Kekonduksian semikonduktor

Bahan yang mampu mengalirkan atau tidak mengalirkan arus elektrik tidak terhad kepada pembahagian ketat hanya konduktor dan dielektrik. Terdapat juga semikonduktor, seperti silikon, selenium, germanium, dan mineral dan aloi lain yang layak dipisahkan sebagai kumpulan yang berasingan.

Bahan ini mengalirkan arus elektrik lebih baik daripada dielektrik, tetapi lebih buruk daripada logam, dan kekonduksian mereka meningkat dengan peningkatan suhu atau pencahayaan. Ciri semikonduktor ini menjadikannya boleh digunakan dalam penderia cahaya dan suhu, tetapi aplikasi utamanya masih elektronik.

Jika anda melihat, sebagai contoh, pada kristal silikon, anda boleh mendapati bahawa silikon mempunyai valensi 4, iaitu, pada kulit luar atomnya terdapat 4 elektron yang terikat kepada empat atom silikon jiran dalam kristal. Jika kristal sedemikian dipengaruhi oleh haba atau cahaya, maka elektron valens akan menerima peningkatan tenaga dan meninggalkan atom mereka, menjadi elektron bebas - gas elektron akan muncul dalam isipadu terbuka semikonduktor - seperti dalam logam, iaitu, ia akan berlaku keadaan pegangan.

Tetapi tidak seperti logam, semikonduktor berbeza dalam kekonduksian elektron dan lubang. Mengapa ini berlaku dan apakah itu? Apabila elektron valens meninggalkan tapaknya, kawasan kekurangan cas negatif—“lubang”—terbentuk di tapak bekas tersebut, yang kini mempunyai lebihan cas positif.

Elektron jiran akan mudah melompat ke dalam «lubang» yang terhasil, dan sebaik sahaja lubang ini diisi dengan elektron yang melompat ke dalamnya, lubang terbentuk semula sebagai ganti elektron yang melompat.

Iaitu, ternyata lubang adalah kawasan bergerak bercas positif semikonduktor. Dan apabila semikonduktor disambungkan ke litar dengan sumber EMF, elektron akan bergerak ke terminal positif sumber dan lubang ke terminal negatif. Ini adalah bagaimana kekonduksian dalaman semikonduktor berlaku.

Pergerakan lubang dan elektron pengaliran dalam semikonduktor tanpa medan elektrik yang digunakan akan menjadi huru-hara. Jika medan elektrik luaran digunakan pada kristal, maka elektron di dalamnya akan bergerak melawan medan, dan lubang akan bergerak di sepanjang medan, iaitu fenomena pengaliran dalaman akan berlaku dalam semikonduktor, yang bukan sahaja akan disebabkan oleh elektron, tetapi juga oleh lubang .

Dalam semikonduktor, pengaliran sentiasa berlaku hanya di bawah pengaruh beberapa faktor luaran: disebabkan oleh penyinaran dengan foton, daripada kesan suhu, apabila medan elektrik digunakan, dsb.

Paras Fermi dalam semikonduktor jatuh di tengah-tengah jurang jalur. Peralihan elektron dari jalur valens atas ke jalur pengaliran bawah memerlukan tenaga pengaktifan yang sama dengan delta celah jalur (lihat rajah). Dan sebaik sahaja elektron muncul dalam jalur konduksi, lubang dicipta dalam jalur valensi. Oleh itu, tenaga yang dibelanjakan dibahagikan sama rata semasa pembentukan sepasang pembawa semasa.

Separuh daripada tenaga (bersamaan dengan separuh daripada lebar jalur) dibelanjakan untuk pemindahan elektron dan separuh untuk pembentukan lubang; akibatnya, asal sepadan dengan tengah lebar jalur. Tenaga Fermi dalam semikonduktor ialah tenaga di mana elektron dan lubang teruja. Kedudukan tahap Fermi terletak untuk semikonduktor di tengah-tengah jurang jalur boleh disahkan dengan pengiraan matematik, tetapi kami meninggalkan pengiraan matematik di sini.

Di bawah pengaruh faktor luaran, contohnya, apabila suhu meningkat, getaran terma kekisi kristal semikonduktor membawa kepada pemusnahan beberapa ikatan valens, akibatnya beberapa elektron menjadi, dipisahkan, pembawa cas bebas. .

Dalam semikonduktor, bersama-sama dengan pembentukan lubang dan elektron, proses penggabungan semula berlaku: elektron masuk ke jalur valens dari jalur konduksi, memberikan tenaga mereka kepada kekisi kristal dan memancarkan kuanta sinaran elektromagnet.Oleh itu, setiap suhu sepadan dengan kepekatan keseimbangan lubang dan elektron, yang bergantung pada suhu mengikut ungkapan berikut:

Terdapat juga kekonduksian kekotoran semikonduktor, apabila bahan yang sedikit berbeza dimasukkan ke dalam kristal semikonduktor tulen yang mempunyai valensi yang lebih tinggi atau lebih rendah daripada bahan induk.

Jika dalam silikon tulen, katakan, dalam silikon yang sama, bilangan lubang dan elektron bebas adalah sama, iaitu, ia terbentuk sepanjang masa secara berpasangan, maka dalam hal kekotoran yang ditambahkan pada silikon, sebagai contoh, arsenik, mempunyai valens 5, bilangan lubang akan kurang daripada bilangan elektron bebas, iaitu semikonduktor dibentuk dengan sejumlah besar elektron bebas, bercas negatif, ia akan menjadi semikonduktor jenis-n (negatif). Dan jika anda mencampurkan indium, yang mempunyai valensi 3, yang kurang daripada silikon, maka akan ada lebih banyak lubang-ia akan menjadi semikonduktor jenis-p (positif).

Sekarang, jika kita membawa semikonduktor kekonduksian yang berbeza ke dalam sentuhan, maka pada titik sentuhan kita mendapat persimpangan p-n. Elektron yang bergerak dari kawasan-n dan lubang-lubang yang bergerak dari kawasan-p akan mula bergerak ke arah satu sama lain, dan pada bahagian yang bertentangan dengan sentuhan akan terdapat kawasan dengan cas yang bertentangan (di bahagian yang bertentangan dengan simpang pn ) : positif cas akan terkumpul di kawasan-n dan cas negatif di kawasan-p. Bahagian kristal yang berbeza berkenaan dengan peralihan akan dicas secara bertentangan. Jawatan ini sangat penting untuk kerja semua orang. peranti semikonduktor.

Contoh paling mudah bagi peranti sedemikian ialah diod semikonduktor, di mana hanya satu persimpangan pn digunakan, yang cukup untuk mencapai tugas - untuk menjalankan arus hanya dalam satu arah.

Elektron dari kawasan-n bergerak ke arah kutub positif sumber kuasa dan lubang dari kawasan-p bergerak ke arah kutub negatif. Caj positif dan negatif yang mencukupi akan terkumpul berhampiran simpang, rintangan simpang akan berkurangan dengan ketara dan arus akan mengalir melalui litar.

Dalam sambungan terbalik diod, arus akan keluar berpuluh-puluh ribu kali lebih sedikit, kerana elektron dan lubang hanya akan ditiup oleh medan elektrik dalam arah yang berbeza dari persimpangan. Prinsip ini berfungsi penerus diod.