ημιαγωγοί

Ύλες που έχουν ηλεκτρική αγωγιμότητα μικρότερη από εκείνη των μετάλλων, αλλά όχι τόσο χαμηλή όπως στην περίπτωση των μονωτών. Η θεωρία της αγωγιμότητας ταξινομεί ως η. τις ύλες εκείνες, στις οποίες η ενεργειακή διαφορά στάθμης μεταξύ γειτονικών στιβάδων είναι μικρή, αλλά οπωσδήποτε τέτοια ώστε να επιτρέψει τη μεταπήδηση των ηλεκτρονίων κάτω από τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου κατάλληλης έντασης. Στην πράξη, είναι αρκετή η θερμική ενέργεια για να προκαλέσει την ευκινησία των ηλεκτρονίων και αυτός είναι o λόγος για τον οποίο με την αύξηση της θερμοκρασίας στους η. αυξάνει η αγωγιμότητά τους (το γεγονός αυτό είναι ένα πρακτικό κριτήριο για τη διάκριση των η.), αντίθετα από ό,τι συμβαίνει στους αγωγούς. Για σκοπούς πρακτικών εφαρμογών είναι ενδιαφέρον να εξετάσουμε τι συμβαίνει στην ιδιαίτερη περίπτωση –και σχετικά απλή– σε ορισμένα υλικά, όπως παραδείγματος χάριν στους κρυστάλλους γερμανίου και πυριτίου. Το γερμάνιο και το πυρίτιο είναι χημικά στοιχεία τετρασθενή (δηλαδή στην εξωτερική στιβάδα έχουν 4 ηλεκτρόνια). Στην περίπτωση αυτή τα άτομα που αποτελούν το κρυσταλλικό πλέγμα είναι ενωμένα με έναν ιδιαίτερο τύπο δεσμού (ομοιοπολικό δεσμό) διαμέσου των ηλεκτρονίων σθένους. Η θερμική διαταραχή μπορεί να προκαλέσει τη θραύση μερικών τέτοιων δεσμών, με αποτέλεσμα να εμφανιστούν ελεύθερα ηλεκτρόνια που έχουν τη δυνατότητα να μετακινηθούν μέσα στον κρύσταλλο. Εξάλλου οι θέσεις (οπές), που αντιστοιχούν σε θραυσμένους δεσμούς, μπορούν να συμπληρωθούν με ηλεκτρόνια από γειτονικούς δεσμούς. Με την παρουσία ενός ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να έχουμε επομένως μια ροή ρεύματος δύο τύπων, που οφείλεται είτε σε ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε σε εκείνα που περνούν από έναν δεσμό σε έναν άλλο γειτονικό. Στον τελευταίο αυτό τύπο αντιστοιχεί μια μετατόπιση οπών με αντίθετη διεύθυνση· επομένως οι οπές αυτές συμπεριφέρονται σαν θετικά φορτία. Στην πρώτη περίπτωση, μιλούμε για ροή ρεύματος τύπου Ν (negative = αρνητικός), στη δεύτερη περίπτωση για ροή ρεύματος τύπου Ρ (positive = θετικός). προσμείξεις η.Για την τεχνητή πρόσμειξη των κρυστάλλων γερμανίου ή πυριτίου με άλλα στοιχεία διαφορετικού σθένους (πεντασθενή ή τρισθενή) αυξάνεται η αγωγιμότητα των κρυστάλλων. Αν για παράδειγμα, η πρόσμειξη γίνει με ένα πεντασθενές στοιχείο (αρσενικό, αντιμόνιο) τότε κατά την ενσωμάτωση του στοιχείου αυτού με το τετρασθενές γερμάνιο (ή πυρίτιο) θα προκύψει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο, ενώ η δομή του κρυσταλλικού πλέγματος του κρυστάλλου παραμένει αμετάβλητη. Στην περίπτωση αυτή τα πεντασθενή στοιχεία ονομάζονται δότες (donors), επειδή προσέφεραν ηλεκτρόνια για τη ροή του ρεύματος και ο τύπος της πρόσμειξης τύπου Ν, και το γερμάνιο που προέκυψε από αυτήν την πρόσμειξη, γερμάνιο τύπου Ν. Αντίθετα, αν κατά την πρόσμειξη χρησιμοποιηθεί τρισθενές στοιχείο (ίνδιο, αργίλιο), τότε κατά τον σχηματισμό των δεσμών θα προκύψει μια οπή, με αποτέλεσμα να μετακινηθεί ένα ηλεκτρόνιο γειτονικού δεσμού για να συμπληρωθεί αυτή η οπή. Στην προηγούμενη όμως θέση του ηλεκτρονίου θα δημιουργηθεί μια άλλη οπή, που θα συμπληρωθεί από ένα άλλο ηλεκτρόνιο κλπ. Οι οπές θεωρούνται ως φορείς θετικών φορτίων, ο τύπος αυτής της πρόσμειξης, τύπος Ρ, και o κρύσταλλος, γερμάνιο (ή πυρίτιο), τύπου Ρ. Ένα φαινόμενο μεγάλης σημασίας είναι εκείνο που εκδηλώνεται στις ζώνες επαφής (ενώσεις) μεταξύ ενός η. και ενός μετάλλου ή μεταξύ δύο η. διαφορετικού τύπου. Στην περίπτωση αυτή γίνεται μια ροή ηλεκτρονίων από το ένα υλικό στο άλλο με διεύθυνση που εξαρτάται από τον ιδιαίτερο τύπο της ένωσης. Αυτή η ροή συνεχίζεται ωσότου επέλθει μια κατάσταση εξίσωσης που αντιστοιχεί στην εμφάνιση μιας διαφοράς δυναμικού (δυναμικό φραγμού) μεταξύ των δύο επιφανειών που βρίσκονται σε επαφή και η οποία εμποδίζει την παραπέρα μετανάστευση των ηλεκτρονίων. Στην περίπτωση ενός μετάλλου και ενός η. τύπου Ν, τα ηλεκτρόνια ρέουν από τον η. στο μέταλλο, το οποίο αποκτά ένα αρνητικό δυναμικό ως προς τον η., που εμποδίζει την παραπέρα ροή των ηλεκτρονίων. Αντίθετα, αν ο η. είναι τύπου Ρ, τα ηλεκτρόνια ρέουν από το μέταλλο προς αυτόν (ή οι οπές περνούν από τον η. στο μέταλλο) και το μέταλλο αποκτά ένα θετικό δυναμικό. Όταν στο ζεύγος μέταλλο–η. εφαρμοστεί μια εξωτερική διαφορά δυναμικού με αντίθετη πολικότητα από εκείνη που εμφανίζεται στην ένωση (ορθή πόλωση), τότε η ροή των ηλεκτρονίων αυξάνεται· στην αντίθετη περίπτωση (με πόλωση αντεστραμμένη) η ροή του ρεύματος σχεδόν διακόπτεται. Τo φαινόμενο αυτό είναι εκμεταλλεύσιμο σε μερικούς τύπους διόδων με η. Στην περίπτωση δύο η. διαφορετικού τύπου, τα πολύπλοκα φαινόμενα που εκδηλώνονται στην ένωση μπορούν να περιγραφούν συμβατικά και οι οπές να θεωρηθούν ως πραγματικά θετικά φορτία. Μπορούμε να πούμε ότι έχουμε μια μετανάστευση ηλεκτρονίων από την περιοχή Ν στην περιοχή Ρ και οπών με αντίθετη διεύθυνση, ωσότου η εμφάνιση μιας διαφοράς δυναμικού (δυναμικό φραγμού) μεταξύ των δύο περιοχών εμποδίσει περαιτέρω μεταναστεύσεις. Ανάλογα με ό,τι είδαμε προηγουμένως, σε μια πόλωση ορθή (προωστική πόλωση), αντιστοιχεί ένα ρεύμα σχετικά έντονο· σε μια πόλωση αντεστραμμένη, ένα ρεύμα πρακτικά μηδέν. Στις ιδιότητες αυτές των η., που έχουν μεγάλη σημασία για τη σημερινή τεχνολογία των ηλεκτρονικών, βασίζεται η ανακάλυψη του τρανζίστορ της διόδου, του θυρίστορ κλπ. Σχηματική αναπαράσταση της κίνησης των φορτίων, όταν έρχονται σε επαφή δύο υλικά ημιαγωγών, ένα τύπου N (αριστερά) και ένα τύπου Ρ (δεξιά). Στις ζώνες επαφής (ενώσεις) μεταξύ των δύο υλικών παρατηρείται ροή ηλεκτρονίων και οπών με την κατεύθυνση που δείχνουν τα βέλη. Στην εικόνα, πάνω αριστερά, παρουσιάζεται το πλάτος της ενεργειακής διαφοράς στάθμης μεταξύ γειτονικών στιβάδων. Αυτή η διαφορά στάθμης είναι πολύ μεγάλη (αριστερά) στους μονωτές, μάλλον μικρή στους ημιαγωγούς (τα τρία σχήματα στο κέντρο) και σχεδόν μηδενική στους αγωγούς (δεξιά). Αυτό συμβαίνει είτε διότι η ροή του ρεύματος γίνεται στη χαμηλότερη περιοχή ενέργειας είτε γιατί οι περιοχές υπερτίθενται. Πάνω δεξιά, αναπαριστάνεται το αποτέλεσμα που παράγεται από την παρεμβολή ενός ατόμου αρσενικού (κόκκινο) σε ένα πλέγμα ατόμων πυριτίου· ο γαλάζιος κύκλος δείχνει το ηλεκτρόνιο που ελευθερώνεται από το άτομο του αρσενικού, ενώ η κόκκινη ζώνη δείχνει τη δράση του ιόντος του αρσενικού. Κάτω, φαίνεται η σχηματική αναπαράσταση ενός ημιαγωγού τύπου N (αριστερά), στον οποίο κινούνται τα αρνητικά φορτία (ηλεκτρόνια), και ενός τύπου Ρ (δεξιά), στον οποίο κινούνται οι οπές, οι οποίες υπό την επίδραση μιας ηλεκτρικής τάσης συμπεριφέρονται σαν πραγματικά θετικά φορτία.