Pusvadītāju vadītspēja

Vielas, kas spēj vadīt vai nevadīt elektrisko strāvu, neaprobežojas tikai ar striktu tikai vadītāju un dielektriķu iedalījumu. Ir arī pusvadītāji, piemēram, silīcijs, selēns, germānija un citi minerāli un sakausējumi, kurus ir vērts atdalīt kā atsevišķu grupu.

Šīs vielas vada elektrisko strāvu labāk nekā dielektriķi, bet sliktāk nekā metāli, un to vadītspēja palielinās, palielinoties temperatūrai vai apgaismojumam. Šī pusvadītāju īpašība padara tos izmantojamus gaismas un temperatūras sensoros, taču to galvenais pielietojums joprojām ir elektronika.

Ja paskatās, piemēram, uz silīcija kristālu, jūs varat atklāt, ka silīcija valence ir 4, tas ir, uz tā atoma ārējā apvalka ir 4 elektroni, kas ir saistīti ar četriem blakus esošajiem silīcija atomiem kristālā. Ja šādu kristālu ietekmē siltums vai gaisma, tad valences elektroni saņems enerģijas pieaugumu un atstās savus atomus, kļūstot par brīviem elektroniem - pusvadītāja atvērtajā tilpumā parādīsies elektronu gāze - kā metālos, tas ir, radīsies turēšanas nosacījums.

Bet atšķirībā no metāliem pusvadītāji atšķiras ar elektronu un caurumu vadītspēju. Kāpēc tas notiek un kas tas ir? Kad valences elektroni atstāj savas vietas, tajās bijušajās vietās, kurās tagad ir pozitīvā lādiņa pārpalikums, veidojas negatīva lādiņa trūkuma reģioni — “caurumi”.

Blakus esošais elektrons viegli ielēks iegūtajā «caurumā», un, tiklīdz šis caurums ir piepildīts ar tajā ielēcušo elektronu, izlēktā elektrona vietā atkal veidojas caurums.

Tas ir, izrādās, ka caurums ir pozitīvi lādēts pusvadītāja kustīgs apgabals. Un, kad pusvadītājs ir pievienots ķēdei ar EML avotu, elektroni pārvietosies uz avota pozitīvo spaili un caurumi uz negatīvo spaili. Tādā veidā notiek pusvadītāja iekšējā vadītspēja.

Caurumu un vadīšanas elektronu kustība pusvadītājā bez pielietota elektriskā lauka būs haotiska. Ja kristālam tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, tad tā iekšpusē esošie elektroni virzīsies pret lauku, un caurumi pārvietosies pa lauku, tas ir, pusvadītājā notiks iekšējās vadītspējas parādība, kas ne tikai ko izraisa elektroni, bet arī caurumi.

Pusvadītājā vadītspēja vienmēr notiek tikai dažu ārēju faktoru ietekmē: apstarošanas ar fotoniem, temperatūras ietekmes, elektrisko lauku u.c. ietekmē.

Fermi līmenis pusvadītājā ietilpst joslas spraugas vidū. Elektrona pārejai no augšējās valences joslas uz apakšējo vadīšanas joslu nepieciešama aktivācijas enerģija, kas vienāda ar joslas spraugas delta (sk. attēlu). Un, tiklīdz vadītspējas joslā parādās elektrons, valences joslā tiek izveidots caurums. Tādējādi iztērētā enerģija tiek sadalīta vienādi, veidojot strāvas nesēju pāri.

Puse enerģijas (atbilst pusei joslas platuma) tiek tērēta elektronu pārnesei un puse caurumu veidošanai; rezultātā izcelsme atbilst sloksnes platuma vidum. Fermi enerģija pusvadītājā ir enerģija, pie kuras tiek ierosināti elektroni un caurumi. Pozīciju, ka Fermi līmenis pusvadītājam atrodas joslas spraugas vidū, var apstiprināt ar matemātiskiem aprēķiniem, taču matemātiskos aprēķinus šeit izlaižam.

Ārējo faktoru ietekmē, piemēram, paaugstinoties temperatūrai, pusvadītāja kristāliskā režģa termiskās vibrācijas izraisa dažu valences saišu iznīcināšanu, kā rezultātā daļa elektronu kļūst atdalīti par brīviem lādiņa nesējiem. .

Pusvadītājos līdz ar caurumu un elektronu veidošanos notiek rekombinācijas process: no vadītspējas joslas elektroni pāriet valences joslā, atdodot savu enerģiju kristāla režģim un izstaro elektromagnētiskā starojuma kvantus.Tādējādi katra temperatūra atbilst caurumu un elektronu līdzsvara koncentrācijai, kas ir atkarīga no temperatūras saskaņā ar šādu izteiksmi:

Ir arī pusvadītāju piemaisījumu vadītspēja, kad tīra pusvadītāja kristālā tiek ievadīta nedaudz atšķirīga viela, kurai ir augstāka vai zemāka valence nekā pamatvielai.

Ja tīrā, teiksim, vienā un tajā pašā silīcijā caurumu un brīvo elektronu skaits ir vienāds, tas ir, tie visu laiku veidojas pa pāriem, tad silīcijam pievienota piemaisījuma gadījumā, piemēram, arsēns, kam ir valence 5, caurumu skaits būs mazāks par brīvo elektronu skaitu, tas ir, pusvadītājs veidojas ar lielu brīvo elektronu skaitu, negatīvi lādēts, tas būs n-veida (negatīvs) pusvadītājs. Un, ja jūs sajaucat indiju, kura valence ir 3, kas ir mazāka par silīciju, tad būs vairāk caurumu - tas būs p veida (pozitīvs) pusvadītājs.

Tagad, ja mēs saskaramies ar dažādas vadītspējas pusvadītājiem, tad saskares punktā mēs iegūstam p-n savienojumu. Elektroni, kas pārvietojas no n-apgabala, un caurumi, kas pārvietojas no p-apgabala, sāks virzīties viens pret otru, un saskares pretējās pusēs būs apgabali ar pretējiem lādiņiem (pn-pārejas pretējās pusēs): pozitīvs lādiņš uzkrāsies n-apgabalā un negatīvs lādiņš p-apgabalā. Dažādās kristāla daļas attiecībā uz pāreju būs pretēji uzlādētas. Šī pozīcija ir ļoti svarīga ikvienam darbam. pusvadītāju ierīces.

Vienkāršākais šādas ierīces piemērs ir pusvadītāju diode, kur tiek izmantots tikai viens pn pāreja, kas ir pietiekami, lai sasniegtu uzdevumu — vadīt strāvu tikai vienā virzienā.

Elektroni no n-apgabala virzās uz strāvas avota pozitīvo polu un caurumi no p-reģiona virzās uz negatīvo polu. Pie krustojuma sakrāsies pietiekami daudz pozitīvo un negatīvo lādiņu, krustojuma pretestība ievērojami samazināsies un strāva plūdīs caur ķēdi.

Diodes apgrieztā savienojumā strāva iznāks desmitiem tūkstošu reižu mazāka, jo elektronus un caurumus vienkārši izpūtīs elektriskais lauks dažādos virzienos no krustojuma. Šis princips darbojas diodes taisngriezis.