Puslaidininkių laidumas

TURINYS

1.ĮVADAS.........................2 pusl.

2.KAS TIE PUSLAIDININKIAI...............2 pusl.

3.PUSLAIDININKIŲ SAVYBĖS...............2 pusl.

4.LAIDUMO JUOSTA....................3 pusl.

5.PUSLAIDININKIŲ LAIDUMAS...............3 pusl.

6.PUSLAIDININKIŲ PRIEMAIŠINIS
ELEKTRINIS LAIDUMAS..................5 pusl.

7.PUSLAIDININKIŲ PRIKLAUSOMYBĖ
NUO TEMPERATŪROS...................6 pusl.

8.IŠVADOS.........................6 pusl.

9.LITERATŪRA......................7 pusl.

ĮVADAS

Pasiekus tobulumo viršūnę vakuuminė elektronika staiga pradėjo užleisti savo pozicijas naujai atsiradusiems puslaidininkiniams prietaisams. Kas gi tie puslaidininkiai, iš kurių gaminami itin maži ir lengvi, ekonomiški , patvarūs ir patikimi įvairios apskirties prietaisai, iš pagrindų pakeitę šių dienų radio, televizijos , garso aparatūrą, ryšių sistemas? Tai jų dėka atsirado skaičiavimo mašinos , padedančios atlikti protinį darbą, automatizavimo sistemos, gebančios valdyti be žmonių ištisus ceechus, vairuoti lėktuvus. Puslaidininkiai- tai medžiaga lazeriams ir Saulės baterijoms. Iš puslaidininkių gaminami diodai , tranzistoriai ir kiti elektroniniai prietaisai. Sunku net apžvelgti visus jų pritaikymus, kurių kasmet vis daugėja.

KAS TIE PUSLAIDININKIAI

Vienuose kūnuose elektros krūviai laisvai juda iš vienos dalies į kitą, o kituose taip nėra. Todėl medžiagos pagal sugebėjimą praleisti elektros krūvius t.y. elektros srovę yra skirstomos į laidininkus ir dielektrikus. Laidininkai gerai praleidžia elektros srovę, o dielektrikai ne. Gerai praleidžia elektros srovę tos medžiagos , kuriose yra laisvųjų elektros krūvių. Metalai, nes jųų elektronai silpnai sujungti su atomais – geri laidininkai. Marmuras, stiklas, kaučiukas , plastmasė ir kitos medžiagos , kurios neturi laisvųjų elektronų , elektros srovės nepraleidžia. Todėl iš jų gaminamos elektros izoliacinės medžiagos. Griežtos ribos tarp laidininkų ir dielektrikų nėra. Visi dielektrikai šiek tiek pr

raleidžia krūvius. Germanis, silicis , selenas , vario oksidas ir kai kurios kitos medžiagos pagal laidumą elektrai tarp laidininkų ir dielektrikų užima tarpinę padėtį. Jos vadinamos puslaidininkiais.

Taigi visos medžiagos , atsižvelgiant į jų laidumą elektros srovei, skirstomos į laidininkus, puslaidininkius ir nelaidininkus arba izoliatorius. Puslaidininkiais vadinamos medžiagos, kurios pagal savo elektrinį laidumą užima tarpinę padėtį tarp laidininkų ir dielektrikų.

Tai yra laidininkams priklauso tokios medžiagos, kurių specifinė varža ( ) yra pati mažiausia, o izoliatoriams, kurių varža ( ) yra pati didžiausia. Puslaidininkiai pagal varžos didumą ( ) užima tarpinę padėtį.

Puslaidininkiai nuo izoliatorių skiriasi kiekybiškai( varžos didumu), o nuo laidininkų dar ir kokybiškai.

Šiuo metu elektrotechnikoje bene plačiausiai naudojamos puslaidininkinės medžiagos yra silicis, galio arsenidas, truputį mažiau – germanis, selenas ir kai kurie junginiai.

PUSLAIDININKIŲ SAVYBĖS

Svarbiausia puslaidininkių medžiagų savybė yra ta, kad jų elektrinis laidumas laabai priklauso nuo temperatūros ir priemaišų. Būdinga tai, kad jų laidumas labai kinta priklausomai ir nuo menkiausio priemaišų kiekio ir nuo išorinių sąlygų: šviesos , temperatūros slėgio ir kt.
LAIDUMO JUOSTA

Aplink izoliuoto atomo branduolį skriejantys elektronai yra skirtinguose energijos lygiuose. Arčiausiai prie branduolio esantieji elektronai turi mažiausiai energijos t.y. yra žemiausiame energijos lygyje, o toliau nuo branduolio esantieji elektronai yra aukštesniuose energijos lygiuose. Elektronų energija atome yra kvantuota, t.y. elektronai gali būti būviuose, kurie atitinka griežtai apibrėžtas diskretinės energijos reikšmes. Pagal Pauli dr

raudimo principą kiekviename energijos lygyje gali būti ne daugiau kaip 2 elektronai, o jų sukiniai turi būti antilygiagretūs. Tos pačios medžiagos visų izoliuotų atomų elektronų atitinkami energijos lygiai visiškai sutampa. Bet atomams suartėjus, pavyzdžiui kristale, jie vienas kitą veikia, ir todėl pasikeičia jų elektronų energijos lygiai. Dabar vietoj vieno ir to paties atomo elektrono energijos lygio atsiranda N labai artimų , bet jau nesutampančių energijos lygių. Kitaip sakant, kiekvienas izoliuoto atomo energijos lygis suskyla kristale į N labai arti išsidėsčiusių lygių, kurie sudaro vadinamąją juostą arba zoną.

Kristale arčiau atomų branduolių esantieji elektronų energijos lygiai suskyla mažiau ir todėl jų juostos yra siauresnės. Labiausiai suskyla valentinių elektronų ir aukštesni energijos lygiai. Šių leidžiamų elektronų energijos juostų plotis nepriklauso nuo kristalo matmenų. Kuo daugiau kristale yra atomų, tuo tankiau juostose išsidėsto elektronų energijos lygiai.

Tarpai tarp leidžiamų energijos juostų yra vadinami draudžiamomis energijos juostomis. Kad elektronas pereitų iš žemesnės leidžiamos energijos juostos į gretimą aukštesnę, jam reikia suteikti energijos kiekį , lygų draudžiamos energijos juostos pločiui arba didesnį. Valentiniais elektronais pilnai arba tik iš dalies užpildyta juosta yra vadinama valentine energijos juosta, o gretima aukštesnės energijos tuščia arba iš dalies elektronais užpildyta juosta yra vadinama laidumo juosta.

Metalai turi tik iš dalies elektronais užpildytą valentinę juostą, kuri šiuo atveju yr
ra vadinama laidumo juosta. Šioje juostoje elektrinio lauko veikiami elektronai lengvai pereina iš vieno energijos lygio į kitą ir todėl metalai yra geri elektros srovės laidininkai.

Puslaidininkių valentinė juosta absoliutinio nulio temperatūroje yra visiškai užpildyta elektronais. Kad elektronai galėtų patekti iš valentinės juostos į tuščią laidumo juostą, reikia jiems suteikti energijos kiekį, lygų arba didesnį už draudžiamos juostos plotį, vadinamą aktyvacijos energija.

Elektrinis laukas negali elektronams suteikti tokios energijos. Jei draudžiamos juostos plotis nedidelis, tai esant temperatūrai didesnei už 0° C , šiluminio, judėjimo energijos pakanka, kad dalis elektronų galėtų pereiti iš valentinės į tuščią laidumo juostą, o laidumo juostoje elektronai , veikiami elektrinio lauko, gali lengvai pereiti iš žemesnių energijos lygių į aukštesnius. Valentinėje juostoje lieka elektronų neužimtų vietų, vadinamų skylučių. Tokie kristalai vadinami elektroniniais puslaidininkiais.

Jei draudžiamos juostos plotis didesnis, tada šiluminio judėjimo energijos nepakanka bent kiek didesniam elektronų kiekiui permesti iš valentinės zonos į tuščią, tai tokie kristalai yra dielektrikai arba izoliatoriai.

Dielektrikų valentinė juosta yra užpildyta, o laidumo juosta – visiškai tuščia.

PUSLAIDININKIŲ LAIDUMAS

Puslaidininkių specifinė varža , o tuo pačiu ir specifinis laidumas labai priklauso nuo išorinių sąlygų: temperatūros, apšviestumo, elektrinio ir magnetinio laukų.

Grynųjų puslaidininkių savasis elektrinis laidumas gali būti dvejopas:
1.elektroninis
2.skylutinis

Pavyzdžiui, germanio ar silicio kristaluose 0° C temperatūroje valentinė juosta yra visiškai užpildyta, o laidumo juosta- visiškai tuščia. Toks puslaidininkis yra izoliatorius. Ka

ai temperatūra yra aukštesnė negu 0° C , dėl atomų šiluminio judėjimo , kai kurie valentiniai elektronai, gavę energijos kiekį, lygų draudžiamosios juostos pločiui, gali peršokti iš valentinės juostos į laidumo juostą , palikdami valentinėje juostoje laisvą vietą vadinamą skylute. Įnešus tokį puslaidininkį į elektrinį lauką, laidumo juostoje elektronai judės iš vieno energijos lygio į kitą prieš elektrinio lauko jėgų kryptį ir sudarys elektroninį laidumą arba n laidumą. Valentinėje juostoje susidariusios skylutės pasižymi teigiamo krūvio pertekliumi, nes prieš peršokant elektronams į laidumo juostą, tos vietos buvo neutralios. Vadinasi skylutės krūvis yra teigiamas ir skaitine reikšme lygus elektrono krūviui. Veikiant elektriniam laukui, į skylutę gali patekti elektronas iš gretimo ryšio, o skylutė pasislinkti į jo vietą. Jos užleidžia vietą prieš elektrinį lauką valentinėje juostoje judantiems elektronams, o pačios slenka elektrinio lauko kryptimi, tartum perneša teigiamą krūvį ir sudaro elektros srovę. Skylučių judėjimas valentinėje juostoje yra vadinamas skylutiniu laidumu arba p laidumu. Toks grynųjų puslaidininkių elektroninis ir skylutinis laidumas vadinamas savuoju laidumu.

Taigi išsiaiškinome, kad puslaidininkių laidumas yra dvejopas, kad žemoje temperatūroje atomai taisyklingai išsidėstę kristalinėje gardelėje, elektronai surišti su atomais , o laisvųjų elektronų beveik nėra ir kad tokius kristalus mes vadiname izoliatoriais. Sužinojome, kad kylant temperatūrai , kai kurie elektronai sukaupia pakankamai energijos ryšiui su atomu nutraukti, todėl atsiranda laisvųjų elektronų , ir tuo jų daugiau , kuo aukštesnė temperatūra.
Supratome, kad sudarius elektrinį lauką , laisvieji elektronai judės, todėl puslaidininkiu tekės elektros srovė ir toks laidumas vadinamas elektroniniu arba n laidumu.
Išsiaiškinome, kad elektrono netekęs atomas- arba teigiamas jonas- judėti kristale negali, tačiau gali pritraukti gretimo atomo elektroną. Tarsi likusią tuščią elektrono vietą, vadinamą skyle, būtų užpildęs gretimo atomo elektronas, savo ruožtu palikdamas jame skylę: perėjo skylė, o drauge- teigiamas krūvis. Todėl paprastumo dėlei ir sakoma, kad puslaidininkyje kartu su elektronu atsirado pernešanti teigiamą krūvį skylė. Elektriniame lauke skylės juda lauko kryptimi ir jų lemiamą laidumą vadiname p laidumu arba skyliniu laidumu.
Gryname puslaidininkyje elektronai ir skylės atsiranda kartu- poromis, taigi jų skaičius būna vienodas. Tokio puslaidininkio laidumas , pusiau elektroninis ir pusiau skylines vadinamas savuoju laidumu.
Puslaidininkių laidumas, kaip buvo minėta, labai priklauso nuo temperatūros. Šylant jų varža mažėja, taigi puslaidininkiams būdingas neigiamas temperatūrinis varžos koeficientas.
Absoliutinėmis vertėmis jis 10-20 kartų didesnis negu metalų. Pakitus temperatūrai 1 laipsniu metalo varža padidėja maždaug 0,4 % , о puslaidininkio varža sumažėja 6-8 %.

PUSLAIDININKIŲ PRIEMAIŠINIS ELEKTRINIS LAIDUMAS

Visiškai grynų , be priemaišų bei defektų, puslaidininkių gamtoje nėra. O ir dirbtiniu būdu jų nepavyksta pagaminti. Kai kurios nedidelės koncentracijos priemaišos žymiai padidina puslaidininkių elektrinį laidumą.
Daugumai elektronikos prietaisų reikalingi puslaidininkiai , kuriuose vyrauja vienokios rūšies n arba p laidumas. Tokie puslaidininkiai gaunami įterpus į gryną kristalą labai mažą ( apie 10-5 %) kiekį kitų elementų priemaišų. Tada šalia savojo laidumo atsiranda tūkstančius kartų didesnis papildomas priemaišinis laidumas.
Kaip atsiranda priemaišinis laidumas? Priemaišomis vadiname kitų cheminių elementų atomus. Elektroniniuose priemaišiniuose puslaidininkiuose, priemaišos atomams sudarius ryšį su puslaidininkio atomais, lieka nesurištų elektronų. Germanio atomas turi 4 valentinius elektronus. Pavyzdžiui, jeigu vieną atomą pakeisime penkia valenčio fosforo atomu, tai priemaišos atomo 4 valentiniai elektronai bus surišti 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 lygis yra draudžiamoje juostoje arčiau laidumo juostos apatinės dalies ir vadinamas donoriniu lygiu, o tokie priemaišos atomai vadinami atomais- donorais. Donorinių lygių elektronų draudžiamoji juosta yra mažesnė už grynųjų puslaidininkių draudžiamąją juostą.
Nedidelės šiluminės , šviesos ar kitokios energijos pakanka šiems elektronams perkelti į laidumo juostą. Tokiuose puslaidininkiuose atsiranda priemaišinis elektroninis laidumas arba n tipo laidumas ir jų savasis laidumas yra mažas lyginant su priemaišiniu laidumu.
Dabar imkime kitą pavyzdį. 4 germanio gardelės atomą pakeiskime priemaišos trivalenčio boro atomu. Pastarajam trūksta vieno elektrono kovalentiniam ryšiui sudaryti su germanio atomais. Trūkstamą valentinį elektroną jis pasiskolina iš gretimo germanio atomo, o ten atsiranda teigiama skylutė. Šią skylutę gali užimti elektronas iš gretimo germanio atomo , o nauja teigiama skylutė atsiras pastarajame ir t.t. Taip nuosekliai skylutė juda elektrinio lauko kryptimi valentinėje juostoje. Keturvalenčio puslaidininkio draudžiamojoje juostoje elektronais užpildyti nauji energijos lygiai vadinami akceptoriniais lygiais, o priemaišos atomai-atomais-akceptoriais.
Akceptoriniai lygiai išsidėsto šiek tiek aukščiau valentinės juostos viršutinės dalies . Pereiti iš valentinės juostos viršutinės dalies į akceptorinį lygį pakanka daug kartų mažesnės energijos už draudžiamos juostos plotį ..
Iš užpildytos valentinės juostos elektronai lengvai peršoka į akceptorinius lygius, o valentinėje juostoje atsiranda teigiamos skylutės. Šiuo atveju valentinė juosta yra skylutinio laidumo juosta.
Elektriniam laukui veikiant , elektronai nuosekliai užpildo valentinėje juostoje teigiamas skylutes, o šios juda elektrinio lauko kryptimi. Toks skylučių judėjimas elektrinio lauko kryptimi sudaro skylutinį arba p tipo laidumą. Kitais žodžiais tariant įterpus į germanio kristalą priemaišos , turinčios penkis valentinius elektronus, keturi priemaišos atomo elektronai sudaro kovalentines jungtis su gretimais germanio atomais, o penktasis elektronas lieka silpnai surištas su savo atomu. Todėl pastarasis nesunkiai atitrūksta ir padidina elektroninį arba germanio laidumą n.
Skylinį laidumą germanis įgyja įterpus į jį priemaišos , turinčios 3 valentinius elektronus. Šiuo atveju priemaišos atomai gali sudaryti tik 3 kovalentines jungtis. Dėl to germanio kristale atsiranda elektronų trūkumas- skylės, kurios ir sudaro skylinį arba p laidumą.

PUSLAIDININKIŲ PRIKLAUSOMYBĖ NUO TEMPERATŪROS

Labai svarbi puslaidininkių savybė, kad jų elektrinė varža, kylant temperatūrai staigiai mažėja , o staigiai didėja savasis laidumas.
Mes jau žinom , kad grynasis puslaidininkis 0° C temperatūroje – izoliatorius. Kadangi puslaidininkio draudžiamoji 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 ir puslaidininkio savasis laidumas didėja. Metalų elektrinis laidumas pakėlus temperatūra 1° C , 0-100% ribose mažėja apytikriai 0,3-0,4%, o puslaidininkių elektrinis laidumas pakėlus temperatūrą 1° C, tose pačiose ribose padidėja 3-6 %.
Metalų elektrinis laidumas , kylant temperatūrai, mažėja pagal tiesinį dėsnį, o puslaidininkių laidumas- didėja pagal eksponentinį dėsnį.
Puslaidininkių elektrinio laidumo priklausomybė nuo temperatūros panaudota šiluminėse varžose arba termistoriuose, kurie taikomi temperatūrai matuoti.

IŠVADOS

Taigi sužinojome, kad puslaidininkiai nuo izoliatorių skiriasi kiekybiškai (varžos didumu), o nuo laidininkų- dar ir kokybiškai. Svarbiausia puslaidininkų medžiagų savybė yra ta, kad jų elektrinis laidumas labai priklauso nuo temperatūros ir priemaišų.
Temperatūrai artėjant prie absoliutinio nulio, puslaidininkiai pradeda nepraleisti elektros srovės ir iš esmės pasidaro izoliatoriais. Kylant temperatūrai , puslaidininkių elektrinis laidumas didėja , kai temperatūra pakankamai aukšta, jis gali prilygti laidininkų elektriniam laidumui. Puslaidininkių varža pakėlus temperatūrą 1° C gali sumažėti iki 6 %, o metalų (laidumų) varža atvirkščiai, padidėja iki 0,6%.
Priemaišos , skirtingai, negu metaluose (laidininkuose) ne padidėja, o labai daug kartų sumažina puslaidininkių specifinę varžą. Pavyzdžiui, įmaišius 0,0001% arseno , germanio, varža sumažėja 200 kartų.
Kaip sužinojome, medžiagos laidumas elektrai priklauso nuo laisvųjų elektronų kiekio. Kuo jų daugiau ,tuo medžiagos elektrinė varža mažesnė. Laidininkų elektrinė varža yra mažiausia, nes juose visada yra labai daug laisvų elektronų, o puslaidininkiuose jų yra mažiau, o izoliatoriuose- visai mažai.
Vadinasi, nuo temperatūros ir priemaišų puslaidininkiuose padidėja laisvųjų elektronų skaičius, taigi ir jų laidumas. Sužinojome, kad elektros srovę nešti gali ne tik neigiamieji krūviai- elektronai, bet ir teigiamieji krūviai- skylutės. Todėl ir antros priemaišos padidino puslaidininkių laidumą. Taigi puslaidininkių laidumas gali būti elektroninis ( n tipo) ir skylutinis (p tipo).

LITERATŪRA

1.V.TARASONIS, „FIZIKA“ II dalis, 1999 m., Vilnius, „Žiburys“

2. B.KUKŠAS, J.ŠINKŪNAS, S.VIČAS, „FIZIKA“, 1973, Vilnius, „Mintis“.

3.P.JUČAS „Automobilių , traktorių ir kombainų elektros įrenginiai“, 1988m, Vilnius, „Mokslas“.

4.Internetas

Leave a Comment