Elektrický proud v polovodičích
Mezi vodiči a dielektriky, pokud jde o odpor, jsou umístěny polovodiče… Křemík, germanium, telur atd. — mnoho prvků periodické tabulky a jejich sloučenin patří k polovodičům. Mnoho anorganických látek jsou polovodiče. Křemík je v přírodě širší než ostatní; zemská kůra se skládá ze 30 % z toho.
Hlavní markantní rozdíl mezi polovodiči a kovy spočívá v záporném teplotním koeficientu odporu: čím vyšší je teplota polovodiče, tím nižší je jeho elektrický odpor. U kovů je to naopak: čím vyšší teplota, tím větší odpor. Pokud je polovodič ochlazen na absolutní nulu, stane se dielektrikum.
Tato závislost vodivosti polovodiče na teplotě ukazuje, že koncentrace taxikáři zdarma v polovodičích není konstantní a roste s teplotou.Mechanismus průchodu elektrického proudu polovodičem nelze redukovat na model plynu volných elektronů jako u kovů. Abychom tento mechanismus pochopili, můžeme se na něj podívat například na krystalu germania.
V normálním stavu obsahují atomy germania ve vnějším obalu čtyři valenční elektrony – čtyři elektrony, které jsou volně vázané k jádru. Kromě toho je každý atom v krystalové mřížce germania obklopen čtyřmi sousedními atomy. A vazba je zde kovalentní, což znamená, že je tvořena páry valenčních elektronů.
Ukazuje se, že každý z valenčních elektronů patří dvěma atomům současně a vazby valenčních elektronů uvnitř germania s jeho atomy jsou pevnější než u kovů. To je důvod, proč při pokojové teplotě vedou polovodiče proud o několik řádů horší než kovy. A při absolutní nule budou všechny valenční elektrony germania obsazeny vazbami a nebudou existovat žádné volné elektrony, které by zajistily proud.
Jak se teplota zvyšuje, některé valenční elektrony získávají energii, která je dostatečná k přerušení kovalentních vazeb. Tak vznikají volné vodivé elektrony. V odpojovacích zónách se vytváří typ volného místa – díry bez elektronů.
Tato díra může být snadno obsazena valenčním elektronem ze sousedního páru, poté se díra přesune na místo u sousedního atomu. Při určité teplotě se v krystalu vytvoří určitý počet tzv. párů elektron-díra.
Současně probíhá proces rekombinace elektron-díra — díra, která se setká s volným elektronem, obnoví kovalentní vazbu mezi atomy v krystalu germania. Takové páry, skládající se z elektronu a díry, mohou v polovodiči vznikat nejen působením teploty, ale také při osvětlení polovodiče, tedy vlivem energie na něj dopadající. elektromagnetická radiace.
Pokud na polovodič není aplikováno žádné vnější elektrické pole, pak se volné elektrony a díry zapojí do chaotického tepelného pohybu. Ale když je polovodič umístěn do vnějšího elektrického pole, elektrony a díry se začnou pohybovat uspořádaným způsobem. Tak se to rodí polovodičový proud.
Skládá se z elektronového proudu a děrového proudu. V polovodiči jsou koncentrace děr a vodivostní elektrony stejné. A pouze v čistých polovodičích je tomu tak mechanismus vedení elektronové díry… Toto je vlastní elektrická vodivost polovodiče.
Vedení nečistot (elektron a díra)
Pokud jsou v polovodiči nečistoty, pak se jeho elektrická vodivost výrazně mění ve srovnání s čistým polovodičem. Přidání nečistoty ve formě fosforu do křemíkového krystalu v množství 0,001 atomového procenta zvýší vodivost více než 100 000krát! Tak výrazný vliv nečistot na vodivost je pochopitelný.
Hlavní podmínkou růstu vodivosti příměsi je rozdíl mezi mocenstvím příměsi a mocenstvím mateřského prvku. Takové vedení nečistot se nazývá vodivost nečistot a může to být elektron a díra.
Krystal germania začíná mít elektronovou vodivost, pokud jsou do něj zavedeny pětimocné atomy, řekněme arsen, zatímco mocnost atomů samotného germania je čtyři. Když je pětimocný atom arsenu na místě krystalové mřížky germania, jsou čtyři vnější elektrony atomu arsenu zapojeny do kovalentních vazeb se čtyřmi sousedními atomy germania. Pátý elektron atomu arsenu se uvolní, snadno opustí svůj atom.
A atom zanechaný elektronem se v místě krystalové mřížky polovodiče promění v kladný iont. Jedná se o takzvanou donorovou nečistotu, kdy valence nečistoty je větší než valence hlavních atomů. Objevuje se zde mnoho volných elektronů, a proto se zavedením nečistoty elektrický odpor polovodiče tisíckrát a milionkrát klesne. Polovodič s velkým množstvím přidaných nečistot se vodivostí blíží kovům.
Ačkoli elektrony a díry jsou zodpovědné za vlastní vodivost v krystalu germania dopovaného arsenem, elektrony, které opustily atomy arsenu, jsou hlavními volnými nosiči náboje. V takové situaci koncentrace volných elektronů vysoce převyšuje koncentraci děr a tento typ vodivosti se nazývá elektronová vodivost polovodiče a samotný polovodič se nazývá polovodič typu n.
Pokud se místo pětimocného arsenu ke krystalu germania přidá trojmocné indium, vytvoří kovalentní vazby pouze se třemi atomy germania. Čtvrtý atom germania zůstane nevázaný k atomu india. Ale kovalentní elektron může být zachycen sousedními atomy germania.Indium pak bude záporným iontem a sousední atom germania bude obsazovat volné místo, kde existovala kovalentní vazba.
Taková nečistota, kdy atom nečistoty zachycuje elektrony, se nazývá akceptorová nečistota. Když se zavede akceptorová nečistota, mnoho kovalentních vazeb se v krystalu rozbije a vytvoří se mnoho děr, do kterých mohou elektrony přeskakovat z kovalentních vazeb. Při absenci elektrického proudu se otvory po krystalu pohybují náhodně.
Akceptor vede k prudkému zvýšení vodivosti polovodiče v důsledku vytvoření množství děr a koncentrace těchto děr výrazně převyšuje koncentraci elektronů vlastní elektrické vodivosti polovodiče. Jedná se o děrové vedení a polovodič se nazývá polovodič typu p. Hlavními nosiči náboje v něm jsou díry.