्धसंवाहक दर्शवते आर-प्रकार; त्यांच्या दरम्यान - संक्रमण क्षेत्र- शुल्क कमी झालेले क्षेत्र. त्यात इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांचे पुनर्संयोजन होते. इलेक्ट्रॉन्स निळ्या वर्तुळे, छिद्रे राखाडी वर्तुळे म्हणून दर्शविले जातात. दोन सेमीकंडक्टरमधील संपर्कास म्हणतात р-n- किंवा n-r-संक्रमण.

जेव्हा संपर्क तयार होतो तेव्हा सेमीकंडक्टरमधून इलेक्ट्रॉन अंशतः हस्तांतरित होतात n- प्रकार सेमीकंडक्टर आर-प्रकार, आणि छिद्र आत आहेत उलट दिशा. परिणामी, अर्धसंवाहक n-प्रकार सकारात्मक चार्ज केला जातो, आणि आर-प्रकार - नकारात्मक. संक्रमण क्षेत्रामध्ये उद्भवणारे विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांची पुढील हालचाल रोखण्यासाठी सुरू झाल्यानंतर प्रसार थांबतो.
सह सेमीकंडक्टर चालू करूया р-n- इलेक्ट्रिकल सर्किटमध्ये संक्रमण ( अंजीर.16.11). चला प्रथम बॅटरी कनेक्ट करूया जेणेकरून सेमीकंडक्टरची क्षमता आर- एक प्रकारचा सकारात्मक होता, पण n-प्रकार - नकारात्मक. या प्रकरणात, माध्यमातून वर्तमान р-n- संक्रमण मुख्य वाहकांनी तयार केले आहे: क्षेत्रापासून nप्रदेशाला आर- इलेक्ट्रॉन आणि प्रदेशातून आरप्रदेशाला n- छिद्र ( अंजीर.16.12).

परिणामी, संपूर्ण नमुन्याची चालकता जास्त आहे आणि प्रतिकार कमी आहे.
येथे मानले जाणारे संक्रमण म्हणतात थेट. संभाव्य फरकावर विद्युत् प्रवाहाचे अवलंबन - वर्तमान-व्होल्टेज वैशिष्ट्य थेट संक्रमण- ठोस रेषा म्हणून आकृती 16.13 मध्ये दाखवले आहे.

आता बॅटरी कनेक्शनची ध्रुवीयता बदलू. मग, त्याच संभाव्य फरकाने, सर्किटमधील वर्तमान सामर्थ्य थेट संक्रमणापेक्षा लक्षणीय कमी असेल. हे खालील कारणांमुळे आहे. इलेक्ट्रॉन आता प्रदेशातील संपर्कातून जातात आरप्रदेशाला n, आणि छिद्रे प्रदेशातील आहेत nप्रदेशाला आर. पण सेमीकंडक्टरमध्ये आर-प्रकार काही मुक्त इलेक्ट्रॉन आहेत आणि सेमीकंडक्टरमध्ये n- काही छिद्रांसारखे. आता संपर्काद्वारे संक्रमण अल्पसंख्याक वाहकांकडून केले जाते, ज्याची संख्या कमी आहे ( अंजीर 16.14). परिणामी, नमुन्याची चालकता क्षुल्लक असल्याचे दिसून येते आणि प्रतिकार मोठा आहे. एक तथाकथित अडथळा थर तयार होतो. या संक्रमणास म्हणतात उलट. रिव्हर्स ट्रांझिशनचे वर्तमान-व्होल्टेज वैशिष्ट्य आकृती 16.13 मध्ये डॅश केलेल्या रेषेसह दर्शविले आहे.

अशा प्रकारे, р-n- विद्युत प्रवाह दुरुस्त करण्यासाठी जंक्शनचा वापर केला जाऊ शकतो. या उपकरणाला अर्धसंवाहक डायोड म्हणतात.
सेमीकंडक्टर डायोड जर्मेनियम, सिलिकॉन, सेलेनियम आणि इतर पदार्थांपासून बनवले जातात.
ते कसे तयार करतात ते पाहूया р-n- प्रवाहकीय जर्मेनियम वापरून संक्रमण n-प्रकार, दात्याच्या अशुद्धतेच्या थोड्या प्रमाणात जोडून. हे संक्रमण यांत्रिकरित्या दोन अर्धसंवाहकांशी जोडून साध्य करता येत नाही विविध प्रकारचालकता, कारण यामुळे अर्धसंवाहकांमधील अंतर खूप मोठे आहे. जाडी р-n-संक्रमण आंतरपरमाण्विक अंतरापेक्षा जास्त नसावे, त्यामुळे नमुन्याच्या पृष्ठभागांपैकी एकामध्ये इंडियम वितळला जातो. सेमीकंडक्टर डायोड तयार करण्यासाठी, एक डोपेड सेमीकंडक्टर आरइंडियम अणू असलेले प्रकार, पर्यंत गरम होते उच्च तापमान. अशुद्धता जोड्या n-प्रकार (उदाहरणार्थ, आर्सेनिक) क्रिस्टलच्या पृष्ठभागावर जमा केले जाते. प्रसरणामुळे, ते क्रिस्टलमध्ये आणि क्रिस्टलच्या पृष्ठभागावर चालकतेसह ओळखले जातात आर-प्रकार, इलेक्ट्रॉनिक प्रकारच्या चालकता असलेला प्रदेश तयार होतो ( अंजीर 16.15).

टाळणे हानिकारक प्रभावहवा आणि प्रकाश, जर्मेनियम क्रिस्टल सीलबंद धातूच्या केसमध्ये ठेवला जातो.

योजनाबद्ध चित्रणडायोड आकृती 16.16 मध्ये दर्शविला आहे. सेमीकंडक्टर रेक्टिफायर्स अत्यंत विश्वासार्ह आहेत आणि त्यांची सेवा दीर्घकाळ आहे. तथापि, ते केवळ मर्यादित तापमान श्रेणीमध्ये (-70 ते 125 डिग्री सेल्सियस पर्यंत) कार्य करू शकतात.

p-n- प्रवाहाच्या संदर्भात संक्रमण असममित असल्याचे दिसून येते: पुढील दिशेने संक्रमणाचा प्रतिकार उलट दिशेने खूप कमी आहे.
गुणधर्म р-n-पर्यायी प्रवाह दुरुस्त करण्यासाठी संक्रमणे वापरली जातात. जंक्शनद्वारे विद्युत् प्रवाह बदलण्याच्या अर्ध्या कालावधीत, जेव्हा सेमीकंडक्टरची क्षमता आर-सकारात्मक टाइप करा, प्रवाह मुक्तपणे वाहते р-n-संक्रमण. कालावधीच्या पुढील सहामाहीत, प्रवाह व्यावहारिकपणे शून्य आहे.

2. सेमीकंडक्टर उपकरणे

लहान आकार आणि प्रसारित सिग्नलच्या अतिशय उच्च गुणवत्तेमुळे सेमीकंडक्टर उपकरणे आधुनिक काळात अतिशय सामान्य झाली आहेत इलेक्ट्रॉनिक तंत्रज्ञान. अशा उपकरणांच्या रचनेत केवळ अशुद्धतेसह उपरोक्त सिलिकॉनच नाही तर, उदाहरणार्थ, जर्मेनियम देखील समाविष्ट असू शकते. असे एक उपकरण डायोड आहे - एक असे उपकरण जे एका दिशेने विद्युत प्रवाह पास करू शकते आणि दुसऱ्या दिशेने जाण्यापासून रोखू शकते. दुसऱ्या प्रकारच्या अर्धसंवाहकाला p- किंवा n-प्रकारच्या अर्धसंवाहक क्रिस्टल (चित्र 11) मध्ये रोपण करून ते प्राप्त होते.

तांदूळ. 3. डायग्रामवर डायोडचे पदनाम आणि त्याच्या डिव्हाइसचे आकृती, अनुक्रमे

आता दोन p-n जंक्शन असलेले दुसरे उपकरण ट्रान्झिस्टर म्हणतात. हे केवळ वर्तमान प्रसारणाची दिशा निवडण्यासाठीच नाही तर त्याचे रूपांतर देखील करते.

हे लक्षात घ्यावे की आधुनिक मायक्रोक्रिकेट डायोड, ट्रान्झिस्टर आणि इतर इलेक्ट्रिकल उपकरणांचे अनेक संयोजन वापरतात.

तांदूळ. 12. ट्रान्झिस्टरच्या संरचनेचा आकृती आणि अनुक्रमे इलेक्ट्रिकल डायग्रामवर त्याचे पदनाम

ट्रान्झिस्टर हे एक कल्पक उपकरण आहे. ट्रान्झिस्टरच्या ऑपरेशनची तत्त्वे समजून घेणे सोपे नाही, परंतु त्यांनी ते शोधून काढले! आम्ही आशा करतो की ते कसे कार्य करते ते तुम्ही समजू शकता, जरी तुम्ही संक्षिप्त वर्णन.
जर्मेनियम किंवा सिलिकॉनपासून बनवलेल्या ट्रान्झिस्टरच्या प्रकारांपैकी एकाचा विचार करूया ज्यामध्ये दाता आणि स्वीकारकर्ता अशुद्धता समाविष्ट आहेत. अशुद्धतेचे वितरण असे आहे की एक अतिशय पातळ (सुमारे अनेक मायक्रोमीटर जाडी) अर्धसंवाहक थर तयार होतो. n-सेमीकंडक्टरच्या दोन स्तरांमधील प्रकार आर-प्रकार ( अंजीर.16.17). या पातळ थराला म्हणतात आधार, किंवा पाया.

क्रिस्टलमध्ये दोन तयार होतात р-n- संक्रमण ज्यांच्या थेट दिशा विरुद्ध आहेत. वेगवेगळ्या प्रकारच्या चालकता असलेल्या क्षेत्रांमधील तीन टर्मिनल्स आपल्याला आकृती 16.17 मध्ये दर्शविलेल्या सर्किटमध्ये ट्रान्झिस्टर समाविष्ट करण्याची परवानगी देतात. या चित्रात लेफ्ट р-n- संक्रमण आहे थेटआणि बेसला चालकतेसह प्रदेशापासून वेगळे करते आर-प्रकार म्हणतात उत्सर्जक. अधिकार नसता तर р-n-संक्रमण, एमिटर-बेस सर्किटमध्ये स्त्रोतांच्या व्होल्टेजवर अवलंबून विद्युत प्रवाह असेल (बॅटरी B1 आणि स्त्रोत एसी व्होल्टेज) आणि सर्किट रेझिस्टन्स, डायरेक्ट एमिटर-बेस जंक्शनच्या कमी रेझिस्टन्ससह.
बॅटरी B2 चालू आहे जेणेकरून उजवीकडे р-n-सर्किटमध्ये संक्रमण (चित्र 16.17 पहा) आहे उलट. हे चालकतेसह योग्य प्रदेशापासून बेस वेगळे करते आरकलेक्टर नावाचा प्रकार. जर डावे pn जंक्शन नसेल, तर कलेक्टर सर्किटमधील विद्युतप्रवाह शून्याच्या जवळ असेल, कारण रिव्हर्स जंक्शनचा प्रतिकार खूप जास्त आहे. जर डावीकडे करंट असेल तर р-n-संक्रमण, कलेक्टर सर्किटमध्ये एक करंट देखील दिसून येतो आणि कलेक्टरमधील वर्तमान सामर्थ्य एमिटरमधील वर्तमान सामर्थ्यापेक्षा किंचित कमी असते.
हे खालीलप्रमाणे स्पष्ट केले आहे. जेव्हा एमिटर आणि बेस दरम्यान व्होल्टेज तयार होतो, तेव्हा सेमीकंडक्टरचे बहुसंख्य वाहक आर-प्रकार (छिद्र) बेसमध्ये प्रवेश करतात जिथे ते आधीच आहेत बिगर प्रमुख माध्यम. बेसची जाडी फारच लहान असल्याने आणि त्यातील बहुसंख्य वाहक (इलेक्ट्रॉन) ची संख्या कमी असल्याने, त्यात जे छिद्र पडतात ते जवळजवळ बेसच्या इलेक्ट्रॉन्ससह एकत्र होत नाहीत (पुन्हा एकत्र होत नाहीत) आणि कलेक्टरमध्ये प्रवेश करतात. प्रसार करण्यासाठी. उजवा पीएन जंक्शन बेसच्या मुख्य चार्ज वाहकांसाठी बंद आहे - इलेक्ट्रॉन, परंतु छिद्रांसाठी नाही. कलेक्टरमध्ये, विद्युत क्षेत्राद्वारे छिद्रे वाहून जातात आणि सर्किट पूर्ण करतात. बेसपासून एमिटर सर्किटमध्ये वर्तमान ब्रँचिंगची ताकद खूपच लहान आहे, कारण क्षैतिज (चित्र 16.17 पहा) विमानातील बेसचे क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र उभ्या प्लेनमधील क्रॉस-सेक्शनपेक्षा खूपच लहान आहे. .
कलेक्टर करंट, जो एमिटर करंटच्या जवळपास समान असतो, तो एमिटरद्वारे प्रवाहाप्रमाणे बदलतो. प्रतिरोधक प्रतिकार आरकलेक्टर करंटवर थोडासा प्रभाव पडतो आणि हा प्रतिकार बराच मोठा केला जाऊ शकतो. त्याच्या सर्किटशी जोडलेल्या वैकल्पिक व्होल्टेज स्त्रोताचा वापर करून एमिटर करंट नियंत्रित करून, आम्ही रेझिस्टरवरील व्होल्टेजमध्ये समकालिक बदल प्राप्त करतो. आर.
मोठ्या रेझिस्टर रेझिस्टन्ससह, त्यावरील व्होल्टेजमधील बदल एमिटर सर्किटमधील सिग्नल व्होल्टेजमधील बदलापेक्षा हजारो पटीने जास्त असू शकतो. याचा अर्थ तणाव वाढला आहे. त्यामुळे, लोड अंतर्गत आरउपलब्ध इलेक्ट्रिकल सिग्नल, ज्याची शक्ती एमिटर सर्किटमध्ये प्रवेश करणाऱ्या शक्तीपेक्षा कितीतरी पटीने जास्त आहे.
ट्रान्झिस्टरचा वापर. आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स मायक्रोक्रिकेट्स आणि मायक्रोप्रोसेसरवर आधारित आहेत, ज्यात मोठ्या संख्येने ट्रान्झिस्टर समाविष्ट आहेत. चिप्स आणि मायक्रोप्रोसेसरने बनलेल्या संगणकांनी आपल्या आजूबाजूचे जग बदलून टाकले आहे. सध्या, मानवी क्रियाकलापांचे एकही क्षेत्र नाही जेथे संगणक सक्रिय मानवी सहाय्यक म्हणून काम करत नाहीत. उदाहरणार्थ, अंतराळ संशोधन किंवा उच्च-तंत्रज्ञान उद्योगांमध्ये, मायक्रोप्रोसेसर चालतात, ज्याच्या संस्थेची पातळी संबंधित असते कृत्रिम बुद्धिमत्ता.
ट्रान्झिस्टर (चित्र 16.18, 16.19) मध्ये अत्यंत व्यापक झाले आहेत. आधुनिक तंत्रज्ञान. ते व्हॅक्यूम ट्यूब बदलतात इलेक्ट्रिकल सर्किट्सवैज्ञानिक, औद्योगिक आणि घरगुती उपकरणे. अशा उपकरणांचा वापर करून पोर्टेबल रेडिओला सामान्यतः ट्रान्झिस्टर म्हणतात. ट्रान्झिस्टरचा फायदा (तसेच सेमीकंडक्टर डायोड) च्या तुलनेत इलेक्ट्रॉनिक नळ्यासर्व प्रथम, कोणतेही गरम केलेले कॅथोड नाही, जे लक्षणीय शक्ती वापरते आणि उबदार होण्यासाठी वेळ लागतो. याव्यतिरिक्त, ही उपकरणे व्हॅक्यूम ट्यूबपेक्षा दहापट आणि आकार आणि वजनाने शेकडो पट लहान आहेत. ते कमी व्होल्टेजवर कार्य करतात.

दोन अर्धसंवाहकांमधील संपर्काची सीमा, ज्यापैकी एक इलेक्ट्रॉनिक चालकता आहे आणि दुसऱ्याला छिद्र चालकता म्हणतात. इलेक्ट्रॉन-होल संक्रमण(किंवा p-n-संक्रमण).ही संक्रमणे खूप व्यावहारिक महत्त्वाची आहेत, अनेक अर्ध-प्रक्रियांसाठी आधार आहेत.

कंडक्टर उपकरणे. एक p-n जंक्शन फक्त दोन अर्धसंवाहकांना यांत्रिकरित्या जोडून पूर्ण करता येत नाही. सामान्यतः, क्रिस्टल्सच्या वाढीदरम्यान किंवा क्रिस्टल्सच्या योग्य प्रक्रियेद्वारे भिन्न चालकतेचे क्षेत्र तयार केले जातात. उदाहरणार्थ, इंडियम “टॅब्लेट” एन-टाइप जर्मेनियम क्रिस्टल (चित्र 335, अ) वर ठेवलेला आहे. ही प्रणाली व्हॅक्यूम किंवा निष्क्रिय वायू वातावरणात अंदाजे 500 डिग्री सेल्सिअस तापमानात गरम होते; इंडियमचे अणू जर्मेनियममध्ये काही खोलीपर्यंत पसरतात. नंतर वितळणे हळूहळू थंड केले जाते. इंडियम असलेल्या जर्मेनियममध्ये छिद्र चालकता असल्याने, क्रिस्टलाइज्ड मेल्ट आणि एन-टाइप जर्मेनियम (चित्र 335, b) च्या सीमेवर एक p-n जंक्शन तयार होतो.

p-n जंक्शन (Fig. 336) मध्ये होणाऱ्या भौतिक प्रक्रियांचा विचार करूया. दाता सेमीकंडक्टर (कार्य कार्य - ए n , फर्मी लेव्हल - ई एफ) संपर्कात आणले आहे (चित्र 336, ब) सहस्वीकारणारा सेमीकंडक्टर (कार्य कार्य - अर,फर्मी पातळी - इ एफ ). n-सेमीकंडक्टरमधील इलेक्ट्रॉन, जिथे त्यांची एकाग्रता जास्त असते, ते p-सेमीकंडक्टरमध्ये पसरतात, जिथे त्यांची एकाग्रता कमी असते. छिद्रांचा प्रसार विरुद्ध दिशेने - दिशेने होतो आरn

एन-सेमीकंडक्टरमध्ये, सीमेजवळील इलेक्ट्रॉन निघून गेल्यामुळे, अचल आयनीकृत दात्याच्या अणूंचा भरपाई न केलेला सकारात्मक स्पेस चार्ज राहतो. पी-सेमीकंडक्टरमध्ये, सीमेजवळील छिद्रांच्या सुटकेमुळे, स्थिर आयनीकृत स्वीकार्यांचा एक नकारात्मक स्पेस चार्ज तयार होतो (चित्र 336, अ).

हे स्पेस चार्ज सीमेवर दुहेरी विद्युत थर तयार करतात, ज्याचे क्षेत्र, n-क्षेत्रापासून p-क्षेत्राकडे निर्देशित केले जाते, np दिशेने इलेक्ट्रॉनांचे पुढील संक्रमण प्रतिबंधित करते आणि दिशेने छिद्र पाडते. pn जर सेमीकंडक्टरमध्ये देणगीदार आणि स्वीकारकर्त्यांची एकाग्रता n- आणि p-प्रकार समान आहेत, नंतर थर जाडी d 1 आणि d 2 (Fig. 336, c), ज्यामध्ये स्थिर शुल्क स्थानिकीकृत केले जाते, ते (d 1 = d 2) च्या बरोबरीचे असतात.

p-n जंक्शनच्या विशिष्ट जाडीवर, एक समतोल स्थिती उद्भवते, दोन्ही अर्धसंवाहकांसाठी फर्मी स्तरांच्या संरेखनाद्वारे वैशिष्ट्यीकृत (चित्र 336, c). IN p-n क्षेत्रे-संक्रमण, ऊर्जा बँड वाकलेले आहेत, परिणामी इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र दोन्हीसाठी संभाव्य अडथळे निर्माण होतात. संभाव्य अडथळ्याची उंची e दोन्ही सेमीकंडक्टरमधील फर्मी पातळीच्या स्थानांमधील प्रारंभिक फरकाने निर्धारित केली जाते. सर्व ऊर्जा पातळी

स्वीकारकर्ता अर्धसंवाहक दाताच्या अर्धसंवाहकाच्या पातळीच्या सापेक्ष e च्या समान उंचीवर वाढवले ​​जातात आणि वाढ दुहेरी थराच्या जाडीवर होते d

जाडी dअर्धसंवाहकांमध्ये p-n जंक्शन लेयर अंदाजे 10 -6 - 10 -7 मीटर आहे आणि संपर्क संभाव्य फरक व्होल्टच्या दशांश आहे. वर्तमान वाहक अशा संभाव्य फरकावर मात करू शकतात फक्त हजारो अंश तापमानात, म्हणजे सामान्य तापमानात समतोल संपर्क स्तर लॉकिंग(वाढीव प्रतिकार द्वारे वैशिष्ट्यीकृत).

बाह्य विद्युत क्षेत्राचा वापर करून अडथळा स्तराचा प्रतिकार बदलला जाऊ शकतो. जर p-n जंक्शनवर लागू केलेले बाह्य विद्युत क्षेत्र n-सेमीकंडक्टरपासून p-सेमीकंडक्टरकडे निर्देशित केले असेल (Fig. 337, a), म्हणजे, संपर्क स्तराच्या क्षेत्राशी एकरूप असेल, तर ते इलेक्ट्रॉनच्या हालचालींना कारणीभूत ठरते. n-सेमीकंडक्टर आणि p-सेमीकंडक्टर सेमीकंडक्टरमधील छिद्र pn जंक्शनच्या सीमेपासून विरुद्ध दिशेने. परिणामी, अडथळा थर विस्तृत होईल आणि त्याचा प्रतिकार वाढेल. दिशा बाह्य क्षेत्र, अडथळा थर विस्तारणे म्हणतात लॉकिंग (उलट).या दिशेने, p-n जंक्शनमधून व्यावहारिकपणे कोणताही विद्युत प्रवाह जात नाही. ब्लॉकिंग दिशेतील ब्लॉकिंग लेयरमधील विद्युत प्रवाह केवळ अल्पसंख्य वर्तमान वाहकांमुळे तयार होतो (पी-सेमीकंडक्टरमधील इलेक्ट्रॉन आणि एन-सेमीकंडक्टरमधील छिद्र).

जर p-n जंक्शनवर लागू केलेले बाह्य विद्युत क्षेत्र संपर्क स्तराच्या (चित्र 337, b) फील्डच्या विरुद्ध निर्देशित केले असेल, तर यामुळे n-सेमीकंडक्टरमधील इलेक्ट्रॉनची हालचाल होते आणि p-सेमीकंडक्टरमध्ये सीमेकडे छिद्रे पडतात. एकमेकांच्या दिशेने p-n जंक्शन. या भागात ते पुन्हा एकत्र होतात, संपर्क स्तराची जाडी आणि त्याचा प्रतिकार कमी होतो. म्हणून, या दिशेने, विद्युत प्रवाह p-n जंक्शनमधून p-सेमीकंडक्टरपासून n-सेमीकंडक्टरकडे वाहतो; त्याला म्हणतात थ्रुपुट (थेट).

अशा प्रकारे, p-n जंक्शन (धातू-सेमीकंडक्टर संपर्कासारखे) आहे एक-मार्ग (वाल्व्ह) चालकता.

अंजीर मध्ये. 338 p-n जंक्शनचे वर्तमान-व्होल्टेज वैशिष्ट्य दर्शविते. आधीच सूचित केल्याप्रमाणे, थ्रुपुट (थेट) व्होल्टेजसह, बाह्य विद्युत क्षेत्र मुख्य वर्तमान वाहकांच्या हालचालींना p-n जंक्शनच्या सीमेवर प्रोत्साहन देते (चित्र 337, b पहा). परिणामी, संपर्क स्तराची जाडी कमी होते. त्यानुसार, जंक्शन प्रतिरोध कमी होतो (व्होल्टेज जितका अधिक मजबूत असेल तितका) आणि वर्तमान ताकद मोठी होते (अंजीर 338 मधील उजवी शाखा). विद्युत प्रवाहाच्या या दिशेला म्हणतात थेट.

ब्लॉकिंग (रिव्हर्स) व्होल्टेजसह, बाह्य विद्युत क्षेत्र

बहुसंख्य वर्तमान वाहकांच्या हालचाली p-n जंक्शनच्या सीमेवर प्रतिबंधित करते (चित्र 337, a पहा) आणि अल्पसंख्याक वर्तमान वाहकांच्या हालचालींना प्रोत्साहन देते, ज्याची एकाग्रता अर्धसंवाहकांमध्ये कमी असते. यामुळे संपर्क स्तराच्या जाडीत वाढ होते, जी मुख्य वर्तमान वाहकांची कमी होते. त्यानुसार, संक्रमण प्रतिकार वाढतो. म्हणून, या प्रकरणात, p-n जंक्शनमधून फक्त एक लहान प्रवाह वाहतो (याला म्हणतात उलट),पूर्णपणे अल्पसंख्याक वर्तमान वाहकांमुळे (चित्र 338 ची डावी शाखा). या प्रवाहात जलद वाढ होणे म्हणजे संपर्क स्तर तुटणे आणि त्याचा नाश. वैकल्पिक विद्युत् सर्किटशी जोडलेले असताना, p-n जंक्शन रेक्टिफायर म्हणून काम करतात.

1. पावती p-nसंक्रमण. विसाव्या शतकाच्या उत्तरार्धात, गहन विकास सॉलिड स्टेट इलेक्ट्रॉनिक्स. मोठ्या व्हॅक्यूम ट्यूब्सची जागा लहान आकाराच्या सेमीकंडक्टर उपकरणांनी घेतली आहे. मुख्य घटक सेमीकंडक्टर उपकरणेआहे p-n - संक्रमणअद्वितीय गुणधर्मांसह. हा दोन अशुद्ध अर्धसंवाहकांमधील इंटरफेसवर एक पातळ थर आहे.

मिळवा p-n- दोन अर्धसंवाहकांच्या थेट संपर्काद्वारे संक्रमण जवळजवळ अशक्य आहे. त्यांचे पृष्ठभाग कितीही स्वच्छ केले असले तरीही, त्यामध्ये नेहमी अनेक अशुद्धता आणि दूषित पदार्थ असतात जे सेमीकंडक्टरचे गुणधर्म खराब करतात. म्हणून, त्याच क्रिस्टलमध्ये परिचय करून समस्या सोडविली जाते एक विशिष्ट प्रकारविरुद्ध अशुद्धतेची चालकता.

उदाहरणार्थ, दाताच्या अशुद्धतेसह टेट्राव्हॅलेंट जर्मेनियमच्या एकाच क्रिस्टलमध्ये, जे जर्मेनियम क्रिस्टलमध्ये जीई चालकता निर्माण करते n- जसे, ट्रायव्हॅलेंट इंडियम इनचा तुकडा व्हॅक्यूममध्ये सुमारे 1000 डिग्री सेल्सिअस तापमानात वितळला जातो. इंडियमचे अणू एका विशिष्ट खोलीपर्यंत जर्मेनियममध्ये पसरतात. क्रिस्टलच्या प्रदेशात जेथे इंडियम अणू घुसतात, चालकता छिद्र बनते ( p- क्रमवारी). या भागाच्या सीमेवर उद्भवते p-n- संक्रमण. जसजसे तुम्ही क्रिस्टलमध्ये खोलवर जाता, इंडियमची एकाग्रता हळूहळू कमी होते. ज्या थरात इंडियम स्वीकारणाऱ्या अशुद्धतेची एकाग्रता सिंगल क्रिस्टलमधील दात्याच्या अशुद्धतेच्या एकाग्रतेइतकी असते p-n- संक्रमण. अशा संक्रमणांना म्हणतात गुळगुळीत. तीव्र p-n- संक्रमणेसेमीकंडक्टर क्रिस्टलवर जमा करून प्राप्त, उदाहरणार्थ n- प्रकार, सेमीकंडक्टर p- गॅस टप्प्यातून टाइप करा. हे करण्यासाठी, 1200 o तापमानात क्रिस्टलवर पास करा सहअसे गॅस मिश्रण ज्यासह अर्धसंवाहक योग्य प्रकारवाहकता.

2. समतोल स्थिती p-n- संक्रमण. आपण मानसिकदृष्ट्या असे गृहीत धरू की निर्मितीनंतर लगेच p-आणि n-क्षेत्रे, आम्ही त्यांना वेगळे केले, शुल्क एका क्षेत्रातून दुसऱ्या क्षेत्राकडे जाण्यापासून प्रतिबंधित केले. चित्र 117 मध्ये दर्शविलेली परिस्थिती उद्भवते. दोन्ही क्षेत्रे विद्युतदृष्ट्या तटस्थ आहेत, त्यांचे शून्य पातळीजुळवा. फर्मी पातळी p- अशुद्धतेच्या पातळीपेक्षा वरचे प्रदेश आणि मध्ये n-क्षेत्रे - खाली. सर्वसाधारणपणे, फर्मी पातळी एकरूप होत नाहीत, मध्ये n-क्षेत्रांमध्ये फर्मी पातळी जास्त असते.

मात्र, प्रत्यक्षात शिक्षणानंतर डॉ p-n- स्तर, मुख्य वाहकांचे एका क्षेत्रातून दुसऱ्या भागात प्रसार सुरू होते. च्या साठी n– क्षेत्र मुख्य वाहक इलेक्ट्रॉन आहेत, साठी p- क्षेत्र - छिद्र. बहुसंख्य वाहक जवळजवळ संपूर्णपणे दाता आणि स्वीकारणाऱ्या अशुद्धतेच्या आयनीकरणामुळे उद्भवतात. तापमानात ट³ 250 K या अशुद्धता जवळजवळ पूर्णपणे ionized आहेत. त्यामुळे, मध्ये इलेक्ट्रॉन एकाग्रता n-क्षेत्र दात्याच्या अणूंच्या एकाग्रतेच्या आणि छिद्रांच्या एकाग्रतेइतका आहे p- प्रदेश - स्वीकारकर्ता अणूंची एकाग्रता.

अल्पसंख्याक वाहकांची एकाग्रता दोन्ही प्रदेशांमधील प्रमुख वाहकांच्या एकाग्रतेपेक्षा अंदाजे 10 6 पट कमी आहे (). परिणामी, प्रवाहकीय इलेक्ट्रॉन्सचा प्रसार प्रवाह होतो पी-मधील प्रदेश आर- पासून क्षेत्र आणि राहील p-मधील प्रदेश n- प्रदेश. इलेक्ट्रॉन्स आत जात आहेत p-क्षेत्र, इंटरफेसच्या जवळ छिद्रांसह पुन्हा एकत्र करा आणि छिद्र करा n-प्रदेश प्रवाहकीय इलेक्ट्रॉनसह पुन्हा एकत्र होतात. म्हणून, संपर्क थर मध्ये n– प्रदेशात व्यावहारिकरित्या कोणतेही मुक्त इलेक्ट्रॉन शिल्लक नाहीत आणि a आयनीकृत देणगीदारांचे स्थिर सकारात्मक शुल्क.

संपर्क थर मध्ये p- परिसरात व्यावहारिकरित्या कोणतेही छिद्र शिल्लक नाहीत आणि अ आयनीकृत स्वीकारकर्त्यांचे नकारात्मक शुल्क. हे स्थिर विद्युत शुल्क तयार करतात p-n- संक्रमण विद्युत क्षेत्राशी संपर्क साधासंभाव्य फरकासह jआणि प्रत्यक्ष व्यवहारात त्याच्या मर्यादेपलीकडे जात नाही.

ही परिस्थिती अंजीर 118 मध्ये दर्शविली आहे, जिथे संपर्क क्षेत्रांमधील स्पेस चार्जेस शीर्षस्थानी आणि ऊर्जा क्षेत्रे तळाशी दर्शविली आहेत. कारण द p- क्षेत्र नकारात्मक चार्जसह चार्ज झाले, त्यातील इलेक्ट्रॉनची ऊर्जा वाढली. परिणामी, ऊर्जा आकृती इन p- क्षेत्र वाढते, मध्ये n-क्षेत्रे वगळली आहेत. IN p-nथर वाकलेला असतो जेणेकरून वेगवेगळ्या प्रदेशातील फर्मी पातळी एकरूप होईल.

जर अल्पसंख्याक वाहक (पासून इलेक्ट्रॉन p- क्षेत्र किंवा छिद्र n-क्षेत्र), नंतर संपर्क फील्ड ते उचलते आणि या लेयरमधून फेकते. परिणामी, प्रत्येक बिगर प्राथमिक वाहक जो धडकतो p-n- संक्रमण, त्यातून जातो.

याउलट, बहुसंख्य वर्तमान वाहक (पासून इलेक्ट्रॉन n- क्षेत्र किंवा छिद्र p-क्षेत्र) स्पेस चार्जेसच्या थरातून उड्डाण करू शकतात तरच त्यांच्या हालचालीची गतीज उर्जा अक्षावर असेल एक्ससंपर्क संभाव्य फरकावर मात करण्यासाठी पुरेसे आहे, म्हणजे, जर ते | पेक्षा मोठे असेल ejते | म्हणून, क्षेत्रांच्या सीमेवर स्पेस चार्जेस तयार होताच, ही सीमा ओलांडणाऱ्या बहुसंख्य वाहकांचा प्रवाह कमी होतो. जेव्हा बहुसंख्य वाहकांचा प्रवाह अल्पसंख्याक वाहकांच्या प्रवाहाच्या बरोबरीचा असतो, तेव्हा गतिशील समतोल स्थापित केला जातो.

3. थेट कनेक्शन p-n- इलेक्ट्रिकल सर्किटमध्ये संक्रमण. चला कनेक्ट करूया p-n- संक्रमण वर्तमान स्रोत, कनेक्ट करत आहे p- "प्लस" क्षेत्रे आणि n–क्षेत्र – “वजा” (चित्र 119 वर). आमचा विश्वास आहे की वर्तमान स्त्रोत ओमिक बसेसवर व्होल्टेज तयार करण्यास सक्षम आहे j 0 सध्याच्या स्त्रोताने तयार केलेल्या अतिरिक्त विद्युत क्षेत्रामुळे स्पेस चार्ज क्षेत्रामध्ये बहुसंख्य वाहकांचा ओघ येतो. p-n- संक्रमण. IN p-ओमिक बसपासून ते दिशेपर्यंतचे क्षेत्र p-n- छिद्र संक्रमणातून पुढे जात आहेत. ते स्वीकारणाऱ्या अशुद्धतेच्या ऋण आयनांच्या इलेक्ट्रॉन्ससह पुन्हा एकत्र होतात. IN n- दिशेने क्षेत्रे p-n- वहन इलेक्ट्रॉन संक्रमणातून पुढे जातात आणि दात्याच्या अशुद्धतेच्या सकारात्मक आयनांसह पुन्हा एकत्र होतात.

परिणामी, व्हॉल्यूम चार्ज चालू आहे p-n- समतोल स्थितीच्या तुलनेत संक्रमण कमी होते. संभाव्य अडथळ्याची उंची देखील लहान होते. संपर्क संभाव्य फरक होईपर्यंत ही प्रक्रिया चालू राहते p-n- संक्रमण मूल्यापर्यंत कमी होणार नाही jते - j 0 .

खाली अंजीर 119 मध्ये ही परिस्थितीएनर्जी बँड आकृतीमध्ये दाखवले आहे. डॅश केलेल्या रेषा समतोल स्थितीशी संबंधित आहेत p-n- संक्रमण.

सेमीकंडक्टरच्या वहन बँडमधील इलेक्ट्रॉन्स वहन बँडच्या तळाशी सरकणाऱ्या जड वस्तूंप्रमाणे वागतात. संभाव्य अडथळ्याची उंची कमी केल्याने त्या इलेक्ट्रॉनचा अंश झपाट्याने वाढतो. n-असे क्षेत्र ज्यांची गतिज उर्जा संभाव्य अडथळ्याच्या दिशेने हालचालीच्या दिशेने या अडथळावर मात करण्यासाठी पुरेशी आहे.

व्हॅलेन्स बँडमधील छिद्र बर्फाखाली हवेच्या बुडबुड्यांसारखे वागतात. अडथळ्याची उंची जितकी लहान असेल तितके त्याखाली "डुबकी" टाकू शकणाऱ्या छिद्रांचे प्रमाण जास्त असेल (चित्र 119 खाली डावीकडून उजवीकडे). परिणामी, संभाव्य अडथळ्याच्या उंचीमध्ये घट झाल्यामुळे, प्रसार प्रवाही होतो p-n- पासून वहन इलेक्ट्रॉनचे संक्रमण n- क्षेत्रे आणि छिद्र पासून p- प्रदेश मुख्य वाहक वर्तमान iसमतोल मूल्याच्या तुलनेत dp अनेक क्रमाने परिमाणाने उडी मारते.

4. रिव्हर्स स्विचिंग p-n –संक्रमणवरील आकृती 120 मध्ये दाखवले आहे. वर्तमान स्त्रोताचा "प्लस" ओमिक बसशी जोडलेला आहे n-क्षेत्र, आणि "वजा" हे ओमिक बसशी जोडलेले आहे p- प्रदेश वर्तमान स्त्रोताच्या विद्युत क्षेत्रामध्ये उद्भवणाऱ्या मुख्य वाहकांचा प्रवाह येथून निर्देशित केला जातो p-n- ओमिक बसेसमध्ये संक्रमण. या प्रकरणात, आयनीकृत देणगीदार आणि स्वीकार्यांचे नवीन स्तर उघड होतात, ज्यामुळे व्हॉल्यूमेट्रिक बाउंड चार्जचे क्षेत्र वाढते.

इलेक्ट्रॉन्सचा प्रवाह आणि ओमिक संपर्कांमध्ये छिद्रे तयार होतात जोपर्यंत ते तयार केलेल्या शुल्काची जवळजवळ पूर्णपणे भरपाई करत नाहीत. बाह्य स्रोत EMF. यानंतर, सर्व लागू व्होल्टेज j 0 वर येते p-n- एक जंक्शन ज्याचा प्रतिकार अनेक परिमाणांचा आहे अधिक प्रतिकार p-आणि n-प्रदेश संभाव्य अडथळा p-n- संक्रमण जवळजवळ मूल्यापर्यंत वाढते e(j k + j 0). हे नाटकीयरित्या मुख्य वाहक प्रवाह कमी करते iमूलभूत, ते समतोल मूल्यापेक्षा कमी बनवते. अल्पसंख्याक वाहक वर्तमान i neosn केवळ त्यांच्या एकाग्रतेवर अवलंबून असते आणि म्हणून ते नगण्य बदलते स्पष्टपणे (चित्र 120 खाली).

तर, p-n- संक्रमण म्हणून मानले जाऊ शकते नॉनलाइनर कंडक्टर, ज्याचा प्रतिकार केवळ लागू केलेल्या व्होल्टेजच्या चिन्हावर अवलंबून असतो. एकमार्गी वहन p-n- संक्रमणे केवळ मध्येच वापरली जात नाहीत सेमीकंडक्टर डायोड. गुणधर्म p-n- संक्रमणे इतकी फलदायी ठरली की त्यांनी त्यांच्यावर आधारित मालिका तयार करणे शक्य केले इलेक्ट्रॉनिक सेमीकंडक्टर उपकरणे, ज्यामध्ये डायोड व्यतिरिक्त समाविष्ट आहे ट्रान्झिस्टर, थायरिस्टर्सइ. 20 व्या शतकाच्या उत्तरार्धात आहे जलद मार्गट्यूब पासून सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रॉनिक्स पर्यंत.

5. सेमीकंडक्टर डायोड्स- नॉनलाइनर कंडक्टर. त्यांच्या दोन इलेक्ट्रोड्सना एनोड (+) आणि कॅथोड ( - ). डायोड्समध्ये तीव्रपणे असममित वर्तमान-व्होल्टेज वैशिष्ट्य आहे (चित्र 121). हे त्यांना पर्यायी प्रवाह सुधारण्यासाठी वापरण्यास अनुमती देते.

ट्रान्सफॉर्मरच्या प्राथमिक वळणावर पर्यायी सायनसॉइडल व्होल्टेज लागू केल्यास, दुय्यम विंडिंगमध्ये, ओमिक रेझिस्टरला बंद केले जाते. आर, साइनसॉइडल प्रवाह पर्यायी प्रवाहसमान वारंवारता , कुठे j 0 – फेज शिफ्ट (Fig. 122-a). अंतरात असल्यास दुय्यम सर्किटसेमीकंडक्टर डायोड चालू करा, नंतर रेझिस्टरद्वारे आरअर्ध्या कालावधीत, एक स्पंदन करणारा दिशाहीन प्रवाह वाहतो. परिणाम एक योजना आहे हाफ वेव्ह रेक्टिफायर(अंजीर 122-बी).

च्या साठी पूर्ण लहर सुधारणातुम्हाला किमान दोन डायोड आणि मिडपॉइंट पिन आवश्यक आहे दुय्यम वळणट्रान्सफॉर्मर (Fig. 122-c). सर्किटनुसार चार डायोड जोडून रेक्टिफायर पूल, तुम्ही मध्यबिंदूशिवाय करू शकता (Fig. 122-d).

6. ट्रान्झिस्टर. वापरून p-n- संक्रमणे केवळ सरळ केली जाऊ शकत नाहीत, तर विद्युत प्रवाह देखील वाढवता येतात. या हेतूने ते सेवा करतात ट्रान्झिस्टर- तीन इलेक्ट्रोड असलेली अर्धसंवाहक उपकरणे ( उत्सर्जक, संग्राहक, आधार). सह सर्किटनुसार त्याच्या कनेक्शनचे उदाहरण वापरून ट्रान्झिस्टरच्या ऑपरेशनच्या तत्त्वाचा विचार करूया सामान्य आधार(अंजीर 123).

चित्रात डावीकडे p-n- संक्रमण 1 पुढे दिशेने कार्य करते. बरोबर p-n- संक्रमण 2 लॉकिंग दिशेने कार्य करते. संक्रमण 1 आणि 2 (बेस रुंदी) मधील ट्रांझिस्टरमधील अंतर अनेक दहा मायक्रॉनपेक्षा जास्त नाही. बेस-कलेक्टर सर्किटमधील विद्युत् प्रवाह अल्पसंख्याक वाहकांद्वारे निर्धारित केला जातो आणि या वाहकांच्या एकाग्रतेवर जास्त अवलंबून असतो. IN n- अल्पसंख्याक वाहकांचे क्षेत्र छिद्र आहेत.

जर एमिटर-बेस सर्किटमध्ये विद्युत प्रवाह वाहते, तर त्यातून छिद्र p– ज्या भागात ते मुख्य वाहक आहेत, मध्ये मोठ्या संख्येनेसंक्रमण 1 मधून बेस क्षेत्राकडे जा. परिणामी, छिद्रांची एकाग्रता n- बेस क्षेत्र झपाट्याने वाढते. ते म्हणतात ते होत आहे इंजेक्शनछिद्र कारण पायाची रुंदी खूपच लहान असल्याने, जंक्शन 1 मधून मोठ्या प्रमाणात छिद्रे पसरून जंक्शन 2 पर्यंत पोहोचतात. अल्पसंख्याक वाहकांची एकाग्रता n- संक्रमण 2 जवळील क्षेत्र लक्षणीय वाढते, म्हणूनच कलेक्टर सर्किटमध्ये विद्युत प्रवाह वाढतो.

विद्युतदाब यू 2 कलेक्टर सर्किटमध्ये जास्त व्होल्टेज आहे यूएमिटर सर्किटमध्ये 1 यू 2 >>यू१. त्यामुळे, प्रतिकार बाहेर उभे आरउर्जा एमिटर सर्किटमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या उर्जेपेक्षा जास्त असल्याचे दिसून येते. मध्ये पॉवर गेन आधुनिक ट्रान्झिस्टरअनेक दहापट ते हजारो वेळा चढ-उतार होते.

7. थर्मोइलेक्ट्रिक सीबेक आणि पेल्टियर प्रभावसेमीकंडक्टरमध्ये धातूंपेक्षा जास्त जोरदारपणे व्यक्त केले जाते (§14 पहा). विशेषत: जर संपर्क अर्धसंवाहक तयार करतात वेगळे प्रकारवाहकता. सेमीकंडक्टरमधील डिफरेंशियल थर्मो-ईएमएफ हे धातूंच्या तुलनेत अंदाजे 1000 पट जास्त आहे. यामुळे सेमीकंडक्टर तयार करणे शक्य होते थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर आणि रेफ्रिजरेटर्स.

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटरचा सिद्धांत 20 व्या शतकाच्या 40 च्या दशकाच्या सुरुवातीस अब्राम इओफेने विकसित केला होता. यूएसएसआर मधील पहिले थर्मल जनरेटर ग्रेट देशभक्त युद्धाच्या सुरूवातीस बांधले गेले होते आणि पक्षपाती तुकड्यांमध्ये रेडिओ स्टेशनला शक्ती देण्यासाठी वापरले गेले होते. 70 च्या दशकाच्या मध्यात, 150-200 डब्ल्यू क्षमतेचे थर्मल जनरेटर हवामान केंद्रे आणि अंतराळ यानाच्या उपकरणांना शक्ती देण्यासाठी दिसू लागले. त्यांच्यातील ऊर्जेचा स्त्रोत सिरियम 144 सीईचा किरणोत्सर्गी समस्थानिक होता.

कमाल कार्यक्षमताआजपर्यंत प्राप्त केलेले थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर 15% आहे आणि 20% पेक्षा जास्त होण्याची शक्यता नाही. सेमीकंडक्टर थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर महाग आहेत, म्हणून त्यांच्यावर आधारित औद्योगिक उत्पादन विद्युत ऊर्जाकमी थर्मल चालकता आणि उच्च विद्युत चालकता एकत्र करणारे स्वस्त साहित्य तयार केल्याशिवाय नजीकच्या भविष्यात संभव नाही.

सेमीकंडक्टर रेफ्रिजरेटर्स, पेल्टियर प्रभावाच्या आधारे तयार केलेले, बहुतेकदा रेडिओ-इलेक्ट्रॉनिक सर्किट्सचे घटक थंड करण्यासाठी वापरले जातात.

8. फोटोव्होल्टेइक प्रभाव. प्रकाशित झाल्यावर p-n- संक्रमण आणि समीप क्षेत्रे ज्याद्वारे इलेक्ट्रॉन-होल जोड्यांची निर्मिती करण्यास सक्षम प्रकाशासह p-n- जेव्हा चार्ज करंट समतोल स्थितीच्या तुलनेत त्याची स्थिती बदलतो तेव्हा संक्रमण होते.

वर म्हणूया p- वरील चित्र 124 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे प्रकाश पडणारे क्षेत्र. फोटॉन्स शोषून घेण्यासाठी p-n जंक्शन जवळ, जाडी आर- क्षेत्र लहान असावे आणि 1-2 µm पेक्षा जास्त नसावे. जर फोटॉन ऊर्जा hn अधिक रुंदीप्रतिबंधित क्षेत्र, hn³ इ जी, नंतर जेव्हा फोटॉन कोणत्याही प्रदेशाच्या व्हॅलेन्स बँडमध्ये इलेक्ट्रॉनद्वारे शोषला जातो तेव्हा इलेक्ट्रॉन वहन बँडमध्ये जातो. (आम्ही असे गृहीत धरतो की स्वीकारकर्ता आणि दाता यांच्यातील अशुद्धता पातळी p-आणि n-क्षेत्र आधीच पूर्णपणे ionized आहेत). वाहकांची एक जोडी दिसते - वहन बँडमध्ये एक इलेक्ट्रॉन आणि व्हॅलेन्स बँडमध्ये एक छिद्र.

प्राथमिक वाहकांची संख्या वाढवणे (छिद्र p- प्रदेश आणि इलेक्ट्रॉन मध्ये n-क्षेत्र) मूलत: काहीही बदलत नाही, कारण त्यांची सापेक्ष वाढ लहान आहे. आणि अल्पसंख्याक वाहकांच्या संख्येत वाढ (छिद्र n- प्रदेशातील इलेक्ट्रॉन्स p-क्षेत्रे) अतिशय लक्षणीय आहे. माध्यमातून वर्तमान पासून p-n- अल्पसंख्याक वाहकांचे संक्रमण केवळ त्यांच्या एकाग्रतेवर अवलंबून असते, नंतर प्रकाशावर p-n- प्रकाश संक्रमण होते फोटोव्होल्टेइक प्रभाव- अल्पसंख्याक वाहकाचे स्वरूप प्रकाशमान प्रवाह F च्या अंदाजे प्रमाणात.

अल्पसंख्याक वाहक संपर्क क्षेत्राद्वारे पकडले जातात आणि त्यातून सुटतात p-आणि n-प्रदेश मुख्य वाहक राहतात. परिणामी, त्यानुसार वेगवेगळ्या बाजू p-n- संक्रमण हळूहळू विनामूल्य वाहकांचे शुल्क जमा करते - छिद्रे p- क्षेत्रफळ आणि इलेक्ट्रॉन मध्ये n- क्षेत्र, p- क्षेत्र सकारात्मक आकारले जाते, n- क्षेत्र - नकारात्मक.

या विनामूल्य शुल्कांचे क्षेत्र संपर्क क्षेत्राच्या विरुद्ध आहे आणि ते कमकुवत करते. परिसरात संबंधित p-n– संक्रमण, आयनीकृत अशुद्धतेचा प्रभार कमी होतो, संभाव्य अडथळ्याची उंची कमी होते (खाली आकृती 124). परिणामी, मुख्य वाहकांचा प्रसार वाढतो. हळूहळू, असा डायनॅमिक समतोल स्थापित केला जातो जेव्हा, दिलेल्या ल्युमिनस फ्लक्स Ф साठी, अल्पसंख्याक वाहक प्रवाह त्याच्या प्रमाणात असतो. i neosn मुख्य वाहकांच्या विरुद्ध प्रवाहाच्या समान होईल, i neosn = iमूलभूत संभाव्य अडथळ्याची उंची मूल्य घेते e(j k + j f), कुठे j F - फोटो-EMF p-n जंक्शन.

मध्ये फोटोव्होल्टेइक प्रभाव वापरला जाऊ शकतो फोटोसेलकिंवा मोडमध्ये फोटोडायोड.

ए . फोटोसेल. वापरासाठी p-n- मोडमध्ये संक्रमण फोटोसेल (वाल्व मोडमध्ये) फक्त कनेक्ट करा p-आणि nभार प्रतिरोधासह ओमिक जम्परचे क्षेत्र आर. प्रतिकार करून फोटोसेल प्रकाशित करताना आरमोफत फोटोकरंट प्रवाहित होईल विद्युत शुल्क. म्हणून, फोटोसेल मोडमध्ये p-n- संक्रमण प्रकाश उर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये थेट रूपांतर करण्यास अनुमती देते. फोटोसेल यंत्राचा आराखडा अंजीर 125 मध्ये दर्शविला आहे. पातळ करण्यासाठी p– क्षेत्रफळ (»1 µm) चांदी किंवा सोन्याचा अगदी पातळ धातूचा थर जमा केला जातो, जो ओमिक बसची भूमिका बजावतो. या धातूच्या फिल्मने प्रकाश पुरेसा प्रसारित करण्यासाठी, त्याची जाडी प्रकाशाच्या तरंगलांबीपेक्षा खूपच कमी असणे आवश्यक आहे. l. सहसा हे अनेक दहा अणु स्तर असतात.

दुसरी ओमिक बस एक धातूची प्लेट आहे, जी एकाच वेळी फोटोसेलच्या संपूर्ण संरचनेसाठी यांत्रिक आधाराची भूमिका बजावते. वैयक्तिक फोटोसेलमधून गोळा केले सौरपत्रे , स्पेस उपकरणे आणि जमिनीवर आधारित पॉवर प्लांटमध्ये उर्जा देण्यासाठी वापरले जाते.

सध्या, सौर पेशी प्रामुख्याने सिलिकॉन Si आणि गॅलियम आर्सेनाइड GaAs पासून बनविल्या जातात. कार्यक्षमता साधली h» 20% सैद्धांतिकदृष्ट्या शक्य आहे.

b . फोटोडायोड . वापरणे p-n- फोटोडायोड मोडमध्ये संक्रमण, त्यावर व्होल्टेज लागू केले जाते jशट-ऑफ दिशेने वर्तमान स्त्रोतापासून 0 (डावीकडील आकृती 126). जर फोटोडायोड प्रकाशित होत नसेल तर त्यामधून एक अतिशय लहान गडद अल्पसंख्याक वाहक प्रवाह वाहतो. विद्युतदाब यूरेझिस्टरवर आरव्यावहारिकदृष्ट्या शून्याच्या समान. जेव्हा प्रकाशमय प्रवाह F फोटोडायोडकडे निर्देशित केला जातो तेव्हा अल्पसंख्याक वाहकांची एकाग्रता आणि त्यांचे प्रवाह प्रवाह F च्या प्रमाणात वाढते. आरतणाव निर्माण होतो यू(उजवीकडे अंजीर 126), ज्याचा वापर संप्रेषण किंवा नियंत्रण सर्किट्समध्ये सिग्नल म्हणून केला जाऊ शकतो.

9. प्रकाश उत्सर्जित करणारा डायोड. थेट प्रवाह पास करताना, प्रदेशातील अल्पसंख्याक वाहकांची एकाग्रता p-n- संक्रमण वाढते. मुख्य वाहक इंजेक्टेड अल्पसंख्याक वाहकांकडे आकर्षित होतात. परिणामी परिसरात दि p-n- संक्रमण प्रक्रिया विकसित होते पुनर्संयोजनसमतोल स्थितीवर जादा वाहक.

जर पुनर्संयोजन घटनांचा काही भाग प्रकाशाच्या उत्सर्जनासह घडला आणि जर हा प्रकाश बाहेर जाऊ शकला, तर प्रकाश-उत्सर्जक डायोड प्राप्त होतो - प्रकाश उत्सर्जित करणारा डायोड.

LEDs डिझाइन करताना या दोन अटी निर्णायक आहेत. पहिले कार्य - प्रकाश-उत्सर्जक पुनर्संयोजन घटनांची भूमिका वाढवणे - नॉन-रेडिएटिव्ह संक्रमणांचे प्रमाण कमी करून सोडवले जाते. हे करण्यासाठी, सेमीकंडक्टर पर्यंत असणे आवश्यक आहे उच्च पदवीनॉन-रेडिएटिव्ह अशुद्धता केंद्रे साफ करणे, जे एक कठीण काम आहे. दुसरी अट - बाहेरून रेडिएशन सोडणे - हे देखील एक कठीण काम आहे. वस्तुस्थिती अशी आहे की सेमीकंडक्टरमध्ये प्रकाशाचा अपवर्तक निर्देशांक जास्त असतो, उदाहरणार्थ, n=3.45. त्यामुळे अर्धसंवाहकांमध्ये एकूण अंतर्गत परावर्तनाचा कोन फारच लहान असतो, . उत्सर्जित किरणोत्सर्गाचा केवळ 2% भाग अर्धसंवाहकाच्या सपाट पृष्ठभागावर पेक्षा कमी कोनात असतो bआधी, कंडक्टर-एअर इंटरफेसमधून केवळ आंशिक प्रतिबिंब अनुभवले.

सतत मोडमध्ये LEDs ची सरासरी उत्सर्जन शक्ती 3¸5 mW आहे. गरम झाल्यामुळे फॉरवर्ड करंट वाढवून ते वाढवणे शक्य नाही p-n- एक संक्रमण जे अंतर्गत कार्यक्षमता झपाट्याने कमी करते.

LEDs मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स. फोटोडिटेक्टर्सच्या संयोगाने ते तयार होतात optocoupler जोड्या, ऑप्टोकपलरमध्ये डिकपलिंग आणि ॲम्प्लीफायिंग सिग्नलसाठी वापरले जाते तार्किक घटक. LEDs चे कार्यप्रदर्शन »10 -9 s पर्यंत पोहोचते. LEDs देखील लहान आकाराचे प्रकाश निर्देशक म्हणून वापरले जातात. वेगवेगळ्या बँड गॅपसह सेमीकंडक्टर निवडून, त्यासह LEDs बनवणे शक्य आहे विविध रंगचमक

10. सेमीकंडक्टर लेसर. गॅलियम आर्सेनाइड, GaAs वर आधारित अर्धसंवाहक इंजेक्शन लेसर हे आता सर्वात जास्त वापरले जातात. त्यांच्यातील स्तरांच्या लोकसंख्येचा उलथापालथ बहुसंख्य वाहकांच्या इंजेक्शनद्वारे प्राप्त केला जातो p-n- संक्रमण.

आकृती 127-a समतोल दाखवते p-n- सेमीकंडक्टरच्या दोन विकृत क्षेत्रांमधील संक्रमण. उर्जेची पातळी एकसमान असणाऱ्या प्रदेशांना डिजनरेट असे म्हणतात. परिणामी, दोन किंवा अधिक इलेक्ट्रॉन एका ऊर्जा मूल्याशी संबंधित असू शकतात. फर्मी पातळी इ F मध्ये p-क्षेत्र व्हॅलेन्स बँडच्या वरच्या खाली आहे इमध्ये, आणि मध्ये n-क्षेत्रे - वहन बँडच्या तळाच्या वर इ n परिणामी, व्हॅलेन्स बँडची कमाल मर्यादा छिद्रांसह भरली जाते p-क्षेत्र आणि कंडक्शन बँडच्या तळाशी n– क्षेत्र – इलेक्ट्रॉन (चित्र 127-सी).

जर याला p-n- जंक्शनवर थेट व्होल्टेज लागू करा j(ला p– “प्लस” क्षेत्रे, ते n- “वजा” क्षेत्र), संभाव्य अडथळा झपाट्याने कमी करणे, नंतर त्यात एक क्षेत्र दिसते एझोनच्या व्यस्त फिलिंगसह (चित्र 127-बी). व्हॅलेन्स बँडच्या भोक-संतृप्त कमाल मर्यादेच्या वर, वहन बँडचा तळ आहे, जो इलेक्ट्रॉनांनी भरलेला असतो. उत्स्फूर्त इलेक्ट्रॉन-होल जोड्यांचे रेडिएटिव्ह पुनर्संयोजनया परिस्थितीत कारणे उत्तेजित उत्सर्जन.

अर्धसंवाहक लेसर उपकरणाचा आकृती आकृती 128 मध्ये डावीकडे दर्शविला आहे. सह मोनोक्रिस्टल p-n- संक्रमणाला पिरॅमिडचा आकार असतो. त्याचे दोन विरुद्ध चेहरे एकमेकांना काटेकोरपणे समांतर आणि विमानाला लंब बनवले आहेत p-n- संक्रमण. हे चेहरे ऑप्टिकल रेझोनेटर म्हणून कार्य करतात, ज्यामुळे उत्तेजित उत्सर्जन विमानात दिसून येते p-n- संक्रमण, अनेक वेळा त्यातून जा. इतर दोन चेहरे साधारणपणे प्रक्रिया केलेले आणि प्रकाशासाठी अपारदर्शक राहतात.

येथे क्रिस्टल चेहऱ्यांमधून प्रकाश परावर्तनाचा गुणांक n= 3.45 हे 30 ते 35% घटनांच्या कोनात सामान्य जवळ आहे. याव्यतिरिक्त, प्रकाश लहर, बाजूने प्रचार p-n- संक्रमण, डायोडच्या निष्क्रिय क्षेत्रांद्वारे शोषले जाते. म्हणून, पिढी घडण्यासाठी, झोनच्या लोकसंख्येचा एक उलथापालथ तयार करणे आवश्यक आहे जे सर्व प्रकाश नुकसान कव्हर करेल.

चालू आयज्या वेळी ही स्थिती पूर्ण होते आणि पिढी घडते त्याला म्हणतात उंबरठा. थ्रेशोल्ड करंट पर्यंत, लेसर नियमित एलईडी प्रमाणे कार्य करते. हे सर्व दिशांना एकसमान घनतेसह उत्स्फूर्त विकिरण उत्सर्जित करते. म्हणून, LED मधून बाहेर पडणारा सुमारे 2% प्रकाश रेडिएटिव्ह रीकॉम्बिनेशनमुळे होतो.

लेसिंग मोडमध्ये संक्रमण केल्यावर, जवळजवळ सर्व रेडिएशन विमानात केंद्रित होते p-n- संक्रमण, क्रिस्टलच्या ऑप्टिकल विंडोला लंबवत प्रसारित करणे. रेडिएटिव्ह रीकॉम्बिनेशनच्या संभाव्यतेचे आणि नॉन-रेडिएटिव्ह रिकॉम्बिनेशनच्या संभाव्यतेचे गुणोत्तर वाढते. परिणामी, जेव्हा आय > आयतेव्हापासून तीक्ष्ण वाढ झाली आहे प्रकाशमय प्रवाह एफ(उजवीकडे अंजीर 128).

एक महत्त्वाचा तोटासेमीकंडक्टर लेसर म्हणजे तपमानावरील त्यांच्या पॅरामीटर्सचे मजबूत अवलंबन. लक्षणीय फॉरवर्ड करंटमुळे, एलईडी गरम होते, बँडगॅपची रुंदी, नियमानुसार, कमी होते, त्यामुळे जास्तीत जास्त रेडिएशन लांब लाटांकडे सरकते. यामुळे ऑप्टिकल रेझोनान्सची परिस्थिती बिघडते.

शिवाय, वाढत्या तापमानासह थ्रेशोल्ड प्रवाह वेगाने वाढतो आयछिद्रे, कारण सतत इंजेक्शन चालू असताना वर्तमान वाहकांचे ऊर्जा वितरण वाढत्या तापमानासह अधिक पसरते. इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांसह ऊर्जा अवस्था भरणे अधिक सैल होते. परिणामी, वाढत्या लेसर तापमानासह विकिरण शक्ती कमी होते. त्यामुळे, पासून उष्णता काढण्याची समस्या p-n- सेमीकंडक्टर लेसरसाठी संक्रमणे अत्यंत महत्त्वाची आहेत.

11. मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स.सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या तंत्रज्ञानाचा विकास - डायोड, ट्रान्झिस्टर इ. - केवळ त्यांची कार्यात्मक वैशिष्ट्ये सुधारण्याच्या दिशेनेच नाही तर त्यांचा आकार कमी करण्याच्या दिशेने देखील गेला. प्रथम दहापट आणि नंतर शेकडो आणि हजारो सेमीकंडक्टर उपकरणे एका चिपवर ठेवणे शक्य होते. त्याच वेळी, अशा ब्लॉक्समध्ये शास्त्रीय घटक तयार करण्याचे तंत्रज्ञान - कॅपेसिटर, प्रतिरोधक, इंडक्टर - विकसित होत होते. परिणामी, विसाव्या शतकाच्या 60 च्या उत्तरार्धात. दिसते मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स

मायक्रोइलेक्ट्रॉनिकची मुख्य व्यावहारिक उत्पादने आहेत एकात्मिक सर्किट(IS), जे संगणक, नियंत्रण ऑटोमेशन आणि संप्रेषणांचे घटक म्हणून काम करतात. त्यांच्यामधील सर्व उपकरणे आणि संप्रेषण ओळी एकाच स्वरूपात तयार होतात तांत्रिक प्रक्रियासामान्य सब्सट्रेटवर. एकात्मिक सर्किट्सच्या सामान्यीकृत वैशिष्ट्यासाठी, तीन प्रमाण वापरले जातात. एकात्मता पदवी एनमायक्रोसर्किटमधील घटकांच्या संख्येइतके. येथे एन < 10 схема называется малой интегральной схемой (МИС), при 10 ≤ एन < 100 – средней (СИС), при 100 ≤ एन < 1000 – большой (БИС) и при एन> 1000 – एक्स्ट्रा-लार्ज (VLSI). एकात्मता पदवी एनसतत वाढत आहे आणि सध्या 10 8 जवळ येत आहे. दुसरे मूल्य s आहे मधले रेखीय परिमाण microcircuit घटक - सध्या सुमारे 0.1 मायक्रॉनचे प्रमाण आहे आणि ते आणखी कमी होते. तिसरे मूल्य p आहे ऑपरेटिंग फ्रिक्वेन्सी पल्स सर्किट्स. त्यांची रक्कम अनेक अब्ज हर्ट्झ इतकी आहे.

एकात्मिक इलेक्ट्रॉनिक सर्किट संगणक वापरून विकसित आणि तयार केले जातात. सर्वसाधारणपणे, आधुनिक एकात्मिक सर्किट्सचे उत्पादन तंत्रज्ञान बरेच जटिल आणि महाग आहे, ज्यासाठी उच्च उत्पादन संस्कृती आवश्यक आहे. ICs च्या निर्मितीमध्ये, 3 तंत्रज्ञान वापरले जातात. IN सेमीकंडक्टरसक्रिय घटक बनवा ( p-n-संक्रमण) एकाच क्रिस्टलच्या व्हॉल्यूममध्ये. IN चित्रपटव्हॅक्यूममध्ये सब्सट्रेटवर धातू (Cr) आणि डायलेक्ट्रिक (SiO 2) चे थर जमा करून ते निष्क्रिय घटक - प्रतिरोधक, कॅपेसिटर बनवतात. IN संकरितसेमीकंडक्टर आणि फिल्म तंत्रज्ञान एकत्र करते.

धडा 3. अणु केंद्रकाचे भौतिकशास्त्र

« भौतिकशास्त्र - 10वी इयत्ता"

अर्धसंवाहकातील कोणते वर्तमान वाहक बहुसंख्य आहेत आणि कोणते अल्पसंख्याक आहेत?
अशुद्धता चालकता आंतरिक चालकतेपेक्षा कशी वेगळी आहे?

सर्वात मनोरंजक घटना घडतात जेव्हा n- आणि p-प्रकारचे अर्धसंवाहक संपर्कात येतात. या घटना बहुतेक अर्धसंवाहक उपकरणांमध्ये वापरल्या जातात.

p-n-संक्रमण.

जर आपण दोन समान अर्धसंवाहक संपर्कात आणले तर काय होईल याचा विचार करूया, परंतु भिन्न प्रकारच्या चालकतेसह: डावीकडे एन-टाइप सेमीकंडक्टर आहे आणि उजवीकडे पी-टाइप सेमीकंडक्टर आहे (चित्र 16.10).

वेगवेगळ्या प्रकारच्या चालकता असलेल्या दोन अर्धसंवाहकांच्या संपर्कास म्हणतात p-n-किंवा n-p जंक्शन.

आकृतीतील इलेक्ट्रॉन्स निळ्या वर्तुळात, छिद्रांमध्ये - राखाडी रंगात दर्शविले आहेत.

डाव्या बाजूला अनेक मुक्त इलेक्ट्रॉन्स आहेत आणि उजव्या बाजूला त्यांची एकाग्रता खूपच कमी आहे. उजव्या बाजूला, उलटपक्षी, अनेक छिद्रे आहेत, म्हणजे, इलेक्ट्रॉनसाठी रिक्त जागा. अर्धसंवाहकांच्या संपर्कात येताच, इलेक्ट्रॉन एन-प्रकार चालकता असलेल्या प्रदेशातून p-प्रकार चालकता असलेल्या प्रदेशात पसरू लागतात आणि त्यानुसार, छिद्रांचे संक्रमण विरुद्ध दिशेने होते. पी-प्रकार सेमीकंडक्टरमध्ये हस्तांतरित केलेले इलेक्ट्रॉन व्यापतात मुक्त ठिकाणे, इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांच्या पुनर्संयोजनाची प्रक्रिया होते आणि एन-टाइप सेमीकंडक्टरमध्ये प्रवेश करणारी छिद्रे देखील रिक्त स्थानावर इलेक्ट्रॉन व्यापल्यामुळे अदृश्य होतात. अशाप्रकारे, विविध प्रकारच्या चालकता असलेल्या अर्धसंवाहकांमधील इंटरफेसजवळ, एक स्तर दिसून येतो जो वर्तमान वाहकांचा (त्याला संपर्क स्तर म्हणतात) कमी झालेला असतो. हा थर प्रत्यक्षात एक डायलेक्ट्रिक आहे, त्याची प्रतिकारशक्ती खूप जास्त आहे. या प्रकरणात, एन-टाइप सेमीकंडक्टरला सकारात्मक चार्ज केला जातो आणि पी-टाइप सेमीकंडक्टरला नकारात्मक चार्ज केला जातो. संपर्क क्षेत्रामध्ये k तीव्रतेचे स्थिर विद्युत क्षेत्र उद्भवते, जे इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांचे पुढील प्रसार रोखते.

संपर्कात आणलेल्या अर्धसंवाहकांचा एकूण प्रतिकार हा l-प्रकार अर्धसंवाहक, p-n जंक्शन आणि p-प्रकार अर्धसंवाहकांच्या प्रतिकारांची बेरीज आहे: R = R n + R pn + R p. n- आणि p-प्रकारचे चालकता असलेल्या प्रदेशांचे प्रतिकार लहान असल्यामुळे (तेथे अनेक चार्ज वाहक आहेत - इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र), तर एकूण प्रतिकारप्रामुख्याने pn जंक्शनच्या प्रतिकाराद्वारे निर्धारित केले जाते: R ≈ R pn.

चला अर्धसंवाहक p-n जंक्शनसह इलेक्ट्रिकल सर्किटशी जोडूया जेणेकरून p-प्रकार सेमीकंडक्टरची क्षमता सकारात्मक असेल आणि n-प्रकार नकारात्मक असेल (चित्र 16.11). या प्रकरणात, बाह्य फील्ड सामर्थ्य संपर्क स्तर शक्तीच्या विरुद्ध दिशेने निर्देशित केले जाईल.

एकूण ताणाचे मॉड्यूल E = E ते - E ext. वर्तमान वाहक धारण करणारे क्षेत्र कमकुवत होत असल्याने, इलेक्ट्रॉन्समध्ये आधीच त्यावर मात करण्यासाठी पुरेशी ऊर्जा असते.

जंक्शनमधून विद्युतप्रवाह वाहतो आणि तो बहुसंख्य वाहकांकडून तयार केला जाईल - इलेक्ट्रॉन n-प्रकार चालकता असलेल्या प्रदेशातून p-प्रकार चालकता असलेल्या प्रदेशात जातात आणि छिद्रे p-प्रकार असलेल्या प्रदेशातून प्रदेशात येतात. n-प्रकार सह. या प्रकरणात, pn जंक्शन म्हणतात थेट.

लक्षात घ्या की विद्युत प्रवाह संपूर्ण सर्किटमध्ये वाहतो: सकारात्मक संपर्कापासून p-प्रकार प्रदेशातून p-n जंक्शनपर्यंत, नंतर n-प्रकार प्रदेशातून नकारात्मक संपर्कापर्यंत (Fig. 16.12). संपूर्ण नमुन्याची चालकता जास्त आहे आणि प्रतिकार कमी आहे. संपर्कावर जितका जास्त व्होल्टेज लागू होईल तितका जास्त विद्युत् प्रवाह.

संभाव्य फरकावर विद्युत् प्रवाहाचे अवलंबन - थेट जंक्शनचे वर्तमान-व्होल्टेज वैशिष्ट्य - आकृती (16.13) मध्ये घन रेषेसह दर्शविले आहे.

लक्षात घ्या की लागू व्होल्टेज बदलणे ठरते तीव्र वाढवर्तमान शक्ती. अशा प्रकारे, व्होल्टेजमध्ये 0.25 V ने वाढ केल्याने वर्तमान शक्ती 20,000 पट वाढू शकते.

थेट जंक्शनमध्ये, ब्लॉकिंग लेयरचा प्रतिकार लहान असतो आणि ते लागू केलेल्या व्होल्टेजवर देखील अवलंबून असते, जसे की व्होल्टेज वाढते, प्रतिकार कमी होतो.

आता बॅटरी कनेक्शनची ध्रुवीयता बदलू. या प्रकरणात, बाह्य आणि संपर्क फील्डची ताकद एकाच दिशेने निर्देशित केली जाते (चित्र 16.14) आणि एकूण ताकद E = E ते - E ext चे मॉड्यूल. बाह्य क्षेत्र संपर्क स्तरापासून इलेक्ट्रॉन्स आणि छिद्रे खेचते, ज्यामुळे ते विस्तारते. या संदर्भात, या थरावर मात करण्यासाठी इलेक्ट्रॉनकडे यापुढे पुरेशी ऊर्जा नाही. आता संपर्काद्वारे संक्रमण अल्पसंख्याक वाहकांकडून केले जाते, ज्यांची संख्या कमी आहे.

संपर्क स्तराचा प्रतिकार खूप जास्त आहे. p-n जंक्शनमधून कोणताही विद्युत प्रवाह वाहत नाही. एक तथाकथित अडथळा थर तयार होतो. या संक्रमणास म्हणतात उलट.

रिव्हर्स ट्रांझिशनचे वर्तमान-व्होल्टेज वैशिष्ट्य आकृती 16.13 मध्ये डॅश केलेल्या रेषेसह दर्शविले आहे.

पीएन जंक्शन विद्युत्प्रवाहाच्या संदर्भात असममित असल्याचे दिसून येते: पुढील दिशेने जंक्शनचा प्रतिकार उलट दिशेपेक्षा खूपच कमी असतो. अशा प्रकारे, पीएन जंक्शनचा वापर विद्युत प्रवाह दुरुस्त करण्यासाठी केला जाऊ शकतो.

p-n जंक्शन असलेले आणि एका दिशेने विद्युत् प्रवाह चालू ठेवण्यास सक्षम असलेल्या आणि विरुद्ध दिशेने न जाणाऱ्या उपकरणाला म्हणतात. सेमीकंडक्टर डायोड.

जर सेमीकंडक्टर डायोडच्या संपर्कांवर पर्यायी व्होल्टेज लागू केले असेल तर सर्किटमधून प्रवाह फक्त एकाच दिशेने वाहतो.

सेमीकंडक्टर डायोड जर्मेनियम, सिलिकॉन, सेलेनियम आणि इतर पदार्थांपासून बनवले जातात.

ते कसे तयार करतात ते पाहूया pn जंक्शन, जर्मेनियम वापरून, ज्यामध्ये n-प्रकारची चालकता असते, ज्यामध्ये दात्याच्या अशुद्धतेची थोडीशी भर पडते. दोन अर्धसंवाहकांना वेगवेगळ्या प्रकारच्या चालकतेसह यांत्रिकरित्या जोडून हे संक्रमण मिळवता येत नाही, कारण यामुळे सेमीकंडक्टरमध्ये खूप मोठे अंतर निर्माण होते. p-n जंक्शनची जाडी आंतरपरमाण्विक अंतरांपेक्षा जास्त नसावी, म्हणून नमुन्याच्या पृष्ठभागांपैकी एकामध्ये इंडियम वितळला जातो. सेमीकंडक्टर डायोड तयार करण्यासाठी, इंडियम अणू असलेले पी-डोपेड सेमीकंडक्टर उच्च तापमानाला गरम केले जाते. क्रिस्टलच्या पृष्ठभागावर एन-प्रकारच्या अशुद्धतेचे वाफ (उदाहरणार्थ, आर्सेनिक) जमा केले जातात. प्रसारामुळे, ते क्रिस्टलमध्ये ओळखले जातात आणि पी-प्रकार चालकता असलेल्या क्रिस्टलच्या पृष्ठभागावर, इलेक्ट्रॉनिक प्रकार चालकता असलेला प्रदेश तयार होतो (चित्र 16.15).

हवा आणि प्रकाशाचे हानिकारक प्रभाव टाळण्यासाठी, जर्मेनियम क्रिस्टल सीलबंद धातूच्या केसमध्ये ठेवले जाते.

सेमीकंडक्टर डायोडचा वापर रिसीव्हर डिटेक्टरमध्ये कमी वारंवारता सिग्नल वेगळे करण्यासाठी आणि त्यापासून संरक्षण करण्यासाठी केला जातो चुकीचे कनेक्शनसर्किटचा स्रोत.

ट्रॅफिक लाइट्स विशेष सेमीकंडक्टर डायोड वापरतात. जेव्हा असा डायोड थेट जोडला जातो तेव्हा इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांचे सक्रिय पुनर्संयोजन होते. या प्रकरणात, प्रकाश किरणोत्सर्गाच्या स्वरूपात ऊर्जा सोडली जाते.

डायोडचे एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व आकृती 16.16 मध्ये दर्शविले आहे. सेमीकंडक्टर रेक्टिफायर आहेत उच्च विश्वसनीयताआणि दीर्घ सेवा आयुष्य आहे. तथापि, ते केवळ मर्यादित तापमान श्रेणीमध्ये (-70 ते 125 डिग्री सेल्सियस पर्यंत) कार्य करू शकतात.

ट्रान्झिस्टर.

सह अर्धसंवाहकांचा आणखी एक अनुप्रयोग अशुद्धता प्रकारचालकता - ट्रान्झिस्टर - विद्युत सिग्नल वाढवण्यासाठी वापरलेली उपकरणे.

जर्मेनियम किंवा सिलिकॉनपासून बनवलेल्या ट्रान्झिस्टरच्या प्रकारांपैकी एकाचा विचार करूया ज्यामध्ये दाता आणि स्वीकारकर्ता अशुद्धता समाविष्ट आहेत. अशुद्धतेचे वितरण असे आहे की p-प्रकार सेमीकंडक्टरच्या दोन स्तरांमध्ये (चित्र 16.17) n-प्रकार सेमीकंडक्टरचा एक अतिशय पातळ (अनेक मायक्रोमीटर जाडीच्या क्रमाने) थर तयार होतो. या पातळ थराला म्हणतात आधारकिंवा पाया.

क्रिस्टलमध्ये दोन p-n जंक्शन तयार होतात, ज्यांच्या थेट दिशा विरुद्ध असतात. वेगवेगळ्या प्रकारच्या चालकता असलेल्या क्षेत्रांमधील तीन टर्मिनल्स आपल्याला आकृती 16.17 मध्ये दर्शविलेल्या सर्किटमध्ये ट्रान्झिस्टर समाविष्ट करण्याची परवानगी देतात. या सर्किटमध्ये, जेव्हा बॅटरी B1 जोडलेली असते, तेव्हा डावे p-n जंक्शन असते थेट. p-प्रकार चालकता असलेल्या डाव्या हाताच्या सेमीकंडक्टरला म्हणतात उत्सर्जक. जर उजव्या हाताचे पीएन जंक्शन नसेल तर, स्रोतांच्या व्होल्टेजवर (बॅटरी बी 1 आणि एसी व्होल्टेज स्रोत) आणि सर्किटच्या कमी प्रतिकारासह, एमिटर-बेस सर्किटमध्ये विद्युत प्रवाह असेल. डायरेक्ट एमिटर-बेस जंक्शन.

बॅटरी B2 जोडलेली आहे जेणेकरून सर्किटमधील उजवे n-p जंक्शन (चित्र 16.17 पहा) उलट. p-प्रकार चालकता असलेला योग्य प्रदेश म्हणतात कलेक्टर. जर डावे pn जंक्शन नसेल, तर कलेक्टर सर्किटमधील विद्युतप्रवाह शून्याच्या जवळ असेल, कारण रिव्हर्स जंक्शनचा प्रतिकार खूप जास्त आहे. जेव्हा डाव्या p-n जंक्शनमध्ये करंट अस्तित्वात असतो, तेव्हा कलेक्टर सर्किटमध्ये एक करंट दिसून येतो आणि कलेक्टरमधील वर्तमान ताकद एमिटरमधील वर्तमान ताकदीपेक्षा थोडी कमी असते. (जर एमिटरला ऋण व्होल्टेज लागू केले, तर डावे p-n जंक्शन उलट होईल, आणि एमिटर सर्किटमध्ये किंवा कलेक्टर सर्किटमध्ये व्यावहारिकपणे कोणताही करंट नसेल.)

हे स्पष्ट केले आहे खालील प्रकारे. एमिटर आणि बेस दरम्यान व्होल्टेज तयार केल्यावर, पी-टाइप सेमीकंडक्टर (छिद्र) चे बहुसंख्य वाहक बेसमध्ये प्रवेश करतात, जिथे ते आधीच असतात. बिगर प्रमुख माध्यम. बेसची जाडी फारच कमी असल्याने आणि त्यातील मुख्य वाहक (इलेक्ट्रॉन) ची संख्या कमी असल्याने, त्यात जे छिद्र पडतात ते जवळजवळ बेसच्या इलेक्ट्रॉनसह एकत्र होत नाहीत (पुन्हा एकत्र होत नाहीत) आणि कलेक्टरमध्ये प्रवेश करतात. प्रसार करण्यासाठी. उजवा पीएन जंक्शन बेसच्या मुख्य चार्ज वाहकांसाठी बंद आहे - इलेक्ट्रॉन, परंतु छिद्रांसाठी नाही. कलेक्टरमध्ये, विद्युत क्षेत्राद्वारे छिद्रे वाहून जातात आणि सर्किट पूर्ण करतात. बेसपासून एमिटर सर्किटमध्ये वर्तमान ब्रँचिंगची ताकद खूपच लहान आहे, कारण क्षैतिज (चित्र 16.17 पहा) विमानातील बेसचे क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र उभ्या प्लेनमधील क्रॉस-सेक्शनपेक्षा खूपच लहान आहे. .

कलेक्टर करंट जवळजवळ एमिटर करंटच्या बरोबरीचा असतो आणि एमिटरद्वारे चालू असलेल्या प्रवाहाप्रमाणे बदलतो. रेझिस्टर R च्या रेझिस्टन्सचा कलेक्टरमधील विद्युत् प्रवाहावर थोडासा प्रभाव पडतो आणि हा प्रतिकार बराच मोठा होऊ शकतो. त्याच्या सर्किटशी जोडलेल्या वैकल्पिक व्होल्टेज स्त्रोताचा वापर करून उत्सर्जक प्रवाह नियंत्रित करून, आम्ही रेझिस्टर आर वरील व्होल्टेजमध्ये समकालिक बदल प्राप्त करतो.

मोठ्या रेझिस्टर रेझिस्टन्ससह, त्यावरील व्होल्टेजमधील बदल एमिटर सर्किटमधील सिग्नल व्होल्टेजमधील बदलापेक्षा हजारो पटीने जास्त असू शकतो. याचा अर्थ तणाव वाढला आहे. म्हणून, लोड R वर इलेक्ट्रिकल सिग्नल मिळवणे शक्य आहे ज्याची शक्ती एमिटर सर्किटमध्ये प्रवेश करणार्या शक्तीपेक्षा कितीतरी पट जास्त आहे.

ट्रान्झिस्टरचा वापर.

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स मायक्रोक्रिकेट्स आणि मायक्रोप्रोसेसरवर आधारित आहेत, ज्यात मोठ्या संख्येने ट्रान्झिस्टर समाविष्ट आहेत.

पहिला एकात्मिक सर्किट 1964 मध्ये विक्रीसाठी गेले. त्यात सहा घटक होते - चार ट्रान्झिस्टर आणि दोन प्रतिरोधक. आधुनिक मायक्रोसर्किटमध्ये लाखो ट्रान्झिस्टर असतात.

चिप्स आणि मायक्रोप्रोसेसरने बनलेल्या संगणकांनी आपल्या आजूबाजूचे जग बदलून टाकले आहे. सध्या, मानवी क्रियाकलापांचे एकही क्षेत्र नाही जेथे संगणक सक्रिय मानवी सहाय्यक म्हणून काम करत नाहीत. उदाहरणार्थ, स्पेस रिसर्च किंवा हाय-टेक उत्पादनामध्ये, मायक्रोप्रोसेसर ऑपरेट करतात, ज्याची संघटना कृत्रिम बुद्धिमत्तेशी संबंधित आहे.

आधुनिक तंत्रज्ञानामध्ये ट्रान्झिस्टर (चित्र 16.18, 16 19) अत्यंत व्यापक झाले आहेत. त्यांनी वैज्ञानिक, औद्योगिक आणि घरगुती उपकरणांच्या इलेक्ट्रिकल सर्किट्समध्ये व्हॅक्यूम ट्यूब बदलल्या. पोर्टेबल रेडिओ, ज्यामध्ये अशी उपकरणे वापरली जातात, त्यांना सामान्यतः ट्रान्झिस्टर म्हणतात. इलेक्ट्रॉन ट्यूबच्या तुलनेत ट्रान्झिस्टर (तसेच सेमीकंडक्टर डायोड) चा फायदा म्हणजे, सर्वप्रथम, गरम झालेल्या कॅथोडची अनुपस्थिती, जी महत्त्वपूर्ण उर्जा वापरते आणि उबदार होण्यासाठी वेळ घेते. याव्यतिरिक्त, ही उपकरणे व्हॅक्यूम ट्यूबपेक्षा दहापट आणि आकार आणि वजनाने शेकडो पट लहान आहेत.

p- आणि n-प्रकारच्या अर्धसंवाहकांच्या संपर्कातून विद्युत प्रवाह जाण्याच्या घटनेचा विचार करूया. खालील आकृती असा संपर्क दर्शवते.

प्रस्तुत सेमीकंडक्टरच्या डाव्या बाजूला स्वीकारक अशुद्धी असतात. उजवा भागसादर केलेल्या सेमीकंडक्टरमध्ये दात्याची अशुद्धता असते. अनुक्रमे डावी बाजूएक p-प्रकार अर्धसंवाहक आहे, आणि उजवा एक n-प्रकार अर्धसंवाहक आहे.

सेमीकंडक्टर्स दरम्यान एक विशेष झोन तयार होतो - संक्रमण क्षेत्र. त्यात फारच कमी चार्जेस आहेत आणि इथे इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांचे पुनर्संयोजन होते.

पी- आणि पी-प्रकार सेमीकंडक्टरचा संपर्क

आकृतीमध्ये, इलेक्ट्रॉन निळ्या वर्तुळांद्वारे दर्शविले जातात आणि छिद्र वर्तुळांद्वारे दर्शविले जातात. राखाडी. दोन n- आणि p-प्रकारच्या अर्धसंवाहकांच्या संपर्कास म्हणतात pn जंक्शन, किंवा n-p – संक्रमण.

अर्धसंवाहकांच्या संपर्काचा परिणाम म्हणून, प्रसार. काही इलेक्ट्रॉन छिद्रांकडे जातात आणि काही छिद्रे इलेक्ट्रॉनच्या बाजूला जातात. परिणामी, अर्धसंवाहकांवर शुल्क आकारले जाते: n-सकारात्मक आणि p-ऋणात्मक.

संक्रमण झोनमध्ये दिसणारे विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांच्या हालचालीमध्ये व्यत्यय आणू लागल्यानंतर, प्रसार थांबेल.

pn जंक्शनच्या गुणधर्मांचा अभ्यास करण्यासाठी, खालील चित्रात दाखवल्याप्रमाणे आम्ही ते सर्किटशी जोडतो.

प्रथम, आम्ही उर्जा स्त्रोताशी जोडतो जेणेकरुन सेमीकंडक्टरच्या p-प्रकारची बाजू सकारात्मक असेल आणि n-प्रकारची बाजू नकारात्मक असेल.

अशा कनेक्शनसह, सेमीकंडक्टरची चालकता जास्त असेल. जंक्शनमधून प्रवाह बहुसंख्य वाहकांद्वारे तयार केला जाईल: n ते p – इलेक्ट्रॉन आणि p ते n – छिद्र.

प्रतिकार खूपच लहान असेल. pn जंक्शनच्या या जोडणीला डायरेक्ट म्हणतात. आता बदलूया ध्रुवीयतावीज पुरवठा जोडणे.

मागील केसच्या तुलनेत वर्तमान मूल्य लक्षणीय घटेल. या प्रकरणातील वर्तमान अल्पसंख्याक वाहकांकडून तयार केले जाईल, ज्याची संख्या बहुसंख्य वाहकांच्या संख्येपेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी आहे.

व्होल्ट-अँपिअर वैशिष्ट्ये

या प्रकरणात, चालकता लहान असेल आणि प्रतिकार मोठा असेल. एक अडथळा थर तयार होतो. पीएन जंक्शनच्या या जोडणीला रिव्हर्स म्हणतात.

कोणत्याही घटकाच्या गुणधर्मांचा अभ्यास करताना, संभाव्य फरकावर वर्तमान शक्तीचे अवलंबित्व अनेकदा प्लॉट केले जाते. या प्रकारचाअवलंबित्वाला भौतिकशास्त्रात वर्तमान-व्होल्टेज वैशिष्ट्य म्हणतात. कधीकधी, रेकॉर्डिंगच्या सुलभतेसाठी, ते फक्त CVC लिहितात.

खालील आलेख pn जंक्शनच्या फॉरवर्ड आणि रिव्हर्स कनेक्शनची वर्तमान-व्होल्टेज वैशिष्ट्ये दर्शवितो.

वर्तमान-व्होल्टेज वैशिष्ट्य घन रेषेने काढले आहे थेट कनेक्शन pn जंक्शन, आणि ठिपके असलेले हे उलट कनेक्शन आहे.
पीएन जंक्शनच्या गुणधर्मांवर आधारित, विविध रेडिओ अभियांत्रिकी घटक, उदाहरणार्थ, डायोड तयार केले जातात.