Vodljivost poluvodiča

Tvari koje mogu provoditi ili ne provoditi električnu struju nisu ograničene na strogu podjelu samo na vodiče i dielektrike. Tu su i poluvodiči, kao što su silicij, selen, germanij i drugi minerali i legure koje zaslužuje izdvajanje u posebnu skupinu.

Ove tvari provode električnu struju bolje od dielektrika, ali lošije od metala, a njihova vodljivost raste s porastom temperature ili osvjetljenja. Ovo svojstvo poluvodiča čini ih primjenjivima u svjetlosnim i temperaturnim senzorima, ali njihova je glavna primjena još uvijek elektronika.

Ako pogledate, na primjer, kristal silicija, možete ustanoviti da silicij ima valenciju 4, odnosno da se na vanjskoj ljusci njegovog atoma nalaze 4 elektrona koji su vezani na četiri susjedna atoma silicija u kristalu. Ako na takav kristal djeluje toplina ili svjetlost, tada će valentni elektroni dobiti povećanje energije i napustiti svoje atome, postajući slobodni elektroni - u otvorenom volumenu poluvodiča pojavit će se elektronski plin - kao u metalima, tj. dogodit će se stanje zadržavanja.

Ali za razliku od metala, poluvodiči se razlikuju po vodljivosti elektrona i šupljina. Zašto se to događa i što je to? Kada valentni elektroni napuste svoja mjesta, područja nedostatka negativnog naboja - "rupe" - formiraju se u tim bivšim mjestima, koja sada imaju višak pozitivnog naboja.

Susjedni elektron će lako uskočiti u nastalu «rupu», a čim se ta rupa ispuni elektronom koji je u nju uskočio, na mjestu uskočenog elektrona ponovno se formira rupa.

Odnosno, ispada da je rupa pozitivno nabijeno pokretno područje poluvodiča. A kada je poluvodič spojen na krug s izvorom EMF-a, elektroni će se pomaknuti na pozitivni terminal izvora, a rupe na negativni terminal. Tako se odvija unutarnja vodljivost poluvodiča.

Kretanje šupljina i vodljivih elektrona u poluvodiču bez primijenjenog električnog polja bit će kaotično. Ako se na kristal primijeni vanjsko električno polje, tada će se elektroni unutar njega kretati protiv polja, a rupe će se kretati duž polja, odnosno u poluvodiču će se pojaviti pojava unutarnjeg vodljenja, koja ne samo da uzrokovane elektronima, ali i rupama .

U poluvodiču se kondukcija uvijek javlja samo pod utjecajem nekih vanjskih čimbenika: zbog zračenja fotonima, od utjecaja temperature, pri primjeni električnih polja itd.

Fermijeva razina u poluvodiču pada u sredinu zabranjenog pojasa. Prijelaz elektrona iz gornjeg valentnog pojasa u donji vodljivi pojas zahtijeva aktivacijsku energiju jednaku delta razmaku pojasa (vidi sliku). I čim se elektron pojavi u vodljivom pojasu, stvara se rupa u valentnom pojasu. Dakle, potrošena energija se dijeli na jednake dijelove tijekom formiranja para nositelja struje.

Polovica energije (koja odgovara polovici širine vrpce) troši se na prijenos elektrona, a polovica na stvaranje šupljina; kao rezultat, ishodište odgovara sredini širine trake. Fermijeva energija u poluvodiču je energija pri kojoj se pobuđuju elektroni i šupljine. Položaj da se Fermijeva razina za poluvodič nalazi u sredini zabranjenog pojasa može se potvrditi matematičkim izračunima, ali ovdje izostavljamo matematičke izračune.

Pod utjecajem vanjskih čimbenika, na primjer, kada temperatura raste, toplinske vibracije kristalne rešetke poluvodiča dovode do razaranja nekih valentnih veza, uslijed čega neki od elektrona postaju, odvojeni, slobodni nositelji naboja. .

U poluvodičima, uz stvaranje šupljina i elektrona, odvija se proces rekombinacije: elektroni prelaze u valentni pojas iz vodljivog pojasa, predajući svoju energiju kristalnoj rešetki i emitirajući kvante elektromagnetskog zračenja.Dakle, svaka temperatura odgovara ravnotežnoj koncentraciji šupljina i elektrona, koja ovisi o temperaturi prema sljedećem izrazu:

Postoji i nečistoća vodljivosti poluvodiča, kada se u kristal čistog poluvodiča unosi malo drugačija tvar koja ima višu ili nižu valenciju od matične tvari.

Ako je u čistom, recimo istom siliciju, broj šupljina i slobodnih elektrona jednak, to jest, oni se cijelo vrijeme formiraju u parovima, tada u slučaju nečistoće dodane siliciju, na primjer, arsena, koji ima valencije 5, broj šupljina bit će manji od broja slobodnih elektrona, odnosno nastaje poluvodič s velikim brojem slobodnih elektrona, negativno nabijenih, to će biti n-tip (negativan) poluvodič. A ako pomiješate indij, koji ima valenciju 3, što je manje od valencije silicija, tada će biti više rupa—bit će to p-tip (pozitivni) poluvodič.

E sad, ako dovedemo u kontakt poluvodiče različite vodljivosti, tada na mjestu kontakta dobijemo p-n spoj. Elektroni koji se kreću iz n-područja i rupe koje se kreću iz p-područja počet će se kretati jedni prema drugima, a na suprotnim stranama kontakta bit će područja sa suprotnim nabojem (na suprotnim stranama pn-spoja): pozitivno naboj će se akumulirati u n-području, a negativni naboj u p-području. Različiti dijelovi kristala s obzirom na prijelaz bit će suprotno nabijeni. Ova pozicija je vrlo važna za svačiji rad. poluvodički uređaji.

Najjednostavniji primjer takvog uređaja je poluvodička dioda, gdje se koristi samo jedan pn spoj, što je dovoljno za postizanje zadatka — provođenje struje samo u jednom smjeru.

Elektroni iz n-područja kreću se prema pozitivnom polu izvora energije, a šupljine iz p-područja prema negativnom polu. Dovoljno pozitivnih i negativnih naboja će se akumulirati u blizini spoja, otpor spoja će se značajno smanjiti i struja će teći kroz krug.

U obrnutom spoju diode, struja će izaći desetke tisuća puta manje, budući da će elektroni i rupe jednostavno biti otpuhani električnim poljem u različitim smjerovima od spoja. Ovaj princip funkcionira diodni ispravljač.