Polovodičová vodivost

Látky schopné vést nebo nevést elektrický proud se neomezují na striktní rozdělení pouze na vodiče a dielektrika. Existují také polovodiče, jako je křemík, selen, germanium a další minerály a slitiny, které si zaslouží oddělení jako samostatná skupina.

Tyto látky vedou elektrický proud lépe než dielektrika, ale hůře než kovy a jejich vodivost se zvyšuje s rostoucí teplotou nebo osvětlením. Tato vlastnost polovodičů je činí použitelnými ve světelných a teplotních senzorech, ale jejich hlavní aplikací je stále elektronika.

Když se podíváte například na krystal křemíku, zjistíte, že křemík má mocenství 4, to znamená, že na vnějším obalu jeho atomu jsou 4 elektrony, které jsou v krystalu navázány na čtyři sousední atomy křemíku. Pokud je takový krystal ovlivněn teplem nebo světlem, pak valenční elektrony obdrží nárůst energie a opustí své atomy, stanou se volnými elektrony - v otevřeném objemu polovodiče se objeví elektronový plyn - jako v kovech, tj. nastane podmínka držení.

Ale na rozdíl od kovů se polovodiče liší ve vodivosti elektronů a děr. Proč se to děje a co to je? Když valenční elektrony opustí svá místa, v těchto bývalých místech se vytvoří oblasti bez negativního náboje – „díry“, které nyní mají přebytek kladného náboje.

Sousední elektron snadno skočí do vzniklé «díry», a jakmile se tato díra zaplní elektronem, který do ní skočil, vytvoří se na místě přeskočeného elektronu opět díra.

To znamená, že se ukázalo, že díra je kladně nabitá pohyblivá oblast polovodiče. A když je polovodič připojen k obvodu se zdrojem EMF, elektrony se přesunou na kladnou svorku zdroje a otvory na zápornou svorku. Takto probíhá vnitřní vodivost polovodiče.

Pohyb děr a vodivostních elektronů v polovodiči bez aplikovaného elektrického pole bude chaotický. Pokud je na krystal aplikováno vnější elektrické pole, pak se elektrony uvnitř něj budou pohybovat proti poli a díry se budou pohybovat podél pole, to znamená, že v polovodiči dojde k jevu vnitřního vedení, který nebude pouze způsobené elektrony, ale i dírami .

V polovodiči k vedení dochází vždy jen pod vlivem nějakých vnějších faktorů: vlivem ozáření fotony, vlivem teploty, při působení elektrických polí atd.

Fermiho hladina v polovodiči spadá doprostřed zakázaného pásma. Přechod elektronu z horního valenčního pásma do spodního vodivého pásu vyžaduje aktivační energii rovnající se bandgap delta (viz obrázek). A jakmile se objeví elektron ve vodivém pásu, vytvoří se ve valenčním pásu díra. Spotřebovaná energie je tedy rovnoměrně rozdělena při vytváření dvojice proudových nosičů.

Polovina energie (odpovídající polovině šířky pásma) je vynaložena na přenos elektronů a polovina na tvorbu děr; v důsledku toho počátek odpovídá středu šířky pásu. Fermiho energie v polovodiči je energie, při které jsou excitovány elektrony a díry Polohu, ve které se Fermiho hladina nachází pro polovodič uprostřed zakázaného pásu, lze potvrdit matematickými výpočty, ale zde matematické výpočty vynecháme.

Vlivem vnějších faktorů, například při zvýšení teploty, vedou tepelné vibrace krystalové mřížky polovodiče ke zničení některých valenčních vazeb, v důsledku čehož se některé z elektronů stanou oddělenými volnými nosiči náboje. .

V polovodičích spolu s tvorbou děr a elektronů probíhá proces rekombinace: elektrony přecházejí do valenčního pásma z vodivého pásu, odevzdávají svou energii krystalové mřížce a emitují kvanta elektromagnetického záření.Každá teplota tedy odpovídá rovnovážné koncentraci děr a elektronů, která závisí na teplotě podle následujícího výrazu:

Existuje také nečistotová vodivost polovodičů, kdy se do krystalu čistého polovodiče vnese mírně odlišná látka, která má vyšší nebo nižší mocenství než mateřská látka.

Pokud je v čistém, řekněme, stejném křemíku, počet děr a volných elektronů stejný, to znamená, že se neustále tvoří ve dvojicích, pak v případě nečistoty přidané do křemíku, například arsenu, který má valence 5, počet děr bude menší než počet volných elektronů, to znamená, že vznikne polovodič s velkým počtem volných elektronů, záporně nabitý, bude to polovodič typu n (negativní). A pokud přimícháte indium, které má mocenství 3, což je méně než u křemíku, pak tam bude více děr – bude to polovodič typu p (kladný).

Nyní, když přivedeme do kontaktu polovodiče různé vodivosti, pak v bodě kontaktu dostaneme p-n přechod. Elektrony pohybující se z n-oblasti a díry pohybující se z p-oblasti se začnou pohybovat k sobě navzájem a na opačných stranách kontaktu budou oblasti s opačnými náboji (na opačných stranách pn-přechodu): kladný náboj se bude akumulovat v n-oblasti a záporný náboj v p-oblasti. Různé části krystalu s ohledem na přechod budou opačně nabité. Tato pozice je pro práci každého velmi důležitá. polovodičová zařízení.

Nejjednodušším příkladem takového zařízení je polovodičová dioda, kde je použit pouze jeden pn přechod, což stačí k dosažení úkolu — vést proud pouze jedním směrem.

Elektrony z n-oblasti se pohybují ke kladnému pólu zdroje energie a díry z p-oblasti se pohybují směrem k zápornému pólu. V blízkosti přechodu se nahromadí dostatek kladných a záporných nábojů, odpor přechodu se výrazně sníží a obvodem bude protékat proud.

V opačném zapojení diody bude proud vycházet desetitisíckrát méně, protože elektrony a díry budou jednoduše vyfouknuty elektrickým polem v různých směrech od křižovatky. Tento princip funguje diodový usměrňovač.