반도체 전도성
전류를 전도할 수 있거나 전도하지 않는 물질은 도체와 유전체의 엄격한 구분에만 국한되지 않습니다. 실리콘, 셀레늄, 게르마늄과 같은 반도체와 별도의 그룹으로 분리할 가치가 있는 기타 광물 및 합금도 있습니다.
이러한 물질은 유전체보다 전류를 잘 전도하지만 금속보다 열악하며 전도도는 온도나 조명이 증가함에 따라 증가합니다. 반도체의 이러한 특성으로 인해 조명 및 온도 센서에 적용할 수 있지만 주요 응용 분야는 여전히 전자 제품입니다.
예를 들어 실리콘 결정을 보면 실리콘의 원자가가 4라는 것을 알 수 있습니다. 즉, 원자의 외부 껍질에는 결정에서 4개의 인접한 실리콘 원자에 결합된 4개의 전자가 있습니다. 그러한 결정이 열이나 빛의 영향을 받으면 원자가 전자는 에너지 증가를 받고 원자를 떠나 자유 전자가됩니다. 전자 가스는 금속에서와 같이 반도체의 열린 부피에 나타납니다. 즉, 보류 상태가 발생합니다.
그러나 금속과 달리 반도체는 전자와 정공의 전도성이 다릅니다. 왜 이런 일이 일어나고 무엇입니까? 원자가 전자가 그 위치를 떠날 때 음전하가 부족한 영역("정공")이 이전 위치에 형성되고 현재는 양전하가 과도합니다.
인접한 전자는 결과적인 «구멍»으로 쉽게 뛰어들고, 이 구멍이 뛰어든 전자로 채워지는 순간 점프한 전자 대신에 다시 구멍이 형성됩니다.
즉, 정공은 반도체의 양전하를 띤 이동 영역임을 알 수 있다. 그리고 반도체가 EMF 소스가 있는 회로에 연결되면 전자는 소스의 양극 단자로 이동하고 정공은 음극 단자로 이동합니다. 이것이 반도체의 내부 전도성이 발생하는 방식입니다.
전기장이 가해지지 않은 반도체에서 정공과 전도 전자의 움직임은 혼란스러울 것입니다. 결정에 외부 전기장이 가해지면 그 내부의 전자는 전기장에 대항하여 이동하고 정공은 전기장을 따라 이동합니다. 즉, 반도체에서 내부 전도 현상이 발생합니다. 전자뿐만 아니라 정공에 의해서도 발생합니다.
반도체에서 전도는 항상 광자 조사, 온도 영향, 전기장이 가해질 때 등 일부 외부 요인의 영향에서만 발생합니다.
반도체의 페르미 레벨은 밴드 갭의 중간에 떨어집니다. 상부 가전자대에서 하부 전도대로 전자가 전이하려면 밴드갭 델타와 동일한 활성화 에너지가 필요합니다(그림 참조). 그리고 전도대에 전자가 나타나자마자 가전자대에 정공이 생성된다. 따라서 소비된 에너지는 한 쌍의 전류 캐리어를 형성하는 동안 균등하게 나뉩니다.
에너지의 절반(대역폭의 절반에 해당)은 전자 전달에 사용되고 절반은 정공 형성에 사용됩니다. 결과적으로 원점은 스트립 너비의 중간에 해당합니다. 반도체의 페르미 에너지는 전자와 정공이 여기되는 에너지로 반도체의 페르미 준위가 밴드갭 중간에 위치하는 위치는 수학적 계산으로 확인할 수 있지만 여기서는 수학적 계산을 생략한다.
예를 들어 온도가 상승하면 외부 요인의 영향으로 반도체 결정 격자의 열 진동으로 인해 일부 원자가 결합이 파괴되어 일부 전자가 분리되어 자유 전하 캐리어가 됩니다. .
반도체에서는 정공 및 전자의 형성과 함께 재결합 과정이 발생합니다. 전자는 전도대에서 가전자대로 이동하여 결정 격자에 에너지를 부여하고 전자기 복사의 양자를 방출합니다.따라서 각 온도는 정공과 전자의 평형 농도에 해당하며 다음 식에 따라 온도에 따라 달라집니다.
모물질보다 원자가가 높거나 낮은 순수한 반도체의 결정에 약간 다른 물질이 도입될 때 반도체의 불순물 전도성도 있습니다.
예를 들어, 동일한 실리콘에서 정공과 자유 전자의 수가 같다면, 즉 항상 쌍으로 형성되며, 예를 들어 비소와 같은 불순물이 실리콘에 첨가된 경우에는 원자가가 5이면 정공의 수가 자유 전자의 수보다 적을 것입니다. 즉, 많은 수의 자유 전자로 반도체가 형성되고 음으로 대전되면 n 형 (음성) 반도체가됩니다. 그리고 실리콘보다 원자가가 3인 인듐을 혼합하면 더 많은 정공이 생겨 p형(양극) 반도체가 됩니다.
이제 전도성이 다른 반도체를 접촉하면 접촉 지점에서 p-n 접합이 생깁니다. n 영역에서 이동하는 전자와 p 영역에서 이동하는 정공은 서로를 향해 이동하기 시작하고 접촉의 반대쪽에는 반대 전하를 가진 영역이 있습니다(pn 접합의 반대쪽에 ). 전하는 n 영역에 축적되고 p 영역에는 음전하가 축적됩니다. 전이와 관련하여 크리스탈의 다른 부분은 반대로 대전됩니다. 이 위치는 모든 사람의 작업에 매우 중요합니다. 반도체 장치.
이러한 장치의 가장 간단한 예는 하나의 pn 접합만 사용되는 반도체 다이오드로, 한 방향으로만 전류를 전도하는 작업을 수행하기에 충분합니다.
n 영역의 전자는 전원의 양극 쪽으로 이동하고 p 영역의 정공은 음극 쪽으로 이동합니다. 충분한 양전하와 음전하가 접합부 근처에 축적되고 접합부의 저항이 크게 감소하며 전류가 회로를 통해 흐릅니다.
다이오드의 역방향 연결에서는 전자와 정공이 접합부에서 다른 방향으로 전계에 의해 단순히 날아가기 때문에 전류가 수만 배 적게 나옵니다. 이 원칙은 작동합니다 다이오드 정류기.