Conductivitat dels semiconductors

Les substàncies capaces de conduir o no un corrent elèctric no es limiten a una divisió estricta de conductors i dielèctrics. També hi ha semiconductors, com el silici, el seleni, el germani i altres minerals i aliatges dignes de ser separats com a grup separat.

Aquestes substàncies condueixen el corrent elèctric millor que els dielèctrics, però pitjor que els metalls, i la seva conductivitat augmenta amb l'augment de la temperatura o la il·luminació. Aquesta característica dels semiconductors els fa aplicables en sensors de llum i temperatura, però la seva aplicació principal segueix sent l'electrònica.

Si mireu, per exemple, un cristall de silici, podeu trobar que el silici té una valència de 4, és a dir, a la capa exterior del seu àtom hi ha 4 electrons que estan units a quatre àtoms de silici veïns del cristall. Si aquest cristall es veu afectat per la calor o la llum, aleshores els electrons de valència rebran un augment d'energia i deixaran els seus àtoms, convertint-se en electrons lliures (un gas d'electrons apareixerà al volum obert del semiconductor), com en els metalls, és a dir, es produirà una condició de retenció.

Però a diferència dels metalls, els semiconductors difereixen en la seva conductivitat d'electrons i forats. Per què passa això i què és? Quan els electrons de valència abandonen els seus llocs, es formen regions amb una manca de càrrega negativa («forats») en aquells llocs anteriors, que ara tenen un excés de càrrega positiva.

L'electró veí saltarà fàcilment al «forat» resultant, i tan bon punt aquest forat s'omple amb l'electró que hi va saltar, es torna a formar un forat en lloc de l'electró saltat.

És a dir, resulta que un forat és una regió mòbil carregada positivament d'un semiconductor. I quan un semiconductor està connectat a un circuit amb una font EMF, els electrons es mouran al terminal positiu de la font i els forats al terminal negatiu. Així és com es produeix la conductivitat interna del semiconductor.

El moviment dels forats i dels electrons de conducció en un semiconductor sense un camp elèctric aplicat serà caòtic. Si s'aplica un camp elèctric extern al cristall, els electrons que hi ha al seu interior es mouran contra el camp i els forats es mouran al llarg del camp, és a dir, el fenomen de conducció interna es produirà al semiconductor, que no només serà causada per electrons, però també per forats.

En un semiconductor, la conducció sempre es produeix només sota la influència d'alguns factors externs: per irradiació amb fotons, per efecte de la temperatura, quan s'apliquen camps elèctrics, etc.

El nivell de Fermi en un semiconductor cau al mig de la banda bretxa. La transició de l'electró de la banda de valència superior a la banda de conducció inferior requereix una energia d'activació igual al delta de banda intercalada (vegeu la figura). I tan bon punt apareix un electró a la banda de conducció, es crea un forat a la banda de valència. Així, l'energia gastada es divideix a parts iguals durant la formació d'un parell de portadors de corrent.

La meitat de l'energia (corresponent a la meitat de l'amplada de banda) es gasta en la transferència d'electrons i la meitat en la formació de forats; com a resultat, l'origen correspon a la meitat de l'amplada de la tira. L'energia de Fermi en un semiconductor és l'energia a la qual s'exciten els electrons i els forats.La posició en què es troba el nivell de Fermi per a un semiconductor al mig de la banda buida es pot confirmar mitjançant càlculs matemàtics, però ometem els càlculs matemàtics aquí.

Sota la influència de factors externs, per exemple, quan augmenta la temperatura, les vibracions tèrmiques de la xarxa cristal·lina d'un semiconductor condueixen a la destrucció d'alguns enllaços de valència, com a resultat de la qual cosa alguns dels electrons esdevenen, separats, portadors de càrrega lliures. .

En els semiconductors, juntament amb la formació de forats i electrons, té lloc el procés de recombinació: els electrons passen a la banda de valència des de la banda de conducció, donant la seva energia a la xarxa cristal·lina i emetent quants de radiació electromagnètica.Així, cada temperatura correspon a la concentració d'equilibri de forats i electrons, que depèn de la temperatura segons la següent expressió:

També hi ha conductivitat per impureses dels semiconductors, quan s'introdueix una substància lleugerament diferent al cristall d'un semiconductor pur que té una valència més alta o menor que la substància matriu.

Si en el mateix silici pur, per exemple, el nombre de forats i electrons lliures és igual, és a dir, es formen tot el temps per parells, llavors en el cas d'una impuresa afegida al silici, per exemple, l'arsènic, té un valència de 5, el nombre de forats serà inferior al nombre d'electrons lliures, és a dir, es forma un semiconductor amb un gran nombre d'electrons lliures, carregats negativament, serà un semiconductor de tipus n (negatiu). I si barreges l'indi, que té una valència de 3, que és menor que la del silici, hi haurà més forats: serà un semiconductor (positiu) de tipus p.

Ara, si posem en contacte semiconductors de conductivitat diferent, aleshores al punt de contacte obtenim una unió p-n. Els electrons que es mouen des de la regió n i els forats que es mouen des de la regió p començaran a moure's un cap a l'altre, i als costats oposats del contacte hi haurà regions amb càrregues oposades (en costats oposats de la unió pn): un positiu La càrrega s'acumularà a la regió n i una càrrega negativa a la regió p. Les diferents parts del cristall respecte a la transició tindran càrrega oposada. Aquesta posició és molt important per a la feina de tots. dispositius semiconductors.

L'exemple més senzill d'aquest dispositiu és un díode semiconductor, on només s'utilitza una unió pn, que és suficient per aconseguir la tasca: conduir el corrent en una sola direcció.

Els electrons de la regió n es mouen cap al pol positiu de la font d'energia i els forats de la regió p es mouen cap al pol negatiu. S'acumularan suficients càrregues positives i negatives prop de la unió, la resistència de la unió disminuirà significativament i el corrent fluirà pel circuit.

En la connexió inversa del díode, el corrent sortirà desenes de milers de vegades menys, ja que els electrons i els forats simplement seran bufats per un camp elèctric en diferents direccions de la unió. Aquest principi funciona rectificador de díode.