Vakuuminė elektronika, pasiekusi tobulumo viršūnę, staiga pradėjo užleisti savo pozicijas naujai atsiradusiems puslaidininkiniams prietaisams. Puslaidininkiai - tai medžiagos, iš kurių gaminami itin maži, lengvi, ekonomiški, patvarūs ir patikimi įvairios paskirties prietaisai, iš esmės pakeitę šių dienų radijo, televizijos, garso aparatūrą ir ryšių sistemas. Jų dėka atsirado skaičiavimo mašinos, padedančios atlikti protinį darbą, automatizavimo sistemos, gebančios valdyti ištisus cechus, vairuoti lėktuvus. Puslaidininkiai naudojami lazeriams ir saulės baterijoms. Iš puslaidininkių gaminami diodai, tranzistoriai ir kiti elektroniniai prietaisai.
Medžiagų skirstymas pagal laidumą
Vienuose kūnuose elektros krūviai laisvai juda iš vienos dalies į kitą, o kituose - ne. Todėl medžiagos pagal sugebėjimą praleisti elektros krūvius, t. y., elektros srovę, yra skirstomos į laidininkus ir dielektrikus. Laidininkai gerai praleidžia elektros srovę, o dielektrikai - ne. Medžiagos, kuriose yra laisvųjų elektros krūvių, gerai praleidžia elektros srovę. Metalai, nes jų elektronai silpnai sujungti su atomais, yra geri laidininkai. Marmuras, stiklas, kaučiukas, plastmasė ir kitos medžiagos, kurios neturi laisvųjų elektronų, elektros srovės nepraleidžia, todėl iš jų gaminamos elektros izoliacinės medžiagos.
Griežtos ribos tarp laidininkų ir dielektrikų nėra. Visi dielektrikai šiek tiek praleidžia krūvius. Germanis, silicis, selenas, vario oksidas ir kai kurios kitos medžiagos pagal laidumą elektrai užima tarpinę padėtį tarp laidininkų ir dielektrikų. Taigi visos medžiagos, atsižvelgiant į jų laidumą elektros srovei, skirstomos į laidininkus, puslaidininkius ir nelaidininkus arba izoliatorius. Laidininkams priklauso tokios medžiagos, kurių specifinė varža (ρ) yra pati mažiausia, o izoliatoriams - kurių varža (ρ) yra pati didžiausia.
Puslaidininkių savybės ir energijos juostų teorija
Svarbiausia puslaidininkių medžiagų savybė yra ta, kad jų elektrinis laidumas labai priklauso nuo temperatūros ir priemaišų.
Aplink izoliuoto atomo branduolį skriejantys elektronai yra skirtinguose energijos lygiuose. Arčiausiai prie branduolio esantieji elektronai turi mažiausiai energijos, t. y., yra žemiausiame energijos lygyje, o toliau nuo branduolio esantieji elektronai yra aukštesniuose energijos lygiuose. Elektronų energija atome yra kvantuota, t. y., elektronai gali būti būviuose, kurie atitinka griežtai apibrėžtas diskretinės energijos reikšmes. Pagal Pauli draudimo principą kiekviename energijos lygyje gali būti ne daugiau kaip 2 elektronai, o jų sukiniai turi būti antilygiagretūs.
Taip pat skaitykite: Tirpalų laidumo priklausomybė
Tos pačios medžiagos visų izoliuotų atomų elektronų atitinkami energijos lygiai visiškai sutampa. Bet atomams suartėjus, pavyzdžiui, kristale, jie vienas kitą veikia, ir todėl pasikeičia jų elektronų energijos lygiai. Dabar vietoj vieno ir to paties atomo elektrono energijos lygio atsiranda N labai artimų, bet jau nesutampančių energijos lygių. Kristale arčiau atomų branduolių esantieji elektronų energijos lygiai suskyla mažiau, ir todėl jų juostos yra siauresnės. Labiausiai suskyla valentinių elektronų ir aukštesni energijos lygiai. Šių leidžiamų elektronų energijos juostų plotis nepriklauso nuo kristalo matmenų.
Tarpai tarp leidžiamų energijos juostų yra vadinami draudžiamomis energijos juostomis. Kad elektronas pereitų iš žemesnės leidžiamos energijos juostos į gretimą aukštesnę, jam reikia suteikti energijos kiekį, lygų draudžiamos energijos juostos pločiui arba didesnį.
Metalų laidumas
Metalai turi tik iš dalies elektronais užpildytą valentinę juostą, kuri šiuo atveju yra vadinama laidumo juosta.
Puslaidininkių laidumas
Puslaidininkių valentinė juosta absoliutinio nulio temperatūroje yra visiškai užpildyta elektronais. Elektrinis laukas negali elektronams suteikti tokios energijos. Jei draudžiamos juostos plotis nedidelis, tai esant temperatūrai didesnei už 0° C, šiluminio judėjimo energijos pakanka, kad dalis elektronų galėtų pereiti iš valentinės į tuščią laidumo juostą, o laidumo juostoje elektronai, veikiami elektrinio lauko, gali lengvai pereiti iš žemesnių energijos lygių į aukštesnius. Valentinėje juostoje lieka elektronų neužimtų vietų, vadinamų skylutėmis.
Pavyzdžiui, germanio ar silicio kristaluose 0° C temperatūroje valentinė juosta yra visiškai užpildyta, o laidumo juosta - visiškai tuščia. Toks puslaidininkis yra izoliatorius. Kai temperatūra yra aukštesnė negu 0° C, dėl atomų šiluminio judėjimo kai kurie valentiniai elektronai, gavę energijos kiekį, lygų draudžiamosios juostos pločiui, gali peršokti iš valentinės juostos į laidumo juostą, palikdami valentinėje juostoje laisvą vietą, vadinamą skylute.
Taip pat skaitykite: Laidumo priklausomybė nuo lauko stiprio
Įnešus tokį puslaidininkį į elektrinį lauką, laidumo juostoje elektronai judės iš vieno energijos lygio į kitą prieš elektrinio lauko jėgų kryptį ir sudarys elektroninį laidumą arba n laidumą. Valentinėje juostoje susidariusios skylutės pasižymi teigiamo krūvio pertekliumi, nes prieš peršokant elektronams į laidumo juostą, tos vietos buvo neutralios. Vadinasi, skylutės krūvis yra teigiamas ir skaitine reikšme lygus elektrono krūviui.
Veikiant elektriniam laukui, į skylutę gali patekti elektronas iš gretimo ryšio, o skylutė pasislinkti į jo vietą. Jos užleidžia vietą prieš elektrinį lauką valentinėje juostoje judantiems elektronams, o pačios slenka elektrinio lauko kryptimi, tartum perneša teigiamą krūvį ir sudaro elektros srovę. Skylučių judėjimas valentinėje juostoje yra vadinamas skylutiniu laidumu arba p laidumu.
Žemoje temperatūroje atomai taisyklingai išsidėstę kristalinėje gardelėje, elektronai surišti su atomais, o laisvųjų elektronų beveik nėra, ir tokius kristalus mes vadiname izoliatoriais. Kylant temperatūrai, kai kurie elektronai sukaupia pakankamai energijos ryšiui su atomu nutraukti, todėl atsiranda laisvųjų elektronų, ir tuo jų daugiau, kuo aukštesnė temperatūra. Elektrono netekęs atomas - arba teigiamas jonas - judėti kristale negali, tačiau gali pritraukti gretimo atomo elektroną. Tarsi likusią tuščią elektrono vietą, vadinamą skyle, būtų užpildęs gretimo atomo elektronas, savo ruožtu palikdamas jame skylę: perėjo skylė, o drauge - teigiamas krūvis. Todėl paprastumo dėlei ir sakoma, kad puslaidininkyje kartu su elektronu atsirado pernešanti teigiamą krūvį skylė. Gryname puslaidininkyje elektronai ir skylės atsiranda kartu - poromis, taigi jų skaičius būna vienodas.
Puslaidininkių laidumas labai priklauso nuo temperatūros. Absoliutinėmis vertėmis jis 10-20 kartų didesnis negu metalų.
Priemaišinis laidumas
Visiškai grynų, be priemaišų bei defektų, puslaidininkių gamtoje nėra, o ir dirbtiniu būdu jų nepavyksta pagaminti. Daugumai elektronikos prietaisų reikalingi puslaidininkiai, kuriuose vyrauja vienokios rūšies n arba p laidumas. Tokie puslaidininkiai gaunami įterpus į gryną kristalą labai mažą (apie 10-5 %) kiekį kitų elementų priemaišų. Tada šalia savojo laidumo atsiranda tūkstančius kartų didesnis papildomas priemaišinis laidumas.
Taip pat skaitykite: Elektrinio lauko stiprio taikymas
Priemaišomis vadiname kitų cheminių elementų atomus. Elektroniniuose priemaišiniuose puslaidininkiuose, priemaišos atomams sudarius ryšį su puslaidininkio atomais, lieka nesurištų elektronų. Germanio atomas turi 4 valentinius elektronus. Pavyzdžiui, jeigu vieną atomą pakeisime penkiavalenčio fosforo atomu, tai priemaišos atomo 4 valentiniai elektronai bus surišti gretimais germanio atomais, o penktasis elektronas valentiniame ryšyje nedalyvaus, jis bus silpniau surištas su branduoliu ir galės lengviau pereiti į laidumo juostą. Šis priemaišos atomų penktųjų elektronų energijos lygis yra draudžiamoje juostoje arčiau laidumo juostos apatinės dalies ir vadinamas donoriniu lygiu, o tokie priemaišos atomai vadinami atomais-donorais. Nedidelės šiluminės, šviesos ar kitokios energijos pakanka šiems elektronams perkelti į laidumo juostą.
Dabar imkime kitą pavyzdį. 4 germanio gardelės atomą pakeiskime priemaišos trivalenčio boro atomu. Pastarajam trūksta vieno elektrono kovalentiniam ryšiui sudaryti su germanio atomais. Trūkstamą valentinį elektroną jis pasiskolina iš gretimo germanio atomo, o ten atsiranda teigiama skylutė. Šią skylutę gali užimti elektronas iš gretimo germanio atomo, o nauja teigiama skylutė atsiras pastarajame ir t. t. Taip nuosekliai skylutė juda elektrinio lauko kryptimi valentinėje juostoje. Akceptoriniai lygiai išsidėsto šiek tiek aukščiau valentinės juostos viršutinės dalies. Iš užpildytos valentinės juostos elektronai lengvai peršoka į akceptorinius lygius, o valentinėje juostoje atsiranda teigiamos skylutės. Šiuo atveju valentinė juosta yra skylutinio laidumo juosta. Elektriniam laukui veikiant, elektronai nuosekliai užpildo valentinėje juostoje teigiamas skylutes, o šios juda elektrinio lauko kryptimi. Toks skylučių judėjimas elektrinio lauko kryptimi sudaro skylutinį arba p tipo laidumą.
Įterpus į germanio kristalą priemaišos, turinčios penkis valentinius elektronus, keturi priemaišos atomo elektronai sudaro kovalentines jungtis su gretimais germanio atomais, o penktasis elektronas lieka silpnai surištas su savo atomu. Skylinį laidumą germanis įgyja įterpus į jį priemaišos, turinčios 3 valentinius elektronus. Šiuo atveju priemaišos atomai gali sudaryti tik 3 kovalentines jungtis.
Temperatūros įtaka puslaidininkių laidumui
Grynasis puslaidininkis 0° C temperatūroje yra izoliatorius. Kadangi puslaidininkio draudžiamoji juosta yra siaura, tai temperatūrai didėjant, kai kurie valentiniai elektronai įgauna pakankamai energijos peršokti iš valentinės juostos į laidumo juostą. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo daugiau valentinių elektronų peršoka į laidumo juostą ir puslaidininkio savasis laidumas didėja.
tags: #elektrinio #laidumo #priklausomybe #nuo #temperaturos