Pooljuhtide juhtivus

Ained, mis on võimelised juhtima või mitte juhtima elektrivoolu, ei ole piiratud ainult juhtide ja dielektrikutega. On ka pooljuhte, nagu räni, seleen, germaanium ja muud mineraalid ja sulamid, mis väärivad eraldi rühmana eraldamist.

Need ained juhivad elektrivoolu paremini kui dielektrikud, kuid halvemini kui metallid ning nende juhtivus suureneb temperatuuri või valgustuse tõustes. See pooljuhtide omadus muudab need kasutatavaks valgus- ja temperatuuriandurites, kuid nende peamine rakendus on siiski elektroonika.

Kui vaadata näiteks ränikristalli, siis võib avastada, et räni valents on 4, see tähendab, et selle aatomi väliskesta peal on 4 elektroni, mis on seotud kristallis nelja naaberräni aatomiga. Kui sellist kristalli mõjutab soojus või valgus, saavad valentselektronid energia suurenemise ja lahkuvad oma aatomitest, muutudes vabadeks elektronideks - pooljuhi avatud ruumalasse ilmub elektrongaas - nagu metallides, see tähendab, siis tekib pidamistingimus.

Kuid erinevalt metallidest erinevad pooljuhid elektronide ja aukude juhtivuse poolest. Miks see juhtub ja mis see on? Kui valentselektronid lahkuvad oma aladest, moodustuvad nendes endistes kohtades negatiivse laengu puudumisega piirkonnad - "augud", millel on nüüd ülemäärane positiivne laeng.

Naaberelektron hüppab kergesti tekkinud «auku» ja niipea, kui see auk on sellesse hüpanud elektroniga täidetud, tekib hüpatud elektroni asemele taas auk.

See tähendab, et auk on pooljuhi positiivselt laetud liikuv piirkond. Ja kui pooljuht on ühendatud EMF-i allikaga vooluringiga, liiguvad elektronid allika positiivsesse klemmi ja augud negatiivsesse klemmi. Nii toimub pooljuhi sisejuhtivus.

Aukude ja juhtivuselektronide liikumine pooljuhis ilma rakendatud elektriväljata on kaootiline. Kui kristallile rakendatakse väline elektriväli, siis liiguvad selle sees olevad elektronid väljale vastu ja augud liiguvad mööda välja, see tähendab, et pooljuhis tekib sisejuhtivuse nähtus, mis mitte ainult põhjustatud elektronidest, aga ka aukudest .

Pooljuhis toimub juhtivus alati ainult mingite välistegurite mõjul: kiiritamisel footonitega, temperatuuri mõjul, elektriväljade rakendamisel jne.

Fermi tase pooljuhis langeb ribalaiuse keskele. Elektroni üleminek ülemisest valentsribast alumisse juhtivusriba nõuab aktiveerimisenergiat, mis on võrdne ribalaiuse deltaga (vt joonist). Ja niipea, kui juhtivusriba ilmub elektron, tekib valentsriba auk. Seega kulutatud energia jaguneb voolukandjate paari moodustamisel võrdselt.

Pool energiast (mis vastab poolele ribalaiusest) kulub elektronide ülekandele ja pool aukude moodustamisele; selle tulemusena vastab päritolu riba laiuse keskele. Fermi energia pooljuhis on energia, mille juures elektronid ja augud ergastuvad.Asendit, et Fermi nivoo paikneb pooljuhil ribalaiuse keskel, saab kinnitada matemaatiliste arvutustega, kuid matemaatilised arvutused jätame siinkohal välja.

Väliste tegurite mõjul, näiteks temperatuuri tõustes, põhjustavad pooljuhi kristallvõre termilised võnked mõnede valentssidemete hävimise, mille tulemusena osa elektronidest muutuvad eraldudes vabadeks laengukandjateks. .

Pooljuhtides toimub koos aukude ja elektronide tekkega ka rekombinatsiooniprotsess: juhtivusribalt lähevad elektronid valentsribale, andes oma energia kristallvõrele ja kiirgades elektromagnetkiirguse kvante.Seega vastab iga temperatuur aukude ja elektronide tasakaalukontsentratsioonile, mis sõltub temperatuurist järgmise avaldise järgi:

Samuti on pooljuhtide lisandijuhtivus, kui puhta pooljuhi kristalli sisestatakse veidi erinev aine, mille valents on suurem või väiksem kui lähteainel.

Kui puhtas, ütleme, samas ränis on aukude ja vabade elektronide arv võrdne, see tähendab, et need tekivad kogu aeg paarikaupa, siis ränile lisatud lisandi puhul, näiteks arseen, millel on valents 5, on aukude arv väiksem kui vabade elektronide arv, see tähendab, et pooljuht moodustub suure hulga vabade elektronidega, negatiivselt laetud, see on n-tüüpi (negatiivne) pooljuht. Ja kui segada indiumit, mille valents on 3, mis on väiksem kui ränil, siis tekib rohkem auke – see on p-tüüpi (positiivne) pooljuht.

Kui nüüd viia kokku erineva juhtivusega pooljuhid, siis kokkupuutepunktis saame p-n-siirde. N-piirkonnast liikuvad elektronid ja p-piirkonnast liikuvad augud hakkavad üksteise poole liikuma ning kontakti vastaskülgedel on vastandlaengutega piirkonnad (pn-siirde vastaskülgedel): a positiivne laeng koguneb n-piirkonda ja negatiivne laeng p-piirkonda. Kristalli erinevad osad ülemineku suhtes on vastupidiselt laetud. See ametikoht on igaühe töö jaoks väga oluline. pooljuhtseadmed.

Lihtsaim näide sellisest seadmest on pooljuhtdiood, kus kasutatakse ainult ühte pn-siirdet, millest piisab ülesande täitmiseks — juhtida voolu ainult ühes suunas.

N-piirkonnast tulevad elektronid liiguvad toiteallika positiivse pooluse poole ja p-piirkonnast tulevad augud negatiivse pooluse poole. Ristmiku lähedale koguneb piisavalt positiivseid ja negatiivseid laenguid, ristmiku takistus väheneb oluliselt ja vooluring läbib voolu.

Dioodi vastupidises ühenduses väljub voolu kümneid tuhandeid kordi vähem, kuna elektronid ja augud puhuvad lihtsalt ristmikust eri suundades elektrivälja poolt. See põhimõte töötab dioodi alaldi.