التيار الكهربائي في أشباه الموصلات

توجد بين الموصلات والعوازل الكهربائية من حيث المقاومة أشباه الموصلات... السيليكون والجرمانيوم والتيلوريوم ، إلخ. - تنتمي العديد من عناصر الجدول الدوري ومركباتها إلى أشباه الموصلات. العديد من المواد غير العضوية هي أشباه موصلات. السيليكون أوسع من غيره في الطبيعة ؛ تتكون القشرة الأرضية من 30٪ منها.

يكمن الاختلاف الرئيسي المذهل بين أشباه الموصلات والمعادن في معامل درجة الحرارة السالب للمقاومة: فكلما ارتفعت درجة حرارة أشباه الموصلات ، انخفضت مقاومته الكهربائية. بالنسبة للمعادن ، يكون الأمر عكس ذلك: فكلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت المقاومة. إذا تم تبريد أشباه الموصلات إلى الصفر المطلق ، فإنها تصبح عازل.

ارتفاع درجة الحرارة - مقاومة أقل

هذا الاعتماد على موصلية أشباه الموصلات على درجة الحرارة يظهر أن التركيز سائقي سيارات الأجرة مجانا في أشباه الموصلات ليست ثابتة وتزداد مع درجة الحرارة.لا يمكن اختزال آلية مرور التيار الكهربائي عبر أشباه الموصلات إلى نموذج غاز من الإلكترونات الحرة ، كما هو الحال في المعادن. لفهم هذه الآلية ، يمكننا النظر إليها على سبيل المثال على بلورة الجرمانيوم.

في الحالة الطبيعية ، تحتوي ذرات الجرمانيوم على أربعة إلكترونات تكافؤ في غلافها الخارجي - أربعة إلكترونات مرتبطة بشكل فضفاض بالنواة. علاوة على ذلك ، فإن كل ذرة في الشبكة البلورية الجرمانيوم محاطة بأربع ذرات متجاورة. والرابطة هنا تساهمية ، مما يعني أنها تتكون من أزواج من إلكترونات التكافؤ.

اتضح أن كل من إلكترونات التكافؤ تنتمي إلى ذرتين في نفس الوقت ، وأن روابط إلكترونات التكافؤ داخل الجرمانيوم مع ذراتها أقوى من المعادن. هذا هو السبب في أن أشباه الموصلات ، عند درجة حرارة الغرفة ، تقوم بعدة أوامر حالية أسوأ من المعادن. وعند الصفر المطلق ، ستشغل كل إلكترونات التكافؤ في الجرمانيوم في روابط ولن يكون هناك إلكترونات حرة لتوفير التيار.

مع ارتفاع درجة الحرارة ، تكتسب بعض إلكترونات التكافؤ طاقة تكفي لكسر الروابط التساهمية. هذه هي الطريقة التي تنشأ بها إلكترونات التوصيل الحر. يتم تشكيل نوع من الوظائف الشاغرة في مناطق الفصل— ثقوب بدون إلكترونات.

يمكن بسهولة شغل هذه الفتحة بواسطة إلكترون تكافؤ من زوج مجاور ، ثم ينتقل الثقب إلى مكانه في الذرة المجاورة. عند درجة حرارة معينة ، يتم تشكيل عدد معين مما يسمى بأزواج ثقب الإلكترون في البلورة.

في الوقت نفسه ، تحدث عملية إعادة تركيب ثقب الإلكترون - فجوة تقابل إلكترونًا حرًا تستعيد الرابطة التساهمية بين الذرات في بلورة الجرمانيوم. يمكن أن تنشأ مثل هذه الأزواج ، التي تتكون من إلكترون وثقب ، في أشباه الموصلات ليس فقط بسبب تأثير درجة الحرارة ، ولكن أيضًا عند إضاءة أشباه الموصلات ، أي بسبب حادث الطاقة عليه الاشعاع الكهرومغناطيسي.

إذا لم يتم تطبيق أي مجال كهربائي خارجي على أشباه الموصلات ، فإن الإلكترونات والثقوب الحرة تنخرط في حركة حرارية فوضوية. ولكن عندما يتم وضع أشباه الموصلات في مجال كهربائي خارجي ، تبدأ الإلكترونات والثقوب في التحرك بطريقة منظمة. هكذا ولدت تيار أشباه الموصلات.

يتكون من تيار الإلكترون وتيار الثقب. في أشباه الموصلات ، يكون تركيز الثقوب وإلكترونات التوصيل متساويين. وفقط في أشباه الموصلات النقية يفعل ذلك آلية توصيل ثقب الإلكترون… هذا هو التوصيل الكهربائي الجوهري لأشباه الموصلات.

توصيل النجاسة (الإلكترون والثقب)

إذا كانت هناك شوائب في أشباه الموصلات ، فإن الموصلية الكهربائية لها تتغير بشكل كبير مقارنة بأشباه الموصلات النقية. إن إضافة شوائب على شكل فوسفور إلى بلورة سيليكون ، بكمية 0.001 بالمائة ذرية ، سيزيد من الموصلية بأكثر من 100000 مرة! هذا التأثير الكبير للشوائب على الموصلية أمر مفهوم.

الشرط الرئيسي لنمو موصلية النجاسة هو الفرق بين تكافؤ النجاسة وتكافؤ العنصر الأصل. يسمى هذا التوصيل النجاسة توصيل النجاسة ويمكن أن يكون إلكترونًا وثقبًا.

تبدأ بلورة الجرمانيوم في الحصول على الموصلية الإلكترونية إذا تم إدخال ذرات خماسية التكافؤ فيها ، على سبيل المثال ، الزرنيخ ، في حين أن تكافؤ ذرات الجرمانيوم نفسه هو أربعة. عندما تكون ذرة الزرنيخ خماسية التكافؤ في مكان الشبكة البلورية الجرمانيوم ، فإن الإلكترونات الأربعة الخارجية لذرة الزرنيخ تشارك في روابط تساهمية مع أربع ذرات جرمانيوم مجاورة. يصبح الإلكترون الخامس لذرة الزرنيخ حراً ، ويترك ذرته بسهولة.

وتتحول الذرة التي يتركها الإلكترون إلى أيون موجب بدلاً من الشبكة البلورية لأشباه الموصلات. وهذا ما يسمى بنجاسة الواهب عندما يكون تكافؤ النجاسة أكبر من تكافؤ الذرات الرئيسية. تظهر هنا العديد من الإلكترونات الحرة ، ولهذا السبب ، مع ظهور شوائب ، تنخفض المقاومة الكهربائية لأشباه الموصلات آلاف وملايين المرات. تقترب أشباه الموصلات التي تحتوي على كمية كبيرة من الشوائب المضافة من المعادن في الموصلية.

على الرغم من أن الإلكترونات والثقوب مسؤولة عن التوصيل الجوهري في بلورة الجرمانيوم المشبعة بالزرنيخ ، فإن الإلكترونات التي تركت ذرات الزرنيخ هي ناقلات الشحن الرئيسية الرئيسية. في مثل هذه الحالة ، يتجاوز تركيز الإلكترونات الحرة تركيز الثقوب بشكل كبير ، ويسمى هذا النوع من الموصلية الموصلية الإلكترونية لأشباه الموصلات ، ويطلق على أشباه الموصلات نفسها اسم أشباه الموصلات من النوع n.

إذا ، بدلاً من الزرنيخ خماسي التكافؤ ، تمت إضافة الإنديوم ثلاثي التكافؤ إلى بلورة الجرمانيوم ، فإنه سيشكل روابط تساهمية مع ثلاث ذرات جرمانيوم فقط. ستبقى ذرة الجرمانيوم الرابعة غير مرتبطة بذرة الإنديوم. ولكن يمكن التقاط الإلكترون التساهمي بواسطة ذرات الجرمانيوم المجاورة.سيكون الإنديوم بعد ذلك أيونًا سالبًا ، وستشغل ذرة الجرمانيوم المجاورة مكانًا شاغرًا حيث توجد الرابطة التساهمية.

يسمى هذا النجاسة ، عندما تلتقط ذرة النجاسة الإلكترونات ، شائبة متقبل. عندما يتم إدخال شوائب متقبل ، يتم كسر العديد من الروابط التساهمية في البلورة وتشكل العديد من الثقوب التي يمكن للإلكترونات أن تقفز فيها من الروابط التساهمية. في حالة عدم وجود تيار كهربائي ، تتحرك الثقوب بشكل عشوائي فوق البلورة.

يؤدي المستقبِل إلى زيادة حادة في موصلية أشباه الموصلات بسبب إنشاء وفرة من الثقوب ، ويتجاوز تركيز هذه الثقوب بشكل كبير تركيز الإلكترونات في الموصلية الكهربائية الجوهرية لأشباه الموصلات. هذا هو توصيل الثقب ويسمى أشباه الموصلات أشباه الموصلات من النوع p. حاملات الشحنة الرئيسية فيها عبارة عن ثقوب.