Full resolution (JPEG) - On this page / på denna sida - H. 31. 1 september 1951 - Transistorn — kristalldetektorns redivivus, av Dick Lundqvist, Rolf Gezelius och Torkel Wallmark
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>
Below is the raw OCR text
from the above scanned image.
Do you see an error? Proofread the page now!
Här nedan syns maskintolkade texten från faksimilbilden ovan.
Ser du något fel? Korrekturläs sidan nu!
This page has never been proofread. / Denna sida har aldrig korrekturlästs.
’64
TEKNISK TIDSKRIFT
Fig. /. Bandschema för metall, isolator och halvledare;
1 Ferminivå, 2 valenselektronband, 3 ledningsband, a
en-värd metall med halvfyltd valenselektronnivå, b isolator
eller halvledare med fullt valenselektronband och
energisprång till ledningsnivån, c tvåvärd metall med fullt
valenselektronband, som överlappas av ledningsbandet.
Atomradie
Fig. 2. Samband mellan atomradie och energisprång från
valenselektronbandet till ledningsbandet i
diamantstrukturen hos C, Si, Ge och oc—Sn; kurvan extrapolerad till
motsvarande hypotetiska värde för Pb.
Ledare och isolatorer
I fig. 1 a visas schematiskt förhållandet i
valenselektronbandet hos en envärd metall, där antalet tillåtna nivåer
inom bandet är dubbelt så stort som antalet elektroner, så
att dessa kan röra sig mycket lätt inom bandet, varigenom
den elektriska ledningsförmågan blir hög. Med
Fermi-nivån, som markerats i fig. 1, förstår man den nivå, vid
vilken sannolikheten för att finna en elektron skall vara
Hos metallerna är Fermi-nivåns läge den översta fyllda
nivåns läge i metallens grundtillstånd.
Hos ett element med ett jämnt antal valenselektroner, t.ex.
4, är valenselektronbanden normalt fyllda, och nästa band,
ledningsbandet, tomt som i fig. 1 b. Ett sådant element
borde därför vara en isolator, eftersom elektronerna inte
kan höja eller sänka sig inom det fulla bandet. Bredden på
den förbjudna zonen, energigapet, mellan det översta
valenselektronbandet och ledningsbandet varierar emellertid
från element till element på ett sätt som framgår av fig. 2.
Där har sambandet mellan energigapets vidd och
atomradien angivits för diamantstrukturen, som är den
gemensamma gitterformen för C diamant, Si, Ge och oc—Sn. Hos
diamant är energidifferensen &—7 eV. En elektron kan
lyftas till ledningsbandet t.ex. genom kollision med en
oc-partikel, och därvid åstadkomma en tillfällig
ledningsförmåga, som utnyttjas i bl.a. kristallräknare. Den
termiska energin vid rumstemperatur, ca 0,025 eV, är dock
otillräcklig för att aktivera någon elektron till
ledningsbandet och diamant är därför normalt en god isolator.
Egenhalvledare
Hos Si och Ge är energidifferenserna endast 1,11 resp.
0,73 eV. Den termiska energin vid rumstemperatur räcker
då till för att lyfta ett litet antal av elektronerna ur
valensbandet till ledningsbandet och ger de rena materialen
en ledningsförmåga av storleken 10"6 resp. 10"2 ohm"1 cm"1.
Varje elektron som lämnar valensbandet efterlämnar ett
tomrum, en ledigbliven nivå. Genom att andra elektroner
i valensbandet nu kan förflyttas till den lediga nivån, kan
tomrummet, eller hålet, vandra i valensbandet och därvid
fungera som en positiv laddningsbärare i ett tomt band.
Med stigande temperatur lyftes fler elektroner till
ledningsbandet. Antalet elektroner i ledningsbandet blir
proportionellt mot om £ > kT, där E är energigapet
mellan banden. Eftersom detta ger en exponentiell ökning
av antalet elektroner med T bör ledningsförmågan öka
ex-ponentiellt med temperaturen.
Den typ av ledningsförmåga, som vi här diskuterat, kallar
vi för egenledningsförmåga, eller egenhalvledning,
eftersom den är en för det rena materialet specifik egenskap.
Störhalvledare
I de flesta fall möter man hos halvledarmaterial en
ledningsförmåga, som är mycket större än vad som svarar
mot deras egenhalvledning. Det finns alltså många fler
elektroner i ledningsbandet eller hål i
valenselektronbandet än vad som svarar mot den mekanism, som vi nyss har
diskuterat.
Dessa extra laddningsbärare härrör oftast från
främmande atomer som finns i gittret, störatomer, men kan också
uppstå av gitterdefekter. Beroende på hur dessa störcentra
fungerar, indelar vi dem i två klasser: elektrongivare
("donors") och elektrontagare ("acceptors").
Om halvledarmaterialet endast innehåller elektrongivare
talar man om ledning genom elektronöverskott, eller,
eftersom laddningsbärarna är de negativa elektronerna, om
n-ledning. Medan aktiveringsenergin hos egenhalvledande
Ge är ca 0,73 eV är den hos n-ledande Ge endast ca 0,04 eV,
varför vid rumstemperatur praktiskt taget alla störcentra
är joniserade. Om halvledaren endast innehåller
elektrontagare får man en ledningsförmåga, som uteslutande
härrör från positiva hål, och man säger, att man har p-ledning.
Naturligtvis kan man i en och samma halvledare råka
få in störsubstanser av båda typerna samtidigt; när det
gäller likriktande system är det just detta som måste
undvikas.
Ledningsförmågans storlek beror på antalet fria elektro-
Fig. 3. Samband mellan konduktivitet och antalet
störatomer per cm3 i Si och Ge vid 300°K (enl. Lark-Horowitz1).
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>
