Elektriskā strāva pusvadītājos
Starp vadītājiem un dielektriķiem pretestības ziņā atrodas pusvadītāji… Silīcijs, germānija, telūrs utt. — daudzi periodiskās tabulas elementi un to savienojumi pieder pie pusvadītājiem. Daudzas neorganiskās vielas ir pusvadītāji. Silīcijs ir plašāks nekā citi dabā; zemes garoza sastāv no 30% no tā.
Galvenā pārsteidzošā atšķirība starp pusvadītājiem un metāliem ir negatīvā temperatūras pretestības koeficientā: jo augstāka ir pusvadītāja temperatūra, jo zemāka ir tā elektriskā pretestība. Attiecībā uz metāliem tas ir pretējs: jo augstāka temperatūra, jo lielāka pretestība. Ja pusvadītājs tiek atdzesēts līdz absolūtai nullei, tas kļūst dielektrisks.
Šī pusvadītāju vadītspējas atkarība no temperatūras parāda, ka koncentrācija bezmaksas taksometru vadītāji pusvadītājos nav nemainīgs un palielinās līdz ar temperatūru.Elektriskās strāvas pārejas mehānismu caur pusvadītāju nevar reducēt līdz brīvo elektronu gāzes modelim, kā tas ir metālos. Lai saprastu šo mehānismu, mēs varam to aplūkot, piemēram, uz germānija kristāla.
Normālā stāvoklī germānija atomu ārējā apvalkā ir četri valences elektroni - četri elektroni, kas ir brīvi saistīti ar kodolu. Turklāt katru germānija kristāla režģa atomu ieskauj četri blakus esošie atomi. Un saite šeit ir kovalenta, kas nozīmē, ka to veido valences elektronu pāri.
Izrādās, ka katrs no valences elektroniem vienlaikus pieder diviem atomiem, un valences elektronu saites germānija iekšpusē ar tā atomiem ir stiprākas nekā metālos. Tāpēc istabas temperatūrā pusvadītāji vada strāvu par vairākām kārtām sliktāk nekā metāli. Un pie absolūtās nulles visi germānija valences elektroni būs aizņemti saitēs un nebūs brīvu elektronu, kas nodrošinātu strāvu.
Temperatūrai paaugstinoties, daži valences elektroni iegūst enerģiju, kas kļūst pietiekama, lai pārrautu kovalentās saites. Tādā veidā rodas brīvas vadīšanas elektroni. Atslēgšanās zonās veidojas sava veida vakance — caurumi bez elektroniem.
Šo caurumu var viegli aizņemt valences elektrons no blakus esošā pāra, tad caurums pārvietosies vietā pie blakus esošā atoma. Noteiktā temperatūrā kristālā veidojas noteikts skaits tā saukto elektronu caurumu pāru.
Tajā pašā laikā notiek elektronu caurumu rekombinācijas process - caurums, kas satiekas ar brīvo elektronu, atjauno kovalento saiti starp atomiem germānija kristālā. Šādi pāri, kas sastāv no elektrona un cauruma, var rasties pusvadītājā ne tikai temperatūras ietekmē, bet arī tad, kad pusvadītājs ir izgaismots, tas ir, uz tā krītošās enerģijas dēļ. elektromagnētiskā radiācija.
Ja pusvadītājam netiek pielietots ārējs elektriskais lauks, tad brīvie elektroni un caurumi iesaistās haotiskā termiskā kustībā. Bet, kad pusvadītāju ievieto ārējā elektriskā laukā, elektroni un caurumi sāk kustēties sakārtotā veidā. Tā tas piedzimst pusvadītāju strāva.
Tas sastāv no elektronu strāvas un caurumu strāvas. Pusvadītājā caurumu un vadītspējas elektronu koncentrācija ir vienāda. Un tas notiek tikai tīros pusvadītājos elektronu caurumu vadīšanas mehānisms… Tā ir pusvadītāja iekšējā elektriskā vadītspēja.
Piemaisījumu vadītspēja (elektrons un caurums)
Ja pusvadītājā ir piemaisījumi, tad tā elektrovadītspēja būtiski mainās, salīdzinot ar tīro pusvadītāju. Pievienojot silīcija kristālam piemaisījumu fosfora veidā 0,001 atomprocenta daudzumā, vadītspēja palielināsies par vairāk nekā 100 000 reižu! Šāda būtiska piemaisījumu ietekme uz vadītspēju ir saprotama.
Galvenais nosacījums piemaisījumu vadītspējas pieaugumam ir atšķirība starp piemaisījuma valenci un pamatelementa valenci. Šādu piemaisījumu vadītspēju sauc piemaisījumu vadītspēja un var būt elektrons un caurums.
Germānija kristālam sāk būt elektroniska vadītspēja, ja tajā tiek ievadīti piecvērtīgie atomi, piemēram, arsēns, savukārt paša germānija atomu valence ir četri. Kad piecvērtīgais arsēna atoms atrodas germānija kristāla režģa vietā, arsēna atoma četri ārējie elektroni ir iesaistīti kovalentajās saitēs ar četriem blakus esošajiem germānija atomiem. Arsēna atoma piektais elektrons kļūst brīvs, tas viegli atstāj savu atomu.
Un elektrona atstātais atoms pusvadītāja kristāliskā režģa vietā pārvēršas par pozitīvo jonu. Tas ir tā sauktais donoru piemaisījums, ja piemaisījuma valence ir lielāka par galveno atomu valences vērtību. Šeit parādās daudz brīvo elektronu, tāpēc, ieviešot piemaisījumu, pusvadītāja elektriskā pretestība samazinās tūkstošiem un miljoniem reižu. Pusvadītājs ar lielu pievienoto piemaisījumu daudzumu tuvojas metāliem vadītspējas ziņā.
Lai gan elektroni un caurumi ir atbildīgi par arsēna leģētā germānija kristāla iekšējo vadītspēju, elektroni, kas atstājuši arsēna atomus, ir galvenie brīvie lādiņu nesēji. Šādā situācijā brīvo elektronu koncentrācija ievērojami pārsniedz caurumu koncentrāciju, un šāda veida vadītspēju sauc par pusvadītāja elektronisko vadītspēju, bet pašu pusvadītāju sauc par n-veida pusvadītāju.
Ja piecvērtīgā arsēna vietā germānija kristālam pievieno trīsvērtīgo indiju, tas veidos kovalentās saites tikai ar trim germānija atomiem. Ceturtais germānija atoms paliks nesaistīts ar indija atomu. Bet kovalento elektronu var uztvert blakus esošie germānija atomi.Tad indijs būs negatīvs jons, un blakus esošais germānija atoms ieņems vakanci, kur pastāvēja kovalentā saite.
Šādu piemaisījumu, kad piemaisījuma atoms uztver elektronus, sauc par akceptora piemaisījumu. Kad tiek ievadīts akceptora piemaisījums, kristālā tiek pārrautas daudzas kovalentās saites un veidojas daudzi caurumi, kuros elektroni var ielēkt no kovalentajām saitēm. Ja nav elektriskās strāvas, caurumi nejauši pārvietojas pa kristālu.
Akceptors izraisa strauju pusvadītāja vadītspējas pieaugumu, jo tiek izveidots daudz caurumu, un šo caurumu koncentrācija ievērojami pārsniedz pusvadītāja iekšējās elektriskās vadītspējas elektronu koncentrāciju. Tā ir caurumu vadītspēja, un pusvadītāju sauc par p veida pusvadītāju. Galvenie lādiņu nesēji tajā ir caurumi.