Puslaidininkiai

Elektrinis laidumas

Elektronas – elementari dalelė, kurios ramybės masė m = 9,1*10^-31 kg, o elementarusis neigiamas krūvis q = 1,6*10^-19 C. Elektronų skaičius, esant normaliai būsenai, lygus protonų skaičiui branduolyje. Neigiamas elektronų krūvis atome kompensuojamas branduolį sudarančių protonų teigiamu krūviu, todėl atomas yra elektriškai neutralus.

Elektronai atome juda tam tikromis tiksliai apibrėžtomis orbitomis. Išorinėmis orbitomis skriejantys elektronai vadinami valentiniais elektronais. Valentinių elektronų ryšys su branduoliu yra silpniausias, nes jie toliausiai nutolę nuo branduolio.

Remiantis kvantinės mechanikos dėsniais, elektronui gali būti suteiktas tam tikras energijos kiekis. Padidėjus energijai, elektronas gali pereiti į kitą, tolimesnę skridimo trajektoriją. Grįždamas į ankstesnę trajektoriją, elektronas išspinduliuoja tam tikrą energijos kvantą.

Puslaidininkių ypatybės

Puslaidininkiais vadinami elementai arba junginiai, kurių specifinės varžos reikšmės yra laidininkų ir izoliatorių. (nuo 10^-4 iki 10⁺¹² Ωcm). Prie puslaidininkių priskiriami šie cheminiai elementai: germanis, silicis, boras, fosforas, arsenas, stibis, siera, selenas, telūras ir cheminiai junginiai: galio arsenidas, indžio fosfatas, ir t. t.

Puslaidininkių tinkamumą puslaidininkinių komponentų gamybai lemia:

• Medžiaga turi būti kietas kūnas;
• Temperatūrų diapazone turi turėti tam tikrą specifinę varžą.

Elektronikoje naudojami išgryninti puslaidininkiai, ir tai yra viena iš problemų, nes puslaidininkiai labai aktyvūs ir nors gamtoje labai paplitę, bet nebūna gryno pavidalo, todėl naudojimui paruošti puslaidininkius yra labai brangu.

Tarp puslaidininkių ir dielektrikų nėra ryškios ribos, kadangi puslaidininkių laidumas labai priklauso nuo laisvųjų krūvininkų tankio ir nuo temperatūros. Žemoje temperatūroje išgryninti puslaidininkiai ir dielektrikai turi mažai laisvųjų elektronų – varža didelė. Keliant temperatūrą laisvųjų elektronų daugėja – varža mažėja. Varžos mažėjimas keliant temperatūrą vadinamas neigiamu temperatūriniu varžos koeficientu.

Puslaidininkio kristalinės gardelės sandara

Silicis turi 14 elektronų trijuose sluoksniuose (1 pav. dešinėje). Dviejų vidinių sluoksnių elektronai yra tvirtai susiję su atomo branduoliu ir cheminėse reakcijose nedalyvauja. Išorinio sluoksnio elektronai – silpnai susiję su atomo branduoliu, jie vadinami valentiniais elektronais.

1 pav. Germanio ir silicio atomų struktūra

Silicio kristalinė gardelė (2 pav.) yra tokia pat kaip deimanto – tetraedrinė. Kiekvienas atomas vienodu atstumu nutolęs nuo keturių kitų silicio atomų ir sujungtas su kitu atomu dviem valentiniais ryšiais.

2 pav. Silicio kristalinės gardelės modelis

Kristalas, kurio visi atomai yra susieti dviem valentiniais ryšiais, vadinamas idealiu kristalu. Tokių kristalų gamtoje nepasitaiko. Jie gali būti sukuriami tik taikant specialias technologijas. Silicio kristalams gaminti paprastai naudojamas silicio dioksidas randamas gamtoje.

Grynieji puslaidininkiai ir jų krūvininkai

Grynaisiais vadinami puslaidininkiai be priemaišų. Absoliutaus nulio temperatūroje puslaidininkiai yra nelaidūs – izoliatoriai. Laisvųjų elektronų nėra, nes atomų valentiniai elektronai yra susiję kovalentiniais ryšiais.

Kylant temperatūrai, intensyvėja kristalo atomų šiluminiai virpesiai ir elektronai gali įgyti papildomos energijos. Kai valentinio elektrono energija tampa didesnė už kovalentinio ryšio energiją, elektronas nutraukia ryšį ir tampa laisvuoju elektronu – laidumo elektronu. Laisvasis elektronas gali laisvai judėti erdvėje tarp kristalą sudarančių atomų. Ten kur elektronas nutraukia ryšį, lieka vakansija ir teigiamas nesukompensuotas krūvis, valentinis ryšys neužpildytas. Tokia būsena vadinama skyle. Atomas, praradęs elektroną ir įgijęs skylę, tampa teigiamu jonu. Vakansiją, arba skylę, gali užimti gretimo atomo elektronas. Elektroną atidavęs atomas tampa teigimu jonu. Toks valentinių elektronų judėjimas tolygus teigimą krūvį turinčios vakansijos – skylės judėjimui.

Esant tai pačiai temperatūrai, grynasis germanio puslaidininkis turi daugiau laisvųjų elektronų ir yra laidesnis už silicio puslaidininkį.

Krūvininkų generacija ir rekombinacija

Laisvųjų krūvininkų atsiradimas vadinamas krūvininkų generacija. Laisvųjų krūvininkų generacijai sukelti reikalinga energija, todėl išskiriami šie generacijos tipai:

• Šiluminė generacija;
• Smūginė generacija (kristalui suteikiama kinetinė energija);
• Generacija lauku (naudojama elektrinio lauko energija);
• Šviesos generacija (fotonų energija arba spinduliuojama šviesa).

Laisvųjų krūvininkų generavimą visada lydi priešingas procesas rekombinacija – krūvininkų grįžimas į susieties būseną. Rekombinacijos metu išsiskiria energija. Rekombinacija gali būti spinduliuojamoji ir nespinduliuojamoji. Spinduliuojamosios rekombinacijos atveju energija išsiskiria šviesos pavidalu, nespinduliuojamosios atveju išsiskyrusi energija perduodama kristalinei gardelei ir ši įšyla.

Savasis laidumas

Kai aplinkos temperatūra T>0 K, dėl šiluminės energijos atomo kristalinės gardelės mazgai ir juose esantys elektronai pradeda judėti apie savo ramybės padėtį. Kristalinės gardelės mechaninės jėgos nebepajėgia išlaikyti elektronų. Jei šiluminė energija yra didesnė už vidinio ryši energiją, kai kurie elektronai nutraukia kovalentinį ryšį ir pasidaro laisvi. Kambario temperatūroje tik labai maža dalis elektronų pajėgia nutraukti ryšius, todėl puslaidininkio savybės labai artimos izoliatoriams. Išsilaisvinę elektronai chaotiškai juda kristalinėje gardelėje.

Paveikus išoriniam laukui, puslaidininkyje laisvieji neigiamo krūvio elektronai keliauja prieš lauko linijų kryptį, o skylės juda išorinio pridėto lauko kryptimi. Elektronų judėjimas tam tikra apibrėžta kryptimi atitinka krūvio pernešimą ir reiškia elektroninę srovę.

Grynojo puslaidininkio savąjį laidumą galima padidinti stiprinant išorinį lauką arba kaitinant puslaidininkį. Pagrindinių puslaidininkinių komponentų veikimo principas pagrįstas pakeičiant savąjį puslaidininkio laidumą. Ruošiant puslaidininkį, siekiama panaudoti medžiagas, leidžiančias dirbti esant aukštesnei temperatūrai. Šiuo atveju silicis pranašesnis už germanį.

Priemaišinis laidumas

Puslaidininkiniuose komponentuose grynieji puslaidininkiai naudojami labai retai. Dažniausiai naudojamos puslaidininkinės medžiagos, kuriose vyrauja vieni iš dviejų – elektronų arba skylių krūvininkai. Tam į gryną puslaidininkinę medžiagą įvedama specialių priemaišų – puslaidininkis legiruojamas (it. leggera – lengvas). Priemaišiniai arba legiruotieji puslaidininkiai gaunami įvairiais būdais:

• difuzijos,
• jonų implantavimo,
• epitaksijos (monokristalo sluoksnio auginimas kito monokristalo paviršiuje, kontroliuojant elektronų laidumą).

N puslaidininkis

N laidumo puslaidininkis (N puslaidininkis) gaunamas į keturvalenčio silicio kristalinę gardelę įterpus penkiavalentę medžiagą iš (periodinės lentelės penktosios grupės). Tai galėtų būti fosforas (P), arsenas (As) arba stibis (Sb). Stibio atomas užima silicio atomo vietą (3 pav.) ir su keturiais silicio atomais sudaro kovalentinius ryšius. Šiame darinyje penktasis stibio elektronas kovalentiniuose ryšiuose nedalyvauja. Jo ryšys su atomu silpnas. Įgijęs nedaug papildomos energijos, penktasis elektronas atitrūksta nuo priemaišos atomo ir tampa laidumo elektronu, Teigiamas stibio jonas lieka kristalinėje gardelėje.

.

3 pav. Laisvųjų elektronų atsiradimas N puslaidininkyje

Įterpiant į silicį stibio, puslaidininkyje atsiranda papildomų elektronų, kurie vadinami donoriniais elektronais. Donorinių elektronų išlaisvinimo energija yra gerokai mažesnė už savųjų puslaidininkio elektronų išlaisvinimo energiją. Puslaidininkiai, kurių priemaišos yra penktosios grupės elementai, yra vadinami donoriniais arba N puslaidininkiais. N puslaidininkyje elektronai yra pagrindiniai krūvininkai, skylės – šalutiniai krūvininkai.

P puslaidininkis

Įterpus į kristalinę gardelę trivalenčių priemaišų, pvz. boro (B), indžio (In) arba galio (Ga), gaunamas akceptorinis laidumas. Akceptoriaus atomas užima silicio atomo vietą (4 pav.) ir sudaro kovalentinius ryšius tik su trimis gretimais silicio atomais – trūksta vieno valentinio elektrono ir galima sakyti, kad toje vietoje yra skylė.

4 pav. Skylių susidarymas P puslaidininkyje

Gretimas elektronas, būdamas valentinėje srityje, dėl kristalinės gardelės šiluminių virpesių gali palikti savo vietą ir užimti trūkstamą ryšį. Šitaip keliauja skylė valentinėje srityje ir kaip laisvas krūvininkas gali dalyvauti pernešant krūvį. Elektrinis laidumas čia susijęs pirmiausia su teigiamu krūviu – skylėmis, todėl toks puslaidininkis vadinamas akceptoriniu arba P puslaidininkiu. P puslaidininkyje skylės yra pagrindiniai krūvininkai, elektronai – šalutiniai krūvininkai. Kadangi priemaišiniai atomai yra paimami iš trečiosios grupės elementų, šie elementai yra vadinami akceptoriais.

Pertekliniai krūvininkai

 Puslaidininkyje tuo pat metu vyksta du procesai: krūvininkų generacija ir rekombinacija. Esant tam tikrai temperatūrai, krūvininkų tankiai nekinta, nes generacijos ir rekombinacijos greičiai yra vienodi. Šiluminiai procesai kietuose kūnuose yra inertiški, todėl, kintant temperatūrai, šiluminės generacijos ir rekombinacijos procesai spėja pasidaryti pusiausviri.

Puslaidininkį gali veikti pašalinis išorinis poveikis: greitas lokalinis kaitinimas, šviesa, išorinis elektrinis laukas, bombardavimas dalelėmis. Toks poveikis sukels apibrėžtame puslaidininkio tūryje intensyvią laisvųjų krūvininkų arba perteklinių krūvininkų generaciją. Susidarant pertekliniams elektronams, išorinio žadinimo energija perduodama valentiniams elektronams, kristalinės gardelės energija praktiškai nepakinta.

Pertekliniai krūvininkai atsiranda yrant kovalentiniams ryšiams. Perteklinių elektronų ir skylių tankiai būna vienodi.

Pasibaigus išoriniam poveikiui, prasidės pusiausvyros atgavimo procesas. Dėl perteklinių krūvių rekombinacijos, jų tankis mažės pagal eksponentinį dėsnį. Jei analizuojamas N tipo puslaidininkis, tai elektronų tankis pasikeičia mažai, nes

$n_n \gg \Delta n_0$,

o skylių tankis pasikeičia labai, nes

$p_n \ll \Delta p_0$.

Puslaidininkinių komponentų veikimo sparta priklauso nuo šalutinių krūvininkų gyvavimo trukmės. Krūvininko gyvavimo trukme vadinamas statistinis laikas, kurį krūvininkas yra laisvos būsenos. Gyvavimo trukmė sąlygojama tikimybės, kad krūvininkas sutiks priešingo ženklo krūvininką.

Krūvininkų dreifas

Kai neveikia išorinis laukas, laisvieji krūvininkai puslaidininkio kristale juda chaotiškai. Jei T>0 K ir puslaidininkyje sukurtas laukas E, tai šalia chaotiško krūvininkų judėjimo atsiras ir kryptingas krūvininkų judėjimas. Elektronai judės priešinga lauko vektoriaus E kryptimi, skylės judės lauko jėgų kryptimi. Tvarkingas krūvininkų judėjimas, sukeltas elektrino lauko, vadinamas krūvininkų dreifu. Šis judėjimas sąlygoja krūvio pernešimą. Krūvininkų dreifo sukelta elektros srovė vadinama dreifo srove.

Puslaidininkių krūvininkų judrumas priklauso nuo priemaišų tankio ir temperatūros. Kylant temperatūrai, krūvininkų judrumas grynajame puslaidininkyje mažėja. Priemaišiniame puslaidininkyje, kylant temperatūrai, žemų temperatūrų srityje krūvininkų judrumas didėja, o aukštų temperatūrų srityje – mažėja. Elektronų ir skylių judrumas nevienodas. Silicio elektronų judrumas beveik tris kartus didesnis už skylių judrumą.

Priemaišinio puslaidininkio savitąjį laidumą lemia pagrindinių krūvininkų judrumas, tankis ir temperatūra.

Krūvininkų difuzija