Prąd elektryczny w półprzewodnikach

Pomiędzy przewodnikami i dielektrykami znajdują się pod względem rezystancji półprzewodniki… Krzem, german, tellur itp. — wiele pierwiastków układu okresowego i ich związków należy do półprzewodników. Wiele substancji nieorganicznych to półprzewodniki. Krzem jest szerszy niż inne w naturze; skorupa ziemska składa się z niej w 30%.

Główna uderzająca różnica między półprzewodnikami a metalami polega na ujemnym temperaturowym współczynniku oporu: im wyższa temperatura półprzewodnika, tym niższy jest jego opór elektryczny. W przypadku metali jest odwrotnie: im wyższa temperatura, tym większy opór. Jeśli półprzewodnik zostanie schłodzony do zera bezwzględnego, staje się dielektryk.

Wyższa temperatura — mniejsza rezystancja

Ta zależność przewodności półprzewodnika od temperatury pokazuje, że stężenie bezpłatnych taksówkarzy w półprzewodnikach nie jest stała i rośnie wraz z temperaturą.Mechanizmu przepływu prądu elektrycznego przez półprzewodnik nie można sprowadzić do modelu gazu swobodnych elektronów, jak w przypadku metali. Aby zrozumieć ten mechanizm, możemy spojrzeć na niego na przykład na krysztale germanu.

W stanie normalnym atomy germanu zawierają cztery elektrony walencyjne w swojej zewnętrznej powłoce – cztery elektrony luźno związane z jądrem. Ponadto każdy atom w sieci krystalicznej germanu jest otoczony czterema sąsiednimi atomami. Wiązanie tutaj jest kowalencyjne, co oznacza, że ​​tworzą je pary elektronów walencyjnych.

Okazuje się, że każdy z elektronów walencyjnych należy jednocześnie do dwóch atomów, a wiązania elektronów walencyjnych wewnątrz germanu z jego atomami są silniejsze niż w metalach. Dlatego w temperaturze pokojowej półprzewodniki przewodzą prąd o kilka rzędów wielkości gorszy niż metale. A przy zera absolutnym wszystkie elektrony walencyjne germanu będą zajęte wiązaniami i nie będzie wolnych elektronów, które mogłyby zapewnić prąd.

Wraz ze wzrostem temperatury niektóre elektrony walencyjne uzyskują energię wystarczającą do zerwania wiązań kowalencyjnych. W ten sposób powstają swobodne elektrony przewodzące. W strefach rozłączenia powstaje rodzaj wakatu — dziury bez elektronów.

Ta dziura może być łatwo zajęta przez elektron walencyjny z sąsiedniej pary, wtedy dziura przesunie się na miejsce przy sąsiednim atomie. W określonej temperaturze w krysztale powstaje pewna liczba tak zwanych par elektron-dziura.

Jednocześnie zachodzi proces rekombinacji elektron-dziura — spotkanie dziury z wolnym elektronem przywraca wiązanie kowalencyjne między atomami w krysztale germanu. Takie pary, składające się z elektronu i dziury, mogą powstać w półprzewodniku nie tylko w wyniku działania temperatury, ale także podczas oświetlania półprzewodnika, czyli w wyniku padania na niego energii promieniowanie elektromagnetyczne.

Jeśli do półprzewodnika nie zostanie przyłożone żadne zewnętrzne pole elektryczne, wówczas swobodne elektrony i dziury zaangażują się w chaotyczny ruch termiczny. Ale kiedy półprzewodnik zostanie umieszczony w zewnętrznym polu elektrycznym, elektrony i dziury zaczną się poruszać w uporządkowany sposób. Tak się rodzi prąd półprzewodnikowy.

Składa się z prądu elektronowego i prądu dziurowego. W półprzewodniku koncentracja dziur i elektronów przewodzących jest równa, a dzieje się tak tylko w czystych półprzewodnikach mechanizm przewodzenia dziur elektronowych… Jest to wewnętrzne przewodnictwo elektryczne półprzewodnika.

Przewodzenie zanieczyszczeń (elektron i dziura)

Jeśli w półprzewodniku znajdują się zanieczyszczenia, to jego przewodność elektryczna zmienia się znacznie w porównaniu z czystym półprzewodnikiem. Dodanie do kryształu krzemu zanieczyszczenia w postaci fosforu w ilości 0,001 procenta atomowego zwiększy przewodnictwo ponad 100 000 razy! Tak znaczący wpływ zanieczyszczeń na przewodnictwo jest zrozumiały.

Głównym warunkiem wzrostu przewodnictwa domieszek jest różnica między wartościowością zanieczyszczenia a wartościowością pierwiastka macierzystego. Takie przewodzenie zanieczyszczeń nazywa się przewodzenie zanieczyszczeń i może to być elektron i dziura.

Kryształ germanu zaczyna mieć przewodnictwo elektronowe, jeśli wprowadza się do niego pięciowartościowe atomy, na przykład arsenu, podczas gdy wartościowość atomów samego germanu wynosi cztery. Kiedy atom arsenu pięciowartościowego znajduje się w miejscu sieci krystalicznej germanu, cztery zewnętrzne elektrony atomu arsenu są zaangażowane w wiązania kowalencyjne z czterema sąsiadującymi atomami germanu. Piąty elektron atomu arsenu staje się wolny, łatwo opuszcza swój atom.

A atom pozostawiony przez elektron zamienia się w jon dodatni w miejscu sieci krystalicznej półprzewodnika. Jest to tak zwane zanieczyszczenie donorowe, gdy wartościowość zanieczyszczenia jest większa niż wartościowość głównych atomów. Pojawia się tu wiele wolnych elektronów, dlatego wraz z wprowadzeniem zanieczyszczenia rezystancja elektryczna półprzewodnika spada tysiące i miliony razy. Półprzewodnik z dużą ilością dodanych zanieczyszczeń zbliża się przewodnictwem do metali.

Chociaż elektrony i dziury są odpowiedzialne za wewnętrzne przewodnictwo kryształu germanu domieszkowanego arsenem, elektrony, które opuściły atomy arsenu, są głównymi nośnikami ładunku swobodnego. W takiej sytuacji koncentracja wolnych elektronów znacznie przewyższa koncentrację dziur i ten rodzaj przewodnictwa nazywamy przewodnictwem elektronowym półprzewodnika, a sam półprzewodnik półprzewodnikiem typu n.

Jeśli zamiast pięciowartościowego arsenu do kryształu germanu zostanie dodany trójwartościowy ind, utworzy on wiązania kowalencyjne tylko z trzema atomami germanu. Czwarty atom germanu pozostanie niezwiązany z atomem indu. Ale kowalencyjny elektron może zostać przechwycony przez sąsiednie atomy germanu.Ind będzie wówczas jonem ujemnym, a sąsiedni atom germanu zajmie wolne miejsce, w którym istniało wiązanie kowalencyjne.

Takie zanieczyszczenie, gdy atom domieszki wychwytuje elektrony, nazywa się zanieczyszczeniem akceptorowym. Kiedy wprowadzane jest zanieczyszczenie akceptorowe, w krysztale pęka wiele wiązań kowalencyjnych i powstaje wiele dziur, do których elektrony mogą przeskakiwać z wiązań kowalencyjnych. W przypadku braku prądu elektrycznego dziury poruszają się losowo po krysztale.

Akceptor prowadzi do gwałtownego wzrostu przewodnictwa półprzewodnika z powodu powstania dużej ilości dziur, a stężenie tych dziur znacznie przekracza stężenie elektronów wewnętrznego przewodnictwa elektrycznego półprzewodnika. Jest to przewodnictwo dziurowe, a półprzewodnik nazywany jest półprzewodnikiem typu p. Głównymi nośnikami ładunku w nim są dziury.