Pusvadītājs

Pamatpusvadītāji

Pusvadītājus raksturo:

1) izteikta elektrovadītspējas atkarība no dažādiem ārējiem faktoriem, piemēram, temperatūras, apgaismojuma;

2) negatīvās pretestības termiskais koeficents - pretestības atkarība no temperatūras ir pretēja nekā metāliem;

3) elektrovadītspējas lielā jūtība pret piejaukumvielām.
Visbiežāk lietotie pamatpusvadītāji ir D. Mendeļejeva ķīmisko elementu periodiskās sistēmas ceturtās grupas elementi silīcijs Si un germānijs Ge. Pamatpusvadītāji ir ļoti tīras kristāliskas vielas. Piemēram, starp 10¹¹ silīcija atomiem nedrīkst būt vairāk par vienu piejaukumvielas atomu.

Silīcija un germānija atomu ārējā elektronu čaulā ir četri valences elektroni. Starp diviem šo elementu kristālrežģa blakus - atomiem pastāv kovalentā saite, ko veido divi valences elektroni, kuri vienlaikus pieder abiem atomiem. Līdz ar to katra atoma ārējā elektronu čaulā četru vietā ir it kā astoņi valences elektroni, un tā ir aizpildīta.

Ja pusvadītāja temperatūra ir tuva absolūtajai nullei, tad visi tā elektroni ir saistīti šādās kovalentajās saitēs, brīvu lādiņnesēju - elektronu tikpat kā nav un pusvadītājs līdzīgi dielektriķim strāvu nevada. Augstākā temperatūrā kristālrežģa atomi intensīvāk svārstās un kāda no kovalentajām saitēm sabrūk. Tad rodas brīvs elektrons, bet atbrīvotajā kovalentajā saitē paliek vakanta vieta - caurums, kas izturas kā pozitīvs lādiņnesējs. Tādejādi izveidojas lādiņnesēju pāris. Kristālrežģa svārstību dēļ caurumu var aizpildīt elektrons no blakusatoma kovalentās saites, atstājot caurumu tajā. Šādam procesam turpinoties, caurums pārvietojās. Ja caurumā nonāk brīvais elektrons, tad notiek brīvo lādiņnesēju - elektrona un cauruma rekombināciju skaits un pusvadītājs kopumā ir elektroneitrāls. Paaugstinot pusvadītāja temperatūru, pieaug kristālrežģa svārstību amplitūdas un palielinās arī brīvo elektronu un caurumu skaits, kas savukārt palielina pusvadītāja elektrovadītspēju. Šāda elektrovadītspējas palielināšanās, paaugstinoties temperatūrai, ir pusvadītājiem raksturīga īpašība, ar kuru tie atšķiras no metāliem (temperatūrai paaugstinoties, metālu elektrovadītspēja samazinās). Pieslēdzot pamatpusvadītāju baterijai, pusvadītājā rodas elektriskais lauks, kurā brīvie elektroni un caurumi pārvietojas pretējos virzienos. Tātad caur pusvadītāju plūstošo strāvu rada gan brīvie elektroni, gan caurumi, un pilnā strāva ir brīvo elektronu un caurumu radīto strāvu summa.

Piejaukumu pusvadītāji

Pusvadītāju elektrosvadītspēju ievērojami palielina citu ķīmisko elementu piejaukumi. Šādas vielas ir piejaukumu pusvadītāji. Pamatpusvadītājiem nedaudz piejaucot piektās grupas elementus, kuru atomiem ir pieci valences elektroni, piemēram, arsēnu As, antimonu Sb vai bismutu Bi, piejaukumvielas atomu četri valeneces elektroni izveido kovalentās saites ar pamatpusvadītāja atomiem, bet piektais valences elektrons atbrīvojas un kļūst par brīvu lādiņnesēju, kas palielina pusvadītāja elektrovadītspēju. Piektās grupas elementu piejaukumus, kuru atomi viegli atbrīvo vienu no valences elektroniem, sauc par donorpiejaukumiem. Piejaukuma pusvadītāju, kurā ir liela brīvo elektronu koncentrācija, sauc par elektronu jeb n tipa pusvadītāju. Pamatpusvadītājam nelielā daudzumā piejaucot trešās grupas elementus, kuru atomiem ir trīs valences elektroni, piemēram, alumīniju Al, boru B vai Indiju In, piejaukumatoma trīs valences elektroni veido kovalentās saites ar pamatpusvadītājāja atomiem, bet ceturtajai kovalentajai saitei nepieciešamo elektronu piejaukumatomus atņem pamatpusvadītājam. Tad pamatpusvadītāja atomā ir atbrīvojusies viena kovalentā saite - radies caurums, kas var brīvi pārvietoties. Trešās grupas elementus, kas saista pamatpusvadītāja elektronus, sauc par akceptorpiejaukumiem, bet piejaukumu pusvadītāju, kurā ir liela caurumu koncentrācija, - par caurumu jeb p tipa pusvadītāju. Jebkurā piejaukuma pusvadītājā ievērojamā vairākumā ir pamatpusvadītāja atomu. To kovalentās saites sabrūk jau istabas temperatūrā, tādējādi radot brīvos elektronus un caurumus. Tāpēc n tipa pusvadītājā bez majoritātes (vairākuma) lādiņnesējiem - elektroniem, ir arī minoritātes (mazākuma) ladiņnesēji - caurumi, bet p tipa pusvadītājā bez majoritātes ladiņnesējiem - caurumiem, ir arī minoritātes lādiņnesēji - elektroni. Piemēram, p tipa silīcijam sasilstot, no silīcija atoma atbrīvojās elektrons, kas kļūst par minoritātes lādiņnesēju, bet atbrīvotajā vietā rodas caurums, kas papildina majoritātes lādiņnesēju skaitu.