độ dẫn bán dẫn

Các chất có khả năng dẫn hoặc không dẫn dòng điện không bị giới hạn trong sự phân chia nghiêm ngặt chỉ có chất dẫn điện và chất điện môi. Ngoài ra còn có các chất bán dẫn, chẳng hạn như silic, selen, gecmani và các khoáng chất và hợp kim khác đáng được tách thành một nhóm riêng biệt.

Những chất này dẫn dòng điện tốt hơn chất điện môi, nhưng kém hơn kim loại và độ dẫn điện của chúng tăng lên khi tăng nhiệt độ hoặc độ chiếu sáng. Đặc tính này của chất bán dẫn làm cho chúng có thể ứng dụng trong cảm biến ánh sáng và nhiệt độ, nhưng ứng dụng chính của chúng vẫn là điện tử.

Ví dụ, nếu bạn nhìn vào một tinh thể silicon, bạn có thể thấy rằng silicon có hóa trị 4, tức là ở lớp vỏ ngoài của nguyên tử của nó có 4 electron liên kết với 4 nguyên tử silicon lân cận trong tinh thể. Nếu một tinh thể như vậy bị ảnh hưởng bởi nhiệt hoặc ánh sáng, thì các electron hóa trị sẽ nhận được sự gia tăng năng lượng và rời khỏi nguyên tử của chúng, trở thành các electron tự do - một khí electron sẽ xuất hiện trong thể tích mở của chất bán dẫn - như trong kim loại, nghĩa là, nó sẽ xảy ra một điều kiện nắm giữ.

Nhưng không giống như kim loại, chất bán dẫn khác nhau về độ dẫn điện tử và lỗ trống. Tại sao điều này xảy ra và nó là gì? Khi các electron hóa trị rời khỏi vị trí của chúng, các vùng thiếu điện tích âm—“lỗ trống”—được hình thành ở các vị trí cũ đó, hiện có quá nhiều điện tích dương.

Electron lân cận sẽ dễ dàng nhảy vào «lỗ trống» thu được, và ngay khi lỗ trống này được lấp đầy bằng electron đã nhảy vào nó, một lỗ trống lại hình thành ở vị trí của electron đã nhảy.

Nghĩa là, lỗ trống là vùng chuyển động tích điện dương của chất bán dẫn. Và khi một chất bán dẫn được kết nối với mạch có nguồn EMF, các electron sẽ di chuyển đến cực dương của nguồn và các lỗ trống sẽ di chuyển đến cực âm. Đây là cách diễn ra quá trình dẫn điện bên trong của chất bán dẫn.

Chuyển động của lỗ trống và electron dẫn trong chất bán dẫn không có điện trường đặt vào sẽ hỗn loạn. Nếu một điện trường ngoài được đặt vào tinh thể, thì các electron bên trong nó sẽ chuyển động ngược lại trường và các lỗ trống sẽ chuyển động dọc theo trường, nghĩa là hiện tượng dẫn điện bên trong sẽ xảy ra trong chất bán dẫn, hiện tượng này sẽ không chỉ gây ra bởi các điện tử, mà còn bởi các lỗ trống.

Trong chất bán dẫn, sự dẫn điện luôn luôn chỉ xảy ra khi chịu tác dụng của một số yếu tố bên ngoài: do bức xạ phôtôn, do tác dụng của nhiệt độ, khi có điện trường, v.v.

Mức Fermi trong chất bán dẫn nằm ở giữa khoảng cách vùng cấm. Sự chuyển đổi của electron từ vùng hóa trị trên sang vùng dẫn dưới đòi hỏi một năng lượng kích hoạt bằng delta vùng cấm (xem hình). Và ngay khi một electron xuất hiện trong vùng dẫn, một lỗ trống được tạo ra trong vùng hóa trị. Do đó, năng lượng tiêu tốn được chia đều trong quá trình hình thành một cặp sóng mang hiện tại.

Một nửa năng lượng (tương ứng với một nửa độ rộng dải) được sử dụng cho việc truyền electron và một nửa cho sự hình thành lỗ trống; kết quả là, điểm gốc tương ứng với phần giữa của chiều rộng dải. Năng lượng Fermi trong chất bán dẫn là năng lượng mà tại đó các electron và lỗ trống bị kích thích. Vị trí mà mức Fermi đặt cho chất bán dẫn ở giữa khoảng cách dải có thể được xác nhận bằng các phép tính toán học, nhưng chúng tôi bỏ qua các phép tính toán học ở đây.

Dưới tác động của các yếu tố bên ngoài, ví dụ, khi nhiệt độ tăng, các dao động nhiệt của mạng tinh thể của chất bán dẫn dẫn đến sự phá hủy một số liên kết hóa trị, do đó một số electron trở thành hạt tải điện tự do, tách ra. .

Trong chất bán dẫn, cùng với sự hình thành lỗ trống và electron, quá trình tái hợp diễn ra: các electron từ vùng dẫn đi vào vùng hóa trị, truyền năng lượng của chúng cho mạng tinh thể và phát ra các lượng tử bức xạ điện từ.Như vậy, mỗi nhiệt độ tương ứng với nồng độ cân bằng của lỗ trống và electron, nồng độ này phụ thuộc vào nhiệt độ theo biểu thức sau:

Ngoài ra còn có độ dẫn tạp chất của chất bán dẫn, khi một chất hơi khác được đưa vào tinh thể của chất bán dẫn tinh khiết có hóa trị cao hơn hoặc thấp hơn chất gốc.

Nếu trong cùng một loại silicon nguyên chất, số lượng lỗ trống và electron tự do bằng nhau, nghĩa là chúng luôn được hình thành theo cặp, thì trong trường hợp tạp chất được thêm vào silicon, chẳng hạn như asen, có một hóa trị 5, số lỗ trống sẽ ít hơn số electron tự do, tức là chất bán dẫn được cấu tạo với số lượng lớn electron tự do, tích điện âm, nó sẽ là chất bán dẫn loại n (âm). Và nếu bạn trộn indium, có hóa trị 3, ít hơn hóa trị của silicon, thì sẽ có nhiều lỗ trống hơn—nó sẽ là chất bán dẫn loại p (dương).

Bây giờ, nếu chúng ta tiếp xúc với các chất bán dẫn có độ dẫn điện khác nhau, thì tại điểm tiếp xúc, chúng ta sẽ có một đường giao nhau p-n. Các electron chuyển động từ vùng n và các lỗ trống chuyển động từ vùng p sẽ bắt đầu chuyển động về phía nhau và ở các phía đối diện của tiếp xúc sẽ có các vùng có điện tích trái dấu (ở các phía đối diện của tiếp giáp pn ): dương điện tích sẽ tích lũy trong vùng n và điện tích âm trong vùng p. Các phần khác nhau của tinh thể đối với quá trình chuyển đổi sẽ tích điện trái dấu. Vị trí này rất quan trọng đối với công việc của mọi người. Thiết bị bán dẫn.

Ví dụ đơn giản nhất của một thiết bị như vậy là một đi-ốt bán dẫn, trong đó chỉ sử dụng một điểm nối pn, đủ để hoàn thành nhiệm vụ — dẫn dòng điện theo một hướng.

Các êlectron từ vùng n di chuyển về cực dương của nguồn điện và các lỗ trống từ vùng p di chuyển về cực âm. Đủ điện tích dương và âm sẽ tích tụ gần đường giao nhau, điện trở của đường giao nhau sẽ giảm đáng kể và dòng điện sẽ chạy qua mạch.

Trong kết nối ngược lại của diode, dòng điện sẽ phát ra ít hơn hàng chục nghìn lần, vì các electron và lỗ trống sẽ bị điện trường thổi theo các hướng khác nhau so với điểm nối. Nguyên tắc này hoạt động chỉnh lưu diode.