Ηλεκτρικό ρεύμα σε ημιαγωγούς
Ανάμεσα στους αγωγούς και τα διηλεκτρικά, όσον αφορά την αντίσταση, βρίσκονται ημιαγωγών… Πυρίτιο, γερμάνιο, τελλούριο κ.λπ. — πολλά στοιχεία του περιοδικού πίνακα και οι ενώσεις τους ανήκουν σε ημιαγωγούς. Πολλές ανόργανες ουσίες είναι ημιαγωγοί. Το πυρίτιο είναι πιο φαρδύ από άλλα στη φύση. ο φλοιός της γης αποτελείται από το 30% του.
Η κύρια εντυπωσιακή διαφορά μεταξύ ημιαγωγών και μετάλλων έγκειται στον αρνητικό συντελεστή αντίστασης θερμοκρασίας: όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του ημιαγωγού, τόσο χαμηλότερη είναι η ηλεκτρική του αντίσταση. Για τα μέταλλα συμβαίνει το αντίθετο: όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση. Εάν ένας ημιαγωγός ψύχεται στο απόλυτο μηδέν, γίνεται διηλεκτρικός.
Αυτή η εξάρτηση της αγωγιμότητας των ημιαγωγών από τη θερμοκρασία δείχνει ότι η συγκέντρωση δωρεάν οδηγοί ταξί στους ημιαγωγούς δεν είναι σταθερή και αυξάνεται με τη θερμοκρασία.Ο μηχανισμός διέλευσης ενός ηλεκτρικού ρεύματος μέσω ενός ημιαγωγού δεν μπορεί να αναχθεί στο μοντέλο ενός αερίου ελεύθερων ηλεκτρονίων, όπως στα μέταλλα. Για να κατανοήσουμε αυτόν τον μηχανισμό, μπορούμε να τον δούμε για παράδειγμα σε έναν κρύσταλλο γερμανίου.
Στην κανονική κατάσταση, τα άτομα γερμανίου περιέχουν τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους στο εξωτερικό τους περίβλημα - τέσσερα ηλεκτρόνια που είναι χαλαρά συνδεδεμένα με τον πυρήνα. Επιπλέον, κάθε άτομο στο κρυσταλλικό πλέγμα γερμανίου περιβάλλεται από τέσσερα γειτονικά άτομα. Και ο δεσμός εδώ είναι ομοιοπολικός, που σημαίνει ότι σχηματίζεται από ζεύγη ηλεκτρονίων σθένους.
Αποδεικνύεται ότι καθένα από τα ηλεκτρόνια σθένους ανήκει σε δύο άτομα ταυτόχρονα και οι δεσμοί των ηλεκτρονίων σθένους μέσα στο γερμάνιο με τα άτομά του είναι ισχυρότεροι από ό,τι στα μέταλλα. Γι' αυτό, σε θερμοκρασία δωματίου, οι ημιαγωγοί μεταφέρουν ρεύμα αρκετές τάξεις μεγέθους χειρότερο από τα μέταλλα. Και στο απόλυτο μηδέν, όλα τα ηλεκτρόνια σθένους του γερμανίου θα είναι κατειλημμένα σε δεσμούς και δεν θα υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια για να παρέχουν το ρεύμα.
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, μερικά από τα ηλεκτρόνια σθένους αποκτούν ενέργεια που είναι επαρκής για τη διάσπαση των ομοιοπολικών δεσμών. Έτσι προκύπτουν τα ηλεκτρόνια ελεύθερης αγωγιμότητας. Ένας τύπος κενής θέσης σχηματίζεται σε ζώνες αποσύνδεσης— τρύπες χωρίς ηλεκτρόνια.
Αυτή η οπή μπορεί εύκολα να καταληφθεί από ένα ηλεκτρόνιο σθένους από ένα γειτονικό ζεύγος, τότε η οπή θα μετακινηθεί στη θέση της στο γειτονικό άτομο. Σε μια ορισμένη θερμοκρασία, ένας ορισμένος αριθμός των λεγόμενων ζευγών ηλεκτρονίων-οπών σχηματίζεται στον κρύσταλλο.
Ταυτόχρονα, λαμβάνει χώρα η διαδικασία του ανασυνδυασμού ηλεκτρονίου-οπής — μια οπή που συναντά ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο αποκαθιστά τον ομοιοπολικό δεσμό μεταξύ των ατόμων σε έναν κρύσταλλο γερμανίου. Τέτοια ζεύγη, που αποτελούνται από ένα ηλεκτρόνιο και μια οπή, μπορούν να προκύψουν σε έναν ημιαγωγό όχι μόνο λόγω της δράσης της θερμοκρασίας, αλλά και όταν ο ημιαγωγός είναι φωτισμένος, δηλαδή λόγω της ενέργειας που προσπίπτει σε αυτόν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
Εάν δεν εφαρμόζεται εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο στον ημιαγωγό, τότε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οι οπές εμπλέκονται σε χαοτική θερμική κίνηση. Αλλά όταν ένας ημιαγωγός τοποθετείται σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια και οι οπές αρχίζουν να κινούνται με διατεταγμένο τρόπο. Έτσι γεννιέται ρεύμα ημιαγωγών.
Αποτελείται από ρεύμα ηλεκτρονίων και ρεύμα οπής. Σε έναν ημιαγωγό, η συγκέντρωση των οπών και των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας είναι ίσες και μόνο σε καθαρούς ημιαγωγούς το κάνει αυτό μηχανισμός αγωγής οπών ηλεκτρονίων… Αυτή είναι η εγγενής ηλεκτρική αγωγιμότητα του ημιαγωγού.
Αγωγή ακαθαρσιών (ηλεκτρόνιο και οπή)
Εάν υπάρχουν ακαθαρσίες στον ημιαγωγό, τότε η ηλεκτρική αγωγιμότητά του αλλάζει σημαντικά σε σύγκριση με τον καθαρό ημιαγωγό. Η προσθήκη μιας ακαθαρσίας με τη μορφή φωσφόρου σε έναν κρύσταλλο πυριτίου, σε ποσότητα 0,001 ατομικό τοις εκατό, θα αυξήσει την αγωγιμότητα κατά περισσότερες από 100.000 φορές! Μια τέτοια σημαντική επίδραση των ακαθαρσιών στην αγωγιμότητα είναι κατανοητή.
Η κύρια προϋπόθεση για την ανάπτυξη της αγωγιμότητας της ακαθαρσίας είναι η διαφορά μεταξύ του σθένους της ακαθαρσίας και του σθένους του μητρικού στοιχείου. Μια τέτοια αγωγιμότητα ακαθαρσιών ονομάζεται αγωγιμότητα ακαθαρσιών και μπορεί να είναι ένα ηλεκτρόνιο και μια οπή.
Ένας κρύσταλλος γερμανίου αρχίζει να έχει ηλεκτρονική αγωγιμότητα εάν εισαχθούν σε αυτόν πεντασθενή άτομα, ας πούμε, αρσενικό, ενώ το σθένος των ατόμων του ίδιου του γερμανίου είναι τέσσερα. Όταν το πεντασθενές άτομο αρσενικού βρίσκεται στη θέση του κρυσταλλικού πλέγματος γερμανίου, τα τέσσερα εξωτερικά ηλεκτρόνια του ατόμου αρσενικού εμπλέκονται σε ομοιοπολικούς δεσμούς με τέσσερα γειτονικά άτομα γερμανίου. Το πέμπτο ηλεκτρόνιο του ατόμου του αρσενικού γίνεται ελεύθερο, φεύγει εύκολα από το άτομό του.
Και το άτομο που αφήνει το ηλεκτρόνιο μετατρέπεται σε θετικό ιόν στη θέση του κρυσταλλικού πλέγματος του ημιαγωγού. Αυτή είναι η λεγόμενη ακαθαρσία δότη όταν το σθένος της ακαθαρσίας είναι μεγαλύτερο από το σθένος των κύριων ατόμων. Πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια εμφανίζονται εδώ, γι' αυτό, με την εισαγωγή μιας ακαθαρσίας, η ηλεκτρική αντίσταση του ημιαγωγού πέφτει χιλιάδες και εκατομμύρια φορές. Ένας ημιαγωγός με μεγάλη ποσότητα προστιθέμενων ακαθαρσιών προσεγγίζει τα μέταλλα στην αγωγιμότητα.
Αν και τα ηλεκτρόνια και οι οπές είναι υπεύθυνα για την εγγενή αγωγιμότητα σε έναν κρύσταλλο γερμανίου με πρόσμιξη αρσενικού, τα ηλεκτρόνια που έχουν εγκαταλείψει τα άτομα αρσενικού είναι οι κύριοι φορείς ελεύθερου φορτίου. Σε μια τέτοια κατάσταση, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων υπερβαίνει κατά πολύ τη συγκέντρωση των οπών και αυτός ο τύπος αγωγιμότητας ονομάζεται ηλεκτρονική αγωγιμότητα του ημιαγωγού και ο ίδιος ο ημιαγωγός ονομάζεται ημιαγωγός τύπου n.
Εάν, αντί για πεντασθενές αρσενικό, προστεθεί τρισθενές ίνδιο στον κρύσταλλο γερμανίου, θα σχηματίσει ομοιοπολικούς δεσμούς με τρία μόνο άτομα γερμανίου. Το τέταρτο άτομο γερμανίου θα παραμείνει αδέσμευτο με το άτομο του ινδίου. Αλλά ένα ομοιοπολικό ηλεκτρόνιο μπορεί να συλληφθεί από γειτονικά άτομα γερμανίου.Το ίνδιο θα είναι τότε ένα αρνητικό ιόν και το γειτονικό άτομο γερμανίου θα καταλάβει μια κενή θέση όπου υπήρχε ο ομοιοπολικός δεσμός.
Μια τέτοια ακαθαρσία, όταν ένα άτομο ακαθαρσίας συλλαμβάνει ηλεκτρόνια, ονομάζεται ακαθαρσία δέκτη. Όταν εισάγεται μια ακαθαρσία δέκτη, πολλοί ομοιοπολικοί δεσμοί σπάνε στον κρύσταλλο και σχηματίζονται πολλές οπές στις οποίες τα ηλεκτρόνια μπορούν να πηδήξουν από ομοιοπολικούς δεσμούς. Ελλείψει ηλεκτρικού ρεύματος, οι οπές κινούνται τυχαία πάνω από τον κρύσταλλο.
Ένας δέκτης οδηγεί σε απότομη αύξηση της αγωγιμότητας του ημιαγωγού λόγω της δημιουργίας αφθονίας οπών και η συγκέντρωση αυτών των οπών υπερβαίνει σημαντικά τη συγκέντρωση των ηλεκτρονίων της εγγενούς ηλεκτρικής αγωγιμότητας του ημιαγωγού. Αυτή είναι η αγωγιμότητα της οπής και ο ημιαγωγός ονομάζεται ημιαγωγός τύπου p. Οι κύριοι φορείς φόρτισης σε αυτό είναι τρύπες.