Elektrisk strøm i halvledere
Mellem lederne og dielektrikkerne, hvad angår modstand, er placeret halvledere… Silicium, germanium, tellur osv. — mange grundstoffer i det periodiske system og deres forbindelser tilhører halvledere. Mange uorganiske stoffer er halvledere. Silicium er bredere end andre i naturen; jordskorpen består af 30 % af den.
Den største slående forskel mellem halvledere og metaller ligger i den negative temperaturkoefficient for modstand: Jo højere temperatur på halvlederen er, jo lavere er dens elektriske modstand. For metaller er det modsat: Jo højere temperatur, jo større modstand. Hvis en halvleder afkøles til det absolutte nul, bliver den dielektrisk.
Denne afhængighed af halvlederens ledningsevne af temperaturen viser, at koncentrationen gratis taxachauffører i halvledere er ikke konstant og stiger med temperaturen.Mekanismen for passage af en elektrisk strøm gennem en halvleder kan ikke reduceres til modellen for en gas af frie elektroner, som i metaller. For at forstå denne mekanisme kan vi se på den for eksempel på en germaniumkrystal.
I normal tilstand indeholder germanium-atomer fire valenselektroner i deres ydre skal - fire elektroner, der er løst bundet til kernen. Desuden er hvert atom i germanium krystalgitteret omgivet af fire naboatomer. Og bindingen her er kovalent, hvilket betyder, at den er dannet af par valenselektroner.
Det viser sig, at hver af valenselektronerne tilhører to atomer på samme tid, og bindingerne af valenselektronerne inde i germanium med dets atomer er stærkere end i metaller. Det er derfor, ved stuetemperatur, halvledere leder strøm flere størrelsesordener værre end metaller. Og ved det absolutte nulpunkt vil alle germaniums valenselektroner være optaget i bindinger, og der vil ikke være frie elektroner til at levere strømmen.
Når temperaturen stiger, får nogle af valenselektronerne energi, der bliver tilstrækkelig til at bryde kovalente bindinger. Sådan opstår frie ledningselektroner. Der dannes en type ledig stilling i frakoblingszoner— huller uden elektroner.
Dette hul kan nemt optages af en valenselektron fra et nabopar, så vil hullet bevæge sig på plads ved naboatomet. Ved en bestemt temperatur dannes et vist antal såkaldte elektron-hul-par i krystallen.
Samtidig finder processen med elektron-hul-rekombination sted - et hul, der møder en fri elektron, genopretter den kovalente binding mellem atomer i en germaniumkrystal. Sådanne par, der består af en elektron og et hul, kan opstå i en halvleder, ikke kun på grund af temperaturpåvirkning, men også når halvlederen er belyst, det vil sige på grund af den energi, der falder ind på den elektromagnetisk stråling.
Hvis der ikke påføres et eksternt elektrisk felt på halvlederen, går de frie elektroner og huller i kaotisk termisk bevægelse. Men når en halvleder placeres i et eksternt elektrisk felt, begynder elektronerne og hullerne at bevæge sig på en ordnet måde. Sådan er det født halvlederstrøm.
Den består af elektronstrøm og hulstrøm. I en halvleder er koncentrationen af huller og ledningselektroner ens. Og kun i rene halvledere gør det det elektronhuls ledningsmekanisme… Dette er den iboende elektriske ledningsevne af halvlederen.
Urenhedsledning (elektron og hul)
Hvis der er urenheder i halvlederen, ændres dens elektriske ledningsevne betydeligt sammenlignet med den rene halvleder. Tilsætning af en urenhed i form af fosfor til en siliciumkrystal, i en mængde på 0,001 atomprocent, vil øge ledningsevnen med mere end 100.000 gange! En så betydelig effekt af urenheder på ledningsevnen er forståelig.
Hovedbetingelsen for væksten af urenhedskonduktivitet er forskellen mellem urenhedens valens og moderelementets valens. Sådan urenhedsledning kaldes urenhedsledning og kan være en elektron og et hul.
En germaniumkrystal begynder at have elektronisk ledningsevne, hvis pentavalente atomer, f.eks. arsen, indføres i den, mens valensen af atomerne i germanium selv er fire. Når det pentavalente arsenatom er i stedet for germaniumkrystalgitteret, er de fire ydre elektroner af arsenatomet involveret i kovalente bindinger med fire tilstødende germaniumatomer. Den femte elektron i arsenatomet bliver fri, den forlader let sit atom.
Og atomet efterladt af elektronen bliver til en positiv ion i stedet for halvlederens krystalgitter. Dette er den såkaldte donorurenhed, når valensen af urenheden er større end valensen af hovedatomerne. Mange frie elektroner optræder her, og derfor falder halvlederens elektriske modstand tusinder og millioner af gange med indførelsen af en urenhed. En halvleder med en stor mængde tilsatte urenheder nærmer sig metaller i ledningsevne.
Selvom elektroner og huller er ansvarlige for den iboende ledningsevne i en arsen-doteret germanium-krystal, er elektronerne, der har forladt arsen-atomerne, de vigtigste frie ladningsbærere. I en sådan situation overstiger koncentrationen af frie elektroner meget koncentrationen af huller, og denne type ledningsevne kaldes halvlederens elektroniske ledningsevne, og selve halvlederen kaldes en n-type halvleder.
Hvis der i stedet for pentavalent arsen tilsættes trivalent indium til germaniumkrystallen, vil det danne kovalente bindinger med kun tre germaniumatomer. Det fjerde germaniumatom forbliver ubundet til indiumatomet. Men en kovalent elektron kan fanges af tilstødende germaniumatomer.Indiumet vil da være en negativ ion, og det tilstødende germaniumatom vil optage en ledig plads, hvor den kovalente binding eksisterede.
En sådan urenhed, når et urenhedsatom fanger elektroner, kaldes en acceptorurenhed. Når en acceptorurenhed indføres, brydes mange kovalente bindinger i krystallen, og der dannes mange huller, hvori elektroner kan springe fra kovalente bindinger. I mangel af en elektrisk strøm bevæger hullerne sig tilfældigt over krystallen.
En acceptor fører til en kraftig stigning i ledningsevnen af halvlederen på grund af skabelsen af en overflod af huller, og koncentrationen af disse huller overstiger betydeligt koncentrationen af elektroner af halvlederens iboende elektriske ledningsevne. Dette er hulledning, og halvlederen kaldes en p-type halvleder. De vigtigste ladebærere i den er huller.