Полупроводникова проводимост

Веществата, способни да провеждат или не провеждат електрически ток, не се ограничават до строго разделяне само на проводници и диелектрици. Има и полупроводници, като силиций, селен, германий и други минерали и сплави, достойни да бъдат отделени като отделна група.

Тези вещества провеждат електрически ток по -добре от диелектриците, но по -лошо от металите и тяхната проводимост се увеличава с повишаване на температурата или осветлението. Тази характеристика на полупроводниците ги прави приложими в сензори за светлина и температура, но основното им приложение все още е електрониката.

Ако погледнете, например, силициев кристал, можете да откриете, че силицийът има валентност 4, тоест на външната обвивка на атома му има 4 електрона, които са свързани с четири съседни силициеви атома в кристала . Ако на такъв кристал се въздейства чрез топлина или светлина, тогава валентните електрони ще получат увеличение на енергията и ще напуснат атомите си, превръщайки се в свободни електрони — в открития обем на полупроводника ще се появи електронен газ — както в металите, че е, ще възникне условие за провеждане.

Но за разлика от металите, полупроводниците се различават по проводимост на електрони и дупки. Защо се случва това и какво е това? Когато валентните електрони напуснат местата си, на тези бивши места се образуват области с липса на отрицателен заряд — „дупки“, които сега имат излишен положителен заряд.

Съседният електрон лесно ще скочи в получената «дупка» и веднага щом тази дупка се запълни с електрона, който е скочил в нея, на мястото на скочения електрон отново се образува дупка.

Тоест, оказва се, че дупка е положително заредена движеща се област на полупроводник. И когато полупроводник е включен във верига с източник на ЕМП, електроните ще се преместят към положителния извод на източника, а дупките към отрицателния извод. Така се осъществява вътрешната проводимост на полупроводника.

Движението на дупки и електрони на проводимост в полупроводник без приложено електрическо поле ще бъде хаотично. Ако към кристала се приложи външно електрическо поле, тогава електроните вътре в него ще се движат срещу полето, а дупките ще се движат по полето, тоест явлението вътрешна проводимост ще възникне в полупроводника, което няма да бъде причинено само от електрони, но и от дупки.

В полупроводника проводимостта винаги възниква само под въздействието на някои външни фактори: поради облъчване с фотони, от действието на температурата, когато се прилагат електрически полета и т.н.

Нивото на Ферми в полупроводник пада в средата на ширината на лентата. За прехода на електрона от горната валентна зона към долната проводима зона е необходима енергия за активиране, която е равна на делтата на зоната на пролуката (виж фигурата). И веднага щом се появи електрон в зоната на проводимост, се създава дупка във валентната зона. Така изразходваната енергия се разделя поравно по време на образуването на двойка токови носители.

Половината от енергията (съответства на половината от ширината на лентата) се изразходва за прехвърляне на електрон, а половината за образуване на дупка; в резултат произходът съответства на средата на ширината на лентата. Енергията на Ферми в полупроводник е енергията, при която се възбуждат електрони и дупки.Положението, че нивото на Ферми се намира за полупроводник в средата на забранената лента, може да бъде потвърдено чрез математически изчисления, но тук пропускаме математическите изчисления.

Под въздействието на външни фактори, например, при повишаване на температурата, топлинните вибрации на кристалната решетка на полупроводник водят до разрушаване на някои валентни връзки, в резултат на което някои от електроните стават, разделени, свободни носители на заряд .

В полупроводниците, заедно с образуването на дупки и електрони, протича процесът на рекомбинация: електроните преминават във валентната зона от зоната на проводимост, отдавайки енергията си на кристалната решетка и излъчвайки кванти на електромагнитно излъчване. По този начин всяка температура съответства на равновесната концентрация на дупки и електрони, която зависи от температурата според следния израз:

Съществува и примесна проводимост на полупроводниците, когато в кристала на чист полупроводник се въвежда малко по -различно вещество, което има по -висока или по -ниска валентност от основното вещество.

Ако в чист, да речем, един и същ силиций, броят на дупките и свободните електрони е равен, тоест те се образуват през цялото време по двойки, то в случай на примес, добавен към силиция, например арсен, имащ валентност от 5, броят на дупките ще бъде по-малък от броя на свободните електрони, тоест се образува полупроводник с голям брой свободни електрони, отрицателно заредени, това ще бъде полупроводник от n-тип (отрицателен). И ако смесите индий, който има валентност 3, тоест по -малка от тази на силиция, тогава ще има повече дупки — това ще бъде полупроводник от р тип (положителен).

Сега, ако приведем в контакт полупроводници с различна проводимост, тогава в точката на контакт получаваме p-n-преход. Електроните, движещи се от n-областта и дупките, движещи се от p-областта, ще започнат да се движат един към друг един към друг, а от противоположните страни на контакта ще има области с противоположни заряди (от противоположните страни на pn-прехода) : в n-региона ще се натрупа положителен заряд и отрицателен в p-региона. Различните части на кристала по отношение на прехода ще бъдат заредени противоположно. Тази позиция е много важна за работата на всеки. полупроводникови устройства.

Най -простият пример за такова устройство е полупроводников диод, където се използва само един pn преход, което е достатъчно за постигане на поставената задача — да се проведе ток само в една посока.

Електроните от n-областта се движат към положителния полюс на източника на захранване, а дупките от p-областта се движат към отрицателния полюс. В близост до кръстовището ще се натрупат достатъчно положителни и отрицателни заряди, съпротивлението на кръстовището ще намалее значително и токът ще протече през веригата.

При обратната връзка на диода токът ще излезе десетки хиляди пъти по -малко, тъй като електроните и дупките просто ще бъдат издухани от електрическо поле в различни посоки от кръстовището. Този принцип работи диоден токоизправител.