Condutividade do semicondutor

Substâncias capazes de conduzir ou não uma corrente elétrica não estão limitadas a uma divisão estrita apenas de condutores e dielétricos. Existem também semicondutores, como silício, selênio, germânio e outros minerais e ligas que merecem ser separados como um grupo separado.

Essas substâncias conduzem corrente elétrica melhor que os dielétricos, mas pior que os metais, e sua condutividade aumenta com o aumento da temperatura ou iluminação. Essa característica dos semicondutores os torna aplicáveis ​​em sensores de luz e temperatura, mas sua principal aplicação ainda é a eletrônica.

Se você olhar, por exemplo, para um cristal de silício, poderá descobrir que o silício tem valência 4, ou seja, na camada externa de seu átomo existem 4 elétrons que estão ligados a quatro átomos de silício vizinhos no cristal. Se esse cristal for afetado por calor ou luz, os elétrons de valência receberão um aumento de energia e deixarão seus átomos, tornando-se elétrons livres - um gás de elétron aparecerá no volume aberto do semicondutor - como nos metais, ou seja, ocorrerá uma condição de espera.

Mas, ao contrário dos metais, os semicondutores diferem em sua condutividade de elétrons e buracos. Por que isso está acontecendo e o que é? Quando os elétrons de valência deixam seus sítios, regiões de falta de carga negativa – “buracos” – são formadas naqueles sítios anteriores, que agora têm um excesso de carga positiva.

O elétron vizinho pulará facilmente para o «buraco» resultante e, assim que esse buraco for preenchido com o elétron que saltou para dentro dele, um buraco se forma novamente no lugar do elétron saltado.

Ou seja, verifica-se que um buraco é uma região móvel carregada positivamente de um semicondutor. E quando um semicondutor é conectado a um circuito com uma fonte EMF, os elétrons se movem para o terminal positivo da fonte e os buracos para o terminal negativo. É assim que ocorre a condutividade interna do semicondutor.

O movimento de buracos e elétrons de condução em um semicondutor sem um campo elétrico aplicado será caótico. Se um campo elétrico externo for aplicado ao cristal, os elétrons dentro dele se moverão contra o campo e os buracos se moverão ao longo do campo, ou seja, ocorrerá o fenômeno da condução interna no semicondutor, que não será apenas causados ​​por elétrons, mas também por buracos.

Em um semicondutor, a condução sempre ocorre apenas sob a influência de alguns fatores externos: devido à irradiação com fótons, do efeito da temperatura, quando campos elétricos são aplicados, etc.

O nível de Fermi em um semicondutor cai no meio do gap. A transição do elétron da banda de valência superior para a banda de condução inferior requer uma energia de ativação igual ao delta do bandgap (ver figura). E assim que um elétron aparece na banda de condução, um buraco é criado na banda de valência. Assim, a energia gasta é dividida igualmente durante a formação de um par de portadores de corrente.

Metade da energia (correspondente à metade da largura de banda) é gasta na transferência de elétrons e metade na formação de lacunas; como resultado, a origem corresponde ao meio da largura da faixa. A energia de Fermi em um semicondutor é a energia na qual elétrons e buracos são excitados. A posição que o nível de Fermi está localizado para um semicondutor no meio do gap pode ser confirmada por cálculos matemáticos, mas omitimos os cálculos matemáticos aqui.

Sob a influência de fatores externos, por exemplo, quando a temperatura aumenta, as vibrações térmicas da rede cristalina de um semicondutor levam à destruição de algumas ligações de valência, como resultado da qual alguns dos elétrons se tornam portadores de carga livres separados .

Nos semicondutores, juntamente com a formação de lacunas e elétrons, ocorre o processo de recombinação: os elétrons passam da banda de valência da banda de condução, doando sua energia à rede cristalina e emitindo quanta de radiação eletromagnética.Assim, cada temperatura corresponde à concentração de equilíbrio de buracos e elétrons, que depende da temperatura de acordo com a seguinte expressão:

Há também condutividade de impurezas de semicondutores, quando uma substância ligeiramente diferente é introduzida no cristal de um semicondutor puro que tem uma valência maior ou menor do que a substância original.

Se em puro, digamos, o mesmo silício, o número de buracos e elétrons livres é igual, ou seja, eles são formados o tempo todo em pares, então no caso de uma impureza adicionada ao silício, por exemplo, arsênico, com um valência de 5, o número de buracos será menor que o número de elétrons livres, ou seja, um semicondutor é formado com um grande número de elétrons livres, carregados negativamente, será um semicondutor tipo n (negativo). E se você misturar o índio, que tem uma valência de 3, que é menor que a do silício, haverá mais buracos – será um semicondutor do tipo p (positivo).

Agora, se colocarmos semicondutores de diferentes condutividades em contato, no ponto de contato, obteremos uma junção p-n. Os elétrons que se movem da região n e os buracos que se movem da região p começarão a se mover um para o outro e, em lados opostos do contato, haverá regiões com cargas opostas (em lados opostos da junção pn ): um positivo carga acumulará na região n e uma carga negativa na região p. As diferentes partes do cristal em relação à transição serão carregadas de forma oposta. Esta posição é muito importante para o trabalho de todos. dispositivos semicondutores.

O exemplo mais simples de tal dispositivo é um diodo semicondutor, onde apenas uma junção pn é usada, o que é suficiente para realizar a tarefa - conduzir a corrente em apenas uma direção.

Os elétrons da região n se movem em direção ao polo positivo da fonte de energia e os buracos da região p se movem em direção ao polo negativo. Cargas positivas e negativas suficientes se acumularão perto da junção, a resistência da junção diminuirá significativamente e a corrente fluirá pelo circuito.

Na conexão reversa do diodo, a corrente sairá dezenas de milhares de vezes menos, pois os elétrons e as lacunas serão simplesmente soprados por um campo elétrico em direções diferentes da junção. Este princípio funciona diodo retificador.