Elektrisk strøm i halvledere
Mellom lederne og dielektrikum, når det gjelder motstand, er plassert halvledere… Silisium, germanium, tellur, etc. — mange grunnstoffer i det periodiske system og deres forbindelser tilhører halvledere. Mange uorganiske stoffer er halvledere. Silisium er bredere enn andre i naturen; jordskorpen består av 30 % av den.
Den viktigste slående forskjellen mellom halvledere og metaller ligger i den negative temperaturkoeffisienten for motstand: jo høyere temperatur på halvlederen er, jo lavere er dens elektriske motstand. For metaller er det motsatt: Jo høyere temperatur, jo større motstand. Hvis en halvleder avkjøles til absolutt null, blir den det dielektrisk.
Denne avhengigheten av halvlederkonduktivitet på temperatur viser at konsentrasjonen gratis taxisjåfører i halvledere er ikke konstant og øker med temperaturen.Mekanismen for passasje av en elektrisk strøm gjennom en halvleder kan ikke reduseres til modellen av en gass av frie elektroner, som i metaller. For å forstå denne mekanismen kan vi se på den for eksempel på en germaniumkrystall.
I normal tilstand inneholder germaniumatomer fire valenselektroner i deres ytre skall - fire elektroner som er løst bundet til kjernen. Videre er hvert atom i germaniumkrystallgitteret omgitt av fire naboatomer. Og bindingen her er kovalent, noe som betyr at den er dannet av par valenselektroner.
Det viser seg at hvert av valenselektronene tilhører to atomer samtidig, og bindingene til valenselektronene inne i germanium med dets atomer er sterkere enn i metaller. Det er grunnen til at halvledere ved romtemperatur leder strøm flere størrelsesordener dårligere enn metaller. Og ved absolutt null vil alle germaniums valenselektroner være okkupert i bindinger, og det vil ikke være noen frie elektroner som gir strømmen.
Når temperaturen øker, får noen av valenselektronene energi som blir tilstrekkelig til å bryte kovalente bindinger. Slik oppstår frie ledningselektroner. En type ledig stilling dannes i frakoblingssoner— hull uten elektroner.
Dette hullet kan lett bli okkupert av et valenselektron fra et nabopar, så vil hullet bevege seg på plass ved naboatomet. Ved en viss temperatur dannes det et visst antall såkalte elektron-hull-par i krystallen.
Samtidig finner prosessen med elektron-hull-rekombinasjon sted - et hull som møter et fritt elektron gjenoppretter den kovalente bindingen mellom atomer i en germaniumkrystall. Slike par, bestående av et elektron og et hull, kan oppstå i en halvleder, ikke bare på grunn av temperaturpåvirkning, men også når halvlederen er opplyst, det vil si på grunn av energien som faller inn på den. elektromagnetisk stråling.
Hvis det ikke påføres noe eksternt elektrisk felt på halvlederen, vil de frie elektronene og hullene engasjere seg i kaotisk termisk bevegelse. Men når en halvleder plasseres i et eksternt elektrisk felt, begynner elektronene og hullene å bevege seg på en ordnet måte. Det er slik det er født halvlederstrøm.
Den består av elektronstrøm og hullstrøm. I en halvleder er konsentrasjonen av hull og ledningselektroner lik, og bare i rene halvledere gjør den det ledningsmekanisme for elektronhull… Dette er den iboende elektriske ledningsevnen til halvlederen.
Urenhetsledning (elektron og hull)
Hvis det er urenheter i halvlederen, endres dens elektriske ledningsevne betydelig sammenlignet med den rene halvlederen. Å tilsette en urenhet i form av fosfor til en silisiumkrystall, i en mengde på 0,001 atomprosent, vil øke ledningsevnen med mer enn 100 000 ganger! En så betydelig effekt av urenheter på ledningsevnen er forståelig.
Hovedbetingelsen for vekst av urenhetsledningsevne er forskjellen mellom valensen til urenheten og valensen til det overordnede elementet. Slik urenhetsledning kalles urenhetsledning og kan være et elektron og et hull.
En germaniumkrystall begynner å ha elektronisk ledningsevne hvis femverdige atomer, for eksempel arsen, blir introdusert i den, mens valensen til atomene til germanium selv er fire. Når det femverdige arsenatomet er i stedet for germaniumkrystallgitteret, er de fire ytre elektronene til arsenatomet involvert i kovalente bindinger med fire tilstøtende germaniumatomer. Det femte elektronet i arsenatomet blir fritt, det forlater lett atomet.
Og atomet etterlatt av elektronet blir til et positivt ion i stedet for krystallgitteret til halvlederen. Dette er den såkalte donorurenheten når valensen til urenheten er større enn valensen til hovedatomene. Mange frie elektroner vises her, og det er grunnen til at den elektriske motstanden til halvlederen faller tusenvis og millioner av ganger med introduksjonen av en urenhet. En halvleder med en stor mengde tilsatte urenheter nærmer seg metaller i ledningsevne.
Selv om elektroner og hull er ansvarlige for den iboende ledningsevnen i en arsenikkdopet germaniumkrystall, er elektronene som har forlatt arsenatomene de viktigste gratis ladningsbærerne. I en slik situasjon overstiger konsentrasjonen av frie elektroner sterkt konsentrasjonen av hull, og denne typen ledningsevne kalles halvlederens elektroniske ledningsevne, og selve halvlederen kalles en n-type halvleder.
Hvis i stedet for femverdig arsen tilsettes trivalent indium til germaniumkrystallen, vil det danne kovalente bindinger med kun tre germaniumatomer. Det fjerde germaniumatomet vil forbli ubundet til indiumatomet. Men et kovalent elektron kan fanges opp av nærliggende germaniumatomer.Indiumet vil da være et negativt ion, og det tilstøtende germaniumatomet vil oppta en ledig plass der den kovalente bindingen eksisterte.
En slik urenhet, når et urenhetsatom fanger elektroner, kalles en akseptorurenhet. Når en akseptor-urenhet blir introdusert, brytes mange kovalente bindinger i krystallen og det dannes mange hull som elektroner kan hoppe inn i fra kovalente bindinger. I fravær av en elektrisk strøm beveger hullene seg tilfeldig over krystallen.
En akseptor fører til en kraftig økning i ledningsevnen til halvlederen på grunn av dannelsen av en overflod av hull, og konsentrasjonen av disse hullene overstiger betydelig konsentrasjonen av elektroner av den iboende elektriske ledningsevnen til halvlederen. Dette er hullledning og halvlederen kalles en p-type halvleder. De viktigste ladebærerne i den er hull.