Slika 1.0-1 Prikaz atoma silicija u obliku (a) prostorne rešetke i (b) ravninske rešetke
1.0.2 Poluvodiči
Poluvodičima se nazivaju tvari čija je vodljivost puno veća od vodljivosti izolatora (> 10-6 S/m), a puno manja od vodljivosti vodiča (< 105 S/m). Poluvodiči predstavljaju temelj elektronike i čine osnovnu građu dioda, tranzistora i ostalih elektroničkih elemenata i sklopova. U početku razvoja elektronike elektronički elementi su se izgrađivali od poluvodiča germanija. Od početka šezdesetih godina, germanij se postepeno zamjenjuje silicijem. Silicij ima bolja toplinska svojstva i predstavlja najrasprostranjeniji kemijski element na zemlji iza kisika. Danas se u elektronici, posebno u mikrovalnoj elektronici i fotonici, koriste i složeni poluvodiči, npr., galijev arsenid GaAs. Premda razvojem elektroničke tehnologije primjena složenih poluvodiča raste, većina suvremenih elektroničkih elemenata i sklopova je izgrađena na temelju silicija.
Četiri valentna elektrona atoma silicija dijele četiri susjedna atoma silicija smještena u vrhovima pravilnog tetraedra prikazanog na slici 1.0-1(a).
Slika 1.0-1 Prikaz atoma silicija u obliku (a) prostorne rešetke i (b) ravninske rešetke
Konstanta a je udaljenost dvaju susjednih vrhova tetraedra i naziva se konstanta rešetke i za silicij iznosi 5.43x10-10 m kod temperature od 300 K. Kovalentne veze između atoma su prikazane cjevastim spojnicama. U ravninskom prikazu rešetke, na slici 1.0-1(b), valentni elektroni su prikazani crnim točkama, a kovalentne veze između parova atoma zakrivljenim crtama. Dva elektrona, svaki od pojedinog para atoma, doprinose vezi. Ostali dio atoma je na slici 1.0-1(b) prikazan kružnicom s upisanom vrijednošću koja označava naboj atoma u odnosu na naboj elektrona. Tako npr. +4 označava da je naboj četiri puta veći od naboja elektrona. Taj naboj održava ravnotežu naboja atoma.
Silicijevu rešetku čini jedinična ćelija. Jedinična ćelija čini kocku duljine stranica a. Jedinična ćelija povezuje atome silicija raspoređene u formi četiri pravilna tetraedra na način da se u svakom vrhu i središtu stranica kocke jedinične ćelije, nalazi po jedan atom.
Kod silicija gotovo svi valentni elektroni su uključeni u kovalentne veze između atoma te nisu pokretljivi. Kod temperature apsolutne nule, tj. 0 K, valentni elektroni su nepokretni i silicij se ponaša kao izolator. Kod temperatura iznad apsolutne nule, pojedini valentni elektroni zadobiju dovoljno toplinske energije i oslobađaju se kovalentne veze te postaju slobodni elektroni, prema slici 1.0-2.
Treba odrediti koncentraciju atoma čistog silicija kod temperature od 300 K.
Unutar jedinične ćelije se nalaze četiri atoma, četiri pravilna tetraedra. Na vrhovima ćelije se nalazi osam atoma od kojih se svaki dijeli s osam susjednih jediničnih ćelija. U središtima stranica jedinične ćelije se nalazi ukupno šest atoma podijeljenih između dvije jedinične ćelije. Dakle, broj atoma po jediničnoj ćeliji je 4 + (8/8) + (6/2) = 8. Budući je kod silicija konstanta rešetke a = 5.43´ 10-10 m slijedi:
|
Slika 1.0-2 Prekinuta kovalentna veza u kristalu silicija
Koncentracija, gustoća slobodnih elektrona eksponencijalno raste s povišenjem temperature. Pod utjecajem električnog polja elektroni se pokreću i čine struju elektrona. Oslobođeno mjesto elektrona u kovalentnoj vezi se naziva šupljina. Neki drugi oslobođeni valentni elektron koji nema dovoljno energije da ostane slobodan može se premjestiti i popuniti nastalu šupljinu. Dojam je kao da se šupljina premjestila na prethodni položaj elektrona. Budući atom sa šupljinom ima čisti pozitivni naboj, jednak iznosu naboja elektrona, premještanje šupljine predstavlja gibanje pozitivnog naboja suprotno toku elektrona, dakle struju šupljina. Ukupna struja u tvari je jednaka zbroju struje slobodnih elektrona i struje šupljina. Kada se na silicij primijeni električno polje, ukupna struja je mala u odnosu na struju kod vodiča. Vodljivost čistog silicija iznosi 4.35 ´ 10-4 S/m. U stanju ravnoteže, parovi elektron-šupljina se poništavaju rekombinacijom, istom brzinom kao što se i stvaraju.
