Puslaidininkiai - tai medžiagos, kurių elektrinis laidis kambario temperatūroje (108-103 S/cm) yra 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, taip pat įterpiant į medžiagą priemaišinius atomus, puslaidininkių elektrinis laidis gali kisti plačiose ribose.
Puslaidininkiai yra periodinės elementų sistemos IVA ir VIA grupių cheminiai elementai: silicis, germanis, selenas ir telūras, taip pat deimantas (anglies atmaina), kai kurie dvinariai IIIA ir VA grupių cheminių elementų junginiai (GaAs, InSb, GaP, InP), IIB ir VIA grupių cheminių elementų junginiai (ZnTe, CdTe, CdS), IVA ir VIA grupių cheminių elementų junginiai (PbTe, PbSe, PbS), sudėtingi cheminiai junginiai, pvz., Cu2O, Bi2Te3, V2O3, ZnSnP2, CdGeAs2, įvairių minėtų medžiagų mišiniai (kietieji tirpalai).
Puslaidininkių savybės būdingos daugeliui elektrai laidžių organinių medžiagų.
Svarbiausia puslaidininkių medžiagų savybė yra ta, kad jų elektrinis laidumas labai priklauso nuo temperatūros ir priemaišų.
Taip pat skaitykite: Slaugytojo vaidmuo
Grynųjų puslaidininkių, kitaip negu metalų, temperatūrai kylant elektrinė varža mažėja, o atšaldžius iki temperatūros, artimos 0 K, jie tampa izoliatoriais.
Puslaidininkių elektrinės savybės aiškinamos taikant energijos juostų modelį (juostų teorija).
Aukščiausia juosta, kurioje tankiai išsidėstę elektronų energijų lygmenys yra užpildyti valentiniais elektronais, vadinama valentinė, 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.
Aukštesnėje temperatūroje (dėl atomų virpesių) arba veikiant šviesai elektronai iš valentinės juostos gali peršokti į laidumo juostą, kurioje sužadintieji elektronai ir valentinėje juostoje likusios elektronų neužpildytos būsenos - skylės yra laisvieji krūvininkai (elektriniame lauke perneša krūvį).
Taip pat skaitykite: Elektrinio lauko įtaka
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).
Praktikoje dažniausiai naudojami puslaidininkiai yra kietosios būsenos (monokristalinės, polikristalinės arba amorfinės medžiagos).
Taip pat skaitykite: Varžos priklausomybė nuo temperatūros puslaidininkiuose
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, elektros srovės lyginimo ir kitomis savybėmis.
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.
Puslaidininkių kristalinę sandarą, jų elektrinį laidį, krūvio pernašą, optines ir kitas savybes nagrinėja puslaidininkių fizika.
Vienuose kūnuose elektros krūviai laisvai juda iš vienos dalies į kitą, o kituose taip nėra.
Todėl medžiagos pagal sugebėjimą praleisti elektros krūvius t.y. elektros srovę yra skirstomos į laidininkus ir dielektrikus.
Laidininkai gerai praleidžia elektros srovę, o dielektrikai ne. Gerai praleidžia elektros srovę tos medžiagos, kuriose yra laisvųjų elektros krūvių.
Metalai, nes jų elektronai silpnai sujungti su atomais - geri laidininkai. Marmuras, stiklas, kaučiukas, plastmasė ir kitos medžiagos, kurios neturi laisvųjų elektronų, elektros srovės nepraleidžia.
Todėl iš jų gaminamos elektros izoliacinės medžiagos.
Griežtos ribos tarp laidininkų ir dielektrikų nėra. Visi dielektrikai šiek tiek praleidžia krūvius.
Germanis, silicis, selenas, vario oksidas ir kai kurios kitos medžiagos pagal laidumą elektrai tarp laidininkų ir dielektrikų užima tarpinę padėtį.
Taigi visos medžiagos, atsižvelgiant į jų laidumą elektros srovei, skirstomos į laidininkus, puslaidininkius ir nelaidininkus arba izoliatorius.
Tai yra laidininkams priklauso tokios medžiagos, kurių specifinė varža (ρ) yra pati mažiausia, o izoliatoriams, kurių varža (ρ) yra pati didžiausia.
Aplink izoliuoto atomo branduolį skriejantys elektronai yra skirtinguose energijos lygiuose. Arčiausiai prie branduolio esantieji elektronai turi mažiausiai energijos t.y. yra žemiausiame energijos lygyje, o toliau nuo branduolio esantieji elektronai yra aukštesniuose energijos lygiuose.
Elektronų energija atome yra kvantuota, t.y. elektronai gali būti būviuose, kurie atitinka griežtai apibrėžtas diskretinės energijos reikšmes. Pagal Pauli draudimo principą kiekviename energijos lygyje gali būti ne daugiau kaip 2 elektronai, o jų sukiniai turi būti antilygiagretūs.
Tos pačios medžiagos visų izoliuotų atomų elektronų atitinkami energijos lygiai visiškai sutampa. Bet atomams suartėjus, pavyzdžiui kristale, jie vienas kitą veikia, ir todėl pasikeičia jų elektronų energijos lygiai.
Dabar vietoj vieno ir to paties atomo elektrono energijos lygio atsiranda N labai artimų , bet jau nesutampančių energijos lygių. Kristale arčiau atomų branduolių esantieji elektronų energijos lygiai suskyla mažiau ir todėl jų juostos yra siauresnės.
Labiausiai suskyla valentinių elektronų ir aukštesni energijos lygiai. Šių leidžiamų elektronų energijos juostų plotis nepriklauso nuo kristalo matmenų. Tarpai tarp leidžiamų energijos juostų yra vadinami draudžiamomis energijos juostomis.
Kad elektronas pereitų iš žemesnės leidžiamos energijos juostos į gretimą aukštesnę, jam reikia suteikti energijos kiekį, lygų draudžiamos energijos juostos pločiui arba didesnį.
Metalai turi tik iš dalies elektronais užpildytą valentinę juostą, kuri šiuo atveju yra vadinama laidumo juosta.
Puslaidininkių valentinė juosta absoliutinio nulio temperatūroje yra visiškai užpildyta elektronais. Elektrinis laukas negali elektronams suteikti tokios energijos.
Jei draudžiamos juostos plotis nedidelis, tai esant temperatūrai didesnei už 0° C, šiluminio judėjimo energijos pakanka, kad dalis elektronų galėtų pereiti iš valentinės į tuščią laidumo juostą, o laidumo juostoje elektronai, veikiami elektrinio lauko, gali lengvai pereiti iš žemesnių energijos lygių į aukštesnius.
Valentinėje juostoje lieka elektronų neužimtų vietų, vadinamų skylučių. Pavyzdžiui, germanio ar silicio kristaluose 0° C temperatūroje valentinė juosta yra visiškai užpildyta, o laidumo juosta- visiškai tuščia.
Toks puslaidininkis yra izoliatorius. 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.
Įnešus tokį puslaidininkį į elektrinį lauką, laidumo juostoje elektronai judės iš vieno energijos lygio į kitą prieš elektrinio lauko jėgų kryptį ir sudarys elektroninį laidumą arba n laidumą.
Valentinėje juostoje susidariusios skylutės pasižymi teigiamo krūvio pertekliumi, nes prieš peršokant elektronams į laidumo juostą, tos vietos buvo neutralios. Vadinasi skylutės krūvis yra teigiamas ir skaitine reikšme lygus elektrono krūviui.
Veikiant elektriniam laukui, į skylutę gali patekti elektronas iš gretimo ryšio, o skylutė pasislinkti į jo vietą. Jos užleidžia vietą prieš elektrinį lauką valentinėje juostoje judantiems elektronams, o pačios slenka elektrinio lauko kryptimi, tartum perneša teigiamą krūvį ir sudaro elektros srovę.
Skylučių judėjimas valentinėje juostoje yra vadinamas skylutiniu laidumu arba p laidumu.
Išsiaiškinome, kad puslaidininkių laidumas yra dvejopas, kad žemoje temperatūroje atomai taisyklingai išsidėstę kristalinėje gardelėje, elektronai surišti su atomais, o laisvųjų elektronų beveik nėra ir kad tokius kristalus mes vadiname izoliatoriais.
Sužinojome, kad kylant temperatūrai, kai kurie elektronai sukaupia pakankamai energijos ryšiui su atomu nutraukti, todėl atsiranda laisvųjų elektronų, ir tuo jų daugiau, kuo aukštesnė temperatūra.
Išsiaiškinome, kad elektrono netekęs atomas- arba teigiamas jonas- judėti kristale negali, tačiau gali pritraukti gretimo atomo elektroną. Tarsi likusią tuščią elektrono vietą, vadinamą skyle, būtų užpildęs gretimo atomo elektronas, savo ruožtu palikdamas jame skylę: perėjo skylė, o drauge- teigiamas krūvis.
Todėl paprastumo dėlei ir sakoma, kad puslaidininkyje kartu su elektronu atsirado pernešanti teigiamą krūvį skylė. Gryname puslaidininkyje elektronai ir skylės atsiranda kartu- poromis, taigi jų skaičius būna vienodas.
Puslaidininkių laidumas, kaip buvo minėta, labai priklauso nuo temperatūros. Absoliutinėmis vertėmis jis 10-20 kartų didesnis negu metalų.
Visiškai grynų, be priemaišų bei defektų, puslaidininkių gamtoje nėra. O ir dirbtiniu būdu jų nepavyksta pagaminti. Daugumai elektronikos prietaisų reikalingi puslaidininkiai, kuriuose vyrauja vienokios rūšies n arba p laidumas.
Tokie puslaidininkiai gaunami įterpus į gryną kristalą labai mažą (apie 10-5 %) kiekį kitų elementų priemaišų. Tada šalia savojo laidumo atsiranda tūkstančius kartų didesnis papildomas priemaišinis laidumas.
tags: #tiriant #puslaidininkiu #varzos #priklausomybe