Sähkövirta puolijohteissa
Johtimien ja eristeiden välissä on resistanssi puolijohteet… Pii, germanium, telluuri jne. — monet jaksollisen järjestelmän alkuaineet ja niiden yhdisteet kuuluvat puolijohteisiin. Monet epäorgaaniset aineet ovat puolijohteita. Pii on luonnossa leveämpää kuin muut; siitä 30 % koostuu maankuoresta.
Suurin silmiinpistävä ero puolijohteiden ja metallien välillä on negatiivisessa lämpötilakertoimessa: mitä korkeampi puolijohteen lämpötila on, sitä pienempi on sen sähkövastus. Metalleilla asia on päinvastoin: mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi vastus. Jos puolijohde jäähdytetään absoluuttiseen nollaan, siitä tulee dielektrinen.
Tämä puolijohteen johtavuuden riippuvuus lämpötilasta osoittaa, että pitoisuus ilmaiset taksinkuljettajat puolijohteissa ei ole vakio ja kasvaa lämpötilan myötä.Sähkövirran kulkumekanismia puolijohteen läpi ei voida pelkistää vapaiden elektronien kaasun malliksi, kuten metalleissa. Tämän mekanismin ymmärtämiseksi voimme tarkastella sitä esimerkiksi germaniumkiteellä.
Normaalissa tilassa germaniumatomit sisältävät neljä valenssielektronia ulkokuoressaan - neljä elektronia, jotka ovat löyhästi sidottu ytimeen. Lisäksi jokaista germaniumkidehilan atomia ympäröi neljä vierekkäistä atomia. Ja sidos tässä on kovalenttinen, mikä tarkoittaa, että se muodostuu valenssielektronipareista.
Osoittautuu, että jokainen valenssielektroni kuuluu kahteen atomiin samanaikaisesti, ja germaniumin sisällä olevien valenssielektronien sidokset sen atomien kanssa ovat vahvempia kuin metalleissa. Tästä syystä puolijohteet johtavat huoneenlämmössä virtaa useita suuruusluokkia huonommin kuin metallit. Ja absoluuttisessa nollapisteessä kaikki germaniumin valenssielektronit ovat sidoksissa, eikä vapaita elektroneja ole virran tuottamiseksi.
Lämpötilan noustessa osa valenssielektroneista saa energiaa, joka riittää katkaisemaan kovalenttiset sidokset. Näin syntyy vapaita johtuvia elektroneja. Erotettu tyhjiö muodostuu katkaisualueille - reikiä ilman elektroneja.
Tämän reiän voi helposti miehittää naapuriparin valenssielektroni, jolloin reikä siirtyy paikoilleen naapuriatomissa. Tietyssä lämpötilassa kiteeseen muodostuu tietty määrä ns. elektroni-aukko-pareja.
Samaan aikaan tapahtuu elektronien ja aukkojen rekombinaatioprosessi - vapaan elektronin kohtaaminen palauttaa kovalenttisen sidoksen atomien välillä germaniumkiteessä. Tällaisia elektronista ja reiästä koostuvia pareja voi syntyä puolijohteessa ei vain lämpötilan vaikutuksesta, vaan myös silloin, kun puolijohde on valaistu, eli siihen osuvan energian vuoksi. elektromagneettinen säteily.
Jos puolijohteeseen ei kohdisteta ulkoista sähkökenttää, vapaat elektronit ja reiät sitoutuvat kaoottiseen lämpöliikkeeseen. Mutta kun puolijohde asetetaan ulkoiseen sähkökenttään, elektronit ja reiät alkavat liikkua järjestyneellä tavalla. Näin se syntyy puolijohdevirta.
Se koostuu elektronivirrasta ja reikävirrasta. Puolijohteessa reikien ja johtavuuselektronien pitoisuudet ovat yhtä suuret, ja vain puhtaissa puolijohteissa se tekee niin elektroniaukon johtamismekanismi… Tämä on puolijohteen sisäinen sähkönjohtavuus.
Epäpuhtauksien johtuminen (elektroni ja reikä)
Jos puolijohteessa on epäpuhtauksia, sen sähkönjohtavuus muuttuu merkittävästi verrattuna puhtaaseen puolijohteeseen. Fosforin muodossa olevan epäpuhtauden lisääminen piikiteeseen, 0,001 atomiprosenttia, lisää johtavuutta yli 100 000 kertaa! Tällainen merkittävä epäpuhtauksien vaikutus johtavuuteen on ymmärrettävää.
Pääehto epäpuhtauksien johtavuuden kasvulle on epäpuhtauden valenssin ja emoelementin valenssin välinen ero. Tällaista epäpuhtauksien johtumista kutsutaan epäpuhtauksien johtuminen ja voi olla elektroni ja reikä.
Germaniumkiteellä alkaa olla elektroninen johtavuus, jos siihen lisätään viisiarvoisia atomeja, esimerkiksi arseenia, kun taas germaniumin atomien valenssi on neljä. Kun viidenarvoinen arseeniatomi on germaniumkidehilan tilalla, arseeniatomin neljä ulompaa elektronia ovat mukana kovalenttisissa sidoksissa neljän viereisen germaniumatomin kanssa. Arseeniatomin viides elektroni vapautuu, se lähtee helposti atomistaan.
Ja elektronin jättämä atomi muuttuu positiiviseksi ioniksi puolijohteen kidehilan tilalle. Tämä on niin kutsuttu luovuttajaepäpuhtaus, kun epäpuhtauden valenssi on suurempi kuin pääatomien valenssi. Täällä ilmaantuu monia vapaita elektroneja, minkä vuoksi puolijohteen sähkövastus putoaa tuhansia ja miljoonia kertoja epäpuhtauden myötä. Puolijohde, johon on lisätty paljon epäpuhtauksia, lähestyy metalleja johtavuudessa.
Vaikka elektronit ja reiät ovat vastuussa arseenilla seostetun germaniumkiteen sisäisestä johtavuudesta, arseeniatomeista lähteneet elektronit ovat tärkeimpiä vapaita varauksenkantajia. Tällaisessa tilanteessa vapaiden elektronien pitoisuus ylittää huomattavasti reikien pitoisuuden, ja tämän tyyppistä johtavuutta kutsutaan puolijohteen elektroniseksi johtavuudeksi ja itse puolijohdetta n-tyypin puolijohteeksi.
Jos germaniumkiteeseen lisätään viidenarvoisen arseenin sijasta kolmiarvoista indiumia, se muodostaa kovalenttisia sidoksia, joissa on vain kolme germaniumatomia. Neljäs germaniumatomi pysyy sitoutumattomana indiumatomiin. Mutta viereiset germaniumatomit voivat siepata kovalenttisen elektronin.Indium on tällöin negatiivinen ioni, ja viereinen germaniumatomi ottaa tyhjän paikan, jossa kovalenttinen sidos oli olemassa.
Tällaista epäpuhtautta, kun epäpuhtausatomi vangitsee elektroneja, kutsutaan akseptoriepäpuhtaudeksi. Kun akseptoriepäpuhtaus lisätään, monet kovalenttiset sidokset katkeavat kiteen ja muodostuu monia reikiä, joihin elektronit voivat hypätä kovalenttisista sidoksista. Sähkövirran puuttuessa reiät liikkuvat satunnaisesti kiteen päällä.
Akseptori johtaa puolijohteen johtavuuden jyrkkään nousuun, koska syntyy runsaasti reikiä, ja näiden reikien pitoisuus ylittää merkittävästi puolijohteen sisäisen sähkönjohtavuuden elektronien pitoisuuden. Tämä on reikäjohtamista ja puolijohdetta kutsutaan p-tyypin puolijohteeksi. Sen tärkeimmät varauksen kantajat ovat reikiä.