Półprzewodniki - Porady Elektryka.pl

Półprzewodniki
Półprzewodniki znajdują szerokie zastosowanie we współczesnym świecie. Zaliczamy do nich takie
pierwiastki jak Si(krzem), Ge(german), oraz wiele związków chemicznych np.: GaP(fosforek galu),
GaAs(arsenek galu), SiC(węglik krzemu). Od metali i dielektryków różnią się one budową, dokładniej
budową pasmową.
Rys1. Model pasmowy metali, półprzewodników i dielektryków.
Jak widzimy na powyższym rysunku w metalach pasmo walencyjne i pasmo przewodzenia się na
siebie nakładają stąd są one nazywane przewodnikami. W dielektrykach i półprzewodnikach
występuje przerwa nazywana pasmem zabronionym. Szerokość tego pasma odpowiada ilości energii
potrzebnej do generacji swobodnych nośników ładunku elektrycznego. Typowo dla półprzewodników
przyjmuje się ją od 0,5 do 3,5 eV (elektrono woltów). Półprzewodniki możemy podzielić na samoistne
i domieszkowane.
Półprzewodniki samoistne są to „czyste” półprzewodniki, czyli takie bez ingerenci w sieć krystaliczną.
W temperaturze zera bezwzględnego 0 K pasmo walencyjne jest zapełnione całkowicie a pasmo
przewodzenia całkowicie puste. Wraz ze wzrostem temperatury energia elektronów z pasma
walencyjnego rośnie i rośnie też możliwość przejścia elektronu z pasma walencyjnego do pasma
przewodzenia czyli pokonania przez elektron pasma zabronionego. Im wyższa temperatura tym
większa energia i większe prawdopodobieństwo, że elektron pokona pasmo zabronione. Po
elektronach które przeskoczyły do pasma przewodzenia w paśmie walencyjnym pozostają dziury,
skoro elektron ma ładunek ujemny to z zasady zachowania ładunku, dziura ma ładunek dodatni.
Dziury mogą również uczestniczyć w przewodzeniu prądu elektrycznego. Proces powstawania
ładunków(dziur i elektronów) nazywamy generacją termiczną par dziura-elektron.
Półprzewodniki domieszkowane powstają poprzez wprowadzenie w siec krystaliczną domieszki czyli
obcego atomu o innej wartościowości(liczbie elektronów swobodnych). Na przykładzie 4
wartościowego krzemu możemy w jego sieć krystaliczna wprowadzić atomy 3 lub 5 wartościowe.
Jeśli domieszką będzie atom trój wartościowy taki jak bor to w wiązaniach wezmą udział tylko trzy
atomy jedno wiązanie pozostanie niekompletne - powstanie dziura. Wiązanie to może zostać
uzupełnione elektronem walencyjnym z sąsiedniego atomu krzemu. Zastąpienie takie wymaga o wiele
mniej energii niż w przypadku pokonania pasma zabronionego w procesie generacji par nośników
dziura- elektron. W półprzewodniku takim dominującymi nośnikami ładunku są dziury nazywamy go
półprzewodnikiem typu p.
elektrony walencyjne
dziura która powstała z powodu braku elektronu walencyjnego w borze
Rys2. Sieć krystaliczna krzemu z domieszką boru
Analogicznie jeżeli domieszką w krzemie będzie atom pięcio wartościowy taki jak np. fosfor to w
wiązaniach wezmą udział cztery elektrony a jeden pozostanie praktycznie wolny, niezwykle słabo
powiązany z atomem. Podobnie jak w przypadku dziur taki elektron potrzebuje również mniejszej
energii aby wziąć udział w przewodnictwie elektrycznym. W półprzewodniku takim dominujące jest
przewodnictwo elektronowe nazywamy go półprzewodnikiem typu n.
elektrony walencyjne
elektron walencyjny który nie bierze udziału w wiązaniu
Rys3. Siec krystaliczna krzemu z domieszka fosforu