Semiconductor conductivity

Ang mga sangkap na may kakayahang magsagawa o hindi magsagawa ng electric current ay hindi limitado sa isang mahigpit na dibisyon ng mga conductor at dielectric lamang. Mayroon ding mga semiconductor, tulad ng silicon, selenium, germanium, at iba pang mga mineral at haluang metal na karapat-dapat na paghiwalayin bilang isang hiwalay na grupo.

Ang mga sangkap na ito ay nagsasagawa ng electric current na mas mahusay kaysa sa dielectrics, ngunit mas masahol pa kaysa sa mga metal, at ang kanilang conductivity ay tumataas sa pagtaas ng temperatura o pag-iilaw. Ang katangiang ito ng semiconductors ay ginagawang naaangkop ang mga ito sa mga sensor ng liwanag at temperatura, ngunit ang kanilang pangunahing aplikasyon ay electronics pa rin.

Kung titingnan mo, halimbawa, sa isang silikon na kristal, makikita mo na ang silikon ay may valency na 4, iyon ay, sa panlabas na shell ng atom nito ay mayroong 4 na electron na nakagapos sa apat na kalapit na silikon na mga atomo sa kristal. Kung ang naturang kristal ay apektado ng init o liwanag, kung gayon ang mga valence electron ay makakatanggap ng pagtaas ng enerhiya at iiwan ang kanilang mga atomo, nagiging mga libreng electron - isang electron gas ang lilitaw sa bukas na dami ng semiconductor - tulad ng sa mga metal, iyon ay, ito ay magkakaroon ng isang kondisyon ng paghawak.

Ngunit hindi tulad ng mga metal, ang mga semiconductor ay naiiba sa kanilang conductivity ng mga electron at butas. Bakit ito nangyayari at ano ito? Kapag umalis ang mga valence electron sa kanilang mga site, ang mga rehiyon na walang negatibong singil—“mga butas”—ay nabuo sa mga dating site na iyon, na ngayon ay may labis na positibong singil.

Ang kalapit na electron ay madaling tumalon sa nagreresultang «hole», at sa sandaling ang butas na ito ay mapuno ng electron na tumalon dito, isang butas ang bubuo muli bilang kapalit ng tumalon na electron.

Iyon ay, lumalabas na ang isang butas ay isang positibong sisingilin na gumagalaw na rehiyon ng isang semiconductor. At kapag ang isang semiconductor ay konektado sa isang circuit na may pinagmumulan ng EMF, ang mga electron ay lilipat sa positibong terminal ng pinagmulan at ang mga butas sa negatibong terminal. Ito ay kung paano nagaganap ang panloob na kondaktibiti ng semiconductor.

Magiging magulo ang paggalaw ng mga butas at conduction electron sa isang semiconductor na walang inilapat na electric field. Kung ang isang panlabas na electric field ay inilapat sa kristal, ang mga electron sa loob nito ay lilipat laban sa field, at ang mga butas ay lilipat sa kahabaan ng field, iyon ay, ang kababalaghan ng panloob na pagpapadaloy ay magaganap sa semiconductor, na hindi lamang magiging sanhi ng mga electron, ngunit din ng mga butas .

Sa isang semiconductor, ang pagpapadaloy ay palaging nangyayari lamang sa ilalim ng impluwensya ng ilang panlabas na mga kadahilanan: dahil sa pag-iilaw sa mga photon, mula sa epekto ng temperatura, kapag ang mga electric field ay inilapat, atbp.

Ang antas ng Fermi sa isang semiconductor ay bumaba sa gitna ng banda gap. Ang paglipat ng electron mula sa upper valence band patungo sa lower conduction band ay nangangailangan ng activation energy na katumbas ng bandgap delta (tingnan ang figure). At sa sandaling lumitaw ang isang elektron sa banda ng pagpapadaloy, isang butas ang nilikha sa banda ng valence. Kaya, ang enerhiya na ginugol ay nahahati nang pantay sa panahon ng pagbuo ng isang pares ng kasalukuyang mga carrier.

Kalahati ng enerhiya (naaayon sa kalahati ng lapad ng banda) ay ginugugol sa paglipat ng elektron at kalahati sa pagbuo ng butas; bilang isang resulta, ang pinagmulan ay tumutugma sa gitna ng lapad ng strip. Ang enerhiya ng Fermi sa isang semiconductor ay ang enerhiya kung saan nasasabik ang mga electron at butas. Ang posisyon kung saan matatagpuan ang antas ng Fermi para sa isang semiconductor sa gitna ng band gap ay maaaring kumpirmahin ng mga kalkulasyon ng matematika, ngunit tinanggal namin ang mga kalkulasyon ng matematika dito.

Sa ilalim ng impluwensya ng mga panlabas na kadahilanan, halimbawa, kapag ang temperatura ay tumaas, ang mga thermal vibrations ng kristal na sala-sala ng isang semiconductor ay humahantong sa pagkasira ng ilang mga valence bond, bilang isang resulta kung saan ang ilan sa mga electron ay nagiging, pinaghihiwalay, mga carrier ng libreng bayad. .

Sa semiconductors, kasama ang pagbuo ng mga butas at mga electron, ang proseso ng recombination ay nagaganap: ang mga electron ay pumasa sa valence band mula sa conduction band, na nagbibigay ng kanilang enerhiya sa kristal na sala-sala at naglalabas ng quanta ng electromagnetic radiation.Kaya, ang bawat temperatura ay tumutugma sa konsentrasyon ng balanse ng mga butas at mga electron, na nakasalalay sa temperatura ayon sa sumusunod na expression:

Mayroon ding impurity conductivity ng semiconductors, kapag ang isang bahagyang naiibang substance ay ipinakilala sa kristal ng isang purong semiconductor na may mas mataas o mas mababang valency kaysa sa parent substance.

Kung sa dalisay, sabihin nating, ang parehong silikon, ang bilang ng mga butas at libreng mga electron ay pantay, iyon ay, sila ay nabuo sa lahat ng oras sa mga pares, kung gayon sa kaso ng isang karumihan na idinagdag sa silikon, halimbawa, arsenic, pagkakaroon ng isang valence ng 5, ang bilang ng mga butas ay magiging mas mababa kaysa sa bilang ng mga libreng electron, iyon ay, ang isang semiconductor ay nabuo na may isang malaking bilang ng mga libreng electron, negatibong sisingilin, ito ay magiging isang n-type (negatibong) semiconductor. At kung paghaluin mo ang indium, na may valency na 3, na mas mababa kaysa sa silikon, magkakaroon ng higit pang mga butas-ito ay magiging isang p-type (positibong) semiconductor.

Ngayon, kung magdadala kami ng mga semiconductors ng iba't ibang kondaktibiti sa pakikipag-ugnay, pagkatapos ay sa punto ng pakikipag-ugnay makakakuha kami ng p-n junction. Ang mga electron na lumilipat mula sa n-rehiyon at mga butas na lumilipat mula sa p-rehiyon ay magsisimulang lumipat patungo sa isa't isa, at sa magkabilang panig ng contact ay magkakaroon ng mga rehiyon na may magkasalungat na singil (sa magkabilang panig ng pn-junction ): isang positibo Ang singil ay maiipon sa n-rehiyon at isang negatibong singil sa p-rehiyon. Ang iba't ibang bahagi ng kristal na may kinalaman sa paglipat ay kabaligtaran na sisingilin. Napakahalaga ng posisyong ito para sa trabaho ng lahat. mga aparatong semiconductor.

Ang pinakasimpleng halimbawa ng naturang aparato ay isang semiconductor diode, kung saan isang pn junction lamang ang ginagamit, na sapat upang makamit ang gawain - upang magsagawa ng kasalukuyang sa isang direksyon lamang.

Ang mga electron mula sa n-rehiyon ay lumilipat patungo sa positibong poste ng pinagmumulan ng kuryente at ang mga butas mula sa p-rehiyon ay lumilipat patungo sa negatibong poste. Ang sapat na positibo at negatibong mga singil ay maipon malapit sa kantong, ang paglaban ng kantong ay bababa nang malaki at ang kasalukuyang ay dadaloy sa circuit.

Sa reverse na koneksyon ng diode, ang kasalukuyang ay lalabas ng sampu-sampung libong beses na mas kaunti, dahil ang mga electron at butas ay hihipan lamang ng isang electric field sa iba't ibang direksyon mula sa kantong. Gumagana ang prinsipyong ito diode rectifier.