זרם חשמלי במוליכים למחצה

בין המוליכים והדיאלקטריים, במונחים של התנגדות, ממוקמים מוליכים למחצה... סיליקון, גרמניום, טלוריום וכו'. - אלמנטים רבים של הטבלה המחזורית והתרכובות שלהם שייכים למוליכים למחצה. חומרים אנאורגניים רבים הם מוליכים למחצה. הסיליקון רחב יותר מאחרים בטבע; קרום כדור הארץ מורכב מ-30% ממנו.

ההבדל הבולט העיקרי בין מוליכים למחצה למתכות טמון במקדם הטמפרטורה השלילי של ההתנגדות: ככל שהטמפרטורה של המוליך למחצה גבוהה יותר, כך ההתנגדות החשמלית שלו נמוכה יותר. לגבי מתכות, זה הפוך: ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך ההתנגדות גדולה יותר. אם מוליך למחצה מקורר לאפס מוחלט, הוא הופך דיאלקטרי.

טמפרטורה גבוהה יותר - התנגדות נמוכה יותר

תלות זו של מוליכות מוליכים למחצה בטמפרטורה מראה שהריכוז נהגי מוניות בחינם במוליכים למחצה אינו קבוע ועולה עם הטמפרטורה.לא ניתן לצמצם את מנגנון המעבר של זרם חשמלי דרך מוליך למחצה למודל של גז של אלקטרונים חופשיים, כמו במתכות. כדי להבין את המנגנון הזה, נוכל להסתכל עליו למשל על גביש גרמניום.

במצב נורמלי, אטומי גרמניום מכילים ארבעה אלקטרונים ערכיים בקליפה החיצונית שלהם - ארבעה אלקטרונים הקשורים באופן רופף לגרעין. יתר על כן, כל אטום בסריג הגביש הגרמניום מוקף בארבעה אטומים שכנים. והקשר כאן הוא קוולנטי, מה שאומר שהוא נוצר על ידי זוגות של אלקטרוני ערכיות.

מסתבר שכל אחד מאלקטרוני הערכיות שייך לשני אטומים בו זמנית, והקשרים של אלקטרוני הערכיות בתוך גרמניום עם האטומים שלו חזקים יותר מאשר במתכות. זו הסיבה שבטמפרטורת החדר מוליכים למחצה מוליכים זרם גרוע בכמה סדרי גודל ממתכות. ובאפס המוחלט, כל אלקטרוני הערכיות של גרמניום יהיו תפוסים בקשרים ולא יהיו אלקטרונים חופשיים שיספקו את הזרם.

ככל שהטמפרטורה עולה, חלק מאלקטרוני הערכיות מקבלים אנרגיה שמספיקה לשבור קשרים קוולנטיים. כך נוצרים אלקטרונים הולכה חופשית. נוצר סוג של משרה פנויה באזורי ניתוק- חורים ללא אלקטרונים.

חור זה יכול בקלות להיות תפוס על ידי אלקטרון ערכיות מזוג שכן, ואז החור יעבור למקומו באטום השכן. בטמפרטורה מסוימת נוצרים בגביש מספר מסוים של מה שנקרא זוגות אלקטרונים-חורים.

במקביל, מתרחש תהליך ריקומבינציה בין אלקטרונים לחור - חור הפוגש אלקטרון חופשי משחזר את הקשר הקוולנטי בין אטומים בגביש גרמניום. זוגות כאלה, המורכבים מאלקטרון וחור, יכולים להיווצר במוליך למחצה לא רק בשל פעולת הטמפרטורה, אלא גם כאשר המוליך למחצה מואר, כלומר, בשל האנרגיה הנכנסת עליו. קרינה אלקטרומגנטית.

אם לא מופעל שדה חשמלי חיצוני על המוליך למחצה, אז האלקטרונים והחורים החופשיים מעורבים בתנועה תרמית כאוטית. אבל כאשר מוליך למחצה ממוקם בשדה חשמלי חיצוני, האלקטרונים והחורים מתחילים לנוע בצורה מסודרת. ככה זה נולד זרם מוליכים למחצה.

הוא מורכב מזרם אלקטרונים וזרם חור. במוליך למחצה ריכוז החורים ואלקטרוני ההולכה שווה. ורק במוליכים למחצה טהורים זה עושה זאת מנגנון הולכת חור אלקטרוני... זוהי המוליכות החשמלית הפנימית של המוליך למחצה.

הולכת טומאה (אלקטרון וחור)

אם יש זיהומים במוליך למחצה, אז המוליכות החשמלית שלו משתנה באופן משמעותי בהשוואה למוליך למחצה הטהור. הוספת טומאה בצורת זרחן לגביש סיליקון, בכמות של 0.001 אחוז אטומי, תגביר את המוליכות ביותר מפי 100,000! מובנת השפעה כה משמעותית של זיהומים על מוליכות.

התנאי העיקרי לצמיחת מוליכות הטומאה הוא ההבדל בין ערכיות הטומאה לערכיות יסוד האב. הולכת טומאה כזו נקראת הולכת טומאה ויכולה להיות אלקטרון וחור.

גביש גרמניום מתחיל להיות בעל מוליכות אלקטרונית אם אטומים מחומשים, למשל, ארסן, מוכנסים לתוכו, בעוד הערכיות של אטומי הגרמניום עצמו היא ארבעה. כאשר אטום הארסן החומש נמצא במקום סריג הגביש הגרמניום, ארבעת האלקטרונים החיצוניים של אטום הארסן מעורבים בקשרים קוולנטיים עם ארבעה אטומי גרמניום שכנים. האלקטרון החמישי של אטום הארסן הופך חופשי, הוא עוזב בקלות את האטום שלו.

והאטום שהשאיר האלקטרון הופך ליון חיובי במקום סריג הגביש של המוליך למחצה. זוהי מה שנקרא טומאת תורם כאשר הערכיות של הטומאה גדולה מהערכיות של האטומים העיקריים. אלקטרונים חופשיים רבים מופיעים כאן, וזו הסיבה שעם החדרת טומאה, ההתנגדות החשמלית של המוליך למחצה יורדת אלפי ומיליוני פעמים. מוליך למחצה עם כמות גדולה של זיהומים נוספים מתקרב למתכות במוליכות.

למרות שהאלקטרונים והחורים אחראים למוליכות הפנימית בגביש גרמניום מסומם בארסן, האלקטרונים שעזבו את אטומי הארסן הם נושאי המטען החופשיים העיקריים. במצב כזה, ריכוז האלקטרונים החופשיים עולה בהרבה על ריכוז החורים, וסוג מוליכות זה נקרא מוליכות אלקטרונית של המוליך למחצה, והמוליך למחצה עצמו נקרא מוליך למחצה מסוג n.

אם במקום ארסן מחומש, מוסיפים אינדיום תלת-ערכי לגביש הגרמניום, הוא יוצר קשרים קוולנטיים עם שלושה אטומי גרמניום בלבד. אטום הגרמניום הרביעי יישאר לא קשור לאטום האינדיום. אבל ניתן ללכוד אלקטרון קוולנטי על ידי אטומי גרמניום שכנים.האינדיום יהיה אז יון שלילי, ואטום הגרמניום השכן יתפוס מקום פנוי שבו היה קיים הקשר הקוולנטי.

טומאה כזו, כאשר אטום טומאה לוכד אלקטרונים, נקראת טומאת מקבל. כאשר מוכנסת טומאת מקבל, קשרים קוולנטיים רבים נשברים בגביש ונוצרים חורים רבים שלתוכם אלקטרונים יכולים לקפוץ מקשרים קוולנטיים. בהיעדר זרם חשמלי, החורים נעים באקראי על גבי הגביש.

מקבל מוביל לעלייה חדה במוליכות המוליך למחצה עקב יצירת שפע של חורים, וריכוז החורים הללו עולה באופן משמעותי על ריכוז האלקטרונים של המוליכות החשמלית הפנימית של המוליך למחצה. זוהי הולכת חור והמוליך למחצה נקרא מוליך למחצה מסוג p. נושאי המטען העיקריים בו הם חורים.