Полупроводникови материали: полупроводникови примери

В нашата статия ще разгледаме примери за полупроводници, техните свойства и сфери на приложение. Тези материали имат своето място в радиотехниката и електрониката. Те са нещо между диелектрик и проводник. Между другото, просто стъкло може да се разглежда като полупроводник - в нормалното си състояние не провежда ток. Но със силно нагряване (почти до течно състояние), свойствата се променят и стъклото става проводник. Но това е изключителен пример, за други материали всичко е малко по-различно.

Основни характеристики на полупроводниците

Индексът на проводимост е около 1000 Ohm * m (при температура от 180 градуса). В сравнение с металите, полупроводниците намаляват в проводимостта с повишаване на температурата. Диелектриците имат същото свойство. Полупроводниковите материали имат доста силна зависимост от индекса на специфичната проводимост спрямо количеството и вида на примесите.

Например, ако въведем само хилядна част от арсена в чист германий, проводимостта ще се увеличи с около 10 пъти. Без изключение, полупроводниците са чувствителни към външни влияния - ядрена радиация, светлина, електромагнитни полета, налягане и др. Примери за полупроводникови материали могат да бъдат цитирани - антимон, силиций, германий, телур, фосфор, въглерод, арсен, йод, бор и различни съединения от тези вещества.

Характеристики на използването на полупроводници

Поради факта, че полупроводниковите материали имат такива специфични свойства, те са доста широко разпространени. Използват се за изработване на диоди, транзистори, триаци, лазери, тиристори, сензори за налягане, магнитни полета, температури и др. След овладяването на полупроводниците се извършва радикална трансформация в автоматизацията, радиотехниката, кибернетиката и електротехниката. Чрез използването на полупроводници бяха постигнати такива малки размери на оборудването - няма нужда да се използват масивни захранващи устройства и радиочестоти с размери 1,5 литра.

Ток в полупроводниците

В проводниците токът се определя от това къде се движат свободните електрони. Има много свободни електрони в полупроводниковите материали, има причини за това. Всички валентни електрони, които съществуват в полупроводник, не са свободни, тъй като са свързани с техните атоми.

В полупроводниците токът може да се появи и да варира в доста широки граници, но само ако има външно влияние. Текущите промени по време на нагряване, облъчване, въвеждане на примеси. Всички ефекти могат значително да увеличат енергията на валентните електрони, което допринася за тяхното отделяне от атомите. А приложеното напрежение кара тези електрони да се движат в определена посока. С други думи, тези електрони стават носители на ток.

Дупки в полупроводниците

С повишаването на температурата или интензивността на външното облъчване се наблюдава увеличаване на броя на свободните електрони. Следователно, токът се увеличава. Тези атоми в вещество, които са загубили електрони, стават положителни йони, те не се движат. От външната страна на атома, от който е напуснал електрона, остава дупка. В него може да възникне друг електрон, който е напуснал мястото си в близкия атом. В резултат на това се образува дупка на външната част на съседния атом - тя се превръща в йон (положителен).

Ако се приложи напрежение към полупроводника, тогава електроните ще започнат да се движат от един атом към следващия в определена посока. Дупки ще започнат да се движат в обратна посока. Дупка е положително заредена частица. Освен това, зарядът в неговия модул е ​​същият като този на електрона. Използвайки тази дефиниция, е възможно значително да се опрости анализът на всички процеси, които се случват в полупроводникови кристали. Токът на дупката (обозначен с I _D ) е движението на частиците в посока, обратна на движението на електроните.

Преход на електронен отвор

Полупроводникът има два вида електрическа проводимост - електрон и дупка. В чистите полупроводници (без примеси) дупките и електроните имат еднаква концентрация (съответно _ND и N _E ). Поради тази причина тази електрическа проводимост се нарича правилна. Общата текуща стойност ще бъде равна на:

I = I _P + I _D.

Но ако вземем предвид факта, че електроните имат по-висока мобилност от дупки, можем да достигнем до следното неравенство:

I _E > I _D.

Подвижността на заряда е обозначена с буквата М, това е едно от основните свойства на полупроводниците. Мобилността е съотношението на два параметъра. Първата е скоростта на движение на носителя на заряда (обозначена с буквата V с индекса "E" или "D", в зависимост от вида на носителя), втората е силата на електрическото поле (обозначена с буквата E). Може да се изрази като формули:

M _e = (V _e / e).

M _D = (V _D / E).

Мобилността ви позволява да определите пътя, по който една дупка или електрон пътува за една секунда при стойност от 1 V / cm. Вече можете да изчислите собствения си полупроводников материал:

I = N * e * (M _E + M _D ) * E.

Но трябва да се отбележи, че имаме равенство:

V _e = M _e .

N = N _E = N _D.

Буквата e във формулата се обозначава с електронен заряд (това е постоянна стойност).

Полупроводникови устройства

Можете веднага да дадете примери за полупроводникови устройства - това са транзистори, тиристори, диоди и дори микросхеми. Разбира се, това не е пълен списък. За да направите полупроводниково устройство, трябва да използвате материали, които имат дупка или електронна проводимост. За да се получи такъв материал, е необходимо да се въведе добавка в идеално чист полупроводник с концентрация на примеси по-малка от 10 ^-11 % (нарича се допинг примес).

Тези онечиствания, чиято валенция е по-голяма от тази на полупроводник, дават свободни електрони. Тези примеси се наричат ​​донори. Но тези, чиято валентност е по-малка от тази на полупроводник, са склонни да вземат и държат електрони. Те се наричат ​​акцептори. За да се получи полупроводник, който ще има само проводимостта на електронния тип, достатъчно е да се въведе вещество в изходния материал, чиято валентност ще бъде само още една единица. За пример на полупроводници в училищната физика се разглежда германий - неговата валентност е 4. Прибавя донор - фосфор или антимон - за тях валентността е пет. Има малко полупроводникови метали, те на практика не се използват в технологиите.

В този случай, 4 електрона във всеки атом образуват четири двойки (ковалентни) връзки с германий. Петият електрон няма такава връзка, което означава, че е в свободно състояние. И ако към него се приложи напрежение, той ще образува електронен ток.

Токове в полупроводниците

Когато токът на електроните е по-голям от дупките, полупроводникът се нарича n-тип (отрицателен). Да вземем за пример един малък примес на акцептора се въвежда в напълно чист германий (да речем, бор). В същото време всеки атом на акцептора ще започне да се настройва ковалентни връзки с германий. Но четвъртият атом на германия няма връзка с бор. Следователно, определен брой германиеви атоми ще имат само един електрон без връзка с ковалентен тип.

Но само незначително въздействие отвън е достатъчно, за да могат електроните да напуснат местата си. В този случай, германий формира дупки.

От фигурата може да се види, че при 2, 4 и 6 атома свободните електрони започват да се присъединяват към бор. Поради тази причина в полупроводника не се генерира ток. Дупки с числа 1, 3 и 5 се формират на повърхността на германиевите атоми - те се използват за прехвърляне на електроните от съседни атоми към тях. В последния се появяват дупки, когато електроните отлетяват от тях.

Всяка дупка, която се появява, ще започне да преминава между атомите на германия. Когато са изложени на стрес, дупките започват да се движат нормално. С други думи, в веществото се появява дупка. Този тип полупроводник се нарича р-тип или полупроводник. Когато се излагат на напрежение, не само се движат електрони, но и дупки - те срещат различни препятствия по пътя си. В този случай има загуба на енергия, отклонение от първоначалната траектория. С други думи, носителят на заряда се разсейва. Всичко това се дължи на факта, че полупроводникът съдържа примеси.

Волт-амперна характеристика

Малко по-горе бяха разгледани примери за полупроводникови вещества, които се използват в съвременните технологии. Всички материали имат свои характеристики. По-специално, едно от ключовите свойства е нелинейността на характеристиката на токовото напрежение.

С други думи, когато има увеличение на напрежението, което се прилага към полупроводника, има бързо нарастване на тока. Съпротивлението намалява рязко. Това свойство е било използвано в различни вентилни отводители. Примери за неуправляеми полупроводници могат да бъдат разгледани по-подробно в специализираната литература, използването им е строго ограничено.

Добър пример: когато разрядникът има работна стойност на напрежението, съпротивлението е високо, така че токът не тече от електропроводите към земята. Но щом светкавицата удря тел или опора, съпротивлението много бързо намалява почти до нула, ток навлиза в земята. А напрежението пада до нормално.

Симетричен CVC

Когато полярността на напрежението се промени, токът в полупроводника започва да тече в обратна посока. И се променя според същия закон. Това предполага, че полупроводниковият елемент има симетрична токово-напрежение. В случай, че една част от елемента има тип дупка, а втората е електронна, тогава се появява pn-преход (електрон-дупка) в интерфейса на техния контакт. Такива преходи са налични във всички елементи - транзистори, диоди, микросхеми. Но само в чипове на един чип се събират няколко транзистора едновременно - понякога броят им е повече от десет.

Как се случва преходът?

А сега нека погледнем как се случва формирането на pn-прехода. Ако контактът на дупката и електронните полупроводници не е много добър, тогава се формира система, състояща се от два региона. Един ще има дупка проводимост, а вторият - електронен.

Електроните, които се намират в n-областта, ще започнат да се разпространяват до там, където концентрацията им е по-малка - т.е. в р-областта. Едновременно с електроните дупките се движат, но посоката им е противоположна. При взаимна дифузия се наблюдава намаляване на концентрацията в n-областта на електроните и в р-областта на дупките.

Основното свойство на pn кръстопът

Разглеждайки примерите на проводници, полупроводници и диелектрици, може да се разбере, че техните свойства са различни. Например, основното качество на полупроводниците е способността да се преминава ток само в една посока. Поради тази причина устройствата, произведени с помощта на полупроводници, се използват широко в изправителите. На практика, използвайки няколко измервателни уреди, може да се види работата на полупроводниците и да се оцени масата на параметрите, както в режим на покой, така и под влияние на външни „стимули”.