เพิ่มไซต์ลงในบุ๊กมาร์ก

คุณสมบัติพื้นฐานของสารกึ่งตัวนำคืออะไร?

ในแง่ของความต้านทานไฟฟ้า เซมิคอนดักเตอร์จะมีตำแหน่งตรงกลางระหว่างตัวนำและฉนวน ไดโอดและไตรโอดของเซมิคอนดักเตอร์มีข้อดีหลายประการ: น้ำหนักและขนาดต่ำ, อายุการใช้งานยาวนานขึ้นอย่างมาก, ความแข็งแรงเชิงกลมากขึ้น

พิจารณาคุณสมบัติพื้นฐานและคุณลักษณะของเซมิคอนดักเตอร์ ในส่วนของการนำไฟฟ้า เซมิคอนดักเตอร์แบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ อิเล็กตรอนและการนำไฟฟ้าของรู

เซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์เรียกว่าอิเล็กตรอนอิสระซึ่งมีพันธะอย่างอ่อนกับนิวเคลียสของอะตอม หากใช้ความต่างศักย์กับเซมิคอนดักเตอร์นี้ อิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าในทิศทางที่แน่นอน ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า เนื่องจากในสารกึ่งตัวนำประเภทนี้กระแสไฟฟ้า

แสดงถึงการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุลบเรียกว่าตัวนำชนิด n (จากคำว่าลบ - ลบ)

เซมิคอนดักเตอร์ที่มีรูนำไฟฟ้าเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p (จากคำว่าบวก) การผ่านของกระแสไฟฟ้าในเซมิคอนดักเตอร์ประเภทนี้ถือได้ว่าเป็นการเคลื่อนที่ของประจุบวก ในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้า p จะไม่มีอิเล็กตรอนอิสระ หากอะตอมของเซมิคอนดักเตอร์สูญเสียอิเล็กตรอน 1 ตัวภายใต้อิทธิพลของเหตุผลใดก็ตาม อะตอมนั้นจะมีประจุบวก

การไม่มีอิเล็กตรอนหนึ่งตัวในอะตอมทำให้เกิดประจุบวกบนอะตอมเซมิคอนดักเตอร์ เรียกว่ารู (ซึ่งหมายความว่ามีช่องว่างเกิดขึ้นในอะตอม) ทฤษฎีและประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าหลุมมีพฤติกรรมเหมือนประจุบวกเบื้องต้น

ในความเป็นจริง สิ่งต่อไปนี้เกิดขึ้นระหว่างการนำรู สมมติว่ามีอะตอม 2 อะตอม อะตอมหนึ่งมีรู (อิเล็กตรอนตัวหนึ่งหายไปในวงโคจรรอบนอก) และอีกอะตอมหนึ่งซึ่งอยู่ทางด้านขวามือมีอิเล็กตรอนทั้งหมดเข้าที่ (ขอเรียกว่าอะตอมที่เป็นกลาง) . หากใช้ความต่างศักย์กับเซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กตรอนจากอะตอมที่เป็นกลางซึ่งมีอิเล็กตรอนทั้งหมดเข้ามาแทนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าจะเคลื่อนที่ไปทางซ้ายไปยังอะตอมที่มีรู

ด้วยเหตุนี้อะตอมที่มีรูจึงกลายเป็นกลางและรูจะเคลื่อนไปทางขวาไปยังอะตอมที่อิเล็กตรอนออกไป ในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ กระบวนการ "เติม" รูด้วยอิเล็กตรอนอิสระเรียกว่าการรวมตัวกันใหม่ ผลจากการรวมตัวกันใหม่ ทั้งอิเล็กตรอนอิสระและหลุมหายไป และสร้างอะตอมที่เป็นกลางขึ้นมา ดังนั้นการเคลื่อนที่ของรูจึงเกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

ในเซมิคอนดักเตอร์ (จากภายใน) ที่บริสุทธิ์อย่างยิ่ง ภายใต้อิทธิพลของความร้อนหรือแสง อิเล็กตรอนและรูจะเกิดเป็นคู่ ดังนั้นจำนวนอิเล็กตรอนและรูในเซมิคอนดักเตอร์จากภายในจึงเท่ากัน

ในการสร้างเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความเข้มข้นของอิเล็กตรอนหรือรูชัดเจน เซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์จะถูกป้อนด้วยสิ่งเจือปน ทำให้เกิดเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่บริสุทธิ์ สิ่งเจือปนสามารถเป็นผู้บริจาค โดยให้อิเล็กตรอน และผู้รับทำให้เกิดรู (เช่น การฉีกอิเล็กตรอนออกจากอะตอม) ดังนั้น ในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีสารเจือปนจากผู้บริจาค ค่าการนำไฟฟ้าจะเป็นแบบอิเล็กทรอนิกส์เป็นส่วนใหญ่ หรือค่าการนำไฟฟ้าแบบ n ในเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้ ตัวพาประจุส่วนใหญ่จะเป็นอิเล็กตรอน และตัวพาประจุส่วนน้อยจะเป็นรู ในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีตัวรับสิ่งเจือปน ในทางกลับกัน ตัวพาประจุส่วนใหญ่เป็นรู และตัวพาประจุส่วนน้อยคืออิเล็กตรอน เหล่านี้เป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้า p

วัสดุหลักสำหรับการผลิตไดโอดเซมิคอนดักเตอร์และไตรโอดคือเจอร์เมเนียมและซิลิคอน ผู้บริจาคคือพลวงฟอสฟอรัสสารหนู ตัวรับ - อินเดียม, แกลเลียม, อลูมิเนียม, โบรอน

รูปที่ 1. ตำแหน่งของประจุไฟฟ้าในเซมิคอนดักเตอร์

สิ่งเจือปนซึ่งโดยทั่วไปจะถูกเติมลงในเซมิคอนดักเตอร์แบบผลึก จะเปลี่ยนรูปแบบทางกายภาพของการไหลของกระแสไฟฟ้าอย่างมาก

เมื่อสารกึ่งตัวนำที่มีค่าการนำไฟฟ้า n เกิดขึ้น สิ่งเจือปนของผู้บริจาคจะถูกเพิ่มเข้าไปในเซมิคอนดักเตอร์ ตัวอย่างเช่น สารเจือปนพลวงจะถูกเติมลงในเซมิคอนดักเตอร์เจอร์เมเนียม อะตอมพลวงซึ่งเป็นผู้บริจาคจะให้อิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากแก่เจอร์เมเนียม จึงกลายเป็นประจุบวก

ดังนั้นในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีการนำไฟฟ้าแบบ n ที่เกิดจากสิ่งเจือปน จะมีประจุไฟฟ้าประเภทต่อไปนี้:

• ประจุลบเคลื่อนที่ (อิเล็กตรอน) ซึ่งเป็นพาหะหลัก (ทั้งจากสิ่งเจือปนของผู้บริจาคและจากการนำไฟฟ้าของตัวเอง)
• ประจุบวกเคลื่อนที่ (รู) - พาหะรายย่อยที่เกิดจากการนำไฟฟ้าของตัวเอง
• ประจุบวกที่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ - ไอออนของผู้บริจาคที่ไม่บริสุทธิ์

เมื่อสารกึ่งตัวนำที่มีค่าการนำไฟฟ้า p เกิดขึ้น สิ่งเจือปนของตัวรับจะถูกเติมลงในสารกึ่งตัวนำ เช่น สารเจือปนอินเดียมจะถูกเติมลงในสารกึ่งตัวนำเจอร์เมเนียม อะตอมของอินเดียมซึ่งเป็นตัวรับจะดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของเจอร์เมเนียมทำให้เกิดรู อะตอมของอินเดียมเองก็มีประจุลบ

ดังนั้นในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้า p จะมีประจุไฟฟ้าประเภทต่อไปนี้:

• ประจุบวกเคลื่อนที่ (รู) - พาหะหลักที่เกิดจากความไม่บริสุทธิ์ของตัวรับและจากการนำไฟฟ้าของตัวเอง
• ประจุลบเคลื่อนที่ (อิเล็กตรอน) - พาหะส่วนน้อยที่เกิดจากการนำไฟฟ้าของตัวเอง
• ประจุลบที่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ - ตัวรับไอออนเจือปน

ในรูป รูปที่ 1 แสดงเพลต p-germanium (a) และ n-germanium (b) ที่มีการจัดเรียงประจุไฟฟ้า

ข้อมูลทางประวัติศาสตร์

เซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเป็นสารประเภทพิเศษเป็นที่รู้จักมาตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 มีเพียงการพัฒนาทฤษฎีโซลิดสเตตเท่านั้นที่ทำให้สามารถเข้าใจคุณสมบัติของพวกมันได้นานก่อนที่จะถูกค้นพบ:

1. ผลของการแก้ไขกระแสไฟฟ้าที่หน้าสัมผัสโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์

2. การนำแสง

อุปกรณ์ชิ้นแรกที่ใช้อุปกรณ์เหล่านี้ถูกสร้างขึ้น

O. V. Losev (1923) พิสูจน์ความเป็นไปได้ของการใช้หน้าสัมผัสโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์สำหรับการขยายและการสร้างออสซิลเลชัน (เครื่องตรวจจับคริสตัล) อย่างไรก็ตาม ในปีต่อๆ มา เครื่องตรวจจับคริสตัลถูกแทนที่ด้วยหลอดอิเล็กตรอน และในช่วงต้นทศวรรษที่ 50 เมื่อมีการค้นพบทรานซิสเตอร์ (สหรัฐอเมริกา พ.ศ. 2492) ก็เริ่มมีการใช้เซมิคอนดักเตอร์อย่างกว้างขวาง (ส่วนใหญ่เป็นเจอร์เมเนียมและซิลิคอนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางวิทยุ) ในเวลาเดียวกัน การศึกษาคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์อย่างเข้มข้นเริ่มต้นขึ้น ซึ่งได้รับการอำนวยความสะดวกโดยการปรับปรุงวิธีการทำความสะอาดคริสตัลและการเติมพวกมัน (แนะนำสิ่งเจือปนบางอย่างในเซมิคอนดักเตอร์)

ในสหภาพโซเวียต การศึกษาเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์เริ่มขึ้นในช่วงปลายทศวรรษที่ 20 ภายใต้การนำของ A.F. Ioffe ที่สถาบันฟิสิกส์-เทคนิคของ USSR Academy of Sciences

ความสนใจในคุณสมบัติทางแสงของเซมิคอนดักเตอร์เพิ่มขึ้นเนื่องจากการค้นพบการปล่อยก๊าซกระตุ้นในเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งนำไปสู่การสร้างเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ อันดับแรกที่จุดเชื่อมต่อ p-n และจากนั้นที่จุดเชื่อมต่อเฮเทอโร

เมื่อเร็ว ๆ นี้อุปกรณ์ที่ใช้การทำงานของเซมิคอนดักเตอร์แพร่หลายมากขึ้น สารเหล่านี้เริ่มได้รับการศึกษาค่อนข้างเร็ว ๆ นี้ แต่ไม่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ยารักษาโรค หรือวิทยาศาสตร์อื่น ๆ อีกมากมายที่สามารถทำได้หากไม่มีสิ่งเหล่านี้

คุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำ

เซมิคอนดักเตอร์- สารประเภทกว้างโดยมีค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะ d ซึ่งอยู่ในช่วงระหว่างค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะของโลหะและไดอิเล็กตริกที่ดีนั่นคือสารเหล่านี้ไม่สามารถจำแนกได้ว่าเป็นไดอิเล็กทริกอย่างใดอย่างหนึ่ง (เนื่องจากไม่ดี ฉนวน) หรือโลหะ (ไม่ใช่ตัวนำไฟฟ้าที่ดี) ตัวอย่างเช่น สารกึ่งตัวนำรวมถึงสารต่างๆ เช่น เจอร์เมเนียม ซิลิคอน ซีลีเนียม เทลลูเรียม ตลอดจนออกไซด์ ซัลไฟด์ และโลหะผสมบางชนิด

เซมิคอนดักเตอร์ เป็นเวลานานไม่ได้รับความสนใจจากนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรมากนัก หนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่เริ่มการวิจัยอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพของเซมิคอนดักเตอร์คือ Abram Fedorovich Ioffe นักฟิสิกส์ชาวโซเวียตผู้มีชื่อเสียง เขาพบว่าเซมิคอนดักเตอร์เป็นผลึกประเภทพิเศษที่มีคุณสมบัติโดดเด่นหลายประการ:

1) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความต้านทานของเซมิคอนดักเตอร์จะลดลง ตรงกันข้ามกับโลหะซึ่งความต้านทานจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ยิ่งกว่านั้น ตามกฎแล้ว ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง การเพิ่มขึ้นนี้จะเกิดขึ้นแบบทวีคูณ:

d = dо ∙ ประสบการณ์ (-ea/kT)

โดยที่ ea คือพลังงานกระตุ้นการนำไฟฟ้าที่เรียกว่า

do - สัมประสิทธิ์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

ความต้านทานของผลึกเซมิคอนดักเตอร์อาจลดลงเมื่อสัมผัสกับแสงหรือสนามอิเล็กทรอนิกส์ที่รุนแรง

2) คุณสมบัติของการนำไฟฟ้าทางเดียวของการสัมผัสของเซมิคอนดักเตอร์สองตัว เป็นคุณสมบัตินี้ที่ใช้ในการสร้างอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ: ไดโอด, ทรานซิสเตอร์, ไทริสเตอร์ ฯลฯ

3) หน้าสัมผัสของเซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ ภายใต้สภาวะบางประการเมื่อมีการส่องสว่างหรือได้รับความร้อนเป็นแหล่งที่มาของภาพถ่าย d.s. หรือเทอร์โม-อีตามลำดับ d.s.

โครงสร้างของเซมิคอนดักเตอร์และหลักการทำงาน

ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว เซมิคอนดักเตอร์เป็นคริสตัลประเภทพิเศษ เวเลนซ์อิเล็กตรอนสร้างพันธะโควาเลนต์ปกติ ดังแสดงแผนผังในรูปที่ 1 เซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติดังกล่าวจะไม่นำกระแสไฟฟ้าเลย (ในกรณีที่ไม่มีแสงและรังสี)

เช่นเดียวกับในสารที่ไม่เป็นตัวนำ อิเล็กตรอนในเซมิคอนดักเตอร์จะถูกพันธะกับอะตอม แต่พันธะนี้อ่อนแอมาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

(T>0 K) ภายใต้แสงสว่างหรือการฉายรังสี พันธะอิเล็กทรอนิกส์อาจแตกหักได้ ซึ่งจะนำไปสู่การแยกอิเล็กตรอนออกจากอะตอม (รูปที่ 2) อิเล็กตรอนดังกล่าวเป็นพาหะในปัจจุบัน ยิ่งอุณหภูมิของเซมิคอนดักเตอร์สูง ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าก็จะยิ่งสูงขึ้น ดังนั้น ความต้านทานก็จะยิ่งต่ำลง ดังนั้นความต้านทานที่ลดลงของเซมิคอนดักเตอร์เมื่อถูกความร้อนนั้นเกิดจากการเพิ่มความเข้มข้นของพาหะในปัจจุบัน

ต่างจากตัวนำ พาหะกระแสในสารเซมิคอนดักเตอร์ไม่เพียงแต่เป็นอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังมี "รู" อีกด้วย เมื่ออะตอมเซมิคอนดักเตอร์ตัวหนึ่งสูญเสียอิเล็กตรอน พื้นที่ว่างจะยังคงอยู่ในวงโคจรของมัน - "รู"; เมื่อสนามไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับคริสตัล "รู" ซึ่งเป็นประจุบวกจะเคลื่อนไปทางเวกเตอร์ E ซึ่งเกิดขึ้นจริงเนื่องจาก ไปสู่การทำลายพันธะบางอย่างและการฟื้นฟูบางอย่าง “รู” ตามอัตภาพสามารถถือเป็นอนุภาคที่มีประจุบวกได้

การนำสิ่งเจือปน .

เซมิคอนดักเตอร์ชนิดเดียวกันก็มีเช่นกัน อิเล็กทรอนิกส์,หรือ รูการนำไฟฟ้า - ขึ้นอยู่กับ องค์ประกอบทางเคมีนำมาซึ่งสิ่งสกปรก สิ่งเจือปนมีผลอย่างมากต่อการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์:

ตัวอย่างเช่น หนึ่งในพันของเปอร์เซ็นต์ของสิ่งสกปรกสามารถมีได้นับแสนครั้ง

ลดความต้านทานของพวกเขา ข้อเท็จจริงนี้บ่งบอกถึงความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ในทางกลับกันมันบ่งบอกถึงความยากลำบากของเทคโนโลยีในการผลิตวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีคุณสมบัติที่กำหนด

เมื่อพิจารณากลไกอิทธิพลของสิ่งเจือปนต่อการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ควรพิจารณาสองกรณี:

การนำไฟฟ้า .

การเติมสารเจือปนที่อุดมด้วยอิเล็กตรอนลงในเจอร์เมเนียม เช่น สารหนูหรือพลวง ทำให้ได้สารกึ่งตัวนำที่มี การนำไฟฟ้า หรือเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n (จากคำภาษาละติน "negativus" - "negative")

ในรูป รูปที่ 3a แสดงภาพพันธะอิเล็กตรอนที่ 0 K ในแผนผัง โดยวาเลนซ์อิเล็กตรอนของสารหนูตัวหนึ่งไม่มีส่วนร่วมในพันธะกับอะตอมอื่น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนสามารถถูกแยกออกจากอะตอมได้ (ดูรูปที่ 3b) และด้วยเหตุนี้จึงทำให้เกิดการนำไฟฟ้าได้

สิ่งเจือปนที่ก่อให้เกิดการนำไฟฟ้าเรียกว่าผู้บริจาค

การนำไฟฟ้าของรู

การเติมอลูมิเนียม แกลเลียม หรืออินเดียมเข้าไปในเจอร์เมเนียมเดียวกันจะทำให้เกิดรูในคริสตัลมากเกินไป จากนั้นสารกึ่งตัวนำก็จะมี การนำไฟฟ้าของรู - สารกึ่งตัวนำชนิด p

การนำไฟฟ้าสิ่งเจือปนในรูถูกสร้างขึ้นโดยอะตอมที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนน้อยกว่าอะตอมหลัก ในรูป รูปที่ 4 แผนผังแสดงการเชื่อมต่อทางอิเล็กทรอนิกส์ของเจอร์เมเนียมกับโบรอนเจือปน ที่ 0 K พันธะทั้งหมดจะเสร็จสมบูรณ์ มีเพียงโบรอนเท่านั้นที่ไม่มีพันธะเดียว (ดูรูปที่ 4a) อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น โบรอนสามารถทำให้พันธะของมันอิ่มตัวได้โดยเสียอิเล็กตรอนจากอะตอมข้างเคียง (ดูรูปที่ 4b)

สิ่งเจือปนดังกล่าวเรียกว่าสิ่งเจือปนที่เป็นตัวรับ

สารกึ่งตัวนำเหลว

การละลายของเซมิคอนดักเตอร์แบบผลึกจำนวนมากนั้นมาพร้อมกับค่าการนำไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว Q ถึงค่าทั่วไปสำหรับโลหะ (ดูรูปที่ 5a) อย่างไรก็ตาม เซมิคอนดักเตอร์จำนวนหนึ่ง (เช่น HgSe, HgTe เป็นต้น) มีลักษณะเฉพาะโดยการคงสภาพหรือการลดลงของ Q ในระหว่างการหลอมละลาย และเซมิคอนดักเตอร์ยังคงรักษาธรรมชาติของการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของ Q (ดูรูปที่ 5b) เซมิคอนดักเตอร์เหลวบางชนิดสูญเสียไป คุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์และรับโลหะ (เช่น โลหะผสม Te - Se และโลหะผสม Te) โลหะผสม Te - Se ที่อุดมไปด้วย Se มีพฤติกรรมแตกต่างออกไป การนำไฟฟ้าของพวกมันมีลักษณะเป็นเซมิคอนดักเตอร์ล้วนๆ

ในเซมิคอนดักเตอร์เหลว บทบาทของช่องว่างแถบความถี่จะเล่นโดยบริเวณพลังงานใกล้กับความหนาแน่นต่ำสุดของสถานะในสเปกตรัมพลังงานของอิเล็กตรอน

หากจุดต่ำสุดมีความลึกเพียงพอ โซนของผู้ให้บริการประจุไฟฟ้าที่เกือบจะแปลเป็นภาษาท้องถิ่นที่มีความคล่องตัวต่ำ (pseudogap) จะปรากฏขึ้นในบริเวณใกล้เคียง หาก Pseudogap “ยุบ” เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เซมิคอนดักเตอร์เหลวจะกลายเป็นโลหะ

การใช้สารกึ่งตัวนำ

ที่สำคัญที่สุดสำหรับเทคโนโลยี อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์- ไดโอด ทรานซิสเตอร์ ไทริสเตอร์มีพื้นฐานมาจากการใช้วัสดุที่โดดเด่นซึ่งมีการนำไฟฟ้าหรือรู

การใช้เซมิคอนดักเตอร์อย่างแพร่หลายเริ่มขึ้นเมื่อไม่นานมานี้ และตอนนี้ก็มีการใช้กันอย่างแพร่หลายมาก พวกเขาเปลี่ยนแปลงโลกและ พลังงานความร้อนเป็นไฟฟ้าและในทางกลับกันด้วยความช่วยเหลือของไฟฟ้าพวกมันจะสร้างความร้อนและความเย็น อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สามารถพบได้ในเครื่องรับวิทยุทั่วไปและในเครื่องกำเนิดควอนตัม เช่น เลเซอร์ ในแบตเตอรี่อะตอมขนาดเล็ก และในไมโครโปรเซสเซอร์

วิศวกรไม่สามารถทำได้หากไม่มีวงจรเรียงกระแสเซมิคอนดักเตอร์

สวิตช์และเครื่องขยายเสียง การเปลี่ยนอุปกรณ์ท่อด้วยอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทำให้สามารถลดขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้เป็นสิบเท่า ลดการใช้พลังงาน และเพิ่มความน่าเชื่อถือได้อย่างมาก

เซมิคอนดักเตอร์เป็นสารที่กระแสไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน และค่าความต้านทานอยู่ระหว่างตัวนำและไดอิเล็กทริก สารกึ่งตัวนำได้แก่ องค์ประกอบทางเคมีกลุ่ม IV, V และ VI ของระบบธาตุของ D. I. Mendeleev - กราไฟท์, ซิลิคอน, เจอร์เมเนียม, ซีลีเนียมและอื่น ๆ รวมถึงออกไซด์และสารประกอบอื่น ๆ มากมาย โลหะต่างๆ- จำนวนผู้ให้บริการชาร์จมือถือในเซมิคอนดักเตอร์ภายใต้สภาวะปกติมีจำนวนน้อย แต่จะเพิ่มขึ้นหลายร้อยหลายพันครั้งภายใต้อิทธิพลภายนอกบางอย่าง (ความร้อน แสง ฯลฯ) รวมถึงเมื่อมีสิ่งสกปรกบางอย่างในเซมิคอนดักเตอร์

สารกึ่งตัวนำแบ่งออกเป็นประเภทอิเล็กทรอนิกส์ (ชนิด n) และรู (ประเภท พี- ในเซมิคอนดักเตอร์เช่น nอิเล็กตรอนถือเป็นตัวพาประจุ ซึ่งเมื่อมีกระแสเกิดขึ้น จะเคลื่อนที่ไปทั่วเซมิคอนดักเตอร์เหมือนกับอิเล็กตรอนอิสระในโลหะ ในเซมิคอนดักเตอร์เช่น พีสิ่งที่เรียกว่ารูนั้นถือเป็นพาหะประจุ (รูหมายถึงพื้นที่ว่างในอะตอมที่อิเล็กตรอนซึ่งต่างจากอะตอมสามารถครอบครองได้) รูถือว่าเทียบเท่ากับประจุบวกเท่ากับอิเล็กตรอน เมื่อมีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในสารกึ่งตัวนำชนิดนั้น พีอิเล็กตรอนทำการกระโดดโดยตรงระหว่างอะตอมข้างเคียงเท่านั้น เมื่ออิเล็กตรอนกระโดดจากหลุมหนึ่งไปอีกหลุมหนึ่ง หลุมนั้นจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม ซึ่งถือเป็นการก่อตัวของกระแส

การใช้งานหลักเซมิคอนดักเตอร์ เซมิคอนดักเตอร์ซึ่งความต้านทานลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อถูกความร้อนเนื่องจากการปล่อยประจุพาหะถูกใช้เป็นเทอร์โมมิเตอร์ไฟฟ้าหรือเทอร์มิสเตอร์ เมื่อเปรียบเทียบกับเทอร์โมมิเตอร์แบบปรอท เทอร์โมมิเตอร์จะมีความไวสูงกว่าอย่างเห็นได้ชัดและไม่มีความเฉื่อยทางความร้อน เทอร์มิสเตอร์ (รูปที่ 1, a) มักจะมีรูปร่างของลูกบอล 1 ซึ่งฝังตัวนำ 2 ที่ทำจากลวดเส้นเล็กไว้ เทอร์มิสเตอร์ล้อมรอบด้วยฉนวนพลาสติกบาง 3 และติดตั้งที่ปลายปากกาวัด 1 (รูปที่ 1.6) สายไฟจากเทอร์มิสเตอร์เชื่อมต่อกับแขนข้างหนึ่งของวงจรการวัด (สะพานวีทสโตน) แขนอีกข้างเชื่อมต่อกับไมโครแอมมิเตอร์ 2 (รูปที่ 1, b) สเกลเครื่องมือมีหน่วยเป็นองศาเซลเซียส ส่วนประกอบแบบแห้งและส่วนอื่นๆ ของวงจรการวัดจะอยู่ในตัวเครื่องเดียวกันกับอุปกรณ์ เนื่องจากมีขนาดเล็ก เทอร์มิสเตอร์จึงสามารถใช้ในการวัดอุณหภูมิของผิวหนัง โพรงฟัน และแม้กระทั่งอุณหภูมิของสิ่งของระหว่างหน้า ในกรณีหลังนี้จะถูกฝังอยู่ในเข็มเพื่อฉีดเข้าไปในเนื้อเยื่อ

ข้าว. 1. แผนผังของอุปกรณ์เทอร์มิสเตอร์

หากปลายด้านหนึ่งของแท่งเซมิคอนดักเตอร์ได้รับความร้อน ตัวพาประจุที่ปล่อยออกมาด้วยพลังงานจลน์สูง (อิเล็กตรอนหรือรู) จะกระจายไปยังปลายอีกด้านของแท่ง ทำให้เกิดประจุส่วนเกินของเครื่องหมายที่เกี่ยวข้อง ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างปลายร้อนและเย็นของเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายเหล่านี้ พวกมันมักจะประกอบขึ้นเป็นคู่ของอิเล็กตรอนและเซมิคอนดักเตอร์แบบรู เมื่อทางแยกถูกให้ความร้อน แรงเทอร์โมอิเล็กโตรโมทีฟจะเกิดขึ้นระหว่างปลายเย็น ซึ่งเท่ากับผลรวมของความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นในเซมิคอนดักเตอร์แต่ละตัว มันสูงกว่าแรงเทอร์โมอิเล็กโทรโมทีฟของเทอร์โมคัปเปิลโลหะหลายร้อยเท่า

ปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริกสามารถย้อนกลับได้: หากกระแสไฟฟ้าจากแหล่งภายนอกถูกส่งผ่านจุดเชื่อมต่อของอิเล็กตรอนและเซมิคอนดักเตอร์แบบรูในทิศทางที่กำหนด จุดเชื่อมต่อจะถูกทำให้เย็นลงเมื่อเทียบกับอุณหภูมิของปลายอิสระของเซมิคอนดักเตอร์ ปรากฏการณ์นี้ใช้ในการออกแบบองค์ประกอบทำความเย็น ในรูป รูปที่ 2 แสดงตู้เย็นในห้องปฏิบัติการเซมิคอนดักเตอร์ ส่วนประกอบของเครื่องทำความเย็นจะถูกจัดเรียงเป็นรูปวงแหวน โดยให้ตะเข็บหันเข้าด้านใน มีการใส่ภาชนะที่บรรจุของเหลวเย็นลงในวงแหวนนี้ ปลายด้านตรงข้ามขององค์ประกอบมีการติดตั้งหม้อน้ำโดยช่วยรักษาอุณหภูมิไว้ สิ่งแวดล้อม. ดี.ซีจากแบตเตอรี่จะถูกส่งไปยังขั้ว

ข้าว. 2. ตู้เย็นห้องปฏิบัติการเซมิคอนดักเตอร์

เมื่อเซมิคอนดักเตอร์สัมผัสใกล้ชิดกับอิเล็กตรอนและค่าการนำไฟฟ้าของรู (การสัมผัสดังกล่าวเรียกว่าการเปลี่ยนผ่านของรูอิเล็กตรอน) อิเล็กตรอนจะกระจายจากเซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์เข้าไปในรูที่ 1 และการแพร่กระจายของรูจากเซมิคอนดักเตอร์ของรูไปยังรูอิเล็กทรอนิกส์จะเกิดขึ้น ในกรณีนี้ ในชั้นเซมิคอนดักเตอร์ที่อยู่ติดกับหน้าสัมผัส จำนวนพาหะประจุหลักจะลดลง และค่าการนำไฟฟ้าจะลดลง หากใช้ความต่างศักย์ภายนอกกับการเปลี่ยนผ่านรูอิเล็กตรอน ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของพาหะประจุหลักในเซมิคอนดักเตอร์เข้าหากัน ชั้นขอบเขตจะถูกเสริมสมรรถนะด้วยพวกมัน ค่าการนำไฟฟ้าของพวกมันจะเพิ่มขึ้นและกระแสจะเกิดขึ้นในทิศทางนี้ โดยไม่มีอุปสรรค หากความต่างศักย์ภายนอกทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของพาหะประจุหลักในเซมิคอนดักเตอร์ในทิศทางตรงกันข้ามกับหน้าสัมผัส ค่าการนำไฟฟ้าของชั้นขอบเขตจะลดลงเหลือน้อยที่สุด ไม่มีกระแสถูกสร้างขึ้นในทิศทางนี้ ในเรื่องนี้รอยต่อรูอิเล็กตรอนเรียกว่า "ชั้นปิดกั้น" และใช้สำหรับการแก้ไข เครื่องปรับอากาศ- องค์ประกอบ Cuproxy หรือซีลีเนียมเรียงกระแสประกอบด้วยแหวนรองรับที่มีชั้นของเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งมีชั้นกั้นเกิดขึ้น จำนวนองค์ประกอบที่ต้องการ (ขึ้นอยู่กับขนาดของแรงดันไฟฟ้าที่แก้ไข) จะประกอบบนแท่งที่มีรูปร่างเป็นคอลัมน์ (รูปที่ 3) พื้นที่ขององค์ประกอบสอดคล้องกับความแรงของกระแสที่แก้ไข

ข้าว. 3. องค์ประกอบวงจรเรียงกระแส Cuproxy

ข้าว. 4. แผนผังของอุปกรณ์ตาแมว

โฟโตเซลล์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเกิดความต่างศักย์อิสระขึ้นภายใต้อิทธิพลของแสง ตาแมวซีลีเนียม (รูปที่ 4) ประกอบด้วยชั้นเซมิคอนดักเตอร์ที่อยู่ระหว่างอิเล็กโทรด 2 อิเล็กโทรด: ข้อมูลอ้างอิง 1 และ 3 ที่สองในรูปแบบของชั้นโลหะบางที่โปร่งใสต่อแสง ชั้นปิดกั้น 2 เกิดขึ้นภายในเซมิคอนดักเตอร์

เมื่อสัมผัสกับแสงในเซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กตรอนและรูจะถูกปล่อยออกมา ซึ่งมีแนวโน้มที่จะกระจายไปทั่วเซมิคอนดักเตอร์ อย่างไรก็ตาม ประจุเพียงป้ายเดียวก็สามารถผ่านชั้นกั้นได้ ด้วยเหตุนี้การแยกประจุจึงเกิดขึ้นในเซมิคอนดักเตอร์และเกิดความต่างศักย์เกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรดที่อยู่ติดกัน เส้นโค้งความไวสเปกตรัมของตาแมวซีลีเนียมอยู่ใกล้กับดวงตา ในเรื่องนี้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องมือสำหรับการวัดแสงตามวัตถุประสงค์ (ลักซ์เมตร) และการวัดสี (เครื่องวัดสีด้วยแสง)

ทางแยกอิเล็กตรอนโฮลยังใช้ในการสร้างคริสตัลไดโอดและไตรโอด - อุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติคล้ายกัน หลอดอิเล็กทรอนิกส์และในหลายกรณีก็ใช้แทน

บทความนี้ไม่มีอะไรสำคัญหรือน่าสนใจเป็นพิเศษ เพียงตอบคำถามง่ายๆ สำหรับ "หุ่นจำลอง": คุณสมบัติหลักที่ทำให้เซมิคอนดักเตอร์แตกต่างจากโลหะและไดอิเล็กทริกคืออะไร

เซมิคอนดักเตอร์เป็นวัสดุ (คริสตัล วัสดุโพลีคริสตัลไลน์และอสัณฐาน ธาตุหรือสารประกอบ) โดยมีช่องว่างของแถบความถี่ (ระหว่างแถบการนำไฟฟ้าและแถบเวเลนซ์)

เซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์เป็นผลึกและสารอสัณฐานซึ่งในแง่ของการนำไฟฟ้านั้นจะมีตำแหน่งตรงกลางระหว่างโลหะ (σ = 10 4 ÷10 6 โอห์ม -1 ซม. -1) และไดอิเล็กทริก (σ = 10 -10 ۞10 -20 โอห์ม - 1 ซม. -1) อย่างไรก็ตามค่าขอบเขตการนำไฟฟ้าที่กำหนดนั้นมีความไม่แน่นอนมาก

ทฤษฎีวงดนตรีทำให้สามารถกำหนดเกณฑ์ที่ทำให้สามารถแบ่งของแข็งออกเป็นสองชั้น - โลหะและเซมิคอนดักเตอร์ (ฉนวน) โลหะมีลักษณะพิเศษคือการมีระดับอิสระในแถบเวเลนซ์ ซึ่งอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ไปได้โดยได้รับพลังงานเพิ่มเติม เช่น เนื่องจากการเร่งความเร็วในสนามไฟฟ้า คุณสมบัติที่โดดเด่นโลหะก็คือว่าในพื้นดินมีสถานะไม่ตื่นเต้น (ที่ 0 K) พวกมันมีอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้า กล่าวคือ อิเล็กตรอนที่มีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายนอก

ในเซมิคอนดักเตอร์และฉนวนที่ 0 K แถบวาเลนซ์จะถูกเติมให้เต็ม และแถบการนำจะถูกแยกออกจากแถบนั้นด้วยช่องว่างของแถบและไม่มีตัวพา จึงไม่แรงจนเกินไป สนามไฟฟ้าไม่สามารถเพิ่มอิเล็กตรอนที่อยู่ในแถบเวเลนซ์และถ่ายโอนไปยังแถบการนำไฟฟ้าได้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคริสตัลดังกล่าวที่ 0 K ควรเป็นฉนวนในอุดมคติ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือคริสตัลถูกฉายรังสี อิเล็กตรอนสามารถดูดซับควอนตัมของพลังงานความร้อนหรือพลังงานการแผ่รังสีที่เพียงพอที่จะเคลื่อนที่เข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า ในระหว่างการเปลี่ยนผ่านนี้ รูจะปรากฏขึ้นในแถบเวเลนซ์ ซึ่งสามารถมีส่วนร่วมในการถ่ายโอนไฟฟ้าได้เช่นกัน ความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนจะถ่ายโอนจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนกับ ( -อีก/ เคที), ที่ไหน อีก - ความกว้างของเขตต้องห้าม ด้วยมูลค่าอันมหาศาล อีก (2-3 eV) ความน่าจะเป็นนี้น้อยมาก

ดังนั้นการแบ่งสารออกเป็นโลหะและอโลหะจึงมีพื้นฐานที่ชัดเจนมาก ในทางตรงกันข้าม การแบ่งอโลหะออกเป็นเซมิคอนดักเตอร์และไดอิเล็กทริกไม่มีพื้นฐานดังกล่าวและมีเงื่อนไขเพียงอย่างเดียว

ก่อนหน้านี้เชื่อกันว่าสารที่มีช่องว่างของแถบสามารถจัดเป็นไดอิเล็กทริกได้ อีกµ 2÷3 eV แต่ต่อมาปรากฎว่าหลายตัวเป็นเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป ยิ่งไปกว่านั้น ยังแสดงให้เห็นว่า ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสิ่งเจือปนหรืออะตอมส่วนเกิน (เหนือองค์ประกอบปริมาณสัมพันธ์) ของส่วนประกอบใดส่วนประกอบหนึ่ง ผลึกชนิดเดียวกันสามารถเป็นได้ทั้งเซมิคอนดักเตอร์และฉนวน สิ่งนี้ใช้กับคริสตัลของเพชร ซิงค์ออกไซด์ แกลเลียมไนไตรด์ เป็นต้น แม้แต่ไดอิเล็กทริกทั่วไปเช่นแบเรียมและสตรอนเซียมไททาเนตรวมถึงรูไทล์เมื่อลดลงบางส่วนก็ยังได้รับคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งสัมพันธ์กับการปรากฏตัวของอะตอมของโลหะส่วนเกินในพวกมัน

การแบ่งอโลหะออกเป็นเซมิคอนดักเตอร์และไดอิเล็กทริกก็มีความหมายบางอย่างเช่นกันเนื่องจากเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว ทั้งซีรีย์ผลึกที่ไม่สามารถเพิ่มค่าการนำไฟฟ้าได้อย่างมีนัยสำคัญไม่ว่าจะโดยการนำสิ่งเจือปนเข้าไปหรือโดยการส่องสว่างหรือการให้ความร้อน นี่เป็นเพราะโฟโตอิเล็กตรอนมีอายุสั้นมาก หรือการมีอยู่ของกับดักลึกในคริสตัล หรือการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนต่ำมาก เช่น ด้วยความเร็วที่ต่ำมากในการดริฟท์ในสนามไฟฟ้า

ค่าการนำไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้น n ประจุ e และการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุ ดังนั้นการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของการนำไฟฟ้า วัสดุต่างๆถูกกำหนดโดยการขึ้นต่ออุณหภูมิของพารามิเตอร์เหล่านี้ สำหรับการชาร์จตัวนำอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด จคงที่และไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ ในวัสดุส่วนใหญ่ ค่าการเคลื่อนที่มักจะลดลงเล็กน้อยตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากความรุนแรงของการชนกันระหว่างอิเล็กตรอนและโฟนันที่กำลังเคลื่อนที่เพิ่มขึ้น กล่าวคือ เนื่องจากการกระเจิงของอิเล็กตรอนโดยการสั่นสะเทือนของโครงผลึก ดังนั้นพฤติกรรมที่แตกต่างกันของโลหะ เซมิคอนดักเตอร์ และไดอิเล็กทริกจึงสัมพันธ์กับความเข้มข้นของตัวพาประจุและการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นหลัก:

1) ในโลหะ ความเข้มข้นของตัวพาประจุ n สูงและเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ตัวแปรที่รวมอยู่ในสมการการนำไฟฟ้าคือความคล่องตัว และเนื่องจากความคล่องตัวลดลงเล็กน้อยตามอุณหภูมิ ค่าการนำไฟฟ้าจึงลดลงด้วย

2) ในเซมิคอนดักเตอร์และไดอิเล็กทริก nมักจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามอุณหภูมิ การเติบโตอย่างรวดเร็วนี้ nมีส่วนสนับสนุนการเปลี่ยนแปลงค่าการนำไฟฟ้าที่สำคัญที่สุดมากกว่าความคล่องตัวที่ลดลง ดังนั้นค่าการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ในแง่นี้ไดอิเล็กทริกถือได้ว่าเป็นกรณีที่ จำกัด เนื่องจากค่าที่อุณหภูมิปกติ nในสารเหล่านี้มีขนาดเล็กมาก ที่ อุณหภูมิสูงค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กทริกแต่ละตัวถึงระดับเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากการเพิ่มขึ้น n- สิ่งที่ตรงกันข้ามก็สังเกตได้เช่นกัน - ที่อุณหภูมิต่ำเซมิคอนดักเตอร์บางตัวจะกลายเป็นฉนวน

อ้างอิง

1. เวสต์ ก. เคมีของของแข็ง ส่วนที่ 2 ต่อ จากภาษาอังกฤษ - อ.: มีร์ 2531 - 336 หน้า
2. ผลึกศาสตร์สมัยใหม่ ต.4. คุณสมบัติทางกายภาพคริสตัล - ม.: เนากา, 2524.

นักเรียนกลุ่ม 501 คณะเคมี: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.

สารกึ่งตัวนำถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยี การทำงานของไดโอดเซมิคอนดักเตอร์นั้นขึ้นอยู่กับค่าการนำไฟฟ้าที่แตกต่างกัน (ชนิด p- และ n) เมื่อเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้า p และ n สัมผัสกับทิศทางที่แน่นอนของกระแสในวงจรชั้นกั้นจะถูกสร้างขึ้น (รูปที่ 19.4) - ชั้นไฟฟ้าสองชั้นซึ่งเป็นสนามที่ป้องกันการถ่ายโอนตัวพาประจุ นี่คือสิ่งที่การกระทำเป็นไปตาม ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งทำหน้าที่แก้ไขกระแสสลับ ตัวเรียงกระแสซีลีเนียมเป็นหนึ่งในกลุ่มแรก ๆ ที่แพร่หลาย

นอกจากไดโอดแล้ว ไตรโอดของเซมิคอนดักเตอร์ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในวิศวกรรมวิทยุ - ทรานซิสเตอร์ซึ่งมีสองตัว ทางแยก р-n: p-n-p หรือ n-p-n

การพึ่งพาอุณหภูมิที่รุนแรงของเซมิคอนดักเตอร์ใช้ในเทอร์มิสเตอร์ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่มีความไวสูงสำหรับการวัดอุณหภูมิ

ในบรรดาแอพพลิเคชั่นเซมิคอนดักเตอร์มากมายก็มีเช่นกัน แผงเซลล์แสงอาทิตย์การกระทำซึ่งขึ้นอยู่กับโฟโตอิเล็กทริคของเซมิคอนดักเตอร์ - ความสามารถในการเปลี่ยนความต้านทานภายใต้อิทธิพลของแสง (ปรากฏการณ์ที่คล้ายกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกที่เกิดขึ้นภายในของแข็งทั้งหมด)

แรงแม่เหล็ก

คุณสมบัติทางแม่เหล็กของสารเป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ นักวิทยาศาสตร์โบราณอธิบายว่าเป็นหินที่ดึงดูดเหล็ก โดยเป็นแม่เหล็กธรรมชาติ ซึ่งเป็นแร่ธาตุที่มักพบในธรรมชาติ ประกอบด้วยสารประกอบเหล็ก (FeO - 31% และ Fe 2 O 3 - 69%) ในปี 1600 งานของ V. Gilbert เรื่อง "On the Magnet, Magnetic Bodies และ Great Magnet of the Earth" ได้รับการตีพิมพ์ซึ่งมีการสรุปทั่วไป จำนวนมากข้อเท็จจริงที่มีประสบการณ์ หลักมีดังนี้:

1) แม่เหล็กมีสองขั้ว - เหนือและใต้ มีคุณสมบัติต่างกัน

2) ต่างจากขั้วดึงดูด เหมือนขั้วผลักกัน

3) เข็มแม่เหล็กตั้งอยู่ในอวกาศในลักษณะใดทิศทางหนึ่งโดยชี้จากเหนือจรดใต้

4) เป็นไปไม่ได้ที่จะรับแม่เหล็กด้วยขั้วเดียว

5) โลกเป็นแม่เหล็กขนาดใหญ่

ธรรมชาติของปรากฏการณ์แม่เหล็กถูกเปิดเผยหลังจากข้อเท็จจริงเชิงทดลองถูกสร้างขึ้นในศตวรรษที่ 19 ว่ากระแสไฟฟ้า (ประจุเคลื่อนที่) สร้างสนามแม่เหล็ก (R. Erstad, 1820) ผลการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของตัวนำกับกระแส ซึ่งพบว่าดึงดูดกระแสขนานในทิศทางเดียวกัน และกระแสตรงข้ามผลักกัน (J.Amper, I820) นำไปสู่ข้อสรุปว่าแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างประจุไฟฟ้าที่กำลังเคลื่อนที่แตกต่างจากแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างประจุที่อยู่นิ่ง .

แรงเพิ่มเติมที่เกิดขึ้นระหว่างประจุที่เคลื่อนที่เรียกว่าแรงแม่เหล็ก นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าพวกมันถูกค้นพบโดยผลของกระแสบนเข็มแม่เหล็ก

ดังนั้น การรบกวนทางแม่เหล็กทั้งหมดสามารถลดลงเหลือเป็นไฟฟ้าได้ และแรงแม่เหล็กดังที่ไอน์สไตน์แสดงให้เห็น นั้นเป็นการแก้ไขเชิงสัมพันธ์กับกฎของคูลอมบ์

แม้ว่าจะไม่มีกระแสไฟฟ้าในตัวนำ แต่ไม่มีแรงปฏิสัมพันธ์เกิดขึ้นระหว่างตัวนำเพราะว่า ประจุบวกของไอออนของโครงผลึกโลหะและประจุลบของอิเล็กตรอนมีการกระจายเท่าๆ กัน และประจุทั้งหมดภายในตัวนำจะเป็นศูนย์ ในที่ที่มีกระแสไฟฟ้าเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนระยะห่างเฉลี่ยระหว่างพวกมันจะลดลงตามปัจจัยโดยที่

V คือความเร็วดริฟท์ของอิเล็กตรอน เป็นผลให้ความหนาแน่นของประจุอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้น 2 เท่า ดังนั้นประจุที่ได้จะไม่เป็นศูนย์ สิ่งนี้นำไปสู่ปฏิสัมพันธ์ของตัวนำ