Електрична струја у полупроводницима
Између проводника и диелектрика, у смислу отпора, налазе се полупроводници... Силицијум, германијум, телур итд. — многи елементи периодног система и њихова једињења припадају полупроводницима. Многе неорганске супстанце су полупроводници. Силицијум је шири од других у природи; земљина кора се састоји од 30% тога.
Главна упечатљива разлика између полупроводника и метала лежи у негативном температурном коефицијенту отпора: што је температура полупроводника виша, то је нижи његов електрични отпор. За метале је супротно: што је температура већа, то је већи отпор. Ако се полупроводник охлади на апсолутну нулу, постаје диелектрик.
Ова зависност проводљивости полупроводника од температуре показује да је концентрација бесплатни таксисти у полупроводницима није константан и расте са температуром.Механизам проласка електричне струје кроз полупроводник не може се свести на модел гаса слободних електрона, као у металима. Да бисмо разумели овај механизам, можемо га погледати на пример на кристалу германијума.
У нормалном стању, атоми германијума садрже четири валентна електрона у својој спољашњој љусци - четири електрона која су лабаво везана за језгро. Штавише, сваки атом у кристалној решетки германијума је окружен са четири суседна атома. А веза је овде ковалентна, што значи да је формирана од парова валентних електрона.
Испоставило се да сваки од валентних електрона припада два атома у исто време, а везе валентних електрона унутар германијума са његовим атомима су јаче него у металима. Због тога, на собној температури, полупроводници проводе струју неколико редова величине лошије од метала. А на апсолутној нули, сви валентни електрони германијума ће бити заузети везама и неће бити слободних електрона који би обезбедили струју.
Како температура расте, неки од валентних електрона добијају енергију која постаје довољна да разбије ковалентне везе. Тако настају електрони слободне проводљивости. У зонама искључења формира се нека врста слободног места— рупе без електрона.
Ову рупу лако може заузети валентни електрон из суседног пара, тада ће се рупа померити на своје место код суседног атома. На одређеној температури у кристалу се формира одређени број такозваних парова електрон-рупа.
Истовремено, одвија се процес рекомбинације електрон-рупа — рупа која се сусреће са слободним електроном обнавља ковалентну везу између атома у кристалу германијума. Такви парови, који се састоје од електрона и рупе, могу настати у полупроводнику не само услед дејства температуре, већ и када је полупроводник осветљен, односно услед пада енергије на њега електромагнетно зрачење.
Ако се на полупроводник не примени спољашње електрично поље, слободни електрони и рупе учествују у хаотичном топлотном кретању. Али када се полупроводник стави у спољашње електрично поље, електрони и рупе почињу да се крећу на уређен начин. Тако се рађа струја полупроводника.
Састоји се од струје електрона и струје рупа. У полупроводнику је концентрација рупа и електрона проводљивости једнака, а само у чистим полупроводницима то чини механизам проводљивости електронских рупа… Ово је интринзична електрична проводљивост полупроводника.
Провођење нечистоћа (електрон и рупа)
Ако у полупроводнику постоје нечистоће, онда се његова електрична проводљивост значајно мења у поређењу са чистим полупроводником. Додавање нечистоће у облику фосфора силицијумском кристалу, у количини од 0,001 атомског процента, повећаће проводљивост за више од 100.000 пута! Овако значајан утицај нечистоћа на проводљивост је разумљив.
Главни услов за раст проводљивости примеса је разлика између валенције примеса и валенце матичног елемента. Таква проводљивост нечистоћа се назива проводљивост нечистоће и може бити електрон и рупа.
Кристал германијума почиње да има електронску проводљивост ако се у њега уведу петовалентни атоми, рецимо, арсен, док је валенција атома самог германијума четири. Када је петовалентни атом арсена на месту кристалне решетке германијума, четири спољашња електрона атома арсена су укључена у ковалентне везе са четири суседна атома германијума. Пети електрон атома арсена постаје слободан, лако напушта свој атом.
А атом који је оставио електрон претвара се у позитиван јон на месту кристалне решетке полупроводника. Ово је такозвана донорска нечистоћа када је валенција нечистоће већа од валенце главних атома. Овде се појављује много слободних електрона, због чега, уношењем нечистоће, електрични отпор полупроводника опада хиљаде и милионе пута. Полупроводник са великом количином додатих нечистоћа приближава се металима по проводљивости.
Иако су електрони и рупе одговорни за интринзичну проводљивост у кристалу германијума допираног арсеном, електрони који су напустили атоме арсена су главни слободни носиоци наелектрисања. У таквој ситуацији концентрација слободних електрона увелико премашује концентрацију рупа и ова врста проводљивости се назива електронска проводљивост полупроводника, а сам полупроводник се назива полупроводником н-типа.
Ако се уместо петовалентног арсена кристалу германијума дода тровалентни индијум, он ће формирати ковалентне везе са само три атома германијума. Четврти атом германијума ће остати невезан за атом индијума. Али ковалентни електрон може бити заробљен суседним атомима германијума.Индијум ће тада бити негативни јон, а суседни атом германијума ће заузети слободно место где је постојала ковалентна веза.
Таква нечистоћа, када атом нечистоће ухвати електроне, назива се акцепторска нечистоћа. Када се унесе акцепторска нечистоћа, многе ковалентне везе се разбијају у кристалу и формирају се многе рупе у које електрони могу скочити са ковалентних веза. У одсуству електричне струје, рупе се насумично крећу преко кристала.
Акцептор доводи до наглог повећања проводљивости полупроводника због стварања обиља рупа, а концентрација ових рупа значајно премашује концентрацију електрона унутрашње електричне проводљивости полупроводника. Ово је проводљивост кроз рупе и полупроводник се назива полупроводник п-типа. Главни носиоци набоја у њему су рупе.