PUSLAIDININKINES MEDZIAGOS

Puslaidininkiai – tai tokios medžiagos, kurių specifinė varža yra nuo

10-5 Ω . m iki 10 -8Ω ir kuri, kylant temperatūrai, smarkiai mažėja

(priešingai negu laidininkų) 1 paveiksle parodyta D. Mendelejevo periodinės

sistemos puslaidininkių grupė. Cheminio elemento viršuje esantis skaičius

yra elemento eilės numeris, o dešinėje apačioje – puslaidininkio

aktyvacijos energija elektronvoltais. Prie puslaidininkių priskiriama ir

labai daug junginių, pavyzdžiui: SiC, Cu2O, PbS, CdSe, ir t.t.

puslaidininkių specifinė varža, taigi specifinis laidumas labai priklauso

nuo išorinių sąlygų: temperatūros, apšviestumo, elektrinio ir magnetinio

laukų.

Grynųjų puslaidininkių savasis elektrinis laidumas gali būti

dvejopas: elektroninis arba skylinis.

Germanio ir Silicio kristaluose gretimų atomų elektronai sudaro

kovalentinius

ryšius. 2 paveiksle juodi skritulėliai yra valentiniai elektronai o linijos

– kovalentiniai ryšiai. Minėtuose grynuose kristaluose 0 κ temperatūroje

valentinė juosta yra visiškai užpildyta, o laidumo juosta visiškai tuščia (

3 pav.). Toks puslaidininkis yra izoliatorius. Kai temperatūra aukštesnė

kaip 0 κ, dėl atomų šiluminio judėjimo kai kurie valentiniai elektronai,

gavę energijos kiekį, lygų draustinės juostos pločiui, gali peršokti iš

valentinės į laidumo juostą, palikdami valentinėje juostoje laisvą vietą ,

vadinamąją skylę. Įnešus tokį puslaidininkį į elektrinį lauką, laidumo

juostoje elektronai judės iš vieno energijos lygmens į kitą prieš

elektrinio lauko jėgų kryptį. Ši elektronų sudėjimo savybė ir sudaro

elektroninį arba n tipo laidumą. Valentinėje juostoje susidariusios skylės

pasižymi teigiamo krūvio pertekliumi, nes prieš peršokant elektronams į

teigiamą juostą tuos vvietos buvo neutralios. Vadinasi, skylės krūvis yra

teigiamas ir skaitine verte yra lygus elektrono krūviui. Veikiant

elektriniam laukiui, į skylę gali pereiti elektronas, o skylė pasislinkti į

jo vietą. Jos užleidžia vieta prieš elektrinį lauką valentinėje juostoje

judantiems elektronams, o pačios slenka elektrinio lauko kryptimi tartum

perneša teigiama krūvį ir sudaro elektros srovę. Sykiu judėjimo valentinėje

juostoje yra vadinama skyliniu, arba p tipo laidumu. Toks grynųjų

puslaidininkių elektroninis skylinis laidumas vadinamas savuoju laidumu.

Dažnai puslaidininkiuose vyksta atvirkščias procesas – rekombinacija.

Šiuo atveju elektronai peršoka iš laidumo juostos į valentinėje juostoje

laisvą vietą – skylę. Tuo būdu elektronas neutralizuoja skylės teigiamą

krūvį ir dalyvauja tarpatominiame ryšyje. Rekombinacijos procesas mažina

puslaidininkio laidumą.

Visiškai grynų, be priemaišų ir defektų, puslaidininkių gamtoje nėra.

O ir dirbtiniu būdu jų nepavyksta pagaminti. Kai kurios nedidelės

koncentracijos priemaišos gerokai padidina puslaidininkių elektrinį

laidumą, kuris šiuo atveju vadinamas priemaišiniu elektriniu laidumu.

Priemaišomis vadiname kitų cheminių elementų atomus. Elektriniuose

priemaišiniuose puslaidininkiuose priemaišos atomams sudarius ryšį su

puslaidininkio atomais, lieka nesurištų elektronų. Pavyzdžiui, jeigu vieną

germanio atomą pakeisime penkiavalenčio fosforo atomu, tai priemaišos atomo

4 valentiniai elektronai bus surišti su gretimais germanio atomais, o

penktasis elektronas valentiniame ryšyje nedalyvaus, jis bus silpniau

surištas su branduoliu ir galės lengviau pereiti į laidumo juostą. Šis

priemaišos atomų penktųjų elektronų energijos lygmuo yra draustinėje

juostoje arčiau laidumo juostos apatinės dalies. ir vadinamas donoriniu

lygmeniu, o tokie priemaišos aatomai vadinami donoriniais atomais. Donorinių

lygmenų elektronų aktyvacijos energija ∆Wd yra daug mažesnė negu grynųjų

puslaidininkių aktyvacijos energija ∆W ir yra lygi dešimtosioms ar net

šimtosioms elektronvolto dalims. Nedidelės šiluminės, šviesos ir kitos

energijos pakanka šiems elektronams perkelti į laidumo juostą. Tokiuose

puslaidininkiuose atsiranda priemaišinis elektroninis laidumas, arba n tipo

laidumas; jų savasis laidumas yra mažas palyginti su priemaišiniu laidumu.

Dabar imkime kitą pavyzdį. Keturvalenčio germanio gardelės vieną

atomą pakeiskime priemaišos trivalenčio boro atomu. Pastarajam trūksta

elektrono kovalentiniam ryšiui sudaryti su germanio atomais. Trūkstamą

valentinį elektroną jis pasiskolina iš gretimo germanio atomo, o ten

atsiranda teigiama skylė. Šią skylę gali užimti elektronas iš gretimo

germanio atomo, o nauja, teigiama skylė atsiras pastarajame ir t.t. taip

nuosekliai skylė juda elektrinio lauko kryptimi valentinėje juostoje.

Keturvalenčio puslaidininkio draustinėje juostoje elektronų neužpildyti

nauji energijos lygmenys vadinami akceptoriniais lygmenimis, o priemaišos

atomai akceptoriais atomais. Akceptoriniai lygmenys išsidėsto šiek tiek

virš valentinės juostos (4 pav.). Pereiti iš valentinės juostos viršutinės

dalies i akceptorinį lygmenį pakanka daug kartų mažesnės energijos ∆Wa už

draustinės juostos plotį ∆W. Iš užpildytos valentinės juostos elektronai

lengvai peršoka į akceptorinius lygmenis, o valentinėje juostoje atsiranda

teigiamos skylės. Šiuo atveju valentinė juosta yra skylinio laidumo juosta.

Elektrinio lauko veikiami elektronai nuosekliai užpildo valentinėje

juostoje teigiamas skyles, šios juda elektrinio lauko kryptimi. Toks skylių

judėjimas elektrinio lauko kryptimi sudaro skylinį arba p tipo, laidumą.

Labai svarbi ppuslaidininkių savybė yra ta, kad jų elektrinė varža,

kylant temperatūrai, sparčiai mažėja, arba sparčiai didėja savasis

laidumas. Juostinės teorijos požiūriu šis reiškinys aiškinamas taip.

Grynasis puslaidininkis 0 κ temperatūroje yra izoliatorius. Kadangi

puslaidininkio draustinė juosta yra siaura, tai, temperatūrai didėjant, kai

kurie valentiniai elektronai įgauna pakankamai energijos peršokti iš

valentinės juostos į laidumo juostą. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo daugiau

valentinių elektronų peršoka į laidumo juostą, puslaidininkio savasis

laidumas didėja. Metalų elektrinis laidumas, pakėlus temperatūra 1

laipsniu, 1 – 100 0C ribose mažėja apytiksliai 0,3 – 0,4 %, o

puslaidininkių elektrinis laidumas, pakėlus temperatūra 1 laipsniu, tose

pat ribose padidėja 3 – 6 %. Metalų elektrinis laidumas, kylant

temperatūrai, mažėja, o puslaidininkių laidumas – didėja.

Puslaidininkių elektrinio laidumo priklausomybė nuo temperatūros

panaudota šiluminiuose varžose arba termistoriuose, kurie naudojami

temperatūrai matuoti. Termistorių sudaro nedidelis (apie 0,5 mm skersmens)

puslaidininkis rutuliukas (arba plokštelė) su pritvirtintais prie jo

metaliniais kontaktais. Rutuliuko išorinis paviršius apsaugotas nuo drėgmės

ir šviesos izoliacinės medžiagos kiauteliu. Viskas įtaisyta plastmasiniame

laikiklyje, ant kurio galo užmautas antgalis, o puslaidininkio kontaktai

laidais sujungiami su srovės šaltiniu ir mikroampermetru, sugraduotu

temperatūros laipsniais. Kintant temperatūrai, kinta termistoriaus varža,

kartu ir srovės stiprumas grandinėje. Termistorių varža siekia tūkstančius

ar net dešimtis tūkstančių omų, o metalinių termometrų – kelis šimtus omų.

Tai svarbu, kai tarp termistorių ir matuojamojo prietaiso yra didelis

nuotolis, nes pačių termistorių varža vis tiek esti žemiai didesnė už

jungiamųjų laidų varžą. Kadangi termistoriai gali būti labai mažų matmenų,

tai jie tinka matuoti temperatūrai labai mažuose tūriuose, plonuose dujų,

skysčių ir kitokios aplinkos sluoksniuose, tai pat paviršiaus temperatūrai.

Termistoriais matuojama temperatūra grūdų saugyklose, tai pat

dirvožemio temperatūra įvairiose gyliuose.

Iki šiol oro pažemio sluoksnio temperatūra ir drėgmė buvo matuojama

Asmano psichrometru. Pastaruoju metu tam tikslui imta naudoti distancinį

elektropsichrometrą, kuris užrašo temperatūra ir drėgmę.

Miniatiūriniai termistoriai, vadinami mikrotermometrais, sėkmingai

naudojami biologijoje augalų lapų temperatūrai matuoti, tiriant jų šilumos

apykaitą ir aplinka. Jie ypač įvairūs jautrūs labai mažiems temperatūros

pokyčiams. Panašiu principu veikia prietaisas gyvulių temperatūrai matuoti,

vadinamas veterinariniu elektrotermometru.

Minėjome, kad puslaidininkių laidumas priklauso nuo apšviestumo. Iš

puslaidininkių pagaminti prietaisai apšviestumui matuoti vadinami

liuksmetrais.

Pakaitinus n tipo puslaidininkio strypelio vieną galą, toje dalyje

padidėja elektronų koncentracija laidumo juostoje ir jų kinetinė energija.

Elektronų srautas iš aukštesnės temperatūros strypelio galo difunduoja į

žemesnės temperatūros galą. Šaltesnis galas įsielektrina neigiamai, o

karštasis – teigiamai. Jeigu p tipo puslaidininkį, tai valentinėse juostose

skylių srautas difunduos iš strypelio karštojo galo į šaltąjį. Tuo atveju

šaltasis galas įsielektrina teigiamai, o karštasis neigiamai. Tarp

strypelio galų atsiranda potencialų skirtumas, ir jo viduje susidaro

elektrinis laukas, kuris trukdo toliau slinkti elektronams (arba skylėms).

Nusistovi dinaminė pusiausvyra, esant duotojo puslaidininkio strypo galuose

tam tikram potencialų skirtumui. Šis potencialų skirtumas, vadinamas

termoelektrovos jėga, kuri tiesiog proporcingas karštojo ir šaltojo

galų

temperatūrų Ta ir Tb skirtumui (5 pav.):

E = α(Ta – Tb);

čia α – proporcingumo koeficiantas, priklausomas nuo puslaidininkio

prigimties.

Metalams panašus efekto negauname, nes elektronų koncentracija

atitinkamose juostose nepriklauso nuo temperatūros.

Sudarykime iš metalo 1 ir n puslaidininkio 2 termoelementą (6 pav.).

Sulydymo vietą a šildykime. Srovė tekės metale iš karštojo galo a į šaltąjį

galą b, nes puslaidininkyje elektronai slenka iš a į b. O jei sulydysime n

ir p puslaidininkių galus ir šaltajame gale prijungsime matuojamąjį

prietaisą, tai gausime puslaidininkinį termoelementą (7 pav.). Pašildę

sulydytą galą a, gausime kiekviename puslaidininkyje termoelektrovaros

jėgas En ir Ep, kurios susidės, ir bendroji termoelektrovaros jėga bus

lygi:

E = En + Ep = (αn+αp)(Ta-Tb)

Puslaidininkinių termoelementų termoelektrovaros jėgos šimtus

kartų didesnės už metalinių termoelementų. Čia, šiluminę energiją tiesiog

paverčiant elektros energija, naudingumo koeficientas siekia 10-20 ℅.

Praleidžiant elektros srovę dviejų sulydytų n ir p

puslaidininkių grandinę, galima pasiekti, kad temperatūra sumažėtų iki 30

0C ir daugiau (Peltjė efektas), o esant dviejų laipsnių sistemai, šis

temperatūros skirtumas gali pasiekti net 60 0C. Tuo principu veikiantieji

šaldytuvai neturi jjudamų mechanizmų, jų konstrukcija yra daug paprastesnė

negu įprastinių. Juose galime laikyti greitai gendančius žemės ūkio

produktus, pavyzdžiui, pieną, sviestą, kiaušinius ir kt.

Peltjė efektą galima pritaikyti ir gaminant nedidelius

termosus, kuriuose temperatūra būtų 0 0C arba -20C. Tokie termosai labai

reikalingi veislinių reproduktorių spermoms kurį laiką išlaikyti,

transportuojant į rajonus.

Naudota literatūra: B. Kukšas S. Vičas”Fizika”251 –254 puslapiai.

Puslaidininkinės fizikos pagrindai.

J.Janickis “Fizikine Hemija” 72-76 psl.