A félvezetők felépítése. A félvezetők alkalmazásai. Modern elképzelések az anyagok elektromos tulajdonságairól

Mi a félvezető és mivel eszik?

Félvezető- olyan anyag, amely nélkül elképzelhetetlen a modern technológia és elektronika világa. Félvezetők bizonyos körülmények között fémek és nemfémek tulajdonságait mutatják. Az elektromos ellenállás szempontjából a félvezetők köztes helyet foglalnak el a jó vezetők és a dielektrikumok között. Félvezető abban különbözik a vezetőktől, hogy a fajlagos vezetőképesség erősen függ a kristályrácsban lévő szennyező elemek (szennyező elemek) jelenlététől és ezen elemek koncentrációjától, valamint a hőmérséklettől és a különböző típusú sugárzásoknak való kitettségtől.
A félvezető alapvető tulajdonsága- az elektromos vezetőképesség növekedése a hőmérséklet emelkedésével.
A félvezetők olyan anyagok, amelyek sávszélessége több elektronvolt (eV) nagyságrendű. Például a gyémánt a széles résű félvezetők közé sorolható, az indium-arzenid pedig a keskeny résű félvezetők közé.
A sávszélesség a vezetési sáv alja és a vegyértéksáv teteje közötti energiarés szélessége, amelyben az elektronnak nincsenek megengedett állapotai.

A sávszélesség nagysága fontos a LED-ekben és a félvezető lézerekben történő fény generálásakor, és meghatározza a kibocsátott fotonok energiáját.

A félvezetők számos kémiai elemet tartalmaznak: Si-szilícium, Ge-germánium, As-arzén, Se-szelén, Te-tellúr és mások, valamint mindenféle ötvözet és kémiai vegyület, például: szilícium-jodid, gallium-arzenid, higany-tellurit stb.). Általánosságban elmondható, hogy a körülöttünk lévő világban szinte minden szervetlen anyag félvezető. A természetben a legelterjedtebb félvezető a szilícium, amely durva becslések szerint a földkéreg csaknem 30%-át teszi ki.
Attól függően, hogy egy szennyezőelem atomja feladja-e az elektront, vagy befogja azt, a szennyező atomokat donor vagy akceptor atomoknak nevezzük.

A vezetőképesség típusa alapján a félvezetőket n-típusúra és p-típusúra osztják

n típusú félvezető

A vezetőképesség típusa alapján a félvezetőket n-típusúra és p-típusúra osztják.

Az n-típusú félvezető szennyező jellegű, és a fémekhez hasonlóan vezeti az elektromos áramot. A félvezetőkhöz n-típusú félvezetők előállításához hozzáadott szennyező elemeket donorelemeknek nevezzük. Az "n-típusú" kifejezés a "negatív" szóból származik, amely a szabad elektron által hordozott negatív töltésre utal.

A töltésátviteli folyamat elméletét a következőképpen írjuk le:

A négy vegyértékű szilíciumhoz egy szennyező elemet, ötértékű As arzént adnak. A kölcsönhatás során minden arzénatom kovalens kötésbe lép a szilícium atomokkal. De marad egy ötödik szabad arzénatom, amelynek nincs helye a telített vegyértékkötésekben, és egy távoli elektronpályára kerül, ahol kevesebb energiára van szükség egy elektron eltávolításához az atomból. Az elektron elszakad, és szabaddá válik, képes töltést hordozni. A töltésátvitelt tehát nem lyuk, hanem elektron végzi, vagyis az ilyen típusú félvezetők úgy vezetik az elektromos áramot, mint a fémek.
Az antimon Sb javítja az egyik legfontosabb félvezető, a germánium Ge tulajdonságait is.

p-típusú félvezető

A p-típusú félvezetőt a szennyezőbázison kívül a vezetőképesség lyukas jellege is jellemzi. Az ebben az esetben hozzáadott szennyeződéseket akceptor szennyeződéseknek nevezzük.
A „p-típus” a „pozitív” szóból származik, amely a többségi hordozók pozitív töltésére utal.
Például egy kis mennyiségű háromértékű indium atomot adnak egy félvezető négy vegyértékű szilíciumhoz. Esetünkben az indium egy szennyező elem lesz, amelynek atomjai kovalens kötést hoznak létre három szomszédos szilícium atommal. De a szilíciumnak van egy szabad kötése, míg az indium atomnak nincs vegyértékelektronja, így a szomszédos szilícium atomok közötti kovalens kötésből egy vegyértékelektront fog be és negatív töltésű ionná válik, úgynevezett lyukat és ennek megfelelően lyukat képezve. átmenet.
Ugyanezen séma szerint az In ndium lyukvezetést biztosít a Ge germániumnak.

Félvezető elemek és anyagok tulajdonságainak vizsgálata, vezető és félvezető érintkezési tulajdonságainak vizsgálata, félvezető anyagok gyártásával kapcsolatos kísérletezés, O.V. Losev az 1920-as években készítette el a modern LED prototípusát.

A félvezető egy kristályos anyag, amely nem olyan jól vezeti az elektromosságot, mint a fémek, de nem olyan rosszul, mint a legtöbb szigetelő. Általában a félvezetők elektronjai szorosan kötődnek az atommagjukhoz. Ha azonban több antimon atomot, amelyekben „többlet” elektron van, bevezetünk egy félvezetőbe, például szilíciumba, akkor ebben az esetben az antimon szabad elektronjai segítenek a szilíciumnak negatív töltést hordozni.

Ha egy félvezető több atomját indium helyettesíti, amely könnyen további elektronokat köt magához, a félvezetőben „szabad terek”, vagy ahogy a fizikusok mondják, „lyukak” keletkeznek; amelyek pozitív töltést hordoznak.

A félvezetők ezen tulajdonságai miatt széles körben elterjedtek tranzisztorokban - olyan eszközökben, amelyek az áramot erősítik, blokkolják vagy csak egy irányba vezetik. Egy tipikus NPN tranzisztorban egy pozitív (P) félvezető (bázis) réteg van a negatív (N) félvezető két rétege (emitter és kollektor) között. Amikor egy gyenge jel, például egy kaputelefonból, áthalad az NPN tranzisztor alapján, az elektronkibocsátás felerősíti a jelet.

A félvezetők felépítése

Az N típusú félvezetők túl sok elektront tartalmaznak, amelyek negatív töltést hordoznak. A P-típusú félvezetőkből hiányoznak az elektronok, de túl sok lyuk van (üres hely az elektronok számára), amelyek pozitív töltést hordoznak.

A félvezetők megkülönböztető jellemzői

Ellentétben a vezetőkkel, amelyekben sok szabad elektron van, és a szigetelőkkel, amelyekben gyakorlatilag nincs, a félvezetők kis számú szabad elektront és úgynevezett lyukakat (fehér kör) tartalmaznak - a szabad elektronok által hagyott üres tereket. A lyukak és az elektronok egyaránt vezetnek elektromos áramot.

NPN tranzisztor

PNP tranzisztor

A lyukak a pozitív emitterről (+) a negatív alapra (N-réteg), majd a pozitív kollektoron keresztül a negatív kivezetésre (-) mozognak, felerősítve az elektromos áramot.

Mi az a dióda?

Egyik irányban igen, a másikban nem. A dióda bemeneti jele váltakozó áramot jelez; A jobb oldali grafikonon látható, hogy a diódán csak egyenáram halad át.

Amikor a negatív töltésű elektronok (kék golyók) és a pozitív töltésű lyukak (rózsaszín golyók) eltávolodnak a diódában lévő N-típusú és P-típusú szilíciumrétegek találkozási pontjától, az elektromos áram megszakad. A jobb alsó képen az elektronok és a lyukak a csomópont felé mozognak, és ennek következtében a dióda csak egy irányba vezet áramot, a váltakozó áramot egyenárammá alakítja.

Ebben a cikkben nincs semmi rendkívül fontos vagy érdekes, csak egy válasz a „bábuknak” szóló egyszerű kérdésre: melyek azok a főbb tulajdonságok, amelyek megkülönböztetik a félvezetőket a fémektől és a dielektrikumoktól?

A félvezetők olyan anyagok (kristályok, polikristályos és amorf anyagok, elemek vagy vegyületek), amelyeknél sávrés van (a vezetési sáv és a vegyértéksáv között).

Az elektronikus félvezetők olyan kristályok és amorf anyagok, amelyek az elektromos vezetőképesség szempontjából köztes helyet foglalnak el a fémek (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) és a dielektrikumok (σ = 10 -10 ÷10 -20 Ohm - között) 1 cm -1). A vezetőképesség adott határértékei azonban nagyon önkényesek.

A sávelmélet lehetővé teszi egy olyan kritérium megfogalmazását, amely lehetővé teszi a szilárd anyagok két osztályba való felosztását - fémek és félvezetők (szigetelők). A fémekre jellemző a szabad szintek jelenléte a vegyértéksávban, amelyre az elektronok mozoghatnak, és további energiát kapnak, például az elektromos mezőben történő gyorsulás miatt. A fémek sajátossága, hogy alap, gerjesztetlen állapotukban (0 K-en) vezetési elektronokkal rendelkeznek, i.e. elektronok, amelyek külső elektromos tér hatására rendezett mozgásban vesznek részt.

Félvezetőkben és szigetelőkben 0 K hőmérsékleten a vegyértéksáv teljesen be van töltve, és a vezetési sávot sávköz választja el tőle, és nem tartalmaz hordozót. Ezért egy nem túl erős elektromos tér nem képes megerősíteni a vegyértéksávban elhelyezkedő elektronokat és átvinni a vezetési sávba. Más szavakkal, az ilyen kristályoknak 0 K hőmérsékleten ideális szigetelőknek kell lenniük. Amikor a hőmérséklet emelkedik, vagy egy ilyen kristályt besugároznak, az elektronok elnyelhetik a hő- vagy sugárzási energia mennyiségét, amely elegendő ahhoz, hogy a vezetési sávba mozogjon. Ezen átmenet során a vegyértéksávban lyukak jelennek meg, amelyek szintén részt vehetnek az elektromosság átvitelében. Annak a valószínűsége, hogy egy elektron a vegyértéksávból a vezetési sávba kerül át, arányos ( -Eg/ kT), Hol Eg - a tiltott zóna szélessége. Nagy értékkel Eg (2-3 eV) ez a valószínűség nagyon kicsinek bizonyul.

Így az anyagok fémekre és nemfémekre való felosztásának nagyon határozott alapja van. Ezzel szemben a nemfémek félvezetőkre és dielektrikumokra való felosztásának nincs ilyen alapja, és pusztán feltételes.

Korábban úgy vélték, hogy a sávközzel rendelkező anyagok dielektrikumok közé sorolhatók Eg≈ 2÷3 eV, de később kiderült, hogy sok közülük tipikus félvezető. Ezenkívül kimutatták, hogy az egyik komponens szennyeződéseinek vagy feleslegben lévő (sztöchiometrikus összetétel feletti) atomjainak koncentrációjától függően ugyanaz a kristály lehet félvezető és szigetelő is. Ez vonatkozik például a gyémánt, cink-oxid, gallium-nitrid stb. kristályaira. Még az olyan tipikus dielektrikumok is, mint a bárium- és stroncium-titanátok, valamint a rutil részleges redukció után a félvezetők tulajdonságait nyerik el, ami a fématomok felesleges megjelenésével jár együtt.

A nemfémek félvezetőkre és dielektrikumokra való felosztásának is van bizonyos jelentése, hiszen számos olyan kristály ismert, amelyek elektronikus vezetőképességét sem szennyeződések bejuttatásával, sem megvilágítással, melegítéssel nem lehet jelentősen növelni. Ennek oka vagy a fotoelektronok nagyon rövid élettartama, vagy a kristályokban lévő mély csapdák, vagy az elektronok nagyon alacsony mobilitása, pl. elektromos térben való sodródásuk rendkívül alacsony sebességével.

Az elektromos vezetőképesség arányos az n koncentrációval, az e töltéssel és a töltéshordozók mozgékonyságával. Ezért a különböző anyagok vezetőképességének hőmérséklet-függését a feltüntetett paraméterek hőmérséklet-függései határozzák meg. Minden elektronikus vezetékért díjat eállandó és független a hőmérséklettől. A legtöbb anyagban a mozgó elektronok és fononok közötti ütközések intenzitásának növekedése miatt a mozgékonyság értéke általában enyhén csökken a hőmérséklet emelkedésével, pl. a kristályrács rezgései miatti elektronszórás miatt. Ezért a fémek, félvezetők és dielektrikumok eltérő viselkedése elsősorban a töltéshordozó koncentrációjával és annak hőmérsékletfüggésével függ össze:

1) a fémekben az n töltéshordozók koncentrációja magas, és a hőmérséklet változásával kis mértékben változik. Az elektromos vezetőképesség egyenletében szereplő változó a mobilitás. És mivel a mobilitás kissé csökken a hőmérséklettel, az elektromos vezetőképesség is csökken;

2) félvezetőkben és dielektrikumokban náltalában exponenciálisan növekszik a hőmérséklettel. Ez a gyors növekedés n a legjelentősebb mértékben járul hozzá a vezetőképesség változásaihoz, mint a mobilitás csökkenése. Ezért az elektromos vezetőképesség gyorsan növekszik a hőmérséklet emelkedésével. Ebben az értelemben a dielektrikum egy bizonyos határesetnek tekinthető, mivel közönséges hőmérsékleten az érték n ezekben az anyagokban rendkívül kicsi. Magas hőmérsékleten az egyes dielektrikumok vezetőképessége a növekedés miatt eléri a félvezető szintet. n. Ennek ellenkezője is megfigyelhető - alacsony hőmérsékleten néhány félvezető szigetelővé válik.

Hivatkozások

1. West A. Szilárd anyagok kémiája. 2. rész Per. angolból - M.: Mir, 1988. - 336 p.
2. Modern krisztallográfia. T.4. A kristályok fizikai tulajdonságai. - M.: Nauka, 1981.

A Kémiai Kar 501. csoportjának hallgatói: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.

Az elektromos vezetők mellett sok olyan anyag van a természetben, amelyek elektromos vezetőképessége lényegesen alacsonyabb, mint a fémvezetőké. Az ilyen anyagokat félvezetőknek nevezzük.

A félvezetők közé tartoznak: egyes kémiai elemek, például szelén, szilícium és germánium, kénvegyületek, például tallium-szulfid, kadmium-szulfid, ezüst-szulfid, karbidok, például karborund,szén (gyémánt),bór, szürke ón, foszfor, antimon, arzén, tellúr, jód és számos olyan vegyület, amely a periódusos rendszer 4-7. csoportjának legalább egy elemét tartalmazza. Vannak szerves félvezetők is.

A félvezető elektromos vezetőképességének jellege a félvezető alapanyagában lévő szennyeződések típusától és alkatrészeinek gyártási technológiájától függ.

A félvezető egy 10 -10 - 10 4 (ohm x cm) -1 értékű anyag, amely ezen tulajdonságok szerint a vezető és a szigetelő között helyezkedik el. A vezetők, félvezetők és szigetelők közötti különbség a sávelmélet szerint a következő: a tiszta félvezetőkben és az elektronikus szigetelőkben a töltött sáv (valencia) és a vezetési sáv között energiarés van.

Miért vezetnek áramot a félvezetők?

Egy félvezető akkor rendelkezik elektronikus vezetőképességgel, ha a szennyező atomjaiban lévő külső elektronok viszonylag gyengén kötődnek ezen atomok magjaihoz. Ha egy ilyen félvezetőben elektromos mező jön létre, akkor ennek a mezőnek az erőinek hatására a félvezető szennyező atomjainak külső elektronjai elhagyják atomjaik határait és szabad elektronokká alakulnak.

A szabad elektronok elektromos vezetési áramot hoznak létre a félvezetőben az elektromos térerők hatására. Következésképpen az elektromos vezetőképességű félvezetőkben az elektromos áram természete ugyanaz, mint a fémvezetőké. De mivel a félvezető egységnyi térfogatában sokszor kevesebb szabad elektron van, mint egy térfogatnyi fémvezetőben, természetes, hogy minden más azonos körülmény mellett a félvezetőben az áram sokszorosa lesz, mint egy félvezetőben. fém vezető.

A félvezető „lyuk” vezetőképességű, ha szennyező atomjai nemcsak hogy nem adják fel külső elektronjaikat, hanem éppen ellenkezőleg, hajlamosak elektronokat befogni a félvezető fő anyagának atomjaiból. Ha egy szennyező atom elektront vesz el a fő anyag atomjából, akkor az utóbbiban valami szabad tér képződik az elektron számára - egy „lyuk”.

Az elektront vesztett félvezető atomot „elektronlyuknak” vagy egyszerűen „lyuknak” nevezzük. Ha a „lyukat” egy szomszédos atomból átvitt elektron tölti ki, akkor az megszűnik, és az atom elektromosan semleges lesz, és a „lyuk” a szomszédos atomhoz kerül, amely elvesztette az elektront. Következésképpen, ha egy „lyuk” vezetőképességű félvezető elektromos térnek van kitéve, akkor az „elektronlyukak” ennek a mezőnek az irányába tolódnak el.

Elfogultság Az "elektronlyukak" az elektromos tér irányában hasonlóak a pozitív elektromos töltések térbeli mozgásához, és ezért a félvezetőben lévő elektromos áram jelenségét képviselik.

A félvezetőket nem lehet szigorúan megkülönböztetni elektromos vezetőképességük mechanizmusa alapján, mivel együttA „lyuk” vezetőképesség mellett egy adott félvezető bizonyos fokig elektronikus vezetőképességgel is rendelkezhet.

A félvezetőket a következők jellemzik:

vezetőképesség típusa (elektronikus - n-típusú, lyuk - p-típus);

ellenállás;

töltéshordozók élettartama (kisebbségi) vagy diffúziós hossza, felületi rekombinációs sebesség;

diszlokáció sűrűsége.

A szilícium a leggyakoribb félvezető anyag

A hőmérséklet jelentősen befolyásolja a félvezetők jellemzőit. Ennek növekedése túlnyomórészt az ellenállás csökkenéséhez vezet, és fordítva, azaz a félvezetőket negatív jelenléte jellemzi . Az abszolút nulla közelében a félvezető szigetelővé válik.

A félvezetők sok eszköz alapját képezik. A legtöbb esetben ezeket egykristályok formájában kell előállítani. A meghatározott tulajdonságok biztosítása érdekében a félvezetőket különféle szennyeződésekkel adalékolják. Fokozott követelményeket támasztanak a félvezető alapanyagok tisztaságával szemben.

A félvezetők a legszélesebb körben alkalmazhatók a modern technológiában, és nagyon erős hatást gyakoroltak a technikai fejlődésre. Ezeknek köszönhetően jelentősen csökkenthető az elektronikus eszközök súlya és méretei. Az elektronika minden területének fejlődése számos félvezető eszközökön alapuló berendezés létrehozásához és fejlesztéséhez vezet. A félvezető eszközök a mikrocellák, mikromodulok, szilárdtest áramkörök stb. alapjául szolgálnak.

A félvezető eszközökre épülő elektronikus eszközök gyakorlatilag tehetetlenségmentesek. Egy gondosan megépített és jól tömített félvezető eszköz akár több tízezer órát is kibír. Egyes félvezető anyagok azonban alacsony hőmérsékleti határértékkel rendelkeznek (például germánium), de nem túl bonyolult hőmérséklet-kompenzáció vagy az eszköz fő anyagának másra (például szilícium, szilícium-karbid) történő cseréje nagymértékben kiküszöböli ezt a hátrányt. A félvezető eszközök gyártási technológiájának fejlesztése a meglévő szóródás és a paraméterek instabilitásának csökkenéséhez vezet.

A félvezetőkben létrejövő félvezető-fém érintkező és elektron-lyuk átmenet (n-p junction) a félvezető diódák gyártásánál használatos. Kettős csomópontok (p-n-p vagy n-p-n) - tranzisztorok és tirisztorok. Ezeket az eszközöket elsősorban elektromos jelek egyenirányítására, generálására és erősítésére használják.

A félvezetők fotoelektromos tulajdonságai alapján fotoellenállásokat, fotodiódákat és fototranzisztorokat készítenek. A félvezető az oszcillációs generátorok (erősítők) aktív részeként szolgál. Amikor elektromos áramot vezetünk át egy pn átmeneten előrefelé, a töltéshordozók - elektronok és lyukak - újra kombinálódnak a fotonok kibocsátásával, amelyet LED-ek létrehozására használnak.

A félvezetők termoelektromos tulajdonságai lehetővé tették félvezető hőellenállások, félvezető termoelemek, hőcsövek és termoelektromos generátorok létrehozását, valamint félvezetők termoelektromos hűtését a Peltier-effektus alapján, - termoelektromos hűtők és termostabilizátorok.

A félvezetőket hő- és napenergia elektromos energiává alakító gép nélküli átalakítóiban – termoelektromos generátorokban és fotoelektromos átalakítókban (napelemek) használják.

A félvezetőre ható mechanikai igénybevétel megváltoztatja az elektromos ellenállását (a hatás erősebb, mint a fémeknél), ez volt a félvezető nyúlásmérő alapja.

A félvezető eszközök széles körben elterjedtek a világgyakorlatban, forradalmasítva az elektronikát, ezek a következők fejlesztésének és gyártásának alapját képezik:

mérőberendezések, számítógépek,

berendezések minden típusú kommunikációhoz és szállításhoz,

az ipari folyamatautomatizáláshoz,

eszközök tudományos kutatáshoz,

rakéta technológia,

orvosi berendezések

egyéb elektronikus eszközök és műszerek.

A félvezető eszközök használata lehetővé teszi új berendezések létrehozását és a régiek javítását, ami csökkenti méretét, súlyát, energiafogyasztását, és ezáltal csökken a hőtermelés az áramkörben, növeli az erőt, azonnali cselekvésre készen áll. , és növelheti az elektronikus eszközök élettartamát és megbízhatóságát.

A félvezetők azért kapták nevüket, mert közbenső helyet foglalnak el a vezetők (fémek, elektrolitok stb.), amelyek nagy elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, és a szigetelők (porcelán, csillám, gumi és mások) között, amelyeknek szinte nincs vezetőképességük.

Ha összehasonlítjuk a fajlagos sűrűséget Ohm × cm-ben különböző anyagokra, akkor kiderül, hogy a vezetők: ρ U= 10 -6 - 10 -3 Ohm × cm; félvezetők ellenállása: ρ U= 10 -3 - 10 8 Ohm × cm; és y: ρ U= 10 8 - 10 20 Ohm × cm A félvezetők közé tartoznak: fémoxidok - oxidok (Al 2 O 3, Cu 2 O, ZnO, TiO 2, VO 2, WO 2, MoO 3); kénvegyületek - szulfidok (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); szelénnel alkotott vegyületek - szelenidek; vegyületek tellúrral - telluridok; egyes ötvözetek (MgSb 2, ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb); kémiai elemek - germánium, szilícium, tellúr, szelén, bór, szén, kén, foszfor, arzén, valamint számos összetett vegyület (galén, karborundum és mások).

1. ábra Germánium

2. ábra Szilícium

3. ábra Tellúr

A félvezetők tulajdonságainak teljes és kiterjedt tanulmányozását A. F. Ioffe szovjet tudós és munkatársai végezték el.

A félvezetők elektromos tulajdonságai élesen eltérnek a vezetők és szigetelők tulajdonságaitól. A vezetők elektromos vezetőképessége erősen függ a hőmérséklettől, a megvilágítástól, az elektromos tér jelenlététől és intenzitásától, valamint a szennyeződések mennyiségétől. Normál hőmérsékleten a félvezetők bizonyos számú szabad elektront tartalmaznak, amelyek az elektronikus kötések felszakadásából származnak. Kétféle félvezető létezik: elektronikus és lyukas. Az elektronikus vezetésű félvezetők töltéshordozói szabad elektronok, lyukvezetés esetén pedig elektronmentes kötések.

Tekintsük a következő kísérletet. Vegyük és melegítsük fel az egyik végét, ekkor a vezető felhevült vége pozitív töltést kap. Ez azzal magyarázható, hogy az elektronok a meleg végről a hideg végre mozognak, ami elektronhiányt okoz a vezető meleg végén (pozitív töltés), a hideg végén pedig elektrontöbbletet (negatív töltés). Az áram rövid távú áramlását a vezetőn keresztül az elektronok mozgása okozta a vezető egyik végéből a másikba. Tehát itt elektronikus vezetőképességű vezetőről beszélünk. Vannak azonban olyan anyagok, amelyek egy ilyen kísérlet során eltérően viselkednek: az ilyen anyag felmelegített éle negatív, a hideg éle pedig pozitív töltést kap. Ez akkor lehetséges, ha feltételezzük, hogy az áramátvitelt pozitív töltések hajtják végre.

4. ábra Egy anyag atomjai közötti kötés

5. ábra Félvezetők belső vezetőképessége

6. ábra Félvezető elektronikus vezetőképessége

7. ábra Félvezető furatvezetőképessége

Ismerkedjünk meg egy másik típusú vezetőképességgel a félvezetőkben - a lyukvezetéssel. A tiszta félvezetőkben minden, az atommaghoz gyengén kötődő elektron részt vesz az elektronikus kötésekben. A 4. ábrán A az anyag atomjai közötti töltött kötést hagyományosan ábrázoljuk. A „lyuk” egy anyag kristályrácsának egy eleme, amely elveszített egy elektront, ami megfelel a pozitív töltés megjelenésének (4. b).

A felszabaduló kötés újra kitölthető, ha a „lyuk” befog egy elektront a szomszédos kötésből (4. V). Ez azt eredményezi, hogy a "lyuk" új helyre kerül. Egy félvezető anyagban normál körülmények között az elektronemisszió iránya és a „lyuk” képződésének helye kaotikus. Ha egy tiszta félvezetőre állandó feszültséget kapcsolunk, akkor az elektronok és a „lyukak” mozognak (az első a térerők irányával szemben, a második az ellenkező irányban). Ha a kialakult „lyukak” száma megegyezik a felszabaduló elektronok számával, akkor a félvezetők vezetőképessége – akárcsak a tiszta félvezetők esetében – alacsony (intrinsic vezetőképesség). Már kis mennyiségű idegen szennyeződés jelenléte is megváltoztathatja az elektromos vezetőképesség mechanizmusát: elektronikussá vagy lyukassá teheti. Nézzünk egy konkrét példát. Vegyük a germániumot (Ge) félvezetőnek. A germánium kristályban minden atom négy másik atomhoz kapcsolódik. A hőmérséklet emelkedésével vagy besugárzás hatására a kristály páros kötései megszakadhatnak. Ebben az esetben azonos számú elektron és „lyuk” keletkezik (5. ábra).

A germániumhoz szennyeződésként adjunk arzént. Egy ilyen szennyeződésben nagyszámú gyengén kötött elektron van. A szennyező atomoknak saját energiaszintjük van, amely a szabad és a töltött sáv energiaszintjei között, az utóbbihoz közelebb helyezkedik el (6. ábra). Az ilyen szennyeződések leadják elektronjaikat a szabad zónába, és donor szennyeződéseknek nevezik. A félvezetőnek szabad elektronjai lesznek, míg az összes kötés kitöltve lesz. A félvezetőnek elektronikus vezetőképessége lesz a szabad sávban.

Ha most az arzén helyett indiumot adnak szennyeződésként a germániumhoz, a következő történik. Az ilyen szennyeződésben kevés gyengén kötött elektron található, és a szennyeződés energiaszintje a szabad és a töltött sáv energiaszintjei között, a szabad sávhoz közelebb helyezkedik el (7. ábra). Az ilyen típusú szennyeződések elektronokat fogadnak be a zónájukba a szomszédos töltött zónából, és akceptor szennyeződéseknek nevezik. A félvezetőben kitöltetlen kötések - „lyukak” lesznek szabad elektronok hiányában. A félvezető lyukas vezetőképességgel rendelkezik a kitöltött sávban.

Most világossá válik a félvezető melegítésének tapasztalata, amikor a fűtött vége negatív, a hideg pedig pozitív töltést kapott. Hő hatására a forró végén lévő kötések felbomlanak, „lyukakat” és szabad elektronokat hozva létre. Ha a félvezető szennyeződéseket tartalmaz, akkor a „lyukak” elkezdenek mozogni a hideg vég felé, pozitívan töltve azt, és a félvezető fűtött vége negatív töltésű lesz.

A félvezetőkkel kapcsolatos vizsgálatunkat lezárva a következő következtetést vonjuk le.

Ha szennyeződéseket adunk a félvezetőhöz, akkor túlnyomó elektronikai vagy lyukvezetőképességet adhatunk neki. Ez alapján a következő típusú félvezetőket kapjuk. Az elektronikus vezetőképességű félvezetőket félvezetőknek nevezzük n-típusú (negatív), és lyukas vezetőképességű - p-típusú (pozitív).

Meghívjuk továbbá, hogy nézzen meg oktatóvideókat a félvezetőkről:

List=PL_QCOTUIndSFAbWcR3t0wYp5IORVEHu3I