Halvleder ledningsevne

Stoffer som er i stand til å lede eller ikke lede en elektrisk strøm er ikke begrenset til en streng inndeling av kun ledere og dielektrikum. Det finnes også halvledere, som silisium, selen, germanium og andre mineraler og legeringer som er verdig å skilles ut som en egen gruppe.

Disse stoffene leder elektrisk strøm bedre enn dielektrikum, men dårligere enn metaller, og deres ledningsevne øker med økende temperatur eller belysning. Denne egenskapen til halvledere gjør dem anvendelige i lys- og temperatursensorer, men deres hovedanvendelse er fortsatt elektronikk.

Hvis du for eksempel ser på en silisiumkrystall, kan du finne at silisium har en valens på 4, det vil si at på det ytre skallet av atomet sitt er det 4 elektroner som er bundet til fire nærliggende silisiumatomer i krystallen. Hvis en slik krystall påvirkes av varme eller lys, vil valenselektronene motta en økning i energi og forlate atomene sine og bli frie elektroner - en elektrongass vil dukke opp i det åpne volumet av halvlederen - som i metaller, det vil si, det vil en holdetilstand oppstår.

Men i motsetning til metaller, er halvledere forskjellige i deres ledningsevne av elektroner og hull. Hvorfor skjer dette og hva er det? Når valenselektronene forlater stedene, dannes områder med mangel på negativ ladning - "hull" - i de tidligere stedene, som nå har et overskudd av positiv ladning.

Naboelektronet vil lett hoppe inn i det resulterende «hullet», og så snart dette hullet er fylt med elektronet som hoppet inn i det, dannes det igjen et hull i stedet for det hoppede elektronet.

Det vil si at det viser seg at et hull er et positivt ladet bevegelig område av en halvleder. Og når en halvleder kobles til en krets med en EMF-kilde, vil elektronene bevege seg til den positive terminalen på kilden og hullene til den negative terminalen. Slik foregår den indre ledningsevnen til halvlederen.

Bevegelsen av hull og ledningselektroner i en halvleder uten påført elektrisk felt vil være kaotisk. Hvis et eksternt elektrisk felt påføres krystallen, vil elektronene inne i den bevege seg mot feltet, og hullene vil bevege seg langs feltet, det vil si at fenomenet intern ledning vil oppstå i halvlederen, som ikke bare vil være forårsaket av elektroner, men også av hull.

I en halvleder skjer ledning alltid bare under påvirkning av noen eksterne faktorer: på grunn av bestråling med fotoner, fra effekten av temperatur, når elektriske felt påføres, etc.

Fermi-nivået i en halvleder faller midt i båndgapet. Overgangen av elektronet fra det øvre valensbåndet til det nedre ledningsbåndet krever en aktiveringsenergi lik båndgapet delta (se figur). Og så snart et elektron dukker opp i ledningsbåndet, dannes det et hull i valensbåndet. Dermed blir energibruken delt likt under dannelsen av et par strømbærere.

Halvparten av energien (tilsvarende halvparten av båndbredden) brukes på elektronoverføring og halvparten på hulldannelse; som et resultat tilsvarer origo til midten av stripebredden. Fermi-energien i en halvleder er energien som elektroner og hull eksiteres i. Posisjonen som Fermi-nivået ligger for en halvleder i midten av båndgapet kan bekreftes ved matematiske beregninger, men vi utelater de matematiske beregningene her.

Under påvirkning av eksterne faktorer, for eksempel når temperaturen øker, fører de termiske vibrasjonene til krystallgitteret til en halvleder til ødeleggelse av noen valensbindinger, som et resultat av at noen av elektronene blir, separerte, frie ladningsbærere .

I halvledere, sammen med dannelsen av hull og elektroner, finner rekombinasjonsprosessen sted: elektroner passerer inn i valensbåndet fra ledningsbåndet, gir sin energi til krystallgitteret og sender ut kvanter av elektromagnetisk stråling.Dermed tilsvarer hver temperatur likevektskonsentrasjonen av hull og elektroner, som avhenger av temperaturen i henhold til følgende uttrykk:

Det er også urenhetsledningsevne til halvledere, når et litt annet stoff introduseres i krystallen til en ren halvleder som har høyere eller lavere valens enn moderstoffet.

Hvis i rent, for eksempel, samme silisium, er antallet hull og frie elektroner likt, det vil si at de dannes hele tiden i par, så i tilfelle en urenhet tilsatt silisium, for eksempel arsen, har en valens på 5, vil antall hull være mindre enn antall frie elektroner, det vil si at det dannes en halvleder med et stort antall frie elektroner, negativt ladet, det vil være en n-type (negativ) halvleder. Og hvis du blander indium, som har en valens på 3, som er mindre enn for silisium, vil det være flere hull - det vil være en p-type (positiv) halvleder.

Nå, hvis vi bringer halvledere med forskjellig ledningsevne i kontakt, får vi ved kontaktpunktet et p-n-kryss. Elektroner som beveger seg fra n-området og hull som beveger seg fra p-området vil begynne å bevege seg mot hverandre, og på motsatte sider av kontakten vil det være områder med motsatte ladninger (på motsatte sider av pn-krysset): en positiv ladning vil akkumulere i n-regionen og en negativ ladning i p-regionen. De forskjellige delene av krystallen med hensyn til overgangen vil være motsatt ladet. Denne stillingen er svært viktig for alles arbeid. halvlederenheter.

Det enkleste eksemplet på en slik enhet er en halvlederdiode, der bare ett pn-kryss brukes, noe som er nok til å oppnå oppgaven - å lede strøm i bare én retning.

Elektroner fra n-regionen beveger seg mot den positive polen til kraftkilden og hull fra p-regionen beveger seg mot den negative polen. Tilstrekkelige positive og negative ladninger vil akkumuleres nær krysset, motstanden til krysset vil reduseres betydelig og strømmen vil flyte gjennom kretsen.

I omvendt tilkobling av dioden vil strømmen komme ut titusenvis av ganger mindre, siden elektronene og hullene rett og slett vil bli blåst av et elektrisk felt i forskjellige retninger fra krysset. Dette prinsippet fungerer diode likeretter.