Полупроводники примеры. Полупроводники: виды, свойства и применение в современной электронике

Что такое полупроводники и какими свойствами они обладают. Какие бывают виды полупроводников. Где применяются полупроводниковые материалы в электронике и технике. Как устроены основные полупроводниковые приборы.

Что такое полупроводники и их основные свойства

Полупроводники — это материалы, электропроводность которых имеет промежуточное значение между проводниками и диэлектриками. Их главная особенность заключается в сильной зависимости электрических свойств от внешних воздействий.

Основные свойства полупроводников:

• Удельное сопротивление уменьшается с ростом температуры (в отличие от металлов)
• Проводимость сильно зависит от наличия примесей
• Высокая чувствительность к свету, радиации, магнитному полю
• Способность создавать p-n переходы с односторонней проводимостью
• Возможность генерации электродвижущей силы при нагреве или освещении

Уникальные свойства полупроводников обусловлены особенностями их электронной структуры и механизмов проводимости.

Виды полупроводниковых материалов

Полупроводники можно классифицировать по нескольким признакам:

По химическому составу:

• Простые (элементарные) — кремний, германий, селен и др.
• Сложные — соединения двух и более элементов (арсенид галлия, антимонид индия и т.д.)
• Органические полупроводники

По типу проводимости:

• Полупроводники n-типа (электронная проводимость)
• Полупроводники p-типа (дырочная проводимость)

По структуре:

• Кристаллические
• Аморфные
• Поликристаллические

Наиболее широкое применение в электронике нашли кремний, германий и соединения на основе элементов III и V групп периодической системы.

Механизм электрической проводимости в полупроводниках

Проводимость полупроводников обусловлена движением свободных носителей заряда — электронов и дырок. Их концентрация и подвижность определяют электрические свойства материала.

Выделяют два основных типа проводимости:

1. Собственная проводимость — возникает в чистых полупроводниках за счет тепловой генерации пар электрон-дырка.
2. Примесная проводимость — обусловлена введением донорных или акцепторных примесей, создающих дополнительные носители заряда.

Соотношение этих механизмов зависит от температуры, концентрации примесей и других факторов. Понимание природы проводимости позволяет целенаправленно управлять свойствами полупроводников.

Основные полупроводниковые материалы и их свойства

Рассмотрим характеристики наиболее распространенных полупроводников:

Кремний (Si)

• Ширина запрещенной зоны: 1,12 эВ
• Подвижность электронов: 1400 см²/(В·с)
• Подвижность дырок: 450 см²/(В·с)
• Максимальная рабочая температура: около 150°C

Кремний является основным материалом современной микроэлектроники благодаря доступности, хорошим электрофизическим свойствам и отработанной технологии производства.

Германий (Ge)

• Ширина запрещенной зоны: 0,67 эВ
• Подвижность электронов: 3900 см²/(В·с)
• Подвижность дырок: 1900 см²/(В·с)
• Максимальная рабочая температура: около 85°C

Германий имеет более высокую подвижность носителей заряда, но меньшую ширину запрещенной зоны, что ограничивает его применение.

Арсенид галлия (GaAs)

• Ширина запрещенной зоны: 1,43 эВ
• Подвижность электронов: 8500 см²/(В·с)
• Подвижность дырок: 400 см²/(В·с)
• Максимальная рабочая температура: около 300°C

Арсенид галлия обладает высокой подвижностью электронов и широко используется в высокочастотной электронике и оптоэлектронике.

Применение полупроводников в электронике

Полупроводниковые материалы нашли широкое применение в различных областях электроники и техники:

• Интегральные микросхемы и процессоры
• Дискретные полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы)
• Солнечные элементы и фотодетекторы
• Светодиоды и полупроводниковые лазеры
• Датчики различных физических величин
• Преобразователи энергии (термоэлектрические генераторы)

Развитие полупроводниковой электроники привело к революции в информационных технологиях и созданию современных компьютеров, смартфонов и других электронных устройств.

Основные полупроводниковые приборы

На основе полупроводниковых материалов создан широкий спектр электронных компонентов. Рассмотрим принцип работы некоторых из них.

Полупроводниковый диод

Диод — это простейший полупроводниковый прибор с одним p-n переходом. Он обладает свойством односторонней проводимости, пропуская ток преимущественно в одном направлении.

Основные типы диодов:

• Выпрямительные диоды
• Стабилитроны
• Светодиоды
• Фотодиоды
• Варикапы

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор состоит из трех областей с чередующимся типом проводимости (n-p-n или p-n-p). Он способен усиливать электрические сигналы и работать в ключевом режиме.

Основные параметры биполярных транзисторов:

• Коэффициент усиления по току
• Максимально допустимые токи и напряжения
• Граничная частота усиления
• Входная и выходная емкости

Полевой транзистор

В полевых транзисторах управление током осуществляется электрическим полем. Они имеют высокое входное сопротивление и низкий уровень шумов.

Виды полевых транзисторов:

• С управляющим p-n переходом
• С изолированным затвором (МОП-транзисторы)

Перспективы развития полупроводниковой электроники

Современные тенденции в области полупроводниковых технологий включают:

• Дальнейшее уменьшение размеров элементов интегральных схем
• Разработку новых полупроводниковых материалов (графен, нитрид галлия)
• Создание трехмерных интегральных схем
• Развитие квантовых вычислительных устройств
• Совершенствование технологий производства гибкой электроники

Эти направления открывают новые возможности для создания более эффективных и функциональных электронных устройств.

Примеры полупроводников. Типы, свойства, практическое использование

Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка (ZnS), куприт (Cu₂O), галенит (PbS) и многие другие. Семейство полупроводников, включая полупроводники, синтезированные в лабораториях, представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 – неметаллами, из которых 13 химических элементов обладают полупроводниковыми свойствами и 12 – диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие органические соединения, например полиацетилен (СН)_n, – полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd_1-xMn_xTe) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO₃). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La₂CuO₄ является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La_1-xSr_x)₂CuO₄.

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10^-4 до 10⁷ Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника — от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы – это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs – 1,5 эВ. GaN, материал для оптоэлектронных приборов в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Энергетический зазор

Валентные орбитали атомов в кристаллической решётке разделены на две группы энергетических уровней – свободную зону, расположенную на высшем уровне и определяющую электропроводность полупроводников, и валентную зону, расположенную ниже. Эти уровни, в зависимости от симметрии решётки кристалла и состава атомов, могут пересекаться или располагаться на расстоянии друг от друга. В последнем случае между зонами возникает энергетический разрыв или, другими словами, запрещённая зона.

Расположение и заполнение уровней определяет электропроводные свойства вещества. По этому признаку вещества делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Ширина запрещённой зоны полупроводника варьируется в пределах 0,01–3 эВ, энергетический зазор диэлектрика превышает 3 эВ. Металлы из-за перекрытия уровней энергетических разрывов не имеют.

Полупроводники и диэлектрики, в противовес металлам, имеют заполненную электронами валентную зону, а ближайшая свободная зона, или зона проводимости, отгорожена от валентной энергетическим разрывом – участком запрещённых энергий электронов.

В диэлектриках тепловой энергии либо незначительного электрического поля недостаточно для совершения скачка через этот промежуток, электроны в зону проводимости не попадают. Они не способны передвигаться по кристаллической решётке и становиться переносчиками электрического тока.

Чтобы возбудить электропроводимость, электрону на валентном уровне нужно придать энергию, которой бы хватило для преодоления энергетического разрыва. Лишь при поглощении количества энергии, не меньшего, чем величина энергетического зазора, электрон перейдёт из валентного уровня на уровень проводимости.

В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно – энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ), многие соли.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.

Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости. Примесные полупроводники – это проводники, обладающие примесной проводимостью.

Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут – это донорные примеси кремния.

Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.

Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь – основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий – акцепторные примеси для кремния.

Характеристики полупроводника находятся в зависимости от дефектов его кристаллической структуры. Это является причиной необходимости выращивания предельно чистых кристаллов. Параметрами проводимости полупроводника управляют путем добавления легирующих присадок. Кристаллы кремния легируют фосфором (элемент V подгруппы), который является донором, чтобы создать кристалл кремния n-типа. Для получения кристалла с дырочной проводимостью в кремний вводят акцептор бор. Полупроводники с компенсированным уровнем Ферми для перемещения его в середину запрещённой зоны создают подобным образом.

Одноэлементные полупроводники

Самым распространённым полупроводником является, конечно, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников, обладающих подобными структурами кристалла.

Структура кристаллов Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова. В ней каждый атом окружают 4 ближайших атома, которые образуют тетраэдр. Такая координация называется четырехкратной. Кристаллы с тетрадрической связью стали базовыми для электронной промышленности и играют ключевую роль в современной технологии. Некоторые элементы V и VI группы таблицы Менделеева также являются полупроводниками. Примеры полупроводников этого типа – фосфор (Р), сера (S), селен (Se) и теллур (Те). В этих полупроводниках атомы могут иметь трехкратную (Р), двухкратную (S, Se, Те) или четырехкратную координацию. В результате подобные элементы могут существовать в нескольких различных кристаллических структурах, а также быть получены в виде стекла. Например, Se выращивался в моноклинной и тригональной кристаллических структурах или в виде стекла (которое можно также считать полимером).

— Алмаз обладает отличной термической проводимостью, превосходными механическими и оптическими характеристиками, высокой механической прочностью. Ширина энергетического разрыва — dE = 5,47 эВ.

— Кремний – полупроводник, используемый в солнечных батареях, а в аморфной форме – в тонкоплёночных солнечных батареях. Является наиболее используемым полупроводником в фотоэлементах, прост в производстве, обладает хорошими электрическими и механическими качествами. dE = 1,12 эВ.

— Германий – полупроводник, используемый в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Использовался в первых диодах и транзисторах. Требует меньше очистки, чем кремний. dE = 0,67 эВ.

— Селен – полупроводник, который применяется в селеновых выпрямителях, обладающих высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.

Двухэлементные соединения

Свойства полупроводников, образуемых элементами 3 и 4 групп таблицы Менделеева, напоминают свойства веществ 4 группы. Переход от 4 группы элементов к соединениям 3–4 гр. делает связи частично ионными по причине переноса заряда электронов от атома 3 группы к атому 4 группы. Ионность меняет свойства полупроводников. Она является причиной увеличения кулоновского межионного взаимодействия и энергии энергетического разрыва зонной структуры электронов. Пример бинарного соединения этого типа – антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb, фосфид индия InP, антимонид алюминия AlSb, фосфид галлия GaP.

Ионность возрастает, а значение её еще больше растёт в соединениях веществ 2—6 групп, таких как селенид кадмия, сульфид цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид цинка. В итоге у большинства соединений 2—6 групп запрещённая зона шире 1 эВ, кроме соединений ртути. Теллурид ртути – полупроводник без энергетического зазора, полуметалл, подобно α-олову.

Полупроводники 2-6 групп с большим энергетическим зазором находят применение в производстве лазеров и дисплеев. Бинарные соединения 2– 6 групп со суженным энергетическим разрывом подходят для инфракрасных приемников. Бинарные соединения элементов 1–7 групп (бромид меди CuBr, иодид серебра AgI, хлорид меди CuCl) по причине высокой ионности обладают запрещённой зоной шире З эВ. Они фактически не полупроводники, а изоляторы. Рост энергии сцепления кристалла по причине кулоновского межионного взаимодействия способствует структурированию атомов каменной соли с шестикратной, а не квадратичной координацией. Соединения 4–6 групп — сульфид и теллурид свинца, сульфид олова — также полупроводники. Степень ионности данных веществ тоже содействует образованию шестикратной координации. Значительная ионность не препятствует наличию у них очень узких запрещённых зон, что позволяет использовать их для приёма ИК-излучения. Нитрид галлия — соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в полупроводниковых лазерах и светодиодах, работающих в голубой части спектра.

— GaAs, арсенид галлия – второй по востребованности после кремния полупроводник, обычно используемый в качестве подложки для других проводников, например, GaInNAs и InGaAs, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, высокоэффективных фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. dE = 1,43 эВ, что позволяет повысить мощность приборов по сравнению с кремнием. Хрупок, содержит больше примесей, сложен в изготовлении.

— ZnS, сульфид цинка – цинковая соль сероводородной кислоты с диапазоном запрещённой зоны 3,54 и 3,91 эВ, используется в лазерах и в качестве люминофора.

— SnS, сульфид олова – полупроводник, используемый в фоторезисторах и фотодиодах, dE= 1,3 и 10 эВ.

Оксиды

Оксиды металлов преимущественно являются прекрасными изоляторами, но есть и исключения. Примеры полупроводников этого типа – оксид никеля, оксид меди, оксид кобальта, двуокись меди, оксид железа, оксид европия, оксид цинка. Так как двуокись меди существует в виде минерала куприта, её свойства усиленно исследовались. Процедура выращивания полупроводников этого типа еще не совсем понятна, поэтому их применение пока ограничено. Исключение составляет оксид цинка (ZnO), соединение 2—6 групп, применяемый в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La₂CuO₄ с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La₂CuO₄ в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa₂Cu₃O₈. При высоком давлении её значение составляет 134 К.

ZnO, оксид цинка, используется в варисторах, голубых светодиодах, датчиках газа, биологических сенсорах, покрытиях окон для отражения инфракрасного света, как проводник в ЖК-дисплеях и солнечных батареях. dE=3.37 эВ.

Слоистые кристаллы

Двойные соединения, подобные дииодиду свинца, селениду галлия и дисульфиду молибдена, отличаются слоистым строением кристалла. В слоях действуют ковалентные связи значительной силы, намного сильнее ван-дер-ваальсовских связей между самими слоями. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоёв изменяется введением сторонних атомов – интеркаляцией.

MoS_2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений – нафталин, полиацетилен (CH₂)_n, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида –С=С–С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки – тоже полупроводниками.

— Фуллерен имеет структуру в виде выпуклого замкнутого многогранника из чётного количества атомов углеорода. А легирование фуллерена С₆₀ щелочным металлом превращает его в сверхпроводник.

— Графен образован одноатомным слоем углерода, соединённого в двумерную гексагональную решётку. Обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, высокой жёсткостью

— Нанотрубки представляют собой свернутые в трубку пластины графита, имеющие несколько нанометров в диаметре. Эти формы углерода имеют большую перспективу в наноэлектронике. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Магнитные полупроводники

Соединения с магнитными ионами европия и марганца обладают любопытными магнитными и полупроводниковыми свойствами. Примеры полупроводников этого типа – сульфид европия, селенид европия и твёрдые растворы, подобные Cd_1-x­Mn_xTe. Содержание магнитных ионов влияет на то, как в веществах проявляются такие магнитные свойства, как антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Полумагнитные полупроводники – это твёрдые магнитные растворы полупроводников, которые содержат магнитные ионы в небольшой концентрации. Такие твёрдые растворы обращают на себя внимание своей перспективностью и большим потенциалом возможных применений. Например, в отличие от немагнитных полупроводников, в них можно достигнуть в миллион раз большего фарадеевского вращения.

Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Перовскиты, подобные Mn_0,7Ca_0,3O_3, своими свойствами превосходят переход металл-полупроводник, прямая зависимость которого от магнитного поля имеет следствием явление гигантской магнето-резистивности. Применяются в радиотехнических, оптических приборах, которые управляются магнитным полем, в волноводах СВЧ-устройств.

Полупроводниковые сегнетоэлектрики

Этот тип кристаллов отличается наличием в них электрических моментов и возникновением спонтанной поляризации. Например, такими свойствами обладают полупроводники титанат свинца PbTiO₃, титанат бария BaTiO₃, теллурид германия GeTe, теллурид олова SnTe, которые при низких температурах имеют свойства сегнетоэлектрика. Эти материалы применяются в нелинейно-оптических, запоминающих устройствах и пьезодатчиках.

Разнообразие полупроводниковых материалов

Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-5₂ (AgGaS₂) и 2-4-5₂ (ZnSiP₂) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3–5 и 2–6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As₂Se₃), – полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.

В поисках сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, не требующих экстремального давления

Сверхпроводники используются в МРТ и ускорителях частиц, но они должны оставаться при низких температурах, чтобы поддерживать нулевое электрическое сопротивление. В течение десятилетий исследователи искали решение этой проблемы: сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. Многие считают, что это открытие откроет двери для множества повседневных задач. До сих пор единственный зарегистрированный сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, требует для работы высокого давления, но некоторые исследователи полагают, что они могут создавать сверхпроводники при атмосферном давлении, создавая материалы с правильной химической комбинацией. Посмотрите, как, по мнению исследователей, может возникнуть этот сверхпроводник, и почему другие ученые настроены скептически.

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках

Содержание

1. Полупроводниковые материалы: примеры полупроводников
2. Определение и свойства
3. Виды и деление полупроводников
4. Основные особенности полупроводников
5. Особенности применения полупроводников
6. Полупроводниковые приборы
7. Термисторы
8. Фотосопротивления
9. Варисторы
10. Полупроводниковые выпрямители
11. Термоэлементы
12. Использование в радиотехнике
13. Полупроводниковый диод
14. Транзистор
15. Механизм электрической проводимости
16. Дырка
17. Энергетические зоны
18. Подвижность
19. Электронно-дырочный переход

Полупроводниковые материалы: примеры полупроводников

В нашей статье будут рассмотрены примеры полупроводников, их свойства и сферы применения. Эти материалы имеют свое место в радиотехнике и электронике. Они являются чем-то средним между диэлектриком и проводником. Кстати, простое стекло тоже можно считать полупроводником – в обычном состоянии оно ток не проводит. Зато при сильном нагреве (практически до жидкого состояния) происходит изменение свойств и стекло становится проводником. Но это исключительный пример, у других материалов все обстоит немного иначе.

Определение и свойства

Полупроводниками считают вещества, которые обладают слабовыраженными свойствами электропроницаемости металлов и изоляторов одновременно, имеется зависимость движения тока от температуры, излучений и концентрации примесей. Группа полупроводников представляется большим количеством материалов, чем металлы и диэлектрики, вместе взятые. Имеющиеся свойства веществ уникальны:

1. Удельное электрическое сопротивление ПП с нагревом тела уменьшается, в отличие от металлов, где рост температуры вызывает увеличение противодействия.
   Вследствие этого токопроводимость растёт. При охлаждении до абсолютного нуля — минус 273 ºC, ПП обретают способность становиться изоляторами, диэлектриками.
2. Односторонняя проницаемость на контакте 2 полупроводников — это свойство послужило толчком к созданию выпрямительных приборов: тиристоров, диодов и транзисторов.
3. Возникновение электрической движущей силы в определённых условиях: при нагревании контактов полупроводников появляется термический ток, а освещение вызывает напряжение фотоэффекта. ПП преобразуют солнечную энергию в электроток, а металлический предмет такого свойства не имеет.
4. Увеличение проводимости достигается введением в чистую кристаллическую решётку ПП примеси — другого химического элемента. Такими веществами будут фосфор, бор и прочие добавки в кремний.

Благодаря специфическим свойствам, использование полупроводниковых материалов обширное: энергетическая микроэлектроника, промышленное изготовление машин, а некоторые виды ПП являются сырьём для строительных материалов. Существует несколько типов элементов, они имеют разное назначение и индивидуальные конструктивные особенности.

Виды и деление полупроводников

Наименований ПП много, и для удобства они классифицируются по различным признакам. Самое крупное размежевание видов полупроводников производят по составу:

1. Простые материалы: кристаллические химические элементы селен Se, кремний Si, германий Ge заняли собственную нишу использования и применяются самостоятельно, в отличие от других, которые чаще добавляют легирующими присадками для получения составных ПП. Это элементы сурьма Sb, углерод C, теллур Te, бор B, йод I, сера S.
2. Сложные полупроводниковые материалы — в них входят химические сочетания в количестве 2, 3 и более наименований. Состоящие из двух единиц ПП называют бинарными и выделяют компонент, металлические признаки которого проявляются слабее: сульфиды, если есть сера, теллуриды (Te), арсениды (As), карбиды ©, селениды (Se).
3. Оксиды металлов — вольфрама, кадмия, титана, меди, молибдена и иных. В эту группу входят композиции, сделанные на основе титаната бария, цинка и других соединений неживой природы с небольшими добавками.
4. Органические полупроводники — это красители или природные пигменты в виде порошков аморфных и кристаллических, плёнок.

По обладанию определёнными свойствами ПП разделяют на диоды, транзисторы и тиристоры. Первые включают 2 кристалла из полупроводников различной проницаемости. Исполнение делают точечным — из кремния и металлической иглы, и плоским — сплав германия и индия.

Транзисторы состоят из 3 ПП: 2 обладают равной способностью пропускать ток, а у третьего проводимость с противоположным значением. Элементы устройства называют базой, коллектором и эмиттером. Используются как усилители электрических сигналов.

Тиристоры — преобразователи движения тока. От транзисторов отличаются предназначением: изменить ток они не могут: их функция — переключать проводимость на высокую или низкую.

Основные особенности полупроводников

Показатель проводимости составляет около 1000 Ом*м (при температуре 180 градусов). Если сравнивать с металлами, то у полупроводников происходит уменьшение удельной проводимости при возрастании температуры. Такое же свойство имеется у диэлектриков. У полупроводниковых материалов имеется достаточно сильная зависимость показателя удельной проводимости от количества и типа примесей.

Допустим, если ввести в чистый германий всего тысячную долю мышьяка, произойдет увеличение проводимости примерно в 10 раз. Все без исключения полупроводники чувствительны к воздействиям извне – ядерному облучению, свету, электромагнитным полям, давлению и т. д. Можно привести примеры полупроводниковых материалов – это сурьма, кремний, германий, теллур, фосфор, углерод, мышьяк, йод, бор, а также различные соединения этих веществ.

Особенности применения полупроводников

Благодаря тому, что у полупроводниковых материалов такие специфические свойства, они получили довольно широкое распространение. На их основе изготавливают диоды, транзисторы, симисторы, лазеры, тиристоры, датчики давления, магнитного поля, температуры, и т. д.

После освоения полупроводников произошло коренное преобразование в автоматике, радиотехнике, кибернетике и электротехнике. Именно при помощи использования полупроводников удалось достичь таких маленьких габаритов техники – нет нужды использовать массивные блоки питания и радиолампы размером с полуторалитровую банку.

Полупроводниковые приборы

Сразу можно привести примеры полупроводниковых приборов – это транзисторы, тиристоры, диоды, и даже микросхемы. Конечно, это далеко не полный список. Чтобы изготовить полупроводниковый прибор, нужно использовать материалы, у которых проводимость дырочная или электронная. Чтобы получить такой материал, необходимо в идеально чистый полупроводник с концентрацией примесей менее 10-11% ввести добавку (ее называют легирующей примесью).

Те примеси, у которых валентность оказывается больше, чем у полупроводника, отдают свободные электроны. Эти примеси называются донорами. А вот те, у которых валентность меньше, чем у полупроводника, имеют свойство хватать и удерживать электроны. Их называют акцепторами.

Для того чтобы получился полупроводник, который будет обладать лишь проводимостью электронного типа, в исходный материал достаточно ввести вещество, у которого валентность будет всего на единицу больше. Для примера полупроводников в физике школьного курса рассматривается германий – его валентность равна 4. В него добавляется донор – фосфор или сурьма, у них валентность равна пяти. Металлов-полупроводников немного, они практически не используются в технике.

При этом 4 электрона в каждом атоме осуществляют установку четырех парных (ковалентных) связей с германием. Пятый электрон не имеет такой связи, а значит, он в свободном состоянии. И если приложить к нему напряжение, он будет образовывать электронный ток.

Термисторы

Как известно, проводимость полупроводников увеличивается с ростом температуры, так как увеличивается число носителей заряда. Приближенно, зависимость проводимости полупроводников от температуры можно представить как:

где $E$ — энергия активации (энергия, требуемая для перевода электрона в зону проводимости), $k$ — постоянная Больцмана. Около абсолютного нуля все полупроводники превращаются в изоляторы. Сильная зависимость сопротивления полупроводников от температуры дает возможность использовать их в различных областях техники.

Определение 1

Приборы, которые основываются на зависимости величины сопротивления от температуры, называются термисторами.

Для производства термисторов применяют полупроводники, которые обладают существенной величиной отрицательного сопротивления (обычно, это оксидные полупроводники). Термисторы изготавливают в форме цилиндрических стержней, бусин или нитей, заключенных в баллончики из стекла, керамики или металла с изоляцией.

Фотосопротивления

Как нам известно, электроны в полупроводниках могут переходить в зону проводимости не только при повышении температуры, но и при поглощении фотона (внутренний фотоэффект). Существуют полупроводники энергия перехода электронов, у которых составляет десятые доли электрон — вольта, то есть на сопротивление подобных проводников оказывает влияние не только видимый свет, но даже инфракрасное излучение.

Прибор, основывающийся на изменении сопротивления полупроводников под воздействием освещенности, называют фотосопротивлением. Для видимой части спектра чаще всего используют полупроводники из селена, германия, сернистого кадмия и таллия. Для инфракрасной части спектра применяют полупроводники из сернистого, селенистого и теллуристого свинца.

Основной характеристикой подобных фотосопротивлений является зависимость фототока (I) от величины светового потока (Ф). Вольт — амперные характеристики фотосопротивлений имеют линейный характер. Фотосопротивления инерционны, это значит, что фототок достигает максимума не мгновенно, спадает он при прекращении освещения, также через некоторое время.

Фотосопротивления используются в автоматике, сортировке изделий по окраске или размерам.

Варисторы

Эмпирически доказано, что в небольших полях закон Ома для полупроводников можно считать применимым. Голден бет казино открыли свои двери для Украины!. Для разных веществ величина критического поля (напряженность поля при которой начинаются отступления от закона Ома) очень сильно отличается. Величина критического поля зависит от природы полупроводника, температуры, концентрации примесей.

Опытным путем установлено, что электропроводность полупроводника от напряженности поля определяется законом Пуля:

где $alpha $ — коэффициент, зависящий от температуры, $E_k$ — напряженность критического поля.

Полупроводники, проводимость которых существенно растет с увеличением напряженности электрического поля, называются варисторами (ограничителями перенапряжений). Варисторы из карбида кремния используют в виде дисков в разрядниках, которые защищают высоковольтные линии электропередач.

Полупроводниковые выпрямители

При контакте некоторых полупроводников иногда возникает явление, при котором ток хорошо проходит в одном направлении и почти не течет в обратном. Особенно часто возникает такой эффект, если полупроводники имеют разный тип проводимости.

Односторонняя проводимость касающихся разнородных полупроводников используется в диодах, триодах. Для их изготовления используют обычно германий и кремний. Такие диоды и триоды имеют довольно большой срок работы, малые габаритные размеры, потребляют мало энергии, коэффициент выпрямления высок.

Униполярная проводимость между проводником и металлом используется в вентильных элементах.

Термоэлементы

Из полупроводников создают термоэлементы. Они состоят из двух полупроводников, которые соединены металлической пластинкой. Полупроводники нагреваются в месте соединения, противоположные концы при этом охлаждаются (воздухом или иным способом). Свободные концы являются полюсами термоэлемента, к ним присоединяют внешнюю цепь. Из термоэлементов создают термоэлектрические батареи. Величина термоэлектрической ЭДС ($mathcal E$) определяется формулой:

где ${alpha }_1и {alpha }_2$ — термоэлектродвижущие силы в каждом полупроводнике при разности температур на концах равной 1°С. КПД термобатарей около 6-7%.

Если через термоэлемент пропустить электроток, то возникает эффект Пельтье, один спай нагревается, другой охлаждается. Это явление используют в холодильниках.

Пример 1

Задание: С чем связано отступление от закона Ома, которое возникает у полупроводников в сильных электрических полях?

Решение:

Запишем закон Ома в дифференциальной форме:

[I=sigma E left(1.1right),]

где $I$ — сила тока, $sigma $ — коэффициент проводимости, $E$ — напряжённость электрического поля.

Силу тока можно определить как:

[I=q_env left(1.2right),]

где $q_e$ — заряд электрона, $n$ — концентрация заряженных частиц, $v$ — скорость движения электронов. Используем выражения (1.1) и (1.2) получим, $sigma $ равна:

[sigma =frac{q_env }{E}=q_enuleft(1.3right),]

где $u$ — подвижность электронов. Из выражения (1.3) следует, что закон Ома соблюдается, если подвижность и концентрация не изменяются при изменении напряженности поля. При увеличении E выше определенного значения увеличивается подвижность электронов и растет их концентрация, так как сильное поле изменяет энергосостояние электронов в атомах (уменьшается энергия, требуемая для перехода в зону проводимости).

В больших полях свободный электрон получает энергию, которой хватает для ионизации атома решетки или атома примеси, что увеличивает концентрацию электронов проводимости.

Ответ: Отступление от закона Ома связано с влиянием сильных полей на подвижность электронов и их концентрацию.

Пример 2

Задание: Опишите процесс возникновения термоэлектродвижущей силы в полупроводниках (термоэлектрогенератор).

Решение:

В полупроводниках кинетическая энергия теплового движения свободных электронов растет пропорционально абсолютной температуре. Значит, если в полупроводнике создать разность температур, то на конце с более высокой температурой концентрация электронов вырастет. Следовательно, в полупроводнике начнется диффузия свободных электронов в направлении от горячего конца к холодному.

Холодный конец полупроводника будет иметь отрицательный заряд, горячий — положительный (он потеряет часть электронов). Диффузия будет идти до момента, когда появившаяся разность потенциалов не компенсирует диффузионный поток возникшим электрическим током обратного направления. Это равновесие определит появившуюся термо ЭДС.

Использование в радиотехнике

Каждый специалист, техник, обладающий познаниями в электронике, знает, что абсолютно вся современная электроника основана на применении полупроводниковых элементов. Любой аналоговый или цифровой (дискретный) прибор имеет в своей основе схемы, построенные с применением диодов и транзисторов.

Полупроводниковый диод

Одно из первых устройств, использующих свойства полупроводимости, – это полупроводниковый диод. Конструкция заключается в соединении пары полупроводников с разными типами проводимости.

В результате физических процессов движения электронов и дырок на границе веществ возникает электрическое поле, и образуется так называемый p-n переход.

P-n переход

P-n переход обладает свойством односторонней проводимости, то есть ток через диод возникает только при подключении p-области (анода) к полюсу источника напряжения, а n-области (катода) – к минусу.

Вольт-амперная характеристика диода

В обратной полярности ток также имеется, но его величина, по сравнению с прямым, намного меньше. Стабилитрон – вид диода, основная область его работы находится на обратной ветви характеристики. Параметр p-n перехода подобран таким образом, что в узкой области обратного тока напряжение на стабилитроне практически не меняется.

Первый диод – детектор, использовался еще в то время, когда теория полупроводников находилась в зачаточном состоянии.

Транзистор

Транзистор, или, как раннее его называли, триод, имеет две области из материала с одинаковой проводимостью и тонкую область полупроводника с другой. Принцип работы транзистора заключается в том, что малый ток в тонкой области, называемой базой, может управлять гораздо большим током через другие области, соответственно, коллектор и эмиттер.

В зависимости от схемы включения, транзистор может иметь различное назначение: как усилительный, генераторный и преобразовательный полупроводниковый элемент.

Применение полупроводников не ограничивается вышеперечисленными областями. Существуют изделия с тремя и более p-n переходами или вообще без них. Варистор – резистор с сопротивлением, зависящим от величины протекающего тока, тоже полупроводниковый элемент.

Механизм электрической проводимости

Проводимость таких материалов, как полупроводники, имеет иной характер, чем у обычных проводников. Главное условие возникновения тока в материалах – наличие достаточного количества свободных электронов. Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон ядра связан с двумя рядом стоящими атомами.

Электроны веществ участвуют в переносе заряда при получении некоторой энергии. Работа энергии для полупроводников имеет значение порядка единиц электрон-вольт (эВ). У проводников это значение меньше, у диэлектриков, соответственно, больше.

Дырка

Важная особенность рассматриваемых материалов – они могут обладать особым типом проводимости – дырочной. В электронной оболочке атома в момент отрыва и ухода электрона образуется свободное место, которое принято именовать дыркой. Соответственно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.

Обратите внимание! Подвижность электронов выше, чем у дырок.

Энергетические зоны

Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов оболочки атома. Таких зон три:

• Зона проводимости;
• Запрещенная зона;
• Зона валентности.

Название запрещенной зоны говорит о том, что электрон находиться в ней не может. Поэтому для возникновения тока электрон должен переместиться в зону проводимости из стабильной валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем свойства материала приближаются к диэлектрикам.

Подвижность

При воздействии электрического поля в материалах начинается движение носителей заряда. В рассматриваемом случае это электроны и дырки. Зависимость между скоростью движения и величиной напряженности электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Рост числа взаимных столкновений является причиной того, что при увеличении концентрации подвижность падает.

Электронно-дырочный переход

У полупроводника имеется два типа электропроводимости – электронная и дырочная. В чистых полупроводниках (без примесей) у дырок и электронов концентрация (N Д и N Э соответственно) одинаковая. По этой причине такая электропроводность называется собственной. Суммарное значение тока будет равно:

I = I Э+I Д.

Но если учесть тот факт, что у электронов значение подвижности больше, чем у дырок, можно прийти к такому неравенству:

I Э > I Д.

Подвижность заряда обозначается буквой М, это одно из главных свойств полупроводников. Подвижность – это отношение двух параметров. Первый – скорость перемещения носителя заряда (обозначается буквой V с индексом «Э» или «Д», в зависимости от типа носителя), второй – это напряженность электрического поля (обозначается буквой Е). Можно выразить в виде формул:

М Э = (V Э / Е).

М Д = (V Д / Е).

Подвижность позволяет определить путь, который проходит дырка или электрон за одну секунду при значении напряженность 1 В/см. можно теперь вычислить собственный ток полупроводникового материала:

I = N * e * (М Э + М Д) * E.

Но нужно отметить, что у нас есть равенства:

V Э =М Э.

N = N Э = N Д.

Буквой е в формуле обозначается заряд электрона (это постоянная величина).

Источники

• https://www.syl.ru/article/374653/poluprovodnikovyie-materialyi-primeryi-poluprovodnikov
• https://220v.guru/elementy-elektriki/provodka/ispolzovanie-i-vidy-poluprovodnikov.html
• https://spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/primenenie_poluprovodnikov/
• https://amperof. ru/teoriya/poluprovodniki-chto-eto-takoe.html

 

 

Помогла вам статья?

полупроводник | 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

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

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 ^-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 устройство 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

Из чего сделаны сигары? К какому материалу относится стекло? Посмотрите, на что вы действительно способны, ответив на вопросы этого теста.

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 при напряженности электрического поля в один вольт на сантиметр, а подвижность дырки равна 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. Пятый электрон становится электроном проводимости, отдаваемым зоне проводимости. Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона. Атом мышьяка является донором. Точно так же часть C рисунка показывает, что если атом с тремя внешними электронами, такой как бор, заменить атомом кремния, дополнительный электрон принимается для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, а положительно заряженная дырка создается в валентной зоне. Это создает p — полупроводник, в котором бор является акцептором.

Что такое полупроводник? Типы, примеры и области применения

Привет друзья, я надеюсь, что вы хорошо сегодня. Сегодня мы рассмотрим подробный обзор полупроводников. Мы подробно обсудим примеры полупроводников, применение полупроводников, свойства полупроводников, полупроводниковые компании, наиболее часто используемые полупроводниковые материалы и т. д.

После открытия электричества (кредит принадлежит Бенджамину Франклину) ученые разделили земные материалы на 3 основные категории, в зависимости от их электропроводности, под названием:

1. Проводник : обладает способностью проводить электричество, т. е. Медь, серебро, золото, алюминий и т. д. .
2. Изолятор : не пропускает электрические заряды, т.е. Пластик, стекло, резина, бумага и т. д. .
3. Полупроводник : это материал, свойства которого находятся между проводником и изолятором, т.е. кремний, германий, арсенид галлия и т. д. .

Погружаемся.

«>

Что такое полупроводник?

• Материал полупроводника определяется его способностью проводить электричество и его свойства проводимости лежат между проводником и изолятором .
• При определенных условиях полупроводники могут действовать либо как чистый проводник , либо как чистый изолятор .
• Более того, полупроводники(после создания PN перехода) также могут управлять направлением потока электрических зарядов , чего нельзя сказать о проводниках (поскольку они позволяют току течь в обоих направлениях).
• Примерами полупроводниковых материалов являются Кремний, германий, арсенид галлия и т. д. , где чаще всего используется кремний.
• Арсенид галлия является вторым лучшим полупроводниковым материалом и используется в солнечных элементах, лазерных диодах, интегральных схемах СВЧ и т. д.

Почему они ведут себя как полупроводники?

• Чистые полупроводники обычно относятся к 4-му столбцу периодической таблицы и, таким образом, имеют равное количество электронов и дырок в их валентной оболочке (что равно 4).
• Итак, в чистом виде нет свободного электрона или дырки для проводимости электричества и, таким образом, он действует как изолятор.
• С помощью процесса, называемого Легирование , примесь добавляется к чистому полупроводниковому материалу, который порождает в себе либо свободный электрон, либо дырку , и полупроводниковый материал начинает действовать как проводник .
• Повышение температуры также может обеспечить достаточное количество энергии для носителей заряда , и они могут разорвать свои ковалентные связи и начать проводить (в чистых проводниках удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры).

Для чего используются полупроводники?

Полупроводники произвели революцию в области электроники. Полупроводники используются для проектирования электронных компонентов:

• Наиболее часто используемым полупроводниковым компонентом является Диод ., который пропускает ток только в одном направлении и, таким образом, действует как односторонний электронный клапан .
• После диода был изобретен транзистор , который используется для быстрого переключения или усиления тока.
• Изобретение диода и транзистора открыло двери для нанотехнологий и были разработаны новые интегральные микросхемы т. е. микроконтроллеры, ULN2003, CD4050 и т.д. .
• Во все эти интегрированные микросхемы встроены полупроводниковые компоненты.

Проще говоря, полупроводник привнес автоматическое управление в электронные схемы , что невозможно с проводниками.

Типы полупроводников

Инженеры разделили полупроводники на два основных типа:

1. Внутренние полупроводники .
2. Внешние полупроводники .

Внутренние полупроводники

• Полупроводники в чистом виде называются Внутренние полупроводники и едва ли полезны, поскольку они не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами.
• На чистом форуме валентная оболочка (из полупроводникового материала) содержит равное количество дырок и электронов (кремний имеет 4 валентных электрона).

Внешние полупроводники

• Примеси ( т. е. бор, мышьяк, сурьма и т. д. ) добавляются к чистым полупроводникам с помощью метода , называемого Легирование , который улучшает проводимость полупроводников , и такие легированные полупроводники известны как Внешние полупроводники . (Скоро мы обсудим допинг)

В зависимости от используемого легирующего материала внешние полупроводники подразделяются на два типа:

• Полупроводники N-типа .
• Полупроводники P-типа .

Полупроводники N-типа

• Когда пятивалентный материал (имеющий 5 валентных электронов) используется в качестве легирующего агента, четыре его электрона в валентной оболочке создают ковалентных связей с соседними2 атомами Si6 , в то время как 5-й электрон (пятивалентного элемента) становится свободным электроном . Такие внешние полупроводники называются полупроводниками N-типа .
• В полупроводниках N-типа основными носителями заряда являются электроны (отрицательно заряженные).
• Пятивалентные элементы, обычно используемые в процессе легирования: Сурьма, мышьяк, фосфор и т. д.
• Поскольку полупроводник принимает свободный электор, он называется акцептором , а пятивалентный элемент называется донором , поскольку он отдает свой электрон.

Полупроводники P-типа

• Когда полупроводниковый материал легирован Трехвалентный (имеющий 3 валентных электрона) материал , три валентных электрона (трехвалентного элемента) создает ковалентных связей с атомами Si рядом с , но не может обеспечить 4-й электрон и, таким образом, создает дырку (положительно заряжен) , который на самом деле является вакансией и ожидает присоединения электрона. Такие легированные полупроводники называются P-Type Semiconductors .
• В полупроводниках P-типа основных носителей заряда представляют собой дырки (положительно заряженные) .
• Примеры трехвалентных элементов, используемых в процессе легирования: Бор, галлий, алюминий, индий и т. д.
• Трехвалентный элемент здесь Акцептор , а полупроводник Донор .

Легирование полупроводников

• Как мы обсуждали ранее, полупроводник в чистом виде действует как изолятор, поскольку он имеет равное количество электронов и дырок в своей внешней оболочке (называемой валентной оболочкой) .
• Итак, для создания проводящих свойств в полупроводниках к ним добавляется строго контролируемое количество примесей (например, мышьяка, бора и т. д.), и этот метод называется Легирование .
• Интенсивность проводимости зависит от типа и количества добавленной примеси .
• Обычно используются два типа примесных элементов , а именно:
  • Пятивалентный : Создает полупроводники N-типа.
  • Трехвалентный : Создает полупроводники P-типа.

PN-переход в полупроводниках

• Если полупроводниковый материал легирован как трехвалентными, так и пятивалентными примесями , то обе области P-типа и N-типа создаются в одном веществе.
• В результате на границе этих двух областей создается специальный барьер, который останавливает поток носителей заряда и называется PN развязка .
• Этот PN-переход лег в основу первого полупроводникового компонента под названием Diode .
• Различные варианты PN-перехода привели к созданию других основных компонентов , т. е. транзисторов, полевых транзисторов, полевых МОП-транзисторов и т. д.

Теперь давайте рассмотрим несколько примеров полупроводниковых материалов:

Полупроводниковые материалы

Существует множество доступных полупроводниковых материалов, вот некоторые из них:

1.

Группа IV Периодической таблицы

• В современной системе обозначений IUPAC она называется Группа 14 Периодической таблицы , в то время как в кругу полупроводников она по-прежнему считается Группа IV .
• Элементы группы IV являются наиболее часто используемыми полупроводниками, но некоторые элементы этой группы имеют большую ширину запрещенной зоны и, таким образом, действуют как изоляторы.
• Полупроводники, присутствующие в этой группе: Углерод, Кремний, Германий, олово.

2. Compound Semiconductors

• Compound Semiconductors созданы на основе химической комбинации двух различных элементов.
• Составные полупроводники обычно разрабатываются с использованием элементов из группы III и V периодической таблицы .
• Несколько примеров составных полупроводников: Арсенид галлия, карбид кремния и т. д.

3. Органические полупроводники

• Органические полупроводники содержат полимерных структур , обычно состоящих из углерода или водорода .
• Первым обнаруженным органическим полупроводником была соль Бехгора (TMTSF) ₂ PF ₆ в 1980 году .

4. Жидкие/аморфные полупроводники

• Обычно полупроводники доступны в твердом состоянии, но также обнаружено несколько жидких/аморфных полупроводников , например, гидрогенизированный аморфный кремний .
• Несколько оксидов и сплавы также отражают поведение полупроводников.

Применение полупроводниковых материалов

В современном мире электроника (особенно встроенная) просто умрет, если мы удалим из нее полупроводниковые компоненты. Полупроводники находят применение практически во всех областях электроники. Давайте посмотрим на несколько приложений полупроводников :

1. Товары народного потребления (электроника)

• Мы не можем представить мир без электронных устройств (например, мобильных телефонов, ноутбуков, микроволновых печей, холодильников и т. д. ).
• Все эти приборы используют полупроводниковые компоненты (например, диод, транзистор, МОП-транзистор, интегрированный чип и т. д. ) в своих электронных блоках управления.

2. Встроенные системы

• Микроконтроллеры/микропроцессоры произвели революцию в мире и считаются основой встроенных систем .
• В эти встроенные контроллеры встроены нанотранзисторов (полупроводниковый компонент), которые действуют как интеллектуальные переключатели .
• Таким образом, полупроводники также играют важную роль во встраиваемых системах.