Corriente eléctrica en semiconductores
Entre los conductores y los dieléctricos, en términos de resistencia, se ubican semiconductores… Silicio, germanio, telurio, etc. — muchos elementos de la tabla periódica y sus compuestos pertenecen a los semiconductores. Muchas sustancias inorgánicas son semiconductores. El silicio es más ancho que otros en la naturaleza; la corteza terrestre se compone del 30% de ella.
La principal diferencia sorprendente entre los semiconductores y los metales radica en el coeficiente de temperatura negativo de la resistencia: cuanto mayor es la temperatura del semiconductor, menor es su resistencia eléctrica. Para los metales, es lo contrario: cuanto mayor es la temperatura, mayor es la resistencia. Si un semiconductor se enfría hasta el cero absoluto, se vuelve dieléctrico.
Esta dependencia de la conductividad de los semiconductores con la temperatura muestra que la concentración taxistas gratis en los semiconductores no es constante y aumenta con la temperatura.El mecanismo de paso de una corriente eléctrica a través de un semiconductor no puede reducirse al modelo de un gas de electrones libres, como en los metales. Para entender este mecanismo, podemos mirarlo, por ejemplo, en un cristal de germanio.
En el estado normal, los átomos de germanio contienen cuatro electrones de valencia en su capa exterior, cuatro electrones que están débilmente unidos al núcleo. Además, cada átomo en la red cristalina de germanio está rodeado por cuatro átomos vecinos. Y el enlace aquí es covalente, lo que significa que está formado por pares de electrones de valencia.
Resulta que cada uno de los electrones de valencia pertenece a dos átomos al mismo tiempo, y los enlaces de los electrones de valencia dentro del germanio con sus átomos son más fuertes que en los metales. Por eso, a temperatura ambiente, los semiconductores conducen la corriente varios órdenes de magnitud peor que los metales. Y en el cero absoluto, todos los electrones de valencia del germanio estarán ocupados en enlaces y no habrá electrones libres para proporcionar la corriente.
A medida que aumenta la temperatura, algunos de los electrones de valencia ganan energía suficiente para romper los enlaces covalentes. Así es como surgen los electrones de conducción libres. Se forma un tipo de vacante en las zonas de desconexión: huecos sin electrones.
Este agujero puede ser ocupado fácilmente por un electrón de valencia de un par vecino, luego el agujero se moverá a su lugar en el átomo vecino. A cierta temperatura, se forma en el cristal un cierto número de los llamados pares electrón-hueco.
Al mismo tiempo, tiene lugar el proceso de recombinación de huecos de electrones: un hueco que se encuentra con un electrón libre restaura el enlace covalente entre los átomos en un cristal de germanio. Dichos pares, formados por un electrón y un hueco, pueden surgir en un semiconductor no solo por la acción de la temperatura, sino también cuando el semiconductor se ilumina, es decir, por la energía que incide sobre él. radiación electromagnética.
Si no se aplica un campo eléctrico externo al semiconductor, entonces los electrones libres y los huecos se involucran en un movimiento térmico caótico. Pero cuando se coloca un semiconductor en un campo eléctrico externo, los electrones y los huecos comienzan a moverse de manera ordenada. asi es como nace corriente de semiconductores.
Se compone de corriente de electrones y corriente de huecos. En un semiconductor, la concentración de huecos y electrones de conducción son iguales, y solo en semiconductores puros lo hace. mecanismo de conducción de huecos de electrones… Esta es la conductividad eléctrica intrínseca del semiconductor.
Conducción de impurezas (electrones y huecos)
Si hay impurezas en el semiconductor, entonces su conductividad eléctrica cambia significativamente en comparación con el semiconductor puro. ¡Agregar una impureza en forma de fósforo a un cristal de silicio, en una cantidad de 0.001 por ciento atómico, aumentará la conductividad en más de 100,000 veces! Es comprensible un efecto tan significativo de las impurezas sobre la conductividad.
La condición principal para el crecimiento de la conductividad de las impurezas es la diferencia entre la valencia de la impureza y la valencia del elemento principal. Tal conducción de impurezas se llama conducción de impurezas y puede ser un electrón y un hueco.
Un cristal de germanio comienza a tener conductividad electrónica si se le introducen átomos pentavalentes, por ejemplo, arsénico, mientras que la valencia de los átomos del propio germanio es cuatro. Cuando el átomo de arsénico pentavalente está en lugar de la red cristalina de germanio, los cuatro electrones externos del átomo de arsénico están involucrados en enlaces covalentes con cuatro átomos de germanio vecinos. El quinto electrón del átomo de arsénico se libera, abandona fácilmente su átomo.
Y el átomo dejado por el electrón se convierte en un ion positivo en el lugar de la red cristalina del semiconductor. Esta es la llamada impureza donante cuando la valencia de la impureza es mayor que la valencia de los átomos principales. Aquí aparecen muchos electrones libres, por lo que, con la introducción de una impureza, la resistencia eléctrica del semiconductor cae miles y millones de veces. Un semiconductor con una gran cantidad de impurezas añadidas se acerca a los metales en conductividad.
Aunque los electrones y los huecos son responsables de la conductividad intrínseca en un cristal de germanio dopado con arsénico, los electrones que han dejado los átomos de arsénico son los principales portadores de carga libre. En tal situación, la concentración de electrones libres supera con creces la concentración de agujeros, y este tipo de conductividad se denomina conductividad electrónica del semiconductor, y el semiconductor en sí se denomina semiconductor de tipo n.
Si, en lugar de arsénico pentavalente, se agrega indio trivalente al cristal de germanio, formará enlaces covalentes con solo tres átomos de germanio. El cuarto átomo de germanio permanecerá sin unir al átomo de indio. Pero un electrón covalente puede ser capturado por átomos de germanio vecinos.El indio será entonces un ion negativo, y el átomo de germanio vecino ocupará una vacante donde existía el enlace covalente.
Tal impureza, cuando un átomo de impureza captura electrones, se denomina impureza aceptora. Cuando se introduce una impureza aceptora, se rompen muchos enlaces covalentes en el cristal y se forman muchos huecos en los que los electrones pueden saltar desde los enlaces covalentes. En ausencia de corriente eléctrica, los agujeros se mueven aleatoriamente sobre el cristal.
Un aceptor conduce a un fuerte aumento en la conductividad del semiconductor debido a la creación de una gran cantidad de huecos, y la concentración de estos huecos excede significativamente la concentración de electrones de la conductividad eléctrica intrínseca del semiconductor. Esta es la conducción de agujeros y el semiconductor se llama semiconductor de tipo p. Los principales portadores de carga en él son agujeros.