Co to jest Półprzewodnik

Co to znaczy PÓŁPRZEWODNIK: materiał o oporze właściwym mierzonym w temp. pokojowej, zawierającym się w granicach 10-4-104 Ω m. Typowymi p. o wiązaniach atomowych są pierwiastki z gatunku węglowców: krzem, german i szara cyna. Istnieje ponadto sporo związków chemicznych i roztworów stałych wykazujących właściwości półprzewodnikowe. Charakterystyczną właściwością p. jest brak swobodnych nośników ładunku elektrycznego w niskich temperaturach (bliskich temp. absolutnego zera). Elektrony walencyjne, tworzące wiązania chemiczne między atomami, obsadzają poziomy o najniższych energiach, zapełniając pasmo dozwolonych energii zwane pasmem walencyjnym albo fundamentalnym. Generacja elektronów swobodnych wymaga dostarczenia energii poprzez ogrzanie półprzewodnika albo oświetlenie go ( sukces fotoelektryczny wewnętrzny). Mówimy, iż uwolnione elektrony znajdą się w niezapełnionym paśmie dozwolonych energii, zwanym pasmem przewodnictwa, oddzielonym od pasma podstawowego pasmem energii wzbronionych albo przerwą energetyczną o szerokości EG. W krysztale pojawiają się więc swobodne elektrony, niosące niekorzystny ładunek elektryczny i mogące poruszać się tak jak elektrony swobodne metalu, i nieobsadzone wiązania o efektywnym ładunku dodatnim. Te puste wiązania mogą być obsadzane poprzez elektrony sąsiednich atomów i w ten sposób możliwe jest przewodzenie prądu dzięki elektronom związanym, w paśmie walencyjnym. W p. istnieją więc dwa systemy przewodzenia prądu: a) poprzez elektrony swobodne zajmujące poziomy energetyczne w nieobsadzonym paśmie przewodnictwa, b) poprzez elektrony powiązane, obsadzające stany energetyczne w paśmie walencyjnym uwolnione poprzez elektrony, które zostały przeniesione do pasma przewodnictwa. Ten drugi system nosi nazwę przewodnictwa dziurowego, gdyż wygodniej jest rozpatrywać "ruch pustego wiązania" i przez wzgląd na tym wprowadzić definicja Quasicząstki niosącej nieujemny ładunek elementarny, zwanej dziurą elektronową albo krótko dziurą. P., gdzie dozwolone stany energetyczne elektronów mieszczą się tylko w dziedzinie pasm walencyjnego i przewodnictwa, nosi nazwę p. samoistnego. Koncentracja nośników w takim p. jest dana wzorem: gdzie N - stała zależna od materiału półprzewodnika, EG - szerokość pasma energii wzbronionych (przerwy energetycznej), k - stała Boltzmanna, T - temp. w skali absolutnej. Wprowadzenie do p. atomów o wartościowości różnej od wartościowości atomów macierzystych skutkuje zmianę jego właściwości w umiarkowanych temperaturach, zwłaszcza wymienia relacja koncentracji elektronów i dziur. Taki p. nazywa się domieszkowym (typu n albo typu p) ( akceptor, donor, przewodność elektryczna właściwa). W stałej temp. w każdym p. określa się stan równowagi dynamicznej, opierający na tym, iż liczba generowanych par elektron - dziura jest równa liczbie par rekombinujących. Wskutek określa się pewna koncentracja nośników, dana zależnością Arrheniusa (*). Średnia energia generowanych w ten sposób (termicznie) nośników ładunku jest równa energii drgań sieci krystalicznej (fononów). Znaczy to, iż znajdują się one w stanie równowagi termodynamicznej z siecią krystaliczną kryształu p. Nośniki takie nazywają się nośnikami równowagowymi albo ciemnymi. Nośniki generowane poprzez światło ( sukces fotoelektryczny wewnętrzny), promieniowanie rentgenowskie, mechanizm wstrzykiwania i tym podobne charakteryzują się (w momencie generacji) energią wyższą od energii drgań sieci krystalicznej. Nośniki takie nazywają się nośnikami nierównowagowymi albo dodatkowymi. Energia wyzwalająca się w trakcie rekombinacji nośników nierównowagowych może być wydzielona w formie ciepła, co prowadzi do powiększenia energii drgań sieci krystalicznej (temp. kryształu) albo w formie promieniowania elektromagnetycznego (fotonów). Mówi się wtedy o rekombinacji promienistej, która jest źródłem luminescencji kryształów półprzewodnikowych. Materiały o oporze właściwym większym od 104 Ω m nazywane są izolatorami. Różnią się one od p. tylko ilościowo - wartością właściwego oporu elektrycznego. Można więc uważać izolator za p., który charakteryzuje się sporą szerokością pasma energii wzbronionych i nie zawiera domieszek albo innych defektów zwiększających przewodnictwo elektryczne