Elektros srovė puslaidininkiuose

Šioje temoje nagrinėjama elektros srovė puslaidininkiuose, aiškinant jų sandarą, laidumo tipus ir savybes. Taip pat aprašomi puslaidininkiniai prietaisai, jų veikimo principai ir pritaikymas. Galiausiai, trumpai apžvelgiama puslaidininkių tyrimų istorija.

Laidžioji ir užtvarinė kryptis
Prijungus p-n sandūrą prie srovės šaltinio taip, kad skylių sritis (\(p\)) būtų prijungta prie teigiamo poliaus, o elektronų sritis (\(n\)) – prie neigiamo, per sandūrą teka stipri srovė. Tai vadinama laidžiąja kryptimi. Prijungus atvirkščiai (užtvarine kryptimi), srovė beveik neteka. Ši savybė naudojama kintamajai srovei lyginti.
Puslaidininkinė sandūra
Praktikoje naudojami puslaidininkiai su skirtingu krūvininkų tipų vyravimu: skylinėje srityje (\(p\)-tipo) vyrauja skylės, elektroninėje (\(n\)-tipo) – elektronai. Šių sričių kontaktas vadinamas skylinė-elektroninė (\(p\)-\(n\)) sandūra. Neįjungtoje grandinėje vyksta krūvininkų difuzija: elektronai pereina į skylių sritį, o skylės – į elektronų. Susidaro elektrinis laukas, stabdantis tolesnę difuziją. Jungiant puslaidininkį į grandinę, šį procesą galima valdyti.
Puslaidininkiniai prietaisai
Puslaidininkiniai prietaisai plačiai naudojami elektrotechnikoje, radiotechnikoje ir matavimo technikoje. Jų pagrindas – \(p\)-\(n\) sandūros. Puslaidininkinis diodas – prietaisas su viena \(p\)-\(n\) sandūra, naudojamas srovei lyginti. Šviesos diodas (LED) – \(p\)-\(n\) sandūra, kuri šviečia tekant srovei laidžiąja kryptimi. Šiluminė varža – prietaisas, kurio varža priklauso nuo temperatūros. Fotovarža – prietaisas, kurio varža priklauso nuo apšvietimo.
Puslaidininkių apibrėžimas ir savybės
Puslaidininkiai – tai medžiagos, kurių elektrinis laidumas yra tarp laidininkų ir izoliatorių. Jų savitoji varža (\(\rho\)) yra tarp \(10^{-7}\) ir \(10^4 \text{ } \Omega \cdot m\). Skirtingai nuo metalų, kurių savitoji varža didėja kylant temperatūrai, puslaidininkių varža mažėja. Žemoje temperatūroje puslaidininkiai elgiasi kaip izoliatoriai. Plačiai paplitę puslaidininkiai: selenas, silicis, germanis, galio arsenidas (\(\text{GaAs}\)), indžio stibidas (\(\text{InSb}\)), kadmio ir švino sulfidai (\(\text{CdS}\) ir \(\text{PbS}\)).
Puslaidininkių struktūra ir laidumas
Puslaidininkių, pavyzdžiui, silicio (\(\text{Si}\)), elektrinis laidumas aiškinamas jų atomine sandara. Silicio atomai turi keturis elektronus išoriniame sluoksnyje. Žemoje temperatūroje šie elektronai yra surišti, ir laisvųjų elektronų nėra. Kaitinant arba apšviečiant, elektronai įgyja energijos, nutraukia ryšius ir tampa laisvaisiais. Elektrono netekusi vieta vadinama skyle, turinčia teigiamą krūvį. Skylės juda netvarkingai, panašiai kaip elektronai. Laisvieji elektronai ir skylės atsiranda poromis.
Puslaidininkių tyrimų istorija
Puslaidininkių savybės pradėtos tyrinėti XIX amžiuje. Maiklas Faradėjus 1833 m. pastebėjo sidabro sulfido elektrinio laidumo didėjimą kylant temperatūrai. Kitos savybės atrastos XIX a. antroje pusėje, o platesni tyrimai ir pritaikymas prasidėjo XX a. viduryje. Lietuvoje puslaidininkių tyrimai pradėti 1950 m. Vilniaus universitete, Povilo Brazdžiūno iniciatyva. 1967 m. įsteigtas Puslaidininkių fizikos institutas. 1977 m. \(S.\) Ašmonto, \(J.\) Poželos ir \(K.\) Repšo darbai buvo pripažinti pirmuoju moksliniu atradimu Lietuvoje.
Savitasis ir priemaišinis laidumas
Prijungus puslaidininkį prie srovės šaltinio, laisvieji elektronai juda viena kryptimi, o skylės – priešinga. Taip puslaidininkyje atsiranda elektros srovė. Grynųjų puslaidininkių (be priemaišų) laidumas, kurį sukelia vienodas skaičius elektronų ir skylių, vadinamas savituoju laidumu. Jis yra mažas. Įterpus priemaišų (kitų elementų atomų), atsiranda priemaišinis laidumas, kuris yra daug didesnis. Keičiant priemaišų kiekį, galima reguliuoti krūvininkų skaičių.

Prisijungti

arba
Real 2
„X“ yra inovatyvi mokymosi platforma, kurios tikslas – teikti aukštos kokybės mokymo medžiagą įvairiausių klasių mokiniams. Patyrusių specialistų parengtas turinys skatina smalsumą, padeda išsamiau ir giliau suprasti mokomus dalykus bei sėkmingai pasiruošti akademiniams iššūkiams.
Atsisiųsk programėlę:
Susisiek su mumis: info@knowledgenestapp.com