Przewodnictwo półprzewodnikowe

Substancje zdolne do przewodzenia lub nieprzewodzenia prądu elektrycznego nie ograniczają się do ścisłego podziału tylko na przewodniki i dielektryki. Istnieją również półprzewodniki, takie jak krzem, selen, german oraz inne minerały i stopy, które warto wyodrębnić jako odrębną grupę.

Substancje te przewodzą prąd elektryczny lepiej niż dielektryki, ale gorzej niż metale, a ich przewodność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury lub oświetlenia. Ta cecha półprzewodników sprawia, że ​​znajdują one zastosowanie w czujnikach światła i temperatury, ale nadal ich głównym zastosowaniem jest elektronika.

Jeśli spojrzysz na przykład na kryształ krzemu, możesz stwierdzić, że krzem ma wartościowość 4, to znaczy, że na zewnętrznej powłoce jego atomu znajdują się 4 elektrony, które są związane z czterema sąsiednimi atomami krzemu w krysztale. Jeśli na taki kryształ zadziała ciepło lub światło, wówczas elektrony walencyjne otrzymają wzrost energii i opuszczą swoje atomy, stając się wolnymi elektronami - w otwartej objętości półprzewodnika pojawi się gaz elektronowy - jak w metalach, to znaczy wystąpi warunek wstrzymania.

Ale w przeciwieństwie do metali, półprzewodniki różnią się przewodnictwem elektronów i dziur. Dlaczego tak się dzieje i co to jest? Kiedy elektrony walencyjne opuszczają swoje miejsca, w tych dawnych miejscach, które teraz mają nadmiar ładunku dodatniego, tworzą się obszary pozbawione ładunku ujemnego — „dziury”.

Sąsiadujący elektron z łatwością wskoczy do powstałej „dziury”, a gdy tylko ta dziura zostanie wypełniona elektronem, który do niej wskoczył, dziura ponownie tworzy się w miejscu przeskoczonego elektronu.

Oznacza to, że okazuje się, że dziura jest dodatnio naładowanym ruchomym obszarem półprzewodnika. A kiedy półprzewodnik jest podłączony do obwodu ze źródłem pola elektromagnetycznego, elektrony przesuną się do bieguna dodatniego źródła, a dziury do bieguna ujemnego. W ten sposób odbywa się wewnętrzne przewodnictwo półprzewodnika.

Ruch dziur i elektronów przewodzących w półprzewodniku bez przyłożonego pola elektrycznego będzie chaotyczny. Jeśli do kryształu zostanie przyłożone zewnętrzne pole elektryczne, to znajdujące się w nim elektrony będą się poruszać w kierunku przeciwnym do pola, a dziury będą się poruszać wzdłuż pola, to znaczy w półprzewodniku wystąpi zjawisko wewnętrznego przewodzenia, które będzie nie tylko powodowane przez elektrony, ale także przez dziury.

W półprzewodniku przewodzenie zawsze zachodzi tylko pod wpływem pewnych czynników zewnętrznych: w wyniku napromieniowania fotonami, pod wpływem temperatury, przyłożenia pól elektrycznych itp.

Poziom Fermiego w półprzewodniku mieści się w środku pasma wzbronionego. Przejście elektronu z górnego pasma walencyjnego do dolnego pasma przewodnictwa wymaga energii aktywacji równej delcie pasma wzbronionego (patrz rysunek). Gdy tylko elektron pojawi się w paśmie przewodnictwa, w paśmie walencyjnym powstaje dziura. W ten sposób zużyta energia jest dzielona równo podczas tworzenia pary nośników prądu.

Połowa energii (odpowiadająca połowie szerokości pasma) jest zużywana na przenoszenie elektronów, a połowa na tworzenie dziur; w rezultacie początek odpowiada połowie szerokości paska. Energia Fermiego w półprzewodniku to energia, przy której wzbudzone są elektrony i dziury.Położenie, w którym poziom Fermiego znajduje się dla półprzewodnika w środku pasma wzbronionego, można potwierdzić obliczeniami matematycznymi, ale tutaj pomijamy obliczenia matematyczne.

Pod wpływem czynników zewnętrznych, np. wraz ze wzrostem temperatury, drgania termiczne sieci krystalicznej półprzewodnika prowadzą do zniszczenia niektórych wiązań walencyjnych, w wyniku czego część elektronów staje się odseparowanymi, swobodnymi nośnikami ładunku .

W półprzewodnikach wraz z powstawaniem dziur i elektronów zachodzi proces rekombinacji: elektrony przechodzą do pasma walencyjnego z pasma przewodnictwa oddając swoją energię sieci krystalicznej i emitując kwanty promieniowania elektromagnetycznego.Zatem każda temperatura odpowiada równowagowemu stężeniu dziur i elektronów, które zależy od temperatury zgodnie z następującym wyrażeniem:

Istnieje również przewodnictwo domieszkowe półprzewodników, gdy do kryształu czystego półprzewodnika wprowadza się nieco inną substancję, która ma wyższą lub niższą wartościowość niż substancja macierzysta.

Jeśli w czystym, powiedzmy, tym samym krzemie liczba dziur i elektronów swobodnych jest równa, to znaczy tworzą się one cały czas parami, to w przypadku domieszki dodanej do krzemu, np. wartościowość 5, liczba dziur będzie mniejsza niż liczba swobodnych elektronów, to znaczy półprzewodnik zostanie utworzony z dużą liczbą wolnych elektronów, naładowanych ujemnie, będzie to półprzewodnik typu n (ujemny). A jeśli zmieszasz ind, który ma wartościowość 3, czyli mniej niż krzem, wtedy będzie więcej dziur - będzie to półprzewodnik typu p (dodatni).

Teraz, jeśli zetkniemy półprzewodniki o różnej przewodności, to w punkcie styku otrzymamy złącze p-n. Elektrony poruszające się z obszaru n i dziury poruszające się z obszaru p zaczną się do siebie zbliżać, a po przeciwnych stronach kontaktu pojawią się obszary o przeciwnych ładunkach (po przeciwnych stronach złącza pn ) : dodatni ładunek będzie się gromadził w regionie n, a ładunek ujemny w regionie p. Różne części kryształu w odniesieniu do przejścia będą przeciwnie naładowane. To stanowisko jest bardzo ważne w pracy każdego z nas. przyrządy półprzewodnikowe.

Najprostszym przykładem takiego urządzenia jest dioda półprzewodnikowa, w której zastosowano tylko jedno złącze pn, co wystarcza do wykonania zadania — przewodzenia prądu tylko w jednym kierunku.

Elektrony z regionu n przesuwają się w kierunku bieguna dodatniego źródła zasilania, a dziury z regionu p w kierunku bieguna ujemnego. W pobliżu złącza zgromadzi się wystarczająca ilość ładunków dodatnich i ujemnych, rezystancja złącza znacznie spadnie, a prąd będzie płynął przez obwód.

W odwrotnym połączeniu diody prąd wyjdzie dziesiątki tysięcy razy mniej, ponieważ elektrony i dziury zostaną po prostu wydmuchane przez pole elektryczne w różnych kierunkach od złącza. Ta zasada działa prostownik diodowy.