Semiconductori intrinseci. Semiconductori extrinseci P şi N.

În prima lecție despre semiconductori vom discuta despre materialele semiconductoare care sunt de câteva tipuri și anume semiconductori intrinseci și semiconductori extrinseci de tip P și de tip N.

Haideți să începem cu o discuție despre conducția electrică.

În primul rând, despre conducția electrică în metale, despre care am discutat în primele lecții de curente electrică continuă.

Deci, pe scurt, amintesc ideea principală din acea discuție și anume aceea că metalele sunt formate dintr-o structură cristalină

în care ionii pozitivi din nodurile rețelei sunt legați prin legături metalice, iar electronii de valență formează un gaz de electron liber.

Deci, pentru a reprezenta schematic dacă acesta ar fi metalul nostru, în interiorul său găsim o rețea cristalină în care atomii se află în nodurile rețelei

și, după cum explicăm atunci, folosim ca exemplu atomul de zinc.

Atomul de zinc are în centru un nucleu încărcat pozitiv cu pături electronice și, în particular, pe ultima și cea mai îndepărtată pătură electronică de nucleu

se află doi electroni care sunt suficient de îndepărtați încât să se poată desprinde foarte ușor de atomul de care aparțin devenind electroni liberi.

Deci, în interiorul unui metal găsim, în pozițiile din nodurile rețelei, ioni pozitivi care sunt fixați și, în tot volumul metalului, găsim acești electroni liberi

care formează un gaz mobil de electroni care, în cazul aplicării unei diferențe de potențial la capetele metalului, bineînțeles că vor forma un curent electric.

Acești electroni liberi se vor deplasa către polul pozitiv al materialului.

În felul acesta, rezistivitatea electrică a unui metal devine foarte mică.

Metalul are o capacitate foarte mică de a se opune unui curent electric, deci rezistivitatea electrică mică.

Roi este mai mic decât 10 la minus 7 omor metru și avem multe exemple de metale, cupru, fier, aluminiu, zinc și așa mai departe.

Trecând la cazul care ne interesează pe noi, cel al semiconductoarelor, avem o situație similară dar totuși, bineînțeles, diferită.

Semiconductoarele au și ele o rețea cristalină, deci o rețea similară, în care atomii neutri sunt legați prin legături covalente formate din perechi de electroni.

Deci avem o rețea cristalină, dar legăturile nu mai sunt metalice, ci legături covalente.

Vom explica imediat ce înseamnă acest lucru.

În practică există un număr mult mai mic de materiale semiconductoare comparate cu metalele, folosindu-se în principal siliciu și germaniu,

siliciu fiind semiconductorul folosit cel mai des în aplicații practice.

Haideți să discutăm un pic despre siliciu.

Siliciu are patru electroni de valență, dar acești patru electroni de valență sunt mult mai apropiați de nucleul lor, nucleul atomului de siliciu

și, în consecință, ei nu se mai pot desprinde așa ușor de atomul din care fac parte.

Deci asta ar fi prima diferență între un semiconductor și un metal.

Electronii de valență nu mai pot părăsi așa ușor atomul.

Și atunci ei participă în așa numite legături covalente cu atomii din prejur.

În particular, atomul de siliciu formează o rețea cristalină tetraedrică,

deci formează un tetraedru,

Pentru a reprezenta schematic, situația arată în felul următor.

Deci avem atomii de siliciu și reprezintă aici nucleele lor.

Aceasta este rețea cristalină de siliciu reprezentată foarte schematic.

Și, de exemplu, dacă considerăm atomul de siliciu din centru,

El va avea patru electroni liberi pe care îi va împărți câte unul cu cei patru atomi învecinați din rețea.

Deci se va forma această jumătate de legătură, dacă doriți, cu acești atomi de siliciu,

pentru că cealaltă parte a legăturii covalente va fi prin împărțirea unui electron de la celălalt atom.

Deci, spre exemplu, dintre acești doi atomi de siliciu se va forma o legătură covalentă formată din doi electroni,

unul aparținând original atomului din stânga, celălalt atomului din dreapta.

Deci vom avea doi electroni.

Și același lucru se va întâmpla cu toți atomii învecinați.

Aceste legături sunt legăturile covalente între atomii de siliciu în rețeaua cristalină.

În felul acesta, fiecare atom va avea, de fapt, în final, câte 8,

un număr dublu de electroni în pătura electronică cea mai îndepărtată.

Aceste legături, bineînțeles, se formează între toți atomii.

Nu le mai desenesc chiar pe toate, dar avem astfel de legături duble între toți atomii din rețea.

În mod normal, această structură nu este o structură conductoare electrică.

Acești electroni sunt fixați în aceste legături covalente.

Totuși, dacă materialul absorbe o cantitate de energie din exterior, de la o numită sursă,

de obicei termică, dar există alte modalități, precum o sursă electrică de energie,

deci, dacă ce dăm energie acestui material, se pot forma așa numitele perechi electroni gol.

Ce înseamnă aceasta?

Cedând energie rețelei cristaline, aceasta intră în vibrație,

atomii din nodurile rețelei intră în vibrație și atunci,

unii electroni din aceste legături covalente se pot desprinde.

Spre exemplu, acest electron, am ales unul la întâmplare,

se desprinde de legătura lui covalentă, devenind electron liber.

Acest electron liber, care are sarce negativă, devine baza conductivității acestui semiconductor.

Pentru că, din nou, dacă aplicăm o polarizare folosind un generator de curent continuu, spre exemplu,

acestui material, bineînțeles că el, fiind liber, se va deplasa către polul pozitiv,

generând un curent electric.

În plus, și aceasta este o a doua diferență esențială între semiconductor și metale,

acest loc liber, lăsat de electronul ce a plecat din legătura covalentă,

se numește gol.

Voi scrie aici gol.

Este un gol în rețea.

Un gol de sarcină negativă devine și se comportă, din punct de vedere al conductivității electrice,

ca o sarcină pozitivă.

Și bineînțeles că, aplicând această polarizare materialului, golurile se vor deplasa în sensul opus.

Deci, într-un semiconductor avem două tipuri de curent electric.

Curentul electric al electronilor deveniți mobili care sunt sarcini negative și se deplasează către polul pozitiv

și curentul electric al golurilor, care sunt sarcini pozitive, se comportă ca și sarcini pozitive

și se deplasează către polul negativ.

Cum anume se deplasează?

Foarte simplu, prin înlocuirea golului cu un electron fix.

Deci, acest electron, spre exemplu, care este fix în legătura lui covalentă,

poate sări în atom în locul golului, umplând golul.

Bineînțeles, în momentul acela, obținem golul în partea dreaptă.

În felul acesta, golul s-a mișcat în sensul stabilit de polarizarea negativă a materialului.

Nu vom mai discuta mult despre semiconductorii intriseci, pentru că nu ei sunt cei mai folosiți în aplicațiile practice.

Există un al doilea tip de semiconductori, numiți semiconductori extrinseci,

care sunt cei care au proprietăți mai interesante și deci folosiți mai des în aplicațiile practice.

Deci, haideți să discutăm despre semiconductorii extrinseci.

Semiconductorii extrinseci sunt pur și simplu semiconductorii intrinseci

care li s-au adăugat anumite impurități, anumiți atomi cu proprietăți alese în mod specific

pentru a crește conductivitatea semiconductorului.

Deci, în semiconductorii extrinseci, aceste perechi electron-gol despre care am discutat

se formează în special prin doparea semiconductorului intrinsec cu impurități.

Haideți să vedem cum se întâmplă acest lucru.

Există două feluri de a dopa cu impurități un semiconductor intrinsec.

Prima este aceea în care se folosesc impurități donoare,

care au mai mulți electroni decât atomul de bază al semiconductorului intrinsec, siliciu în cazul nostru.

Și se formează în felul acesta un semiconductor de tip N sau negativ.

În particular, spre exemplu, după cum am spus, semiconductorul intrinsec cel mai folosit este siliciu.

Siliciu are patru electroni și ce facem este următorul lucru.

Înlocuim în rățeaua cristalină de siliciu, din loc în loc, un atom de siliciu cu unul de arseniu.

Arseniul are cinci electroni și atunci ce se va întâmpla

este că în rățeaua cristalină despre care vorbeam,

în care avem atom de siliciu,

deci siliciu, siliciu, siliciu,

la un moment dat, într-un nod ale țenei, vom avea acest arseniu.

Legăturile covalente vor fi aceleași,

deci vor apărea legături cu o pereche de doi electroni,

dar în nodul în care avem arseniu,

deoarece acesta are cinci electroni în loc de patru,

va rămâne un electron liber, bineînțeles.

Acest electron liber, care nu mai poate participa într-o legătură covalentă cu atomii înconjurători sau vecini de siliciu,

deoarece aceștia nu mai au electroni care să se potrivească cu acest electron,

deci acest electron atunci va fi liber, nu va mai putea participa într-o legătură covalentă

și bineînțeles că el va forma baza unei creșteri a conductivității de tip negativ.

Electronii au sacină negativă, deci când vom aplica o polarizare materialului,

ei se vor mișca către polul pozitiv al materialului.

De la acest motiv, acest tip de semiconductori extrinsec,

dopat cu arseniu, siliciu dopat cu arseniu,

are o conductivitate a electronilor sporită,

și deci o conductivitate electrică generală sporită,

și ei se numesc semiconductori de tip N.

N, bineînțeles, de la negativ, pentru că avem o sursă

suplimentară de sacini mobile negativ.

Bineînțeles că putem și avem mecanismul de tip electron gol

de conductivitate specific conductorilor intrinseci.

Deci, într-un conductor extrinsec, pe lângă

conductivitatea de bază a semiconductorilor intrinseci,

avem o nouă sursă de conductivitate a acești electroni liberi,

în cazul semiconductorilor de tip N.

În cazul semiconductorilor de tip P,

vom folosi impurități acceptoare,

care au mai puțini electroni, deci,

și care formează semiconductori pozitivi sau de tip P.

În practică, spre exemplu, siliciul este dopat cu atom de galiu.

Siliciul are patru electroni și alegem galiu

pentru că el are trei electroni de valență.

Și, în consecință, ce se va întâmpla este că în aceeași rețea

cristalină a atomilor de siliciu

va apărea, la un moment dat, într-un anumit nod,

un atom de galiu. Și atunci,

legăturile covalente între atomii de siliciu

vor conține aceeași pereche de electroni,

dar, la un moment dat, când se întâlnește atomul de galiu,

acesta are un electron în minus.

Deci va forma trei legături covalente complete cu atomii de siliciu,

dar cu al patrulea atom de siliciu

nu va mai avea electronul necesar

pentru a forma legătura covalentă.

Deci, în una din patru legături covalente ale atomului de galiu

se va forma un gol,

adică o lipsă de electron într-o legătură covalentă.

Golul, după cum am explicat când am discutat despre semiconductorii intrinseci,

se comportă ca o sarcină pozitivă

din punct de vedere al conducției electrice.

Și, din nou, dacă aplicăm o polarizare acestui material,

el se va deplasa către polul negativ,

în felul acesta dând naștere unei conductivități

suplimentare a materialului.

Sarcină adițională adusă de această impuritate,

adică electronul în cazul semiconductorului de tip P

sau golul în cazul semiconductorului de tip N,

scade foarte mult rezistivitatea semiconductorului

cu trei ordine de magnitude.

Deci, după adăugarea sau impurificarea semiconductorului intrinsec,

formând astfel un semiconductor extrinsec,

capacitatea de a conduce curentul electric crește

cu factori de ordinul 1000.

Acesta este motivul pentru care

semiconductorii extrinseci sunt mult mai des folosiți în aplicare.