מוליכות מוליכים למחצה

חומרים המסוגלים להוליך או לא להוביל זרם חשמלי אינם מוגבלים לחלוקה קפדנית של מוליכים ודיאלקטריים בלבד. ישנם גם מוליכים למחצה, כגון סיליקון, סלניום, גרמניום, ומינרלים וסגסוגות אחרים הראויים להפרדה כקבוצה נפרדת.

חומרים אלה מוליכים זרם חשמלי טוב יותר מדיאלקטריים, אך גרועים יותר ממתכות, והמוליכות שלהם עולה עם עליית הטמפרטורה או ההארה. מאפיין זה של מוליכים למחצה הופך אותם לישימים בחיישני אור וטמפרטורה, אך היישום העיקרי שלהם הוא עדיין אלקטרוניקה.

אם מסתכלים, למשל, על גביש סיליקון, אפשר לגלות שלסיליקון ערכיות של 4, כלומר, על המעטפת החיצונית של האטום שלו יש 4 אלקטרונים הקשורים לארבעה אטומי סיליקון שכנים בגביש. אם גביש כזה מושפע מחום או אור, אזי האלקטרונים הערכיים יקבלו עלייה באנרגיה ויעזבו את האטומים שלהם, ויהפכו לאלקטרונים חופשיים - גז אלקטרוני יופיע בנפח הפתוח של המוליך למחצה - כמו במתכות, כלומר, זה יתרחש מצב החזקה.

אבל בניגוד למתכות, מוליכים למחצה שונים במוליכות האלקטרונים והחורים שלהם. למה זה קורה ומה זה? כאשר האלקטרונים הערכיים עוזבים את האתרים שלהם, אזורים של חוסר מטען שלילי - "חורים" - נוצרים באותם אתרים לשעבר, שכעת יש להם עודף של מטען חיובי.

האלקטרון השכן יקפוץ בקלות ל"חור" שנוצר, וברגע שהחור הזה מתמלא באלקטרון שקפץ לתוכו, נוצר שוב חור במקום האלקטרון הקפץ.

כלומר, מסתבר שחור הוא אזור נע בעל מטען חיובי של מוליך למחצה. וכאשר מוליך למחצה מחובר למעגל עם מקור EMF, האלקטרונים יעברו למסוף החיובי של המקור והחורים למסוף השלילי. כך מתרחשת המוליכות הפנימית של המוליך למחצה.

התנועה של חורים ואלקטרוני הולכה במוליך למחצה ללא שדה חשמלי מופעל תהיה כאוטית. אם יופעל שדה חשמלי חיצוני על הגביש, אז האלקטרונים שבתוכו ינועו כנגד השדה, והחורים ינועו לאורך השדה, כלומר, תופעת ההולכה הפנימית תתרחש במוליך למחצה, שלא רק תהיה. נגרם על ידי אלקטרונים, אבל גם על ידי חורים.

במוליך למחצה, הולכה מתרחשת תמיד רק בהשפעת גורמים חיצוניים מסוימים: עקב הקרנה בפוטונים, מהשפעת הטמפרטורה, כאשר מופעלים שדות חשמליים וכו'.

רמת הפרמי במוליך למחצה נופלת באמצע פער הלהקה. המעבר של האלקטרון מרצועת הערכיות העליונה לפס ההולכה התחתונה דורשת אנרגיית הפעלה השווה לדלתא הפער (ראה איור). וברגע שאלקטרון מופיע ברצועת ההולכה, נוצר חור בפס הערכיות. לפיכך, האנרגיה המושקעת מחולקת באופן שווה במהלך היווצרותם של זוג נושאי זרם.

מחצית מהאנרגיה (המקבילה למחצית מרוחב הפס) מושקעת על העברת אלקטרונים וחצי על יצירת חורים; כתוצאה מכך, המקור מתאים לאמצע רוחב הרצועה. אנרגיית הפרמי במוליך למחצה היא האנרגיה שבה נרגשים אלקטרונים וחורים. ניתן לאשר את המיקום שרמת הפרמי ממוקמת עבור מוליך למחצה באמצע פער הרצועה על ידי חישובים מתמטיים, אך נשמיט כאן את החישובים המתמטיים.

בהשפעת גורמים חיצוניים, למשל, כאשר הטמפרטורה עולה, הרעידות התרמיות של סריג הגביש של מוליך למחצה מובילות להרס של כמה קשרי ערכיות, וכתוצאה מכך חלק מהאלקטרונים הופכים, מופרדים, נושאי מטען חופשיים. .

במוליכים למחצה, יחד עם יצירת חורים ואלקטרונים, מתרחש תהליך הרקומבינציה: אלקטרונים עוברים לפס הערכיות מפס ההולכה, נותנים את האנרגיה שלהם לסריג הגביש ופולטים כמויות של קרינה אלקטרומגנטית.לפיכך, כל טמפרטורה מתאימה לריכוז שיווי המשקל של חורים ואלקטרונים, התלוי בטמפרטורה לפי הביטוי הבא:

ישנה גם מוליכות טומאה של מוליכים למחצה, כאשר חומר שונה במקצת מוכנס לתוך הגביש של מוליך למחצה טהור בעל ערכיות גבוהה יותר או נמוכה יותר מחומר האם.

אם באותו סיליקון טהור, למשל, מספר החורים והאלקטרונים החופשיים שווה, כלומר נוצרים כל הזמן בזוגות, אז במקרה של טומאה שנוספה לסיליקון, למשל, ארסן, בעל ערכיות של 5, מספר החורים יהיה קטן ממספר האלקטרונים החופשיים, כלומר נוצר מוליך למחצה עם מספר רב של אלקטרונים חופשיים, בעלי מטען שלילי, הוא יהיה מוליך למחצה מסוג n (שלילי). ואם אתה מערבב אינדיום, שיש לו ערכיות של 3, שהיא פחותה מזו של סיליקון, אז יהיו יותר חורים - זה יהיה מוליך למחצה מסוג p (חיובי).

כעת, אם נביא מוליכים למחצה בעלי מוליכות שונה במגע, אז בנקודת המגע נקבל צומת p-n. אלקטרונים הנעים מאזור n וחורים הנעים מאזור p יתחילו לנוע זה לכיוון השני, ובצדדים מנוגדים של המגע יהיו אזורים עם מטענים מנוגדים (בצדדים מנוגדים של צומת pn): חיובית מטען יצטבר באזור n ומטען שלילי באזור p. החלקים השונים של הגביש ביחס למעבר יהיו טעונים הפוך. תפקיד זה חשוב מאוד לעבודה של כולם. התקני מוליכים למחצה.

הדוגמה הפשוטה ביותר של מכשיר כזה היא דיודה מוליכים למחצה, שבה נעשה שימוש רק בצומת pn אחד, וזה מספיק כדי להשיג את המשימה - להוביל זרם רק בכיוון אחד.

אלקטרונים מאזור n נעים לכיוון הקוטב החיובי של מקור הכוח וחורים מאזור ה-p נעים לכיוון הקוטב השלילי. ליד הצומת יצטברו מספיק מטענים חיוביים ושליליים, התנגדות הצומת תפחת משמעותית וזרם יזרום במעגל.

בחיבור הפוך של הדיודה, הזרם ייצא עשרות אלפי מונים פחות, מכיוון שהאלקטרונים והחורים פשוט יונפצו על ידי שדה חשמלי לכיוונים שונים מהצומת. העיקרון הזה עובד מיישר דיודה.