Polprevodniška prevodnost

Snovi, ki lahko prevajajo ali ne prevajajo električni tok, niso omejene na strogo delitev samo na prevodnike in dielektrike. Obstajajo tudi polprevodniki, kot so silicij, selen, germanij in drugi minerali in zlitine, ki jih je vredno ločiti kot posebno skupino.

Te snovi prevajajo električni tok bolje kot dielektriki, vendar slabše kot kovine, njihova prevodnost pa se povečuje z naraščajočo temperaturo ali osvetlitvijo. Zaradi te lastnosti polprevodnikov so uporabni v svetlobnih in temperaturnih senzorjih, vendar je njihova glavna uporaba še vedno elektronika.

Če pogledate na primer kristal silicija, lahko ugotovite, da ima silicij valenco 4, to pomeni, da so na zunanji lupini njegovega atoma 4 elektroni, ki so vezani na štiri sosednje atome silicija v kristalu. Če na tak kristal vpliva toplota ali svetloba, bodo valenčni elektroni prejeli povečanje energije in zapustili svoje atome ter postali prosti elektroni - v odprtem volumnu polprevodnika se bo pojavil elektronski plin - kot v kovinah, tj. nastopi stanje zadrževanja.

Toda za razliko od kovin se polprevodniki razlikujejo po prevodnosti elektronov in lukenj. Zakaj se to dogaja in kaj je to? Ko valenčni elektroni zapustijo svoja mesta, se na teh prejšnjih mestih oblikujejo področja pomanjkanja negativnega naboja - "luknje", ki imajo zdaj presežek pozitivnega naboja.

Sosednji elektron bo zlahka skočil v nastalo "luknjo" in takoj, ko se ta luknja napolni z elektronom, ki je skočil vanjo, na mestu preskočenega elektrona ponovno nastane luknja.

To pomeni, da se izkaže, da je luknja pozitivno nabito gibljivo območje polprevodnika. In ko je polprevodnik priključen na vezje z virom EMF, se bodo elektroni premaknili na pozitivni terminal vira, luknje pa na negativni terminal. Tako poteka notranja prevodnost polprevodnika.

Gibanje lukenj in prevodnih elektronov v polprevodniku brez uporabljenega električnega polja bo kaotično. Če na kristal uporabimo zunanje električno polje, se bodo elektroni v njem premikali proti polju, luknje pa se bodo premikale vzdolž polja, to pomeni, da se bo v polprevodniku pojavil pojav notranje prevodnosti, ki ne bo samo povzročajo elektroni, pa tudi luknje.

V polprevodniku se prevod vedno pojavi samo pod vplivom nekaterih zunanjih dejavnikov: zaradi obsevanja s fotoni, zaradi učinka temperature, ob uporabi električnih polj itd.

Fermijev nivo v polprevodniku pade na sredino prepovedanega pasu. Prehod elektrona iz zgornjega valenčnega pasu v spodnji prevodni pas zahteva aktivacijsko energijo, ki je enaka delti pasovne vrzeli (glej sliko). In takoj ko se v prevodnem pasu pojavi elektron, se v valenčnem pasu ustvari luknja. Tako se porabljena energija enakomerno razdeli med tvorbo para tokovnih nosilcev.

Polovica energije (kar ustreza polovici širine pasu) se porabi za prenos elektronov, polovica pa za tvorbo lukenj; posledično izvor ustreza sredini širine traku. Fermijeva energija v polprevodniku je energija, pri kateri se vzbujajo elektroni in luknje. Položaj, da se Fermijev nivo nahaja za polprevodnik v sredini prepovedanega pasu, lahko potrdimo z matematičnimi izračuni, vendar matematične izračune tukaj izpustimo.

Pod vplivom zunanjih dejavnikov, na primer, ko se temperatura poveča, toplotne vibracije kristalne rešetke polprevodnika povzročijo uničenje nekaterih valenčnih vezi, zaradi česar nekateri elektroni postanejo ločeni prosti nosilci naboja. .

V polprevodnikih skupaj s tvorbo lukenj in elektronov poteka proces rekombinacije: elektroni prehajajo v valenčni pas iz prevodnega pasu, dajejo svojo energijo kristalni mreži in oddajajo kvante elektromagnetnega sevanja.Tako vsaka temperatura ustreza ravnotežni koncentraciji lukenj in elektronov, ki je odvisna od temperature v skladu z naslednjim izrazom:

Obstaja tudi primesna prevodnost polprevodnikov, ko se v kristal čistega polprevodnika vnese nekoliko drugačna snov, ki ima višjo ali nižjo valenco od osnovne snovi.

Če je v čistem, recimo istem siliciju, število lukenj in prostih elektronov enako, to pomeni, da se tvorijo ves čas v parih, potem v primeru nečistoče, dodane siliciju, na primer arzen, ki ima valenca 5, bo število lukenj manjše od števila prostih elektronov, to pomeni, da nastane polprevodnik z velikim številom prostih elektronov, negativno nabitih, to bo polprevodnik tipa n (negativen). In če zmešate indij, ki ima valenco 3, kar je manj kot silicij, potem bo več lukenj - to bo p-tip (pozitiven) polprevodnik.

Zdaj, če spravimo polprevodnike različnih prevodnosti v stik, potem na točki stika dobimo p-n spoj. Elektroni, ki se premikajo iz n-regije, in luknje, ki se premikajo iz p-regije, se bodo začeli premikati drug proti drugemu, na nasprotnih straneh stika pa bodo območja z nasprotnimi naboji (na nasprotnih straneh pn-spojnice): pozitiven naboj se bo kopičil v n-regiji in negativni naboj v p-regiji. Različni deli kristala glede na prehod bodo nasprotno nabiti. Ta položaj je zelo pomemben za delo vseh. polprevodniške naprave.

Najenostavnejši primer takšne naprave je polprevodniška dioda, kjer je uporabljen samo en pn spoj, kar je dovolj za dosego naloge — prevajanje toka samo v eno smer.

Elektroni iz n-regije se premikajo proti pozitivnemu polu vira energije, luknje iz p-regije pa proti negativnemu polu. V bližini spoja se bo nabralo dovolj pozitivnih in negativnih nabojev, upor spoja se bo znatno zmanjšal in tok bo stekel skozi vezje.

Pri obratni povezavi diode bo tok izšel desettisočkrat manj, saj bodo elektroni in luknje preprosto odpihnjeni z električnim poljem v različnih smereh od stičišča. To načelo deluje diodni usmernik.