Τι είναι οι ημιαγωγοί;
Οι ημιαγωγοί (semiconductors) είναι τα υλικά που έχουν ειδική αντίσταση με τιμές ανάμεσα σε αυτές των μονωτών (μεγάλη) και των αγωγών (μικρή) η οποία εμφανίζει ραγδαία μείωση με την αύξηση της θερμοκρασίας. Οι ημιαγωγοί παρουσιάζουν ηλεκτρικές ιδιότητες ενδιάμεσες εκείνων των ηλεκτρικών αγωγών (μετάλλων και κραμάτων) και των μονωτών (κεραμικών και πολυμερών).
Ο σημαντικότερος ημιαγωγός είναi το πυρίτιο (Si). Άλλοι ημιαγωγοί είναι το γερμάνιο (Ge), το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs), το φωσφορούχο γάλλιο (GaP), το αντιμούχο ίνδιο (InSb), το θειούχο κάδμιο (CdS) και ο τελλουριούχος ψευδάργυρος (ZnTe).
Το πυρίτιο και το γερμάνιο έχουν στο άτομο τους τέσσερα ηλεκτρόνια στη στιβάδα σθένους (εξωτερική στιβάδα). Όταν τα άτομα πυριτίου ή γερμανίου συνδυάζονται για να σχηματίσουν στερεό, διατάσσονται αυτόματα, σε μια δομή που καλείται «κρύσταλλος». Σε αυτή τη δομή, κάθε ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στοιβάδας του ατόμου συνδέεται με ένα ηλεκτρόνιο από τα γειτονικά άτομα, σχηματίζοντας ομοιοπολικούς δεσμούς. Με τον τρόπο αυτό, τα άτομο του πυριτίου και του γερμάνιου καταφέρνουν να συμπληρώσουν την εξωτερική τους στοιβάδα με οκτώ ηλεκτρόνια, αποκτώντας χημική ευστάθεια.
Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, τα άτομα των κρυστάλλων εκτελούν τυχαίες ταλαντώσεις γύρω από τη θέση ισορροπίας τους. Προφανώς όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος, τόσο μεγαλύτερο γίνεται το πλάτος αυτών των ταλαντώσεων, οπότε ορισμένοι ομοιοπολικοί δεσμοί μπορούν να σπάσουν και το αποδεσμευμένο ηλεκτρόνιο αποκτά επιπλέον ενέργεια ώστε να γίνει ελεύθερο και να κινείται εύκολα στον κρύσταλλο. Η απομάκρυνση του ηλεκτρονίου αφήνει ένα κενό στη στιβάδα σθένους που καλείται «οπή».
Η οπή συμπεριφέρεται σαν θετικό φορτίο, μπορεί να έλκει κάθε ηλεκτρόνιο σθένους που βρίσκεται σε γειτονικό άτομο, δημιουργώντας οπή με τη σειρά της μια νέα οπή. Με τον τρόπο αυτό η οπή καταφέρνει να κινείται στο σώμα του ημιαγωγού, και η κίνηση της θα διακοπεί όταν «επανασυνδεθεί» με ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Όταν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο στον ημιαγωγό, οι οπές θα κινηθούν με κατεύθυνση αντίθετη από εκείνη των ελεύθερων ηλεκτρονίων, σχηματίζοντας ηλεκτρικό ρεύμα.
Σε έναν καθαρό ημιαγωγό, του οποίου όλα τα άτομα είναι ίδια, το ηλεκτρικό ρεύμα που τον διαρρέει, έχει δυο ίσες συνιστώσες: ενός ρεύματος ηλεκτρονίων και ενός ρεύματος οπών, διότι σε ένα καθαρό ημιαγωγό, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ελεύθερων οπών. Ένας τέτοιος ημιαγωγός ονομάζεται ενδογενής ημιαγωγός.
Σε έναν ημιαγωγό η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών (αριθμός/κυβικό εκατοστό) δεν αυξάνεται συνεχώς λόγω θερμικής διέγερσης. Ο μηχανισμός επανασύνδεσης, που είναι ανάλογος των συγκεντρώσεων τους, οδηγεί σε μια κατάσταση ισορροπίας όπου οι ρυθμοί γένεσης και επανασύνδεσης εξισώνονται. Αυτή η διαδικασία καθορίζει τις συγκεντρώσεις των ηλεκτρονίων και των οπών σε ένα καθαρό ημιαγωγό σε κάθε θερμοκρασία και κατ’ επέκταση την αγωγιμότητα και ειδική αντίσταση του σε κάθε θερμοκρασία. Σε έναν καθαρό ημιαγωγό η αντίσταση ελαττώνεται εκθετικά με τη θερμοκρασία.
Με πληροφορίες από learnelectronics.gr
