Elektrický prúd v polovodičoch
Medzi vodičmi a dielektrikami, pokiaľ ide o odpor, sú umiestnené polovodičov… Kremík, germánium, telúr atď. — mnohé prvky periodickej tabuľky a ich zlúčeniny patria medzi polovodiče. Mnohé anorganické látky sú polovodiče. Kremík je v prírode širší ako ostatné; zemská kôra sa skladá z 30 %.
Hlavný výrazný rozdiel medzi polovodičmi a kovmi spočíva v zápornom teplotnom koeficiente odporu: čím vyššia je teplota polovodiča, tým nižší je jeho elektrický odpor. U kovov je to naopak: čím vyššia teplota, tým väčší odpor. Ak sa polovodič ochladí na absolútnu nulu, stane sa dielektrikum.
Táto závislosť vodivosti polovodiča od teploty ukazuje, že koncentrácia taxikári zadarmo v polovodičoch nie je konštantná a zvyšuje sa s teplotou.Mechanizmus prechodu elektrického prúdu cez polovodič nemožno redukovať na model plynu voľných elektrónov, ako je to v kovoch. Aby sme pochopili tento mechanizmus, môžeme sa naň pozrieť napríklad na kryštáli germánia.
V normálnom stave obsahujú atómy germánia vo svojom vonkajšom obale štyri valenčné elektróny – štyri elektróny, ktoré sú voľne viazané na jadro. Okrem toho je každý atóm v kryštálovej mriežke germánia obklopený štyrmi susednými atómami. A väzba je tu kovalentná, čo znamená, že je tvorená pármi valenčných elektrónov.
Ukazuje sa, že každý z valenčných elektrónov patrí dvom atómom súčasne a väzby valenčných elektrónov vo vnútri germánia s jeho atómami sú silnejšie ako v kovoch. To je dôvod, prečo pri izbovej teplote vedú polovodiče prúd o niekoľko rádov horšie ako kovy. A pri absolútnej nule budú všetky valenčné elektróny germánia obsadené väzbami a nebudú existovať žiadne voľné elektróny na zabezpečenie prúdu.
Keď teplota stúpa, niektoré valenčné elektróny získavajú energiu, ktorá je dostatočná na prerušenie kovalentných väzieb. Takto vznikajú voľné vodivé elektróny. V zónach odpojenia sa vytvára typ voľného miesta - diery bez elektrónov.
Túto dieru môže ľahko obsadiť valenčný elektrón zo susedného páru, potom sa diera presunie na miesto v susednom atóme. Pri určitej teplote sa v kryštáli vytvorí určitý počet takzvaných párov elektrón-diera.
Súčasne prebieha proces rekombinácie elektrón-diera — diera, ktorá sa stretáva s voľným elektrónom, obnovuje kovalentnú väzbu medzi atómami v kryštáli germánia. Takéto páry, pozostávajúce z elektrónu a diery, môžu v polovodiči vznikať nielen vplyvom teploty, ale aj vtedy, keď je polovodič osvetlený, teda v dôsledku energie, ktorá naň dopadá. elektromagnetická radiácia.
Ak na polovodič nepôsobí žiadne vonkajšie elektrické pole, potom sa voľné elektróny a diery zapájajú do chaotického tepelného pohybu. Ale keď je polovodič umiestnený vo vonkajšom elektrickom poli, elektróny a diery sa začnú pohybovať usporiadaným spôsobom. Tak sa to rodí polovodičový prúd.
Pozostáva z elektrónového prúdu a dierového prúdu. V polovodiči sú koncentrácie dier a vodivých elektrónov rovnaké. A iba v čistých polovodičoch mechanizmus vedenia elektrónovej diery… Toto je vlastná elektrická vodivosť polovodiča.
Vedenie nečistôt (elektrón a diera)
Ak sú v polovodiči nečistoty, potom sa jeho elektrická vodivosť výrazne mení v porovnaní s čistým polovodičom. Pridanie nečistoty vo forme fosforu do kremíkového kryštálu v množstve 0,001 atómového percenta zvýši vodivosť viac ako 100 000 krát! Takýto výrazný vplyv nečistôt na vodivosť je pochopiteľný.
Hlavnou podmienkou rastu vodivosti nečistôt je rozdiel medzi mocnosťou nečistoty a mocnosťou materského prvku. Takéto vedenie nečistôt sa nazýva vedenie nečistôt a môže to byť elektrón a diera.
Kryštál germánia začína mať elektrónovú vodivosť, ak sa do neho zavedú päťmocné atómy, povedzme arzén, zatiaľ čo mocnosť atómov samotného germánia je štyri. Keď je päťmocný atóm arzénu na mieste kryštálovej mriežky germánia, štyri vonkajšie elektróny atómu arzénu sú zapojené do kovalentných väzieb so štyrmi susednými atómami germánia. Piaty elektrón atómu arzénu sa uvoľní, ľahko opustí svoj atóm.
A atóm zanechaný elektrónom sa v mieste kryštálovej mriežky polovodiča zmení na kladný ión. Toto je takzvaná donorová nečistota, keď je valencia nečistoty väčšia ako valencia hlavných atómov. Objavuje sa tu veľa voľných elektrónov, a preto so zavedením nečistoty elektrický odpor polovodiča klesne tisíckrát a miliónkrát. Polovodič s veľkým množstvom pridaných nečistôt sa vodivosťou približuje kovom.
Aj keď sú elektróny a diery zodpovedné za vnútornú vodivosť v kryštáli germánia dopovaného arzénom, elektróny, ktoré opustili atómy arzénu, sú hlavnými voľnými nosičmi náboja. V takejto situácii koncentrácia voľných elektrónov vysoko prevyšuje koncentráciu dier a tento typ vodivosti sa nazýva elektrónová vodivosť polovodiča a samotný polovodič sa nazýva polovodič typu n.
Ak sa namiesto päťmocného arzénu pridá ku kryštálu germánia trojmocné indium, vytvorí kovalentné väzby iba s tromi atómami germánia. Štvrtý atóm germánia zostane neviazaný na atóm india. Ale kovalentný elektrón môže byť zachytený susednými atómami germánia.Indium bude potom záporný ión a susedný atóm germánia bude obsadzovať voľné miesto, kde existovala kovalentná väzba.
Takáto nečistota, keď atóm nečistoty zachytáva elektróny, sa nazýva akceptorová nečistota. Keď sa zavedie akceptorová nečistota, v kryštáli sa rozbije veľa kovalentných väzieb a vytvorí sa veľa dier, do ktorých môžu elektróny preskočiť z kovalentných väzieb. Pri absencii elektrického prúdu sa otvory náhodne pohybujú po kryštáli.
Akceptor vedie k prudkému zvýšeniu vodivosti polovodiča v dôsledku vytvorenia množstva otvorov a koncentrácia týchto otvorov výrazne prevyšuje koncentráciu elektrónov s vlastnou elektrickou vodivosťou polovodiča. Toto je dierové vedenie a polovodič sa nazýva polovodič typu p. Hlavnými nosičmi náboja v ňom sú otvory.