Elektromos áram a félvezetőkben
Az ellenállás szempontjából a vezetők és a dielektrikumok között helyezkednek el félvezetők… Szilícium, germánium, tellúr stb. — a periódusos rendszer számos eleme és vegyületei a félvezetők közé tartoznak. Sok szervetlen anyag félvezető. A szilícium a természetben szélesebb, mint mások; a földkéreg 30%-ából áll.
A félvezetők és a fémek közötti fő szembetűnő különbség az ellenállás negatív hőmérsékleti együtthatójában rejlik: minél magasabb a félvezető hőmérséklete, annál kisebb az elektromos ellenállása. A fémeknél ez fordítva van: minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb az ellenállás. Ha egy félvezetőt abszolút nullára hűtünk, akkor az lesz dielektromos.
A félvezető vezetőképességének ez a hőmérséklettől való függése azt mutatja, hogy a koncentráció ingyenes taxisofőrök félvezetőkben nem állandó, és a hőmérséklettel növekszik.Az elektromos áram félvezetőn való áthaladásának mechanizmusa nem redukálható a szabad elektronok gázának modelljére, mint a fémeknél. Ennek a mechanizmusnak a megértéséhez megnézhetjük például egy germánium kristályon.
Normál állapotban a germánium atomok négy vegyértékelektront tartalmaznak a külső héjukban – négy elektront, amelyek lazán kötődnek az atommaghoz. Továbbá a germánium kristályrács minden atomját négy szomszédos atom vesz körül. A kötés itt kovalens, ami azt jelenti, hogy vegyértékelektronpárok alkotják.
Kiderült, hogy mindegyik vegyértékelektron egyidejűleg két atomhoz tartozik, és a germániumon belüli vegyértékelektronok kötései az atomjaival erősebbek, mint a fémekben. Ezért van az, hogy szobahőmérsékleten a félvezetők több nagyságrenddel rosszabbul vezetik az áramot, mint a fémek. Abszolút nullán pedig a germánium összes vegyértékelektronja kötésekben lesz elfoglalva, és nem lesznek szabad elektronok, amelyek biztosítanák az áramot.
A hőmérséklet emelkedésével a vegyértékelektronok egy része energiát nyer, amely elegendő lesz a kovalens kötések megszakításához. Így keletkeznek a szabad vezetési elektronok. A leválasztási zónákban egyfajta üresedés képződik - lyukak elektronok nélkül.
Ezt a lyukat könnyen elfoglalhatja egy szomszédos pár vegyértékelektronja, majd a lyuk a szomszédos atomnál a helyére kerül. Egy bizonyos hőmérsékleten bizonyos számú úgynevezett elektron-lyuk pár képződik a kristályban.
Ugyanakkor megtörténik az elektron-lyuk rekombináció folyamata – a szabad elektronnal találkozó lyuk helyreállítja a kovalens kötést az atomok között egy germániumkristályban. Ilyen, elektronból és lyukból álló párok a félvezetőben nem csak a hőmérséklet hatására keletkezhetnek, hanem a félvezető megvilágításakor is, vagyis a rá eső energia hatására. elektromágneses sugárzás.
Ha a félvezetőre nincs külső elektromos tér, akkor a szabad elektronok és a lyukak kaotikus hőmozgásba lépnek. De amikor egy félvezetőt külső elektromos térbe helyeznek, az elektronok és a lyukak rendezett módon mozognak. Így születik félvezető áram.
Elektronáramból és lyukáramból áll. A félvezetőben a lyukak és a vezetési elektronok koncentrációja egyenlő, és csak a tiszta félvezetőkben van így. elektronlyuk vezetési mechanizmus… Ez a félvezető belső elektromos vezetőképessége.
Szennyeződések vezetése (elektron és lyuk)
Ha a félvezetőben szennyeződések vannak, akkor az elektromos vezetőképessége jelentősen megváltozik a tiszta félvezetőhöz képest. Ha egy szilíciumkristályhoz 0,001 atomszázalékos szennyeződést adunk foszfor formájában, a vezetőképesség több mint 100 000-szeresére nő! A szennyeződések vezetőképességre gyakorolt ilyen jelentős hatása érthető.
A szennyező vezetőképesség növekedésének fő feltétele a szennyeződés vegyértéke és az alapelem vegyértéke közötti különbség. Az ilyen szennyeződésvezetést ún szennyező vezetés, és lehet egy elektron és egy lyuk.
A germániumkristály akkor kezd elektromos vezetőképességgel rendelkezni, ha öt vegyértékű atomokat, mondjuk arzént viszünk bele, miközben magának a germániumnak a vegyértéke négy. Amikor az ötértékű arzénatom a germánium kristályrács helyén van, az arzénatom négy külső elektronja kovalens kötésben vesz részt négy szomszédos germániumatommal. Az arzénatom ötödik elektronja szabaddá válik, könnyen elhagyja atomját.
Az elektron által hátrahagyott atom pedig a félvezető kristályrácsának helyén pozitív ionná alakul. Ez az úgynevezett donor szennyeződés, amikor a szennyeződés vegyértéke nagyobb, mint a fő atomok vegyértéke. Itt sok szabad elektron jelenik meg, ezért egy szennyeződés bejutásával a félvezető elektromos ellenállása ezerszer és milliószorosára csökken. A nagy mennyiségű hozzáadott szennyeződést tartalmazó félvezető vezetőképességében megközelíti a fémeket.
Bár az elektronok és a lyukak felelősek az arzénnel adalékolt germániumkristály belső vezetőképességéért, az arzénatomokat elhagyó elektronok a fő szabad töltéshordozók. Ilyen helyzetben a szabad elektronok koncentrációja nagymértékben meghaladja a lyukak koncentrációját, és ezt a típusú vezetőképességet a félvezető elektronikus vezetőképességének, magát a félvezetőt pedig n-típusú félvezetőnek nevezzük.
Ha ötvegyértékű arzén helyett háromértékű indiumot adunk a germániumkristályhoz, az csak három germániumatommal hoz létre kovalens kötést. A negyedik germánium atom kötetlenül marad az indium atomhoz. De egy kovalens elektront befoghatnak a szomszédos germánium atomok.Az indium ekkor negatív ion lesz, és a szomszédos germániumatom egy üres helyet foglal el, ahol a kovalens kötés létezett.
Az ilyen szennyeződést, amikor egy szennyező atom befogja az elektronokat, akceptor szennyeződésnek nevezzük. Amikor egy akceptor szennyeződést viszünk be, sok kovalens kötés megszakad a kristályban, és sok lyuk keletkezik, amelyekbe a kovalens kötésekből elektronok ugorhatnak. Elektromos áram hiányában a lyukak véletlenszerűen mozognak a kristályon.
Az akceptor a félvezető vezetőképességének meredek növekedéséhez vezet a rengeteg lyuk létrehozása miatt, és ezeknek a lyukaknak a koncentrációja jelentősen meghaladja a félvezető belső elektromos vezetőképességének elektronjainak koncentrációját. Ez lyukvezetés, és a félvezetőt p-típusú félvezetőnek nevezik. A fő töltéshordozók benne a lyukak.