Elektrische stroom in halfgeleiders
Tussen de geleiders en diëlektrica bevinden zich qua weerstand halfgeleiders… Silicium, germanium, tellurium, enz. — veel elementen van het periodiek systeem en hun verbindingen behoren tot halfgeleiders. Veel anorganische stoffen zijn halfgeleiders. Silicium is breder dan andere in de natuur; de aardkorst bestaat voor 30% uit.
Het belangrijkste opvallende verschil tussen halfgeleiders en metalen ligt in de negatieve temperatuurcoëfficiënt van weerstand: hoe hoger de temperatuur van de halfgeleider, hoe lager de elektrische weerstand. Voor metalen geldt het tegenovergestelde: hoe hoger de temperatuur, hoe groter de weerstand. Als een halfgeleider wordt afgekoeld tot het absolute nulpunt, wordt het diëlektrisch.
Deze afhankelijkheid van halfgeleidergeleidbaarheid van temperatuur toont aan dat de concentratie gratis taxichauffeurs in halfgeleiders is niet constant en neemt toe met de temperatuur.Het mechanisme van het passeren van een elektrische stroom door een halfgeleider kan niet worden gereduceerd tot het model van een gas van vrije elektronen, zoals bij metalen. Om dit mechanisme te begrijpen, kunnen we het bijvoorbeeld bekijken op een germaniumkristal.
In de normale toestand bevatten germaniumatomen vier valentie-elektronen in hun buitenste schil - vier elektronen die losjes aan de kern zijn gebonden. Bovendien is elk atoom in het germaniumkristalrooster omgeven door vier naburige atomen. En de binding hier is covalent, wat betekent dat hij wordt gevormd door paren valentie-elektronen.
Het blijkt dat elk van de valentie-elektronen tegelijkertijd tot twee atomen behoort, en de bindingen van de valentie-elektronen in germanium met zijn atomen zijn sterker dan in metalen. Daarom geleiden halfgeleiders bij kamertemperatuur een stroom die enkele ordes van grootte slechter is dan metalen. En bij het absolute nulpunt zullen alle valentie-elektronen van germanium bezet zijn in bindingen en zullen er geen vrije elektronen zijn om de stroom te leveren.
Naarmate de temperatuur stijgt, krijgen sommige valentie-elektronen energie die voldoende wordt om covalente bindingen te verbreken. Zo ontstaan vrije geleidingselektronen. In afsluitzones ontstaat een soort leegstand: gaten zonder elektronen.
Dit gat kan gemakkelijk worden ingenomen door een valentie-elektron van een naburig paar, waarna het gat op zijn plaats komt bij het naburige atoom. Bij een bepaalde temperatuur wordt in het kristal een bepaald aantal zogenaamde elektron-gatparen gevormd.
Tegelijkertijd vindt het proces van elektron-gat-recombinatie plaats - een gat dat een vrij elektron ontmoet, herstelt de covalente binding tussen atomen in een germaniumkristal. Dergelijke paren, bestaande uit een elektron en een gat, kunnen niet alleen in een halfgeleider ontstaan door temperatuurwerking, maar ook wanneer de halfgeleider wordt verlicht, dat wil zeggen door de energie die erop valt electromagnetische straling.
Als er geen extern elektrisch veld op de halfgeleider wordt aangelegd, gaan de vrije elektronen en gaten chaotisch thermisch bewegen. Maar wanneer een halfgeleider in een extern elektrisch veld wordt geplaatst, beginnen de elektronen en gaten op een geordende manier te bewegen. Zo is het geboren halfgeleider stroom.
Het bestaat uit elektronenstroom en gatenstroom. In een halfgeleider is de concentratie van gaten en geleidingselektronen gelijk, en alleen in zuivere halfgeleiders is dat zo elektronengatgeleidingsmechanisme… Dit is de intrinsieke elektrische geleidbaarheid van de halfgeleider.
Onzuiverheidsgeleiding (elektron en gat)
Als er onzuiverheden in de halfgeleider zitten, verandert de elektrische geleidbaarheid aanzienlijk in vergelijking met de pure halfgeleider. Door een onzuiverheid in de vorm van fosfor aan een siliciumkristal toe te voegen, in een hoeveelheid van 0,001 atoomprocent, wordt de geleidbaarheid meer dan 100.000 keer verhoogd! Zo'n significant effect van onzuiverheden op de geleidbaarheid is begrijpelijk.
De belangrijkste voorwaarde voor de groei van onzuiverheidsgeleidbaarheid is het verschil tussen de valentie van de onzuiverheid en de valentie van het ouderelement. Zo'n onzuiverheidsgeleiding wordt genoemd onzuiverheid geleiding en kan een elektron en een gat zijn.
Een germaniumkristal begint elektronische geleidbaarheid te krijgen als er vijfwaardige atomen, bijvoorbeeld arseen, in worden geïntroduceerd, terwijl de valentie van de atomen van germanium zelf vier is. Wanneer het vijfwaardige arseenatoom zich in plaats van het germaniumkristalrooster bevindt, zijn de vier buitenste elektronen van het arseenatoom betrokken bij covalente bindingen met vier naburige germaniumatomen. Het vijfde elektron van het arseenatoom komt vrij, het verlaat gemakkelijk zijn atoom.
En het atoom achtergelaten door het elektron verandert in een positief ion in de plaats van het kristalrooster van de halfgeleider. Dit is de zogenaamde donoronzuiverheid wanneer de valentie van de onzuiverheid groter is dan de valentie van de hoofdatomen. Hier verschijnen veel vrije elektronen, en daarom daalt, met de introductie van een onzuiverheid, de elektrische weerstand van de halfgeleider duizenden en miljoenen keren. Een halfgeleider met een grote hoeveelheid toegevoegde onzuiverheden benadert metalen in geleidbaarheid.
Hoewel elektronen en gaten verantwoordelijk zijn voor de intrinsieke geleidbaarheid in een met arseen gedoteerd germaniumkristal, zijn de elektronen die de arseenatomen hebben verlaten de belangrijkste vrije ladingsdragers. In een dergelijke situatie is de concentratie van vrije elektronen veel groter dan de concentratie van gaten, en dit type geleidbaarheid wordt de elektronische geleidbaarheid van de halfgeleider genoemd, en de halfgeleider zelf wordt een n-type halfgeleider genoemd.
Als in plaats van vijfwaardig arseen driewaardig indium aan het germaniumkristal wordt toegevoegd, vormt het covalente bindingen met slechts drie germaniumatomen. Het vierde germaniumatoom blijft ongebonden aan het indiumatoom. Maar een covalent elektron kan worden opgevangen door naburige germaniumatomen.Het indium zal dan een negatief ion zijn en het naburige germaniumatoom zal een vacature innemen waar de covalente binding bestond.
Een dergelijke onzuiverheid, wanneer een onzuiverheidsatoom elektronen vangt, wordt een acceptoronzuiverheid genoemd. Wanneer een acceptor-onzuiverheid wordt geïntroduceerd, worden veel covalente bindingen in het kristal verbroken en worden er veel gaten gevormd waarin elektronen uit covalente bindingen kunnen springen. Bij afwezigheid van elektrische stroom bewegen de gaatjes willekeurig over het kristal.
Een acceptor leidt tot een sterke toename van de geleidbaarheid van de halfgeleider door het creëren van een overvloed aan gaten, en de concentratie van deze gaten overschrijdt aanzienlijk de concentratie van elektronen van de intrinsieke elektrische geleidbaarheid van de halfgeleider. Dit is gatengeleiding en de halfgeleider wordt een p-type halfgeleider genoemd. De belangrijkste ladingsdragers daarin zijn gaten.