Puslaidininkiai – tai tokios medžiagos, kurių specifinė varža yra nuo
10-5 Ω . m iki 10 -8Ω ir kuri, kylant temperatūrai, smarkiai mažėja
(priešingai negu laidininkų) 1 paveiksle parodyta D. Mendelejevo periodinės
sistemos puslaidininkių grupė. Cheminio elemento viršuje esantis skaičius
yra elemento eilės numeris, o dešinėje apačioje – puslaidininkio
aktyvacijos energija elektronvoltais. Prie puslaidininkių priskiriama ir
labai daug junginių, pavyzdžiui: SiC, Cu2O, PbS, CdSe, ir t.t.
puslaidininkių specifinė varža, taigi specifinis laidumas labai priklauso
nuo išorinių sąlygų: temperatūros, apšviestumo, elektrinio ir magnetinio
laukų.
Grynųjų puslaidininkių savasis elektrinis laidumas gali būti
dvejopas: elektroninis arba skylinis.
Germanio ir Silicio kristaluose gretimų atomų elektronai sudaro
kovalentinius
ryšius. 2 paveiksle juodi skritulėliai yra valentiniai elektronai o linijos
– kovalentiniai ryšiai. Minėtuose grynuose kristaluose 0 κ temperatūroje
valentinė juosta yra visiškai užpildyta, o laidumo juosta visiškai tuščia (
3 pav.). Toks puslaidininkis yra izoliatorius. Kai temperatūra aukštesnė
kaip 0 κ, dėl atomų šiluminio judėjimo kai kurie valentiniai elektronai,
gavę energijos kiekį, lygų draustinės juostos pločiui, gali peršokti iš
valentinės į laidumo juostą, palikdami valentinėje juostoje laisvą vietą ,
vadinamąją skylę. Įnešus tokį puslaidininkį į elektrinį lauką, laidumo
juostoje elektronai judės iš vieno energijos lygmens į kitą prieš
elektrinio lauko jėgų kryptį. Ši elektronų sudėjimo savybė ir sudaro
elektroninį arba n tipo laidumą. Valentinėje juostoje susidariusios skylės
pasižymi teigiamo krūvio pertekliumi, nes prieš peršokant elektronams į
teigiamą juostą tuos vietos buvo neutralios. Vadinasi, skylės krūvis yra
teigiamas ir skaitine verte yra lygus elektrono krūviui. Veikiant
elektriniam laukiui, į skylę gali pereiti elektronas, o skylė pasislinkti į
jo vietą. Jos užleidžia vieta prieš elektrinį lauką valentinėje juostoje
judantiems elektronams, o pačios slenka elektrinio lauko kryptimi tartum
perneša teigiama krūvį ir sudaro elektros srovę. Sykiu judėjimo valentinėje
juostoje yra vadinama skyliniu, arba p tipo laidumu. Toks grynųjų
puslaidininkių elektroninis skylinis laidumas vadinamas savuoju laidumu.
Dažnai puslaidininkiuose vyksta atvirkščias procesas – rekombinacija.
Šiuo atveju elektronai peršoka iš laidumo juostos į valentinėje juostoje
laisvą vietą – skylę. Tuo būdu elektronas neutralizuoja skylės teigiamą
krūvį ir dalyvauja tarpatominiame ryšyje. Rekombinacijos procesas mažina
puslaidininkio laidumą.
Visiškai grynų, be priemaišų ir defektų, puslaidininkių gamtoje nėra.
O ir dirbtiniu būdu jų nepavyksta pagaminti. Kai kurios nedidelės
koncentracijos priemaišos gerokai padidina puslaidininkių elektrinį
laidumą, kuris šiuo atveju vadinamas priemaišiniu elektriniu laidumu.
Priemaišomis vadiname kitų cheminių elementų atomus. Elektriniuose
priemaišiniuose puslaidininkiuose priemaišos atomams sudarius ryšį su
puslaidininkio atomais, lieka nesurištų elektronų. Pavyzdžiui, jeigu vieną
germanio atomą pakeisime penkiavalenčio fosforo atomu, tai priemaišos atomo
4 valentiniai elektronai bus surišti su gretimais germanio atomais, o
penktasis elektronas valentiniame ryšyje nedalyvaus, jis bus silpniau
surištas su branduoliu ir galės lengviau pereiti į laidumo juostą. Šis
priemaišos atomų penktųjų elektronų energijos lygmuo yra draustinėje
juostoje arčiau laidumo juostos apatinės dalies. ir vadinamas donoriniu
lygmeniu, o tokie priemaišos atomai vadinami donoriniais atomais. Donorinių
lygmenų elektronų aktyvacijos energija ∆Wd yra daug mažesnė negu grynųjų
puslaidininkių aktyvacijos energija ∆W ir yra lygi dešimtosioms ar net
šimtosioms elektronvolto dalims. Nedidelės šiluminės, šviesos ir kitos
energijos pakanka šiems elektronams perkelti į laidumo juostą. Tokiuose
puslaidininkiuose atsiranda priemaišinis elektroninis laidumas, arba n tipo
laidumas; jų savasis laidumas yra mažas palyginti su priemaišiniu laidumu.
Dabar imkime kitą pavyzdį. Keturvalenčio germanio gardelės vieną
atomą pakeiskime priemaišos trivalenčio boro atomu. Pastarajam trūksta
elektrono kovalentiniam ryšiui sudaryti su germanio atomais. Trūkstamą
valentinį elektroną jis pasiskolina iš gretimo germanio atomo, o ten
atsiranda teigiama skylė. Šią skylę gali užimti elektronas iš gretimo
germanio atomo, o nauja, teigiama skylė atsiras pastarajame ir t.t. taip
nuosekliai skylė juda elektrinio lauko kryptimi valentinėje juostoje.
Keturvalenčio puslaidininkio draustinėje juostoje elektronų neužpildyti
nauji energijos lygmenys vadinami akceptoriniais lygmenimis, o priemaišos
atomai akceptoriais atomais. Akceptoriniai lygmenys išsidėsto šiek tiek
virš valentinės juostos (4 pav.). Pereiti iš valentinės juostos
viršutinės
dalies i akceptorinį lygmenį pakanka daug kartų mažesnės energijos ∆Wa už
draustinės juostos plotį ∆W. Iš užpildytos valentinės juostos elektronai
lengvai peršoka į akceptorinius lygmenis, o valentinėje juostoje atsiranda
teigiamos skylės. Šiuo atveju valentinė juosta yra skylinio laidumo juosta.
Elektrinio lauko veikiami elektronai nuosekliai užpildo valentinėje
juostoje teigiamas skyles, šios juda elektrinio lauko kryptimi. Toks skylių
judėjimas elektrinio lauko kryptimi sudaro skylinį arba p tipo, laidumą.
Labai svarbi puslaidininkių savybė yra ta, kad jų elektrinė varža,