Elementi IV grupe elemenata kod kojih su nosioci električne provodljivosti elektroni i šupljine.

Uslovna provodljivost

Diskretni energetski nivoi postoje isključivo kod izolovanih atoma. Ukoliko su atomi povezani u čvrstu strukturu dolazi do diferenciranja energetskih nivoa u energetske podnivoe, jer Paulijev princip isključivosti ne dozvoljava da u okviru jedinstvenog kvantnog sistema postoje dva elektrona koji imaju identična kvantna stanja. Energetski nivoi postaju energetske zone, unutar koje se elektroni kreću, uz mogućnost prelaska sa jednog na drugi energetski podnivo.

Zona u kojoj se nalaze valentni elektroni, koji učestvuju u formiranju hemijskih veza, se naziva valentna zona , dok se naredna zona, koja ne sadrži elektrone, naziva provodna zona. Elektroni koji dospeju u provodnu zonu se mogu slobodno kretati u okviru celog komada čvrste supstance.

Kod metala su valentna i provodna zona spojene i valentni elektroni na sobnoj temperaturi prelaze u provodnu zonu, pa se ponašaju kao slobodni nosioci naelektrisanja. Ovi elektroni više ne “pripadaju” određenom atomu već se mogu slobodno kretati kroz ceo komad supstance. Ukoliko se komad metala nalazi u električnom polju, elektroni se kolektivno kreću ka pozitivnom potencijalu, što predstavlja električnu struju.

Kod izolatora su valentna i provodna zona odvojene širokom zabranjenom zonom, te elektroni iz valentne zone ne mogu da pređu u provodnu zonu. Izolatori nemaju slobodnih nosioca naelektrisanja, te stoga ne provode električnu struju.

Poluprovodnici su posebni materijali IV-te grupe periodnog sistema elemenata, kod kojih je zabranjena zona dovoljno velika da spreči spontani prelazak elektrona iz valentne u provodnu zonu, a opet dovoljno mala da elektroni, uz mali dodatak energije to ipak mogu da učine. Taj mali iznos energije elektroni mogu steći na više načina – termičkim putem ili apsorpcijom fotona.

Prelaskom u provodnu zonu elektroni učestvuju u provođenju struje, kao slobodni nosioci naelektrisanja. Istovremeneo se u valentnoj zoni, zbog prelaska pojedinih elektrona u provodnu zonu, pojavljuju slobodna kvantna stanja, koja se ponašaju kao pozitivne pseudo čestice, takozvane “šupljine“. U električnom polju se slobodni elektroni kreću kroz provodnu zonu ka pozitivnom potencijalu, ali se i šupljine kreću kroz valentnu zonu ka negativnom potencijalu. U poluprovodnicima stoga postoje dva tipa slobodnih nosilaca naelektrisanja: slobodni elektroni i šupljine. Dodavanjem primesa iz III grupe elemenata (npr. Al) povećava se broj šupljina u kristalu poluprovodnika, pa takav poluprovodnik zovemo P-tip poluprovodnika, u kojem šupljine čine glavne nosioce naelektrisanja, dok su slobodni elektroni sporedni nosioci naelektrisanja. Dodata primesa se naziva akceptorska primesa.

Ukoliko čistom poluprovodniku dodamo primese iz V grupe elemenata (npr. Ph) pojaviće se veliki broj neuparenih elektrona, koji sa lakoćom prelaze u provodnu zonu, ne ostavljajući za sobom šupljine. U ovakvom, N tipu poluprovodnika elektroni su glavni nosioci naelektrisanja, dok su šupljine sporedni nosioci naelektrisanja. Dodate atome iz V grupe nazivamo donori.

P i N tip poluprovodnika su električki neutralni, jer je broj slobodnih elektrona i šupljina isti. Kada se spoje P i N tip poluprovodnika, na graničnom spoju dolazi do rekombinacije elektrona iz N tipa poluprovodnika i šupljina iz P tipa poluprovodnika, tako da N tip poluprovodnika postaje pozitivno naelektrisan (zbog manjka rekombinovanih elektrona), dok P tip poluprovodnika postaje negativan (zbog popunjenih šupljina). Između P i N tipa poluprovodnika se formira unutrašnje električno polje, koje sprečava dalji protok glavnih nosilaca naelektrisanja kroz PN spoj. Jedino su sporedni nosioci naelektrisanja u stanju da prođu kroz spoj, jer se kreću u skladu sa orijentacijom unutrašnjeg električnog polja.

Kada se PN spoj priključi na spoljašnji napon, tako da se P tip poluprovodnika veže za pozitivni potencijal a N tip za negativni potencijal, poništiće se dejstvo unutrašnjeg električnog polja i glavni nosioci naelektrisanja će opet moći da prolaze kroz PN spoj. Proticaće električna struja.

Ukoliko se pozitivni potencijal priključi na N kraj PN spoja, a negativni na P kraj, Unutrašnje eletrično polje će se povećati, što će u potpunosti onemogućiti prolazak glavnih nosilaca naelektrisanja kroz PN spoj. Jedina struja koja teče je inverzna struja zasićenja, koju čine sporedni nosioci naelektrisanja.

Dobili smo poluprovodničku diodu, elektronski element kojiprovodi električnu struju samo u jednom smeru.