Elektros srovė puslaidininkiuose
Tarp laidininkų ir dielektrikų, atsižvelgiant į varžą, yra puslaidininkiai... Silicis, germanis, telūras ir kt. — daugelis periodinės lentelės elementų ir jų junginių priklauso puslaidininkiams. Daugelis neorganinių medžiagų yra puslaidininkiai. Silicis yra platesnis nei kiti gamtoje; žemės plutos sudaro 30 proc.
Pagrindinis ryškus skirtumas tarp puslaidininkių ir metalų yra neigiamas temperatūros atsparumo koeficientas: kuo aukštesnė puslaidininkio temperatūra, tuo mažesnė jo elektrinė varža. Metalams yra atvirkščiai: kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnis atsparumas. Jei puslaidininkis atšaldomas iki absoliutaus nulio, jis tampa dielektrinis.
Ši puslaidininkių laidumo priklausomybė nuo temperatūros rodo, kad koncentracija nemokami taksi vairuotojai puslaidininkiuose nėra pastovus ir didėja didėjant temperatūrai.Elektros srovės praleidimo per puslaidininkį mechanizmas negali būti redukuojamas iki laisvųjų elektronų dujų modelio, kaip ir metaluose. Norėdami suprasti šį mechanizmą, galime pažvelgti į jį, pavyzdžiui, ant germanio kristalo.
Normalioje būsenoje germanio atomų išoriniame apvalkale yra keturi valentiniai elektronai – keturi elektronai, kurie yra laisvai susieti su branduoliu. Be to, kiekvienas germanio kristalų gardelės atomas yra apsuptas keturių gretimų atomų. O ryšys čia yra kovalentinis, o tai reiškia, kad jį sudaro valentinių elektronų poros.
Pasirodo, kiekvienas iš valentinių elektronų vienu metu priklauso dviem atomams, o germanio viduje esančių valentinių elektronų ryšiai su jo atomais yra stipresni nei metaluose. Štai kodėl kambario temperatūroje puslaidininkiai praleidžia srovę keliais dydžiais blogiau nei metalai. O esant absoliučiam nuliui, visi germanio valentiniai elektronai bus užimti ryšiais ir nebus laisvų elektronų, kurie teiktų srovę.
Kylant temperatūrai, kai kurie valentiniai elektronai įgyja energijos, kurios pakanka kovalentiniams ryšiams nutraukti. Taip atsiranda laisvojo laidumo elektronai. Atsijungimo zonose susidaro laisva darbo vieta – skylės be elektronų.
Šią skylę gali lengvai užimti valentinis elektronas iš gretimos poros, tada skylė persikels į vietą kaimyniniame atome. Tam tikroje temperatūroje kristale susidaro tam tikras skaičius vadinamųjų elektronų skylių porų.
Tuo pačiu metu vyksta elektronų ir skylių rekombinacijos procesas – skylė, susitinkanti su laisvu elektronu, atkuria kovalentinį ryšį tarp germanio kristalo atomų. Tokios poros, susidedančios iš elektrono ir skylės, gali atsirasti puslaidininkyje ne tik dėl temperatūros poveikio, bet ir tada, kai puslaidininkis yra apšviestas, tai yra dėl į jį patenkančios energijos. elektromagnetinė radiacija.
Jei puslaidininkiui neveikia išorinis elektrinis laukas, tai laisvieji elektronai ir skylės įsijungia į chaotišką šiluminį judėjimą. Bet kai puslaidininkis dedamas į išorinį elektrinį lauką, elektronai ir skylės pradeda judėti tvarkingai. Taip ir gimsta puslaidininkinė srovė.
Jį sudaro elektronų srovė ir skylės srovė. Puslaidininkyje skylių ir laidumo elektronų koncentracija yra vienoda.Ir tai daro tik grynuose puslaidininkiuose elektronų skylės laidumo mechanizmas… Tai yra vidinis puslaidininkio elektrinis laidumas.
Priemaišų laidumas (elektronas ir skylė)
Jei puslaidininkyje yra priemaišų, tai jo elektrinis laidumas gerokai pakinta, lyginant su grynu puslaidininkiu. Pridėjus prie silicio kristalo 0,001 atominio procento priemaišų fosforo pavidalu, laidumas padidės daugiau nei 100 000 kartų! Toks reikšmingas priemaišų poveikis laidumui yra suprantamas.
Pagrindinė priemaišų laidumo augimo sąlyga yra skirtumas tarp priemaišos valentingumo ir pirminio elemento valentingumo. Toks priemaišų laidumas vadinamas priemaišų laidumas ir gali būti elektronas ir skylė.
Germanio kristalas pradeda turėti elektroninį laidumą, jei į jį patenka penkiavalenčių atomų, tarkime, arseno, o paties germanio atomų valentingumas yra keturi. Kai penkiavalentis arseno atomas yra germanio kristalinės gardelės vietoje, keturi išoriniai arseno atomo elektronai yra susiję su kovalentiniais ryšiais su keturiais gretimais germanio atomais. Penktasis arseno atomo elektronas tampa laisvas, jis lengvai palieka savo atomą.
O elektrono paliktas atomas puslaidininkio kristalinės gardelės vietoje virsta teigiamu jonu. Tai vadinamoji donorinė priemaiša, kai priemaišos valentingumas yra didesnis nei pagrindinių atomų valentingumas. Čia atsiranda daug laisvųjų elektronų, todėl, įvedus priemaišą, puslaidininkio elektrinė varža sumažėja tūkstančius ir milijonus kartų. Puslaidininkis, turintis daug pridėtų priemaišų, savo laidumu priartėja prie metalų.
Nors elektronai ir skylės yra atsakingi už vidinį laidumą arsenu legiruotame germanio kristale, elektronai, palikę arseno atomus, yra pagrindiniai laisvieji krūvininkai. Tokioje situacijoje laisvųjų elektronų koncentracija stipriai viršija skylių koncentraciją ir toks laidumo tipas vadinamas puslaidininkio elektroniniu laidumu, o pats puslaidininkis – n tipo puslaidininkiu.
Jei vietoj penkiavalenčio arseno į germanio kristalą bus pridėtas trivalentis indis, jis sudarys kovalentinius ryšius tik su trimis germanio atomais. Ketvirtasis germanio atomas liks nesusietas su indžio atomu. Tačiau kovalentinį elektroną gali užfiksuoti kaimyniniai germanio atomai.Tada indis bus neigiamas jonas, o gretimas germanio atomas užims laisvą vietą, kurioje egzistavo kovalentinis ryšys.
Tokia priemaiša, kai priemaišos atomas fiksuoja elektronus, vadinama akceptorine priemaiša. Kai įvedama akceptoriaus priemaiša, kristale nutrūksta daug kovalentinių ryšių ir susidaro daug skylių, į kurias elektronai gali įšokti iš kovalentinių ryšių. Jei nėra elektros srovės, skylės atsitiktinai juda virš kristalo.
Akceptorius smarkiai padidina puslaidininkio laidumą, nes susidaro daug skylių, o šių skylių koncentracija žymiai viršija puslaidininkio vidinio elektros laidumo elektronų koncentraciją. Tai yra skylinis laidumas, o puslaidininkis vadinamas p tipo puslaidininkiu. Pagrindiniai krūvininkai jame yra skylės.