Halvleder ledningsevne

Stoffer, der er i stand til at lede eller ikke lede en elektrisk strøm, er ikke begrænset til en streng opdeling af kun ledere og dielektriske stoffer. Der er også halvledere, såsom silicium, selen, germanium og andre mineraler og legeringer, der er værdige til at blive adskilt som en separat gruppe.

Disse stoffer leder elektrisk strøm bedre end dielektrika, men dårligere end metaller, og deres ledningsevne stiger med stigende temperatur eller belysning. Denne egenskab ved halvledere gør dem anvendelige i lys- og temperatursensorer, men deres hovedanvendelse er stadig elektronik.

Hvis man for eksempel ser på en siliciumkrystal, kan man finde ud af, at silicium har en valens på 4, det vil sige, at der på den ydre skal af sit atom er 4 elektroner, som er bundet til fire tilstødende siliciumatomer i krystallen. Hvis en sådan krystal påvirkes af varme eller lys, vil valenselektronerne modtage en stigning i energi og forlade deres atomer og blive frie elektroner - en elektrongas vil dukke op i det åbne volumen af ​​halvlederen - som i metaller, dvs. det vil en holdetilstand opstår.

Men i modsætning til metaller adskiller halvledere sig i deres ledningsevne af elektroner og huller. Hvorfor sker det, og hvad er det? Når valenselektronerne forlader deres steder, dannes områder med mangel på negativ ladning - "huller" - i de tidligere steder, som nu har et overskud af positiv ladning.

Naboelektronen vil let hoppe ind i det resulterende «hul», og så snart dette hul er fyldt med elektronen, der hoppede ind i det, dannes der igen et hul i stedet for den hoppede elektron.

Det vil sige, det viser sig, at et hul er et positivt ladet bevægeligt område af en halvleder. Og når en halvleder er forbundet til et kredsløb med en EMF-kilde, vil elektronerne bevæge sig til kildens positive terminal og hullerne til den negative terminal. Sådan foregår halvlederens indre ledningsevne.

Bevægelsen af ​​huller og ledningselektroner i en halvleder uden et påført elektrisk felt vil være kaotisk. Hvis et eksternt elektrisk felt påføres krystallen, vil elektronerne inde i den bevæge sig mod feltet, og hullerne vil bevæge sig langs feltet, det vil sige, at fænomenet intern ledning vil forekomme i halvlederen, hvilket ikke kun vil være forårsaget af elektroner, men også af huller.

I en halvleder sker ledning altid kun under påvirkning af nogle eksterne faktorer: på grund af bestråling med fotoner, fra effekten af ​​temperatur, når elektriske felter påføres osv.

Fermi-niveauet i en halvleder falder i midten af ​​båndgabet. Elektronens overgang fra det øvre valensbånd til det nedre ledningsbånd kræver en aktiveringsenergi svarende til båndgabets delta (se figur). Og så snart en elektron dukker op i ledningsbåndet, dannes der et hul i valensbåndet. Den brugte energi deles således ligeligt under dannelsen af ​​et par strømbærere.

Halvdelen af ​​energien (svarende til halvdelen af ​​båndbredden) bruges på elektronoverførsel og halvdelen på huldannelse; som følge heraf svarer oprindelsen til midten af ​​strimlens bredde. Fermi-energien i en halvleder er den energi, som elektroner og huller exciteres ved. Den position, at Fermi-niveauet er placeret for en halvleder i midten af ​​båndgabet, kan bekræftes ved matematiske beregninger, men vi udelader de matematiske beregninger her.

Under påvirkning af eksterne faktorer, for eksempel når temperaturen stiger, fører de termiske vibrationer af krystalgitteret af en halvleder til ødelæggelse af nogle valensbindinger, som et resultat af hvilke nogle af elektronerne bliver, adskilte, frie ladningsbærere .

I halvledere, sammen med dannelsen af ​​huller og elektroner, finder rekombinationsprocessen sted: elektroner passerer ind i valensbåndet fra ledningsbåndet, giver deres energi til krystalgitteret og udsender kvanter af elektromagnetisk stråling.Således svarer hver temperatur til ligevægtskoncentrationen af ​​huller og elektroner, som afhænger af temperaturen ifølge følgende udtryk:

Der er også urenhedskonduktivitet af halvledere, når et lidt anderledes stof indføres i krystallen af ​​en ren halvleder, der har en højere eller lavere valens end moderstoffet.

Hvis i rent, f.eks. samme silicium, antallet af huller og frie elektroner er ens, det vil sige, at de hele tiden dannes parvis, så i tilfælde af en urenhed tilsat silicium, f.eks. arsen, har en valens på 5, vil antallet af huller være mindre end antallet af frie elektroner, det vil sige, at der dannes en halvleder med et stort antal frie elektroner, negativt ladede, det vil være en n-type (negativ) halvleder. Og hvis du blander indium, som har en valens på 3, hvilket er mindre end siliciums, så vil der være flere huller - det vil være en p-type (positiv) halvleder.

Hvis vi nu bringer halvledere med forskellig ledningsevne i kontakt, så får vi ved kontaktpunktet et p-n-kryds. Elektroner, der bevæger sig fra n-området og huller, der bevæger sig fra p-området, vil begynde at bevæge sig mod hinanden, og på modsatte sider af kontakten vil der være områder med modsatte ladninger (på modsatte sider af pn-krydset): en positiv ladning vil akkumulere i n-regionen og en negativ ladning i p-regionen. De forskellige dele af krystallen med hensyn til overgangen vil være modsat ladede. Denne stilling er meget vigtig for alles arbejde. halvlederenheder.

Det enkleste eksempel på en sådan enhed er en halvlederdiode, hvor der kun bruges et pn-kryds, hvilket er nok til at opnå opgaven - at lede strøm i kun én retning.

Elektroner fra n-området bevæger sig mod den positive pol af strømkilden, og huller fra p-området bevæger sig mod den negative pol. Tilstrækkelige positive og negative ladninger vil akkumulere nær krydset, krydsets modstand vil falde betydeligt, og strømmen vil strømme gennem kredsløbet.

I omvendt forbindelse af dioden vil strømmen komme ud titusindvis af gange mindre, da elektronerne og hullerne simpelthen vil blive blæst af et elektrisk felt i forskellige retninger fra krydset. Dette princip virker diode ensretter.