Halbleiterleitfähigkeit

Stoffe, die in der Lage sind, elektrischen Strom zu leiten oder nicht, sind nicht auf eine strikte Einteilung in nur Leiter und Dielektrika beschränkt. Es gibt auch Halbleiter wie Silizium, Selen, Germanium und andere Mineralien und Legierungen, die es wert sind, als separate Gruppe getrennt zu werden.

Diese Stoffe leiten elektrischen Strom besser als Dielektrika, aber schlechter als Metalle, und ihre Leitfähigkeit nimmt mit zunehmender Temperatur oder Beleuchtung zu. Diese Eigenschaft von Halbleitern macht sie in Licht- und Temperatursensoren einsetzbar, ihre Hauptanwendung liegt jedoch immer noch in der Elektronik.

Schaut man sich beispielsweise einen Siliziumkristall an, stellt man fest, dass Silizium die Wertigkeit 4 hat, das heißt, auf der äußeren Hülle seines Atoms befinden sich 4 Elektronen, die an vier benachbarte Siliziumatome im Kristall gebunden sind. Wenn ein solcher Kristall durch Wärme oder Licht beeinflusst wird, erhalten die Valenzelektronen einen Energiezuwachs und verlassen ihre Atome und werden zu freien Elektronen – im offenen Volumen des Halbleiters entsteht ein Elektronengas – wie bei Metallen, also es wird ein Haltezustand eintreten.

Im Gegensatz zu Metallen unterscheiden sich Halbleiter jedoch in der Leitfähigkeit von Elektronen und Löchern. Warum passiert das und was ist das? Wenn die Valenzelektronen ihre Plätze verlassen, entstehen an den früheren Plätzen Bereiche mit einem Mangel an negativer Ladung – „Löcher“ –, die nun einen Überschuss an positiver Ladung aufweisen.

Das benachbarte Elektron springt leicht in das entstandene „Loch“ und sobald dieses Loch mit dem hineingesprungenen Elektron gefüllt ist, entsteht an der Stelle des gesprungenen Elektrons wieder ein Loch.

Das heißt, es stellt sich heraus, dass ein Loch ein positiv geladener, sich bewegender Bereich eines Halbleiters ist. Und wenn ein Halbleiter an einen Stromkreis mit einer EMF-Quelle angeschlossen wird, bewegen sich die Elektronen zum Pluspol der Quelle und die Löcher zum Minuspol. Auf diese Weise erfolgt die innere Leitfähigkeit des Halbleiters.

Die Bewegung von Löchern und Leitungselektronen in einem Halbleiter ohne angelegtes elektrisches Feld ist chaotisch. Wenn ein externes elektrisches Feld an den Kristall angelegt wird, bewegen sich die Elektronen im Inneren gegen das Feld und die Löcher bewegen sich entlang des Feldes, d. h. im Halbleiter tritt das Phänomen der inneren Leitung auf, was nicht nur der Fall ist verursacht durch Elektronen, aber auch durch Löcher.

In einem Halbleiter erfolgt die Leitung immer nur unter dem Einfluss einiger äußerer Faktoren: durch Bestrahlung mit Photonen, durch Temperatureinwirkung, beim Anlegen elektrischer Felder usw.

Das Fermi-Niveau in einem Halbleiter liegt in der Mitte der Bandlücke. Der Übergang des Elektrons vom oberen Valenzband zum unteren Leitungsband erfordert eine Aktivierungsenergie gleich der Bandlücke Delta (siehe Abbildung). Und sobald ein Elektron im Leitungsband erscheint, entsteht ein Loch im Valenzband. Somit wird die aufgewendete Energie bei der Bildung eines Stromträgerpaares gleichmäßig aufgeteilt.

Die Hälfte der Energie (entsprechend der Hälfte der Bandbreite) wird für den Elektronentransfer und die andere Hälfte für die Lochbildung aufgewendet; der Ursprung liegt somit in der Mitte der Streifenbreite. Die Fermi-Energie in einem Halbleiter ist die Energie, mit der Elektronen und Löcher angeregt werden. Die Position, an der sich das Fermi-Niveau für einen Halbleiter in der Mitte der Bandlücke befindet, kann durch mathematische Berechnungen bestätigt werden, wir lassen die mathematischen Berechnungen hier jedoch weg.

Unter dem Einfluss äußerer Faktoren, beispielsweise bei Temperaturerhöhung, führen die thermischen Schwingungen des Kristallgitters eines Halbleiters zur Zerstörung einiger Valenzbindungen, wodurch ein Teil der Elektronen zu getrennten, freien Ladungsträgern wird .

In Halbleitern findet neben der Bildung von Löchern und Elektronen auch der Rekombinationsprozess statt: Elektronen gelangen vom Leitungsband in das Valenzband, geben ihre Energie an das Kristallgitter ab und emittieren Quanten elektromagnetischer Strahlung.Somit entspricht jede Temperatur der Gleichgewichtskonzentration von Löchern und Elektronen, die gemäß dem folgenden Ausdruck von der Temperatur abhängt:

Es gibt auch eine Verunreinigungsleitfähigkeit von Halbleitern, wenn eine etwas andere Substanz in den Kristall eines reinen Halbleiters eingebracht wird, die eine höhere oder niedrigere Wertigkeit als die Ausgangssubstanz aufweist.

Wenn in reinem, sagen wir, demselben Silizium die Anzahl der Löcher und freien Elektronen gleich ist, das heißt, sie werden ständig paarweise gebildet, dann im Falle einer dem Silizium zugesetzten Verunreinigung, zum Beispiel Arsen, mit a Bei einer Wertigkeit von 5 ist die Anzahl der Löcher geringer als die Anzahl der freien Elektronen, d. h. es entsteht ein Halbleiter mit einer großen Anzahl freier, negativ geladener Elektronen, es handelt sich um einen Halbleiter vom n-Typ (negativ). Und wenn Sie Indium mischen, das eine Wertigkeit von 3 hat, was weniger als die von Silizium ist, dann entstehen mehr Löcher – es wird ein p-Typ-Halbleiter (positiv) sein.

Bringen wir nun Halbleiter unterschiedlicher Leitfähigkeit in Kontakt, so entsteht an der Kontaktstelle ein pn-Übergang. Elektronen, die sich aus dem n-Bereich bewegen, und Löcher, die sich aus dem p-Bereich bewegen, beginnen, sich aufeinander zu zu bewegen, und auf gegenüberliegenden Seiten des Kontakts gibt es Bereiche mit entgegengesetzten Ladungen (auf gegenüberliegenden Seiten des pn-Übergangs): positiv Im n-Bereich sammelt sich Ladung an, im p-Bereich entsteht eine negative Ladung. Die verschiedenen Teile des Kristalls werden in Bezug auf den Übergang entgegengesetzt geladen sein. Diese Position ist für die Arbeit aller sehr wichtig. Halbleiterbauelemente.

Das einfachste Beispiel für ein solches Gerät ist eine Halbleiterdiode, bei der nur ein pn-Übergang verwendet wird, was ausreicht, um die Aufgabe zu erfüllen – Strom nur in eine Richtung zu leiten.

Elektronen aus der n-Region bewegen sich in Richtung des positiven Pols der Stromquelle und Löcher aus der p-Region bewegen sich in Richtung des negativen Pols. In der Nähe der Verbindungsstelle sammeln sich ausreichend positive und negative Ladungen an, der Widerstand der Verbindungsstelle nimmt deutlich ab und es fließt Strom durch den Stromkreis.

Bei umgekehrter Verbindung der Diode wird der Strom um ein Zehntausendfaches geringer ausfallen, da die Elektronen und Löcher einfach durch ein elektrisches Feld in verschiedene Richtungen von der Verbindungsstelle geblasen werden. Dieses Prinzip funktioniert Diodengleichrichter.