Félvezető vezetőképesség

Az elektromos áram vezetésére vagy nem vezetésére képes anyagok nem korlátozódnak csak a vezetők és a dielektrikumok szigorú felosztására. Vannak olyan félvezetők is, mint a szilícium, szelén, germánium és más ásványok és ötvözetek, amelyeket érdemes külön csoportként elkülöníteni.

Ezek az anyagok jobban vezetik az elektromos áramot, mint a dielektrikumok, de rosszabbul, mint a fémek, és vezetőképességük nő a hőmérséklet vagy a megvilágítás növekedésével. A félvezetők ezen jellemzője alkalmassá teszi őket fény- és hőmérsékletérzékelőkre, de fő alkalmazási területük továbbra is az elektronika.

Ha például egy szilíciumkristályra nézünk, azt láthatjuk, hogy a szilícium vegyértéke 4, azaz atomjának külső héján 4 elektron található, amelyek a kristályban lévő négy szomszédos szilícium atomhoz kötődnek. Ha egy ilyen kristályra hő vagy fény hat, akkor a vegyértékelektronok energianövekedést kapnak, és elhagyják atomjaikat, szabad elektronokká válva - a félvezető nyitott térfogatában elektrongáz jelenik meg - mint a fémekben, azaz tartási feltétel fog bekövetkezni.

De a fémekkel ellentétben a félvezetők különböznek az elektronok és a lyukak vezetőképességében. Miért történik ez és mi ez? Amikor a vegyértékelektronok elhagyják helyüket, azokon a korábbi helyeken negatív töltés hiányos régiók – „lyukak” – képződnek, amelyekben most többlet pozitív töltésű.

A szomszédos elektron könnyen beugrik a keletkező «lyukba», és amint ez a lyuk megtelik a beleugrott elektronnal, a kiugrott elektron helyén ismét lyuk keletkezik.

Vagyis kiderül, hogy a lyuk egy félvezető pozitív töltésű mozgó tartománya. És amikor egy félvezetőt egy EMF-forrással rendelkező áramkörhöz csatlakoztatnak, az elektronok a forrás pozitív kivezetésére, a lyukak pedig a negatív terminálra mozognak. Így megy végbe a félvezető belső vezetőképessége.

A lyukak és a vezetési elektronok mozgása egy félvezetőben alkalmazott elektromos tér nélkül kaotikus lesz. Ha külső elektromos teret hozunk a kristályra, akkor a benne lévő elektronok a mező ellenében mozognak, a lyukak pedig a mező mentén mozognak, vagyis a félvezetőben fellép a belső vezetés jelensége, ami nem csak elektronok okozzák, de lyukak is.

A félvezetőben a vezetés mindig csak valamilyen külső tényező hatására következik be: fotonokkal történő besugárzás következtében, hőmérséklet hatására, elektromos mezők alkalmazásakor stb.

A félvezető Fermi-szintje a sávköz közepére esik. Az elektronnak a felső vegyértéksávból az alsó vezetési sávba való átmenetéhez a sávszélesség-deltával megegyező aktiválási energiára van szükség (lásd az ábrát). És amint egy elektron megjelenik a vezetési sávban, egy lyuk keletkezik a vegyértéksávban. Így a felhasznált energia egyenlő arányban oszlik meg egy pár áramhordozó kialakulása során.

Az energia felét (ami a sávszélesség felének felel meg) elektronátvitelre, felét pedig lyukképzésre fordítják; ennek eredményeként az origó a szalagszélesség közepének felel meg. A félvezetőben lévő Fermi energia az az energia, amelynél az elektronok és a lyukak gerjesztődnek.Az a helyzet, hogy a Fermi-szint egy félvezetőnél a sávköz közepén helyezkedik el, matematikai számításokkal megerősíthető, de itt a matematikai számításokat elhagyjuk.

Külső tényezők hatására, például a hőmérséklet emelkedésével a félvezető kristályrácsának hőrezgései egyes vegyértékkötések tönkremeneteléhez vezetnek, aminek következtében az elektronok egy része elkülönülve szabad töltéshordozóvá válik. .

A félvezetőkben a lyukak és elektronok képződésével együtt a rekombinációs folyamat is végbemegy: a vezetési sávból az elektronok átmennek a vegyértéksávba, energiájukat a kristályrácsnak adják és elektromágneses sugárzás kvantumát bocsátanak ki.Így minden hőmérséklet megfelel a lyukak és elektronok egyensúlyi koncentrációjának, amely a hőmérséklettől függ a következő kifejezés szerint:

Szennyező vezetőképesség is létezik a félvezetőknél, amikor a tiszta félvezető kristályába egy kissé eltérő anyagot vezetnek be, amelynek vegyértéke magasabb vagy alacsonyabb, mint az alapanyagé.

Ha a tiszta, mondjuk, ugyanabban a szilíciumban a lyukak és a szabad elektronok száma egyenlő, vagyis folyamatosan párban képződnek, akkor a szilíciumhoz adott szennyeződésnél, például arzénnál, amelynek egy vegyértéke 5, a lyukak száma kisebb lesz, mint a szabad elektronok száma, vagyis nagy számú szabad elektronból félvezető képződik, negatív töltésű, n-típusú (negatív) félvezető lesz. És ha összekevered az indiumot, amelynek vegyértéke 3, ami kisebb, mint a szilíciumé, akkor több lyuk lesz – p-típusú (pozitív) félvezető lesz.

Most, ha különböző vezetőképességű félvezetőket hozunk érintkezésbe, akkor az érintkezési pontban p-n átmenetet kapunk. Az n-régióból mozgó elektronok és a p-régióból mozgó lyukak egymás felé kezdenek mozogni, és az érintkezés ellentétes oldalain ellentétes töltésű régiók lesznek (a pn-átmenet ellentétes oldalán): egy pozitív töltés halmozódik fel az n-régióban és egy negatív töltés a p-régióban. A kristály különböző részei az átmenet szempontjából ellentétes töltésűek lesznek. Ez a pozíció nagyon fontos mindenkinek a munkája szempontjából. félvezető eszközök.

Az ilyen eszköz legegyszerűbb példája egy félvezető dióda, ahol csak egy pn átmenetet használnak, ami elegendő a feladat megvalósításához - az áram egyetlen irányba történő vezetése.

Az n-régió elektronjai az áramforrás pozitív pólusa felé, a p-régióból a lyukak pedig a negatív pólus felé mozognak. Elegendő pozitív és negatív töltés halmozódik fel a csomópont közelében, a csomópont ellenállása jelentősen csökken, és az áramkörön keresztül áramlik majd.

A dióda fordított kapcsolásánál az áram több tízezerszer kisebb lesz, mivel az elektronokat és a lyukakat egyszerűen egy elektromos tér fújja ki a csomópontból különböző irányokba. Ez az elv működik dióda egyenirányító.