Pusvadītājs

Pusvadītājs ir materiāls, kas elektrības vadīšanas spējas ziņā ierindojams starp metāliem (strāvas vadītājiem) un dielektriķiem, un kura elektrovadītspēja ir atkarīga no elektronu kustības rakstura. Pie pusvadītājiem pieder daudzi ķīmisko elementu periodiskās tabulas IV, V un VI grupas elementi, tādi kā germānijs, silīcijs, fosfors, selēns, daži minerāli un citi. Pusvadītāji ir ārkārtīgi jutīgi pret ārējo iedarbību (temperatūras, apgaismojuma pakāpes maiņu, radioaktīvo starojumu). Šīs pusvadītāju īpašības plaši izmanto dažādai enerģijas pārveidošanai, it īpaši, lai iegūtu aukstumu, siltumu, elektrisko enerģiju no siltuma (termoelektroģenerators), no staru enerģijas (fotoelements, saules baterija), no radioaktīvā izstarojuma enerģijas (atombaterija) utt. Ar pusvadītāju aparātu palīdzību ģenerē, pastiprina un transformē maiņstrāvu. Gandrīz jebkuras mūsdienu elektroniskās ierīces darbība balstās uz pusvadītāju fizikālajām īpašībām.

Pamatpusvadītāji 

Pusvadītājus raksturo:

1) izteikta elektrovadītspējas atkarība no dažādiem ārējiem faktoriem, piemēram, temperatūras, apgaismojuma;
2) negatīvs pretestības termiskais koeficients — pretestības atkarība no temperatūras ir pretēja nekā metāliem;
3) elektrovadītspējas lielā jutība pret piejaukumvielām.

Visbiežāk lietotie pamatpusvadītāji ir 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 elektrisko 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 pārvietojas. Ja caurumā nonāk brīvais elektrons, tad notiek brīvo lādiņnesēju elektrona un cauruma rekombinācija. Nemainīgā temperatūrā elektrona—cauruma rekombināciju skaits ir vienāds ar radušos brīvo lādiņnesēju pāru elektrons—caurums skaitu 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 elektrovadītspēju 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 valences 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 pamatpusvadītāja 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 lādiņnesējiem 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.

Pusvadītāju rezistori 

Pusvadītāju rezistoru darbība pamatojas uz pusvadītāju īpašību mainīt pretestību ārēju faktoru ietekmē. Praksē visbiežāk izmanto termistorus. Termistors ir pusvadītāja rezistors ar lielu pretestības termisko koeficientu, un tā pretestība, temperatūrai paaugstinoties, strauji samazinās. Termistora voltampēru raksturlīkne ir lineāra tikai sākumposmā. Patiešām, ja strāva ir maza, arī rezistorā izdalītais siltuma daudzums ir neliels. Termistors tikpat kā nesasilst, tā pretesība būtiski nemainās, un saskaņā ar Oma likumu , kur . Palielinoties strāvai, rezistora temperatūra pakāpeniski pieaug. Noteiktā temperatūrā tā pretestība sāk strauji samazināties. Tas arī izraisa sprieguma krituma samazināšanos.

Fotorezistoru darbības pamatā ir pusvadītāja īpašība samazināt pretestību gaismas ietekmē. Neapgaismotā fotorezistorā ir maz brīvo lādiņnesēju pāru. Apgaismojot fotorezistoru, gaismas enerģijas ietekmē sabrūk kovalentās saites, rodas brīvi lādiņnesēji un samazinās rezistora pretestība.

Varistoros izmanto pusvadītāja (silīcija karbīda) īpašību samazināt pretestību, pieaugot spriegumam.

p-n pāreja 

P-n pāreja ir robežslanis starp n tipa un p tipa apgabaliem.

Pusvadītāju diode 

Pusvadītāju diode ir no pusvadītāja izveidots p-n pāreja, kura ievietota hermētiskā metāla, stikla vai plastmasas korpusā.

Tranzistors 

Tranzistors sastāv no divām virknē slēgtām p-n pārejām.

Atsauces