Elektrisk ström i halvledare
Mellan ledarna och dielektrikum, i termer av motstånd, finns halvledare… Kisel, germanium, tellur, etc. — Många grundämnen i det periodiska systemet och deras föreningar tillhör halvledare. Många oorganiska ämnen är halvledare. Kisel är bredare än andra i naturen; jordskorpan består av 30 % av den.
Den främsta slående skillnaden mellan halvledare och metaller ligger i den negativa temperaturkoefficienten för motstånd: ju högre temperatur på halvledaren, desto lägre är dess elektriska motstånd. För metaller är det tvärtom: ju högre temperatur, desto större motstånd. Om en halvledare kyls till absolut noll blir den dielektrisk.
Detta beroende av halvledarkonduktivitet på temperaturen visar att koncentrationen gratis taxichaufförer i halvledare är inte konstant och ökar med temperaturen.Mekanismen för passage av en elektrisk ström genom en halvledare kan inte reduceras till modellen för en gas av fria elektroner, som i metaller. För att förstå denna mekanism kan vi titta på den till exempel på en germaniumkristall.
I det normala tillståndet innehåller germaniumatomer fyra valenselektroner i sitt yttre skal - fyra elektroner som är löst bundna till kärnan. Dessutom är varje atom i germaniumkristallgittret omgiven av fyra angränsande atomer. Och bindningen här är kovalent, vilket betyder att den bildas av par valenselektroner.
Det visar sig att var och en av valenselektronerna tillhör två atomer samtidigt, och bindningarna för valenselektronerna inuti germanium med dess atomer är starkare än i metaller. Det är därför, vid rumstemperatur, halvledare leder ström flera storleksordningar sämre än metaller. Och vid absolut noll kommer alla germaniums valenselektroner att vara upptagna i bindningar och det kommer inte att finnas några fria elektroner för att ge strömmen.
När temperaturen ökar får några av valenselektronerna energi som blir tillräcklig för att bryta kovalenta bindningar. Det är så fria ledningselektroner uppstår. En typ av vakans bildas i frånkopplingszoner— hål utan elektroner.
Detta hål kan lätt upptas av en valenselektron från ett angränsande par, då kommer hålet att flytta på plats vid den intilliggande atomen. Vid en viss temperatur bildas ett visst antal så kallade elektronhålspar i kristallen.
Samtidigt sker processen för elektron-hålsrekombination - ett hål som möter en fri elektron återställer den kovalenta bindningen mellan atomer i en germaniumkristall. Sådana par, bestående av en elektron och ett hål, kan uppstå i en halvledare inte bara på grund av temperaturpåverkan, utan också när halvledaren är belyst, det vill säga på grund av den energi som infaller på den. elektromagnetisk strålning.
Om inget yttre elektriskt fält appliceras på halvledaren, kommer de fria elektronerna och hålen i kaotisk termisk rörelse. Men när en halvledare placeras i ett externt elektriskt fält börjar elektronerna och hålen röra sig på ett ordnat sätt. Det är så det föds halvledarström.
Den består av elektronström och hålström. I en halvledare är koncentrationen av hål och ledningselektroner lika, och bara i rena halvledare gör det det ledningsmekanism för elektronhål… Detta är den inneboende elektriska ledningsförmågan hos halvledaren.
Orenhetsledning (elektron och hål)
Om det finns föroreningar i halvledaren ändras dess elektriska ledningsförmåga avsevärt jämfört med den rena halvledaren. Att tillsätta en förorening i form av fosfor till en kiselkristall, i en mängd av 0,001 atomprocent, kommer att öka konduktiviteten med mer än 100 000 gånger! En sådan betydande effekt av föroreningar på konduktiviteten är förståelig.
Huvudvillkoret för tillväxten av föroreningskonduktivitet är skillnaden mellan föroreningens valens och moderelementets valens. Sådan orenhetsledning kallas föroreningsledning och kan vara en elektron och ett hål.
En germaniumkristall börjar ha elektronisk ledningsförmåga om femvärda atomer, säg arsenik, introduceras i den, medan valensen för själva germaniumatomerna är fyra. När den femvärda arsenikatomen är i stället för germaniumkristallgittret, är de fyra yttre elektronerna i arsenikatomen involverade i kovalenta bindningar med fyra närliggande germaniumatomer. Den femte elektronen i arsenikatomen blir fri, den lämnar lätt sin atom.
Och atomen som lämnas av elektronen förvandlas till en positiv jon i stället för halvledarens kristallgitter. Detta är den så kallade donatorföroreningen när valensen av föroreningen är större än valensen för huvudatomerna. Många fria elektroner uppträder här, vilket är anledningen till att halvledarens elektriska resistans sjunker tusentals och miljontals gånger med införandet av en förorening. En halvledare med en stor mängd tillsatta föroreningar närmar sig metaller i konduktivitet.
Även om elektroner och hål är ansvariga för den inneboende konduktiviteten i en arsenikdopad germaniumkristall, är elektronerna som har lämnat arsenikatomerna de huvudsakliga fria laddningsbärarna. I en sådan situation överstiger koncentrationen av fria elektroner avsevärt koncentrationen av hål, och denna typ av ledningsförmåga kallas halvledarens elektroniska ledningsförmåga, och själva halvledaren kallas en n-typ halvledare.
Om i stället för femvärt arsenik tillsätts trevärt indium till germaniumkristallen kommer det att bilda kovalenta bindningar med endast tre germaniumatomer. Den fjärde germaniumatomen förblir obunden till indiumatomen. Men en kovalent elektron kan fångas av närliggande germaniumatomer.Indiumet kommer då att vara en negativ jon, och den närliggande germaniumatomen kommer att uppta en ledig plats där den kovalenta bindningen fanns.
En sådan förorening, när en föroreningsatom fångar elektroner, kallas en acceptorförorening. När en acceptorförorening införs bryts många kovalenta bindningar i kristallen och många hål bildas i vilka elektroner kan hoppa från kovalenta bindningar. I frånvaro av elektrisk ström rör sig hålen slumpmässigt över kristallen.
En acceptor leder till en kraftig ökning av ledningsförmågan hos halvledaren på grund av skapandet av ett överflöd av hål, och koncentrationen av dessa hål överstiger avsevärt koncentrationen av elektroner i halvledarens inneboende elektriska ledningsförmåga. Detta är hålledning och halvledaren kallas en halvledare av p-typ. De huvudsakliga laddningsbärarna i den är hål.