Полупроводници

Преузми Word документ

Полупроводници су материјали чија електрична проводљивост зависи од од услова у којима се налазе као и од примеса у њима. Полупроводници су елементи IV групе периодног система. То су четворовалентни атоми. У кристалној решетки су везани ковалентним везама. Сваки атом је окружен са 4 атома који се налазе на једнаким растојањима. Свака два суседна атома имају заједнички пар електрона. Најчешће употребљавани полупроводници су германијум и силицијум.

Сви електрони су везани за атом ковалентним везама, па нема слободних електрона. Да би неки електрон постао слободан његова валентна веза мора да се прекине. Најмања енергија потреба да изазове кидање, једнака је ширини енергетског процепа (забрањене зоне). Она износи 0,7eV за германијум и 1,1eV за силицијум. Место које је један електрон напустио постало је позитивно наелектрисано и назива се шупљина. Ово место може да буде попуњено валентним електроном из суседног атома, тако да изгледа као да се шупљине померају у супротоном смеру. Без спољашњег утицаја кретање шупљина је потпуно неуређено. Под дејством електричног поља кретање шупљина постаје усмерено. Што значи да шупљине постају слободни носиоци наелектрисања и учествују у провођењу електричне струје. Концентрација шупљина у чистом полупроводнику је увек једнака концентрацији слободних електрона. Електрони се налазе у проводној зони, а шупљине у валентној зони.

На ниским температурама електрони у валентном нивоу немају довољну енергију да савладају енергетски процеп тако да су сви везани за атоме па се тада чист полупроводник понаша као изолатор. Међутим већ на собној температури један део електрона на валентном нивоу има довољну енергију да савлада енергетски процеп и пређе на проводни ниво. Када електрон напусти атом на његовом месту остаје упражњено место – шупљина а цео атом представља позитиван јон.

Електрони су, као што је познато, негативна наелектрисања па њих зовемо негативним носиоцима наелетрисања, док су шупљине места на којима се заправо налази позитиван јон па њих називамо позитивним носиоцима наелектрисања.

Електрична проводљивост чистих полупроводника назива се сопствена проводљивост полупроводника. Сопствена проводљивост полупроводника остварује се слободним електронима и шупљинама.

Чисти полупроводници представљају само полазну основу у изради електронских компоненти. Чистим полупроводницима се додају примесе (нечистоће) како би повећала електрична проводљивост. Процес у коме се чистом полупроводнику додају примесе назива се допирање.

Електрична проводљивост полупроводника се повећава додавањем хемијских елемената III и V групе. На тај начин се повећава број слободних носилаца наелектрисања. Петовалентне примесе повећавају концентрацију електрона, а тровалентне повећавају концентрацију шупљина.

Постоји могућност да се у кристалној решетки полупроводника (силицијума) нађе атом неког петовалентног елемента: фосфора (P), антимона (Sb) или арсена (As). Пошто је концентрација примеса мала, може се сматрати да се атом примесе налази потпуно окружен атомима полупроводника.

Један електрон петовалентног атома не улази у ковалентну везу. Тај електрон је слабо везан за атом. Довољно је веома мала енергија да би се раскинула веза и електрон постао слободан. Појава слободног електрона није праћена појавом шупљине, тако да је број слободних електрона знатно већи од броја шупљина. Слободни електрони представљају главне носиоце електричне струје, а шупљине су споредни носиоци електричне струје. Примесе, које уношењем у полупроводник повећавају број слободних електрона називају се донори. Полупроводници добијени на овај начин називају се полупроводници n-типа.

Пошто је потребна веома мала енергија да се електрон примесе одвоји и пређе у проводну зону, то значи да је енергетски ниво (донорски ниво) примесе врло близу проводној зони. За ово побуђивање је довољна термичка енергија која одговара температури око 50К.

Валентни ниво атома петовалентне нечистоће се назива донорски ниво зато што даје електроне за проводну зону полупроводника.

Неки од атома полупроводника (силицијума) у кристалној решетки може да буде замењен тровалентним атомом – бор (В), инидијум (In), алуминијум (Al). Атом примесе нема довољно електрона да би се успоставиле све ковалентне везе са суседним атомима. Једна валентна веза по атому примесе недостаје.

Потребна је веома мала енергија да неки од суседних атома полупроводника преда један свој валентни електрон атому примесе. То значи да ће у валентној зони полупроводника настати шупљина. Пошто је електрон само прешао из једног атом у други, појава шупљина није праћена појавом слободних електрона. Број шупљина већи у односу на број слободних електрона.

Шупљине представљају главне носиоце електричне струје, а слободни електрони су споредни носиоци електричне струје. Примесе, које уношењем у полупроводник повећавају број шупљина називају се акцептори. Полупроводници добијени на овај начин називају се полупроводници p-типа.

Пошто је потребна веома мала енергија да би валентни електрон атома полупроводника прешао на атом примесе, то значи да је енергетски ниво (акцепторски ниво) примесе врло близу валентној зони.

Валентни ниво атома тровалентне нечистоће се назива акцепторски ниво зато што прихвата електроне из валентне зоне полупроводника.

Проводљивост полупроводника изазвана примесама, назива се примесна проводљивост.