Puslaidininkiai. Savasis puslaidininkių laidumas

Ilgą laiką inžinieriai ir tyrėjai nesidomėjo puslaidininkiais, nes jie mažiau laidūs elektros srovei nei metalai ir pasižymi blogesnėmis izoliacinėmis savybėmis nei izoliatoriai. Puslaidininkiais ypač susidomėta XX a. ketvirtajame–šeštajame dešimtmetyje, nes buvo pastebėtas geras jų pritaikomumas elektronikoje, ryšio sistemose, saulės baterijų gamyboje. Puslaidininkiais vadinamos medžiagos, kurios pagal laidumą elektros srovei užima tarpinę padėtį tarp laidininkų ir dielektrikų. Šios trys medžiagų grupės skiriasi savitąja varža (žr. 5.1 lentelę). Elektrotechnikoje dažniausiai naudojami grynieji puslaidininkiai (selenas (Se), silicis (Si), germanis (Ge)) ir puslaidininkių junginiai (švino sulfidas (PbS), kadmio sulfidas (CdS)).

Puslaidininkių laidumas priklauso nuo jų temperatūros. Į elektros grandinę įjungus silicio plokštelę elektros srovė grandine neteka – elektros lemputė nešviečia (5.4.1 pav., a). Silicio plokštelę pakaitinus elektros lemputė ima šviesti (5.4.1 pav., b). Kaitinamos silicio plokštelės varžai sumažėjus elektros srovės stipris grandinėje padidėja ir lemputė užsidega. Vadinasi, didinant puslaidininkio temperatūrą jo varža mažėja, o srovės stipris didėja (5.4.1 pav., b).

Puslaidininkiai nuo laidininkų skiriasi savitosios varžos priklausomybe nuo temperatūros. Kylant temperatūrai laidininkų (1) savitoji varža didėja, o puslaidininkių (2) mažėja (5.4.2 pav.). Esant žemai temperatūrai puslaidininkių savitoji varža yra didelė, todėl puslaidininkiai panašūs į izoliatorius. Kylant temperatūrai puslaidininkių varža staigiai mažėja (5.4.2 pav.). Norint suprasti, kodėl puslaidininkių varža priklauso nuo temperatūros, reikia aptarti jų sandarą.

Periodinėje elementų lentelėje puslaidininkiai išsidėstę IV, V ir VI grupėse (žr. 5 priedą). Vadinasi, jų atomai išoriniame sluoksnyje turi po 4–6 valentinius elektronus. Kai temperatūra žema, šie elektronai stipriai susiję su atomų branduoliais ir laisvųjų elektronų beveik nėra. Dėl to puslaidininkių savybės žemoje temperatūroje panašios į dielektrikų.

Puslaidininkių atomai išsidėstę kristalinės gardelės mazguose ir tarpusavyje susieti kovalentiniu ryšiu. Susidarant šiam ryšiui iš kiekvieno atomo dalyvauja po vieną valentinį elektroną. Pavyzdžiui, silicis yra keturvalentis cheminis elementas. Vadinasi, jis gali sudaryti keturias jungtis – keturis kovalentinius ryšius – su gretimais atomais (5.4.3 pav.). Kovalentinius ryšius sudarantys elektronai priklauso ne tik konkretiems atomams, bet ir visam kristalui.

Kaitinant puslaidininkį valentinių elektronų greitis didėja. Jie atitrūksta nuo atomų ir tampa laisvaisiais elektronais. Elektronų tapsmą laisvaisiais elektronais galima palyginti su automobilio nuvažiavimu nuo kelio posūkyje dėl per didelio greičio (5.4.4 pav.). Veikiami elektrinio lauko laisvieji elektronai juda ir sukuria elektros srovę – lemputė įsižiebia (5.4.1 pav., b). Puslaidininkių laidumas, kurį lemia juose esantys laisvieji elektronai, vadinamas elektroniniu laidumu, arba n laidumu (lot. negativus – neigiamas).

Elektronui išlėkus iš judėjimo trajektorijos kovalentinis ryšys nutrūksta. Atsiranda laisva vieta, kuri vadinama skyle (5.4.5 pav.).

Priemaišų neturintys puslaidininkiai vadinami grynaisiais puslaidininkiais, o tokių puslaidininkių laidumas – savuoju laidumu. Grynajame puslaidininkyje teka dvi srovės: elektronų judėjimo sukelta srovė (I_e) ir skylių judėjimo sukelta srovė (I_s):

I=I_{\mathrm{e}}+I_{\mathrm{s}}.

Savojo puslaidininkių laidumo atveju srovės yra apytiksliai vienodos:

I_{\mathrm{e}}\approx I_{\mathrm{s}}.

Savasis puslaidininkių laidumas yra menkas, nes grynuosiuose puslaidininkiuose mažai laisvųjų elektronų ir skylių.

Tarkime, kad fantastinio filmo robotas turi keturias rankas. Vadinasi, jis gali susikibti už rankų su keturiais tokiais pat robotais – sudaryti keturias jungtis. Kiekvieną jungtį sudaro dvi rankos, kiekvienoje rankų jungtyje yra po kamuoliuką. Tarkime, kad vienam robotui pradėjus stipriai svyruoti apie pusiausvyros padėtį nutrūksta ryšys su kito roboto ranka. Ryšiui nutrūkus nelieka jungties tarp gretimų robotų ir kamuoliukas iškrinta. Kamuoliuką prilyginus laisvajam elektronui, o nutrūkusią rankų jungtį sutapatinus su skyle galima lengviau suprasti elektroninio ir skylinio laidumo prigimtį.