半導体内の電流
導体と誘電体の間には、抵抗の観点から、 半導体… シリコン、ゲルマニウム、テルルなど。 — 周期表の多くの元素とその化合物は半導体に属します。無機物質の多くは半導体です。シリコンは本質的に他のものよりも幅が広いです。地球の地殻はその30％で構成されています。
半導体と金属の主な顕著な違いは、負の抵抗温度係数にあります。半導体の温度が高くなるほど、電気抵抗は低くなります。金属の場合はその逆で、温度が高くなるほど抵抗は大きくなります。半導体を絶対零度まで冷却すると、 誘電.
半導体の導電率の温度依存性は、濃度が 無料のタクシー運転手 半導体中のβは一定ではなく、温度とともに増加します。半導体を通る電流の通過メカニズムは、金属の場合のように、自由電子のガスのモデルに還元することはできません。このメカニズムを理解するには、たとえばゲルマニウム結晶でそれを観察します。
通常の状態では、ゲルマニウム原子はその外殻に 4 つの価電子、つまり原子核に緩く結合している 4 つの電子を含んでいます。さらに、ゲルマニウム結晶格子内の各原子は、隣接する 4 つの原子に囲まれています。ここでの結合は共有結合であり、価電子の対によって形成されることを意味します。
それぞれの価電子は同時に 2 つの原子に属しており、ゲルマニウム内の価電子とその原子の結合は金属よりも強いことがわかりました。そのため、室温では半導体は金属よりも数桁悪い電流を流します。そして、絶対零度では、ゲルマニウムの価電子はすべて結合で占められ、電流を供給する自由電子は存在しません。
温度が上昇すると、価電子の一部が共有結合を切断するのに十分なエネルギーを獲得します。このようにして自由伝導電子が発生します。ある種の空孔は切断ゾーンに形成されます。 電子のない正孔.
この正孔は、隣接するペアの価電子によって簡単に占有される可能性があり、その後、正孔は隣接する原子の所定の位置に移動します。特定の温度では、結晶内に特定の数のいわゆる電子正孔ペアが形成されます。
同時に、電子と正孔の再結合のプロセスが発生します。正孔が自由電子と出会うと、ゲルマニウム結晶内の原子間の共有結合が回復します。電子と正孔で構成されるこのようなペアは、温度作用だけでなく、半導体が照射されたとき、つまり半導体に入射するエネルギーによっても半導体内に発生する可能性があります。 電磁放射.
外部電場が半導体に加えられない場合、自由電子と正孔は無秩序な熱運動を起こします。しかし、半導体が外部電場に置かれると、電子と正孔は規則正しく動き始めます。そうやって生まれるんだよ 半導体電流.
電子電流と正孔電流で構成されます。半導体では、正孔と伝導電子の濃度は等しく、純粋な半導体でのみこれが等しくなります。 正孔伝導機構…これは半導体の固有の電気伝導率です。
不純物伝導（電子と正孔）
半導体に不純物が含まれると、純粋な半導体に比べて電気伝導度が大きく変化します。シリコン結晶にリンの形で不純物を 0.001 原子パーセント添加すると、導電率が 100,000 倍以上増加します。不純物が導電率に与えるこのような重大な影響は理解できます。
不純物の導電率が大きくなる主な条件は、不純物の価数と親元素の価数の差です。このような不純物伝導を 不純物伝導性であり、電子と正孔の可能性があります。
ゲルマニウム結晶自体の原子の価数は 4 ですが、ヒ素などの 5 価の原子が結晶に導入されると、ゲルマニウム結晶は電子伝導性を持ち始めます。五価のヒ素原子がゲルマニウム結晶格子の代わりにある場合、ヒ素原子の外側の 4 つの電子は、隣接する 4 つのゲルマニウム原子と共有結合に関与します。ヒ素原子の 5 番目の電子は自由になり、簡単に原子から離れます。
そして電子が残した原子は半導体の結晶格子の代わりに陽イオンになります。これは、不純物の価数が主原子の価数よりも大きい場合の、いわゆるドナー不純物です。ここでは多くの自由電子が出現するため、不純物の導入により半導体の電気抵抗は数千倍、数百万倍も低下します。不純物を多量に添加した半導体は、導電性が金属に近づきます。
電子と正孔はヒ素ドープゲルマニウム結晶の固有の導電性を担っていますが、ヒ素原子から離れた電子が主な自由電荷キャリアです。このような状況では、自由電子の濃度が正孔の濃度を大きく上回り、このような導電性を半導体の電子導電性と呼び、半導体自体をn型半導体と呼びます。
5価のヒ素の代わりに3価のインジウムをゲルマニウム結晶に添加すると、ゲルマニウム原子3個だけと共有結合を形成します。 4 番目のゲルマニウム原子はインジウム原子と結合しないままになります。しかし、共有結合電子は隣接するゲルマニウム原子によって捕獲される可能性があります。インジウムはマイナスイオンとなり、共有結合が存在していた空孔を隣接するゲルマニウム原子が占めることになります。
このように、不純物原子が電子を捕獲する不純物をアクセプタ不純物と呼ぶ。アクセプタ不純物が導入されると、結晶内の多くの共有結合が切断され、電子が共有結合から飛び込むことができる多くの穴が形成されます。電流が存在しない場合、正孔は結晶上をランダムに移動します。
アクセプタは大量の正孔の生成により半導体の導電率を急激に増加させ、これらの正孔の濃度は半導体の固有導電率の電子濃度を大幅に超えます。これが正孔伝導であり、この半導体はp型半導体と呼ばれます。その中の主な電荷キャリアは正孔です。