موصلية أشباه الموصلات

لا تقتصر المواد القادرة على توصيل أو عدم توصيل تيار كهربائي على تقسيم صارم للموصلات والعوازل فقط. هناك أيضًا أشباه موصلات ، مثل السيليكون والسيلينيوم والجرمانيوم والمعادن والسبائك الأخرى التي تستحق الفصل كمجموعة منفصلة.

توصل هذه المواد التيار الكهربائي بشكل أفضل من المواد العازلة ، ولكنها أسوأ من المعادن ، وتزداد موصليةها مع زيادة درجة الحرارة أو الإضاءة. هذه الخاصية لأشباه الموصلات تجعلها قابلة للتطبيق في مستشعرات الضوء ودرجة الحرارة ، لكن تطبيقها الرئيسي لا يزال هو الإلكترونيات.

إذا نظرت ، على سبيل المثال ، إلى بلورة سيليكون ، يمكنك أن تجد أن السيليكون له تكافؤ 4 ، أي على الغلاف الخارجي لذرته هناك 4 إلكترونات مرتبطة بأربع ذرات سيليكون مجاورة في البلورة. إذا تأثرت مثل هذه البلورة بالحرارة أو الضوء ، فإن إلكترونات التكافؤ ستتلقى زيادة في الطاقة وتترك ذراتها ، وتصبح إلكترونات حرة - سيظهر غاز إلكترون في الحجم المفتوح لأشباه الموصلات - كما هو الحال في المعادن ، أي ، سوف تحدث حالة عقد.

ولكن على عكس المعادن ، تختلف أشباه الموصلات في موصلية الإلكترونات والثقوب. لماذا يحدث هذا وما هو؟ عندما تغادر إلكترونات التكافؤ مواقعها ، تتشكل المناطق التي تفتقر إلى الشحنة السالبة - "الثقوب" - في تلك المواقع السابقة ، والتي تحتوي الآن على فائض من الشحنة الموجبة.

سوف يقفز الإلكترون المجاور بسهولة إلى "الفتحة" الناتجة ، وبمجرد ملء هذه الفتحة بالإلكترون الذي قفز فيها ، تتشكل حفرة مرة أخرى في مكان الإلكترون الذي قفز.

أي ، اتضح أن الثقب عبارة عن منطقة متحركة موجبة الشحنة لأشباه الموصلات. وعندما يتم توصيل أشباه الموصلات بدائرة ذات مصدر EMF ، تنتقل الإلكترونات إلى الطرف الموجب للمصدر وتتجه الثقوب إلى الطرف السالب. هذه هي الطريقة التي تحدث بها الموصلية الداخلية لأشباه الموصلات.

ستكون حركة الثقوب وإلكترونات التوصيل في أشباه الموصلات بدون مجال كهربائي مطبق فوضوية. إذا تم تطبيق مجال كهربائي خارجي على البلورة ، فإن الإلكترونات الموجودة بداخله سوف تتحرك عكس المجال ، وستتحرك الثقوب على طول الحقل ، أي أن ظاهرة التوصيل الداخلي ستحدث في أشباه الموصلات ، والتي لن تكون فقط بسبب الإلكترونات ، ولكن أيضًا بسبب الثقوب.

في أشباه الموصلات ، يحدث التوصيل دائمًا فقط تحت تأثير بعض العوامل الخارجية: بسبب التشعيع بالفوتونات ، من تأثير درجة الحرارة ، عند تطبيق المجالات الكهربائية ، إلخ.

يقع مستوى فيرمي في أشباه الموصلات في منتصف فجوة النطاق. يتطلب انتقال الإلكترون من نطاق التكافؤ العلوي إلى نطاق التوصيل السفلي طاقة تنشيط تساوي دلتا فجوة الحزمة (انظر الشكل). وبمجرد ظهور الإلكترون في شريط التوصيل ، يتم إنشاء ثقب في شريط التكافؤ. وبالتالي ، يتم تقسيم الطاقة المستهلكة بالتساوي أثناء تكوين زوج من الموجات الحاملة الحالية.

يتم إنفاق نصف الطاقة (المقابلة لنصف عرض النطاق) على نقل الإلكترون والنصف الآخر في تكوين الفتحة ؛ نتيجة لذلك ، الأصل يتوافق مع منتصف عرض الشريط. طاقة فيرمي في أشباه الموصلات هي الطاقة التي تستثار عندها الإلكترونات والثقوب.يمكن تأكيد الموضع الذي يقع فيه مستوى فيرمي لأشباه الموصلات في منتصف فجوة النطاق عن طريق الحسابات الرياضية ، لكننا نحذف الحسابات الرياضية هنا.

تحت تأثير العوامل الخارجية ، على سبيل المثال ، عندما ترتفع درجة الحرارة ، تؤدي الاهتزازات الحرارية للشبكة البلورية لأشباه الموصلات إلى تدمير بعض روابط التكافؤ ، ونتيجة لذلك تصبح بعض الإلكترونات ، منفصلة ، ناقلات شحن مجانية .

في أشباه الموصلات ، جنبًا إلى جنب مع تكوين الثقوب والإلكترونات ، تحدث عملية إعادة التركيب: تمر الإلكترونات في نطاق التكافؤ من نطاق التوصيل ، مما يعطي طاقتها للشبكة البلورية وينبعث منها كميات من الإشعاع الكهرومغناطيسي.وبالتالي ، فإن كل درجة حرارة تتوافق مع تركيز التوازن للثقوب والإلكترونات ، والذي يعتمد على درجة الحرارة وفقًا للتعبير التالي:

هناك أيضًا شوائب موصلية لأشباه الموصلات ، عندما يتم إدخال مادة مختلفة قليلاً في بلورة أشباه الموصلات النقية التي لها تكافؤ أعلى أو أقل من المادة الأم.

إذا كان نفس السيليكون النقي ، على سبيل المثال ، فإن عدد الثقوب والإلكترونات الحرة متساوٍ ، أي أنها تتشكل طوال الوقت في أزواج ، ثم في حالة وجود شوائب مضافة إلى السيليكون ، على سبيل المثال ، الزرنيخ ، التكافؤ 5 ، سيكون عدد الثقوب أقل من عدد الإلكترونات الحرة ، أي أن أشباه الموصلات تتكون من عدد كبير من الإلكترونات الحرة ، سالبة الشحنة ، ستكون من النوع n (سالب) أشباه الموصلات. وإذا قمت بخلط الإنديوم ، الذي له تكافؤ 3 ، وهو أقل من السيليكون ، فسيكون هناك المزيد من الثقوب - سيكون من النوع p (موجب) أشباه الموصلات.

الآن ، إذا قمنا بتلامس أشباه موصلات مختلفة الموصلية ، فعند نقطة الاتصال نحصل على تقاطع p-n. ستبدأ الإلكترونات التي تتحرك من المنطقة n والثقوب التي تتحرك من المنطقة p في التحرك تجاه بعضها البعض ، وعلى جانبي جهة الاتصال المتقابلة ستكون هناك مناطق ذات شحنات معاكسة (على جانبي تقاطع pn): موجب سوف تتراكم الشحنة في المنطقة n والشحنة السالبة في المنطقة p. سيتم شحن الأجزاء المختلفة من البلورة فيما يتعلق بالانتقال بشكل معاكس. هذا الموقف مهم جدًا لعمل الجميع. أجهزة أشباه الموصلات.

أبسط مثال على مثل هذا الجهاز هو الصمام الثنائي لأشباه الموصلات ، حيث يتم استخدام تقاطع pn واحد فقط ، وهو ما يكفي لتحقيق المهمة - لإجراء التيار في اتجاه واحد فقط.

تتحرك الإلكترونات من المنطقة n نحو القطب الموجب لمصدر الطاقة وتتحرك الثقوب من المنطقة p نحو القطب السالب. سوف تتراكم الشحنات الموجبة والسالبة الكافية بالقرب من التقاطع ، وستنخفض مقاومة التقاطع بشكل كبير وسيتدفق التيار عبر الدائرة.

في الاتصال العكسي للديود ، سيخرج التيار أقل بعشرات الآلاف من المرات ، حيث سيتم ببساطة نفخ الإلكترونات والثقوب بواسطة مجال كهربائي في اتجاهات مختلفة من التقاطع. يعمل هذا المبدأ مقوم الصمام الثنائي.