następny punkt » |
Prąd elektryczny jest ruchem ładunków elektrycznych. W metalach, będących przewodnikami, sytuacja jest stosunkowo prosta. Istnieje w nich duża koncentracja elektronów swobodnych, niezależna od temperatury, a ruch tych elektronów stanowi prąd elektryczny. Sytuacja w półprzewodnikach jest bardziej skomplikowana i przedstawiona zostanie na przykładzie atomu krzemu - Si.
Każdy atom krzemu ma 14 elektronów, rozmieszczonych na dwóch orbitach całkowicie zapełnionych (2 i 8 elektronów) i z 4 elektronami (wobec 8 możliwych) na trzeciej nie zapełnionej orbicie (rys. 6.1).
Rys. 6.1. Budowa atomu krzemu
Elektrony z ostatniej orbity, zwane elektronami walencyjnymi decydują o właściwościach chemicznych i elektrycznych. Ich poziomy energetyczne tworzą pasmo walencyjne (podstawowe - patrz wykład I, rys.1.2b). Nie wzbudzony atom jest obojętny elektrycznie, ale pod wpływem energii zewnętrznej (cieplnej, promieniowania świetlnego) elektrony mogą zostać oderwane powodując jonizację atomu. Potrzebna do tego celu energia jonizacji jest tym większa, im elektron jest położony bliżej jądra.
Struktura czystego krzemu jest monokrystaliczna, w następstwie sił wiążących atomy ze sobą. Ma postać przestrzennej sieci, w narożach której znajdują się atomy powiązane ze swoimi sąsiadami za pośrednictwem par elektronów. Model dwuwymiarowy sieci pokazano na rys. 6.2.
Rys. 6.2. Model płaski sieci krystalicznej krzemu
Każdy atom krzemu Si reprezentowany jest przez nieruchomy jon (składający się z jądra otoczonego elektronami na orbitach wewnętrznych) o ładunku +4 i cztery elektrony na orbicie zewnętrznej, które równoważą ten ładunek. W temperaturze zera bezwzględnego (T = 0 0K). Krzem zachowuje się wtedy jak idealny izolator, ponieważ nie ma elektronów swobodnych decydujących o przewodnictwie.
W temperaturze wyższej od zera bezwzględnego (T > 0 0K) pod wpływem energii cieplnej zarówno jądra atomów, jak i elektrony drgają wokół swoich punktów spoczynkowych. Następstwem tego są dodatkowe siły mechaniczne w siatce krystalicznej, które mogą pokonać siły wiązań atomowych i wyrwać niektóre elektrony z sieci. Elektrony te nie są wówczas związane z żadnym jądrem i mogą się poruszać w krysztale i noszą nazwę elektronów swobodnych. Oznacza to, że elektron uzyskał energię dostatecznie dużą, by przejść do pasma przewodnictwa (wykład I, rys. 1.2b) i brać udział w zjawisku przewodzenia prądu. Ponadto w paśmie podstawowym pozostanie w tej sytuacji wolne miejsce po elektronie, jon naładowany dodatnio - tzw. dziura. Utworzony w ten sposób ładunek może poruszać się od atomu do atomu, uzupełniając brakujący elektron z sąsiedniego wiązania, gdzie z kolei powstanie znowu jon dodatni. Dziury poruszają się zatem w kierunku przeciwnym niż elektrony.
Na skutek wzbudzenia elektronu i jego przejścia do pasma przewodzenia, powstają dwa nośniki prądu: elektron w paśmie przewodnictwa i dziura w paśmie podstawowym. Im wyższa jest temperatura, tym więcej elektronów jest wzbudzanych do pasma przewodnictwa i tym większa jest przewodność w krysztale.
następny punkt » |