Elektrischer Strom in Halbleitern
Zwischen den Leitern und Dielektrika liegen hinsichtlich des Widerstands Halbleiter… Silizium, Germanium, Tellur usw. — Viele Elemente des Periodensystems und ihre Verbindungen gehören zu den Halbleitern. Viele anorganische Stoffe sind Halbleiter. Silizium ist breiter als andere in der Natur; Die Erdkruste besteht zu 30 % daraus.
Der Hauptunterschied zwischen Halbleitern und Metallen liegt im negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands: Je höher die Temperatur des Halbleiters, desto geringer ist sein elektrischer Widerstand. Bei Metallen ist es umgekehrt: Je höher die Temperatur, desto größer der Widerstand. Wenn ein Halbleiter auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt wird, wird er Dielektrikum.
Diese Abhängigkeit der Halbleiterleitfähigkeit von der Temperatur zeigt, dass die Konzentration kostenlose Taxifahrer in Halbleitern ist nicht konstant und steigt mit der Temperatur.Der Mechanismus des Durchgangs eines elektrischen Stroms durch einen Halbleiter kann nicht auf das Modell eines Gases freier Elektronen reduziert werden, wie es bei Metallen der Fall ist. Um diesen Mechanismus zu verstehen, können wir ihn beispielsweise an einem Germaniumkristall betrachten.
Im Normalzustand enthalten Germaniumatome in ihrer Außenhülle vier Valenzelektronen – vier Elektronen, die lose an den Kern gebunden sind. Darüber hinaus ist jedes Atom im Germanium-Kristallgitter von vier benachbarten Atomen umgeben. Und die Bindung ist hier kovalent, das heißt, sie wird durch Valenzelektronenpaare gebildet.
Es stellt sich heraus, dass jedes der Valenzelektronen gleichzeitig zu zwei Atomen gehört und die Bindungen der Valenzelektronen im Inneren von Germanium mit seinen Atomen stärker sind als in Metallen. Deshalb leiten Halbleiter bei Raumtemperatur den Strom um mehrere Größenordnungen schlechter als Metalle. Und am absoluten Nullpunkt sind alle Valenzelektronen des Germaniums in Bindungen besetzt und es gibt keine freien Elektronen, die den Strom liefern.
Mit steigender Temperatur gewinnen einige der Valenzelektronen Energie, die ausreicht, um kovalente Bindungen aufzubrechen. So entstehen freie Leitungselektronen. In Abschaltzonen entsteht eine Art Leerstand – Löcher ohne Elektronen.
Dieses Loch kann leicht durch ein Valenzelektron eines Nachbaratoms besetzt werden, dann wandert das Loch an seinen Platz beim Nachbaratom. Bei einer bestimmten Temperatur bildet sich im Kristall eine bestimmte Anzahl sogenannter Elektron-Loch-Paare.
Gleichzeitig findet der Prozess der Elektron-Loch-Rekombination statt – ein Loch, das auf ein freies Elektron trifft, stellt die kovalente Bindung zwischen Atomen in einem Germaniumkristall wieder her. Solche Paare, bestehend aus einem Elektron und einem Loch, können in einem Halbleiter nicht nur durch Temperatureinwirkung entstehen, sondern auch bei Beleuchtung des Halbleiters, also durch die auf ihn einfallende Energie elektromagnetische Strahlung.
Wenn kein äußeres elektrisches Feld an den Halbleiter angelegt wird, führen die freien Elektronen und Löcher eine chaotische thermische Bewegung durch. Wenn jedoch ein Halbleiter in ein externes elektrisches Feld gebracht wird, beginnen sich die Elektronen und Löcher in geordneter Weise zu bewegen. So ist es entstanden Halbleiterstrom.
Es besteht aus Elektronenstrom und Lochstrom. In einem Halbleiter ist die Konzentration von Löchern und Leitungselektronen gleich. Und das ist nur in reinen Halbleitern der Fall Elektronen-Loch-Leitungsmechanismus… Dies ist die intrinsische elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters.
Verunreinigungsleitung (Elektron und Loch)
Befinden sich Verunreinigungen im Halbleiter, so verändert sich dessen elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zum reinen Halbleiter deutlich. Die Zugabe einer Verunreinigung in Form von Phosphor zu einem Siliziumkristall in einer Menge von 0,001 Atomprozent erhöht die Leitfähigkeit um mehr als das 100.000-fache! Ein solch erheblicher Einfluss von Verunreinigungen auf die Leitfähigkeit ist verständlich.
Die Hauptbedingung für das Wachstum der Leitfähigkeit der Verunreinigung ist der Unterschied zwischen der Wertigkeit der Verunreinigung und der Wertigkeit des Ausgangselements. Eine solche Verunreinigungsleitung nennt man Verunreinigungsleitung und kann ein Elektron und ein Loch sein.
Ein Germaniumkristall erhält elektronische Leitfähigkeit, wenn fünfwertige Atome, beispielsweise Arsen, in ihn eingeführt werden, während die Wertigkeit der Germaniumatome selbst vier beträgt. Wenn das fünfwertige Arsenatom anstelle des Germaniumkristallgitters steht, sind die vier Außenelektronen des Arsenatoms an kovalenten Bindungen mit vier benachbarten Germaniumatomen beteiligt. Das fünfte Elektron des Arsenatoms wird frei, es verlässt leicht sein Atom.
Und das vom Elektron hinterlassene Atom verwandelt sich anstelle des Kristallgitters des Halbleiters in ein positives Ion. Dies ist die sogenannte Donorverunreinigung, wenn die Wertigkeit der Verunreinigung größer ist als die Wertigkeit der Hauptatome. Hier treten viele freie Elektronen auf, weshalb durch das Einbringen einer Verunreinigung der elektrische Widerstand des Halbleiters um das Tausende und Abermillionenfache sinkt. Ein Halbleiter mit einer großen Menge zugesetzter Verunreinigungen kommt in der Leitfähigkeit den Metallen nahe.
Obwohl Elektronen und Löcher für die intrinsische Leitfähigkeit in einem mit Arsen dotierten Germaniumkristall verantwortlich sind, sind die Elektronen, die die Arsenatome verlassen haben, die wichtigsten freien Ladungsträger. In einer solchen Situation übersteigt die Konzentration der freien Elektronen die Konzentration der Löcher bei weitem, und diese Art der Leitfähigkeit wird als elektronische Leitfähigkeit des Halbleiters bezeichnet, und der Halbleiter selbst wird als Halbleiter vom n-Typ bezeichnet.
Wenn dem Germaniumkristall anstelle von fünfwertigem Arsen dreiwertiges Indium zugesetzt wird, bildet es kovalente Bindungen mit nur drei Germaniumatomen. Das vierte Germaniumatom bleibt ungebunden an das Indiumatom. Ein kovalentes Elektron kann jedoch von benachbarten Germaniumatomen eingefangen werden.Das Indium ist dann ein negatives Ion und das benachbarte Germaniumatom besetzt eine Lücke, an der die kovalente Bindung bestand.
Wenn ein Verunreinigungsatom Elektronen einfängt, wird eine solche Verunreinigung als Akzeptorverunreinigung bezeichnet. Wenn eine Akzeptorverunreinigung eingeführt wird, werden viele kovalente Bindungen im Kristall aufgebrochen und es entstehen viele Löcher, in die Elektronen aus kovalenten Bindungen springen können. Ohne elektrischen Strom bewegen sich die Löcher zufällig über den Kristall.
Ein Akzeptor führt aufgrund der Bildung einer Fülle von Löchern zu einem starken Anstieg der Leitfähigkeit des Halbleiters, und die Konzentration dieser Löcher übersteigt die Elektronenkonzentration der intrinsischen elektrischen Leitfähigkeit des Halbleiters deutlich. Dies ist eine Lochleitung und der Halbleiter wird als Halbleiter vom p-Typ bezeichnet. Die Hauptladungsträger darin sind Löcher.