Conductivitate semiconductoare

Substanțele capabile să conducă sau să nu conducă un curent electric nu se limitează la o împărțire strictă a conductoarelor și dielectricilor. Există, de asemenea, semiconductori, cum ar fi siliciul, seleniul, germaniul și alte minerale și aliaje demne de a fi separate ca un grup separat.

Aceste substanțe conduc curentul electric mai bine decât dielectricii, dar mai rău decât metalele, iar conductivitatea lor crește odată cu creșterea temperaturii sau a iluminării. Această caracteristică a semiconductorilor îi face aplicabili în senzorii de lumină și temperatură, dar principala lor aplicație este încă electronica.

Dacă te uiți, de exemplu, la un cristal de siliciu, poți descoperi că siliciul are o valență de 4, adică pe învelișul exterior al atomului său există 4 electroni care sunt legați de patru atomi de siliciu învecinați din cristal. Dacă un astfel de cristal este afectat de căldură sau lumină, atunci electronii de valență vor primi o creștere a energiei și își vor părăsi atomii, devenind electroni liberi - un gaz de electroni va apărea în volumul deschis al semiconductorului - ca în metale, adică, va apărea o condiție de reținere.

Dar, spre deosebire de metale, semiconductorii diferă în ceea ce privește conductivitatea electronilor și a găurilor. De ce se întâmplă asta și ce este? Când electronii de valență își părăsesc locurile, regiunile cu lipsă de sarcină negativă – „găuri” – se formează în acele foste locuri, care acum au un exces de sarcină pozitivă.

Electronul vecin va sări cu ușurință în „gaura” rezultată și, de îndată ce această gaură este umplută cu electronul care a sărit în ea, se formează din nou o gaură în locul electronului sărit.

Adică, se dovedește că o gaură este o regiune în mișcare încărcată pozitiv a unui semiconductor. Și când un semiconductor este conectat la un circuit cu o sursă EMF, electronii se vor muta la borna pozitivă a sursei, iar găurile la borna negativă. Așa are loc conductivitatea internă a semiconductorului.

Mișcarea găurilor și a electronilor de conducție într-un semiconductor fără un câmp electric aplicat va fi haotică. Dacă un câmp electric extern este aplicat cristalului, atunci electronii din interiorul acestuia se vor deplasa împotriva câmpului, iar găurile se vor deplasa de-a lungul câmpului, adică fenomenul de conducere internă va avea loc în semiconductor, care nu va fi doar cauzate de electroni, dar și de găuri.

Într-un semiconductor, conducția are loc întotdeauna numai sub influența unor factori externi: din cauza iradierii cu fotoni, din efectul temperaturii, când se aplică câmpuri electrice etc.

Nivelul Fermi dintr-un semiconductor se încadrează în mijlocul benzii interzise. Tranziția electronului de la banda de valență superioară la banda de conducție inferioară necesită o energie de activare egală cu delta bandgap (vezi figura). Și de îndată ce un electron apare în banda de conducție, se creează o gaură în banda de valență. Astfel, energia cheltuită este împărțită în mod egal în timpul formării unei perechi de purtători de curent.

Jumătate din energie (care corespunde cu jumătate din lățimea benzii) este cheltuită pentru transferul de electroni și jumătate pentru formarea găurilor; ca urmare, originea corespunde cu mijlocul lățimii benzii. Energia Fermi într-un semiconductor este energia la care electronii și găurile sunt excitați.Poziția în care este situat nivelul Fermi pentru un semiconductor în mijlocul benzii interzise poate fi confirmată prin calcule matematice, dar omitem calculele matematice aici.

Sub influența factorilor externi, de exemplu, atunci când temperatura crește, vibrațiile termice ale rețelei cristaline a unui semiconductor duc la distrugerea unor legături de valență, în urma cărora unii dintre electroni devin, separați, purtători de sarcină liberi. .

În semiconductori, odată cu formarea de găuri și electroni, are loc procesul de recombinare: electronii trec în banda de valență din banda de conducție, dând energia rețelei cristaline și emițând cuante de radiație electromagnetică.Astfel, fiecare temperatură corespunde concentrației de echilibru a găurilor și a electronilor, care depinde de temperatură conform următoarei expresii:

Există și conductivitate de impurități a semiconductorilor, atunci când o substanță ușor diferită este introdusă în cristalul unui semiconductor pur care are o valență mai mare sau mai mică decât substanța de bază.

Dacă în același siliciu pur, să zicem, numărul de găuri și de electroni liberi este egal, adică se formează tot timpul în perechi, atunci în cazul unei impurități adăugate la siliciu, de exemplu, arsenul, având o valență de 5, numărul de găuri va fi mai mic decât numărul de electroni liberi, adică se formează un semiconductor cu un număr mare de electroni liberi, încărcați negativ, va fi un semiconductor de tip n (negativ). Și dacă amestecați indiul, care are o valență de 3, care este mai mică decât cea a siliciului, atunci vor fi mai multe găuri - va fi un semiconductor de tip p (pozitiv).

Acum, dacă aducem în contact semiconductori cu conductivitate diferită, atunci la punctul de contact obținem o joncțiune p-n. Electronii care se deplasează din regiunea n și găurile care se deplasează din regiunea p vor începe să se miște unul spre celălalt, iar pe părțile opuse ale contactului vor exista regiuni cu sarcini opuse (pe părțile opuse ale joncțiunii pn): un pozitiv sarcina se va acumula în regiunea n și o sarcină negativă în regiunea p. Diferitele părți ale cristalului în raport cu tranziția vor fi încărcate în mod opus. Această poziție este foarte importantă pentru munca fiecăruia. dispozitive semiconductoare.

Cel mai simplu exemplu al unui astfel de dispozitiv este o diodă semiconductoare, în care este utilizată o singură joncțiune pn, ceea ce este suficient pentru a îndeplini sarcina - să conducă curentul într-o singură direcție.

Electronii din regiunea n se deplasează spre polul pozitiv al sursei de energie, iar găurile din regiunea p se deplasează spre polul negativ. În apropierea joncțiunii se vor acumula suficiente sarcini pozitive și negative, rezistența joncțiunii va scădea semnificativ și curentul va curge prin circuit.

În conexiunea inversă a diodei, curentul va ieși de zeci de mii de ori mai puțin, deoarece electronii și găurile vor fi pur și simplu suflate de un câmp electric în direcții diferite față de joncțiune. Acest principiu funcționează redresor cu dioda.