Какие материалы относятся к полупроводникам. Полупроводники: виды, свойства и применение в современной электронике

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). Наиболее широко примененяются кремний и германий .

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.

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 ковалентная связь. Давайте вспомним, что это такое.

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

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. По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной.

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 всех соседних атомов, так что любой валентный электрон есть общее достояние всех атомов-соседей. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему с ним атому 2, затем — к соседнему с ним атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла — они, как говорят, принадлежат всему кристаллу (а не какой-либо одной атомной паре).

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.

Благодарим за то, что пользуйтесь нашими статьями. Информация на странице «Полупроводники» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам. Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в высшее учебное заведение или техникум нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими статьями из данного раздела.

Публикация обновлена: 08.04.2023

Материаловедение (Арзамасов Б. Н.)

Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова.— 2-е изд., испр. и доп.— М.: Машиностроение, 1986. — 384 с. Изложены закономерности формирования структуры кристаллических материалов в процессе кристаллизации из жидкого состояния, а также пластического деформирования и термической обработки. Показано влияние структуры на физико-механические свойства материалов и их зависимость от условий работы. Обоснована возможность применения различных технологических способов обработки для обеспечения требуемых свойств. Второе издание (1-е изд. 1976 г.) написано в соответствии с новой учебной программой курса. Оглавление Введение Глава 1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 1.1. Элементы кристаллографии 1.2. Влияние типа связи на структуру и свойства кристаллов Молекулярные кристаллы. Ковалентные кристаллы. Металлические кристаллы. Ионные кристаллы. 1.3. Фазовый состав сплавов Твердые растворы. Промежуточные фазы. 1.4. Дефекты кристаллов Линейные дефекты. Поверхностные дефекты. 1.5. Диффузия в металлах и сплавах 1.6. Жидкие кристаллы 1.7. Структура полимеров, стекла и керамики Глава 2. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЛИТЫХ МАТЕРИАЛОВ 2.1. Самопроизвольная кристаллизация 2.2. Несамопроизвольная кристаллизация 2.3. Форма кристаллов и строение слитков 2.4. Получение монокристаллов 2.5. Аморфное состояние металлов Глава 3. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА РАВНОВЕСНУЮ СТРУКТУРУ СПЛАВОВ 3.1. Методы построения диаграмм состояния 3.2. Основные равновесные диаграммы состояния двойных сплавов Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой ограниченно растворимы в твердом состоянии и образую! перитектику Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением. Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии. 3.3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов Превращения в сплавах системы железо-цементит. Превращения в сплавах системы железо-графит. 3.4. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей Карбиды в легированных сталях. Влияние легирующих элементов на температуры фазовых превращений сталей при нагреве и на состав точек S и Е диаграммы. Глава 4. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДЕФОРМИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 4.1. Пластическая деформация моно- и поликристаллов Механизм пластической деформации Пластическая деформация поликристаллических металлов. Деформирование двухфазных сплавов оказывается более сложным. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации. 4.2. Возврат и рекристаллизация Глава 5. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 5. 2. Основное оборудование для термической обработки 5.3. Термическая обработка сплавов, не связанная с фазовыми превращениями в твердом состоянии Рекристаллизационный отжиг. Диффузионный отжиг (гомогенизация). 5.4. Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии 5.5. Термическая обработка сталей с эвтектоидным превращением Превращения аустенита при различных степенях переохлаждения. 5.6. Основные виды термической обработки стали Нормализация сталей. Закалка сталей. Закаливаемость в прокаливаемость сталей. Отпуск закаленных сталей. Глава 6. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 6.2. Диффузионное насыщение углеродом и азотом Азотирование стали. Ионное азотирование и цементация. Одновременное насыщение поверхности стали углеродом и азотом. 6.3. Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами Раздел первый. Конструкционные материалы 7.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам 7. 2. Конструкционная прочность материалов и критерии ее оценки 7.3. Методы повышения конструкционной прочности 7.4. Классификация конструкционных материалов Глава 8. СТАЛИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ЖЕСТКОСТЬ, СТАТИЧЕСКУЮ И ЦИКЛИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ 8.1. Классификация конструкционных сталей 8.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали 8.3. Углеродистые стали 8.4. Легированные стали Легированные стали нормальной и повышенной статической прочности. Легированные высокопрочные стали. Легированные стали с повышенной циклической прочностью. Глава 9. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ 9.1. Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием 9.2. Стали с высокое технологической пластичностью и свариваемостью 9.3. Железоуглеродистые сплавы с высокими литейными свойствами Серые чугуны. Высокопрочные чугуны. Ковкие чугуны. 9.4. Медные сплавы Общая характеристика и классификация медных сплавов. Латуни. Бронзы. Глава 10. ИЗНОСОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ 10.2. Закономерности изнашивания деталей, образующих пары трения, и пути уменьшения их износа 10.3. Материалы с высокой твердостью поверхности Материалы, устойчивые к усталостному виду изнашивания. Материалы, устойчивые к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузок. 10.4. Антифрикционные материалы Неметаллические материалы. Комбинированные материалы. Минералы. 10.5. Фрикционные материалы Глава 11. МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКИМИ УПРУГИМИ СВОЙСТВАМИ 11.1. Рессорно-пружинные стали 11.2. Пружинные материалы приборостроения Глава 12. МАТЕРИАЛЫ С МАЛОЙ ПЛОТНОСТЬЮ 12.1. Сплавы на основе алюминия Общая характеристика и классификация алюминиевых сплавов. Деформируемые алюминиевые сплавы. Литейные алюминиевые сплавы. Гранулированные сплавы. 12.2. Сплавы на основе магния Общая характеристика и классификация магниевых сплавов. Деформируемые магниевые сплавы. Литейные магниевые сплавы. 12.3. Неметаллические материалы Механические свойства термопластичных пластмасс. Механические свойства термореактивных пластмасс. Глава 13. МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ 13.1. Титан и сплавы на его основе Влияние легирующих элементов на структуру и свойства титановых сплавов. Особенности термической обработки титановых сплавов. Промышленные титановые сплавы. 13.2. Бериллий и сплавы на его основе Бериллиевые сплавы. 13.3. Композиционные материалы Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. Волокнистые композиционные материалы. Композиционные материалы на неметаллической основе. Композиционные материалы на металлической основе. Глава 14. МАТЕРИАЛЫ, УСТОЙЧИВЫЕ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ТЕМПЕРАТУРЫ И РАБОЧЕЙ СРЕДЫ 14.1. Коррозионно-стойкие материалы Коррозионно-стойкие непассивирующиеся металлы. Коррозионностойкие пассивирующиеси металлы. Коррозионно-стойкие покрытия. 14.2. Жаростойкие материалы Жаростойкость металлов. Жаростойкость сплавов. 14.3. Жаропрочные материалы Основные группы жаропрочных материалов. 14.4. Хладостойкие материалы Основные группы хладостойких материалов. 14.5. Радиационно-стойкие материалы Влияние облучения на коррозионную стойкость. Раздел второй. Материалы с особыми физическими свойствами 15.1. Общие сведения о ферромагнетиках 15.2. Магнитно-мягкие материалы Низкочастотные магнитно-мягкие материалы Высокочастотные магнитно-мягкие материалы. Материалы со специальными магнитными свойствами. 15.3. Магнитно-твердые материалы Магнитно-твердые лнтые материалы. Порошковые магнитно-твердые материалы. Деформируемые магнитно-твердые сплавы. Глава 16. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ТЕПЛОВЫМИ СВОЙСТВАМИ 16.1. Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширении 16.2. Сплавы с заданным температурным коэффициентом модуля упругости Глава 17. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ 17.1. Материалы высокой электрической проводимости Проводниковые материалы. 17.2. Полупроводниковые материалы Кристаллофизические методы получения сверхчистых материалов. Легирование полупроводников и получение p-n-переходов. 17.3. Диэлектрики Раздел третий. Инструментальные материалы Глава 18. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕЖУЩИХ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ 18.1. Материалы для режущих инструментов Низколегированные стали. Быстрорежущие стали. Спеченные твердые сплавы. Сверхтвердые материалы. 18.2. Стали для измерительных инструментов Глава 19. СТАЛИ ДЛЯ ИНСТРУМЕНТОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ 19.1. Стали для инструментов холодной обработки давлением 19.2. Стали для инструментов горячей обработки давлением Приложение Список литературы

Полупроводниковые материалы — IEEE IRDS™

Цена и доступность полупроводниковых материалов варьируются от широко распространенного кремния до дорогих редкоземельных элементов (РЗЭ). Солнечные элементы, полевые транзисторы, датчики IoT и схемы беспилотных автомобилей — все они требуют для работы полупроводниковых материалов. Современный мир буквально обязан своим существованием полупроводникам и материалам, используемым при их производстве.

По мере того, как физические ограничения существующих полупроводниковых материалов достигаются, новые материалы готовы занять их место. Рынок этих материалов в сочетании с новыми приложениями для полупроводников меняет производство и закупку материалов во всей отрасли.

Типы полупроводниковых материалов

Доступ к дорожной карте IRDS™

Чтобы понять изменяющийся характер производства полупроводников, необходимо понять существующие полупроводниковые материалы и то, как их состав влияет на электронные устройства. Новости отрасли предлагают последние новости о ценах на материалы и исследованиях, но, как правило, предполагают осведомленность о текущих свойствах и ограничениях материалов.

Наиболее часто используемыми полупроводниковыми материалами являются кремний, германий и арсенид галлия. Из этих трех материалов германий был одним из первых используемых полупроводниковых материалов. Германий имеет четыре валентных электрона, то есть электроны, расположенные на внешней оболочке атома.

Количество валентных электронов в полупроводниковом материале определяет его проводимость. Несмотря на важный шаг в эволюции полупроводниковых материалов, германий в значительной степени вышел из употребления в пользу нынешнего короля полупроводниковых материалов — кремния.

Кремний широко используется в качестве полупроводникового материала с 1950-х годов. Самый распространенный элемент на Земле после углерода, кремний имеет четыре валентных электрона и плавится при более высокой температуре, чем германий (1414 градусов Цельсия по сравнению с 938,3 градусами Цельсия у германия).

Кремний в большом количестве содержится в кварците. Процессы экстракции, очистки и кристаллизации кремния эффективны и экономичны. Этот элемент кристаллизуется в алмазной форме для относительно прочной связи, придавая кристаллам кремния сильные механические свойства.

Арсенид галлия является вторым наиболее распространенным полупроводником, используемым сегодня. В отличие от кремния и германия, арсенид галлия представляет собой соединение, а не элемент, и получается путем соединения галлия с его тремя валентными электронами с мышьяком, имеющим пять валентных электронов.

Восемь валентных электронов заставляют устройства на основе арсенида галлия быстро реагировать на электрические сигналы, что делает это соединение хорошо подходящим для усиления высокочастотных сигналов, принимаемых телевизионными спутниками. Однако арсенид галлия имеет некоторые ограничения: это соединение труднее производить в массовом порядке, чем кремний, а химические вещества, используемые при производстве арсенида галлия, довольно токсичны.

В дополнение к арсениду галлия составной диоксид кремния обладает характеристиками, превосходящими свойства кремния, что позволяет использовать его в качестве изолятора, пассивирующего слоя и строительного слоя в устройствах на основе металл-оксид-кремния (MOS), типе изолированных затворный полевой транзистор. Диоксид кремния обладает высокой диэлектрической прочностью и более широкой запрещенной зоной, чем кремний, что делает его эффективным изолятором, а соединение легко наносится на другие материалы.

В то время как кремний был наиболее важным материалом в производстве полупроводников на протяжении большей части конца двадцатого и начала двадцать первого веков, кремний достигает предела своей полезности. Потребность в все более компактных и быстрых интегральных схемах довела эффективность материала до предела, и отраслевые эксперты опасаются, что кремний скоро достигнет пределов закона Мура. Исследования новых материалов продолжаются, и некоторые материалы имеют большие перспективы в будущем:

• Мощный нитрид галлия может использоваться для более эффективного и быстрого преобразования энергии в системах электросетей благодаря высокому критическому энергетическому полю.
• Полупроводники на основе антимонида и висмутида находят применение в улучшенных инфракрасных датчиках для медицинского и военного секторов.
• У графена есть потенциал превзойти кремний в качестве универсального полупроводникового материала, но до широкой коммерциализации может пройти целых двадцать пять лет.
• Пирит можно использовать для замены редкоземельного элемента теллурида кадмия, который широко используется в солнечных элементах, но запасы которого ограничены. Пирит широко распространен, недорог и нетоксичен.

Подробнее о полупроводниковых материалах см. в дорожной карте IRDS™

Доступ к дорожной карте IRDS™

Свойства полупроводниковых материалов

Полупроводниковые материалы обладают особыми характеристиками, связанными с электропроводностью. Будущее полупроводников зависит от того, удастся ли массово производить новые материалы с такими характеристиками по цене, аналогичной стоимости кремния.

Материалы, обладающие электропроводностью, естественно, называются проводниками. Примеры включают золото, серебро и медь. Изоляторы, с другой стороны, имеют высокое сопротивление и препятствуют электропроводности. Резина, стекло и керамика являются изоляторами.

Полупроводники, как следует из названия, обладают характеристиками как проводников, так и изоляторов. Полупроводники, обычно кристаллические по форме, имеют небольшое количество свободных электронов, необходимых для проводимости. Вместо этого их атомы группируются вместе, образуя кристаллическую решетку, через которую возможна электропроводность, но только при правильных условиях.

При низких температурах полупроводники обладают малой или нулевой проводимостью и действуют как изоляторы. Однако при комнатной температуре или при воздействии света, напряжения или тепла они могут проводить электричество. Именно это квазисостояние между проводниками и изоляторами делает полупроводники столь важными для электронных устройств, поскольку они контролируют, как, когда и куда течет электричество.

Металлы проводят электричество, потому что их свободные электроны могут свободно перемещаться между атомами, поскольку электричество требует потока электронов от одного атома к другому. Полупроводники, такие как чистый кремний, имеют мало свободных электронов и действуют скорее как изоляторы.

Поведение кремния можно подтолкнуть к проводимости с помощью процесса, называемого легированием. Легирование смешивает крошечные примеси с полупроводниковыми материалами. Примеси добавляют «донорные атомы» к основному материалу, способствуя проводимости. Количество примесей, добавляемых к полупроводниковым материалам, ничтожно мало — всего один донорный атом на десять миллионов полупроводниковых атомов — но достаточно, чтобы обеспечить электрическую проводимость.

Используются две категории примесей, N-типа и P-типа:

• Полупроводники N-типа включают фосфор или мышьяк. Оба вещества имеют пять валентных электронов. При добавлении в решетку кремния одному из легирующих электронов не с чем связываться, поэтому он доступен для обеспечения электрического тока. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому такие полупроводники называют полупроводниками N-типа.
Полупроводники
• P-типа «легированы» бором или галлием. Два легирующих элемента имеют только три валентных электрона. Когда они смешиваются с решеткой кремния, нескольким электронам кремния не с чем связываться, что обеспечивает электропроводность. Отсутствие электрона создает положительный заряд, поэтому кремний, легированный бором или галлием, называется полупроводником P-типа.

При производстве интегральных схем компоненты схемы, такие как транзисторы и проводка, наносятся на поверхность тонкой кремниевой кристаллической пластины. Затем тонкая пленка компонента покрывается фотостойким веществом, на которое с помощью технологии фотолитографии проецируется рисунок схемы.

В результате получается один слой схемы с транзисторами на самом нижнем уровне. Затем процесс повторяется со множеством схем, сформированных друг над другом и полупроводниковой основой.

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS™

Получите доступ к дорожной карте IRDS™

Применение полупроводниковых материалов

Производство полупроводников обеспечивает основное оборудование почти для всех электронных устройств. Он используется для усиления энергии, переключения, преобразования энергии, датчиков и многого другого.

Общие продукты и компоненты, изготовленные из полупроводниковых материалов, включают следующее:

• биполярные транзисторы
• диоды
• полевые транзисторы
• интегральные схемы
• переход полевого транзистора
• Светодиоды (LED)
• Металл-оксид-полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы)
• кремниевые выпрямители

Полупроводниковые материалы являются важным компонентом электронных устройств, что делает их жизненно важными почти для всех основных отраслей промышленности. Во всем мире ежедневно используется более ста миллиардов полупроводников.

Отрасли, которые особенно зависят от полупроводниковых материалов, включают следующие:

• искусственный интеллект
• чистая энергия
• связь
• вычисления
• энергия
• здравоохранение
• Интернет вещей
• военный

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS™

Получите доступ к дорожной карте IRDS™

Рынок полупроводниковых материалов

Поскольку почти все отрасли промышленности зависят от электронных устройств, рынок полупроводников относительно стабилен. Стоимость материалов, необходимых для начального производства полупроводниковой упаковки, варьируется от легкодоступного кремния и керамики до дорогостоящих редкоземельных металлов.

В 2018 году объем рынка полупроводниковых материалов превысил 50 миллиардов долларов, а к концу 2025 года, по прогнозам, он превысит 70 миллиардов долларов. Прогнозируемый среднегодовой темп роста в период с 2018 по 2025 год оценивается в 4,32 процента.

В то время как некоторые полупроводниковые материалы дешевы и распространены (наиболее очевидным примером является кремний), РЗЭ, используемые в производстве диэлектриков с высоким значением κ и химико-механической полировке, могут быть дорогостоящими.

На стоимость РЗЭ влияют несколько факторов. Процессы, необходимые для выделения РЗЭ из породы, в которой они находятся, сложны и дорогостоящи, требуя тысяч стадий для извлечения и очистки готового материала.

Сложность извлечения РЗЭ из сырья побудила многие горнодобывающие компании отказаться от получения прибыли от РЗЭ. Китай является одной из немногих стран, которые сосредоточены на добыче и переработке РЗЭ, в результате чего страна производит 85 процентов мировых поставок вольфрама и молибдена.

Мертвая хватка Китая в производстве РЗЭ позволяет ему не только устанавливать цены, но и использовать ценный полупроводниковый материал в качестве политического оружия. В 2010 году Китай прекратил все продажи РЗЭ в Японию из-за спора по поводу задержания Японией китайского капитана рыболова. Вызывает озабоченность вопрос, решит ли Китай использовать экспорт РЗЭ во время продолжающейся торговой войны между США и Китаем.

Учитывая ценность некоторых полупроводниковых материалов, переработка и регенерация ценных РЗЭ и других веществ являются вариантами. В настоящее время переработка РЗЭ наиболее успешна при работе с крупными полупроводниковыми продуктами, такими как солнечные элементы, автомобильные катализаторы и магниты для ветряных турбин. РЗЭ также восстанавливаются из аккумуляторов.

Переработка небольших полупроводниковых материалов проблематична с финансовой точки зрения, учитывая небольшое количество материалов, утилизированных из отдельных продуктов, таких как смартфоны. Переработка полупроводниковых материалов также не обходится без экологических издержек: процесс приводит к значительным отходам и выбросу многочисленных токсичных загрязнителей. Этические соображения также вызывают озабоченность, поскольку многие бывшие в употреблении полупроводниковые изделия оказываются на предприятиях по переработке электронных отходов в странах третьего мира, известных эксплуатацией детского труда.

Наиболее очевидный способ снизить затраты на РЗЭ для других стран, кроме Китая, — начать добычу и переработку собственных месторождений РЗЭ (несмотря на свое название, РЗЭ распределены по земле равномерно, хотя это затрудняет поиск крупных месторождений в одном месте ). Однако, как отмечается в сообщении ACM , для этого требуется готовность инвестировать в разработку рентабельных процессов добычи, добычи и переработки.

Хотите узнать больше о полупроводниковых материалах? Рекомендуем прочитать Международную дорожную карту для устройств и систем (IRDS™). IRDS™ — это набор прогнозов, изучающих будущее электронной, полупроводниковой и компьютерной отраслей на пятнадцатилетний период. Он охватывает ряд важнейших областей и технологий, от потребностей приложений до устройств и производства. Присоединяйтесь к техническому сообществу IRDS™, чтобы загрузить дорожную карту и быть в курсе наших последних действий.

Как загрузить IRDS™

Доступ к дорожной карте IRDS™

Semiconductor | Определение, примеры, типы, использование, материалы, устройства и факты

проводимости

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Дункан Холдейн Уолтер Х. Браттейн Ив-Андре Рокар

Похожие темы:

кремний германий лавинный эффект Эффект Ганна p-n переход

См. всю связанную информацию →

полупроводник , любой класс кристаллических твердых тел, промежуточный по электропроводности между проводником и изолятором. Полупроводники используются в производстве различных электронных устройств, в том числе диодов, транзисторов и интегральных схем. Такие устройства нашли широкое применение благодаря своей компактности, надежности, энергоэффективности и дешевизне. В качестве дискретных компонентов они нашли применение в силовых устройствах, оптических датчиках и излучателях света, включая твердотельные лазеры. Они обладают широким диапазоном возможностей управления током и напряжением и, что более важно, поддаются интеграции в сложные, но легко изготавливаемые микроэлектронные схемы. Они являются и будут в обозримом будущем ключевыми элементами для большинства электронных систем, обслуживающих приложения связи, обработки сигналов, вычислений и управления как на потребительском, так и на промышленном рынках.

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно подразделяются на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке показаны проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1/σ), связанные с некоторыми важными материалами в каждом из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка 10 9от 0240 −18 до 10 ⁻¹⁰ сименс на сантиметр; и проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр. Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями и обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительному количеству примесных атомов. Например, добавление около 10 атомов бора (известного как легирующая примесь) на миллион атомов кремния может увеличить его электропроводность в тысячу раз (частично объясняя широкий разброс, показанный на предыдущем рисунке).

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. Элементарные полупроводники состоят из атомов одного вида, таких как кремний (Si), германий (Ge) и олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI периодической таблицы. Однако существует множество составных полупроводников, состоящих из двух или более элементов. Арсенид галлия (GaAs), например, представляет собой бинарное соединение III-V, представляющее собой комбинацию галлия (Ga) из столбца III и мышьяка (As) из столбца V. Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных столбцов: например, теллурид ртути и индия (HgIn ₂ Te ₄ ), соединение II-III-VI. Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 − x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где и Al, и Ga происходят из столбец III и нижний индекс х относятся к составу двух элементов от 100 процентов алюминия ( х = 1) до 100 процентов галлия ( х = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для приложений интегральных схем, а бинарные и тройные соединения III-V наиболее важны для излучения света.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только в качестве двухвыводных устройств, таких как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрировали высокие токи утечки лишь при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал наиболее широко используемым полупроводником, практически вытеснив германий в качестве материала для изготовления устройств. Этому есть две основные причины: (1) кремниевые устройства имеют гораздо меньшие токи утечки и (2) диоксид кремния (SiO ₂ ), представляющий собой высококачественный изолятор, легко встраивается в состав устройства на основе кремния. Таким образом, кремниевая технология стала очень продвинутой и широко распространенной: кремниевые устройства составляют более 95 процентов всех полупроводниковых продуктов, продаваемых во всем мире.

Викторина «Британника»

Строительные блоки предметов повседневного обихода

Многие составные полупроводники обладают некоторыми специфическими электрическими и оптическими свойствами, которые превосходят их аналоги из кремния. Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для оптоэлектроники и некоторых радиочастотных (РЧ) приложений.

Электронные свойства

Описанные здесь полупроводниковые материалы представляют собой монокристаллы; т. е. атомы расположены трехмерным периодическим образом. Часть A рисунка показывает упрощенное двумерное представление собственного (чистого) кристалла кремния, который содержит незначительные примеси. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями. Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара образует ковалентную связь. Сила притяжения между электронами и обоими ядрами удерживает два атома вместе. Для изолированных атомов (например, в газе, а не в кристалле) электроны могут иметь только дискретные энергетические уровни. Однако, когда большое количество атомов объединяется в кристалл, взаимодействие между атомами приводит к тому, что дискретные энергетические уровни распределяются по энергетическим зонам. При отсутствии тепловых колебаний (т. е. при низкой температуре) электроны в изоляторе или полупроводниковом кристалле полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Самая высокая заполненная зона называется валентной зоной. Следующей зоной является зона проводимости, которая отделена от валентной зоны энергетической щелью (в кристаллических диэлектриках щель гораздо больше, чем в полупроводниках). Эта энергетическая щель, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми не могут обладать электроны в кристалле. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне от 0,25 до 2,5 электрон-вольт (эВ). Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а арсенида галлия — 1,42 эВ. Напротив, ширина запрещенной зоны алмаза, хорошего кристаллического изолятора, составляет 5,5 эВ.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

При низких температурах электроны в полупроводнике связаны в соответствующих зонах в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разорвать некоторые ковалентные связи с образованием свободных электронов, которые могут участвовать в проводимости тока. Когда электрон удаляется от ковалентной связи, с этой связью связана электронная вакансия. Эта вакансия может быть заполнена соседним электроном, что приводит к смещению положения вакансии с одной позиции кристалла на другую. Эту вакансию можно рассматривать как фиктивную частицу, называемую «дыркой», которая несет положительный заряд и движется в направлении, противоположном направлению движения электрона. Когда к полупроводнику прикладывается электрическое поле, как свободные электроны (теперь находящиеся в зоне проводимости), так и дырки (оставленные в валентной зоне) движутся через кристалл, создавая электрический ток. Электропроводность материала зависит от количества свободных электронов и дырок (носителей заряда) в единице объема и от скорости движения этих носителей под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и дырок. Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью; то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров в вольт-секунду (см ² /В·с), т. е. электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под действием электрического поля в один вольт на сантиметр, — а подвижность дырки 500 см ² /В·с. Подвижности электронов и дырок в конкретном полупроводнике обычно уменьшаются с повышением температуры.

Электрическая проводимость собственных полупроводников при комнатной температуре очень плохая. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одна часть на миллион атомов-хозяев). Это называется легированием — процессом, который увеличивает проводимость, несмотря на некоторую потерю подвижности. Например, если атом кремния заменить атомом с пятью внешними электронами, например, мышьяком ( см. часть В рисунка), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния.