Проводљивост полупроводника

Супстанце које могу да проводе или не проводе електричну струју нису ограничене на стриктну поделу само проводника и диелектрика. Постоје и полупроводници, као што су силицијум, селен, германијум и други минерали и легуре вредни издвајања као посебна група.

Ове супстанце проводе електричну струју боље од диелектрика, али лошије од метала, а њихова проводљивост се повећава са повећањем температуре или осветљења. Ова карактеристика полупроводника их чини применљивим у сензорима светлости и температуре, али је њихова главна примена и даље електроника.

Ако погледате, на пример, силицијумски кристал, можете открити да силицијум има валенцију 4, односно да се на спољашњој љусци његовог атома налазе 4 електрона који су везани за четири суседна атома силицијума у ​​кристалу. Ако на такав кристал утиче топлота или светлост, онда ће валентни електрони добити повећање енергије и напустити своје атоме, постајући слободни електрони – у отвореном запремини полупроводника ће се појавити електронски гас – као у металима, тј. то ће наступити услов задржавања.

Али за разлику од метала, полупроводници се разликују по проводљивости електрона и рупа. Зашто се то дешава и шта је то? Када валентни електрони напусте своја места, региони недостатка негативног наелектрисања — „рупе“ — се формирају на тим ранијим местима, која сада имају вишак позитивног наелектрисања.

Суседни електрон ће лако скочити у насталу „рупу“, а чим се ова рупа испуни електроном који је у њу скочио, на месту искоченог електрона поново се формира рупа.

То јест, испоставило се да је рупа позитивно наелектрисана покретна област полупроводника. А када је полупроводник повезан у коло са ЕМФ извором, електрони ће се померити до позитивног терминала извора, а рупе до негативног терминала. Тако се одвија унутрашња проводљивост полупроводника.

Кретање рупа и електрона проводљивости у полупроводнику без примењеног електричног поља биће хаотично. Ако се на кристал примени спољашње електрично поље, онда ће се електрони унутар њега кретати наспрам поља, а рупе ће се кретати дуж поља, односно у полупроводнику ће се јавити феномен унутрашње проводљивости, који неће само бити изазване електронима, али и рупама .

У полупроводнику до проводљивости увек долази само под утицајем неких спољних фактора: услед озрачивања фотонима, од утицаја температуре, при примени електричних поља итд.

Фермијев ниво у полупроводнику пада у средини појаса. Прелазак електрона из горњег валентног појаса у доњи појас проводљивости захтева енергију активације једнаку делти појасног размака (види слику). И чим се у проводном појасу појави електрон, у валентном појасу се ствара рупа. Тако се утрошена енергија дели подједнако током формирања пара носилаца струје.

Половина енергије (што одговара половини ширине појаса) се троши на пренос електрона, а половина на формирање рупа; као резултат, порекло одговара средини ширине траке. Фермијева енергија у полупроводнику је енергија при којој се побуђују електрони и рупе.Положај да се Фермијев ниво налази за полупроводник у средини појасног појаса може се потврдити математичким прорачунима, али овде изостављамо математичке прорачуне.

Под утицајем спољашњих фактора, на пример, када се температура повећа, топлотне вибрације кристалне решетке полупроводника доводе до разарања неких валентних веза, услед чега неки од електрона постају, раздвојени, слободни носиоци наелектрисања. .

У полупроводницима, уз формирање рупа и електрона, одвија се процес рекомбинације: електрони прелазе у валентни појас из проводног појаса, дајући своју енергију кристалној решетки и емитујући кванте електромагнетног зрачења.Дакле, свака температура одговара равнотежној концентрацији рупа и електрона, која зависи од температуре према следећем изразу:

Постоји и нечистоћа проводљивост полупроводника, када се у кристал чистог полупроводника унесе нешто другачија супстанца која има већу или нижу валентност од матичне супстанце.

Ако је у чистом, рецимо, истом силицијуму, број рупа и слободних електрона једнак, односно формирају се све време у паровима, онда у случају примеса додане силицијуму, на пример, арсена, који има валенце од 5, број рупа ће бити мањи од броја слободних електрона, односно формира се полупроводник са великим бројем слободних електрона, негативно наелектрисаних, биће полупроводник н-типа (негативан). А ако помешате индијум, који има валенцију од 3, што је мање од силицијума, онда ће бити више рупа — то ће бити (позитивни) полупроводник п-типа.

Сада, ако доведемо у контакт полупроводнике различите проводљивости, онда на месту контакта добијамо п-н спој. Електрони који се крећу из н-области и рупе које се крећу из п-области почеће да се крећу једни према другима, а на супротним странама контакта биће области са супротним наелектрисањем (на супротним странама пн-споја): позитиван наелектрисање ће се акумулирати у н-области, а негативно наелектрисање у п-области. Различити делови кристала у односу на прелаз ће бити супротно наелектрисани. Ова позиција је веома важна за свачији рад. полупроводнички уређаји.

Најједноставнији пример таквог уређаја је полупроводничка диода, где се користи само један пн спој, што је довољно да се постигне задатак — да се струја води само у једном правцу.

Електрони из н-области крећу се ка позитивном полу извора напајања, а рупе из п-области се крећу ка негативном полу. У близини споја ће се акумулирати довољно позитивних и негативних наелектрисања, отпор споја ће се значајно смањити и струја ће тећи кроз коло.

У обрнутом повезивању диоде, струја ће изаћи десетине хиљада пута мања, пошто ће електроне и рупе једноставно разнети електрично поље у различитим правцима од споја. Овај принцип функционише диодни исправљач.