Puolijohteiden johtavuus

Aineet, jotka pystyvät johtamaan tai eivät johtamaan sähkövirtaa, eivät rajoitu vain johtimien ja eristeiden tiukkaan jakoon. On myös puolijohteita, kuten piitä, seleeniä, germaniumia ja muita mineraaleja ja seoksia, jotka kannattaa erottaa erilliseksi ryhmäksi.

Nämä aineet johtavat sähkövirtaa paremmin kuin dielektrit, mutta huonommin kuin metallit, ja niiden johtavuus kasvaa lämpötilan tai valaistuksen noustessa. Tämä puolijohteiden ominaisuus tekee niistä käyttökelpoisia valo- ja lämpötila-antureissa, mutta niiden pääsovellus on edelleen elektroniikka.

Jos katsot esimerkiksi piikidettä, voit huomata, että piin valenssi on 4, eli sen atomin ulkokuoressa on 4 elektronia, jotka ovat sitoutuneet kiteen neljään viereiseen piiatomiin. Jos lämpö tai valo vaikuttaa tällaiseen kiteeseen, valenssielektronit saavat lisäyksen energiassa ja jättävät atomeistaan ​​vapaita elektroneja - puolijohteen avoimeen tilavuuteen ilmestyy elektronikaasu - kuten metalleissa, eli tulee pitotila.

Mutta toisin kuin metallit, puolijohteet eroavat elektronien ja reikien johtavuudesta. Miksi näin tapahtuu ja mitä se on? Kun valenssielektronit poistuvat paikoistaan, niille entisille paikoille muodostuu negatiivisen varauksen puutteen alueita – ”reikiä”, joissa on nyt ylimäärä positiivista varausta.

Naapurielektroni hyppää helposti tuloksena olevaan «reikään», ja heti kun tämä reikä täyttyy siihen hypänneellä elektronilla, hyppääneen elektronin tilalle muodostuu jälleen reikä.

Eli käy ilmi, että reikä on puolijohteen positiivisesti varautunut liikkuva alue. Ja kun puolijohde on kytketty piiriin, jossa on EMF-lähde, elektronit siirtyvät lähteen positiiviseen napaan ja reiät negatiiviseen napaan. Näin tapahtuu puolijohteen sisäinen johtavuus.

Reikien ja johtavuuselektronien liike puolijohteessa ilman sähkökenttää on kaoottista. Jos kiteen kohdistuu ulkoinen sähkökenttä, sen sisällä olevat elektronit liikkuvat kenttää vastaan ​​ja reiät liikkuvat kenttää pitkin, eli puolijohteessa tapahtuu sisäisen johtavuuden ilmiö, joka ei ole vain elektronien, mutta myös reikien aiheuttamia.

Puolijohteessa johtuminen tapahtuu aina vain joidenkin ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta: fotoneilla tapahtuvan säteilytyksen vuoksi, lämpötilan vaikutuksesta, sähkökenttien vaikutuksesta jne.

Puolijohteen Fermi-taso putoaa kaistavälin keskelle. Elektronin siirtyminen ylemmältä valenssikaistalta alemmalle johtavuuskaistalle vaatii aktivointienergian, joka on yhtä suuri kuin bandgap delta (katso kuva). Ja heti kun elektroni ilmestyy johtavuuskaistalle, valenssikaistaan ​​syntyy reikä. Siten käytetty energia jakautuu tasan virrankantajien parin muodostuksen aikana.

Puolet energiasta (vastaa puolta kaistanleveydestä) kuluu elektronien siirtoon ja puolet reikien muodostukseen; seurauksena origo vastaa nauhan leveyden keskikohtaa. Puolijohteen Fermi-energia on energia, jolla elektronit ja reiät virittyvät. Asema, jossa puolijohteen Fermi-taso sijaitsee kaistavälin keskellä, voidaan vahvistaa matemaattisilla laskelmilla, mutta jätämme matemaattiset laskelmat pois tästä.

Ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta, esimerkiksi lämpötilan noustessa, puolijohteen kidehilan lämpövärähtelyt johtavat joidenkin valenssisidosten tuhoutumiseen, minkä seurauksena osa elektroneista erottuu vapaiksi varauksen kantajiksi. .

Puolijohteissa tapahtuu reikien ja elektronien muodostumisen ohella rekombinaatioprosessi: elektronit siirtyvät johtavuuskaistalta valenssikaistalle antaen energiansa kidehilalle ja lähettäen sähkömagneettisen säteilyn kvantteja.Siten jokainen lämpötila vastaa reikien ja elektronien tasapainopitoisuutta, joka riippuu lämpötilasta seuraavan lausekkeen mukaisesti:

Myös puolijohteiden epäpuhtausjohtavuus on olemassa, kun puhtaan puolijohteen kiteeseen tuodaan hieman erilaista ainetta, jolla on suurempi tai pienempi valenssi kuin lähtöaineella.

Jos puhtaassa, vaikkapa samassa piissä, reikien ja vapaiden elektronien määrä on yhtä suuri, eli ne muodostuvat koko ajan pareittain, niin piihin lisätyn epäpuhtauden, esimerkiksi arseenin, tapauksessa valenssilla 5, reikien lukumäärä on pienempi kuin vapaiden elektronien lukumäärä, eli puolijohde muodostuu suuresta määrästä vapaita elektroneja, negatiivisesti varautuneita, se on n-tyypin (negatiivinen) puolijohde. Ja jos sekoitat indiumin, jonka valenssi on 3, mikä on pienempi kuin piin, silloin tulee enemmän reikiä - se on p-tyyppinen (positiivinen) puolijohde.

Jos nyt tuodaan eri johtavuuden omaavia puolijohteita kosketukseen, niin kosketuspisteessä saamme p-n-liitoksen. n-alueelta liikkuvat elektronit ja p-alueelta liikkuvat reiät alkavat liikkua toisiaan kohti ja kosketuksen vastakkaisille puolille tulee alueita, joilla on vastakkaiset varaukset (pn-liitoksen vastakkaisilla puolilla): a positiivinen varaus kerääntyy n-alueelle ja negatiivinen varaus p-alueelle. Kiteen eri osat siirtymän suhteen ovat vastakkaisesti varautuneita. Tämä asema on erittäin tärkeä jokaisen työn kannalta. puolijohdelaitteet.

Yksinkertaisin esimerkki tällaisesta laitteesta on puolijohdediodi, jossa käytetään vain yhtä pn-liitosta, mikä riittää tehtävän suorittamiseen - johtamaan virtaa vain yhteen suuntaan.

Elektronit n-alueelta liikkuvat kohti virtalähteen positiivista napaa ja reiät p-alueelta kohti negatiivista napaa. Liitoksen lähelle kertyy riittävästi positiivisia ja negatiivisia varauksia, liitoksen vastus pienenee merkittävästi ja virta kulkee piirin läpi.

Diodin käänteisessä kytkennässä virtaa tulee ulos kymmeniä tuhansia kertoja vähemmän, koska elektronit ja reiät yksinkertaisesti puhalletaan sähkökentän vaikutuksesta eri suuntiin risteyksestä. Tämä periaate toimii dioditasasuuntaaja.