Arus elektrik dalam semikonduktor
Di antara konduktor dan dielektrik, dari segi rintangan, terletak semikonduktor… Silikon, germanium, telurium, dll. — banyak unsur jadual berkala dan sebatiannya tergolong dalam semikonduktor. Banyak bahan bukan organik adalah semikonduktor. Silikon adalah lebih luas daripada yang lain dalam alam semula jadi; kerak bumi terdiri daripada 30% daripadanya.
Perbezaan utama yang ketara antara semikonduktor dan logam terletak pada pekali rintangan suhu negatif: semakin tinggi suhu semikonduktor, semakin rendah rintangan elektriknya. Bagi logam, ia adalah sebaliknya: semakin tinggi suhu, semakin besar rintangannya. Jika semikonduktor disejukkan kepada sifar mutlak, ia menjadi dielektrik.
Pergantungan kekonduksian semikonduktor ini pada suhu menunjukkan bahawa kepekatan pemandu teksi percuma dalam semikonduktor tidak tetap dan meningkat dengan suhu.Mekanisme laluan arus elektrik melalui semikonduktor tidak boleh dikurangkan kepada model gas elektron bebas, seperti dalam logam. Untuk memahami mekanisme ini, kita boleh melihatnya sebagai contoh pada kristal germanium.
Dalam keadaan normal, atom germanium mengandungi empat elektron valens dalam kulit luarnya—empat elektron yang terikat secara longgar pada nukleus. Tambahan pula, setiap atom dalam kekisi kristal germanium dikelilingi oleh empat atom jiran. Dan ikatan di sini adalah kovalen, yang bermaksud ia dibentuk oleh pasangan elektron valens.
Ternyata setiap elektron valensi tergolong dalam dua atom pada masa yang sama, dan ikatan elektron valensi di dalam germanium dengan atomnya lebih kuat daripada logam. Itulah sebabnya, pada suhu bilik, semikonduktor mengalirkan arus beberapa urutan magnitud lebih buruk daripada logam. Dan pada sifar mutlak, semua elektron valens germanium akan diduduki dalam ikatan dan tidak akan ada elektron bebas untuk memberikan arus.
Apabila suhu meningkat, beberapa elektron valens memperoleh tenaga yang menjadi mencukupi untuk memecahkan ikatan kovalen. Ini adalah bagaimana elektron konduksi bebas timbul. Satu jenis kekosongan terbentuk di zon putus- lubang tanpa elektron.
Lubang ini dengan mudah boleh diduduki oleh elektron valens dari pasangan jiran, kemudian lubang itu akan bergerak ke tempatnya pada atom jiran. Pada suhu tertentu, sebilangan pasangan lubang elektron tertentu terbentuk dalam kristal.
Pada masa yang sama, proses penggabungan semula lubang elektron berlaku — lubang bertemu dengan elektron bebas memulihkan ikatan kovalen antara atom dalam kristal germanium. Pasangan sedemikian, yang terdiri daripada elektron dan lubang, boleh timbul dalam semikonduktor bukan sahaja disebabkan oleh tindakan suhu, tetapi juga apabila semikonduktor diterangi, iaitu, disebabkan oleh kejadian tenaga di atasnya. radiasi elektromagnetik.
Jika tiada medan elektrik luaran dikenakan pada semikonduktor, maka elektron bebas dan lubang terlibat dalam gerakan terma huru-hara. Tetapi apabila semikonduktor diletakkan dalam medan elektrik luaran, elektron dan lubang mula bergerak dengan cara yang teratur. Begitulah ia dilahirkan arus semikonduktor.
Ia terdiri daripada arus elektron dan arus lubang. Dalam semikonduktor, kepekatan lubang dan elektron pengaliran adalah sama. Dan hanya dalam semikonduktor tulen ia berbuat demikian mekanisme pengaliran lubang elektron… Ini ialah kekonduksian elektrik intrinsik semikonduktor.
Pengaliran bendasing (elektron dan lubang)
Sekiranya terdapat kekotoran dalam semikonduktor, maka kekonduksian elektriknya berubah dengan ketara berbanding dengan semikonduktor tulen. Menambah kekotoran dalam bentuk fosforus kepada kristal silikon, dalam jumlah 0.001 peratus atom, akan meningkatkan kekonduksian lebih daripada 100,000 kali ganda! Kesan kekotoran yang begitu ketara terhadap kekonduksian boleh difahami.
Syarat utama untuk pertumbuhan kekonduksian kekotoran ialah perbezaan antara valensi kekotoran dan valensi unsur induk. Pengaliran kekotoran sedemikian dipanggil pengaliran bendasing dan boleh menjadi elektron dan lubang.
Kristal germanium mula mempunyai kekonduksian elektronik jika atom pentavalen, katakan, arsenik, dimasukkan ke dalamnya, manakala valens atom germanium itu sendiri adalah empat. Apabila atom arsenik pentavalen berada di tempat kekisi kristal germanium, empat elektron luar atom arsenik terlibat dalam ikatan kovalen dengan empat atom germanium yang bersebelahan. Elektron kelima atom arsenik menjadi bebas, ia dengan mudah meninggalkan atomnya.
Dan atom yang ditinggalkan oleh elektron bertukar menjadi ion positif di tempat kekisi kristal semikonduktor. Ini adalah apa yang dipanggil kekotoran penderma apabila valensi kekotoran lebih besar daripada valensi atom utama. Banyak elektron bebas muncul di sini, itulah sebabnya, dengan pengenalan bendasing, rintangan elektrik semikonduktor jatuh beribu-ribu dan berjuta-juta kali. Semikonduktor dengan sejumlah besar kekotoran tambahan menghampiri logam dalam kekonduksian.
Walaupun elektron dan lubang bertanggungjawab untuk kekonduksian intrinsik dalam kristal germanium yang didop arsenik, elektron yang telah meninggalkan atom arsenik adalah pembawa cas bebas utama. Dalam keadaan sedemikian, kepekatan elektron bebas sangat melebihi kepekatan lubang, dan jenis kekonduksian ini dipanggil kekonduksian elektronik semikonduktor, dan semikonduktor itu sendiri dipanggil semikonduktor jenis-n.
Jika, daripada arsenik pentavalen, indium trivalen ditambah kepada kristal germanium, ia akan membentuk ikatan kovalen dengan hanya tiga atom germanium. Atom germanium keempat akan kekal tidak terikat pada atom indium. Tetapi elektron kovalen boleh ditangkap oleh atom germanium jiran.Indium kemudiannya akan menjadi ion negatif, dan atom germanium yang bersebelahan akan menduduki kekosongan di mana ikatan kovalen wujud.
Kekotoran sedemikian, apabila atom kekotoran menangkap elektron, dipanggil kekotoran penerima. Apabila kekotoran penerima diperkenalkan, banyak ikatan kovalen dipecahkan dalam kristal dan banyak lubang terbentuk di mana elektron boleh melompat daripada ikatan kovalen. Dengan ketiadaan arus elektrik, lubang-lubang bergerak secara rawak di atas kristal.
Penerima membawa kepada peningkatan mendadak dalam kekonduksian semikonduktor disebabkan oleh penciptaan banyak lubang, dan kepekatan lubang ini dengan ketara melebihi kepekatan elektron kekonduksian elektrik intrinsik semikonduktor. Ini adalah pengaliran lubang dan semikonduktor dipanggil semikonduktor jenis-p. Pembawa caj utama di dalamnya adalah lubang.