Corrent elèctric en semiconductors
Entre els conductors i els dielèctrics, en termes de resistència, se situen semiconductors… Silici, germani, tel·luri, etc. — Molts elements de la taula periòdica i els seus compostos pertanyen a semiconductors. Moltes substàncies inorgàniques són semiconductors. El silici és més ample que altres a la natura; l'escorça terrestre està formada per un 30% d'ella.
La principal diferència sorprenent entre els semiconductors i els metalls rau en el coeficient de temperatura negatiu de resistència: com més alta sigui la temperatura del semiconductor, menor serà la seva resistència elèctrica. Per als metalls, és el contrari: com més alta és la temperatura, més gran és la resistència. Si un semiconductor es refreda fins a zero absolut, es converteix en dielèctric.
Aquesta dependència de la conductivitat dels semiconductors de la temperatura mostra que la concentració taxistes gratuïts en semiconductors no és constant i augmenta amb la temperatura.El mecanisme de pas d'un corrent elèctric a través d'un semiconductor no es pot reduir al model d'un gas d'electrons lliures, com en els metalls. Per entendre aquest mecanisme, podem mirar-lo per exemple en un cristall de germani.
En estat normal, els àtoms de germani contenen quatre electrons de valència a la seva capa exterior: quatre electrons que estan lligats al nucli. A més, cada àtom de la xarxa cristal·lina de germani està envoltat per quatre àtoms veïns. I aquí l'enllaç és covalent, el que significa que està format per parells d'electrons de valència.
Resulta que cadascun dels electrons de valència pertany a dos àtoms alhora, i els enllaços dels electrons de valència dins del germani amb els seus àtoms són més forts que en els metalls. És per això que, a temperatura ambient, els semiconductors condueixen el corrent diversos ordres de magnitud pitjor que els metalls. I al zero absolut, tots els electrons de valència del germani estaran ocupats en enllaços i no hi haurà electrons lliures per proporcionar el corrent.
A mesura que augmenta la temperatura, alguns dels electrons de valència guanyen energia que esdevé suficient per trencar enllaços covalents. Així és com sorgeixen els electrons de conducció lliure. Es forma un tipus de vacant a les zones de desconnexió— forats sense electrons.
Aquest forat pot ser ocupat fàcilment per un electró de valència d'un parell veí, llavors el forat es mourà al seu lloc a l'àtom veí. A una temperatura determinada, es formen al cristall un nombre determinat d'anomenats parells d'electrons-forat.
Al mateix temps, té lloc el procés de recombinació electró-forat: un forat que troba un electró lliure restaura l'enllaç covalent entre els àtoms en un cristall de germani. Aquests parells, formats per un electró i un forat, poden sorgir en un semiconductor no només a causa de l'acció de la temperatura, sinó també quan el semiconductor està il·luminat, és a dir, a causa de l'energia que hi incideix. radiació electromagnètica.
Si no s'aplica cap camp elèctric extern al semiconductor, aleshores els electrons i forats lliures es dediquen a un moviment tèrmic caòtic. Però quan un semiconductor es col·loca en un camp elèctric extern, els electrons i els forats comencen a moure's de manera ordenada. Així és com neix corrent semiconductor.
Consta de corrent electrònic i corrent de forat. En un semiconductor, la concentració de forats i d'electrons de conducció són iguals, i només en semiconductors purs ho fa. Mecanisme de conducció del forat electrònic… Aquesta és la conductivitat elèctrica intrínseca del semiconductor.
Conducció d'impureses (electró i forat)
Si hi ha impureses al semiconductor, la seva conductivitat elèctrica canvia significativament en comparació amb el semiconductor pur. Afegir una impuresa en forma de fòsfor a un cristall de silici, en una quantitat de 0,001 per cent atòmic, augmentarà la conductivitat en més de 100.000 vegades! És comprensible un efecte tan important de les impureses sobre la conductivitat.
La condició principal per al creixement de la conductivitat de la impuresa és la diferència entre la valència de la impuresa i la valència de l'element pare. Aquesta conducció d'impureses s'anomena conducció d'impureses i pot ser un electró i un forat.
Un cristall de germani comença a tenir conductivitat electrònica si s'hi introdueixen àtoms pentavalents, per exemple, arsènic, mentre que la valència dels àtoms del germani és de quatre. Quan l'àtom d'arsènic pentavalent està en lloc de la xarxa cristal·lina de germani, els quatre electrons exteriors de l'àtom d'arsènic estan implicats en enllaços covalents amb quatre àtoms de germani veïns. El cinquè electró de l'àtom d'arsènic es fa lliure, deixa fàcilment el seu àtom.
I l'àtom deixat per l'electró es converteix en un ió positiu al lloc de la xarxa cristal·lina del semiconductor. Aquesta és l'anomenada impuresa donant quan la valència de la impuresa és més gran que la dels àtoms principals. Aquí apareixen molts electrons lliures, per això, amb la introducció d'una impuresa, la resistència elèctrica del semiconductor cau milers i milions de vegades. Un semiconductor amb una gran quantitat d'impureses afegides s'acosta als metalls en conductivitat.
Tot i que els electrons i els forats són els responsables de la conductivitat intrínseca en un cristall de germani dopat amb arsènic, els electrons que han deixat els àtoms d'arsènic són els principals portadors de càrrega lliure. En aquesta situació, la concentració d'electrons lliures supera molt la concentració de forats, i aquest tipus de conductivitat s'anomena conductivitat electrònica del semiconductor, i el propi semiconductor s'anomena semiconductor de tipus n.
Si, en lloc d'arsènic pentavalent, s'afegeix indi trivalent al cristall de germani, formarà enllaços covalents amb només tres àtoms de germani. El quart àtom de germani romandrà sense lligar a l'àtom d'indi. Però un electró covalent pot ser capturat pels àtoms de germani veïns.Aleshores, l'indi serà un ió negatiu i l'àtom de germani veí ocuparà un lloc vacant on existia l'enllaç covalent.
Aquesta impuresa, quan un àtom d'impuresa captura electrons, s'anomena impuresa acceptora. Quan s'introdueix una impuresa acceptor, es trenquen molts enllaços covalents al cristall i es formen molts forats als quals els electrons poden saltar dels enllaços covalents. En absència de corrent elèctric, els forats es mouen aleatòriament sobre el cristall.
Un acceptor condueix a un fort augment de la conductivitat del semiconductor a causa de la creació d'una gran quantitat de forats, i la concentració d'aquests forats supera significativament la concentració d'electrons de la conductivitat elèctrica intrínseca del semiconductor. Aquesta és la conducció del forat i el semiconductor s'anomena semiconductor de tipus p. Els principals portadors de càrrega són els forats.