Yarı iletkenlerde elektrik akımı
İletkenler ve dielektrikler arasında, direnç açısından, bulunur yarı iletkenler… Silikon, germanyum, tellür vb. - periyodik tablonun birçok elementi ve bunların bileşikleri yarı iletkenlere aittir. Birçok inorganik madde yarı iletkendir. Silikon, doğası gereği diğerlerinden daha geniştir; yerkabuğu %30'unu oluşturur.
Yarı iletkenler ve metaller arasındaki ana çarpıcı fark, negatif sıcaklık direnç katsayısında yatmaktadır: yarı iletkenin sıcaklığı ne kadar yüksekse, elektrik direnci o kadar düşüktür. Metaller için ise tam tersidir: sıcaklık ne kadar yüksek olursa direnç o kadar yüksek olur. Bir yarı iletken mutlak sıfıra soğutulursa, dielektrik.
Yarı iletken iletkenliğinin sıcaklığa olan bu bağımlılığı, konsantrasyonun ücretsiz taksiciler yarı iletkenlerde sabit değildir ve sıcaklıkla artar.Elektrik akımının bir yarı iletkenden geçiş mekanizması, metallerde olduğu gibi serbest elektron gazı modeline indirgenemez. Bu mekanizmayı anlamak için, ona örneğin bir germanyum kristali üzerinde bakabiliriz.
Normal durumda, germanyum atomları dış kabuklarında dört değerlik elektronu içerir - çekirdeğe gevşek bir şekilde bağlı dört elektron. Ayrıca, germanyum kristal kafesindeki her atom, dört komşu atomla çevrilidir. Ve buradaki bağ kovalenttir, yani değerlik elektron çiftlerinden oluşur.
Değerlik elektronlarının her birinin aynı anda iki atoma ait olduğu ve germanyum içindeki değerlik elektronlarının atomlarıyla olan bağlarının metallerden daha güçlü olduğu ortaya çıktı. Bu nedenle, oda sıcaklığında yarı iletkenler akımı metallerden birkaç kat daha kötü iletir. Ve mutlak sıfırda, germanyumun tüm değerlik elektronları bağlarda işgal edilecek ve akımı sağlayacak serbest elektron olmayacaktır.
Sıcaklık arttıkça değerlik elektronlarının bir kısmı kovalent bağları kırmaya yetecek kadar enerji kazanır. Serbest iletken elektronlar bu şekilde ortaya çıkar. Bağlantı kesme bölgelerinde bir tür boşluk oluşur— elektronsuz delikler.
Bu boşluk, komşu bir çiftten gelen bir valans elektronu tarafından kolayca işgal edilebilir, daha sonra delik, komşu atomdaki yerine hareket edecektir. Belirli bir sıcaklıkta, kristalde belirli sayıda sözde elektron-boşluk çiftleri oluşur.
Aynı zamanda, elektron deliği rekombinasyonu süreci gerçekleşir - serbest bir elektronla buluşan bir delik, bir germanyum kristalindeki atomlar arasındaki kovalent bağı eski haline getirir. Bir elektron ve bir delikten oluşan bu tür çiftler, bir yarı iletkende yalnızca sıcaklık etkisi nedeniyle değil, aynı zamanda yarı iletken aydınlatıldığında, yani üzerine gelen enerji nedeniyle de ortaya çıkabilir. Elektromanyetik radyasyon.
Yarı iletkene herhangi bir dış elektrik alanı uygulanmazsa, serbest elektronlar ve delikler kaotik termal harekete geçer. Ancak bir yarı iletken harici bir elektrik alana yerleştirildiğinde, elektronlar ve delikler düzenli bir şekilde hareket etmeye başlar. işte böyle doğuyor yarı iletken akımı.
Elektron akımı ve delik akımından oluşur. Bir yarı iletkende, deliklerin konsantrasyonu ve iletim elektronları eşittir ve sadece saf yarı iletkenlerde böyle yapar. elektron deliği iletim mekanizması… Bu, yarı iletkenin içsel elektriksel iletkenliğidir.
Safsızlık iletimi (elektron ve boşluk)
Yarı iletkende safsızlıklar varsa, elektriksel iletkenliği saf yarı iletkene kıyasla önemli ölçüde değişir. Bir silikon kristaline atomik yüzde 0,001 oranında fosfor şeklinde bir safsızlık eklemek, iletkenliği 100.000 kattan fazla artıracaktır! Safsızlıkların iletkenlik üzerindeki bu kadar önemli bir etkisi anlaşılabilir.
Safsızlık iletkenliğinin büyümesinin ana koşulu, safsızlığın değeri ile ana elementin değeri arasındaki farktır. Bu tür safsızlık iletimi denir safsızlık iletimi ve bir elektron ve bir delik olabilir.
Bir germanyum kristali, içine pentavalent atomlar, örneğin arsenik eklenirse elektronik iletkenliğe sahip olmaya başlarken, germanyum atomlarının kendisinin değerliliği dörttür. Pentavalent arsenik atomu, germanyum kristal kafesinin yerinde olduğunda, arsenik atomunun dört dış elektronu, komşu dört germanyum atomuyla kovalent bağlara girer. Arsenik atomunun beşinci elektronu serbest kalır, atomunu kolaylıkla terk eder.
Ve elektronun bıraktığı atom, yarı iletkenin kristal kafesi yerine pozitif bir iyona dönüşür. Bu, safsızlığın değeri ana atomların değerinden daha büyük olduğunda donör safsızlığı olarak adlandırılır. Burada birçok serbest elektron ortaya çıkar, bu nedenle, bir safsızlığın eklenmesiyle yarı iletkenin elektrik direnci binlerce ve milyonlarca kez düşer. Büyük miktarda ilave safsızlık içeren bir yarı iletken, iletkenlik açısından metallere yaklaşır.
Arsenik katkılı bir germanyum kristalindeki içsel iletkenlikten elektronlar ve delikler sorumlu olsa da, arsenik atomlarını terk eden elektronlar ana serbest yük taşıyıcılarıdır. Böyle bir durumda, serbest elektronların konsantrasyonu deliklerin konsantrasyonunu büyük ölçüde aşar ve bu tür iletkenliğe yarı iletkenin elektronik iletkenliği denir ve yarı iletkenin kendisine n tipi yarı iletken denir.
Germanyum kristaline beş değerli arsenik yerine üç değerlikli indiyum eklenirse, yalnızca üç germanyum atomuyla kovalent bağlar oluşturacaktır. Dördüncü germanyum atomu indiyum atomuna bağlanmamış kalacaktır. Ancak kovalent bir elektron, komşu germanyum atomları tarafından yakalanabilir.İndiyum daha sonra negatif bir iyon olacaktır ve komşu germanyum atomu, kovalent bağın var olduğu bir boşluğu işgal edecektir.
Böyle bir safsızlık, bir safsızlık atomu elektronları yakaladığında, alıcı safsızlık olarak adlandırılır. Bir alıcı safsızlığı eklendiğinde, kristalde birçok kovalent bağ kırılır ve elektronların kovalent bağlardan atlayabileceği birçok delik oluşur. Elektrik akımı olmadığında, delikler kristal üzerinde rastgele hareket eder.
Bir alıcı, bol miktarda delik oluşması nedeniyle yarı iletkenin iletkenliğinde keskin bir artışa yol açar ve bu deliklerin konsantrasyonu, yarı iletkenin içsel elektriksel iletkenliğinin elektron konsantrasyonunu önemli ölçüde aşar. Bu delik iletimidir ve yarı iletkene p tipi yarı iletken denir. İçindeki ana yük taşıyıcıları deliklerdir.