Halvledarkonduktivitet

Ämnen som kan leda eller inte leda en elektrisk ström är inte begränsade till en strikt uppdelning av endast ledare och dielektrikum. Det finns också halvledare, såsom kisel, selen, germanium och andra mineraler och legeringar som är värda att separeras som en separat grupp.

Dessa ämnen leder elektrisk ström bättre än dielektrikum, men sämre än metaller, och deras ledningsförmåga ökar med ökande temperatur eller belysning. Denna egenskap hos halvledare gör dem tillämpbara i ljus- och temperatursensorer, men deras huvudsakliga tillämpning är fortfarande elektronik.

Om man till exempel tittar på en kiselkristall kan man finna att kisel har en valens på 4, det vill säga på det yttre skalet av sin atom finns det 4 elektroner som är bundna till fyra angränsande kiselatomer i kristallen. Om en sådan kristall påverkas av värme eller ljus, kommer valenselektronerna att få en ökning i energi och lämna sina atomer och bli fria elektroner - en elektrongas kommer att dyka upp i den öppna volymen av halvledaren - som i metaller, det vill säga, det kommer att ett hålltillstånd uppstår.

Men till skillnad från metaller skiljer sig halvledare i deras ledningsförmåga av elektroner och hål. Varför händer detta och vad är det? När valenselektronerna lämnar sina platser, bildas områden med brist på negativ laddning - "hål" - i de tidigare platserna, som nu har ett överskott av positiv laddning.

Grannelektronen kommer lätt att hoppa in i det resulterande «hålet», och så snart detta hål är fyllt med elektronen som hoppade in i det, bildas ett hål igen i stället för den hoppade elektronen.

Det vill säga, det visar sig att ett hål är ett positivt laddat rörligt område av en halvledare. Och när en halvledare är ansluten till en krets med en EMF-källa, kommer elektronerna att flytta till den positiva terminalen på källan och hålen till den negativa terminalen. Det är så den inre konduktiviteten hos halvledaren sker.

Rörelsen av hål och ledningselektroner i en halvledare utan pålagt elektriskt fält kommer att vara kaotisk. Om ett externt elektriskt fält appliceras på kristallen, kommer elektronerna inuti den att röra sig mot fältet, och hålen kommer att röra sig längs fältet, det vill säga fenomenet med intern ledning kommer att inträffa i halvledaren, vilket inte bara kommer att vara orsakas av elektroner, men också av hål.

I en halvledare sker ledning alltid endast under påverkan av vissa yttre faktorer: på grund av bestrålning med fotoner, från effekten av temperatur, när elektriska fält appliceras, etc.

Ferminivån i en halvledare faller i mitten av bandgapet. Övergången av elektronen från det övre valensbandet till det nedre ledningsbandet kräver en aktiveringsenergi lika med bandgapdeltatet (se figur). Och så snart en elektron dyker upp i ledningsbandet skapas ett hål i valensbandet. Sålunda delas den förbrukade energin lika under bildningen av ett par strömbärare.

Hälften av energin (motsvarande hälften av bandbredden) spenderas på elektronöverföring och hälften på hålbildning; som ett resultat motsvarar ursprunget mitten av remsbredden. Fermi-energin i en halvledare är den energi som elektroner och hål exciteras vid. Positionen att Fermi-nivån är belägen för en halvledare i mitten av bandgapet kan bekräftas av matematiska beräkningar, men vi utelämnar de matematiska beräkningarna här.

Under påverkan av externa faktorer, till exempel, när temperaturen ökar, leder de termiska vibrationerna i kristallgittret i en halvledare till förstörelsen av vissa valensbindningar, som ett resultat av vilket några av elektronerna blir, separerade, fria laddningsbärare .

I halvledare, tillsammans med bildandet av hål och elektroner, sker rekombinationsprocessen: elektroner passerar in i valensbandet från ledningsbandet, ger sin energi till kristallgittret och sänder ut kvanta av elektromagnetisk strålning.Således motsvarar varje temperatur jämviktskoncentrationen av hål och elektroner, vilket beror på temperaturen enligt följande uttryck:

Det finns också föroreningskonduktivitet hos halvledare, när ett något annorlunda ämne införs i kristallen av en ren halvledare som har en högre eller lägre valens än modersubstansen.

Om i rent, säg samma kisel, antalet hål och fria elektroner är lika, det vill säga de bildas hela tiden i par, då i fallet med en förorening tillsatt kisel, till exempel arsenik, som har en valens på 5 kommer antalet hål att vara mindre än antalet fria elektroner, det vill säga en halvledare bildas med ett stort antal fria elektroner, negativt laddade, det kommer att vara en n-typ (negativ) halvledare. Och om du blandar indium, som har en valens på 3, vilket är mindre än för kisel, så blir det fler hål — det blir en p-typ (positiv) halvledare.

Om vi ​​nu bringar halvledare med olika konduktivitet i kontakt, får vi vid kontaktpunkten en p-n-övergång. Elektroner som rör sig från n-området och hål som rör sig från p-området kommer att börja röra sig mot varandra, och på motsatta sidor av kontakten kommer det att finnas områden med motsatta laddningar (på motsatta sidor av pn-övergången): en positiv laddning kommer att ackumuleras i n-regionen och en negativ laddning i p-regionen. De olika delarna av kristallen med avseende på övergången kommer att vara motsatt laddade. Denna position är mycket viktig för allas arbete. halvledarenheter.

Det enklaste exemplet på en sådan enhet är en halvledardiod, där endast en pn-övergång används, vilket är tillräckligt för att uppnå uppgiften - att leda ström i endast en riktning.

Elektroner från n-regionen rör sig mot strömkällans positiva pol och hål från p-regionen rör sig mot den negativa polen. Tillräckliga positiva och negativa laddningar kommer att ackumuleras nära korsningen, korsningens motstånd kommer att minska avsevärt och ström kommer att flyta genom kretsen.

I den omvända anslutningen av dioden kommer strömmen att komma ut tiotusentals gånger mindre, eftersom elektronerna och hålen helt enkelt kommer att blåsas av ett elektriskt fält i olika riktningar från korsningen. Denna princip fungerar diodlikriktare.