Что такое полупроводник в физике. Полупроводники: свойства, виды и применение

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале Ом·м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на порядков: Ом·м.

Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники: их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне Ом·м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения (Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками).

Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость для полупроводника

Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой — как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.

Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.

Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.

Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого — различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.

Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе — их атомы скрепляет

Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными, слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются общей электронной парой (рис. 2).

Рис. 2. Ковалентная связь

Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь — это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар

Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник — кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник — германий.

Пространственная структура кремния представлена на рис. 3 (автор картинки — Ben Mills). Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, — это каналы ковалентной связи между атомами.

Рис. 3. Кристаллическая структура кремния

Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами. Почему так получается?

Дело в том, что кремний четырёхвалентен — на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).

Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (рис. 4).

Рис. 4. Кристаллическая решётка кремния

Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.

Однако валентные электроны отнюдь не «привязаны намертво» к соответствующим парам атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек

Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам — они не проводят электрический ток.

Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?

При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости) — точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.

Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.

Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5. На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка — вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся нескомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.

Рис. 5. Образование свободных электронов и дырок

Дырки не остаются на месте — они могут блуждать по кристаллу. Дело в том, что один из соседних валентных электронов, «путешествуя» между атомами, может перескочить на образовавшееся вакантное место, заполнив дырку; тогда дырка в этом месте исчезнет, но появится в том месте, откуда электрон пришёл.

При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно.

На рис. 6 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле . В левой части рисунка — начальное положение дырки.

Рис. 6. Движение дырки в электрическом поле

Куда сместится дырка? Ясно, что наиболее вероятны перескоки «электрон > дырка» в направлении против линий поля (то есть к «плюсам», создающим поле). Один из таких перескоков показан в средней части рисунка: электрон прыгнул влево, заполнив вакансию, а дырка, соответственно, сместилась вправо. Следующий возможный скачок электрона, вызванный электрическим полем, изображён в правой части рисунка; в результате этого скачка дырка заняла новое место, расположенное ещё правее.

Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля — то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.

Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля , а дырки — в направлении вектора .

Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью, или проводимостью n-типа. Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью,или проводимостью p-типа (от первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный)). Обе проводимости — электронная и дырочная — вместе называются собственной проводимостью полупроводника.

Каждый уход электрона с разорванной ковалентной связи порождает пару «свободный электрон–дырка». Поэтому концентрация свободных электронов в кристалле чистого кремния равна концентрации дырок. Соответственно, при нагревании кристалла увеличивается концентрация не только свободных электронов, но и дырок, что приводит к возрастанию собственной проводимости полупроводника за счёт увеличения как электронной, так и дырочной проводимости.

Наряду с образованием пар «свободный электрон–дырка» идёт и обратный процесс: рекомбинация свободных электронов и дырок. А именно, свободный электрон, встречаясь с дыркой, заполняет эту вакансию, восстанавливая разорванную ковалентную связь и превращаясь в валентный электрон. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие: среднее число разрывов ковалентных связей и образующихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно среднему числу рекомбинирующих электронов и дырок. Это состояние динамического равновесия определяет равновесную концентрацию свободных электронов и дырок в полупроводнике при данных условиях.

Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.

При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно см. Концентрация же атомов кремния — порядка см. Иными словами, на атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов.

Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.
Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка . После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.

На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями — атомами кремния (рис. 7). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?

Рис. 7. Полупроводник n-типа

А пятый электрон становится свободным! Дело в том, что энергия связи этого «лишнего» электрона с атомом мышьяка, расположенным в кристалле кремния, гораздо меньше энергии связи валентных электронов с атомами кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка в результате теплового движения остаются без пятого электрона, превращаясь в положительные ионы. А кристалл кремния, соответственно, наполняется свободными электронами, которые отцепились от атомов мышьяка.

Наполнение кристалла свободными электронами для нас не новость: мы видели это и выше, когда нагревался чистый кремний (без каких-либо примесей). Но сейчас ситуация принципиально иная: появление свободного электрона, ушедшего из атома мышьяка, не сопровождается появлением подвижной дырки. Почему? Причина та же — связь валентных электронов с атомами кремния гораздо прочнее, чем с атомом мышьяка на пятой вакансии, поэтому электроны соседних атомов кремния и не стремятся эту вакансию заполнить. Вакансия, таким образом, остаётся на месте, она как бы «приморожена» к атому мышьяка и не участвует в создании тока.

Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости. Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.

Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.

Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными. Например, пятивалентный мышьяк — донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными — дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа (или просто n-полупроводниками).

А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.

Предположим, что примесь составляет , то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка см.

Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: см. Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью — ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна см. Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.

Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.

Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь — например, индий . Результат такого внедрения показан на рис. 8.

Рис. 8. Полупроводник p-типа

Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка.

И дырка эта не простая, а особенная — с весьма большой энергией связи. Когда в неё попадёт электрон из соседнего атома кремния, он в ней «застрянет навеки», ибо притяжение электрона к атому индия весьма велико — больше, чем к атомам кремния. Атом индия превратится в отрицательный ион, а в том месте, откуда электрон пришёл, возникнет дырка — но теперь уже обыкновенная подвижная дырка в виде разорванной ковалентной связи в кристаллической решётке кремния. Эта дырка обычным образом начнёт блуждать по кристаллу за счёт «эстафетной» передачи валентных электронов от одного атома кремния к другому.

И так, каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному появлению свободного электрона. Такие примеси, атомы которых захватывают «намертво» электроны и тем самым создают в кристалле подвижную дырку, называются акцепторными.

Трёхвалентный индий — пример акцепторной примеси.

Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью — это дырочный полупроводник, или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник).

Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки — основные носители заряда. Свободные электроны — неосновные носители заряда в p-полупроводнике. Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.

Место контакта двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом, или p–n-переходом. В области p–n-перехода возникает интересное и очень важное явление — односторонняя проводимость.

На рис. 9 изображён контакт областей p- и n-типа; цветные кружочки — это дырки и свободные электроны, которые являются основными (или неосновными) носителями заряда в соответствующих областях.

Рис. 9. Запирающий слой p–n-перехода

Совершая тепловое движение, носители заряда проникают через границу раздела областей.

Свободные электроны переходят из n-области в p-область и рекомбинируют там с дырками; дырки же диффундируют из p-области в n-область и рекомбинируют там с электронами.

В результате этих процессов в электронном полупроводнике около границы контакта остаётся нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в дырочном полупроводнике (также вблизи границы) возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой , внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу контакта.

Подключим теперь к нашему полупроводниковому элементу источник тока, подав «плюс» источника на n-полупроводник, а «минус» — на p-полупроводник (рис. 10).

Рис. 10. Включение в обратном направлении: тока нет

Мы видим, что внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое поле возрастает. Сопротивление запирающего слоя велико, и основные носители не в состоянии преодолеть p–n-переход. Электрическое поле позволяет переходить границу лишь неосновным носителям, однако ввиду очень малой концентрации неосновных носителей создаваемый ими ток пренебрежимо мал.

Рассмотренная схема называется включением p–n-перехода в обратном направлении. Электрического тока основных носителей нет; имеется лишь ничтожно малый ток неосновных носителей. В данном случае p–n-переход оказывается закрытым.

Теперь поменяем полярность подключения и подадим «плюс» на p-полупроводник, а «минус»—на n-полупроводник (рис. 11). Эта схема называется включением в прямом направлении.

Рис. 11. Включение в прямом направлении: ток идёт

В этом случае внешнее электрическое поле направлено против запирающего поля и открывает путь основным носителям через p–n-переход. Запирающий слой становится тоньше, его сопротивление уменьшается.

Происходит массовое перемещение свободных электронов из n-области в p-область, а дырки, в свою очередь, дружно устремляются из p-области в n-область.

В цепи возникает ток , вызванный движением основных носителей заряда (Теперь, правда, электрическое поле препятствует току неосновных носителей, но этот ничтожный фактор не оказывает заметного влияния на общую проводимость).

Односторонняя проводимость p–n-перехода используется в полупроводниковых диодах. Диодом называется устройство, проводящие ток в лишь одном направлении; в противоположном направлении ток через диод не проходит (диод, как говорят, закрыт). Схематическое изображение диода показано на рис. 12.

Рис. 12. Диод

В данном случае диод открыт в направлении слева направо: заряды как бы текут вдоль стрелки (видите её на рисунке?). В направлении справа налево заряды словно упираются в стенку — диод закрыт.

Урок физики на тему «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников p-n типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы»

Урок в 10-м классе.

Тема: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n—типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы».

Цели:

• образовательные: сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории и опираясь на эти знания выяснить физическую сущность p-n-перехода; научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности p-n-перехода;
• развивающие: развивать физическое мышление учащихся, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес, по­знавательную активность;
• воспитательные: продолжить формирование научного мировоззрения школьников.

Оборудование: презентация по теме: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n—типов. Полупроводниковый диод. Транзистор», мультимедийный проектор. 

Слайд 1.

Слайд 2. Полупроводник – вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.

Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Слайд 3.

Механизм проводимости у полупроводников

Слайд 4.

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние Слайд 5.электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.

При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и они ведут себя как диэлектрики.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

Слайд 6. 1) электронная (проводимость «n » – типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны – сопротивление уменьшается.

Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля.

Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

10¹⁷ 10²⁴

Слайд 7.

2) дырочная (проводимость » p» – типа)

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном – «дырка».

Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение «дырки» равноценно перемещению положительного заряда.

Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей. Поэтому полупроводники обладают ещё и дырочной проводимостью.

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей «p» и «n» -типов и называется электронно-дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

У таких полупроводников существует собственная + примесная проводимость.

Наличие примесей проводимость сильно увеличивает.

При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока – электронов и дырок.

Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

Слайд 8. 1) донорные примеси (отдающие) – являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.

Слайд 9. Это проводники » n » – типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда – электроны, а неосновной – дырки.

 Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью. Например – мышьяк.

Слайд 10. 2) акцепторные примеси (принимающие) – создают «дырки» , забирая в себя электроны.

Это полупроводники » p «- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда – дырки, а неосновной – электроны.

Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью. Слайд 11. Например – индий. Слайд 12.

Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р—n-переходе.

Слайд 13-16.

Электрические свойства «p-n» перехода

«p-n» переход (или электронно-дырочный переход) – область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.

При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток проходит через границу двух полупроводников.

Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.

Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода:

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним «p-n» переходом называется полупроводниковым диодом.

– Ребята, запишите новую тему: «Полупроводниковый диод».
– Какой там ещё идиот?», – с улыбкой переспросил Васечкин.
– Не идиот, а диод! – ответил учитель, – Диод, значит имеющий два электрода, анод и катод. Вам ясно?
– А у Достоевского есть такое произведение – «Идиот», – настаивал Васечкин.
– Да, есть, ну и что? Вы на уроке физики, а не литературы! Прошу больше не путать диод с идиотом!

Слайд 17–21.

При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном – сопротивление мало.

Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

Слайд 22–25.

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Полупроводниковые транзисторы – также используются свойства» р-n «переходов, — транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р – n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р. У транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

При подаче на базу транзистора типа n-p-n положительного напряжения он открывается, т. е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче отрицательного, наоборот – закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p-n-p все наоборот.

Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n-типа или p-типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходи диффузия (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости. Пластинка германия или кремния p-типа и созданные в ней области n-типа образуют транзистор структуры n-p-n (рис. 1,а), а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа — транзистор структуры p-n-p (рис. 1,б).

Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема — эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема — коллектором (К). Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.

Условные графические обозначения транзисторов разных структур отличаются лишь тем, что стрелка, символизирующая эмиттер и направление тока через эмиттерный переход, у транзистора структуры p-n-p обращена к базе, а у транзистора n-p-n — от базы.

Слайд 26–29.

III. Первичное закрепление.

1. Какие вещества называются полупроводниками?
2. Какую проводимость называют электронной?
3. Какая проводимость наблюдается ещё у полупроводников?
4. О каких примесях теперь вам известно?
5. В чем заключается пропускной режим p-n- перехода.
6. В чем заключается запирающий режим p-n- перехода.
7. Какие полупроводниковые приборы вам известны?
8. Где и для чего используют полупроводниковые приборы?

IV. Закрепление изученного

1. Как меняется удельное сопротивление полупроводников: при нагревании? При освещении?
2. Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю? (нет, с понижением температуры сопротивление кремния увеличивается).

V. Домашнее задание.

§ 113-116 – учить, пов. § 109–112.

Что такое полупроводник и для чего он используется?

По

• Эндрю Золя

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это вещество, обладающее особыми электрическими свойствами, которые позволяют ему служить основой для компьютеров и других электронных устройств. Обычно это твердый химический элемент или соединение, которое проводит электричество при определенных условиях, но не проводит электричество при других. Это делает его идеальной средой для управления электрическим током и повседневными электроприборами.

Вещество, которое может проводить электричество, называется проводником, а вещество, которое не может проводить электричество, называется изолятором. Полупроводники обладают свойствами, которые находятся между проводником и изолятором. Диод, интегральная схема (ИС) и транзистор сделаны из полупроводников.

Проводимость может варьироваться в зависимости от тока или напряжения, подаваемого на управляющий электрод, или от интенсивности облучения инфракрасным (ИК), видимым светом, ультрафиолетовым или рентгеновским излучением. Конкретные свойства полупроводника зависят от добавленных в него примесей, известных как примеси.

Как работают полупроводники?

Большинство полупроводников состоят из кристаллов, состоящих из нескольких материалов. Чтобы лучше понять, как работают полупроводники, пользователи должны понимать атомы и то, как электроны организуются внутри атома. Электроны располагаются в слоях, называемых оболочками внутри атома. Самая внешняя оболочка атома известна как валентная оболочка.

Электроны этой валентной оболочки образуют связи с соседними атомами. Такие связи называются ковалентными. Большинство проводников имеют только один электрон на валентной оболочке. Полупроводники, с другой стороны, обычно имеют четыре электрона в своей валентной оболочке.

Однако, если соседние атомы имеют одинаковую валентность, электроны могут связываться с валентными электронами других атомов. Всякий раз, когда это происходит, атомы организуются в кристаллические структуры. Мы делаем большинство полупроводников с такими кристаллами, в основном с кремниевыми кристаллами.

Интегральные схемы, такие как микросхемы, состоят из полупроводниковых материалов.

В чем разница между полупроводниками N-типа и P-типа?

Полупроводник N-типа переносит ток в основном в виде отрицательно заряженных электронов, подобно проводимости тока в проводе. Полупроводник P-типа переносит ток преимущественно в виде дефицита электронов, называемого дырками. Дырка имеет положительный электрический заряд, равный и противоположный заряду электрона. В полупроводниковом материале поток дырок происходит в направлении, противоположном потоку электронов.

Элементарные полупроводники включают сурьму, мышьяк, бор, углерод, германий, селен, кремний, серу и теллур. Кремний – наиболее известный из них, составляющий основу большинства интегральных схем.

Обычные полупроводниковые соединения включают арсенид галлия, антимонид индия и оксиды большинства металлов. Мы также широко используем арсенид галлия (GaAs) в малошумящих устройствах с высоким коэффициентом усиления и слабого сигнала.

Полупроводниковое устройство может выполнять функцию оригинальной вакуумной лампы, но с объемом в сотни раз больше. Подобно микропроцессорному чипу, одна ИС может выполнять работу набора вакуумных ламп, которые заполнили бы большое здание и потребовали бы собственной электростанции.

Что такое полупроводниковый чип?

Между проводником и изолятором находится полупроводниковое вещество. Он контролирует и управляет потоком электрического тока в электронном оборудовании и устройствах. В результате это популярный компонент электронных микросхем, предназначенных для вычислительных компонентов и различных электронных устройств, включая твердотельные накопители.

Что такое радиочастотный полупроводник?

Радиочастотный (РЧ) полупроводник — это устройство, используемое для включения или выпрямления питания в электронных устройствах. Радиочастотные полупроводники работают в диапазоне радиочастот от 3 кГц до 300 ГГц.

К твердотельным относятся электронные компоненты, устройства и системы, полностью основанные на полупроводниковых материалах.

Что такое полупроводниковый оптический усилитель?

Полупроводниковый оптический усилитель (SOA) — это элемент, содержащийся в полупроводниках, который усиливает свет. Пользователи могут найти SOA в модулях оптических приемопередатчиков, используемых для обеспечения связи между центрами обработки данных.

В этом сценарии SOA усиливает оптический сигнал, используемый для связи Ethernet. Такой подход помогает компенсировать потери при передаче.

В чем разница между собственным и внешним полупроводником?

Основное различие между собственными и внешними полупроводниками заключается в их форме. Например, собственные полупроводники имеют чистую форму и состоят только из одного вида материала. К ним не добавляются какие-либо примеси.

Напротив, внешние полупроводники нечисты. Внешние полупроводники состоят из нескольких собственных полупроводников с добавлением других веществ для изменения их свойств. Эти вещества обычно являются легирующими трехвалентными или пятивалентными примесями.

Что такое сказочный полупроводник?

Термин «басня» — не путать с полупроводниковой фабрикой — описывает компании, которые разрабатывают, производят и продают аппаратное обеспечение и полупроводниковые микросхемы, но не производят свои собственные кремниевые пластины или микросхемы. Вместо этого они передают производство литейному цеху или другому производственному предприятию.

Двумя распространенными типами твердотельной памяти (построенной на полупроводниковых материалах) являются флэш-память NOR и NAND, как показано в видео выше.

См. также биполярный транзистор и полевой транзистор . Изучите это руководство по архитектуре, типам и продуктам флэш-памяти .

Последнее обновление: ноябрь 2021 г.

Продолжить чтение о полупроводниках

• Новые процессоры Intel Ice Lake повышают производительность и безопасность

• Поставки ПК в США растут, несмотря на нехватку чипов

• Нехватка микросхем приводит к росту цен на ПК и времени ожидания

• ЦП и микропроцессор: в чем разница?

• 4 тенденции, стимулирующие эволюцию сетевого оборудования

прием данных

Прием данных — это процесс получения и импорта данных для немедленного использования или хранения в базе данных.

ПоискСеть

• беспроводная ячеистая сеть (WMN)

  Беспроводная ячеистая сеть (WMN) — это ячеистая сеть, созданная путем соединения узлов беспроводной точки доступа (WAP), установленных в . ..

• Wi-Fi 7

  Wi-Fi 7 — это ожидаемый стандарт 802.11be, разрабатываемый IEEE.

• сетевая безопасность

  Сетевая безопасность охватывает все шаги, предпринятые для защиты целостности компьютерной сети и данных в ней.

ПоискБезопасность

• Что такое модель безопасности с нулевым доверием?

  Модель безопасности с нулевым доверием — это подход к кибербезопасности, который по умолчанию запрещает доступ к цифровым ресурсам предприятия и …

• RAT (троянец удаленного доступа)

  RAT (троян удаленного доступа) — это вредоносное ПО, которое злоумышленник использует для получения полных административных привилегий и удаленного управления целью …

• атака на цепочку поставок

  Атака на цепочку поставок — это тип кибератаки, нацеленной на организации путем сосредоточения внимания на более слабых звеньях в организации . ..

ПоискCIO

• Пользовательский опыт

  Дизайн взаимодействия с пользователем (UX) — это процесс и практика, используемые для разработки и внедрения продукта, который обеспечит позитивное и …

• соблюдение конфиденциальности

  Соблюдение конфиденциальности — это соблюдение компанией установленных правил защиты личной информации, спецификаций или …

• контингент рабочей силы

  Временная рабочая сила — это трудовой резерв, члены которого нанимаются организацией по требованию.

SearchHRSoftware

• Поиск талантов

  Привлечение талантов — это стратегический процесс, который работодатели используют для анализа своих долгосрочных потребностей в талантах в контексте бизнеса …

• удержание сотрудников

  Удержание сотрудников — организационная цель сохранения продуктивных и талантливых работников и снижения текучести кадров за счет стимулирования . ..

• гибридная рабочая модель

  Гибридная модель работы — это структура рабочей силы, включающая сотрудников, работающих удаленно, и тех, кто работает на месте, в офисе компании…

SearchCustomerExperience

• CRM (управление взаимоотношениями с клиентами) аналитика

  Аналитика CRM (управление взаимоотношениями с клиентами) включает в себя все программы, которые анализируют данные о клиентах и ​​представляют…

• разговорный маркетинг

  Диалоговый маркетинг — это маркетинг, который привлекает клиентов посредством диалога.

• цифровой маркетинг

  Цифровой маркетинг — это общий термин для любых усилий компании по установлению связи с клиентами с помощью электронных технологий.

Что такое полупроводник » Заметки по электронике

Полупроводники — это электронные компоненты, которые играют ключевую роль практически во всех аспектах современной электронной технологии.

Понимание того, что они из себя представляют и как они работают, важно для всех, кто занимается электроникой.

---

Полупроводники Включает:
Что такое полупроводник Дырки и электроны Полупроводниковые материалы Составные полупроводники Карбид кремния, SiC Нитрид галлия, GaN

---

Полупроводники и полупроводниковые технологии сегодня составляют основу большей части электронной промышленности.

Транзисторы, диоды, тиристоры, полевые транзисторы, интегральные схемы и многие другие электронные компоненты имеют общую полупроводниковую технологию. Все эти электронные компоненты ежедневно используются в огромных количествах во всех формах производства электроники.

В результате огромной степени гибкости, которую обеспечивает полупроводниковая технология, она позволила электронике занять многие области повседневной жизни, о чем пятьдесят лет назад нельзя было и помыслить.

Полупроводниковая технология, естественно, основана на полупроводниках, которые представляют собой особую форму материала, проводимость которого можно изменять несколькими способами.

Разработка полупроводников

Первые эффекты для полупроводников были замечены в начале двадцатого века. Тот факт, что некоторые материалы не являются ни изоляторами, ни проводниками, был известен уже давно.

Также начали использоваться одни из первых устройств — радиодетектор Cat’s Whisker был одним из первых. Впервые он был использован примерно в 1906 году, а затем, в 1920-х годах, эти устройства получили широкое распространение в первых радиовещательных радиостанциях.

Типичный кристаллический детектор / детектор Cat’s Whisker — это было одно из первых полупроводниковых устройств, которые использовались

. В 1920-х годах теоретическое понимание полупроводников начало расти, поскольку квантовая физика, лежащая в основе их работы, начала пониматься.

Однако только после того, как во время Второй мировой войны возникла потребность в микроволновых диодах для использования в радарах, возник стимул к продвижению этих устройств вперед.

В конце 1940-х годов был разработан первый транзистор, а затем, в 1960-х годах, технология продвинулась вперед, и вскоре появилось много новых устройств: полевые транзисторы, светодиоды и, конечно же, интегральные схемы.

Заметка об истории полупроводников:

Полупроводники исследовались в течение многих лет, и хотя первые устройства использовались в начале двадцатого века, мало что было известно о том, как они работали. Постепенно были раскрыты секреты их работы и изобретены многие полупроводниковые приборы и электронные компоненты.

Подробнее о Разработка и история полупроводников.

Определение полупроводника

Чтобы иметь возможность лучше понять полупроводники, полезно начать с определения, которое дает краткое описание того, что на самом деле представляет собой полупроводник.

Определение полупроводника:

Полупроводник определяется как материал, который находится на полпути между проводником и изолятором с точки зрения электропроводности. Как правило, это кристаллический твердый материал, который при определенных условиях проводит электрический ток, что делает его идеальным для управления потоком тока.

Введение в полупроводники

Электрический ток возникает, когда есть поток электронов в определенном направлении. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, их движение означает, что заряд течет из одной точки в другую, и это то, что представляет собой электрический ток.

Чтобы обеспечить протекание тока, электроны должны иметь возможность свободно перемещаться внутри материала. В некоторых материалах электроны свободно перемещаются по решетке, хотя количество электронов и доступное для них пространство уравновешиваются, поэтому сам материал не несет заряда.

В этих материалах электроны движутся свободно, но беспорядочно. Помещая разность потенциалов на проводник, можно заставить электроны дрейфовать в одном направлении, и это составляет электрический ток. Многие материалы способны проводить электричество, но наиболее распространенными примерами являются металлы.

В отличие от металлов, есть много других материалов, в которых все электроны прочно связаны со своими родительскими молекулами и не могут свободно двигаться. Соответственно, когда к веществу приложен потенциал, очень немногие электроны смогут двигаться, и ток будет очень небольшим или вообще не будет течь.

Эти вещества называются диэлектриками или изоляторами. К ним относятся большинство пластиков, керамики и многие природные материалы, такие как древесина.

Полупроводники не относятся ни к проводникам, ни к непроводникам. Вместо этого они попадают между ними. В эту категорию попадают различные материалы, в том числе кремний, германий, арсенид галлия и большое количество других веществ.

В чистом виде кремний является изолятором без свободных электронов в кристаллической решетке. Однако, чтобы понять, как он действует как полупроводник, сначала посмотрите на атомную структуру кремния в чистом виде.

Каждая молекула в кристаллической решетке состоит из ядра с тремя кольцами или орбитами, содержащими электроны, и каждый электрон имеет отрицательный заряд. Ядро состоит из нейтронов, которые нейтральны и не имеют заряда, и протонов, которые имеют положительный заряд. В атоме одинаковое количество протонов и электронов, поэтому весь атом не имеет общего заряда.

Электроны в кремнии, как и в любом другом элементе, расположены кольцами со строгим числом электронов на каждой орбите. Первое кольцо может содержать только два, а второе — восемь. Третье и внешнее кольцо из кремния имеет четыре.

Электроны внешней оболочки разделяются с электронами соседних атомов, образуя кристаллическую решетку. Когда это происходит, в решетке нет свободных электронов, что делает кремний хорошим изолятором.

Аналогичная картина наблюдается и для германия. У него два электрона на самой внутренней орбите, восемь на следующей, 18 на третьей и четыре на внешней. Опять же, он делит свои электроны с электронами соседних атомов, образуя кристаллическую решетку без каких-либо свободных электронов.

Влияние примесей на полупроводник

Чтобы превратить кремний или любой другой полупроводник в частично проводящий материал, необходимо добавить в материал очень небольшое количество примеси. Это значительно меняет свойства.

Если добавляются следы примесей материалов, имеющих пять электронов во внешнем кольце их атомов, они входят в кристаллическую решетку, разделяя электроны с кремнием. Однако, поскольку у них есть один дополнительный электрон во внешнем кольце, один электрон может свободно перемещаться по решетке. Это позволяет току течь, если к материалу приложен потенциал. Поскольку этот тип материала имеет избыток электронов в решетке, он известен как полупроводник N-типа. Типичными примесями, которые часто используются для создания полупроводников N-типа, являются фосфор и мышьяк.

Также можно поместить в кристаллическую решетку элементы только с тремя электронами во внешней оболочке. Когда это происходит, кремний хочет поделиться своими четырьмя электронами с другим атомом с четырьмя атомами. Однако, поскольку у примеси их всего три, есть место или дырка для другого электрона. Поскольку в этом типе материала отсутствуют электроны, он известен как материал P-типа. Типичными примесями, используемыми для материала P-типа, являются бор и алюминий.

Дырки и электроны в полупроводниках

Легко увидеть, как электроны могут двигаться по решетке и переносить ток. Однако для дыр это не так очевидно. Это происходит, когда электрон с полной орбиты движется, чтобы заполнить дыру, оставив дыру там, откуда он пришел.

Затем другой электрон с другой орбиты может переместиться, чтобы заполнить новую дыру и так далее. Движение дырок в одном направлении соответствует движению электронов в другом, следовательно, электрическому току.

Отсюда видно, что либо электроны, либо дырки могут переносить заряд или электрический ток. В результате они известны как носители заряда, дырки являются носителями заряда для полупроводника P-типа и электроны для полупроводника N-типа.

Подробнее о . . . . Дырки и электроны в полупроводниках.

Список общих терминов, касающихся полупроводников

• Носитель заряда   — Носитель заряда – это свободная (подвижная, несвязанная) частица, несущая электрический заряд, напр. электрон или дырка.
• Проводник  — Материал, в котором могут свободно двигаться электроны и может течь электричество.
• Электрон   — субатомная частица, несущая отрицательный заряд.
• Отверстие — Отсутствие валентного электрона в полупроводниковом кристалле. Движение дырки эквивалентно движению положительного заряда, т. е. противоположно движению электрона.
• Изолятор  — Материал, в котором нет свободных электронов, способных переносить электричество.
• Основные носители — Носители тока, либо свободные электроны, либо дырки, которые находятся в избытке, то есть в большинстве в определенной области полупроводникового материала. Электроны являются основными носителями в полупроводнике N-типа, а дырки — в области P-типа.
• Неосновные носители — Носители тока, свободные электроны или дырки, составляющие меньшинство в определенной области полупроводникового материала
• Тип N  — Область полупроводника, в которой имеется избыток электронов.
• P-тип  — Область полупроводника, в которой имеется избыток дырок.
• Полупроводник — материал, который не является ни изолятором, ни полным проводником, имеет промежуточный уровень электропроводности и в котором проводимость осуществляется посредством дырок и электронов.

Принцип работы полупроводников может показаться довольно простым. Однако потребовалось много лет, прежде чем многие из его свойств можно было использовать, и еще много лет, прежде чем их можно было усовершенствовать. В настоящее время многие процессы, используемые с полупроводниками, были высоко оптимизированы, а такие компоненты, как интегральные схемы, очень сложны. Однако они полагаются на тот факт, что различные области полупроводника могут быть легированы для получения полупроводников P-типа и N-типа.

Сегодня полупроводниковые технологии представляют собой огромный бизнес — как в производстве полупроводниковых электронных компонентов, так и в последующем использовании этих компонентов в огромном количестве продуктов, которые их используют.