Agos ng kuryente sa mga semiconductor
Sa pagitan ng mga conductor at dielectrics, sa mga tuntunin ng paglaban, ay matatagpuan semiconductor… Silicon, germanium, tellurium, atbp. — maraming elemento ng periodic table at ang kanilang mga compound ay nabibilang sa semiconductors. Maraming mga di-organikong sangkap ay semiconductor. Ang silikon ay mas malawak kaysa sa iba sa kalikasan; ang crust ng lupa ay binubuo ng 30% nito.
Ang pangunahing kapansin-pansing pagkakaiba sa pagitan ng mga semiconductor at metal ay nakasalalay sa negatibong koepisyent ng temperatura ng paglaban: kung mas mataas ang temperatura ng semiconductor, mas mababa ang resistensya ng kuryente nito. Para sa mga metal, ito ay kabaligtaran: mas mataas ang temperatura, mas malaki ang paglaban. Kung ang isang semiconductor ay pinalamig sa absolute zero, ito ay nagiging dielectric.
Ang pagtitiwala ng semiconductor conductivity sa temperatura ay nagpapakita na ang konsentrasyon libreng taxi driver sa semiconductors ay hindi pare-pareho at tumataas sa temperatura.Ang mekanismo ng pagpasa ng isang electric current sa pamamagitan ng isang semiconductor ay hindi maaaring bawasan sa modelo ng isang gas ng mga libreng electron, tulad ng sa mga metal. Upang maunawaan ang mekanismong ito, maaari nating tingnan ito halimbawa sa isang germanium crystal.
Sa normal na estado, ang germanium atoms ay naglalaman ng apat na valence electron sa kanilang panlabas na shell—apat na electron na maluwag na nakagapos sa nucleus. Higit pa rito, ang bawat atom sa germanium crystal lattice ay napapalibutan ng apat na kalapit na atomo. At ang bono dito ay covalent, na nangangahulugang ito ay nabuo ng mga pares ng valence electron.
Ito ay lumalabas na ang bawat isa sa mga valence electron ay nabibilang sa dalawang atomo sa parehong oras, at ang mga bono ng mga valence electron sa loob ng germanium kasama ang mga atomo nito ay mas malakas kaysa sa mga metal. Iyon ang dahilan kung bakit, sa temperatura ng silid, ang mga semiconductors ay nagsasagawa ng kasalukuyang ilang mga order ng magnitude na mas masahol pa kaysa sa mga metal. At sa absolute zero, lahat ng valence electron ng germanium ay sasakupin sa mga bond at walang libreng electron na magbibigay ng kasalukuyang.
Habang tumataas ang temperatura, ang ilan sa mga valence electron ay nakakakuha ng enerhiya na nagiging sapat upang masira ang mga covalent bond. Ito ay kung paano lumitaw ang mga libreng conduction electron. Ang isang uri ng bakante ay nabuo sa mga disconnection zone— mga butas na walang mga electron.
Ang butas na ito ay madaling sakupin ng isang valence electron mula sa isang kalapit na pares, pagkatapos ang butas ay lilipat sa lugar sa kalapit na atom. Sa isang tiyak na temperatura, ang isang tiyak na bilang ng tinatawag na mga pares ng electron-hole ay nabuo sa kristal.
Kasabay nito, ang proseso ng electron-hole recombination ay nagaganap - isang butas na nakakatugon sa isang libreng electron ay nagpapanumbalik ng covalent bond sa pagitan ng mga atomo sa isang germanium crystal. Ang ganitong mga pares, na binubuo ng isang elektron at isang butas, ay maaaring lumitaw sa isang semiconductor hindi lamang dahil sa pagkilos ng temperatura, kundi pati na rin kapag ang semiconductor ay naiilaw, iyon ay, dahil sa insidente ng enerhiya dito. electromagnetic radiation.
Kung walang panlabas na electric field ang inilapat sa semiconductor, kung gayon ang mga libreng electron at butas ay nakikibahagi sa magulong thermal motion. Ngunit kapag ang isang semiconductor ay inilagay sa isang panlabas na electric field, ang mga electron at mga butas ay nagsisimulang gumalaw sa isang order na paraan. Iyan ay kung paano ito ipinanganak kasalukuyang semiconductor.
Binubuo ito ng electron current at hole current. Sa isang semiconductor, pantay ang konsentrasyon ng mga butas at conduction electron. At sa purong semiconductor lamang ito ginagawa mekanismo ng pagpapadaloy ng butas ng elektron… Ito ang intrinsic electrical conductivity ng semiconductor.
Impurity conduction (electron at hole)
Kung may mga impurities sa semiconductor, kung gayon ang electrical conductivity nito ay nagbabago nang malaki kumpara sa purong semiconductor. Ang pagdaragdag ng isang karumihan sa anyo ng posporus sa isang silikon na kristal, sa halagang 0.001 atomic na porsyento, ay tataas ang kondaktibiti ng higit sa 100,000 beses! Ang ganitong makabuluhang epekto ng mga impurities sa conductivity ay naiintindihan.
Ang pangunahing kondisyon para sa paglago ng kondaktibiti ng karumihan ay ang pagkakaiba sa pagitan ng valence ng karumihan at ang valence ng elemento ng magulang. Ang ganitong impurity conduction ay tinatawag impurity conduction at maaaring maging electron at hole.
Ang isang germanium crystal ay nagsisimulang magkaroon ng electronic conductivity kung ang mga pentavalent atoms, halimbawa, arsenic, ay ipinakilala dito, habang ang valence ng mga atomo ng germanium mismo ay apat. Kapag ang pentavalent arsenic atom ay kapalit ng germanium crystal lattice, ang apat na panlabas na electron ng arsenic atom ay kasangkot sa covalent bond na may apat na kalapit na germanium atoms. Ang ikalimang elektron ng arsenic atom ay nagiging libre, madali itong umalis sa atom nito.
At ang atom na iniwan ng elektron ay nagiging isang positibong ion sa lugar ng kristal na sala-sala ng semiconductor. Ito ang tinatawag na donor impurity kapag ang valence ng impurity ay mas malaki kaysa sa valence ng mga pangunahing atomo. Maraming mga libreng electron ang lumilitaw dito, kaya naman, sa pagpapakilala ng isang karumihan, ang electrical resistance ng semiconductor ay bumaba ng libu-libo at milyon-milyong beses. Ang isang semiconductor na may malaking halaga ng mga karagdagang impurities ay lumalapit sa mga metal sa conductivity.
Bagama't ang mga electron at hole ay may pananagutan para sa intrinsic conductivity sa isang arsenic-doped germanium crystal, ang mga electron na umalis sa mga arsenic atoms ay ang pangunahing free charge carriers. Sa ganoong sitwasyon, ang konsentrasyon ng mga libreng electron ay higit na lumampas sa konsentrasyon ng mga butas, at ang ganitong uri ng conductivity ay tinatawag na electronic conductivity ng semiconductor, at ang semiconductor mismo ay tinatawag na n-type na semiconductor.
Kung, sa halip na pentavalent arsenic, ang trivalent indium ay idinagdag sa germanium crystal, ito ay bubuo ng mga covalent bond na may tatlong germanium atoms lamang. Ang ikaapat na germanium atom ay mananatiling hindi nakatali sa indium atom. Ngunit ang isang covalent electron ay maaaring makuha ng mga kalapit na germanium atoms.Ang indium ay magiging isang negatibong ion, at ang kalapit na germanium atom ay sasakupin ang isang bakante kung saan umiral ang covalent bond.
Ang ganitong karumihan, kapag ang isang impurity atom ay kumukuha ng mga electron, ay tinatawag na acceptor impurity. Kapag ang isang acceptor impurity ay ipinakilala, maraming covalent bond ang nasira sa kristal at maraming butas ang nabuo kung saan ang mga electron ay maaaring tumalon mula sa covalent bond. Sa kawalan ng isang electric current, ang mga butas ay gumagalaw nang random sa ibabaw ng kristal.
Ang isang acceptor ay humahantong sa isang matalim na pagtaas sa conductivity ng semiconductor dahil sa paglikha ng isang kasaganaan ng mga butas, at ang konsentrasyon ng mga butas na ito ay makabuluhang lumampas sa konsentrasyon ng mga electron ng intrinsic electrical conductivity ng semiconductor. Ito ay hole conduction at ang semiconductor ay tinatawag na p-type semiconductor. Ang mga pangunahing tagadala ng singil dito ay mga butas.