Polovodičová vodivosť

Látky schopné viesť alebo neviesť elektrický prúd nie sú obmedzené na striktné delenie len na vodiče a dielektrika. Existujú tiež polovodiče, ako je kremík, selén, germánium a ďalšie minerály a zliatiny, ktoré si zaslúžia oddelenie ako samostatnú skupinu.

Tieto látky vedú elektrický prúd lepšie ako dielektriká, ale horšie ako kovy a ich vodivosť sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou alebo osvetlením. Táto charakteristika polovodičov ich robí použiteľnými vo svetelných a teplotných senzoroch, ale ich hlavnou aplikáciou je stále elektronika.

Ak sa pozriete napríklad na kryštál kremíka, zistíte, že kremík má mocnosť 4, to znamená, že na vonkajšom obale jeho atómu sú 4 elektróny, ktoré sú viazané na štyri susedné atómy kremíka v kryštáli. Ak je takýto kryštál ovplyvnený teplom alebo svetlom, potom valenčné elektróny dostanú nárast energie a opustia svoje atómy, stanú sa voľnými elektrónmi - v otvorenom objeme polovodiča sa objaví elektrónový plyn - ako v kovoch, tj. nastane podmienka držania.

Ale na rozdiel od kovov sa polovodiče líšia vo svojej vodivosti elektrónov a dier. Prečo sa to deje a čo to je? Keď valenčné elektróny opustia svoje miesta, na týchto bývalých miestach sa vytvoria oblasti s nedostatkom negatívneho náboja – „diery“, ktoré teraz majú prebytok kladného náboja.

Susedný elektrón ľahko skočí do vzniknutej «diery» a akonáhle sa táto diera naplní elektrónom, ktorý do nej skočil, vytvorí sa na mieste preskočeného elektrónu opäť diera.

To znamená, že sa ukázalo, že diera je kladne nabitá pohyblivá oblasť polovodiča. A keď je polovodič pripojený k obvodu so zdrojom EMF, elektróny sa presunú na kladný pól zdroja a otvory na záporný pól. Takto prebieha vnútorná vodivosť polovodiča.

Pohyb dier a vodivých elektrónov v polovodiči bez aplikovaného elektrického poľa bude chaotický. Ak sa na kryštál aplikuje vonkajšie elektrické pole, elektróny v ňom sa budú pohybovať proti poľu a diery sa budú pohybovať pozdĺž poľa, to znamená, že v polovodiči dôjde k javu vnútorného vedenia, ktorý nebude len spôsobené elektrónmi, ale aj dierami .

V polovodiči sa vedenie vyskytuje vždy len pod vplyvom niektorých vonkajších faktorov: v dôsledku ožiarenia fotónmi, vplyvom teploty, pri pôsobení elektrických polí atď.

Fermiho hladina v polovodiči spadá do stredu zakázaného pásma. Prechod elektrónu z horného valenčného pásma do spodného vodivého pásma si vyžaduje aktivačnú energiu rovnajúcu sa pásmovej medzere delta (pozri obrázok). A akonáhle sa vo vodivom pásme objaví elektrón, vo valenčnom pásme sa vytvorí diera. Spotrebovaná energia sa teda rovnomerne rozdelí pri vytváraní dvojice prúdových nosičov.

Polovica energie (zodpovedajúca polovici šírky pásma) sa minie na prenos elektrónov a polovica na tvorbu dier; výsledkom je, že počiatok zodpovedá stredu šírky pásu. Fermiho energia v polovodiči je energia, pri ktorej sú excitované elektróny a diery Polohu, v ktorej sa Fermiho hladina nachádza pre polovodič v strede zakázaného pásma, môžeme potvrdiť matematickými výpočtami, ale matematické výpočty tu vynecháme.

Pod vplyvom vonkajších faktorov, napríklad pri zvyšovaní teploty, tepelné vibrácie kryštálovej mriežky polovodiča vedú k deštrukcii niektorých valenčných väzieb, v dôsledku čoho sa niektoré elektróny stanú oddelenými voľnými nosičmi náboja. .

V polovodičoch spolu s tvorbou dier a elektrónov prebieha proces rekombinácie: elektróny prechádzajú do valenčného pásma z vodivého pásma, čím odovzdávajú svoju energiu kryštálovej mriežke a emitujú kvantá elektromagnetického žiarenia.Každá teplota teda zodpovedá rovnovážnej koncentrácii dier a elektrónov, ktorá závisí od teploty podľa nasledujúceho výrazu:

Existuje aj prímesová vodivosť polovodičov, keď sa do kryštálu čistého polovodiča zavedie trochu iná látka, ktorá má vyššiu alebo nižšiu valenciu ako materská látka.

Ak je v čistom, povedzme, tom istom kremíku, počet dier a voľných elektrónov rovnaký, to znamená, že sa tvoria stále v pároch, potom v prípade nečistoty pridanej do kremíka, napríklad arzénu, ktorý má valencia 5, počet dier bude menší ako počet voľných elektrónov, to znamená, že sa vytvorí polovodič s veľkým počtom voľných elektrónov, negatívne nabitý, bude to polovodič typu n (negatívny). A ak zmiešate indium, ktoré má valenciu 3, čo je menej ako kremík, potom bude viac dier – bude to polovodič typu p (kladný).

Teraz, ak privedieme do kontaktu polovodiče s rôznou vodivosťou, potom v bode kontaktu dostaneme p-n prechod. Elektróny pohybujúce sa z n-oblasti a diery pohybujúce sa z p-oblasti sa začnú k sebe pohybovať a na opačných stranách kontaktu budú oblasti s opačnými nábojmi (na opačných stranách pn-prechodu): kladný náboj sa akumuluje v n-oblasti a záporný náboj v p-oblasti. Rôzne časti kryštálu vzhľadom na prechod budú opačne nabité. Táto pozícia je pre prácu každého človeka veľmi dôležitá. polovodičové zariadenia.

Najjednoduchším príkladom takéhoto zariadenia je polovodičová dióda, kde sa používa iba jeden pn prechod, čo stačí na splnenie úlohy — viesť prúd iba jedným smerom.

Elektróny z n-oblasti sa pohybujú smerom ku kladnému pólu zdroja energie a diery z p-oblasti sa pohybujú smerom k zápornému pólu. V blízkosti prechodu sa nahromadí dostatok kladných a záporných nábojov, odpor prechodu sa výrazne zníži a obvodom bude pretekať prúd.

Pri spätnom zapojení diódy bude prúd vychádzať desaťtisíckrát menej, pretože elektróny a diery budú jednoducho fúkané elektrickým poľom v rôznych smeroch od križovatky. Tento princíp funguje diódový usmerňovač.