Corrente elétrica em semicondutores
Entre os condutores e os dielétricos, em termos de resistência, estão localizados semicondutores… Silício, germânio, telúrio, etc. — muitos elementos da tabela periódica e seus compostos pertencem a semicondutores. Muitas substâncias inorgânicas são semicondutores. O silício é mais amplo do que outros na natureza; a crosta terrestre é composta por 30% dela.
A principal diferença marcante entre semicondutores e metais está no coeficiente negativo de resistência à temperatura: quanto maior a temperatura do semicondutor, menor sua resistência elétrica. Para os metais, é o contrário: quanto maior a temperatura, maior a resistência. Se um semicondutor é resfriado até o zero absoluto, ele se torna dielétrico.
Essa dependência da condutividade do semicondutor com a temperatura mostra que a concentração taxistas gratuitos em semicondutores não é constante e aumenta com a temperatura.O mecanismo de passagem de uma corrente elétrica por um semicondutor não pode ser reduzido ao modelo de um gás de elétrons livres, como nos metais. Para entender esse mecanismo, podemos observá-lo, por exemplo, em um cristal de germânio.
No estado normal, os átomos de germânio contêm quatro elétrons de valência em sua camada externa - quatro elétrons que estão frouxamente ligados ao núcleo. Além disso, cada átomo na rede cristalina do germânio é cercado por quatro átomos vizinhos. E a ligação aqui é covalente, o que significa que é formada por pares de elétrons de valência.
Acontece que cada um dos elétrons de valência pertence a dois átomos ao mesmo tempo, e as ligações dos elétrons de valência dentro do germânio com seus átomos são mais fortes do que nos metais. É por isso que, à temperatura ambiente, os semicondutores conduzem correntes várias ordens de magnitude piores que os metais. E no zero absoluto, todos os elétrons de valência do germânio estarão ocupados em ligações e não haverá elétrons livres para fornecer a corrente.
À medida que a temperatura aumenta, alguns dos elétrons de valência ganham energia que se torna suficiente para quebrar as ligações covalentes. É assim que surgem os elétrons de condução livre. Um tipo de vacância é formado em zonas de desconexão— buracos sem elétrons.
Este buraco pode ser facilmente ocupado por um elétron de valência de um par vizinho, então o buraco se moverá para o lugar no átomo vizinho. A uma certa temperatura, um certo número dos chamados pares elétron-buraco é formado no cristal.
Ao mesmo tempo, ocorre o processo de recombinação elétron-buraco - um buraco encontrando um elétron livre restaura a ligação covalente entre os átomos em um cristal de germânio. Esses pares, constituídos por um elétron e um buraco, podem surgir em um semicondutor não apenas devido à ação da temperatura, mas também quando o semicondutor é iluminado, ou seja, devido à energia incidente sobre ele radiação eletromagnética.
Se nenhum campo elétrico externo for aplicado ao semicondutor, os elétrons livres e as lacunas se envolverão em um movimento térmico caótico. Mas quando um semicondutor é colocado em um campo elétrico externo, os elétrons e buracos começam a se mover de maneira ordenada. É assim que nasce corrente de semicondutor.
Consiste em corrente de elétrons e corrente de buraco. Em um semicondutor, a concentração de buracos e elétrons de condução são iguais. E apenas em semicondutores puros isso acontece mecanismo de condução de buraco de elétron… Esta é a condutividade elétrica intrínseca do semicondutor.
Condução de impurezas (elétrons e buracos)
Se houver impurezas no semicondutor, sua condutividade elétrica muda significativamente em comparação com o semicondutor puro. Adicionar uma impureza na forma de fósforo a um cristal de silício, em uma quantidade de 0,001 por cento atômico, aumentará a condutividade em mais de 100.000 vezes! Um efeito tão significativo de impurezas na condutividade é compreensível.
A principal condição para o crescimento da condutividade da impureza é a diferença entre a valência da impureza e a valência do elemento pai. Essa condução de impurezas é chamada condução de impurezas e pode ser um elétron e um buraco.
Um cristal de germânio começa a ter condutividade eletrônica se átomos pentavalentes, digamos, arsênico, forem introduzidos nele, enquanto a valência dos átomos de germânio em si é quatro. Quando o átomo de arsênico pentavalente está no lugar da rede cristalina do germânio, os quatro elétrons externos do átomo de arsênico estão envolvidos em ligações covalentes com quatro átomos de germânio vizinhos. O quinto elétron do átomo de arsênico fica livre, ele sai facilmente de seu átomo.
E o átomo deixado pelo elétron se transforma em um íon positivo no lugar da rede cristalina do semicondutor. Esta é a chamada impureza doadora quando a valência da impureza é maior que a valência dos átomos principais. Muitos elétrons livres aparecem aqui, e é por isso que, com a introdução de uma impureza, a resistência elétrica do semicondutor cai milhares e milhões de vezes. Um semicondutor com uma grande quantidade de impurezas adicionadas se aproxima dos metais em condutividade.
Embora os elétrons e lacunas sejam responsáveis pela condutividade intrínseca em um cristal de germânio dopado com arsênico, os elétrons que deixaram os átomos de arsênico são os principais portadores de carga livre. Em tal situação, a concentração de elétrons livres excede em muito a concentração de lacunas, e esse tipo de condutividade é chamado de condutividade eletrônica do semicondutor, e o próprio semicondutor é chamado de semicondutor do tipo n.
Se, em vez do arsênico pentavalente, o índio trivalente for adicionado ao cristal de germânio, ele formará ligações covalentes com apenas três átomos de germânio. O quarto átomo de germânio permanecerá não ligado ao átomo de índio. Mas um elétron covalente pode ser capturado por átomos de germânio vizinhos.O índio será então um íon negativo e o átomo de germânio vizinho ocupará uma vaga onde existia a ligação covalente.
Tal impureza, quando um átomo de impureza captura elétrons, é chamada de impureza aceitadora. Quando uma impureza receptora é introduzida, muitas ligações covalentes são quebradas no cristal e muitos buracos são formados nos quais os elétrons podem pular de ligações covalentes. Na ausência de corrente elétrica, os orifícios se movem aleatoriamente sobre o cristal.
Um aceptor leva a um aumento acentuado na condutividade do semicondutor devido à criação de uma abundância de lacunas, e a concentração dessas lacunas excede significativamente a concentração de elétrons da condutividade elétrica intrínseca do semicondutor. Isso é condução de buraco e o semicondutor é chamado de semicondutor tipo p. Os principais portadores de carga são buracos.