Lyuk
Az félvezetők kristályszerkezete
Az elektronikában használt félvezető eszközök működésének magyarázatához a Bohr-féle atommodellt használjuk. Röviden összefoglalva, az atom pozitív töltésű atommagból és negatív töltésű elektronokból áll. Az atommag pozitív töltése megegyezik az elektronok negatív töltésével, azaz az atom kifelé elektromosan semleges.
Az elektronok az atommag körüli pályákon, elektronhéjakon keringenek az atommag körül. Egy atomon belül több elektronhéj lehetséges, és az adott héj minél közelebb esik az atommaghoz, annál jobban hat rá az az elektrosztatikus vonzás, amely a pozitív töltésű atommag és a negatív töltésű elektron között fellép, és amely az elektront a héjban pályáján megtartja. Az atommagtól legtávolabb lévő, külső elektronhéjon keringő elektronok (az un. vegyértékelektronok) viszont kevésbé kötődnek az atommaghoz, egyrészt, mert távolabb vannak tőle, másrészt, mert a közbenső héjakon keringő elektronok negatív töltésükkel elektrosztatikus árnyékolást jelentenek.
Az atomok jellemző tulajdonsága, hogy igyekeznek külső héjukat „betölteni”, azaz vegyértékelektronjaik egy részét a szomszédos atomokkal közösen használják úgy, hogy minden atom külső héjára az adott héjra megengedett maximális számú elektron kerül.
A félvezetők (az elektronikában elsősorban szilíciumot és germániumot használnak) 4 vegyértékű anyagok, azaz külső elektronhéjukon 4 vegyértékelektron található. E héjukra 8 elektron fér, ezért a héj betöltéséhez további négy elektronra van szükség, amit 4 szomszédos atom „magukhoz kötésével” biztosítanak. (Az ilyen kémiai kötést elektronpár kötésnek vagy kovalens kötésnek nevezik.)
Pl. szilíciumatom esetén, (ha a szomszédos atomok szintén szilíciumatomok), a kovalens kötés az atomokat szabályos térbeli helyzetben (térrácsban) rögzíti, az ilyen szabályos rácsszerkezetek összessége a kristály. A szilíciumkristály szerkezetét, illetve a gyakorlati szemléltető ábrákon alkalmazott kétdimenziós vázlatát az 1. ábra mutatja.
Ha egy szilíciumdarabka teljes szerkezete egyetlen szabályos kristályból áll, azt egykristálynak (monokristálynak), ha pedig sok, véletlenszerűen kialakult és egymáshoz határfelületein szabálytalanul csatlakozó kristályból áll, polikristályos szerkezetűnek nevezik. A félvezető eszközök alapanyagaként monokristályos szerkezetű anyagot használnak.
Az 1.a. ábrán bemutatott ideális kristálytól eltérően a valóságos kristályban kristályhibák lehetnek, melyek közül a kristály elektromos tulajdonságait a diszlokáció és a szennyeződés befolyásolja. Diszlokáció esetén a kristályból egy vagy több atom hiányzik, illetve az atom a szabályos rácspontok közötti térben helyezkedik el. A szennyeződés azt jelenti, hogy a kristályszerkezetbe idegen anyag atomja került.
Vezetők, szigetelők, félvezetők
Ha a kovalens kötésű kristályszerkezet az anyag vegyértékelektronjait erős kötésben tartja, az anyagban nincsen elmozdulni képes töltéshordozó, az anyag szigetelő. Ilyen pl. a tökéletes szénkristály (gyémánt).
Vannak anyagok (pl. réz), melyekben egyes vegyértékelektronok nem kötődnek a kristályszerkezet egy pontjához sem, hanem szabadon mozoghatnak a kristályban, ezek a sok „szabad” töltéshordozót tartalmazó anyagok a vezetők.
A félvezetőkben alacsony hőmérsékleten a vegyértékelektronok kötöttek, ezért az anyag szigetelőként viselkedik. A hőmérséklet növekedésével azonban a felhalmozódó hőenergia hatására az atommaggal csak laza kapcsolatban álló vegyértékelektronok egy része kimozdulhat a kristályszerkezetben elfoglalt helyéről, és szabad töltéshordozóvá válhat, az anyag vezetővé válik. Ha pedig a hőmérséklet eléri az anyag olvadáspontját (szilíciumnál 1420 C fok), a megmaradó vegyértékelektronok már nem képesek a kristályt összetartani, az anyag megolvad.
Elektronok és lyukak
Amikor tehát a félvezető kristály energiát vesz fel (hőmérséklete növekszik, vagy - mivel a fény is az energia egy formája - megvilágítják), vegyértékelektronok válnak le az atomról. A levált vegyértékelektron elhagyja az atomot, a kristályszerkezetben elfoglalt helyét, és nagy sebességgel cikázik a kristályrácsban, miközben az atommagokba ütközve rendszeresen változtatja irányát. Átlagosan minden irányban azonos utat tesz meg, így eredeti helyétől nem nagyon távolodik el.
Abban az esetben azonban, ha a félvezető kristályban elektromos erőteret hozunk létre (a kristály mentén potenciálkülönbséget létesítünk), a szabad elektronok mozgásának eredője a létrehozott elektromos erőtér irányába mutat, azaz áram folyik.
A félvezető azonban nem csak szabad elektronjai útján vezeti az áramot (mint a fémek), hanem egy másik vezetési mechanizmus: a lyukvezetés útján is. Ha ti. két atom között egy vegyértékelektron szabad elektronná vált, a kristályszerkezetben már csak egy vegyértékelektron tartja fenn a kötést, az elszabadult elektron helyén elektronhiány, lyuk keletkezik (2. ábra). Az eredetileg elektromosan semleges atom a negatív töltésű elektron távozása folytán pozitív töltésűvé válik, ezért a lyukat pozitív töltésűnek tekintjük.
Előfordulhat, hogy egy szomszédos atom valamelyik vegyértékelektronja szintén elszabadul, és „beugrik” az előbb említett (pozitív töltésénél fogva az elektront vonzó) lyukba (3. ábra). Ezzel az előbbi lyuk (és az oda beugró szabad elektron is) megszűnik, hiszen a rácsszerkezet rendje az adott helyen helyreállt (ezt a folyamatot nevezik rekombinációnak), viszont a most elszabadult szabad elektron helyén új lyuk keletkezett. Ha valamelyik szomszédos atomból elszabaduló elektron most ebbe a lyukba ugrik be, tehát rekombinálódik, a lyuk a most elszabadult atom helyére „vándorol át”.
A lyukvezetést jól példázza a taxiállomás forgalma (4. ábra).
Tegyük fel, hogy a taxiállomáson 4 taxi áll (4. ábra első sor). Az első taxiba beül egy utas, a taxi távozik. Helyén egy „lyuk” keletkezik (4. ábra második sor). A második taxi sofőrje beindítja a kocsit, és előre áll az első helyre (4. ábra harmadik sor) Ezzel az első helyen a lyuk megszűnik („rekombinálódott” az előre állt taxival), és a lyuk a második helyre vándorolt. Ezután a harmadik taxi sofőrje áll egy hellyel előre (4. ábra negyedik sor), minek következtében a lyuk a harmadik helyre került. A negyedik taxi elfoglalja a harmadik helyet (4. ábra ötödik sor), mire a lyuk a negyedik helyre vándorolt.
A példán látható, hogy miközben mindig más és más taxi („elektron”) változtatja meg a helyét, tehát a taxik mozgása szakaszos, addig a „lyuk” mozgása folyamatos és egyirányú (és ellentétes irányú a taxik mozgásával).
A pozitív töltésű lyuk tehát az elszabadult vegyértékelektron helye. A félvezetők működése a vegyértékelektronok helycseréivel is magyarázható lenne, azonban a lyukvezetéssel a feladat lényegesen egyszerűbbé válik.
A félvezetőben a hőmozgás miatt leszakadó vegyértékelektronok száma megegyezik az ugyanezen idő alatt rekombinálódó szabad elektronok számával, ezért a félvezetőben a szabad elektronok és lyukak száma adott hőmérsékleten állandó, a rendszer dinamikus egyensúlyban van.
