PUSLAIDININKINES MEDZIAGOS

Puslaidininkiai – tai tokios medžiagos, kurių specifinė varža yra nuo
10-5 Ω . m iki 10 -8Ω ir kuri, kylant temperatūrai, smarkiai mažėja
(priešingai negu laidininkų) 1 paveiksle parodyta D. Mendelejevo periodinės
sistemos puslaidininkių grupė. Cheminio elemento viršuje esantis skaičius
yra elemento eilės numeris, o dešinėje apačioje – puslaidininkio
aktyvacijos energija elektronvoltais. Prie puslaidininkių priskiriama ir
labai daug junginių, pavyzdžiui: SiC, Cu2O, PbS, CdSe, ir t.t.
puslaidininkių specifinė varža, taigi specifinis laidumas labai priklauso
nuo išorinių sąlygų: temperatūros, apšviestumo, elektrinio ir magnetinio
laukų.

Grynųjų puslaidininkių savasis elektrinis laidumas gali būti
dvejopas: elektroninis arba skylinis.

Germanio ir Silicio kristaluose gretimų atomų eelektronai sudaro
kovalentinius
ryšius. 2 paveiksle juodi skritulėliai yra valentiniai elektronai o linijos
– kovalentiniai ryšiai. Minėtuose grynuose kristaluose 0 κ temperatūroje
valentinė juosta yra visiškai užpildyta, o laidumo juosta visiškai tuščia (
3 pav.). Toks puslaidininkis yra izoliatorius. Kai temperatūra aukštesnė
kaip 0 κ, dėl atomų šiluminio judėjimo kai kurie valentiniai elektronai,
gavę energijos kiekį, lygų draustinės juostos pločiui, gali peršokti iš
valentinės į laidumo juostą, palikdami valentinėje juostoje laisvą vietą ,
vadinamąją skylę. Įnešus tokį puslaidininkį į elektrinį lauką, laidumo
juostoje elektronai judės iš vieno energijos lygmens į kitą prieš
elektrinio lauko jėgų kryptį. Ši elektronų sudėjimo savybė ir ssudaro
elektroninį arba n tipo laidumą. Valentinėje juostoje susidariusios skylės
pasižymi teigiamo krūvio pertekliumi, nes prieš peršokant elektronams į
teigiamą juostą tuos vietos buvo neutralios. Vadinasi, skylės krūvis yra
teigiamas ir skaitine verte yra lygus elektrono krūviui. Veikiant
elektriniam laukiui, į skylę gali pereiti elektronas, o sk

kylė pasislinkti į
jo vietą. Jos užleidžia vieta prieš elektrinį lauką valentinėje juostoje
judantiems elektronams, o pačios slenka elektrinio lauko kryptimi tartum
perneša teigiama krūvį ir sudaro elektros srovę. Sykiu judėjimo valentinėje
juostoje yra vadinama skyliniu, arba p tipo laidumu. Toks grynųjų
puslaidininkių elektroninis skylinis laidumas vadinamas savuoju laidumu.

Dažnai puslaidininkiuose vyksta atvirkščias procesas – rekombinacija.
Šiuo atveju elektronai peršoka iš laidumo juostos į valentinėje juostoje
laisvą vietą – skylę. Tuo būdu elektronas neutralizuoja skylės teigiamą
krūvį ir dalyvauja tarpatominiame ryšyje. Rekombinacijos procesas mažina
puslaidininkio laidumą.

Visiškai grynų, be priemaišų ir defektų, puslaidininkių gamtoje nėra.
O ir dirbtiniu būdu jų nepavyksta pagaminti. Kai kurios nedidelės
koncentracijos priemaišos gerokai padidina puslaidininkių elektrinį
laidumą, kuris šiuo atveju vadinamas priemaišiniu elektriniu laidumu.
Priemaišomis vadiname kitų cheminių elementų atomus. Elektriniuose
priemaišiniuose puslaidininkiuose priemaišos atomams sudarius ryšį su
puslaidininkio atomais, lieka nesurištų elektronų. Pavyzdžiui, jeigu vvieną
germanio atomą pakeisime penkiavalenčio fosforo atomu, tai priemaišos atomo
4 valentiniai elektronai bus surišti su gretimais germanio atomais, o
penktasis elektronas valentiniame ryšyje nedalyvaus, jis bus silpniau
surištas su branduoliu ir galės lengviau pereiti į laidumo juostą. Šis
priemaišos atomų penktųjų elektronų energijos lygmuo yra draustinėje
juostoje arčiau laidumo juostos apatinės dalies. ir vadinamas donoriniu
lygmeniu, o tokie priemaišos atomai vadinami donoriniais atomais. Donorinių
lygmenų elektronų aktyvacijos energija ∆Wd yra daug mažesnė negu grynųjų
puslaidininkių aktyvacijos energija ∆W ir yra lygi dešimtosioms ar net
šimtosioms elektronvolto dalims. Nedidelės šiluminės, šviesos ir k
kitos
energijos pakanka šiems elektronams perkelti į laidumo juostą. Tokiuose
puslaidininkiuose atsiranda priemaišinis elektroninis laidumas, arba n tipo
laidumas; jų savasis laidumas yra mažas palyginti su priemaišiniu laidumu.

Dabar imkime kitą pavyzdį. Keturvalenčio germanio gardelės vieną
atomą pakeiskime priemaišos trivalenčio boro atomu. Pastarajam trūksta
elektrono kovalentiniam ryšiui sudaryti su germanio atomais. Trūkstamą
valentinį elektroną jis pasiskolina iš gretimo germanio atomo, o ten
atsiranda teigiama skylė. Šią skylę gali užimti elektronas iš gretimo
germanio atomo, o nauja, teigiama skylė atsiras pastarajame ir t.t. taip
nuosekliai skylė juda elektrinio lauko kryptimi valentinėje juostoje.
Keturvalenčio puslaidininkio draustinėje juostoje elektronų neužpildyti
nauji energijos lygmenys vadinami akceptoriniais lygmenimis, o priemaišos
atomai akceptoriais atomais. Akceptoriniai lygmenys išsidėsto šiek tiek
virš valentinės juostos (4 pav.). Pereiti iš valentinės juostos viršutinės
dalies i akceptorinį lygmenį pakanka daug kartų mažesnės energijos ∆Wa už
draustinės juostos plotį ∆W. Iš užpildytos valentinės juostos elektronai
lengvai peršoka į akceptorinius lygmenis, o valentinėje juostoje atsiranda
teigiamos skylės. Šiuo atveju valentinė juosta yra skylinio laidumo juosta.
Elektrinio lauko veikiami elektronai nuosekliai užpildo valentinėje
juostoje teigiamas skyles, šios juda elektrinio lauko kryptimi. Toks skylių
judėjimas elektrinio lauko kryptimi sudaro skylinį arba p tipo, laidumą.

Labai svarbi puslaidininkių savybė yra ta, kad jų elektrinė varža,
kylant temperatūrai, sparčiai mažėja, arba sparčiai didėja savasis
laidumas. Juostinės teorijos požiūriu šis reiškinys aiškinamas taip.
Grynasis puslaidininkis 0 κ temperatūroje yra izoliatorius. Kadangi
puslaidininkio draustinė juosta yra siaura, tai, temperatūrai didėjant, k
kai
kurie valentiniai elektronai įgauna pakankamai energijos peršokti iš
valentinės juostos į laidumo juostą. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo daugiau
valentinių elektronų peršoka į laidumo juostą, puslaidininkio savasis
laidumas didėja. Metalų elektrinis laidumas, pakėlus temperatūra 1
laipsniu, 1 – 100 0C ribose mažėja apytiksliai 0,3 – 0,4 %, o
puslaidininkių elektrinis laidumas, pakėlus temperatūra 1 laipsniu, tose
pat ribose padidėja 3 – 6 %. Metalų elektrinis laidumas, kylant
temperatūrai, mažėja, o puslaidininkių laidumas – didėja.

Puslaidininkių elektrinio laidumo priklausomybė nuo temperatūros
panaudota šiluminiuose varžose arba termistoriuose, kurie naudojami
temperatūrai matuoti. Termistorių sudaro nedidelis (apie 0,5 mm skersmens)
puslaidininkis rutuliukas (arba plokštelė) su pritvirtintais prie jo
metaliniais kontaktais. Rutuliuko išorinis paviršius apsaugotas nuo drėgmės
ir šviesos izoliacinės medžiagos kiauteliu. Viskas įtaisyta plastmasiniame
laikiklyje, ant kurio galo užmautas antgalis, o puslaidininkio kontaktai
laidais sujungiami su srovės šaltiniu ir mikroampermetru, sugraduotu
temperatūros laipsniais. Kintant temperatūrai, kinta termistoriaus varža,
kartu ir srovės stiprumas grandinėje. Termistorių varža siekia tūkstančius
ar net dešimtis tūkstančių omų, o metalinių termometrų – kelis šimtus omų.
Tai svarbu, kai tarp termistorių ir matuojamojo prietaiso yra didelis
nuotolis, nes pačių termistorių varža vis tiek esti žemiai didesnė už
jungiamųjų laidų varžą. Kadangi termistoriai gali būti labai mažų matmenų,
tai jie tinka matuoti temperatūrai labai mažuose tūriuose, plonuose dujų,
skysčių ir kitokios aplinkos sluoksniuose, tai pat paviršiaus temperatūrai.

Termistoriais matuojama temperatūra grūdų saugyklose, tai pat
dirvožemio temperatūra įvairiose gyliuose.

Iki šiol oro pažemio sluoksnio temperatūra ir drėgmė buvo matuojama
Asmano psichrometru. Pastaruoju metu tam tikslui imta naudoti distancinį
elektropsichrometrą, ku
uris užrašo temperatūra ir drėgmę.

Miniatiūriniai termistoriai, vadinami mikrotermometrais, sėkmingai
naudojami biologijoje augalų lapų temperatūrai matuoti, tiriant jų šilumos
apykaitą ir aplinka. Jie ypač įvairūs jautrūs labai mažiems temperatūros
pokyčiams. Panašiu principu veikia prietaisas gyvulių temperatūrai matuoti,
vadinamas veterinariniu elektrotermometru.

Minėjome, kad puslaidininkių laidumas priklauso nuo apšviestumo. Iš
puslaidininkių pagaminti prietaisai apšviestumui matuoti vadinami
liuksmetrais.

Pakaitinus n tipo puslaidininkio strypelio vieną galą, toje dalyje
padidėja elektronų koncentracija laidumo juostoje ir jų kinetinė energija.
Elektronų srautas iš aukštesnės temperatūros strypelio galo difunduoja į
žemesnės temperatūros galą. Šaltesnis galas įsielektrina neigiamai, o
karštasis – teigiamai. Jeigu p tipo puslaidininkį, tai valentinėse juostose
skylių srautas difunduos iš strypelio karštojo galo į šaltąjį. Tuo atveju
šaltasis galas įsielektrina teigiamai, o karštasis neigiamai. Tarp
strypelio galų atsiranda potencialų skirtumas, ir jo viduje susidaro
elektrinis laukas, kuris trukdo toliau slinkti elektronams (arba skylėms).
Nusistovi dinaminė pusiausvyra, esant duotojo puslaidininkio strypo galuose
tam tikram potencialų skirtumui. Šis potencialų skirtumas, vadinamas
termoelektrovos jėga, kuri tiesiog proporcingas karštojo ir šaltojo galų
temperatūrų Ta ir Tb skirtumui (5 pav.):

E = α(Ta – Tb);
čia α – proporcingumo koeficiantas, priklausomas nuo puslaidininkio
prigimties.

Metalams panašus efekto negauname, nes elektronų koncentracija
atitinkamose juostose nepriklauso nuo temperatūros.

Sudarykime iš metalo 1 ir n puslaidininkio 2 termoelementą (6 pav.).
Sulydymo vietą a šildykime. Srovė tekės metale iš karštojo galo a į šaltąjį
galą b, nes puslaidininkyje elektronai slenka iš a į b. O jei sulydysime n
ir p puslaidininkių galus ir šaltajame gale prijungsime matuojamąjį
prietaisą, tai gausime puslaidininkinį termoelementą (7 pav.). Pašildę
sulydytą galą a, gausime kiekviename puslaidininkyje termoelektrovaros
jėgas En ir Ep, kurios susidės, ir bendroji termoelektrovaros jėga bus
lygi:

E = En + Ep = (αn+αp)(Ta-Tb)

Puslaidininkinių termoelementų termoelektrovaros jėgos šimtus
kartų didesnės už metalinių termoelementų. Čia, šiluminę energiją tiesiog
paverčiant elektros energija, naudingumo koeficientas siekia 10-20 ℅.

Praleidžiant elektros srovę dviejų sulydytų n ir p
puslaidininkių grandinę, galima pasiekti, kad temperatūra sumažėtų iki 30
0C ir daugiau (Peltjė efektas), o esant dviejų laipsnių sistemai, šis
temperatūros skirtumas gali pasiekti net 60 0C. Tuo principu veikiantieji
šaldytuvai neturi judamų mechanizmų, jų konstrukcija yra daug paprastesnė
negu įprastinių. Juose galime laikyti greitai gendančius žemės ūkio
produktus, pavyzdžiui, pieną, sviestą, kiaušinius ir kt.

Peltjė efektą galima pritaikyti ir gaminant nedidelius
termosus, kuriuose temperatūra būtų 0 0C arba -20C. Tokie termosai labai
reikalingi veislinių reproduktorių spermoms kurį laiką išlaikyti,
transportuojant į rajonus.

Naudota literatūra: B. Kukšas S. Vičas”Fizika”251 –254 puslapiai.
Puslaidininkinės fizikos pagrindai.
J.Janickis “Fizikine Hemija” 72-76 psl.

Leave a Comment