Elektrivool pooljuhtides
Juhtide ja dielektrikute vahel paiknevad takistuse osas pooljuhid… Räni, germaanium, telluur jne. — paljud perioodilisustabeli elemendid ja nende ühendid kuuluvad pooljuhtide hulka. Paljud anorgaanilised ained on pooljuhid. Räni on oma olemuselt teistest laiem; maakoor koosneb sellest 30%.
Peamine silmatorkav erinevus pooljuhtide ja metallide vahel seisneb takistuse negatiivses temperatuurikoefitsiendis: mida kõrgem on pooljuhi temperatuur, seda väiksem on selle elektritakistus. Metallide puhul on see vastupidi: mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on takistus. Kui pooljuht jahutada absoluutse nullini, muutub see dielektriline.
See pooljuhtide juhtivuse sõltuvus temperatuurist näitab, et kontsentratsioon tasuta taksojuhid pooljuhtides ei ole konstantne ja suureneb temperatuuri tõustes.Elektrivoolu pooljuhi läbimise mehhanismi ei saa taandada vabade elektronide gaasi mudelile, nagu metallide puhul. Selle mehhanismi mõistmiseks võime seda vaadata näiteks germaaniumikristallil.
Normaalses olekus sisaldavad germaaniumiaatomid oma väliskestas nelja valentselektroni – nelja elektroni, mis on tuumaga lõdvalt seotud. Lisaks on germaaniumi kristallvõre iga aatom ümbritsetud nelja naaberaatomiga. Ja siinne side on kovalentne, mis tähendab, et selle moodustavad valentselektronide paarid.
Selgub, et iga valentselektron kuulub korraga kahele aatomile ja germaaniumi sees olevate valentselektronide sidemed selle aatomitega on tugevamad kui metallidel. Sellepärast juhivad pooljuhid toatemperatuuril voolu mitu suurusjärku halvemini kui metallid. Ja absoluutse nulli juures on kõik germaaniumi valentselektronid hõivatud sidemetes ja vabu elektrone ei ole voolu tagamiseks.
Temperatuuri tõustes saavad osa valentselektronidest energiat, mis on piisav kovalentsete sidemete katkestamiseks. Nii tekivad vaba juhtivuse elektronid. Lahutustsoonides moodustub teatud tüüpi vaba töökoht - augud ilma elektronideta.
Selle augu saab hõlpsasti hõivata naaberpaari valentselektron, seejärel liigub auk naaberaatomi juures oma kohale. Teatud temperatuuril tekib kristallis teatud arv nn elektron-augu paare.
Samal ajal toimub elektron-augu rekombinatsiooni protsess — vaba elektroniga kohtuv auk taastab germaaniumikristallis aatomitevahelise kovalentse sideme. Sellised elektronist ja august koosnevad paarid võivad tekkida pooljuhis mitte ainult temperatuuri mõjul, vaid ka siis, kui pooljuht on valgustatud, see tähendab sellele langeva energia tõttu. elektromagnetiline kiirgus.
Kui pooljuhile ei rakendata välist elektrivälja, siis vabad elektronid ja augud osalevad kaootilises soojusliikumises. Kuid kui pooljuht asetatakse välisesse elektrivälja, hakkavad elektronid ja augud liikuma järjestatud viisil. Nii see sünnib pooljuhtide vool.
See koosneb elektronvoolust ja auguvoolust. Pooljuhtides on aukude ja juhtivuselektronide kontsentratsioonid võrdsed. Ja ainult puhastes pooljuhtides teeb see seda elektronide aukude juhtivusmehhanism… See on pooljuhi sisemine elektrijuhtivus.
Lisandite juhtivus (elektron ja auk)
Kui pooljuhis on lisandeid, siis muutub selle elektrijuhtivus võrreldes puhta pooljuhiga oluliselt. Lisades ränikristallile fosfori kujul lisandit koguses 0,001 aatomprotsenti, suurendab juhtivus rohkem kui 100 000 korda! Selline lisandite oluline mõju juhtivusele on mõistetav.
Lisandite juhtivuse kasvu peamiseks tingimuseks on erinevus lisandi valentsi ja lähteelemendi valentsi vahel. Sellist lisandite juhtivust nimetatakse lisandite juhtivus ja võib olla elektron ja auk.
Germaaniumikristallidel hakkab olema elektrooniline juhtivus, kui sellesse sisestatakse viievalentsed aatomid, näiteks arseen, samas kui germaaniumi aatomite valents on neli. Kui viievalentne arseeniaatom on germaaniumi kristallvõre asemel, on arseeniaatomi neli välimist elektroni seotud kovalentsete sidemetega nelja naabruses asuva germaaniumiaatomiga. Arseeni aatomi viies elektron saab vabaks, ta lahkub kergesti oma aatomist.
Ja elektronist jäänud aatom muutub pooljuhi kristallvõre asemel positiivseks iooniks. See on nn doonorlisandiks, kui lisandi valents on suurem kui põhiaatomite valents. Siia tekib palju vabu elektrone, mistõttu pooljuhi elektritakistus langeb lisandi sissetoomisega tuhandeid ja miljoneid kordi. Pooljuht, millele on lisatud palju lisandeid, läheneb juhtivuse poolest metallidele.
Kuigi arseeniga legeeritud germaaniumikristalli sisemise juhtivuse eest vastutavad elektronid ja augud, on arseeni aatomitest lahkunud elektronid peamised vabad laengukandjad. Sellises olukorras ületab vabade elektronide kontsentratsioon kõvasti aukude kontsentratsiooni ja seda tüüpi juhtivust nimetatakse pooljuhi elektronjuhtivuseks ja pooljuhti ennast n-tüüpi pooljuhiks.
Kui viievalentse arseeni asemel lisatakse germaaniumikristallile kolmevalentset indiumi, moodustub see kovalentse sideme ainult kolme germaaniumi aatomiga. Neljas germaaniumiaatom jääb indiumiaatomiga sidumata. Kuid kovalentse elektroni saavad kinni püüda naabruses asuvad germaaniumiaatomid.Indium on siis negatiivne ioon ja naabruses olev germaaniumiaatom hõivab vaba koha, kus kovalentne side eksisteeris.
Sellist lisandit, kui lisandi aatom haarab elektronid, nimetatakse aktseptorlisandiks. Aktseptori lisandi sisseviimisel puruneb kristallis palju kovalentseid sidemeid ja tekib palju auke, kuhu elektronid saavad kovalentsetest sidemetest hüpata. Elektrivoolu puudumisel liiguvad augud kristalli kohal juhuslikult.
Aktseptor põhjustab pooljuhi juhtivuse järsu tõusu aukude rohkuse tekkimise tõttu ja nende aukude kontsentratsioon ületab oluliselt pooljuhi sisemise elektrijuhtivuse elektronide kontsentratsiooni. See on aukjuhtivus ja pooljuhti nimetatakse p-tüüpi pooljuhiks. Peamised laengukandjad selles on augud.