Električni tok v polprevodnikih
Med vodniki in dielektriki se glede na upor nahajajo polprevodniki… Silicij, germanij, telur itd. — številni elementi periodnega sistema in njihove spojine spadajo med polprevodnike. Številne anorganske snovi so polprevodniki. Silicij je širši od drugih v naravi; zemeljska skorja je sestavljena iz 30 %.
Glavna presenetljiva razlika med polprevodniki in kovinami je v negativnem temperaturnem koeficientu upora: višja kot je temperatura polprevodnika, manjši je njegov električni upor. Pri kovinah je ravno obratno: višja kot je temperatura, večji je upor. Če polprevodnik ohladimo na absolutno ničlo, postane dielektrik.
Ta odvisnost prevodnosti polprevodnika od temperature kaže, da koncentracija brezplačni taksisti v polprevodnikih ni konstanten in narašča s temperaturo.Mehanizem prehoda električnega toka skozi polprevodnik ni mogoče reducirati na model plina prostih elektronov, kot v kovinah. Da bi razumeli ta mehanizem, si ga lahko ogledamo na primer na kristalu germanija.
V normalnem stanju atomi germanija vsebujejo štiri valenčne elektrone v svoji zunanji lupini - štiri elektrone, ki so ohlapno vezani na jedro. Poleg tega je vsak atom v kristalni mreži germanija obdan s štirimi sosednjimi atomi. In vez tukaj je kovalentna, kar pomeni, da jo tvorijo pari valenčnih elektronov.
Izkazalo se je, da vsak od valenčnih elektronov pripada dvema atomoma hkrati, vezi valenčnih elektronov znotraj germanija z njegovimi atomi pa so močnejše kot v kovinah. Zato pri sobni temperaturi polprevodniki prevajajo tok za nekaj velikosti slabše kot kovine. In pri absolutni ničli bodo vsi germanijevi valenčni elektroni zasedeni v vezeh in ne bo prostih elektronov, ki bi zagotavljali tok.
Ko se temperatura poveča, nekateri valenčni elektroni pridobijo energijo, ki zadošča za pretrganje kovalentnih vezi. Tako nastanejo prosti prevodni elektroni. V območjih odklopa se oblikuje vrsta prostih mest - luknje brez elektronov.
To luknjo lahko zlahka zasede valenčni elektron iz sosednjega para, nato pa se bo luknja premaknila na svoje mesto pri sosednjem atomu. Pri določeni temperaturi se v kristalu tvori določeno število tako imenovanih parov elektron-luknja.
Istočasno poteka proces rekombinacije elektron-luknja - luknja, ki se sreča s prostim elektronom, obnovi kovalentno vez med atomi v kristalu germanija. Takšni pari, sestavljeni iz elektrona in luknje, lahko nastanejo v polprevodniku ne samo zaradi temperaturnega delovanja, ampak tudi, ko je polprevodnik osvetljen, to je zaradi vpada energije nanj. elektromagnetno sevanje.
Če na polprevodnik ni zunanjega električnega polja, se prosti elektroni in luknje vključijo v kaotično toplotno gibanje. Toda ko je polprevodnik postavljen v zunanje električno polje, se začnejo elektroni in luknje premikati na urejen način. Tako se rodi polprevodniški tok.
Sestavljen je iz toka elektronov in toka lukenj. V polprevodniku je koncentracija lukenj in prevodnih elektronov enaka in le v čistih polprevodnikih je tako mehanizem prevodnosti elektronske luknje… To je intrinzična električna prevodnost polprevodnika.
Prevod nečistoč (elektronov in lukenj)
Če so v polprevodniku nečistoče, se njegova električna prevodnost bistveno spremeni v primerjavi s čistim polprevodnikom. Dodajanje primesi v obliki fosforja kristalu silicija, v količini 0,001 atomskega odstotka, bo povečalo prevodnost za več kot 100.000-krat! Tako pomemben vpliv nečistoč na prevodnost je razumljiv.
Glavni pogoj za rast prevodnosti primesi je razlika med valenco nečistoče in valenco matičnega elementa. Takšna prevodnost nečistoč se imenuje nečistoča prevodnost in je lahko elektron in luknja.
Kristal germanija začne imeti elektronsko prevodnost, če vanj vnesemo pentavalentne atome, recimo arzen, medtem ko je valenca samih atomov germanija štiri. Ko je atom petovalentnega arzena namesto kristalne mreže germanija, so štirje zunanji elektroni atoma arzena vključeni v kovalentne vezi s štirimi sosednjimi atomi germanija. Peti elektron atoma arzena postane prost, zlahka zapusti svoj atom.
In atom, ki ga zapusti elektron, se spremeni v pozitivni ion na mestu kristalne mreže polprevodnika. To je tako imenovana donorska primesa, ko je valenca nečistoče večja od valence glavnih atomov. Tu se pojavi veliko prostih elektronov, zato z vnosom primesi električna upornost polprevodnika pade tisoč in milijonkrat. Polprevodnik z veliko količino dodanih primesi se po prevodnosti približa kovinam.
Čeprav so elektroni in luknje odgovorni za intrinzično prevodnost v kristalu germanija, dopiranem z arzenom, so elektroni, ki so zapustili atome arzena, glavni prosti nosilci naboja. V takšni situaciji koncentracija prostih elektronov močno presega koncentracijo lukenj in ta vrsta prevodnosti se imenuje elektronska prevodnost polprevodnika, sam polprevodnik pa se imenuje polprevodnik n-tipa.
Če kristalu germanija namesto pentavalentnega arzena dodamo trivalentni indij, bo ta tvoril kovalentne vezi le s tremi atomi germanija. Četrti atom germanija bo ostal nevezan na atom indija. Toda kovalentni elektron lahko ujamejo sosednji atomi germanija.Indij bo takrat negativen ion, sosednji atom germanija pa bo zasedel prazno mesto, kjer je obstajala kovalentna vez.
Takšna primesa, ko primesni atom zajame elektrone, se imenuje akceptorska. Ko vnesemo akceptorsko nečistočo, se v kristalu pretrgajo številne kovalentne vezi in nastanejo številne luknje, v katere lahko skačejo elektroni iz kovalentnih vezi. Če električnega toka ni, se luknje naključno premikajo po kristalu.
Akceptor povzroči močno povečanje prevodnosti polprevodnika zaradi ustvarjanja obilice lukenj, koncentracija teh lukenj pa bistveno presega koncentracijo elektronov intrinzične električne prevodnosti polprevodnika. To je luknjasta prevodnost in polprevodnik se imenuje polprevodnik p-tipa. Glavni nosilci naboja v njem so luknje.