İletken direnci. İletkenlik. Dielektrikler. İletken ve yalıtkanların uygulanması. Yarı iletkenler.
Fiziksel maddeler elektriksel özellikleri bakımından çeşitlilik gösterir. Maddenin en kapsamlı sınıfları iletkenler ve dielektriklerdir.
İletkenler
İletkenlerin ana özelliği- termal harekete katılan ve maddenin tüm hacmi boyunca hareket edebilen serbest yük taşıyıcılarının varlığı.
Kural olarak bu tür maddeler arasında tuz çözeltileri, eriyikler, su (damıtılmış olanlar hariç), nemli toprak, insan vücudu ve tabii ki metaller bulunur.
Metaller elektrik yükünün en iyi iletkenleri olarak kabul edilir.
Metal olmayan çok iyi iletkenler de vardır.
Bu tür iletkenler arasında en iyi örnek karbondur.
Tüm iletkenler gibi özelliklere sahip rezistans
Ve iletkenlik
. Bir maddenin atomları veya iyonları ile çarpışan elektrik yüklerinin, elektrik alanındaki hareketlerine karşı bir miktar direnci aşması nedeniyle, iletkenlerin elektrik direncine sahip olduğunu söylemek gelenekseldir ( R).
Direncin karşılıklılığına iletkenlik denir ( G).
G = 1/R
Yani iletkenlik – Bir iletkenin elektrik akımını iletme özelliği veya yeteneğidir.
Bunu anlamalısın iyi rehberler elektrik yüklerinin akışına karşı çok düşük bir direnci temsil eder ve buna göre, yüksek iletkenliğe sahip. İletken ne kadar iyi olursa iletkenliği de o kadar artar. Örneğin, bir bakır iletken b'ye sahiptir. O
iletkenliği alüminyum iletkenden daha yüksektir ve gümüş iletkenin iletkenliği bakırdan yapılmış aynı iletkenden daha yüksektir.
Dielektrikler
Dielektrikler şunları içerir: her şeyden önce elektrik yüklerini çok zayıf ileten gazlar. Cam, porselen, seramik, kauçuk, karton, kuru ahşap, çeşitli plastikler ve reçinelerin yanı sıra.
Öğeler Dielektriklerden yapılanlara yalıtkan denir. Yalıtkanların dielektrik özelliklerinin büyük ölçüde ortamın durumuna bağlı olduğu unutulmamalıdır. Bu nedenle, yüksek nem koşullarında (su iyi bir iletkendir), bazı dielektrikler dielektrik özelliklerini kısmen kaybedebilir.
İletken ve yalıtkanların kullanımı hakkında
Örneğin Evdeki tüm elektrik kabloları metalden yapılmıştır (çoğunlukla bakır veya alüminyum). Ve bu kabloların kılıfının veya prize takılan fişin, iyi yalıtkan olan ve elektrik yüklerinin geçmesine izin vermeyen çeşitli polimerlerden yapılmış olması gerekir.
Not edilmelidir"İletken" veya "yalıtkan" terimlerinin kalite özelliklerini yansıtmadığı: Bu malzemelerin özellikleri aslında çok iyi ile çok kötü arasında değişmektedir.
Gümüş, altın, platin çok iyi iletkenlerdir ancak bunlar pahalı metallerdir, bu nedenle yalnızca fiyatın ürünün işlevine göre daha az önemli olduğu yerlerde (uzay, savunma) kullanılırlar.
Bakır ve alüminyum da iyi iletkenlerdir ve aynı zamanda ucuzdurlar, bu da onların yaygın kullanımını önceden belirlemiştir.
Aksine, tungsten ve molibden zayıf iletkenlerdir ve bu nedenle elektrik devrelerinde kullanılamazlar (devrenin çalışmasını bozarlar), ancak bu metallerin yüksek direnci refrakterlik ile birleştiğinde akkor lambalarda kullanımlarını önceden belirlemiştir. ve yüksek sıcaklık ısıtma elemanları.
İzolatörlerçok iyileri de var, sadece iyileri ve kötüleri. Bunun nedeni, gerçek dielektriklerin çok az sayıda olmasına rağmen serbest elektronlar da içermesidir. Yalıtkanlarda bile serbest yüklerin ortaya çıkması, elektronların termal titreşimlerinden kaynaklanmaktadır: yüksek sıcaklığın etkisi altında, bazı elektronlar hala çekirdekten ayrılmayı başarmakta ve dielektrikin yalıtkan özellikleri bozulmaktadır. Bazı dielektrikler daha fazla serbest elektrona sahiptir ve yalıtım kalitesi buna bağlı olarak daha kötüdür. Örneğin seramik ve kartonu karşılaştırmak yeterlidir.
En iyi yalıtkan ideal bir boşluktur, ancak Dünya'da pratik olarak ulaşılamaz. Kesinlikle saf su da mükemmel bir yalıtkan olacaktır, ancak bunu gerçekte gören var mı? Ve herhangi bir yabancı maddenin bulunduğu su zaten oldukça iyi bir iletkendir.
Bir yalıtkanın kalitesinin kriteri, belirli bir devrede gerçekleştirmesi gereken işlevlere uygunluğudur. Bir malzemenin dielektrik özellikleri, içinden herhangi bir sızıntının ihmal edilebilecek düzeyde olması (devrenin çalışmasını etkilememesi) halinde, bu tür bir malzemenin iyi bir yalıtkan olduğu kabul edilir.
Yarı iletkenler
maddeler var, iletkenlikleri bakımından iletkenler ve dielektrikler arasında bir ara yer işgal eder.
Bu tür maddelere denir yarı iletkenler.
Elektrik yüklerinin iletkenliğinin sıcaklığa ve ayrıca yabancı maddelerin konsantrasyonuna güçlü bağımlılığı nedeniyle iletkenlerden farklıdırlar ve hem iletkenlerin hem de dielektriklerin özelliklerine sahip olabilirler.
Metal iletkenlerin aksine artan sıcaklıkla iletkenliğin azaldığı; yarı iletkenlerde artan sıcaklıkla iletkenlik artar ve iletkenliğin ters değeri azaldıkça direnç azalır.
Düşük sıcaklıklarda görüldüğü gibi yarıiletkenlerin direnci pirinç. 1, sonsuza eğilimlidir.
Bu, mutlak sıfır sıcaklıkta bir yarı iletkenin iletim bandında serbest taşıyıcılara sahip olmadığı ve iletkenlerin aksine bir dielektrik gibi davrandığı anlamına gelir.
Sıcaklık arttıkça ve yabancı maddelerin eklenmesiyle (doping), yarı iletkenin iletkenliği artar ve iletken özelliklerini kazanır.
Pirinç. 1. İletkenlerin ve yarı iletkenlerin direncinin sıcaklığa bağımlılığı
Bir numune boyunca, örneğin paralel boru şeklinde elektrik akımının I büyüklüğü, U voltajına ve R numunesinin direncine bağlı olarak belirlenir:
I = U/R = US/rl = gUS/l = gSE (1)
Şu anda bulunduğum yer; l - numune uzunluğu; S - alanı; R - direnç; r - hacimsel direnç; g malzemenin iletkenliğidir.
Bu ilişkiden iletkenliğin elektrik alan kuvveti E = U/l ve akım yoğunluğu j = I/S ile ilişkili olduğu açıktır:
g = j/E veya j = gE (2)
Yarı iletkenlerin ve metallerin g değeri, kristallerin sıcaklığına önemli ölçüde bağlıdır.
Bir katıdaki elektrik akımı, serbest yüklü parçacıkların hareketinden kaynaklanır. Metallerde, serbest elektronların, yarı iletkenlerde serbest elektronların ve deliklerin hareketinden dolayı elektrik akımı ortaya çıkar.
g'nin değeri, n ve p'nin konsantrasyonuna ve mn ve m p'nin hareketliliğine bağlıdır. Hareketlilik değeri, sürüklenme hızı v dr'nin alan kuvvetine oranı olarak belirlenir.
m = v dr /E; [m] = m2 /V×s (3)
Numunenin belirli bir konsantrasyonda taşıyıcıya (elektron n) sahip olduğunu varsayalım. Bir örneğe U voltajı uygulamak, E = U/l voltajı yaratır ve elektronların vn sürüklenme hızıyla hareketinden dolayı devrede bir akım In akar.
Analiz, numunenin kesiti boyunca eşit bir akımın aktığını göstermektedir.
ben n = Q n /t = env n tS/t = env n S = enm n ES (4)
Burada Qn, t süresi boyunca S kesitinden geçen yüktür; e – elektron yükü.
İlişkiyi (2) dikkate alarak elimizdeki
Genel durumda, n ve p tipi taşıyıcıların varlığında
g = g n + g p = enm n + epm p (6)
(2) ve (6) bağıntılarından, devredeki akım yoğunluğunun j iletkenlik g ve sabit bir elektrik alan kuvvetinde (örnek üzerinde sabit voltaj) elektrik alan kuvveti tarafından belirlendiği açıktır; akım yoğunluğu; yalnızca iletkenlik değeriyle belirlenir. G'nin değeri ise sıcaklık, malzeme türü ve safsızlıklara göre belirlenen n, p ve mn, m p değerlerine bağlıdır.
Yük taşıyıcı konsantrasyonunun bağımlılığı
Yarı iletkenlerde ve metallerde sıcaklığa bağlıdır.
Metaller.
Metallerin kristal kafesinin oluşumu sırasında kafesin her atomu, metalin "elektron gazına" bir değerlik elektronu verir. Sonuç olarak, herhangi bir sıcaklıkta, iletim sürecine katılabilecek elektronların sayısı pratik olarak değişmeden kalır ve kafes noktalarının yoğunluğuna eşittir: n @ 10 28 m -3.
Metalin bant diyagramı Şekil 5.a'da gösterilmektedir. Herhangi bir sıcaklıkta bir metalde elektronlar iletim bandındadır, bu da fiziksel olarak serbest oldukları ve kristalin etrafında hareket edebildikleri anlamına gelir. T = 0 o K'da tüm elektronlar daha düşük enerji değerlerine sahiptir (bu sıcaklıkta taşıyıcı hızı v f değeriyle sınırlıdır, enerji ise E f = mv 2 f /2 değeriyle sınırlıdır, (E f Fermi seviyesinin enerjisi) Artan sıcaklıkla (T > 0оК) elektronlar hızlarını (enerjilerini) artırabilir, bu nedenle bazı taşıyıcıların enerji değerleri bant diyagramındaki E f değerinden daha büyük olacaktır; elektron enerjisinde geçiş 1 ile gösterilmektedir (Şekil 4.a).
Yarı iletkenler.
Yarı iletkenlerdeki yük taşıyıcılarının sayısı, malzemenin sıcaklığına ve türüne önemli ölçüde bağlıdır. Çeşitli yarıiletken türlerinin bant diyagramları Şekil 2'de sunulmaktadır. 4.b-g.
0 o K sıcaklıkta serbest taşıyıcı yoktur; İçsel bir yarı iletkende, tüm taşıyıcılar malzemenin kendi atomlarına bağlanır (bant diyagramı dilinde bu, taşıyıcıların değerlik bandında olduğu anlamına gelir). İçsel bir yarı iletken, bant aralığının ortasında bir Fermi düzeyi E f'ye sahiptir.
T = 0'daki donör yarı iletkende tüm serbest taşıyıcılar da yoktur; bunlar malzemenin kendi atomlarıyla (değerlik bandında bulunur) ve safsızlık atomlarıyla (E d seviyesinde bulunur) ilişkilidir.
Düşük sıcaklıklarda safsızlık donör yarı iletkeni için enerji seviyesi Efn iletim bandının tabanına yakındır (Şekil 4.c).
T = 0'daki alıcı yarı iletkende tüm serbest taşıyıcılar da yoktur; elektronlar malzemenin kendi atomlarıyla (değerlik bandında bulunur) ilişkilidir, safsızlık atomları (alıcılar) iyonize değildir. Sıcaklık arttıkça kendi atomları iyonlaşmaya başlar, elektron alıcı tarafından yakalanır (elektron E a alıcı seviyesindedir) ve (valans bandında) bir delik belirir. Safsızlık alıcı bir yarı iletken için enerji seviyesi E fr, değerlik bandının tepesine yakındır (Şekil 4.d).
İçsel yarı iletkenlerde, kendi atomlarının iyonlaşması nedeniyle yük taşıyıcıları (elektronlar ve delikler) ortaya çıkar. Kendi kendine taşıyıcıların konsantrasyonu, ifadeye göre artan sıcaklıkla birlikte artar:
burada Nc , Nv – iletim bandı ve değerlik bandındaki durumların (seviyelerin) yoğunlukları; T – kristal sıcaklığı, K; DE z – bant aralığı genişliği; k – Boltzmann sabiti.
İfadenin (7) logaritmasını alarak şunu elde ederiz:
(8)
Nc, Nv'nin sıcaklığa bağımlılığını ihmal edersek, n(T), (1/T, K)'den ln n koordinatlarındaki düz bir çizgiyle tanımlanır (Şekil 5.a)
Safsızlık yarı iletkenlerinde, taşıyıcıların oluşumu hem içsel atomlardan hem de safsızlık merkezlerinden meydana gelir.
 |
Örneğin, donör safsızlığı DE d'nin iyonlaşma enerjisi, DE h bant aralığından çok daha az olduğundan, sıcaklığın 0 o K'den artmasıyla, safsızlık merkezleri - donörler - ilk önce iyonlaşmaya başlayacaktır.
0 – 150 o K sıcaklık aralığında n(T) bağımlılığı şu şekilde sunulur:
(9)
burada Ed donörlerin iyonizasyon enerjisidir; Nd – donör konsantrasyonu.
ln n(T) = f(1/T) koordinatlarında n(T) bağımlılığı düz bir çizgi parçasıyla temsil edilir (Şekil 5.b, bölüm 1).
T safsızlıklarının iyonlaşma sıcaklığının üzerindeki sıcaklıktaki bir artış, donörlerin tamamen iyonlaşmasına yol açar, dolayısıyla sıcaklıktaki daha fazla artış iyonlaşmayı etkilemez. Bu, T cr aralığında olduğu gerçeğine yol açmaktadır.< Т < Т и концентрацция носителей остается постоянной (Т кр – температура, при которой концентрация генерируемых собственных носителей становится сравнимой с концентрацией доноров).
Böylece, T = 300 – 400 o K sıcaklık aralığında, donörler tamamen iyonize olur, safsızlık kökenli elektronların konsantrasyonu, önemsiz miktarda safsızlıkla bile, kendi kökenli elektronların konsantrasyonundan çok daha yüksektir. Örneğin, %0,001 miktarında yabancı madde katkılı silikon, kimyasal olarak saf kabul edilir. Aynı zamanda bu, 10 23 m -3'lük bir safsızlık konsantrasyonuna karşılık gelir (silikon atomlarının konsantrasyonu 10 28 m -3).
T = 300 - 400 o K'de tüm safsızlık atomları iyonize olduğundan, safsızlık kökenli serbest elektronların konsantrasyonu 10 · 23 m -3'e eşit olacaktır; bu, serbest elektronların ve kendi kökenlerindeki deliklerin konsantrasyonundan çok daha yüksektir ( 300 o K n ben = 10 16 m -3) . Sonuç olarak, önemsiz miktarda safsızlığın eklenmesi, elektron konsantrasyonunu, kendi kökenindeki elektronların konsantrasyonuna kıyasla yedi kat arttırdı. Bu nedenle, T = 300 - 400 o K'de, içsel kökenli elektronların konsantrasyonu ihmal edilebilir ve bir donör yarı iletkeninde çoğunluk taşıyıcılarının konsantrasyonunun yalnızca safsızlık kökenli elektronlar tarafından belirlendiği varsayılabilir; nn = Nd.
T > Tcr sıcaklıklarında, içsel kökenli taşıyıcıların üretimi, bu aralıktaki safsızlık kökenli elektronların sayısını aşan bir dizi taşıyıcı (elektronlar ve delikler) yaratır; bağımlılık n(T) (7) ilişkisi ile tanımlanır; .
Yönergeler.
Kristalin statik akım-gerilim karakteristiği, kristaldeki akımın I(U n) voltajına bağımlılığının incelenmesiyle belirlenir. Kristal direnci I(U n) bağımlılığından grafiksel olarak belirlenir:
Direnç değeri r ve elektriksel iletkenlik, ilişkiler (1) ve (2) dikkate alınarak belirlenir.
(1),
burada I akım, l numunenin uzunluğu, S alan, R direnç, r hacimsel direnç, g malzemenin iletkenliğidir. Kristal parametreleri (uzunluk ve kesit alanı) stand üzerinde gösterilir.
İlişki (1)'den iletkenliğin elektrik alan kuvvetinin büyüklüğü ve akım yoğunluğunun büyüklüğü ile ilişkili olduğunu anlıyoruz:
Yarı iletkenlerin ve metallerin değeri önemli ölçüde kristallerin sıcaklığına bağlıdır.
Kristal bir ısıtıcı kullanılarak dolaylı olarak ısıtılır. Isıtma işlemi sırasında kristalin sıcaklığı bir termokupl kullanılarak kaydedilir.
Numunenin ısıtılması sırasında akımın sıcaklığa bağımlılığı ortadan kaldırılır, ardından bağımlılık hesaplanır ve çizilir 
.
İlişki (3) dikkate alınarak,
burada DE 3 kendi kendini taşıyanların aktivasyon enerjisidir (bant aralığı), s¢ 0 (T) sıcaklığa biraz bağlı olan bir parametredir, elimizdeki
(4).
Böylece, ln g(1/T) koordinatlarında iletkenliğin sıcaklığa bağımlılığı, eğimi şuna eşit olan düz bir çizgi ile temsil edilir:
DE 3, yarı iletkenin bant aralığını gösterirken k, Boltzmann sabitidir (k = 8,625 × 10-5 eV/K = 1,38 × 10-23 J/K).
Grafikte 1/T (T 0 K) değerleri apsis ekseni boyunca çizilmiştir; ordinat ekseni malzemenin iletkenliğinin (g) doğal logaritmasının değeridir.
Yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliğinin sıcaklığa bağlılığı (3) ilişkisiyle açıklanan dikkate alındığında, yarı iletken direncin direnci sıcaklıkla değişir.
(5),
safsızlığın türüne, bant aralığına, safsızlığın aktivasyon enerjisine vb. bağlı olarak sıcaklık hassasiyet katsayısı nerede; R ¥ yarı iletkenin malzemesine ve boyutuna bağlı bir sabittir, T ise Kelvin derece cinsinden sıcaklıktır.
Uygulamada, bant aralığının çok küçük olduğu (0,1 - 0,3 eV) dirençler yaygın olarak kullanılmaktadır, bunun sonucunda sıcaklık arttıkça direnç değeri keskin bir şekilde azalır (termistörler). Termistör direnci birkaç ohm'dan birkaç yüz kiloohm'a kadar değişir.
Sıcaklık hassasiyeti katsayısı B () 700 ila 15000 K arasında bir değere sahiptir ve çalışma sıcaklığı aralığında belirli bir termistör için neredeyse aynıdır.
Termistör direncinin sıcaklık katsayısı, sıcaklık 1 Kelvin değiştiğinde termistör direncindeki bağıl değişimi gösterir.
Sıcaklık katsayısı sıcaklığa bağlı olduğundan bu değerin oluştuğu sıcaklığı belirten bir sonek ile yazılmalıdır. (5)’i hesaba katarsak
(7).
Çeşitli termistörlerin oda sıcaklığındaki TKR değeri –(0,8 – 6,0)×10 -2 K -1 aralığındadır. Termistörlerin negatif sıcaklık direnç katsayısına sahip olduğunu lütfen unutmayın.
Termistörün çalışma elemanı olarak metal oksitlere (örneğin çinko ve titanyum) dayanan yarı iletkenler seçilir.
Yarı iletken cihazların yani pozitiflerin çalışması, artan sıcaklıkla malzemenin direncinin artmasına dayanır. Bunun nedeni, yüksek sıcaklık bölgesindeki yük taşıyıcılarının hareketliliğinin azalmasıdır, bunun sonucunda yarı iletkenin iletkenliği azalmaya başlar. Sonuç olarak, pozitif kristal sıcaklığının artmasıyla birlikte direnci de artar. Özellikle sıcaklıktaki büyük bir artışla birlikte bir pozitifin, yarı iletkenin kendi iletkenlik bölgesine doğru hareket ettiğini ve direncinin azalmaya başlayacağını unutmayın.
Pozistörlerin çalışma elemanı, titanyum baryum bileşiklerine dayanan özel bir seramiktir.
Termistörler ve pozitifleştiriciler elektronik devrelerde ortam sıcaklığını kaydetmek, çeşitli radyasyonların akışlarını değerlendirmek için kullanılır; örneğin, lazerlerden, nükleerden, x-ışınlarından vb. kaynaklanan optik radyasyon, alarm devrelerinde vb.
Ölçümler ve sonuçların işlenmesi
1. Devreyi analiz edin (Şekil 1).
2. Öğretmenin izniyle devrenin gücünü açın: yarı iletkene voltaj uygulayın.
I. Bir yarı iletkenin oda sıcaklığında T 0 akım-gerilim karakteristiğini almak (T 0 değeri laboratuvarda belirlenir).
1. Gerilimi bir potansiyometre ile her 10 V'ta 0'dan 60 V'a artırarak, iletkenden akan akımın gerilime bağımlılığını ortadan kaldırın. Verileri tablo 1'e girin.
Tablo 1.
2. Elde edilen verilere dayanarak, oda sıcaklığında I = f(U) bağımlılığının bir grafiğini oluşturun (en küçük kareler yöntemini kullanarak düz bir grafik oluşturun).
3. Formülü kullanarak her ölçüm için yarı iletken direncini hesaplayın.
6. Parametrelerini dikkate alarak ortalama özdirenç değerini r ve ortalama özgül iletkenlik değerini g hesaplayın (kristal silindir şeklindedir: uzunluk l = 10 mm, çap d = 1 mm). Direnç r ve elektriksel iletkenlik g değeri aşağıdaki ilişkilerle belirlenir:
burada l kristalin uzunluğu, S kristalin kesit alanıdır.
Sonuçları Tablo 1'e girin.
II. Bir yarı iletkenin elektriksel iletkenliğinin sıcaklığa bağımlılığının incelenmesi.
1. Öğretmenin talimatına göre kristalin voltajını ayarlayın. Oda sıcaklığındaki mevcut değeri belirleyin.
2. Yarı iletken ısıtmayı açın. Kristal, "Açık" geçiş anahtarıyla etkinleştirilen bir ısıtıcı kullanılarak ısıtılır. ısıtıcı". Isıtma işlemi sırasında kristalin sıcaklığı kaydedilir. Isıtma işlemi sırasında direnç ve dolayısıyla kristalden geçen akım değişecektir. Örnek akımın değerini 90 0 C'ye kadar farklı sıcaklıklarda kaydedin. Verileri Tablo 2'ye girin.
Tablo 2.
| U = ... V | |||||||
| Ürün no. | T 0, C | T, K | 1/T, K -1 | ben(T), mA | R, Ohm | s, cm/m | Ins |
| 1. | |||||||
| 2. | |||||||
| 3. | … | ||||||
| 4. |
3. Ünitenin ağ bağlantısını kesin.
4. Numunenin ısıtılması sürecinde akımın voltaja bağımlılığı ortadan kaldırılır ve elde edilen verilere göre değer bulunur
.
 |  ,
 |
Lng (1/T) koordinatlarında iletkenliğin sıcaklığa bağımlılığı, eğimi eşit olan düz bir çizgi ile temsil edilir; burada DE 3 bant aralığıdır, k = 1,38×10 23 J/K = 8,625×10 -5 eV/K Boltzmann sabitidir; T – termodinamik sıcaklık;
.
Çalışmanızı korumaya yönelik sorular.
1. İçsel ve safsızlığın (alıcı ve donör yarı iletken) bant diyagramını çizin.
2. Hangi yarı iletkenler (içsel veya safsızlık) oda sıcaklığında daha fazla serbest yük taşıyıcısına sahiptir?
3. Serbest bir taşıyıcının enerjisi E değerine sahip olabilir mi?< Е < Е пр?
4. Safsızlık yarı iletkenindeki çoğunluk yük taşıyıcılarının konsantrasyonu, safsızlık konsantrasyonunun artmasıyla nasıl değişir?
5. Safsızlık yarı iletkenindeki azınlık yük taşıyıcılarının konsantrasyonu, safsızlık konsantrasyonunun artmasıyla nasıl değişir?
6. Germanyum ve silikon aynı sayıda safsızlık merkezine sahiptir. Hangi yarı iletken oda sıcaklığında daha yüksek konsantrasyonda azınlık taşıyıcılarına sahiptir?
7. İçsel ve saf olmayan yarı iletkenler için lnn(1/T) bağımlılığını çizin.
8. Yarıiletkenlerin iletkenliği artan sıcaklıkla düşebilir mi?
9. Yarı iletkenlerin bant aralığı nasıl belirlenir?
LABORATUVAR ÇALIŞMASI 16
FOTORESİSTLERİN İNCELENMESİ
İŞİN AMACI: Kadmiyum kükürt fotorezistörün özelliklerini araştırın
Teçhizat: Fotodirenç, monokromatik ışık kaynağı, mikroampermetre, voltmetre, ampermetre, reostatlar, güç kaynakları.
Teorik bilgiler
Fotoiletkenlik, ışığın etkisi altında bir maddenin iletkenliğinin ortaya çıkmasıdır. Deneyimlerin gösterdiği gibi, aydınlatma altında elektrik iletkenliğinde bir artış, akım taşıyıcılarının konsantrasyonundaki bir artışla ilişkilidir.
Işığın etkisi altında konsantrasyonu artırmanın üç yolu vardır:
1. Işık kuantumu dolu bölgeden bir elektronu çekip iletim bandına atar (Şekil 1), aynı zamanda deliklerin ve elektronların sayısı da artar. Bu durumda foton enerjisi yarı iletkenin bant aralığından biraz daha büyük olmalıdır:
2. Işığın etkisi altında elektronlar dolu (değerlik) banttan dışarı atılır ve serbest safsızlık seviyelerine atılır, delik iletkenliği artarken (Şekil 2), kuantum enerjisi alıcıların aktivasyon enerjisinden biraz daha büyüktür:
3. Işığın etkisi altında elektronlar safsızlık seviyesinden serbest bölgeye atılır ve elektronik iletkenlik artar (Şekil 3). Işık kuantumunun enerjisi, donör safsızlıklarının enerjisinden biraz daha fazladır:
Işığın etkisi altında elektronların dahili salınımı süreci, dahili fotoelektrik etkidir.
Şekil 1, bir yarı iletkende foto taşıyıcıların oluşumunun bir diyagramını göstermektedir: a - içsel, b - donör, c - alıcı.
Işığın hala foto taşıyıcılar oluşturabildiği minimum frekans n 0 (veya maksimum dalga boyu l 0), yani. kırmızı sınır fotoiletkenliği olarak adlandırılan fotoelektrik olarak aktiftir. Formüllerden (1 – 2) fotoiletkenliğin kırmızı sınırını belirleyebiliriz:
Tescilli yarı iletkenler için;
Safsızlık yarı iletkenleri için,
c ışığın boşlukta yayılma hızı iken h Planck sabitidir.
Bant aralığı 2¸3 eV olan içsel yarı iletkenler için fotoiletkenliğin kırmızı sınırı spektrumun görünür kısmına düşer. Pek çok katkılı yarı iletken, bir elektron voltun onda biri düzeyinde safsızlık aktivasyon enerjisine sahiptir. Onlar için fotoiletkenliğin kırmızı sınırı, spektrumun kızılötesi bölgesinde yatmaktadır.
Gerçek bir yarı iletkende fotoiletkenlik, değerlik bandından iletim bandına elektron transferiyle ilişkilidir. Kırmızı sınır, böyle bir transfer için gereken minimum enerji ile belirlenir, yani ilk bakışta aşağıdaki ilişkiyle belirlenmelidir:
Ancak bu tamamen doğru değildir. Gerçek şu ki, ışığı emerken sadece enerjinin korunumu yasasına değil, aynı zamanda momentumun korunumu yasasına da uyulmalıdır. Bir fotonu “yutan” bir elektron yalnızca enerji değil aynı zamanda momentum da alır:
Genel durumda, bir elektron, V 1 hızına sahip olduğu valans bandının rastgele bir seviyesinden ışıkla dışarı atıldığında, hızının V 2 olacağı bir seviyeye kadar iletim bandına fırlatılırsa, korunum yasası geçerlidir. Enerji ve momentumun formu şu şekildedir:
(4)
.
Foton momentumunun nispeten küçük olduğunu (ışık hızının çok yüksek olması nedeniyle) dikkate alırsak (3) ve (4) formülleri birbirine yakın değerler verir. Bu nedenle, bir yarı iletkenin bant aralığını yaklaşık olarak tahmin etmek için formül (3)'ü kullanabilirsiniz.
Absorbsiyon katsayısı çok yüksek olduğunda; Işığın neredeyse tamamı yarı iletkenin çok ince yüzey tabakası tarafından emilir. Bu durumda, fotoelektronların konsantrasyonu çok yüksek olur ve rekombinasyon olasılığını arttırır (yani, taşıyıcı ömründe bir azalma ile değerlik bandına ters geçişleri). Ek olarak, yüzey katmanı her zaman serbest elektronların sürüklenmesini engelleyen çok sayıda kusur ve yabancı madde içerir.
Bu nedenlerden dolayı ışık, yüzey katmanı tarafından frekansta emilir ve gözle görülür bir fotoelektrik etkiye neden olmaz.
Safsızlık içeren bir yarı iletken durumunda enerjinin ve momentumun korunumu yasaları daha karmaşık bir biçime sahiptir ve bu çalışmada dikkate alınmamıştır.
Ana kafesteki bir atomun iyonlaşmasıyla birlikte, ana atomun, elektronun ondan kopmadığı, yalnızca doldurulmamış seviyelerden birine hareket ettiği başka bir uyarılmış durumu mümkündür. Yani elektron delikle bağlantısını kesmez, onunla tek bir sistem oluşturur. Böyle bir sisteme denir eksitonik. Eksiton enerji seviyeleri iletim bandının alt kısmında bulunur (Şekil 2).
Bir eksitonun hareketi, bir elektronun ve bir deliğin ortak hareketi olarak temsil edilebilir. Kabaca şuna benziyor: Bu aşamadaki uyarı "çarparak kapanıyor", yani. elektron normal durumuna döner. Bu durumda açığa çıkan eksiton komşu atoma aktarılır. Eksiton elektriksel olarak nötr bir sistem olduğundan, yarı iletken içindeki görünümleri iletkenlikte bir artışa yol açmaz. Şu anda eksitonların ışığın fotoelektrik olarak aktif emiliminden kaynaklandığı varsayılmaktadır. Ortaya çıktıktan sonra yarı iletkenin hacmi boyunca bir süre dolaşırlar. Saf olmayan atomlarla veya diğer kafes kusurlarıyla çarpıştıklarında eksitonlar ya yeniden birleşir ya da "parçalanır". İlk durumda, uyarılmış atom normal duruma geçer ve ışık kuantumu şeklinde enerji yayılır. İkinci durumda, yarı iletkenin fotoiletkenliğine katkıda bulunan bir elektron “deliği” olan bir çift taşıyıcı oluşur.
Bir yarı iletkenin fotoiletkenliği sıcaklıktan önemli ölçüde etkilenir. Sıcaklık düştükçe akım taşıyıcılarının sayısı azalır. Bu, ilk olarak, yarı iletkenin toplam iletkenliği içinde fotoiletkenliğin göreceli payında bir artışa ve ikinci olarak, fotoiletkenliğin mutlak değerinde bir artışa yol açar, çünkü Taşıyıcı konsantrasyonu azaldıkça fototaşıyıcı rekombinasyon olasılığı azalır.
Sıcaklıktaki bir değişikliğe fotoiletkenliğin kırmızı sınırındaki bir değişiklik denir çünkü bant aralığının değeri değişir.
Yarı iletken fotodirençler pratikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlar ışık röleleridir. Fotodirençler her iki yönde de aynı iletkenliğe sahiptir.
Fotodirençlerdeki fotosellerin aksine, ışık foto emf'sinin etkisi altındadır. ortaya çıkmaz. Fotodirençler farklı dalga boylarına karşı farklı hassasiyete sahiptir. Örneğin, FS-A1 spektrumun kızılötesi bölgesine (l maks = 2,2 μm), FSK - spektrumun görünür bölgesine (l maksimum = 0,38 - 0,78 μm) ve FS-B - en duyarlıdır. görünür ve kızılötesi bölgelerin sınırı (l max = 0,7 µm).
Yapısal olarak, fotodirençler, iletken elektrotlar (3) ve yalıtkan bir aralayıcı (4) arasına yerleştirilmiş bir plastik mahfaza (1), bir yarı iletken katmandan (2) oluşan sıradan omik dirençlerdir (Şekil 3).
Sonuçların ölçülmesi ve işlenmesi
Kurulum şeması
1. Lamba filaman akımını 3 -3,5 A aralığında ayarlayın.
2. Her 5 V'ta bir potansiyometre kullanarak voltajı değiştirerek fotorezistörün akım-gerilim karakteristiğini okuyun. Aynı zamanda (öğretmen tarafından ayarlanır). Ölçüm verilerini tablo 1'e girin.
Tablo 1.
| Ürün no. | l=sabit | U, V | ben, µA |
| 1. | |||
| 2. | |||
| 3. | |||
| 4. | |||
| 5. |
3. Fotorezistörü farklı dalga boylarındaki ışıkla aydınlatarak bağımlılığı ortadan kaldırırken (U a - öğretmen tarafından ayarlanır). 300 ila 900 nm aralığında her 25 nm'de bir okuma yapın. Ölçüm verilerini tablo 2'ye girin.
Tablo 2.
Elde edilen sonuçları grafiksel olarak sunun.
4. Grafiği kullanarak fotorezistörün en hassas olduğu dalga boyunu belirleyin.
Güvenlik soruları
1. Yarı iletkenlerin aydınlatıldığında iletkenliklerindeki artışı ne açıklar?
2. Neden gözle görülür bir fotoğraf efekti yok?
3. Eksitonlar nelerdir?
4. Yarı iletkenlerin fotoiletkenliği sıcaklıkla nasıl değişir?
İlgili bilgiler.
Yarı iletkenler, metallerin elektriksel iletkenliği ile iyi dielektrikler arasındaki aralıkta yer alan belirli elektriksel iletkenlik değerleri ile karakterize edilen geniş bir madde sınıfıdır; yani bu maddeler dielektrik (iyi yalıtkan olmadıkları için) veya metaller (elektrik akımını iyi iletmezler). Yarı iletkenler örneğin germanyum, silikon, selenyum, tellür gibi maddelerin yanı sıra bazı oksitler, sülfitler ve metal alaşımlarını içerir.
Özellikler:
1) Artan sıcaklıkla birlikte, direnci artan sıcaklıkla artan metallerin aksine, yarı iletkenlerin direnci azalır. Ayrıca, kural olarak, geniş bir sıcaklık aralığında bu artış katlanarak meydana gelir. Yarı iletken kristallerin direnci, ışığa veya güçlü elektronik alanlara maruz kaldığında da azalabilir.
2) İki yarı iletkenin temasının tek yönlü iletkenlik özelliği. Çeşitli yarı iletken cihazların oluşturulmasında kullanılan bu özelliktir: diyotlar, transistörler, tristörler vb.
3) Aydınlatma veya ısıtma sırasında belirli koşullar altında çeşitli yarı iletkenlerin kontakları foto-e kaynaklarıdır. d.s. veya buna göre termo-e. d.s.
Yarı iletkenler birçok spesifik özellik bakımından diğer katı sınıflarından farklılık gösterir; bunlardan en önemlileri şunlardır:
1) elektriksel iletkenliğin pozitif sıcaklık katsayısı, yani artan sıcaklıkla yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliği artar;
2) yarı iletkenlerin iletkenliği metallerinkinden daha azdır, ancak yalıtkanlarınkinden daha yüksektir;
3) metallere kıyasla büyük termoelektromotor kuvvet değerleri;
4) yarı iletkenlerin özelliklerinin iyonlaştırıcı radyasyona karşı yüksek duyarlılığı;
5) ihmal edilebilir yabancı madde konsantrasyonlarının etkisi altında fiziksel özellikleri keskin bir şekilde değiştirme yeteneği;
6) kontaklarda akım düzeltme etkisi veya ohmik olmayan davranış.
3. P-n eklemindeki fiziksel süreçler.
Çoğu yarı iletken cihazın ana elemanı elektron-delik birleşimidir ( р-n-bağlantı), biri elektronik iletkenliğe, diğeri delik iletkenliğine sahip olan bir yarı iletkenin iki bölgesi arasındaki geçiş katmanıdır.
Eğitim p-n geçiş. P-n denge durumunda geçiş
Eğitim sürecine daha yakından bakalım p-n geçiş. Harici gerilim olmadığında geçiş durumuna denge denir. Bunu da hatırlayalım R-bölgede iki tür ana yük taşıyıcı vardır: alıcı safsızlık atomlarının sabit negatif yüklü iyonları ve serbest pozitif yüklü delikler; ve içinde N-bölgede ayrıca iki tür ana yük taşıyıcısı vardır: alıcı safsızlık atomlarının sabit pozitif yüklü iyonları ve serbest negatif yüklü elektronlar.
Temastan önce P Ve N alanlar, elektronlar, delikler ve safsızlık iyonları eşit olarak dağıtılır. Sınırda temas üzerine P Ve N alanlarda, serbest yük taşıyıcılarının konsantrasyon gradyanı ve difüzyon ortaya çıkar. Difüzyonun etkisi altında elektronlar N-alan giriyor P ve orada deliklerle yeniden birleşiyor. Delikler R-alanlar gidiyor N-bölgeye gider ve orada elektronlarla yeniden birleştirir. Serbest yük taşıyıcılarının sınır bölgesindeki bu hareketi sonucunda konsantrasyonları neredeyse sıfıra düşer ve aynı zamanda R bölgede, alıcı safsızlık iyonlarının negatif bir uzay yükü oluşur ve N-bölge donör safsızlık iyonlarının pozitif uzaysal yüküne sahiptir. Bu yükler arasında bir temas potansiyeli farkı ortaya çıkar φ ila ve elektrik alanı E k serbest yük taşıyıcılarının derinlerden difüzyonunu engeller P- Ve N- aracılığıyla alanlar p-n- geçiş. Böylece serbest yük taşıyıcılarının elektrik alanıyla birleştiği bölgeye denir. p-n- geçiş.
P-n-Geçiş iki ana parametreyle karakterize edilir:
1. Potansiyel bariyer yüksekliği. Temas potansiyeli farkına eşittir φ ila. Bu, yük taşıyıcı konsantrasyon gradyanının neden olduğu bağlantı noktasındaki potansiyel farktır. Bu, ücretsiz bir yükün potansiyel engeli aşması için sahip olması gereken enerjidir:
Nerede k– Boltzmann sabiti; e– elektron yükü; T- sıcaklık; Hayır Ve N D– sırasıyla delik ve elektron bölgelerindeki alıcı ve vericilerin konsantrasyonları; r r Ve р n– deliklerin konsantrasyonu P- Ve N- alanlar sırasıyla; n ben – Bağlantısız bir yarı iletkendeki yük taşıyıcılarının içsel konsantrasyonu, t = kT/e- sıcaklık potansiyeli. sıcaklıkta T=27 0 C t=0,025V, germanyum bağlantısı için için=0,6V, silikon bağlantı için için=0,8V.
2. pn bağlantı genişliği(Şekil 1), yük taşıyıcılarının tükendiği bir sınır bölgesidir. P Ve N alanlar: l p-n = l p + l n:
Buradan,
Nerede ε – yarı iletken malzemenin bağıl dielektrik sabiti; ε 0 - boş alanın dielektrik sabiti.
Elektron-delik geçişlerinin kalınlığı (0,1-10) µm düzeyindedir. Eğer öyleyse ve p-n-geçişe simetrik denir, eğer , o zaman ve p-n- geçişe asimetrik denir ve esas olarak daha düşük safsızlık konsantrasyonuna sahip yarı iletken bölgede bulunur.
Denge durumunda (harici voltaj olmadan) р-n geçiş, iki karşıt yük akışı hareket eder (iki akım akışı). Bunlar azınlık yük taşıyıcılarının sürüklenme akımı ve çoğunluk yük taşıyıcılarıyla ilişkili difüzyon akımıdır. Harici voltaj ve dış devrede akım olmadığından sürüklenme akımı ve difüzyon akımı karşılıklı olarak dengelenir ve ortaya çıkan akım sıfırdır.
I dr + I diferansiyel = 0.
Bu ilişkiye izole edilmiş (denge) bir ortamda difüzyon ve sürüklenme süreçlerinin dinamik denge koşulu denir. p-n-geçiş.
Temasın olduğu yüzey P Ve N alana metalurjik sınır denir. Gerçekte ise sınırlı bir kalınlığa sahiptir. δ m. Eğer δ m<< l p-n , O p-n- geçişe ani denir. Eğer δ m >> l p-n, O p-n- geçişe pürüzsüz denir.
P-n kendisine uygulanan harici bir voltajla geçiş
Harici voltaj, akımların dinamik dengesini bozar p-n-geçiş. P-n- geçiş dengesizlik durumuna girer. Alanlara uygulanan voltajın polaritesine bağlı olarak p-n-geçiş, iki çalışma modu mümkündür.
1) İleri ofsetp-n geçiş. P-n- Güç kaynağının pozitif kutbu bağlanırsa bağlantının ileri yönlü olduğu kabul edilir. R-alan ve negatif N-alanlar (Şekil 1.2)
İleriye doğru eğilimde, k ve U gerilimleri karşı tarafa yönlendirilir, ortaya çıkan gerilim şu şekildedir: p-n-geçiş değere düşer için - sen. Bu, elektrik alan kuvvetinin azalmasına ve ana yük taşıyıcılarının yayılma sürecinin devam etmesine neden olur. Ayrıca ileri ofset genişliği azaltır p-n geçiş çünkü l p-n ≈( k – U) 1/2. Çoğunluk yük taşıyıcılarının akımı olan difüzyon akımı, sürüklenme akımından çok daha büyük hale gelir. Başından sonuna kadar p-n- kavşak doğru akım akışları
I r-n =I pr =I fark +I dr Farklıyım .
Doğru akım aktığında, p-bölgesinin çoğunluktaki yük taşıyıcıları, azınlık haline geldikleri n-bölgesine hareket ederler. Çoğunluk yük taşıyıcılarının, azınlık taşıyıcıları haline geldikleri bir bölgeye dahil edilmesinin difüzyon sürecine denir. enjeksiyon ve doğru akım bir difüzyon akımı veya bir enjeksiyon akımıdır. P ve n bölgelerinde biriken azınlık yük taşıyıcılarını telafi etmek için dış devredeki voltaj kaynağından bir elektronik akım ortaya çıkar. elektriksel nötrlük ilkesi korunur.
Artırırken sen akım keskin bir şekilde artar, sıcaklık potansiyeli ve büyük değerlere ulaşabilir çünkü konsantrasyonu yüksek olan ana taşıyıcılarla ilişkilidir.
2) Ters önyargı, ne zaman ortaya çıkar R- alana bir eksi uygulanır ve N- artı alan, harici voltaj kaynağı (Şekil 1.3).
Böyle bir dış stres sen göre dahil için. Bu: değerin önündeki potansiyel bariyerin yüksekliğini arttırır için + sen; elektrik alan kuvveti artar; Genişlik p-n geçiş artar çünkü l p-n ≈( ila + U) 1/2; difüzyon süreci tamamen durur ve sonra p-n geçiş, bir sürüklenme akımı akar, azınlık yük taşıyıcılarının bir akımı. Bu akım p-n-geçişe ters denir ve termal üretim nedeniyle ortaya çıkan azınlık yük taşıyıcıları ile ilişkili olduğundan termal akım olarak adlandırılır ve - ben 0 yani
I r-n =I arr =I fark +I dr I dr = ben 0.
Bu akımın büyüklüğü küçüktür çünkü konsantrasyonu düşük olan azınlık yük taşıyıcılarıyla ilişkilidir. Böylece, p-n Bağlantı tek yönlü iletkenliğe sahiptir.
Ters eğilim sırasında, geçiş sınırındaki azınlık yük taşıyıcılarının konsantrasyonu, denge değerine kıyasla biraz azalır. Bu, azınlık yük taşıyıcılarının derinlerden yayılmasına yol açar. P Ve N-sınır bölgeleri p-n geçiş. Azınlık taşıyıcıları buna ulaştıktan sonra güçlü bir elektrik alanına girer ve p-nçoğunluk yük taşıyıcıları haline geldikleri geçiş. Azınlık yük taşıyıcılarının sınıra yayılması p-n ana yük taşıyıcıları haline geldikleri bölgeye geçiş ve sürüklenmeye denir. ekstraksiyon. Ekstraksiyon ve ters akım oluşturur p-n geçiş, azınlık yük taşıyıcılarının akımıdır.
Ters akımın büyüklüğü büyük ölçüde şunlara bağlıdır: ortam sıcaklığı, yarı iletken malzeme ve alan p-n geçiş.
Ters akımın sıcaklığa bağımlılığı ifadeyle belirlenir; burada nominal sıcaklık, gerçek sıcaklık, termal akımın iki katına çıkan sıcaklığıdır.
Silikon bir bağlantının termal akımı, germanyum bazlı bir bağlantının termal akımından çok daha azdır (3-4 büyüklük sırasına göre). Bunun nedeni için malzeme.
Bağlantı alanının artmasıyla hacmi artar ve dolayısıyla termal üretim ve termal akım sonucu ortaya çıkan azınlık taşıyıcılarının sayısı artar.
Yani ana özellik p-n-geçiş onun tek yönlü iletkenliğidir.
4. P-n ekleminin akım-gerilim özellikleri.
P-n ekleminin akım-gerilim karakteristiğini elde edelim. Bunu yapmak için süreklilik denklemini genel biçimde yazıyoruz:
Durağan durumu dp/dt = 0 olarak ele alacağız.
P-n bağlantısının tükenme bölgesinin sağındaki (x > 0) n-tipi bir yarı iletkenin yarı nötr hacmindeki akımı ele alalım. Yarı nötr bir hacimde G'nin üretim hızı sıfırdır: G = 0. Elektrik alanı E de sıfırdır: E = 0. Akımın sürüklenme bileşeni de sıfırdır: I E = 0, dolayısıyla akım difüzyondur. Düşük enjeksiyon seviyesinde rekombinasyon oranı R aşağıdaki ilişkiyle tanımlanır:
Difüzyon katsayısını, difüzyon uzunluğunu ve azınlık taşıyıcı ömrünü bağlayan aşağıdaki ilişkiyi kullanalım: Dτ = L p 2.
Yukarıdaki varsayımlar dikkate alındığında süreklilik denklemi şu şekildedir:
P-n eklemindeki difüzyon denkleminin sınır koşulları şu şekildedir:
Sınır koşulları (*) ile diferansiyel denklemin (2.58) çözümü şu şekildedir:
İlişki (2.59), bir elektron-delik geçişi için n-tipi bir yarı iletkenin yarı-nötr hacmindeki enjekte edilen deliklerin dağılım yasasını açıklar (Şekil 2.15). Pn ekleminin yarı nötr hacmi ile SCR sınırını geçen tüm taşıyıcılar, pn eklem akımında yer alır. Akımın tamamı difüzyon olduğundan, akım ifadesini (2.59) değiştirerek şunu elde ederiz (Şekil 2.16):
İlişki (2.60), azınlık taşıyıcılarının ileri eğilim altında enjeksiyonu sırasında ortaya çıkan p-n bağlantı deliği akımının difüzyon bileşenini açıklamaktadır. P-n bağlantı akımının elektronik bileşeni için benzer şekilde şunu elde ederiz:
V G = 0'da sürüklenme ve difüzyon bileşenleri birbirini dengeler. Buradan, .
Toplam p-n bağlantı akımı, p-n bağlantı akımının dört bileşeninin de toplamıdır:
Parantez içindeki ifade, pn ekleminin ters akımının fiziksel anlamını taşır. Aslında, negatif voltajlarda V G< 0 ток дрейфовый и обусловлен неосновными носителями. Все эти носители уходят из цилиндра длиной L n со скоростью L n /τ p . Тогда для дрейфовой компоненты тока получаем:
Pirinç. 2.15. Yayıcıdan enjekte edilen dengesiz taşıyıcıların p-n bağlantı tabanının yarı nötr hacmi üzerine dağılımı
Bu ilişkinin daha önce süreklilik denkleminin analizinde elde edilen ilişkiye eşdeğer olduğunu görmek kolaydır.
Tek taraflı enjeksiyon koşulunu uygulamak gerekiyorsa (örneğin, yalnızca delik enjeksiyonu), o zaman (2.61) ilişkisinden, p-'de azınlık taşıyıcı konsantrasyonu n p0'ın küçük bir değerinin seçilmesi gerektiği sonucu çıkar. bölge. Bundan, p-tipi bir yarı iletkenin, n-tipi bir yarı iletkenle karşılaştırıldığında yüksek düzeyde katkılı olması gerektiği sonucu çıkar: N A >> N D. Bu durumda pn bağlantı akımına delik bileşeni hakim olacaktır (Şekil 2.16).
Pirinç. 2.16. İleri önyargılı asimetrik bir p-n bağlantısındaki akımlar
Böylece, p-n bağlantısının akım-gerilim karakteristiği şu şekildedir:
Doyma akım yoğunluğu Js şuna eşittir:
(2.62) bağıntısıyla açıklanan p-n ekleminin akım-gerilim karakteristiği Şekil 2.17'de gösterilmektedir.
Pirinç. 2.17. İdeal bir p-n bağlantısının akım-gerilim karakteristiği
(2.16) ve Şekil 2.17 bağıntısından da anlaşılacağı üzere ideal bir p-n ekleminin akım-gerilim karakteristiği belirgin bir asimetrik görünüme sahiptir. İleri gerilimler bölgesinde, p-n bağlantı akımı difüzyoneldir ve uygulanan gerilimin artmasıyla üstel olarak artar. Negatif gerilimler bölgesinde p-n bağlantı akımı sürüklenir ve uygulanan gerilime bağlı değildir.
5. P-n bağlantısının kapasitansı.
Potansiyel φ değiştiğinde elektrik yükünün Q değiştiği herhangi bir sistem kapasitansa sahiptir. Kapasitans C'nin değeri şu oranla belirlenir: .
Bir p-n bağlantısı için iki tür yük ayırt edilebilir: iyonize donörlerin ve alıcıların QB uzay yükü bölgesindeki yük ve yayıcı Qp'den tabana enjekte edilen taşıyıcıların yükü. Pn bağlantısındaki farklı öngerilimlerde, kapasitans hesaplanırken bir yük veya diğeri baskın olacaktır. Bu bağlamda, p-n bağlantı kapasitansı için bariyer kapasitansı C B ve difüzyon kapasitansı C D ayırt edilir.
Bariyer kapasitansı C B ters öngerilimdeki V G p-n bağlantısının kapasitansıdır< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.
Asimetrik bir p-n bağlantısı için birim alan başına iyonize donörlerin ve alıcıların QB yük değeri şuna eşittir:
İfadenin (2.65) farklılaştırılmasıyla şunu elde ederiz:
Denklem (2.66)'dan bariyer kapasitansının CB, plakalar arasındaki mesafenin uzay yük bölgesinin W genişliğine eşit olduğu düz bir kapasitörün kapasitansı olduğu sonucu çıkar. SCR'nin genişliği uygulanan gerilime bağlı olduğundan V G , bariyer kapasitansı aynı zamanda uygulanan voltaja da bağlıdır. Bariyer kapasitansının sayısal tahminleri, değerinin onlarca veya yüzlerce pikofarad olduğunu göstermektedir.
Difüzyon kapasitansı C D, yayıcı Qp'den tabana enjekte edilen taşıyıcıların Qp yükündeki bir değişiklikten kaynaklanan, V G> 0 ileri eğilimdeki p-n bağlantısının kapasitansıdır.
Bariyer kapasitansının CB'nin uygulanan ters voltaj VG'ye bağımlılığı enstrümantal uygulama için kullanılır. Bu bağımlılığı uygulayan yarı iletken diyota varikap adı verilir. Varikapın maksimum kapasitans değeri sıfır gerilim VG'de bulunur. Ters öngerilim arttıkça varikap kapasitansı azalır. Varikap kapasitansının voltaja fonksiyonel bağımlılığı, varikap bazının katkı profili tarafından belirlenir. Düzgün katkılama durumunda kapasitans, uygulanan V G voltajının köküyle ters orantılıdır. Doping profilini varikap N D (x) tabanına ayarlayarak, varikap kapasitansının C(V G) voltajına çeşitli bağımlılıklarını elde etmek mümkündür - doğrusal olarak azalan, üstel olarak azalan.
6. Yarı iletken diyotlar: sınıflandırma, tasarım özellikleri, semboller ve işaretler.
Yarı iletken diyot- bir elektrik bağlantı noktasına ve iki kabloya (elektrotlara) sahip bir yarı iletken cihaz. Diğer diyot türlerinden farklı olarak, yarı iletken diyotun çalışma prensibi şu fenomene dayanmaktadır: p-n-geçiş.
Bir katıdaki bir atomun farklı seviyeleri her zaman yasak bölgelerle ayrılmış ayrı bir izin verilen bölgeler sistemine karşılık gelir. Kural olarak, elektronlar bir atom veya molekülde tam bir grup oluşturursa, katı veya sıvı bir gövdede birleştiklerinde, tüm seviyeleri doldurulmuş bölgeler oluşturulur, bu nedenle bu tür maddeler mutlak sıfırda yalıtkanların özelliklerine sahip olacaktır. . Buna soy gaz kafesleri, doymuş bağlara sahip bileşiklerin moleküler ve iyonik kafesleri dahildir. Elmas, silikon, germanyum, a-kalay, AIIIBV, AIIBVI, CSi tipi bileşiklerin kafeslerinde her atom, en yakın dört komşuya tek değerlik bağlarıyla bağlanır, böylece etrafında tam bir elektron grubu oluşur. S 2P 6 ve değerlik bandı doludur.
Bölgelerin yapısının ayrıntılarına girmeden şunu vurguluyoruz: yarı iletkenler ve dielektrikler metallerden değerlik bantlarının farklı olmasıyla farklılık gösterir.T» 0°K her zaman tamamen elektronlarla doludur ve en yakın serbest bant (iletim bandı), yasak durumların valans bandından ayrılır. D Yarı iletkenlerde E- onda biri elektron volttan 3 ev(şartlı olarak) ve dielektrikler için- itibaren 3 ile 5 ev(şartlı olarak). Yarı iletkenler ve dielektrikler arasında yalnızca niceliksel bir fark varsa, bunların metallerden farkı nitelikseldir. Metalde akımın akması için, metaldeki değerlik bandı dolu olmadığından veya iletim bandıyla örtüşmediğinden, elektrik alanının uygulanmasından başka bir eyleme gerek yoktur (Şekil 20, a).
Şek. Şekil 20, temel bir yarı iletkenin atomik kafesindeki bir deliğin görünümünü ve bir iletken elektronun görünümünü gösteren diyagramları göstermektedir.
Pirinç. 20. Enerji bölgelerinin şeması: A- metalde; B- bir yarı iletkende; V- dielektrikte; D e - bant aralığı
Bir yarı iletkende iletkenliği uyarmak için (Şekil 20, b), dolu değerlik bandında bulunan bir elektrona, yasak durumlar bandını aşmaya yetecek kadar enerji sağlamak gerekir. Yalnızca D'den az olmayan enerjiyi emerken E, değerlik bandının üst kenarından serbest banda (iletim bandı) bir elektron aktarılacaktır. Bu enerji eşiği aşılırsa, saf (aslında) yarı iletken elektronik iletkenliğe sahip olur. Bant aralığı ne kadar küçükse D e, Belirli bir sıcaklıkta iletkenlik ne kadar büyük olursa. Dielektrikler D'ye sahip olduğundan eçok büyükse iletkenlikleri çok küçüktür (Şekil 20, b).
Mutlak sıfıra yaklaştıkça termal uyarım yetersiz hale gelir ve yarı iletkenler yalıtkanlara, metaller ise süper iletkenlere dönüşür. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa ve yarı iletken o kadar yoğun bir şekilde kuantum enerjiyle ışınlanır hv D'den az değil E, Değerlik bandından iletim bandına aktarılan elektronların sayısı arttığından yarı iletkenin iletkenliği o kadar artar.
Saf yarı iletkenler için gelen ışığın frekansı azaldıkça soğurma katsayısı belirli bir değerde artar. v keskin bir şekilde düşer ve malzeme daha düşük frekanslı ışınlara karşı şeffaf hale gelir. Hızlı soğurma bozunmasının bu bölgesine içsel soğurma kenarı denir. Dalgaboyu X ve frekans v kendi soğurma sınırına karşılık gelen yaklaşık olarak koşullar tarafından belirlenir:
nerede D e optik bant aralığı denir.
Görünür ışık kuantumunun enerjisi 1,5-3,0 aralığındadır. ev, onlar. genellikle iletim uyarma enerjisini aşar (AE). Bir yarı iletken belirli miktarda yabancı madde içeriyorsa, ultraviyoleden radyo frekanslarına kadar geniş bir frekans aralığında opak hale gelir.
Metaller ışıkla ışınlandığında pratik olarak iletkenliklerini değiştirmezler çünkü içlerindeki iletken elektronların sayısı değişmez. Daha sonra yarı iletkenlerin, kristallerin yapısındaki kusurlara ve metallerden çok farklı olan bileşimdeki bozukluklara karşı büyük hassasiyetlerinin nedenleri üzerinde duracağız.
Bir elektronun bir yarı iletkenin değerlik bandından iletim bandına ayrılması, değerlik bandında sayısal olarak elektronun yüküne eşit pozitif yüke sahip bir boş alan (delik) bırakır. Böylece, Delik, tek bir pozitif yüke sahip yarı iletkenin komşu atomlarını birbirine bağlayan kopmuş bir kovalent bağın bulunduğu bölgede elektrondan arındırılmış bir yerdir.
Bir arayer bölgesinde görünen bir elektron, hareketli bir yük taşıyıcısıdır. Bu tür elektronlar, delikler gibi, kristal boyunca serbestçe hareket edebilir (yayılabilir). Voltajı sağdan sola düşen bir elektrik alanına bir kristal yerleştirirseniz, "serbest" elektron alana karşı (sağa doğru) yönlendirilmiş bir hareket kazanır. Ayrıca ortaya çıkan deliğin (+) yeri, deliğin solundaki komşu bağdaki bir yerden gelen bir elektronla değiştirilecektir. Böylece eskisinin yerine yeni bir delik oluşur. Sonuç olarak, Şekil 2'de gösterildiği gibi, elektronlar değerlik bandında soldan sağa sıçradıkça delik alan yönünde (sola doğru) hareket eder. 21 (oklar). Değerlik bandındaki elektronlar tarafından yapılan yük transferine delik transferi denir. Bu nedenle, içsel yarı iletkenlerde iki iletkenlik mekanizması vardır: elektronik ve delik. Bir yarı iletkenin elektriksel iletkenliği genel olarak aşağıdaki denklemle ifade edilir:
Nerede: SPve IR- sırasıyla elektronların ve deliklerin hareketliliği; n ve p bunların konsantrasyonlarıdır.
Pirinç. 21. Değerlik bağının kırılma şeması ve serbest elektron ve deliğin yük taşıyıcıları olarak ortaya çıkışı: A- düz bir görüntüde; b - bant enerji diyagramında; A - silikon veya germanyum atomları; (:) - komşu atomları bağlayan değerlik elektronları; (+) - delik; (-) - serbest elektron; AB- serbest bölgenin alt seviyesi; EV- valans bandının üst seviyesi
Kendi yarı iletkeninde
Nerede: k- Boltzmann sabiti 1,38 × 10-16'ya eşit erg/derece, veya 0,863 × 10-4 ev/derece; A kovalent bağları olan yarı iletkenler için (örneğin silikon ve germanyum) orantılıdır T 1.5 ve yük taşıyıcılarının hareketliliği orantılıdır T-1,5, yani çok fazla hata olmadan yazabiliriz
Belirli bir yarı iletken için s0'ın sabit bir değer olduğu düşünülür. Logaritma alarak şunu elde ederiz:
Bu bir doğrunun denklemidir. s = F açısal katsayılı tg j = . Buradan: 
burada j, düz çizgi ile eksen 1'in pozitif yönü arasındaki açıdır /T.
Bu açı her zaman geniş olduğundan tgj< 0, а De> 0. Burada D e termal bant aralığı denir, yani iletkenliğin sıcaklık davranışından hesaplanır.
Normal olarak doldurulmuş bir bağın (NS) ihlali nedeniyle bir elektron-delik çiftinin ortaya çıkışı, tersinir reaksiyon NS + D denklemi şeklinde yazılabilir. E ↔+ (nerede - iletim elektronu, - delik). Belirli bir sıcaklıkta dinamik denge kurulur. Soldan sağa doğru giden süreç, elektronların ve deliklerin oluşmasıdır ve bunun tersi olan süreç, elektronların ve deliklerin rekombinasyonu olarak adlandırılır. Sıcaklık arttıkça Le Chatelier ilkesine göre bu denge sağa kayar. Belirli bir sıcaklıkta kütle etki kanununa göre denge sabiti şu şekilde yazılabilir: İLE.= halkla ilişkiler/ [NZ] Pratik olarak çok büyük bir değerin [NZ] sabit olması gerçeğinden şu sonuç çıkıyor.
Neredeyse 1'deki bağlantı sayısı kadar normal olarak doldurulmuş bağlantı vardır. cm3.Örneğin, saat 1'de cm3 germanyum bağları (6,02 × 1023 × 5,32/72,59) × 2 = 9,0 × 1022 (burada 5,32 germanyumun yoğunluğudur, G/cm3; 72.59 atom kütlesidir). 1'deki germanyum atomlarının sayısını temsil eden kesir cm3, 2 ile çarpılır çünkü her atomun komşu atomlarla 4 bağı vardır, ancak her bağ iki atomu birbirine bağlar.
Saf bir yarı iletken için N= R= NBen(NBen- kelimeden içsel- sahip olmak); dolayısıyla önceki denklem şu şekilde temsil edilebilir:
Bu şu anlama gelir: Sabit bir sıcaklıkta bir yarı iletkendeki iletken elektronların ve deliklerin konsantrasyonlarının ürünü sabittir, aynı sıcaklıkta kendi yarı iletkenindeki konsantrasyonlarının çarpımına eşittir ve içerdiği yabancı maddelerin doğasına ve miktarına bağlı değildir. 300o K'deki germanyum için halkla ilişkiler - 6,25 × 1026. Dolayısıyla saf germanyumdaki elektron ve delik konsantrasyonu N= R= NBen= 2,5 × 113 santimetre-3.Silikon için hayır yaklaşık üç kat daha az.
Kikoin A.K. Dielektrikler, yarı iletkenler, yarı metaller, metaller // Kuantum. - 1984. - No. 2. - S. 25-29.
"Kvant" dergisinin yayın kurulu ve editörleri ile yapılan özel anlaşma ile
Klasik fizikte, tüm maddeleri elektriksel özelliklerine göre iletkenlere ve dielektriklere bölmek gelenekseldi (“Fizik 9”, §§44 ve 46). Modern fizik iki ara durumu daha ayırt eder - yarı iletkenler (“Fizik 9”, § 78) ve yarı metaller. Tüm bu tür maddeler arasındaki farkların ne olduğu ancak kuantum mekaniğinin ortaya çıkışıyla açıklığa kavuştu. Bu notta katıların elektriksel özelliklerini açıklayan modern kuantum mekaniği teorisinin özünü kısaca açıklamaya çalışacağız.
Bir katı, kristal bir kafes oluşturan atomlardan oluşur. Atomlar, elektrik yüklü atom parçacıklarının (pozitif yüklü çekirdekler ve negatif yüklü elektronlar) etkileşimi yoluyla bir kafes içinde tutulur. Bir kristaldeki elektrik akımı, kuantum mekaniği yasalarına uyan elektronların hareketidir. Bu yasalara göre, hem tek bir atomdaki hem de bir kristaldeki elektronlar yalnızca belirli (izin verilen) enerji değerlerine sahip olabilir, başka bir deyişle, belirli enerji değerlerine sahip olabilir. enerji seviyeleri. Seviye ne kadar yüksek olursa, o kadar fazla enerjiye karşılık gelir.
Bir atomda bu seviyeler birbirinden oldukça uzakta bulunur - seviyelerin ayrı bir enerji spektrumu oluşturduğunu söylemek gelenekseldir (Şekil 1). Belirli koşullar altında elektronlar bir seviyeden diğerine (izin verilen) hareket edebilir. Belirli bir enerjiye sahip bir elektron, çekirdeğin etrafında yalnızca kapalı bir yörünge (yörünge) boyunca hareket edebilir.
Atomlar bir kristal oluşturmak üzere birleştiğinde, bazı elektronlar hala atomik yörüngelerinde kalır, ancak çekirdekten en uzaktaki elektronlar, komşu atomların üst üste binen dış yörüngeleri nedeniyle kristal boyunca hareket edebilirler. Bu, daha önce bireysel atomlara ait olan enerji seviyelerinin tüm kristal için “ortak” hale geldiği anlamına gelir. Kristaldeki ayrı seviyeler yerine, enerji bölgeleri birbirine çok yakın seviyelerden oluşur. Bu “sosyalleşmiş” seviyelerde bulunan elektronlara denir. değerlik elektronları.
Değerlik elektronları kristalin tamamını kapsayan yörüngelerde hareket eder ve elektrik akımını iletebilecek gibi görünür. Ancak her şey bu kadar basit olsaydı tüm katı maddeler iyi iletken (metal) olurdu. Kuantum mekaniğinin yasaları resmi çok daha karmaşık ve çeşitli hale getiriyor.
Öncelikle enerji bölgeleri, tek bir enerji seviyesinin bulunmadığı boşluklarla birbirinden ayrılmıştır. Bu aralıklara denir yasak alanlar. İkinci olarak elektronlar, her seviyede belirli bir durumda yalnızca bir elektronun bulunabileceğini öngören Pauli ilkesine uyar. Mümkün olan en düşük sıcaklıkta (mutlak sıfıra eşit), enerji seviyeleri aşağıdan yukarıya doğru (yani en düşük enerji değerlerinden başlayarak) Pauli prensibine göre elektronlarla dolar ve daha yüksek enerjili seviyeler serbest kalır. Enerji bantlarının farklı doldurulma dereceleri ve göreceli konumlarındaki farklılıklar, tüm katıları dielektriklere, yarı iletkenlere, yarı metallere ve metallere ayırmayı mümkün kılar.
Dielektrikler.
Şu tarihte: T= 0 değerlik elektronu adı verilen en düşük bandı tamamen doldurur değerlik bandı(Şekil 2). İçinde serbest seviye yok ve bir sonraki izin verilen bölge iletim bandı- geniş bir bant aralığıyla ondan ayrılmıştır. Böyle bir numuneye elektrik alanı uygulanırsa elektronları hızlandıramayacak, yani elektrik akımı oluşturamayacaktır çünkü bir elektronu hızlandırmak ona ek enerji vermek anlamına gelir ve kuantum mekaniği yasalarına göre bu ancak onu daha yüksek bir enerji seviyesine aktararak yapılabilir. Ancak Pauli ilkesi, elektronların halihazırda işgal edilmiş seviyeleri işgal etmesini yasaklar ve tamamen boş olan bir sonraki izin verilen banda giremezler çünkü elektrik alanından alınan enerji, bant aralığının genişliğinden Δ çok daha azdır.
Sıfırın dışındaki sıcaklıklarda elektronlar prensip olarak iletim bandına geçebilir ve elektrik akımının taşıyıcıları haline gelebilir. Ancak bu bölgeye aktarılan elektron sayısının yeterince büyük olabilmesi için dielektrik maddenin, akım ölçülebilir bir değere ulaşmadan erimesini sağlayacak kadar yüksek bir sıcaklığa ısıtılması gerekir. Oda sıcaklığında dielektrikte neredeyse hiç akım akmaz.
Yarı iletkenler.
Bir yarı iletken, bir dielektrikten yalnızca değerlik bandını iletim bandından ayıran bant aralığının Δ genişliğinin çok daha küçük olmasıyla (onlarca kez) farklılık gösterir. Şu tarihte: T= 0 olduğunda, dielektrikte olduğu gibi yarı iletkendeki değerlik bandı tamamen doludur ve örnekten akım geçemez. Ancak Δ enerjisinin küçük olması nedeniyle sıcaklıktaki hafif bir artışla bile bazı elektronlar iletim bandına geçebilir (Şekil 3). Daha sonra maddedeki elektrik akımı aynı anda iki "kanal" üzerinden mümkün hale gelecektir.
Öncelikle iletim bandında elektrik alanında enerji kazanan elektronlar daha yüksek enerji seviyelerine doğru hareket ederler. İkincisi, elektrik akımına katkı, iletim bandına çıkan elektronların değerlik bandında bıraktığı boş seviyelerden gelir. Aslında Pauli prensibi herhangi bir elektronun değerlik bandında boş bir seviyeyi işgal etmesine izin verir. Ancak bu seviyeyi işgal ettiğinde kendi seviyesini serbest bırakır vb. Eğer elektronların değerlik bandındaki seviyeler arasındaki hareketini değil, boş seviyelerin kendilerinin hareketini takip ederseniz, o zaman bu seviyelerin olduğu ortaya çıkar. bilimsel adı var delikler, aynı zamanda mevcut taşıyıcılar haline gelir. Deliklerin sayısı açıkça iletim bandına giren elektronların sayısına eşittir (sözde iletim elektronları), ancak deliklerin pozitif yükü vardır çünkü delik eksik bir elektrondur.
Dolayısıyla bir yarı iletkende elektrik akımı, iletim bandındaki elektronların ve valans bandındaki deliklerin akımıdır. Bir yarıiletkenin bu iletkenliğine denir. sahip olmak.
Elektronlar ve delikler, bir kristalin içinde hareket ederken, kristal kafesin atomlarıyla etkileşime girerek enerjilerini kaybederler. Bu kayıplar maddenin elektriksel direnci ile ilişkilidir. Sıcaklık arttıkça enerji kayıpları artar, dolayısıyla yarı iletkenin direnci de artan sıcaklıkla birlikte artmalıdır. Ancak sıcaklık arttıkça sayı artıyor elektronlar, iletim bandına geçiş ve dolayısıyla valans bandındaki deliklerin sayısı r. Bu, mevcut taşıyıcıların toplam sayısının (ve çok hızlı bir şekilde) arttığı anlamına gelir. Bu nedenle yarı iletkenin direnci sıcaklık arttıkça artmaz, azalır. Bir yarı iletken şu şekilde tanımlanabilir: Mutlak sıfır sıcaklıklarda pratik olarak akım iletmeyen, ancak artan sıcaklıkla direnci keskin bir şekilde azalan bir madde.
Ancak doğada kendi iletkenliğine sahip yarı iletkenler mevcut değildir: her zaman elektriksel özelliklerini belirleyen diğer maddelerin safsızlıklarını içerirler. Safsızlıkların varlığı, yarı iletkenin bant aralığında, elektronik geçişlerin de mümkün olduğu ek enerji seviyelerinin ortaya çıkmasına neden olur. Yarı iletkenlerin teknolojide yaygın kullanımı ancak teknoloji uzmanlarının yarı iletkenlerdeki yabancı maddelerin içeriğini kontrol etmeyi ve iletkenliklerini kendi takdirlerine göre yapmayı öğrenmeleriyle mümkün oldu ( safsızlık iletkenliği) neredeyse tamamen elektronik veya tamamen delik.
Atomları kolayca elektron veren safsızlıkları seçmenin mümkün olduğu ortaya çıktı. Bu durumda açığa çıkan ek enerji seviyeleri, yarı iletkenin bant aralığının içinde, üst kenarına yakın bir yerde bulunur (Şekil 4a). Bu tür safsızlıklara denir donör safsızlıkları ve seviyeler donör seviyeleridir. Şekil 4a'dan, aynı sıcaklıkta bu seviyelerdeki elektronların iletim bandına geçmesinin valans bandındaki elektronlara göre çok daha kolay olduğu açıktır, bu nedenle safsızlık seviyeleri iletim bandına elektronların ana tedarikçileri haline gelecektir. Ancak bu durumda değerlik bandında hiçbir delik görünmeyecek ve yarı iletkenin iletkenliği neredeyse tamamen elektronik hale gelecektir. Bu tür yarı iletkenlere yarı iletken denir N-tip.
Ayrıca atomları kolaylıkla kendilerine elektron bağlayan safsızlıklar da vardır ( alıcı safsızlıkları). Elektronlarının ek seviyeleri (alıcı seviyeleri) de yarı iletkenin bant aralığının içinde, ancak tabanına yakın bir yerde bulunur (Şekil 4, b). Bu durumda değerlik bandındaki elektronların safsızlığın alıcı seviyelerine hareketi iletim bandına göre daha kolaydır. Daha sonra iletim bandında elektronlar görünmeden değerlik bandında delikler görünecektir. Sonuç, neredeyse tamamen delik iletkenliğine sahip bir yarı iletken veya bir yarı iletkendir. P-tip. 
Metallerdeki elektronlar sonunda atomik kökenlerini “unuturlar”, seviyeleri çok geniş bir bölge oluşturur. Her zaman yalnızca kısmen doldurulur (elektronların sayısı seviye sayısından azdır) ve bu nedenle iletim bandı olarak adlandırılabilir (Şekil 6). Açık ki metallerde akım sıfır sıcaklıkta bile akabilir. Üstelik kuantum mekaniğini kullanarak şu kanıtlanabilir: ideal metal(kafesinde hiçbir kusur olmayan) T= 0 Akım dirençsiz akmalıdır!
Ne yazık ki ideal kristaller yoktur ve sıfır sıcaklığa ulaşılamaz. Gerçekte elektronlar titreşen kafes atomlarıyla etkileşerek enerji kaybederler. Gerçek metalin direnci sıcaklıkla artar(yarı iletken direncinin aksine). Ancak en önemli şey, herhangi bir sıcaklıkta bir metalin elektrik iletkenliğinin, bir yarı iletkenin elektrik iletkenliğinden önemli ölçüde daha yüksek olmasıdır; çünkü metal, elektrik akımını iletebilen çok daha fazla elektron içerir.