Elektrivool pooljuhtides

11. klass > Füüsika > 4. kursus: Energia

Pooljuhtideks nimetatakse materjale, mille elektrijuhtivus on halvem kui elektrijuhtidel, kuid parem kui dielektrikutel. Nende peamine erinevus metallidega on see, et kui metallide eritakistus temperatuuri tõustes suurenes (takistus kasvas), siis pooljuhtidel see hoopis kahaneb (takistus väheneb). Nimetatud asjaolu tuleneb pooljuhtide siseehituse eripäradest.

Vaatleme pooljuhtmaterjalide elektrijuhtivus looduses enamlevinud materjali – räni (Si) näitel.

47

Räniaatomi välisel kihil on neli (valents)elektroni. Ränikristallis on kristallvõres igal aatomil vähemalt neli lähinaabrit. Sellist kristalli nimetatakse ka teemanti tüüpi kristallvõreks. Naaberaatomite vahel on kovalentne side – kaks aatomit ühendavad oma valentselektronid moodustades taoliselt elektronpaarid.

Madalatel temperatuuridel on ränikristallis kõik elektronid aatomitega seotud – see tähendab, et vabad laengukandjad puuduvad ning taoline materjal käitub dielektrikuna.

Kui hakata kristalli soojendama, siis hakkavad valentselektronid intensiivsemalt liikuma ning mõned sidemed võivad katkeda – tekivad vabad elektronid, mis annavadki ränile elektrijuhtivuse.

48

Pärast sideme katkemist jääb lahkunud elektroni koht vabaks – neid kohti nimetatakse aukudeks. Kuna augu puhul on tegemist elektroni puudumisega sellest, loetakse aukude elektrilaeng positiivseks. Aukude asukohad kristallides (nagu ka vabade elektronide omad) ei ole püsivad, sest naaberaatomid vahetavad omavahel pidevalt elektrone.

Augud liiguvad nagu vabad elektronidki välise elektrivälja puudumisel kaootiliselt.

Niisiis tekitab pooljuhtide soojendamine laengukandjate paari elektron-auk. Taolise paari hävimist (elektron täidab augu) nimetatakse rekombinatsiooniks. Jääval temperatuuril on laengupaaride tekkimine ja nende rekombinatsioon tasakaalus.

Kui ühendada pooljuht vooluallikaga ning tekitada temas väline elektriväli, hakkavad vabad elektronid liikuma elektrivälja jõujoontele vastupidises suunas, augud aga jõujoonte suunas – tekib laengu¬kandjate suunatud liikumine – elektrivool. Voolu suunaks loetakse positiivse laenguga osakeste – aukude liikumissuunda.

49

Kuna pooljuhtide eritakistustegur (ρ) muutub temperatuuri muutudes väga kiiresti – temperatuuri tõusul eritakistus väheneb, selle langedes aga suureneb, saab pooljuhte kasutada seadmetes – termistorides, mille abil jälgitakse ümbritseva keskkonna temperatuuri ning selle tõusmisel kriitilise piirini, ühendab termistor voolu ahelasse, kus asub alarmseadme (näiteks suitsuanduri helisignaali) või hoopis maandab selle.

50

Joonisel on elektriskeem, kus madalate temperatuuride korral juhitakse elektrivool läbi tarbija (üles). Kui temperatuur ületab teatava kriitilise, rakendub tööle termistor ning vool suunatakse maandusesse.