Dòng điện trong chất bán dẫn
Giữa các dây dẫn và chất điện môi, về mặt điện trở, được đặt chất bán dẫn… Silic, gecmani, telua, v.v. — nhiều nguyên tố trong bảng tuần hoàn và các hợp chất của chúng thuộc về chất bán dẫn. Nhiều chất vô cơ là chất bán dẫn. Silicon rộng hơn các loại khác trong tự nhiên; vỏ trái đất bao gồm 30% của nó.
Sự khác biệt nổi bật chính giữa chất bán dẫn và kim loại nằm ở hệ số nhiệt độ âm của điện trở: nhiệt độ của chất bán dẫn càng cao thì điện trở của nó càng thấp. Đối với kim loại thì ngược lại: nhiệt độ càng cao thì điện trở càng lớn. Nếu một chất bán dẫn được làm lạnh đến độ không tuyệt đối, nó sẽ trở thành điện môi.
Sự phụ thuộc của độ dẫn điện của chất bán dẫn vào nhiệt độ cho thấy nồng độ tài xế taxi miễn phí trong chất bán dẫn không đổi và tăng theo nhiệt độ.Cơ chế truyền dòng điện qua chất bán dẫn không thể được rút gọn thành mô hình khí của các electron tự do, như trong kim loại. Để hiểu cơ chế này, chúng ta có thể xem xét nó chẳng hạn trên một tinh thể gecmani.
Ở trạng thái bình thường, các nguyên tử gecmani chứa bốn electron hóa trị ở lớp vỏ ngoài—bốn electron liên kết lỏng lẻo với hạt nhân. Hơn nữa, mỗi nguyên tử trong mạng tinh thể gecmani được bao quanh bởi bốn nguyên tử lân cận. Và liên kết ở đây là cộng hóa trị, có nghĩa là nó được hình thành bởi các cặp electron hóa trị.
Nó chỉ ra rằng mỗi electron hóa trị đồng thời thuộc về hai nguyên tử và liên kết của các electron hóa trị bên trong gecmani với các nguyên tử của nó mạnh hơn trong kim loại. Đó là lý do tại sao, ở nhiệt độ phòng, chất bán dẫn dẫn dòng điện kém hơn nhiều bậc so với kim loại. Và ở độ không tuyệt đối, tất cả các electron hóa trị của gecmani sẽ bị chiếm giữ trong các liên kết và sẽ không có các electron tự do để cung cấp dòng điện.
Khi nhiệt độ tăng lên, một số electron hóa trị thu được năng lượng đủ để phá vỡ liên kết cộng hóa trị. Đây là cách các electron dẫn tự do phát sinh. Một loại chỗ trống được hình thành trong các vùng ngắt kết nối— lỗ trống không có điện tử.
Lỗ trống này có thể dễ dàng bị chiếm bởi một electron hóa trị từ một cặp lân cận, sau đó lỗ trống sẽ di chuyển vào vị trí của nguyên tử lân cận. Ở một nhiệt độ nhất định, một số lượng nhất định cái gọi là cặp electron-lỗ trống được hình thành trong tinh thể.
Đồng thời, quá trình tái hợp electron-lỗ trống diễn ra—lỗ trống gặp electron tự do khôi phục liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử trong tinh thể gecmani. Các cặp như vậy, bao gồm một electron và một lỗ trống, có thể phát sinh trong chất bán dẫn không chỉ do tác động của nhiệt độ mà còn khi chất bán dẫn được chiếu sáng, nghĩa là do năng lượng tác động lên nó bức xạ điện từ.
Nếu không có điện trường ngoài đặt vào chất bán dẫn, thì các electron tự do và lỗ trống tham gia vào chuyển động nhiệt hỗn loạn. Nhưng khi chất bán dẫn được đặt trong điện trường ngoài, các electron và lỗ trống bắt đầu chuyển động có trật tự. Đó là cách nó được sinh ra dòng bán dẫn.
Nó bao gồm dòng điện tử và dòng lỗ trống. Trong chất bán dẫn, mật độ lỗ trống và mật độ êlectron dẫn bằng nhau và chỉ có trong chất bán dẫn tinh khiết mới có hiện tượng như vậy Cơ chế dẫn điện tử lỗ trống… Đây là độ dẫn điện nội tại của chất bán dẫn.
Dẫn tạp chất (electron và lỗ trống)
Nếu trong chất bán dẫn có lẫn tạp chất thì độ dẫn điện của nó thay đổi đáng kể so với chất bán dẫn tinh khiết. Thêm một tạp chất ở dạng phốt pho vào tinh thể silicon, với lượng 0,001 phần trăm nguyên tử, sẽ làm tăng độ dẫn điện lên hơn 100.000 lần! Ảnh hưởng đáng kể của tạp chất đến độ dẫn điện là điều dễ hiểu.
Điều kiện chính cho sự phát triển của độ dẫn tạp chất là sự khác biệt giữa hóa trị của tạp chất và hóa trị của nguyên tố gốc. Sự dẫn tạp chất như vậy được gọi là dẫn tạp chất và có thể là một điện tử và một lỗ trống.
Một tinh thể gecmani bắt đầu có độ dẫn điện tử nếu các nguyên tử hóa trị 5, chẳng hạn như asen, được đưa vào nó, trong khi hóa trị của các nguyên tử gecmani là bốn. Khi nguyên tử asen hóa trị 5 ở vị trí của mạng tinh thể gecmani, bốn electron lớp ngoài cùng của nguyên tử asen tham gia vào liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử gecmani lân cận. Electron thứ năm của nguyên tử asen trở nên tự do, nó dễ dàng rời khỏi nguyên tử của nó.
Còn nguyên tử do êlectron để lại biến thành ion dương ở vị trí trong mạng tinh thể của chất bán dẫn. Đây được gọi là tạp chất cho khi hóa trị của tạp chất lớn hơn hóa trị của các nguyên tử chính. Nhiều điện tử tự do xuất hiện ở đây, đó là lý do tại sao, với sự ra đời của tạp chất, điện trở của chất bán dẫn giảm xuống hàng nghìn triệu lần. Một chất bán dẫn với một lượng lớn tạp chất được thêm vào tiếp cận các kim loại về độ dẫn điện.
Mặc dù các electron và lỗ trống chịu trách nhiệm về tính dẫn nội tại trong tinh thể germanium pha tạp asen, nhưng các electron đã rời khỏi nguyên tử asen là các hạt mang điện tự do chính. Trong tình huống như vậy, nồng độ của các electron tự do vượt quá nồng độ của lỗ trống và loại độ dẫn này được gọi là độ dẫn điện tử của chất bán dẫn và bản thân chất bán dẫn được gọi là chất bán dẫn loại n.
Nếu, thay vì asen hóa trị năm, indi hóa trị ba được thêm vào tinh thể gecmani, nó sẽ tạo thành liên kết cộng hóa trị chỉ với ba nguyên tử gecmani. Nguyên tử gecmani thứ tư sẽ không liên kết với nguyên tử indi. Nhưng một electron cộng hóa trị có thể bị bắt giữ bởi các nguyên tử gecmani lân cận.Sau đó, indi sẽ là một ion âm và nguyên tử gecmani lân cận sẽ chiếm một chỗ trống nơi tồn tại liên kết cộng hóa trị.
Một tạp chất như vậy, khi một nguyên tử tạp chất bắt giữ các electron, được gọi là tạp chất nhận. Khi một tạp chất acceptor được đưa vào, nhiều liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ trong tinh thể và nhiều lỗ trống được hình thành trong đó các electron có thể nhảy ra khỏi liên kết cộng hóa trị. Trong trường hợp không có dòng điện, các lỗ di chuyển ngẫu nhiên trên tinh thể.
Chất nhận dẫn đến độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng mạnh do tạo ra nhiều lỗ trống và nồng độ của các lỗ này vượt quá đáng kể nồng độ electron của độ dẫn điện nội tại của chất bán dẫn. Đây là sự dẫn điện lỗ trống và chất bán dẫn được gọi là chất bán dẫn loại p. Các hạt mang điện chính trong đó là các lỗ trống.