Puslaidininkiai - medžiagos, kurių elektrinis laidis kambario temperatūroje (10^-8-10^3 S/cm) mažesnis negu metalų (10^4-10^6 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 energijos juostų modelis ir laidumo tipai
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).
Vidinis fotoefektas puslaidininkiuose
Veikiant šviesa, puslaidininkyje gali vykti vidinis fotoefektas: fotonai su energija, didesne už draudžiamosios juostos energiją, eksituoja elektronus iš valentinės juostos į laidumo juostą, taip sukurdami laisvų krūvininkų - elektronų ir skylelių - poras. Dėl to krūvininkų tankis vienetiniame tūryje didėja, o puslaidininko varža mažėja.
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. Apšvietimo lygis yra vienas iš svarbiausių veiksnių, lemiantis puslaidininkių laidumą fotojutikliuose ir fotodioduose.
Taip pat skaitykite: Kaip temperatūra veikia puslaidininkių varžą?
Apšviestumo įtaka diodų ir fotodetektorių varžai
Išmatuoti puslaidinkių diodų įtampos temperatūrinis priklausomybes pralaidumo kryptimi ir varžos priklausomybę nuo apšviestumo leidžia empiriškai įvertinti vidinio fotoefekto poveikį. Apšvietus diodą, fotonai sukuria papildomus nešėjus ir didina srovę pralaidumo kryptimi, todėl efektyvus įrenginio varžos komponentas mažėja.
Praktikoje dažniausiai naudojami puslaidininkiai yra kietosios būsenos (monokristalinės, polikristalinės arba amorfinės medžiagos). Įterpiant į puslaidininkius skirtingų legiravimo priemaišų sudaromos įvairios puslaidininkinės sandūros. Jei viena puslaidininkių dalis padaroma elektroninio, o kita skylinio laidumo, tarp jų susidaro potencialo barjeras - pn sandūra, pasižyminti netiesinėmis elektrinėmis savybėmis. Fotoaparatai, fotodiodai, fototransistoriai ir saulės elementai veikia būtent šių sandūrų principu - šviesa generuoja krūvininkus, kurie veikia grandinėje, keičiant jos varžą ir srovės charakteristikas.
Temperatūros ir apšviestumo sąveika
Puslaidininkių elektrinis laidis gali kisti plačiose ribose keičiant temperatūrą arba veikiant šviesa. Grynųjų puslaidininkių, kitaip negu metalų, temperatūrai kylant elektrinė varža mažėja, o atšaldžius iki temperatūros, artimos 0 K, jie tampa izoliatoriais. Anglyje, elektrolituose ir puslaidininkiuose, kylant temperatūrai, daugėja laisvų elektringų dalelių vienetiniame tūryje, todėl jų varža mažėja.
Taigi, apšviestumo ir temperatūros poveikis laidumui gali sudaryti kombinuotus efektus: apšviestumas sukuria papildomus krūvininkus, sumažindamas varžą, o temperatūros kitimas keičia nešėjų judrumą ir koncentraciją, o taip pat gali komplikuoti matavimo rezultatus. Atlikus laboratorinį darbą galima teigti, kad įvairių medžiagų temperatūros koeficientas gali būti teigiamas, neigiamas arba nulis.
Matavimų plano santrauka ir darbo uždaviniai
Darbo tikslas: išmatuoti įvairių rezistorių varžos temperatūrines priklausomybes, išmatuoti puslaidininkių diodų įtampos temperatūrines priklausomybes pralaidumo kryptimi, išmatuoti Zenerio ir lavininio efekto įtampos temperatūrines priklausomybes. Darbo priemonės apima puslaidininkinius diodus, šviesos šaltinius, matavimo prietaisus ir temperatūros reguliavimo modulį.
Taip pat skaitykite: Elektrinio lauko įtaka
- Uždavinys: paaiškinti, kaip keičiasi puslaidininkių varža esant skirtingam apšviestumui ir temperatūrai.
- Metodika: matuoti srovę ir įtampą per diodą įvairaus apšviestumo sąlygomis, apskaičiuoti varžą ir stebėti priklausomybę.
- Atsakymai ir rezultatai: fiksuoti, kad apšvietus diodą srovė pralaidumo kryptimi padidėja, o efektyvi varža sumažėja; taip pat nustatyti temperatūros įtaką.
Panaudojimas ir praktinės pasekmės
Daugelio puslaidininkių krūvininkų tankio bei judrio priklausomybe nuo apšviestumo naudojamasi kuriant įvairius jutiklius. Derinant legiruotus sluoksnius ir optinius filtrus galima optimizuoti jautrumą tam tikroms bangos ilgiams. Saulės elementų atveju didesnis apšviestumas generuoja didesnę srovę ir mažesnį vidutinį varžos komponentą, todėl efektyvumas priklauso nuo apšvietimo intensyvumo ir spektro bei temperatūros.
Formulinės santraukos ir santykiai
Srovės stiprumas I yra susijęs su nešėjų koncentracija n, dreifo greičiu v ir skerspjūvio plotu S: I=enSv. Srovės tankis j=I/S=env. Laidininko varža R susijusi su specifine varža ρ, ilgiu l ir skerspjūvio plotu S: R=ρl/S. Puslaidininkiuose ρ priklauso nuo nešėjų koncentracijos ir jų judrumo; apšviestumo didėjimas padidina n ir mažina ρ, todėl mažėja R.
| Veiksnys | Efektas ant nešėjų | Efektas ant varžos |
|---|---|---|
| Apšviestumas | Padidėja fotonų sukurtų nešėjų skaičius (elektronų-skylelių poros) | Varža mažėja |
| Temperatūra (padidėjimas) | Gali didinti termiškai sukurtų nešėjų skaičių, bet mažina jų judrumą | Priklauso nuo medžiagos: gali mažėti arba didėti |
| Legiravimas (donorai/akceptorai) | Didina fiksuotą nešėjų koncentraciją (n arba p tipo) | Mažina varžą |
Empiriniai pastebėjimai
Puslaidininkių varža priklauso ne tik nuo laidininko matmenų ir medžiagos, bet ir nuo temperatūros bei apšviestumo. Elektronai juda laidininke: be chaotiško labai intensyvaus šiluminio judėjimo, jie lėtai slenka viena kryptimi - tai yra elektronų dreifas, kuris kartu su koncentracijos pokyčiais lemia srovės stiprumą. Vidutinis dreifo greitis, net veikiant aukštai įtampai, tėra vos keletas milimetrų per sekundę.
Atlikus laboratorinius tyrimus dažnai nustatoma, kad įvairių medžiagų temperatūros koeficientas gali būti teigiamas, neigiamas arba nulinis, o apšviestumo įtaka paprastai mažina varžą fotoprovaduose ir fotodioduose dėl papildomų fotogeninių nešėjų.
Praktiniai patarimai eksperimentams
- Matavimus atlikti kontoliuojamo apšviestumo sąlygomis: nulinis foninis apšviestumas, vėliau matavimai su žingsniniais apšvietimo lygiais.
- Stabilizuoti temperatūrą arba matuoti keliuose temperatūrų taškuose, kad atskirtumėte terminius ir fotoefekto sukeliamus pokyčius.
- Naudoti kalibruotus matavimo prietaisus srovės ir įtampos matavimui; apskaičiuoti efektyvią varžą R=U/I.
Varžos priklausomybė nuo apšviestumo yra esminis principas, naudojamas fotodetektoriuose, saulės elementuose ir kitose optoelektroninėse įrenginiuose. Supratimas, kaip šviesa generuoja elektronų-skylelių poras ir kaip temperatūra veikia jų elgseną, leidžia optimizuoti puslaidininkinius įrenginius pagal veikimo sąlygas.
Taip pat skaitykite: Varžos priklausomybė nuo temperatūros puslaidininkiuose
tags: #puslaidininkiu #varzos #priklausomybe #nuo #apsviestumo #vidinis