Puslaidininkiai – tai tokios medžiagos, kurių specifinė varža yra nuo10-5 Ω . m iki 10 -8Ω ir kuri, kylant temperatūrai, smarkiai mažėja(priešingai negu laidininkų) 1 paveiksle parodyta D. Mendelejevo periodinėssistemos puslaidininkių grupė. Cheminio elemento viršuje esantis skaičiusyra elemento eilės numeris, o dešinėje apačioje – puslaidininkioaktyvacijos energija elektronvoltais. Prie puslaidininkių priskiriama irlabai daug junginių, pavyzdžiui: SiC, Cu2O, PbS, CdSe, ir t.t.puslaidininkių specifinė varža, taigi specifinis laidumas labai priklausonuo išorinių sąlygų: temperatūros, apšviestumo, elektrinio ir magnetiniolaukų. Grynųjų puslaidininkių savasis elektrinis laidumas gali būtidvejopas: elektroninis arba skylinis. Germanio ir Silicio kristaluose gretimų atomų elektronai sudarokovalentiniusryšius. 2 paveiksle juodi skritulėliai yra valentiniai elektronai o linijos– kovalentiniai ryšiai. Minėtuose grynuose kristaluose 0 κ temperatūrojevalentinė juosta yra visiškai užpildyta, o laidumo juosta visiškai tuščia (3 pav.). Toks puslaidininkis yra izoliatorius. Kai temperatūra aukštesnėkaip 0 κ, dėl atomų šiluminio judėjimo kai kurie valentiniai elektronai,gavę energijos kiekį, lygų draustinės juostos pločiui, gali peršokti išvalentinės į laidumo juostą, palikdami valentinėje juostoje laisvą vietą ,vadinamąją skylę. Įnešus tokį puslaidininkį į elektrinį lauką, laidumojuostoje elektronai judės iš vieno energijos lygmens į kitą priešelektrinio lauko jėgų kryptį. Ši elektronų sudėjimo savybė ir sudaroelektroninį arba n tipo laidumą. Valentinėje juostoje susidariusios skylėspasižymi teigiamo krūvio pertekliumi, nes prieš peršokant elektronams įteigiamą juostą tuos vietos buvo neutralios. Vadinasi, skylės krūvis yrateigiamas ir skaitine verte yra lygus elektrono krūviui. Veikiantelektriniam laukiui, į skylę gali pereiti elektronas, o skylė pasislinkti įjo vietą. Jos užleidžia vieta prieš elektrinį lauką valentinėje juostojejudantiems elektronams, o pačios slenka elektrinio lauko kryptimi tartum
perneša teigiama krūvį ir sudaro elektros srovę. Sykiu judėjimo valentinėjejuostoje yra vadinama skyliniu, arba p tipo laidumu. Toks grynųjųpuslaidininkių elektroninis skylinis laidumas vadinamas savuoju laidumu. Dažnai puslaidininkiuose vyksta atvirkščias procesas – rekombinacija.Šiuo atveju elektronai peršoka iš laidumo juostos į valentinėje juostojelaisvą vietą – skylę. Tuo būdu elektronas neutralizuoja skylės teigiamąkrūvį ir dalyvauja tarpatominiame ryšyje. Rekombinacijos procesas mažinapuslaidininkio laidumą. Visiškai grynų, be priemaišų ir defektų, puslaidininkių gamtoje nėra.O ir dirbtiniu būdu jų nepavyksta pagaminti. Kai kurios nedidelėskoncentracijos priemaišos gerokai padidina puslaidininkių elektrinįlaidumą, kuris šiuo atveju vadinamas priemaišiniu elektriniu laidumu.Priemaišomis vadiname kitų cheminių elementų atomus. Elektriniuosepriemaišiniuose puslaidininkiuose priemaišos atomams sudarius ryšį supuslaidininkio atomais, lieka nesurištų elektronų. Pavyzdžiui, jeigu vienągermanio atomą pakeisime penkiavalenčio fosforo atomu, tai priemaišos atomo4 valentiniai elektronai bus surišti su gretimais germanio atomais, openktasis elektronas valentiniame ryšyje nedalyvaus, jis bus silpniausurištas su branduoliu ir galės lengviau pereiti į laidumo juostą. Šispriemaišos atomų penktųjų elektronų energijos lygmuo yra draustinėjejuostoje arčiau laidumo juostos apatinės dalies. ir vadinamas donoriniulygmeniu, o tokie priemaišos atomai vadinami donoriniais atomais. Donoriniųlygmenų elektronų aktyvacijos energija ∆Wd yra daug mažesnė negu grynųjųpuslaidininkių aktyvacijos energija ∆W ir yra lygi dešimtosioms ar netšimtosioms elektronvolto dalims. Nedidelės šiluminės, šviesos ir kitosenergijos pakanka šiems elektronams perkelti į laidumo juostą. Tokiuosepuslaidininkiuose atsiranda priemaišinis elektroninis laidumas, arba n tipolaidumas; jų savasis laidumas yra mažas palyginti su priemaišiniu laidumu. Dabar imkime kitą pavyzdį. Keturvalenčio germanio gardelės vienąatomą pakeiskime priemaišos trivalenčio boro atomu. Pastarajam trūkstaelektrono kovalentiniam ryšiui sudaryti su germanio atomais. Trūkstamąvalentinį elektroną jis pasiskolina iš gretimo germanio atomo, o tenatsiranda teigiama skylė. Šią skylę gali užimti elektronas iš gretimogermanio atomo, o nauja, teigiama skylė atsiras pastarajame ir t.t. taipnuosekliai skylė juda elektrinio lauko kryptimi valentinėje juostoje.Keturvalenčio puslaidininkio draustinėje juostoje elektronų neužpildytinauji energijos lygmenys vadinami akceptoriniais lygmenimis, o priemaišosatomai akceptoriais atomais. Akceptoriniai lygmenys išsidėsto šiek tiekvirš valentinės juostos (4 pav.). Pereiti iš valentinės juostos viršutinėsdalies i akceptorinį lygmenį pakanka daug kartų mažesnės energijos ∆Wa uždraustinės juostos plotį ∆W. Iš užpildytos valentinės juostos elektronailengvai peršoka į akceptorinius lygmenis, o valentinėje juostoje atsirandateigiamos skylės. Šiuo atveju valentinė juosta yra skylinio laidumo juosta.Elektrinio lauko veikiami elektronai nuosekliai užpildo valentinėjejuostoje teigiamas skyles, šios juda elektrinio lauko kryptimi. Toks skyliųjudėjimas 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 savasislaidumas. Juostinės teorijos požiūriu šis reiškinys aiškinamas taip.Grynasis puslaidininkis 0 κ temperatūroje yra izoliatorius. Kadangipuslaidininkio draustinė juosta yra siaura, tai, temperatūrai didėjant, kaikurie valentiniai elektronai įgauna pakankamai energijos peršokti išvalentinės juostos į laidumo juostą. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo daugiauvalentinių elektronų peršoka į laidumo juostą, puslaidininkio savasislaidumas didėja. Metalų elektrinis laidumas, pakėlus temperatūra 1laipsniu, 1 – 100 0C ribose mažėja apytiksliai 0,3 – 0,4 %, opuslaidininkių elektrinis laidumas, pakėlus temperatūra 1 laipsniu, tosepat ribose padidėja 3 – 6 %. Metalų elektrinis laidumas, kylanttemperatūrai, mažėja, o puslaidininkių laidumas – didėja. Puslaidininkių elektrinio laidumo priklausomybė nuo temperatūrospanaudota šiluminiuose varžose arba termistoriuose, kurie naudojamitemperatūrai matuoti. Termistorių sudaro nedidelis (apie 0,5 mm skersmens)puslaidininkis rutuliukas (arba plokštelė) su pritvirtintais prie jometaliniais kontaktais. Rutuliuko išorinis paviršius apsaugotas nuo drėgmėsir šviesos izoliacinės medžiagos kiauteliu. Viskas įtaisyta plastmasiniamelaikiklyje, ant kurio galo užmautas antgalis, o puslaidininkio kontaktailaidais sujungiami su srovės šaltiniu ir mikroampermetru, sugraduotutemperatūros laipsniais. Kintant temperatūrai, kinta termistoriaus varža,kartu ir srovės stiprumas grandinėje. Termistorių varža siekia tūkstančiusar net dešimtis tūkstančių omų, o metalinių termometrų – kelis šimtus omų.Tai svarbu, kai tarp termistorių ir matuojamojo prietaiso yra didelisnuotolis, nes pačių termistorių varža vis tiek esti žemiai didesnė užjungiamųjų 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 patdirvožemio temperatūra įvairiose gyliuose. Iki šiol oro pažemio sluoksnio temperatūra ir drėgmė buvo matuojamaAsmano psichrometru. Pastaruoju metu tam tikslui imta naudoti distancinįelektropsichrometrą, kuris užrašo temperatūra ir drėgmę. Miniatiūriniai termistoriai, vadinami mikrotermometrais, sėkmingainaudojami biologijoje augalų lapų temperatūrai matuoti, tiriant jų šilumosapykaitą ir aplinka. Jie ypač įvairūs jautrūs labai mažiems temperatūrospokyčiams. Panašiu principu veikia prietaisas gyvulių temperatūrai matuoti,vadinamas veterinariniu elektrotermometru. Minėjome, kad puslaidininkių laidumas priklauso nuo apšviestumo. Išpuslaidininkių pagaminti prietaisai apšviestumui matuoti vadinamiliuksmetrais. Pakaitinus n tipo puslaidininkio strypelio vieną galą, toje dalyjepadidėja elektronų koncentracija laidumo juostoje ir jų kinetinė energija.Elektronų srautas iš aukštesnės temperatūros strypelio galo difunduoja įžemesnės temperatūros galą. Šaltesnis galas įsielektrina neigiamai, okarštasis – teigiamai. Jeigu p tipo puslaidininkį, tai valentinėse juostoseskylių srautas difunduos iš strypelio karštojo galo į šaltąjį. Tuo atvejušaltasis galas įsielektrina teigiamai, o karštasis neigiamai. Tarpstrypelio galų atsiranda potencialų skirtumas, ir jo viduje susidaroelektrinis laukas, kuris trukdo toliau slinkti elektronams (arba skylėms).Nusistovi dinaminė pusiausvyra, esant duotojo puslaidininkio strypo galuosetam tikram potencialų skirtumui. Šis potencialų skirtumas, vadinamastermoelektrovos jėga, kuri tiesiog proporcingas karštojo ir šaltojo galųtemperatūrų Ta ir Tb skirtumui (5 pav.): E = α(Ta – Tb);čia α – proporcingumo koeficiantas, priklausomas nuo puslaidininkioprigimties. Metalams panašus efekto negauname, nes elektronų koncentracijaatitinkamose 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 šaltąjįgalą b, nes puslaidininkyje elektronai slenka iš a į b. O jei sulydysime nir p puslaidininkių galus ir šaltajame gale prijungsime matuojamąjįprietaisą, tai gausime puslaidininkinį termoelementą (7 pav.). Pašildęsulydytą galą a, gausime kiekviename puslaidininkyje termoelektrovarosjėgas En ir Ep, kurios susidės, ir bendroji termoelektrovaros jėga buslygi:E = En + Ep = (αn+αp)(Ta-Tb) Puslaidininkinių termoelementų termoelektrovaros jėgos šimtuskartų didesnės už metalinių termoelementų. Čia, šiluminę energiją tiesiogpaverčiant elektros energija, naudingumo koeficientas siekia 10-20 ℅. Praleidžiant elektros srovę dviejų sulydytų n ir ppuslaidininkių grandinę, galima pasiekti, kad temperatūra sumažėtų iki 300C ir daugiau (Peltjė efektas), o esant dviejų laipsnių sistemai, šistemperatūros skirtumas gali pasiekti net 60 0C. Tuo principu veikiantiejišaldytuvai neturi judamų mechanizmų, jų konstrukcija yra daug paprastesnėnegu įprastinių. Juose galime laikyti greitai gendančius žemės ūkioproduktus, pavyzdžiui, pieną, sviestą, kiaušinius ir kt. Peltjė efektą galima pritaikyti ir gaminant nedideliustermosus, 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.