Czy krzem to metal? Rozróżnienie między metalami a półprzewodnikami

Metale, półprzewodniki i dielektryki są ciałami stałymi o różnych właściwościach elektronicznych. Półprzewodniki, takie jak german, krzem, arsen, to materiały półprzewodnikowe. Metale mają strukturę krystaliczną i przewodzą prąd elektryczny za pomocą swobodnych elektronów. Półprzewodniki różnią się od metali tym, że prąd elektryczny w nich opiera się na przepływie zarówno swobodnych elektronów, jak i dziur (braków elektronowych).

Wnioski

• Półprzewodniki różnią się od metali mechanizmem prądu elektrycznego.
• W metali prąd elektryczny opiera się na przepływie swobodnych elektronów, podczas gdy w półprzewodnikach prąd składa się zarówno z prądów elektronowych, jak i prądów dziurowych.
• Rezystancja półprzewodników zależy od temperatury i zmienia się w różny sposób wraz z jej wzrostem.

Mechanizm przewodzenia w półprzewodnikach

W półprzewodnikach, takich jak krzem, prąd elektryczny powstaje poprzez generację zarówno swobodnych elektronów, jak i dziur. W temperaturze powyżej zera bezwzględnego termiczna aktywacja przewodnictwa powoduje, że elektrony walencyjne w półprzewodnikach uzyskują wystarczającą energię, aby opuścić pasmo walencyjne i przejść do pasma przewodnictwa. Równocześnie powstają dziury w pasmie walencyjnym. Prąd elektryczny w półprzewodnikach składa się z prądów elektronowych i prądów dziurowych. Rezystancja półprzewodników zależy od temperatury i dynamicznie zmienia się wraz z jej wzrostem.

Prążki na obrazku pokazują przepływ prądu w półprzewodniku. Elektrony przewodzące są oznaczone kolorem niebieskim, a dziury – kolorem czerwonym.

Charakterystyki przewodnictwa w półprzewodnikach

Przewodnictwo w półprzewodnikach jest uzależnione od dwóch mechanizmów: przepływu swobodnych elektronów oraz przemieszczania się dziur. Elektrony przewodzące uzyskują energię wystarczającą do pokonania przerwy energetycznej i przenoszenia się do pasma przewodnictwa. Równocześnie powstają dziury w pasmie walencyjnym, które przemieszczają się w przeciwnym kierunku do swobodnych elektronów.

Rezystancja półprzewodników zależy od temperatury. Wraz z wzrostem temperatury, liczba swobodnych elektronów i dziur zwiększa się, co prowadzi do spadku rezystancji. Działa to na zasadzie przyspieszenia ruchu nośników ładunku i zwiększenia liczby kolizji między nimi.

Powyższa tabela przedstawia charakterystyki przewodnictwa w półprzewodnikach. Prąd elektronowy jest odpowiedzialny za przepływ swobodnych elektronów, podczas gdy prąd dziurowy wynika z przemieszczania się dziur. Oba te prądy składają się na łączny prąd elektryczny w półprzewodniku.

Półprzewodniki typu n i typu p

Półprzewodniki typu n i typu p są dwoma rodzajami półprzewodników różniącymi się od siebie poprzez wprowadzone domieszki do sieci krystalicznej. Domieszki te mają kluczowe znaczenie dla przewodzenia prądu elektrycznego w półprzewodnikach.

Półprzewodniki typu n są rezultatem zastąpienia niektórych atomów krzemu przez domieszki pierwiastków pięciowartościowych, takich jak antymon lub arsen. Te domieszki, nazywane donorami, mają nadmiar elektronów walencyjnych. Te dodatkowe elektrony stają się elektronami przewodzącymi w półprzewodniku typu n.

Domieszki donorowe, takie jak antymon czy arsen, dostarczają dodatkowe elektrony, które zwiększają ilość niesparowanych elektronów w paśmie przewodnictwa półprzewodnika typu n.

W przeciwieństwie do półprzewodników typu n, półprzewodniki typu p wynikają z wprowadzenia domieszek trójwartościowych, takich jak glin czy gal, w miejsce niektórych atomów krzemu. Te domieszki, zwane akceptorami, posiadają brakujący elektron w wiązaniu. Powoduje to powstanie dziur w paśmie walencyjnym półprzewodnika typu p.

Akceptory w półprzewodniku typu p posiadają brakujące elektrony, co tworzy dziury w paśmie walencyjnym. Dziury są odpowiedzialne za przenoszenie prądu elektrycznego w półprzewodniku typu p.

Przewodzenie prądu w półprzewodnikach typu n i p jest wynikiem interakcji między dodatkowymi elektronami (typ n) oraz dziurami (typ p), które są generowane poprzez wprowadzenie odpowiednich domieszek. Wybór i kontrola rodzaju domieszek w półprzewodnikach stanowi podstawę dla wielu zastosowań w elektronice, jak np. diody czy tranzystory.

Wnioski

Po przestudiowaniu mechanizmu przewodnictwa w półprzewodnikach możemy wyciągnąć kilka wniosków dotyczących różnic między półprzewodnikami a metalami.

Pierwszą różnicą jest sposób, w jaki prąd elektryczny płynie w tych materiałach. W przypadku metali, prąd opiera się na przepływie swobodnych elektronów, podczas gdy w półprzewodnikach prąd składa się zarówno z prądów elektronowych, jak i prądów dziurowych.

Kolejną istotną różnicą jest zależność rezystancji półprzewodników od temperatury. Rezystancja półprzewodników zmienia się w różny sposób wraz z wzrostem temperatury. Ta właściwość ma duże znaczenie w kontekście zastosowań półprzewodników w dziedzinie elektroniki i inżynierii.

Wnioskiem jest to, że praca półprzewodników opiera się na unikalnych właściwościach przewodzenia, które są inaczej zrealizowane niż w przypadku metali. Zrozumienie tych różnic jest kluczem do wykorzystania półprzewodników w szerokim zakresie aplikacji.

Linki do źródeł

admin