Αγωγιμότητα ημιαγωγών
Οι ουσίες που είναι ικανές να φέρουν ή να μην φέρουν ηλεκτρικό ρεύμα δεν περιορίζονται σε μια αυστηρή διαίρεση μόνο αγωγών και διηλεκτρικών. Υπάρχουν επίσης ημιαγωγοί, όπως το πυρίτιο, το σελήνιο, το γερμάνιο και άλλα ορυκτά και κράματα που αξίζει να διαχωριστούν ως ξεχωριστή ομάδα.
Αυτές οι ουσίες μεταφέρουν το ηλεκτρικό ρεύμα καλύτερα από τα διηλεκτρικά, αλλά χειρότερα από τα μέταλλα και η αγωγιμότητά τους αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας ή του φωτισμού. Αυτό το χαρακτηριστικό των ημιαγωγών τους καθιστά εφαρμόσιμους σε αισθητήρες φωτός και θερμοκρασίας, αλλά η κύρια εφαρμογή τους εξακολουθεί να είναι η ηλεκτρονική.
Αν κοιτάξετε, για παράδειγμα, έναν κρύσταλλο πυριτίου, μπορείτε να βρείτε ότι το πυρίτιο έχει σθένος 4, δηλαδή στο εξωτερικό περίβλημα του ατόμου του υπάρχουν 4 ηλεκτρόνια που είναι συνδεδεμένα με τέσσερα γειτονικά άτομα πυριτίου στον κρύσταλλο. Εάν ένας τέτοιος κρύσταλλος επηρεάζεται από θερμότητα ή φως, τότε τα ηλεκτρόνια σθένους θα λάβουν αύξηση της ενέργειας και θα αφήσουν τα άτομά τους, γίνονται ελεύθερα ηλεκτρόνια - ένα αέριο ηλεκτρονίων θα εμφανιστεί στον ανοιχτό όγκο του ημιαγωγού - όπως στα μέταλλα, δηλαδή, θα προκύψει μια συνθήκη διατήρησης.
Αλλά σε αντίθεση με τα μέταλλα, οι ημιαγωγοί διαφέρουν ως προς την αγωγιμότητα των ηλεκτρονίων και των οπών. Γιατί συμβαίνει αυτό και τι είναι; Όταν τα ηλεκτρόνια σθένους εγκαταλείπουν τις θέσεις τους, σχηματίζονται περιοχές με έλλειψη αρνητικού φορτίου - «οπές» - σε αυτές τις πρώην θέσεις, οι οποίες τώρα έχουν περίσσεια θετικού φορτίου.
Το γειτονικό ηλεκτρόνιο θα πηδήξει εύκολα στην προκύπτουσα «τρύπα», και μόλις αυτή η οπή γεμίσει με το ηλεκτρόνιο που πήδηξε μέσα της, μια οπή σχηματίζεται ξανά στη θέση του ηλεκτρονίου που πήδηξε.
Δηλαδή, αποδεικνύεται ότι μια τρύπα είναι μια θετικά φορτισμένη κινούμενη περιοχή ενός ημιαγωγού. Και όταν ένας ημιαγωγός συνδέεται σε ένα κύκλωμα με πηγή EMF, τα ηλεκτρόνια θα μετακινηθούν στο θετικό τερματικό της πηγής και οι οπές στον αρνητικό ακροδέκτη. Έτσι γίνεται η εσωτερική αγωγιμότητα του ημιαγωγού.
Η κίνηση των οπών και των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας σε έναν ημιαγωγό χωρίς εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο θα είναι χαοτική. Εάν εφαρμοστεί ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο στον κρύσταλλο, τότε τα ηλεκτρόνια μέσα σε αυτόν θα κινηθούν ενάντια στο πεδίο και οι οπές θα κινηθούν κατά μήκος του πεδίου, δηλαδή θα συμβεί το φαινόμενο της εσωτερικής αγωγιμότητας στον ημιαγωγό, το οποίο όχι μόνο θα προκαλείται από ηλεκτρόνια, αλλά και από τρύπες.
Σε έναν ημιαγωγό, η αγωγιμότητα εμφανίζεται πάντα μόνο υπό την επίδραση κάποιων εξωτερικών παραγόντων: λόγω ακτινοβολίας με φωτόνια, από την επίδραση της θερμοκρασίας, όταν εφαρμόζονται ηλεκτρικά πεδία κ.λπ.
Το επίπεδο Fermi σε έναν ημιαγωγό πέφτει στη μέση του κενού ζώνης. Η μετάβαση του ηλεκτρονίου από την ανώτερη ζώνη σθένους στην κάτω ζώνη αγωγιμότητας απαιτεί ενέργεια ενεργοποίησης ίση με το δέλτα του διάκενου ζώνης (βλ. σχήμα). Και μόλις εμφανιστεί ένα ηλεκτρόνιο στη ζώνη αγωγιμότητας, δημιουργείται μια οπή στη ζώνη σθένους. Έτσι, η ενέργεια που δαπανάται διαιρείται εξίσου κατά το σχηματισμό ενός ζεύγους φερόντων ρεύματος.
Η μισή ενέργεια (που αντιστοιχεί στο μισό του πλάτους της ζώνης) ξοδεύεται στη μεταφορά ηλεκτρονίων και η μισή στο σχηματισμό οπών. ως αποτέλεσμα, η αρχή αντιστοιχεί στο μέσο του πλάτους της λωρίδας. Η ενέργεια Fermi σε έναν ημιαγωγό είναι η ενέργεια στην οποία διεγείρονται τα ηλεκτρόνια και οι οπές. Η θέση ότι το επίπεδο Fermi βρίσκεται για έναν ημιαγωγό στο μέσο του διακένου ζώνης μπορεί να επιβεβαιωθεί με μαθηματικούς υπολογισμούς, αλλά παραλείπουμε τους μαθηματικούς υπολογισμούς εδώ.
Υπό την επίδραση εξωτερικών παραγόντων, για παράδειγμα, όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, οι θερμικές δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος ενός ημιαγωγού οδηγούν στην καταστροφή ορισμένων δεσμών σθένους, με αποτέλεσμα ορισμένα από τα ηλεκτρόνια να γίνονται, διαχωρισμένα, φορείς ελεύθερου φορτίου. .
Στους ημιαγωγούς, μαζί με το σχηματισμό οπών και ηλεκτρονίων, λαμβάνει χώρα η διαδικασία ανασυνδυασμού: τα ηλεκτρόνια περνούν στη ζώνη σθένους από τη ζώνη αγωγιμότητας, δίνοντας την ενέργειά τους στο κρυσταλλικό πλέγμα και εκπέμποντας κβάντα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.Έτσι, κάθε θερμοκρασία αντιστοιχεί στη συγκέντρωση ισορροπίας των οπών και των ηλεκτρονίων, η οποία εξαρτάται από τη θερμοκρασία σύμφωνα με την ακόλουθη έκφραση:
Υπάρχει επίσης αγωγιμότητα προσμίξεων των ημιαγωγών, όταν μια ελαφρώς διαφορετική ουσία εισάγεται στον κρύσταλλο ενός καθαρού ημιαγωγού που έχει υψηλότερο ή χαμηλότερο σθένος από τη μητρική ουσία.
Εάν στο καθαρό, ας πούμε, το ίδιο πυρίτιο, ο αριθμός των οπών και των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι ίσος, δηλαδή σχηματίζονται συνεχώς σε ζεύγη, τότε στην περίπτωση μιας ακαθαρσίας που προστίθεται στο πυρίτιο, για παράδειγμα, αρσενικό, που έχει σθένος 5, ο αριθμός των οπών θα είναι μικρότερος από τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων, δηλαδή, σχηματίζεται ένας ημιαγωγός με μεγάλο αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων, αρνητικά φορτισμένα, θα είναι ημιαγωγός τύπου n (αρνητικό). Και αν αναμίξετε το ίνδιο, το οποίο έχει σθένος 3, το οποίο είναι μικρότερο από αυτό του πυριτίου, τότε θα υπάρχουν περισσότερες τρύπες—θα είναι ένας (θετικός) ημιαγωγός τύπου p.
Τώρα, αν φέρουμε σε επαφή ημιαγωγούς διαφορετικής αγωγιμότητας, τότε στο σημείο επαφής έχουμε μια διασταύρωση p-n. Τα ηλεκτρόνια που κινούνται από την περιοχή n και οι τρύπες που κινούνται από την περιοχή p θα αρχίσουν να κινούνται το ένα προς το άλλο και στις απέναντι πλευρές της επαφής θα υπάρχουν περιοχές με αντίθετα φορτία (στις αντίθετες πλευρές της διασταύρωσης pn) : θετικό φορτίο θα συσσωρευτεί στην περιοχή n και ένα αρνητικό φορτίο στην περιοχή p. Τα διαφορετικά μέρη του κρυστάλλου σε σχέση με τη μετάβαση θα είναι αντίθετα φορτισμένα. Αυτή η θέση είναι πολύ σημαντική για τη δουλειά όλων. συσκευές ημιαγωγών.
Το απλούστερο παράδειγμα μιας τέτοιας συσκευής είναι μια δίοδος ημιαγωγών, όπου χρησιμοποιείται μόνο μία διασταύρωση pn, η οποία αρκεί για την επίτευξη του στόχου - να διοχετεύει ρεύμα μόνο σε μία κατεύθυνση.
Τα ηλεκτρόνια από την περιοχή n κινούνται προς τον θετικό πόλο της πηγής ισχύος και οι οπές από την περιοχή p κινούνται προς τον αρνητικό πόλο. Αρκετά θετικά και αρνητικά φορτία θα συσσωρευτούν κοντά στη διασταύρωση, η αντίσταση της διασταύρωσης θα μειωθεί σημαντικά και το ρεύμα θα ρέει μέσω του κυκλώματος.
Στην αντίστροφη σύνδεση της διόδου, το ρεύμα θα βγει δεκάδες χιλιάδες φορές λιγότερο, αφού τα ηλεκτρόνια και οι οπές απλώς θα φυσηθούν από ένα ηλεκτρικό πεδίο σε διαφορετικές κατευθύνσεις από τη διασταύρωση. Αυτή η αρχή λειτουργεί ανορθωτής διόδου.