กระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ

ระหว่างตัวนำและอิเล็กทริกในแง่ของความต้านทานตั้งอยู่ สารกึ่งตัวนำ… ซิลิคอน เจอร์เมเนียม เทลลูเรียม ฯลฯ — ธาตุหลายชนิดในตารางธาตุและสารประกอบเป็นของสารกึ่งตัวนำ สารอนินทรีย์หลายชนิดเป็นสารกึ่งตัวนำ ซิลิคอนกว้างกว่าชนิดอื่นในธรรมชาติ เปลือกโลกประกอบด้วย 30% ของมัน

ความแตกต่างหลักที่โดดเด่นระหว่างสารกึ่งตัวนำและโลหะอยู่ที่ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบของความต้านทาน ยิ่งอุณหภูมิของสารกึ่งตัวนำสูงเท่าใด ความต้านทานไฟฟ้าก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น สำหรับโลหะนั้นตรงกันข้าม: ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้นเท่าใดความต้านทานก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หากสารกึ่งตัวนำถูกทำให้เย็นลงจนถึงศูนย์สัมบูรณ์ สารกึ่งตัวนำจะกลายเป็น อิเล็กทริก.

อุณหภูมิที่สูงขึ้น — ความต้านทานต่ำ

การพึ่งพาการนำสารกึ่งตัวนำกับอุณหภูมินี้แสดงให้เห็นว่าความเข้มข้น คนขับแท็กซี่ฟรี ในสารกึ่งตัวนำจะไม่คงที่และเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิกลไกการผ่านของกระแสไฟฟ้าผ่านเซมิคอนดักเตอร์ไม่สามารถลดลงเป็นแบบจำลองของก๊าซอิเล็กตรอนอิสระได้เช่นเดียวกับในโลหะ เพื่อให้เข้าใจถึงกลไกนี้ เราสามารถดูตัวอย่างได้จากผลึกเจอร์เมเนียม

ในสภาวะปกติ อะตอมของเจอร์เมเนียมประกอบด้วยเวเลนต์อิเล็กตรอนสี่ตัวในเปลือกนอก ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนสี่ตัวที่จับกับนิวเคลียสอย่างหลวมๆ นอกจากนี้ แต่ละอะตอมในโครงผลึกเจอร์เมเนียมยังล้อมรอบด้วยอะตอมข้างเคียงสี่อะตอม และพันธะตรงนี้คือโควาเลนต์ ซึ่งหมายความว่ามันเกิดจากคู่เวเลนซ์อิเล็กตรอน

ปรากฎว่าวาเลนซ์อิเล็กตรอนแต่ละตัวเป็นของสองอะตอมในเวลาเดียวกัน และพันธะของเวเลนซ์อิเล็กตรอนภายในเจอร์เมเนียมกับอะตอมนั้นแข็งแกร่งกว่าโลหะ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไม ที่อุณหภูมิห้อง สารกึ่งตัวนำนำกระแสไฟฟ้าได้แย่กว่าโลหะหลายลำดับ และที่ศูนย์สัมบูรณ์ เวเลนซ์อิเล็กตรอนทั้งหมดของเจอร์เมเนียมจะถูกยึดไว้ในพันธะ และจะไม่มีอิเล็กตรอนอิสระให้กระแสไฟฟ้า

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เวเลนซ์อิเล็กตรอนบางตัวจะได้รับพลังงานที่เพียงพอในการสลายพันธะโควาเลนต์ นี่คือวิธีที่อิเลคตรอนนำไฟฟ้าอิสระเกิดขึ้น ตำแหน่งว่างประเภทหนึ่งเกิดขึ้นในเขตขาดการเชื่อมต่อ— หลุมที่ไม่มีอิเล็กตรอน.

รูนี้สามารถถูกครอบครองโดยเวเลนซ์อิเล็กตรอนจากคู่ข้างเคียงได้อย่างง่ายดาย จากนั้นรูจะเคลื่อนเข้าสู่ตำแหน่งที่อะตอมข้างเคียง ที่อุณหภูมิหนึ่ง ผลึกจะมีคู่อิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งเกิดขึ้น

ในเวลาเดียวกัน กระบวนการของการรวมตัวกันของรูอิเล็กตรอนเกิดขึ้น - รูที่พบกับอิเล็กตรอนอิสระจะคืนค่าพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมในผลึกเจอร์เมเนียม คู่ดังกล่าวซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนและโฮลสามารถเกิดขึ้นได้ในเซมิคอนดักเตอร์ ไม่เพียงแต่เกิดจากการกระทำของอุณหภูมิเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเมื่อเซมิคอนดักเตอร์สว่างขึ้น นั่นคือเนื่องจากเหตุการณ์พลังงานที่เกิดขึ้น รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า.

หากไม่มีการใช้สนามไฟฟ้าภายนอกกับเซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กตรอนอิสระและโฮลจะมีการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่วุ่นวาย แต่เมื่อวางสารกึ่งตัวนำในสนามไฟฟ้าภายนอก อิเล็กตรอนและโฮลจะเริ่มเคลื่อนที่ในลักษณะที่เป็นระเบียบ เกิดมาเป็นอย่างนั้น กระแสสารกึ่งตัวนำ.

ประกอบด้วยกระแสอิเล็กตรอนและกระแสโฮล ในเซมิคอนดักเตอร์ ความเข้มข้นของโฮลและอิเลคตรอนนำไฟฟ้าจะเท่ากัน และเฉพาะในเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์เท่านั้นที่ทำได้ กลไกการนำอิเล็กตรอนของโฮล… นี่คือค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงของสารกึ่งตัวนำ

การนำสิ่งเจือปน (อิเล็กตรอนและรู)

หากมีสิ่งเจือปนในเซมิคอนดักเตอร์ ค่าการนำไฟฟ้าจะเปลี่ยนไปอย่างมากเมื่อเทียบกับเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์ การเติมสิ่งเจือปนในรูปของฟอสฟอรัสลงในผลึกซิลิกอนในปริมาณ 0.001 เปอร์เซ็นต์อะตอม จะเพิ่มการนำไฟฟ้าได้มากกว่า 100,000 เท่า! ผลกระทบที่มีนัยสำคัญของสิ่งเจือปนที่มีต่อการนำไฟฟ้าเป็นสิ่งที่เข้าใจได้

เงื่อนไขหลักสำหรับการเติบโตของการนำสิ่งเจือปนคือความแตกต่างระหว่างความจุของสิ่งเจือปนและความจุขององค์ประกอบหลัก เรียกสิ่งเจือปนดังกล่าวว่า การนำสิ่งเจือปนและสามารถเป็นอิเล็กตรอนและโฮลได้

ผลึกเจอร์เมเนียมเริ่มมีความนำไฟฟ้าได้หากนำอะตอมเพนทาวาเลนต์ (เช่น สารหนู) เข้ามาในขณะที่อะตอมของเจอร์เมเนียมมีค่าเท่ากับสี่ เมื่ออะตอมของสารหนูเพนทาวาเลนต์มาแทนที่โครงตาข่ายผลึกเจอร์เมเนียม อิเล็กตรอนชั้นนอกทั้งสี่ของอะตอมของสารหนูจะเกี่ยวข้องกับพันธะโควาเลนต์กับอะตอมของเจอร์เมเนียมที่อยู่ใกล้เคียงสี่อะตอม อิเล็กตรอนตัวที่ 5 ของอะตอมของสารหนูจะเป็นอิสระ มันหลุดออกจากอะตอมของมันอย่างง่ายดาย

และอะตอมที่อิเล็กตรอนทิ้งไว้จะเปลี่ยนเป็นไอออนบวกแทนที่โครงผลึกของสารกึ่งตัวนำ สิ่งนี้เรียกว่าสิ่งเจือปนของผู้บริจาคเมื่อความจุของสิ่งเจือปนมากกว่าความจุของอะตอมหลัก อิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากปรากฏขึ้นที่นี่ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเมื่อมีสิ่งเจือปนเข้ามา ความต้านทานไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จึงลดลงเป็นพันๆ ล้านครั้ง สารกึ่งตัวนำที่มีสารเจือปนจำนวนมากจะเข้าใกล้โลหะในการนำไฟฟ้า

แม้ว่าอิเล็กตรอนและโฮลมีหน้าที่ในการนำไฟฟ้าภายในของผลึกเจอร์เมเนียมที่เจือด้วยสารหนู แต่อิเล็กตรอนที่ออกจากอะตอมของสารหนูเป็นตัวพาประจุอิสระหลัก ในสถานการณ์เช่นนี้ ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระจะมากกว่าความเข้มข้นของรูอย่างมาก และค่าการนำไฟฟ้าประเภทนี้เรียกว่าค่าการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำอิเล็กทรอนิกส์ และสารกึ่งตัวนำเองเรียกว่าสารกึ่งตัวนำชนิด n

ถ้าแทนที่จะใส่สารหนูเพนทาวาเลนต์ อินเดียมไตรวาเลนต์ถูกเติมลงในผลึกเจอร์เมเนียม มันจะสร้างพันธะโควาเลนต์ที่มีอะตอมของเจอร์เมเนียมเพียงสามอะตอม อะตอมของเจอร์เมเนียมตัวที่สี่จะยังคงไม่ถูกผูกมัดกับอะตอมของอินเดียม แต่อะตอมของเจอร์เมเนียมที่อยู่ใกล้เคียงสามารถจับอิเล็กตรอนโควาเลนต์ได้จากนั้นอินเดียมจะกลายเป็นไอออนลบ และอะตอมของเจอร์เมเนียมที่อยู่ใกล้เคียงจะครอบครองพื้นที่ว่างซึ่งมีพันธะโควาเลนต์อยู่

สิ่งเจือปนดังกล่าวเมื่ออะตอมของสิ่งเจือปนจับอิเล็กตรอนเรียกว่าสิ่งเจือปนที่รับ เมื่อมีสิ่งเจือปนในตัวรับเข้ามา พันธะโควาเลนต์จำนวนมากจะแตกในผลึก และเกิดเป็นรูจำนวนมากที่อิเล็กตรอนสามารถกระโดดจากพันธะโควาเลนต์ได้ ในกรณีที่ไม่มีกระแสไฟฟ้า รูจะเคลื่อนที่แบบสุ่มเหนือคริสตัล

ตัวรับทำให้ค่าการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากการสร้างรูจำนวนมาก และความเข้มข้นของรูเหล่านี้มีค่ามากกว่าความเข้มข้นของอิเล็กตรอนของสภาพการนำไฟฟ้าภายในของสารกึ่งตัวนำอย่างมีนัยสำคัญ นี่คือการนำไฟฟ้าในรูและสารกึ่งตัวนำเรียกว่าสารกึ่งตัวนำชนิด p ผู้ให้บริการชาร์จหลักในนั้นเป็นรู