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 elektronai 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 sudaro 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 skylė 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 vieną 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 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, 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, kuris 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.