yarı iletken iletkenlik

Bir elektrik akımını iletebilen veya iletemeyen maddeler, yalnızca iletkenlerin ve dielektriklerin katı bir şekilde bölünmesiyle sınırlı değildir. Silikon, selenyum, germanyum gibi yarı iletkenler ve ayrı bir grup olarak ayrılmaya değer diğer mineraller ve alaşımlar da vardır.

Bu maddeler elektrik akımını dielektriklerden daha iyi, ancak metallerden daha kötü iletir ve iletkenlikleri artan sıcaklık veya aydınlatma ile artar. Yarı iletkenlerin bu özelliği, onları ışık ve sıcaklık sensörlerinde uygulanabilir kılar, ancak ana uygulamaları hala elektroniktir.

Örneğin bir silikon kristaline bakarsanız, silikonun 4 değerinde olduğunu, yani atomunun dış kabuğunda kristaldeki dört komşu silikon atomuna bağlı 4 elektron olduğunu görebilirsiniz. Böyle bir kristal ısı veya ışıktan etkilenirse, değerlik elektronları enerjide bir artış alacak ve atomlarını terk ederek serbest elektronlar haline gelecek - yarı iletkenin açık hacminde bir elektron gazı görünecektir - metallerde olduğu gibi, yani, tutma durumu oluşur.

Ancak metallerden farklı olarak, yarı iletkenler elektronları ve delikleri iletkenliklerinde farklılık gösterir. Bu neden oluyor ve nedir? Değerlik elektronları yerlerini terk ettiklerinde, negatif yükün olmadığı bölgeler -"delikler"- şu anda aşırı pozitif yüke sahip olan eski bölgelerde oluşur.

Komşu elektron kolayca ortaya çıkan "deliğe" atlayacaktır ve bu boşluk içine atlayan elektronla dolduğunda, atlanan elektronun yerinde tekrar bir delik oluşur.

Yani, bir deliğin bir yarı iletkenin pozitif yüklü hareketli bir bölgesi olduğu ortaya çıktı. Ve bir EMF kaynağı olan bir devreye bir yarı iletken bağlandığında, elektronlar kaynağın pozitif terminaline ve delikler negatif terminale hareket edecektir. Yarı iletkenin iç iletkenliği bu şekilde gerçekleşir.

Bir yarı iletkende elektrik alanı uygulanmadan deliklerin ve iletim elektronlarının hareketi kaotik olacaktır. Kristale harici bir elektrik alanı uygulanırsa, içindeki elektronlar alana karşı hareket edecek ve delikler alan boyunca hareket edecek, yani yarı iletkende sadece olmayacak bir iç iletim olgusu meydana gelecektir. elektronlardan kaynaklanır, aynı zamanda boşluklardan da kaynaklanır.

Bir yarı iletkende, iletim her zaman yalnızca bazı dış faktörlerin etkisi altında gerçekleşir: fotonlarla ışınlama nedeniyle, sıcaklığın etkisinden, elektrik alanları uygulandığında, vb.

Bir yarı iletkendeki Fermi seviyesi, bant aralığının ortasına düşer. Elektronun üst değerlik bandından alt iletim bandına geçişi, bant aralığı deltasına eşit bir aktivasyon enerjisi gerektirir (şekle bakın). İletim bandında bir elektron belirdiği anda değerlik bandında bir boşluk oluşur. Böylece, bir çift akım taşıyıcının oluşumu sırasında harcanan enerji eşit olarak bölünür.

Enerjinin yarısı (bant genişliğinin yarısına karşılık gelir) elektron transferine ve yarısı delik oluşumuna harcanır; sonuç olarak orijin, şerit genişliğinin ortasına karşılık gelir. Bir yarı iletkendeki Fermi enerjisi, elektronların ve deliklerin uyarıldığı enerjidir.Bir yarı iletken için Fermi seviyesinin bant aralığının ortasında bulunduğu konum, matematiksel hesaplamalarla doğrulanabilir, ancak burada matematiksel hesaplamaları atlıyoruz.

Dış faktörlerin etkisi altında, örneğin sıcaklık arttığında, bir yarı iletkenin kristal kafesinin termal titreşimleri, bazı değerlik bağlarının tahrip olmasına yol açar, bunun sonucunda elektronların bir kısmı ayrılır, serbest yük taşıyıcıları olur. .

Yarı iletkenlerde, deliklerin ve elektronların oluşumu ile birlikte, rekombinasyon işlemi gerçekleşir: elektronlar, iletim bandından valans bandına geçerek enerjilerini kristal kafese verir ve elektromanyetik radyasyon kuantumları yayar.Bu nedenle, her sıcaklık, aşağıdaki ifadeye göre sıcaklığa bağlı olan boşlukların ve elektronların denge konsantrasyonuna karşılık gelir:

Ana maddeden daha yüksek veya daha düşük değerliliğe sahip saf bir yarı iletkenin kristaline biraz farklı bir madde eklendiğinde, yarı iletkenlerin safsızlık iletkenliği de vardır.

Saf, örneğin aynı silikonda, deliklerin ve serbest elektronların sayısı eşitse, yani bunlar her zaman çiftler halinde oluşturulmuşsa, o zaman silikona eklenen bir safsızlık durumunda, örneğin arsenik, 5 değerlik, delik sayısı serbest elektron sayısından daha az olacaktır, yani çok sayıda serbest elektronla bir yarı iletken oluşur, negatif yüklü, n tipi (negatif) bir yarı iletken olacaktır. Ve silikonunkinden daha az olan 3 değerlikli indiyumu karıştırırsanız, o zaman daha fazla delik olacaktır - p tipi (pozitif) bir yarı iletken olacaktır.

Şimdi, farklı iletkenliğe sahip yarı iletkenleri temas ettirirsek, temas noktasında bir p-n bağlantısı elde ederiz. n-bölgesinden hareket eden elektronlar ve p-bölgesinden hareket eden delikler birbirine doğru hareket etmeye başlayacak ve temasın zıt taraflarında zıt yüklere sahip bölgeler olacaktır (pn-kavşağının zıt taraflarında): pozitif n-bölgesinde yük ve p-bölgesinde negatif bir yük birikecektir. Geçişe göre kristalin farklı kısımları zıt yüklenecektir. Bu pozisyon herkesin işi için çok önemlidir. yarı iletken cihazlar.

Böyle bir cihazın en basit örneği, yalnızca bir pn bağlantısının kullanıldığı yarı iletken bir diyottur; bu, görevi gerçekleştirmek için yeterlidir - akımı yalnızca bir yönde iletmek.

n-bölgesinden gelen elektronlar güç kaynağının pozitif kutbuna doğru hareket eder ve p-bölgesinden gelen delikler negatif kutba doğru hareket eder. Bağlantı noktasının yakınında yeterli pozitif ve negatif yük birikecek, bağlantının direnci önemli ölçüde azalacak ve akım devre boyunca akacaktır.

Diyotun ters bağlantısında, elektronlar ve delikler bağlantı noktasından farklı yönlerde bir elektrik alanı tarafından basitçe üfleneceğinden, akım on binlerce kat daha az çıkacaktır. Bu prensip çalışır diyot doğrultucu.