Halfgeleider geleidbaarheid

Stoffen die wel of geen elektrische stroom kunnen geleiden, zijn niet beperkt tot een strikte scheiding van alleen geleiders en diëlektrica. Er zijn ook halfgeleiders, zoals silicium, selenium, germanium en andere mineralen en legeringen die het waard zijn om als aparte groep te worden gescheiden.

Deze stoffen geleiden elektrische stroom beter dan diëlektrica, maar slechter dan metalen, en hun geleidbaarheid neemt toe met toenemende temperatuur of verlichting. Deze eigenschap van halfgeleiders maakt ze toepasbaar in licht- en temperatuursensoren, maar hun belangrijkste toepassing is nog steeds elektronica.

Als je bijvoorbeeld naar een siliciumkristal kijkt, kun je zien dat silicium een ​​valentie van 4 heeft, dat wil zeggen, op de buitenste schil van zijn atoom bevinden zich 4 elektronen die zijn gebonden aan vier naburige siliciumatomen in het kristal. Als zo'n kristal wordt beïnvloed door warmte of licht, zullen de valentie-elektronen een toename in energie ontvangen en hun atomen verlaten, waardoor ze vrije elektronen worden - een elektronengas zal verschijnen in het open volume van de halfgeleider - zoals in metalen, dat wil zeggen, er zal een vasthoudtoestand optreden.

Maar in tegenstelling tot metalen verschillen halfgeleiders in hun geleidbaarheid van elektronen en gaten. Waarom gebeurt dit en wat is het? Wanneer de valentie-elektronen hun locaties verlaten, worden gebieden met een gebrek aan negatieve lading - "gaten" - gevormd in die voormalige locaties, die nu een overmaat aan positieve lading hebben.

Het naburige elektron zal gemakkelijk in het resulterende «gat» springen, en zodra dit gat gevuld is met het elektron dat erin is gesprongen, vormt zich weer een gat in plaats van het gesprongen elektron.

Dat wil zeggen, het blijkt dat een gat een positief geladen bewegend gebied van een halfgeleider is. En wanneer een halfgeleider wordt aangesloten op een circuit met een EMF-bron, zullen de elektronen naar de positieve pool van de bron gaan en de gaten naar de negatieve pool. Dit is hoe de interne geleidbaarheid van de halfgeleider plaatsvindt.

De beweging van gaten en geleidingselektronen in een halfgeleider zonder aangelegd elektrisch veld zal chaotisch zijn. Als een extern elektrisch veld op het kristal wordt aangelegd, zullen de elektronen erin tegen het veld bewegen en zullen de gaten langs het veld bewegen, dat wil zeggen dat het fenomeen van interne geleiding zal optreden in de halfgeleider, wat niet alleen zal zijn veroorzaakt door elektronen, maar ook door gaten.

In een halfgeleider vindt geleiding altijd alleen plaats onder invloed van enkele externe factoren: door bestraling met fotonen, door het effect van temperatuur, wanneer elektrische velden worden aangelegd, enz.

Het Fermi-niveau in een halfgeleider valt in het midden van de bandkloof. De overgang van het elektron van de bovenste valentieband naar de onderste geleidingsband vereist een activeringsenergie gelijk aan de bandgap delta (zie figuur). En zodra er een elektron in de geleidingsband verschijnt, ontstaat er een gat in de valentieband. De verbruikte energie wordt dus gelijkelijk verdeeld tijdens de vorming van een paar stroomdragers.

De helft van de energie (overeenkomend met de helft van de bandbreedte) wordt besteed aan elektronenoverdracht en de andere helft aan gatenvorming; hierdoor komt de oorsprong overeen met het midden van de strookbreedte. De Fermi-energie in een halfgeleider is de energie waarbij elektronen en gaten worden aangeslagen.De positie dat het Fermi-niveau zich voor een halfgeleider in het midden van de bandgap bevindt, kan worden bevestigd door wiskundige berekeningen, maar we laten de wiskundige berekeningen hier achterwege.

Onder invloed van externe factoren, bijvoorbeeld wanneer de temperatuur stijgt, leiden de thermische trillingen van het kristalrooster van een halfgeleider tot de vernietiging van enkele valentiebindingen, waardoor een deel van de elektronen gescheiden, vrije ladingsdragers wordt .

In halfgeleiders vindt, samen met de vorming van gaten en elektronen, het recombinatieproces plaats: elektronen gaan in de valentieband van de geleidingsband, geven hun energie aan het kristalrooster en zenden kwanta van elektromagnetische straling uit.Elke temperatuur komt dus overeen met de evenwichtsconcentratie van gaten en elektronen, die afhangt van de temperatuur volgens de volgende uitdrukking:

Er is ook onzuiverheidsgeleidbaarheid van halfgeleiders, wanneer een iets andere substantie wordt geïntroduceerd in het kristal van een zuivere halfgeleider die een hogere of lagere valentie heeft dan de oorspronkelijke substantie.

Als in puur, laten we zeggen, hetzelfde silicium het aantal gaten en vrije elektronen gelijk is, dat wil zeggen, ze worden de hele tijd in paren gevormd, dan in het geval van een onzuiverheid toegevoegd aan silicium, bijvoorbeeld arseen, met een valentie van 5, het aantal gaten zal kleiner zijn dan het aantal vrije elektronen, dat wil zeggen, een halfgeleider wordt gevormd met een groot aantal vrije elektronen, negatief geladen, het zal een n-type (negatieve) halfgeleider zijn. En als je indium mengt, dat een valentie van 3 heeft, wat minder is dan die van silicium, dan zullen er meer gaten zijn - het zal een p-type (positieve) halfgeleider zijn.

Als we nu halfgeleiders met verschillende geleidbaarheid met elkaar in contact brengen, krijgen we op het contactpunt een pn-overgang. Elektronen die van het n-gebied bewegen en gaten die van het p-gebied bewegen, zullen naar elkaar toe beginnen te bewegen, en aan weerszijden van het contact zullen er gebieden zijn met tegengestelde ladingen (aan weerszijden van de pn-overgang): een positief lading zal zich ophopen in het n-gebied en een negatieve lading in het p-gebied. De verschillende delen van het kristal ten opzichte van de overgang zullen tegengesteld geladen zijn. Deze functie is erg belangrijk voor ieders werk. halfgeleider apparaten.

Het eenvoudigste voorbeeld van zo'n apparaat is een halfgeleiderdiode, waarbij slechts één pn-overgang wordt gebruikt, wat voldoende is om de taak te volbrengen - om stroom in slechts één richting te geleiden.

Elektronen uit het n-gebied bewegen naar de positieve pool van de stroombron en gaten uit het p-gebied bewegen naar de negatieve pool. Voldoende positieve en negatieve ladingen zullen zich ophopen nabij de kruising, de weerstand van de kruising zal aanzienlijk afnemen en er zal stroom door het circuit gaan lopen.

In de omgekeerde verbinding van de diode zal de stroom tienduizenden keren minder naar buiten komen, omdat de elektronen en gaten eenvoudig door een elektrisch veld in verschillende richtingen vanaf de kruising worden geblazen. Dit principe werkt diode gelijkrichter.