Curentul electric în semiconductori
Între conductori și dielectrici, din punct de vedere al rezistenței, se află semiconductori… Siliciu, germaniu, teluriu etc. — multe elemente ale tabelului periodic și compușii lor aparțin semiconductorilor. Multe substanțe anorganice sunt semiconductori. Siliciul este mai larg decât alții în natură; scoarța terestră este formată din 30% din ea.
Principala diferență izbitoare dintre semiconductori și metale constă în coeficientul de temperatură negativ al rezistenței: cu cât temperatura semiconductorului este mai mare, cu atât rezistența electrică a acestuia este mai mică. Pentru metale, este invers: cu cât temperatura este mai mare, cu atât rezistența este mai mare. Dacă un semiconductor este răcit la zero absolut, acesta devine dielectric.
Această dependență a conductivității semiconductorului de temperatură arată că concentrația taximetristi gratuiti în semiconductori nu este constantă și crește cu temperatura.Mecanismul de trecere a curentului electric printr-un semiconductor nu poate fi redus la modelul unui gaz de electroni liberi, ca în metale. Pentru a înțelege acest mecanism, îl putem privi, de exemplu, pe un cristal de germaniu.
În stare normală, atomii de germaniu conțin patru electroni de valență în învelișul lor exterior - patru electroni care sunt legați lejer de nucleu. În plus, fiecare atom din rețeaua cristalină de germaniu este înconjurat de patru atomi învecinați. Și legătura aici este covalentă, ceea ce înseamnă că este formată din perechi de electroni de valență.
Se dovedește că fiecare dintre electronii de valență aparține la doi atomi în același timp, iar legăturile electronilor de valență din interiorul germaniului cu atomii săi sunt mai puternice decât în metale. De aceea, la temperatura camerei, semiconductorii conduc curentul cu câteva ordine de mărime mai rău decât metalele. Și la zero absolut, toți electronii de valență ai germaniului vor fi ocupați în legături și nu vor fi electroni liberi care să furnizeze curentul.
Pe măsură ce temperatura crește, unii dintre electronii de valență câștigă energie care devine suficientă pentru a rupe legăturile covalente. Așa apar electronii de conducție liberă. Se formează un tip de post vacant în zonele de deconectare— găuri fără electroni.
Această gaură poate fi ocupată cu ușurință de un electron de valență dintr-o pereche învecinată, apoi gaura se va muta în locul atomului vecin. La o anumită temperatură, în cristal se formează un anumit număr de așa-numitele perechi electron-gaură.
În același timp, are loc procesul de recombinare electron-gaură - o gaură care întâlnește un electron liber restabilește legătura covalentă dintre atomi dintr-un cristal de germaniu. Astfel de perechi, constând dintr-un electron și o gaură, pot apărea într-un semiconductor nu numai datorită acțiunii temperaturii, ci și atunci când semiconductorul este iluminat, adică din cauza energiei incidente asupra acestuia. radiatie electromagnetica.
Dacă nu se aplică un câmp electric extern semiconductorului, atunci electronii liberi și găurile se angajează în mișcare termică haotică. Dar atunci când un semiconductor este plasat într-un câmp electric extern, electronii și găurile încep să se miște într-o manieră ordonată. Așa se naște curent semiconductor.
Este format din curent de electroni și curent de gaură. Într-un semiconductor, concentrația de găuri și electroni de conducere sunt egale. Și numai în semiconductori puri face acest lucru Mecanismul de conducere a găurii de electroni… Aceasta este conductivitatea electrică intrinsecă a semiconductorului.
Conducerea impurităților (electron și gaură)
Dacă există impurități în semiconductor, atunci conductivitatea sa electrică se schimbă semnificativ în comparație cu semiconductorul pur. Adăugarea unei impurități sub formă de fosfor la un cristal de siliciu, în cantitate de 0,001 procente atomice, va crește conductivitatea de peste 100.000 de ori! Un efect atât de semnificativ al impurităților asupra conductibilității este de înțeles.
Condiția principală pentru creșterea conductibilității impurităților este diferența dintre valența impurității și valența elementului părinte. O astfel de conducere a impurităților se numește conducție de impurități și poate fi un electron și o gaură.
Un cristal de germaniu începe să aibă conductivitate electronică dacă în el sunt introduși atomi pentavalenti, de exemplu arsen, în timp ce valența atomilor de germaniu în sine este de patru. Când atomul de arsen pentavalent este în locul rețelei cristaline de germaniu, cei patru electroni exteriori ai atomului de arsen sunt implicați în legături covalente cu patru atomi de germaniu învecinați. Al cincilea electron al atomului de arsen devine liber, își părăsește ușor atomul.
Și atomul lăsat de electron se transformă într-un ion pozitiv în locul rețelei cristaline a semiconductorului. Aceasta este așa-numita impuritate donor atunci când valența impurității este mai mare decât valența atomilor principali. Aici apar mulți electroni liberi, motiv pentru care, odată cu introducerea unei impurități, rezistența electrică a semiconductorului scade de mii și milioane de ori. Un semiconductor cu o cantitate mare de impurități adăugate se apropie de metale în conductivitate.
Deși electronii și găurile sunt responsabili pentru conductivitatea intrinsecă a unui cristal de germaniu dopat cu arsen, electronii care au părăsit atomii de arsen sunt principalii purtători de sarcină liberă. Într-o astfel de situație, concentrația de electroni liberi depășește cu mult concentrația de găuri, iar acest tip de conductivitate se numește conductivitate electronică a semiconductorului, iar semiconductorul în sine este numit semiconductor de tip n.
Dacă, în loc de arsen pentavalent, se adaugă indiu trivalent la cristalul de germaniu, acesta va forma legături covalente cu doar trei atomi de germaniu. Al patrulea atom de germaniu va rămâne nelegat de atomul de indiu. Dar un electron covalent poate fi captat de atomii de germaniu vecini.Indiul va fi apoi un ion negativ, iar atomul de germaniu vecin va ocupa un loc liber acolo unde a existat legătura covalentă.
O astfel de impuritate, atunci când un atom de impuritate captează electroni, se numește impuritate acceptor. Când este introdusă o impuritate acceptor, multe legături covalente sunt rupte în cristal și se formează multe găuri în care electronii pot sări din legăturile covalente. În absența unui curent electric, găurile se deplasează aleatoriu peste cristal.
Un acceptor duce la o creștere bruscă a conductibilității semiconductorului datorită creării unei abundențe de găuri, iar concentrația acestor găuri depășește semnificativ concentrația de electroni a conductivității electrice intrinseci a semiconductorului. Aceasta este o conductă de orificiu și semiconductorul se numește semiconductor de tip p. Principalii purtători de încărcare din el sunt găurile.