Puslaidininkiai - medžiagos, kurių elektrinis laidis kambario temperatūroje (10-8-103 S/cm) mažesnis negu metalų (104-106 S/cm) ir didesnis negu dielektrikų (10-12-10-14 S/cm). Keičiant temperatūrą, slėgį, veikiant šviesa, jonizuojančiąja spinduliuote, esant stipriam elektriniam laukui, t. p. įterpiant į medžiagą priemaišinius atomus, puslaidininkių elektrinis laidis gali kisti plačiose ribose.
Puslaidininkių elektrinės savybės ir juostų modelis
Puslaidininkių elektrinės savybės aiškinamos taikant energijos juostų modelį (juostų teorija). Aukščiausia juosta, kurioje tankiai išsidėstę elektronų energijų lygmenys yra užpildyti valentiniais elektronais, vadinama valentine, pirmoji neužpildyta - laidumo, o energijos tarpas tarp laidumo ir valentinės juostų - draudžiamąja juosta.
Žemoje temperatūroje elektronai visiškai užpildo valentinę juostą, laidumo juosta lieka tuščia, ir puslaidininkių elektrinė varža yra labai didelė. Puslaidininkių laidumo ir valentinės juostų užpildymas ir elektrinio laidumo tipas (elektroninis ir skylinis elektrinis laidumas) keičiamas legiruojant donorinėmis arba akceptorinėmis priemaišomis.
Įterpiant donorines priemaišas (pvz., fosforo atomus į silicio kristalą) draudžiamojoje energijos juostoje netoli laidumo juostos susidaro užimtoji (donorinė) būsena. Elektronai peršokę iš šios būsenos į laidumo juostą tampa krūvininkais (elektroninis, arba n tipo elektrinis laidumas). Įterpiant akceptorines priemaišas (pvz., boro atomus į silicį) netoli valentinės juostos susidaro laisvoji akceptorinė būsena, į kurią gali peršokti elektronai iš valentinės juostos, taip valentinėje juostoje susidaro laisvos elektroninės būsenos - skylės (skylinis, arba p tipo elektrinis laidumas).
Kaip šviesa veikia puslaidininkių varžą
Veikiant šviesa, jonizuojančiai spinduliuotei ar kitiems išoriniams veiksniams, dalis elektronų gali gauti energiją, reikalingą pereiti iš valentinės juostos į laidumo juostą. Kai draudžiamos juostos plotis nedidelis, tai esant temperatūrai didesnei už 0° C, šiluminio judėjimo energijos pakanka, kad dalis elektronų galėtų pereiti iš valentinės juostos į tuščią laidumo juostą, o laidumo juostoje elektronai, veikiami elektrinio lauko, gali lengvai pereiti iš žemesnių energijos lygių į aukštesnius.
Taip pat skaitykite: Kaip temperatūra veikia puslaidininkių varžą?
Kai temperatūra yra aukštesnė negu 0° C, dėl atomų šiluminio judėjimo, kai kurie valentiniai elektronai, gavę energijos kiekį, lygų draudžiamosios juostos pločiui, gali peršokti iš valentinės juostos į laidumo juostą, palikdami valentinėje juostoje laisvą vietą vadinamą skylute. Taip pat analogišką energijos kiekį šviesa gali suteikti elektronams, todėl apšvietus puslaidininkį susidaro papildomos elektronų ir skylelių poros - tai didina krūvininkų tankį ir sumažina medžiagos varžą.
Puslaidininkių laidumas yra dvejopas: įprastinis (savaiminis) ir priemaišinis. Gryname puslaidininkyje elektronai ir skylės atsiranda kartu - poromis, taigi jų skaičius būna vienodas. Įnešus priemaišas galima gauti dominavimą n arba p tipo laidumo, tačiau net ir legiruotas puslaidininkis reaguoja į šviesos įsiurbtį: fotonai su energija, didesne už draudžiamosios juostos plotį, sukuria papildomas nešiklių poras ir taip mažina varžą.
Praktiniai prietaisai, kuriuose šviesa keičia varžą
- Fotorezistorius - prietaisas, kurio varža mažėja, kai medžiaga apšviečiama, dėl to jo varža priklauso nuo įsiurbtų fotonų sukeliamų krūvininkų.
- Fotodiodas ir fotovoltaikas - apšvietus puslaidininkinę sandūrą, susidaro didesnis krūvininkų tankis laidumo juostoje ir išgaunama fotoelektrinė įtampa ar srovė.
- Šviesos diodai ir puslaidininkiniai lazeriai - atvirkštinis procesas, kuriame elektros srovė sukelia fotonų emisiją, tačiau jų veikimas taip pat jautrus svyravimams įsiurbtos energijos ir temperatūros.
Pn sandūra ir apšvietimo įtaka jos varžai
Jei viena puslaidininkių dalis padaroma elektroninio, o kita skylinio laidumo, tarp jų susidaro potencialo barjeras - pn sandūra, pasižyminti netiesinėmis elektrinėmis, elektros srovės lyginimo ir kitomis savybėmis. Įjungus tokį dvigubą puslaidininkį su skyline elektronine sandūra prie srovės šaltinio taip, kad skylinį puslaidininkį prijungiame prie teigiamo poliaus, o elektroninį - prie neigiamojo, elektros srovę per sandūrą sukels pagrindiniai krūvininkai.
Apšvietus pn sandūrą fotonais, kurie turi pakankamai energijos, susidaro papildomos elektronų-skylė poros, dėl ko sumažėja sandūros varža pralaidumo kryptimi ir gali padidėti srovė užtvarinėje kryptyje, jei fotonai skatina grandinės mažai leistiną perdavimo procesą. Tokiu principu veikia fotodiodai ir optiniai jutikliai.
Varžos priklausomybė nuo temperatūros ir apšvietimo derinys
Grynųjų puslaidininkių, kitaip negu metalų, temperatūrai kylant elektrinė varža mažėja, o atšaldžius iki temperatūros, artimos 0 K, jie tampa izoliatoriais. Puslaidininkių laidumas labai priklauso nuo temperatūros. Kylant temperatūrai, kai kurie elektronai sukaupia pakankamai energijos ryšiui su atomu nutraukti, todėl atsiranda laisvųjų elektronų, ir tuo jų daugiau, kuo aukštesnė temperatūra.
Taip pat skaitykite: Slaugytojo vaidmuo
Tačiau apšvietimas suteikia papildomą mechanizmą varžai keistis nepriklausomai nuo temperatūros: fotonai tiesiogiai sukuria nešiklius. Todėl praktiniuose įrenginiuose varžos priklausomybė nuo apšvietimo ir temperatūros turi būti nagrinėjama kartu: t. y. bendras krūvininkų tankis n(t, Φ) priklauso ir nuo temperatūros t, ir nuo apšvietimo intensyvumo Φ.
Elektros srovė puslaidininkiuose - kokios dalelės ją sukelia
Elektros srovę puslaidininkiuose sukelia laisvieji elektronai ir skylės. Elektronai laidumo juostoje juda prieš elektrinio lauko kryptį, o skylės valentinėje juostoje juda elektrinio lauko kryptimi. Šis dvigubas pranešimas krūvio užtikrina, kad srovė puslaidininkyje priklauso nuo tiek elektronų, tiek skylių koncentracijos bei judrio.
Srovės stiprumas I=enSl v = enSl v; S - skerspjūvio plotas, l - ilgis, n - elektronų koncentracija, v - dreifo greitis, q=en. Srovės tankis j=env. Srovės stiprumas priklauso nuo laidininko skerspjūvio ploto ir dreifo greičio.
Priemonės jautrumo didinimui ir prietaisų panaudojimas
Daugelio puslaidininkių krūvininkų tankio bei judrio priklausomybe nuo įvairių išorinių veiksnių naudojamasi kuriant magnetinio lauko, temperatūros, slėgio, regimosios, infraraudonosios ir mikrobangų spinduliuotės jutiklius ir kitus įtaisus. Iš skirtingų puslaidininkių sudarytų daugiasluoksnių darinių elektrinėmis savybėmis naudojamasi gaminant puslaidininkinius diodus, fotodiodus, šviesos diodus, fotovoltinius saulės elementus, puslaidininkinius lazerius, tranzistorius, integrinius grandynus ir daugelį kitų puslaidininkinių įtaisų.
Praktiniai pastebėjimai ir laboratoriniai bandymai
Atlikus laboratorinį darbą galima teigti, kad įvairių medžiagų temperatūros koeficientas gali būti teigiamas, neigiamas arba nulis. Medžiagos varža priklauso nuo temperatūros, nes keliant temperatūrą įvairios medžiagos skirtingai keičia savitąją varžą.
Taip pat skaitykite: kaip slaugytojas atlieka paciento apžiūrą
Varžos priklausomybės nuo apšvietimo matavimams dažnai naudojami fotorezistoriai, fotodiodai ir vadinamieji optiniai jutikliai. Matavimo metu užfiksuojamas srovės arba varžos pokytis esant skirtingam apšvietimo intensyvumui ir bangos ilgiui - tai leidžia nustatyti įrenginio spektrinį jautrumą bei detektoriaus veikimo ribas.
Formulinė santrauka ir praktiniai santykiai
Varža R=ρl/S, kur ρ - specifinė varža, priklauso nuo krūvininkų koncentracijos ir jų judrio: g = q n μ, R = l/(S q n μ). Apšvietimas didina n (ir galbūt μ per šiluminį poveikį), todėl R mažėja. Šiuos priklausomumus reikėtų vertinti kartu su temperatūriniu efektu, nes kylant temperatūrai natūralus savaiminis laidumas taip pat didėja.
| Veiksnys | Poveikis krūvininkams | Poveikis varžai |
|---|---|---|
| Temperatūra (↑) | ↑ termiškai sukurti elektronai ir skylės | ↓ varža (puslaidininkiuose) |
| Apšvietimas (↑) | ↑ fotonų sukeltos nešiklių poros | ↓ varža |
| Legiravimas (donor/akceptor) | ↑ fiksuotų nešiklių tipas (n arba p) | Priklauso nuo priemaišų - varža mažėja |
Praktiniai patarimai projektavimui
- Vertinant jutiklių jautrumą, įvertinkite ir temperatūros įtaką, nes abi įtakos gali būti sinergetinės arba konkuruojančios.
- Renkantis puslaidininkines medžiagas fotodetektoriams, atkreipkite dėmesį į draudžiamosios juostos plotį ir medžiagos spektrinį jautrumą.
- Priemaišų kiekis ir tipas turi būti optimizuotas pagal pageidaujamą pagrindinių krūvininkų dominavimą (n arba p) ir triukšmo lygį esant apšvietimui.
Puslaidininkių kristalinę sandarą, jų elektrinį laidį, krūvio pernašą, optines ir kitas savybes nagrinėja puslaidininkių fizika. Praktikoje dažniausiai naudojami puslaidininkiai yra kietosios būsenos (monokristalinės, polikristalinės arba amorfinės medžiagos). Įterpiant į puslaidininkius skirtingų legiravimo priemaišų sudaromos įvairios puslaidininkinės sandūros.
tags: #nec #tiriant #puslaidininkiu #varzos #priklausomybe #nuo