Električna struja u poluvodičima
Između vodiča i dielektrika, u smislu otpora, nalaze se poluvodiči… Silicij, germanij, telur, itd. — mnogi elementi periodnog sustava i njihovi spojevi pripadaju poluvodičima. Mnoge anorganske tvari su poluvodiči. Silicij je širi od ostalih u prirodi; zemljina kora se sastoji od 30% nje.
Glavna upečatljiva razlika između poluvodiča i metala leži u negativnom temperaturnom koeficijentu otpora: što je viša temperatura poluvodiča, manji je njegov električni otpor. Za metale je suprotno: što je viša temperatura, to je otpor veći. Ako se poluvodič ohladi na apsolutnu nulu, on postaje dielektrik.
Ova ovisnost vodljivosti poluvodiča o temperaturi pokazuje da koncentracija besplatni taksisti u poluvodičima nije konstantan i raste s temperaturom.Mehanizam prolaska električne struje kroz poluvodič ne može se svesti na model plina slobodnih elektrona, kao u metalima. Da bismo razumjeli ovaj mehanizam, možemo ga pogledati na primjer na kristalu germanija.
U normalnom stanju, atomi germanija sadrže četiri valentna elektrona u svojoj vanjskoj ljusci - četiri elektrona koji su labavo vezani za jezgru. Nadalje, svaki atom u kristalnoj rešetki germanija okružen je s četiri susjedna atoma. A veza je ovdje kovalentna, što znači da je formirana od parova valentnih elektrona.
Ispada da svaki od valentnih elektrona pripada dvama atomima u isto vrijeme, a veze valentnih elektrona unutar germanija s njegovim atomima jače su nego u metalima. Zato na sobnoj temperaturi poluvodiči provode struju nekoliko redova veličine lošije od metala. A na apsolutnoj nuli, svi valentni elektroni germanija bit će zauzeti u vezama i neće biti slobodnih elektrona koji bi osigurali struju.
Kako temperatura raste, neki od valentnih elektrona dobivaju energiju koja postaje dovoljna za kidanje kovalentnih veza. Tako nastaju slobodni elektroni vodljivosti. U zonama isključenja formira se vrsta praznog mjesta— rupe bez elektrona.
Ovu rupu lako može zauzeti valentni elektron iz susjednog para, tada će se rupa pomaknuti na svoje mjesto kod susjednog atoma. Pri određenoj temperaturi u kristalu nastaje određeni broj takozvanih parova elektron-šupljina.
Istodobno se odvija proces rekombinacije elektron-rupa — rupa u susretu sa slobodnim elektronom obnavlja kovalentnu vezu između atoma u kristalu germanija. Takvi parovi, koji se sastoje od elektrona i šupljine, mogu nastati u poluvodiču ne samo zbog djelovanja temperature, već i kada je poluvodič osvijetljen, odnosno zbog energije koja pada na njega. elektromagnetska radijacija.
Ako se na poluvodič ne primjenjuje vanjsko električno polje, slobodni elektroni i šupljine sudjeluju u kaotičnom toplinskom gibanju. Ali kada se poluvodič stavi u vanjsko električno polje, elektroni i šupljine počinju se kretati na uređen način. Tako se rađa poluvodička struja.
Sastoji se od struje elektrona i struje šupljina. U poluvodiču je koncentracija šupljina i elektrona vodljivosti jednaka, a samo u čistim poluvodičima mehanizam provođenja elektrona… Ovo je intrinzična električna vodljivost poluvodiča.
Provođenje nečistoća (elektrona i šupljina)
Ako u poluvodiču ima nečistoća, tada se njegova električna vodljivost značajno mijenja u odnosu na čisti poluvodič. Dodavanje nečistoće u obliku fosfora kristalu silicija, u količini od 0,001 atomskog postotka, povećat će vodljivost za više od 100.000 puta! Tako značajan utjecaj nečistoća na vodljivost je razumljiv.
Glavni uvjet za rast vodljivosti nečistoće je razlika između valencije nečistoće i valencije matičnog elementa. Takvo provođenje nečistoća naziva se primjesna kondukcija i može biti elektron i šupljina.
Kristal germanija počinje imati elektronsku vodljivost ako se u njega uvedu peterovalentni atomi, recimo, arsen, dok je valencija atoma samog germanija četiri. Kada se peterovalentni atom arsena nalazi na mjestu kristalne rešetke germanija, četiri vanjska elektrona atoma arsena uključena su u kovalentne veze s četiri susjedna atoma germanija. Peti elektron atoma arsena postaje slobodan, lako napušta svoj atom.
A atom koji ostavlja elektron pretvara se u pozitivni ion na mjestu kristalne rešetke poluvodiča. To je takozvana donorska nečistoća kada je valencija nečistoće veća od valencije glavnih atoma. Ovdje se pojavljuje mnogo slobodnih elektrona, zbog čega uvođenjem nečistoće električni otpor poluvodiča pada tisuće i milijune puta. Poluvodič s velikom količinom dodanih nečistoća po vodljivosti se približava metalima.
Iako su elektroni i šupljine odgovorni za intrinzičnu vodljivost u kristalu germanija dopiranom arsenom, elektroni koji su napustili atome arsena glavni su slobodni nositelji naboja. U takvoj situaciji koncentracija slobodnih elektrona uvelike premašuje koncentraciju šupljina, pa se ova vrsta vodljivosti naziva elektronska vodljivost poluvodiča, a sam poluvodič poluvodič n-tipa.
Ako se kristalu germanija umjesto peterovalentnog arsena doda trovalentni indij, on će stvarati kovalentne veze sa samo tri atoma germanija. Četvrti atom germanija ostat će nevezan za atom indija. Ali kovalentni elektron mogu uhvatiti susjedni atomi germanija.Indij će tada biti negativan ion, a susjedni atom germanija će zauzeti prazno mjesto gdje je postojala kovalentna veza.
Takva nečistoća, kada atom nečistoće hvata elektrone, naziva se akceptorska nečistoća. Kada se uvede akceptorska nečistoća, mnoge kovalentne veze se prekidaju u kristalu i stvaraju se mnoge rupe u koje elektroni mogu uskočiti iz kovalentnih veza. U odsutnosti električne struje, rupe se nasumično kreću po kristalu.
Akceptor dovodi do naglog povećanja vodljivosti poluvodiča zbog stvaranja obilja rupa, a koncentracija tih rupa značajno premašuje koncentraciju elektrona intrinzične električne vodljivosti poluvodiča. Ovo je rupičasta vodljivost, a poluvodič se naziva p-tip poluvodiča. Glavni nosioci naboja u njemu su rupe.