Puslaidininkio laidumas

Medžiagos, galinčios vesti arba nepraleisti elektros srovę, neapsiriboja griežtu tik laidininkų ir dielektrikų padalijimu. Taip pat yra puslaidininkių, tokių kaip silicis, selenas, germanis ir kiti mineralai bei lydiniai, kuriuos verta atskirti kaip atskirą grupę.

Šios medžiagos praleidžia elektros srovę geriau nei dielektrikai, bet prasčiau nei metalai, o jų laidumas didėja didėjant temperatūrai ar apšvietimui. Ši puslaidininkių savybė leidžia juos pritaikyti šviesos ir temperatūros jutikliams, tačiau pagrindinis jų pritaikymas vis dar yra elektronika.

Jei pažvelgsite, pavyzdžiui, į silicio kristalą, pamatysite, kad silicio valentingumas yra 4, tai yra, išoriniame jo atomo apvalkale yra 4 elektronai, kurie yra prijungti prie keturių gretimų kristalo silicio atomų. Jei tokį kristalą paveiks šiluma ar šviesa, tai valentiniai elektronai gaus energijos padidėjimą ir paliks savo atomus, tapdami laisvais elektronais – atvirame puslaidininkio tūryje atsiras elektronų dujos – kaip ir metaluose, t.y. atsiras laikymo sąlyga.

Tačiau skirtingai nuo metalų, puslaidininkiai skiriasi elektronų ir skylių laidumu. Kodėl tai vyksta ir kas tai yra? Kai valentiniai elektronai palieka savo vietas, tose buvusiose vietose, kuriose dabar yra teigiamo krūvio perteklius, susidaro neigiamo krūvio trūkumo sritys – „skylės“.

Kaimyninis elektronas lengvai įšoks į susidariusią „skylę“, o kai tik ši skylė užsipildys į ją įšokusiu elektronu, įšokusio elektrono vietoje vėl susidaro skylė.

Tai yra, paaiškėja, kad skylė yra teigiamai įkrauta judanti puslaidininkio sritis. O kai puslaidininkis yra prijungtas prie grandinės su EML šaltiniu, elektronai judės į teigiamą šaltinio gnybtą, o skylės - į neigiamą gnybtą. Taip vyksta vidinis puslaidininkio laidumas.

Skylių ir laidumo elektronų judėjimas puslaidininkyje be pritaikyto elektrinio lauko bus chaotiškas. Jei kristalui bus pritaikytas išorinis elektrinis laukas, tada jo viduje esantys elektronai judės prieš lauką, o skylės judės išilgai lauko, tai yra, puslaidininkyje atsiras vidinio laidumo reiškinys, kuris bus ne tik sukelia elektronai, bet ir skylės .

Puslaidininkyje laidumas visada vyksta tik veikiant kai kuriems išoriniams veiksniams: dėl švitinimo fotonais, nuo temperatūros poveikio, veikiant elektriniams laukams ir kt.

Fermi lygis puslaidininkyje patenka į juostos tarpo vidurį. Elektrono perėjimui iš viršutinės valentinės juostos į apatinę laidumo juostą reikalinga aktyvavimo energija, lygi juostos tarpo delta (žr. pav.). O kai tik laidumo juostoje atsiranda elektronas, valentinėje juostoje susidaro skylė. Taigi, formuojant srovės nešėjų porą, sunaudota energija pasiskirsto po lygiai.

Pusė energijos (atitinka pusę juostos pločio) išleidžiama elektronų perdavimui, o pusė – skylėms formuoti; dėl to kilmė atitinka juostos pločio vidurį. Fermio energija puslaidininkyje – tai energija, kuria sužadinami elektronai ir skylės. Padėtis, kad Fermio lygis yra puslaidininkiui juostos tarpo viduryje, gali būti patvirtinta matematiniais skaičiavimais, tačiau matematinius skaičiavimus čia praleidžiame.

Veikiant išoriniams veiksniams, pavyzdžiui, kylant temperatūrai, puslaidininkio kristalinės gardelės šiluminiai virpesiai sukelia kai kurių valentinių ryšių sunaikinimą, dėl ko dalis elektronų atsiskiria laisvais krūvininkų nešėjais. .

Puslaidininkiuose kartu su skylių ir elektronų susidarymu vyksta ir rekombinacijos procesas: iš laidumo juostos elektronai pereina į valentinę juostą, atiduodami savo energiją kristalinei gardelei ir išspinduliuodami elektromagnetinės spinduliuotės kvantus.Taigi kiekviena temperatūra atitinka skylių ir elektronų pusiausvyros koncentraciją, kuri priklauso nuo temperatūros pagal šią išraišką:

Taip pat yra puslaidininkių priemaišų laidumas, kai į gryno puslaidininkio kristalą įvedama šiek tiek kitokia medžiaga, kurios valentingumas didesnis arba mažesnis nei pagrindinė medžiaga.

Jei gryname, tarkime, tame pačiame silicyje skylių ir laisvųjų elektronų skaičius yra lygus, tai yra, jie visą laiką susidaro poromis, tai, jei prie silicio pridedama priemaiša, pavyzdžiui, arsenas, turintis valentingumas 5, skylių skaičius bus mažesnis už laisvųjų elektronų skaičių, tai yra, puslaidininkis susidaro su daugybe laisvųjų elektronų, neigiamai įkrautas, tai bus n tipo (neigiamas) puslaidininkis. Ir jei sumaišysite indį, kurio valentingumas yra 3, o tai yra mažesnis nei silicio, tada bus daugiau skylių - tai bus p tipo (teigiamas) puslaidininkis.

Dabar, jei sujungsime skirtingo laidumo puslaidininkius, tada sąlyčio taške gausime p-n sandūrą. Elektronai, judantys iš n srities, ir skylės, judančios iš p srities, pradės judėti viena link kitos, o priešingose ​​kontakto pusėse bus sritys su priešingais krūviais (priešingose ​​pn sandūros pusėse): teigiama krūvis kaupsis n srityje, o neigiamas krūvis p srityje. Skirtingos kristalo dalys perėjimo atžvilgiu bus priešingai įkrautos. Ši pareiga labai svarbi kiekvieno darbui. puslaidininkiniai įtaisai.

Paprasčiausias tokio įrenginio pavyzdys yra puslaidininkinis diodas, kuriame naudojama tik viena pn sandūra, kurios užtenka pasiekti užduotį – vesti srovę tik viena kryptimi.

Elektronai iš n srities juda link teigiamo maitinimo šaltinio poliaus, o skylės iš p srities – link neigiamo poliaus. Prie sandūros susikaups pakankamai teigiamų ir neigiamų krūvių, sankryžos varža gerokai sumažės ir grandinė tekės srovė.

Atvirkščiai prijungus diodą, srovė išeis dešimtis tūkstančių kartų mažesnė, nes elektronai ir skylės bus tiesiog išpūsti elektrinio lauko skirtingomis kryptimis nuo sankryžos. Šis principas veikia diodinis lygintuvas.