Yarı İletkenlerde Elektrik Akımı

Bilim ve Mühendislik

Yarı İletkenlerde Elektrik Akımı

Yarı İletkenlerde Elektrik Akımı

İletkenler ve dielektrikler arasında, özdirenç açısından, yarı iletkenlerdir. Silisyum, germanyum, tellür vb. periyodik tablonun birçok elementi ve bunların bileşenleri yarı iletkendir. Çok sayıda inorganik madde yarı iletkendir. Silikon doğadaki diğerlerinden daha geniştir, yer kabuğunun % 30’undan oluşur. Yarı iletkenler ve metaller arasındaki ana çarpıcı fark, negatif sıcaklık direnç katsayısıdır. Yani, yarı iletkenin sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, elektrik direnci o kadar düşük olur. Metaller için, aksine; sıcaklık yükseldikçe, direnç de artar. Yarı iletken mutlak sıfıra soğutulursa, bir yalıtkan haline gelir.

Yarı iletkenlerin iletkenliğine böyle bir sıcaklık bağımlılığı, yarı iletkenlerdeki serbest yük taşıyıcıların konsantrasyonunun sabit olmadığını ve sıcaklıkla arttığını gösterir. Bir yarı iletkenden geçen elektrik akımı mekanizması, metallerde olduğu gibi bir serbest elektron gazı modeline indirgenemez. Sıradan bir durumda, germanyum atomları dış kabukları üzerinde dört değerlik elektronu ihtiva eder, çekirdeğe zayıf bir şekilde bağlı olan dört elektron gibi… Ayrıca, germanyumun kristal kafesindeki her atom dört komşu atomla çevrilidir.

Ve buradaki bağ kovalenttir, yani iki değerlikli elektron çifti tarafından oluşturulur. Değerlik elektronlarının her birinin aynı anda iki atoma ait olduğu ve germanyum içindeki değerlik elektronlarının atomları ile atomlarının bağlarının metallerden daha güçlü olduğu ortaya çıktı. Bu nedenle, oda sıcaklığında yarı iletkenlerin akımları metallerden daha kötü büyüklük derecelerinde iletmeleridir. Ve mutlak sıfırda, germanyumun tüm değer elektronları bağlarla meşgul olacak ve akımı sağlayacak serbest elektronlar olmayacaktır.

Yarı İletkenlerde Elektrik Akımı

Sıcaklıklar ve Kovalent Bağlar

Artan sıcaklıkla birlikte, değerlik elektronlarının bir kısmı, kovalent bağları kırmaya yetecek kadar enerji elde eder. Serbest iletim elektronları bu şekilde ortaya çıkar. Bağ kopma bölgelerinde, tuhaf boş alanlar oluşur; elektronsuz delikler gibi. Bu delik, bitişik bir çiftin bir değerlik elektronu tarafından kolaylıkla işgal edilebilir, daha sonra delik bir şekilde komşu atomda yerine kayacaktır. Belli bir sıcaklıkta, kristalde belirli sayıda sözde elektron deliği çifti oluşturulur.

Aynı zamanda, elektronların delikli bir rekombinasyon süreci vardır. Bir serbest elektronla bir araya gelen bir delik, bir germanyum kristalindeki atomlar arasındaki kovalent bağı geri yükler. Bir elektron ve bir delikten oluşan bu tür çiftler, bir yarı iletkende sadece sıcaklık etkisinden değil, aynı zamanda yarı iletken yandığında, yani üzerinde meydana gelen elektromanyetik radyasyonun enerjisinden kaynaklanabilir.

Yarı iletkene harici bir elektrik alanı uygulanmazsa, serbest elektronlar ve delikler kaotik termal harekete katılır. Ancak bir yarı iletken harici bir elektrik alana yerleştirildiğinde, elektronlar ve delikler düzenli bir şekilde hareket etmeye başlar. Böylece, bir yarı iletkende bir akım üretilir. Elektron akımı ve delik akımından oluşur. Bir yarı iletkende, deliklerin konsantrasyonu ve iletken elektronlar eşittir. Ve sadece saf yarı iletkenlerde elektron deliği iletim mekanizması kendini gösterir.

Bu, yarı iletkenlerin kendi elektrik iletkenliğidir. Kirlilik iletkenlik (elektron ve delik) yarı iletkende safsızlıklar varsa, elektrik iletkenliği saf yarı iletkenle karşılaştırıldığında büyük ölçüde değişir. Yüzde 0,001 atomik bir silikon kristaline fosfor şeklinde bir safsızlık eklenmesi iletkenliği 100,000 kattan daha fazla artıracaktır. Kirliliklerin iletkenlik üzerindeki bu kadar önemli bir etkisi açıklanabilir. İletkenliğin safsızlıklardan büyümesinin ana koşulu, safsızlığın geçerliliği ile ana elementin geçerliliği arasındaki farktır. Safsızlıklara sahip olan bu iletkenliğe safsızlık iletkenliği denir ve elektron ve delik olabilir.

Yarı İletkenlerde Elektrik Akımı

Pentavalent Atomlar Nedir?

Pentavalent atomlar, yani, arsenik yani içine sokulursa, germanyum atomunun kendisinin değeri dört iken, bir germanyum kristali elektronik iletkenliğe sahip olmaya başlar. Arsenik pentavalent atomu, germanyum kristal kafesi bölgesinde göründüğünde, arsenik atomunun dört dış elektronu, dört komşu germanyum atomuyla kovalent bağlarda yer alır. Arsenik atomunun beşinci elektronu serbest kalır, atomunu kolayca bırakır. Bir elektron tarafından bırakılan bir atom, yarı iletken bir kristal kafesin bölgesinde pozitif bir iyon haline gelir.

Bu, kirliliğin geçerliliği ana atomların değerinden büyük olduğunda, donörün safsızlığı olarak adlandırılır. Burada birçok serbest elektron ortaya çıkmaktadır, bu nedenle, bir kirliliğin eklenmesiyle, bir yarı iletkenin elektrik direnci binlerce ve milyonlarca kat azalmaktadır. İletkenlik açısından çok sayıda ilave safsızlığa sahip bir yarı iletken, metallere yaklaşır. Elektronlar ve delikler, arsenik katkılı bir germanyum kristalindeki iç iletkenlikten sorumlu olsa da, serbest yükün ana taşıyıcıları hala arsenik atomlarını bırakan elektronlardır.

Not: Böyle bir durumda, serbest elektronların konsantrasyonu, deliklerin konsantrasyonunu büyük ölçüde aşar ve bu iletkenliğe yarı iletkenin elektronik iletkenliği denir ve yarı iletkenin kendisine n tipi yarı iletken adı verilir.