Что такое полупроводник? - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Полупроводники N-типа имеют избыток электронов, несущих отрицательный заряд. Полупроводники P-типа не имеют электронов, но имеют избыток дырок (вакансий для электронов), которые несут положительный заряд.

Печать
Электронная почта

Полупроводник – это кристаллический материал, который проводит электричество не так хорошо, как металлы, но и не так плохо, как большинство изоляторов. В целом, электроны полупроводников тесно связаны со своими ядрами. Однако если несколько атомов сурьмы, имеющей “избыточные” электроны, ввести в полупроводник, такой как кремний, то свободные электроны сурьмы помогают кремнию нести отрицательный заряд.

Когда несколько атомов в полупроводнике заменяются индием, который легко присоединяет к себе дополнительные электроны, в полупроводнике образуется незанятое пространство без электронов, или, как их называют физики, “дырки”, которые несут положительный заряд.

Такие свойства полупроводников привели к их широкому использованию в транзисторах – устройствах, которые усиливают ток, блокируют его или позволяют ему течь только в одном направлении. В типичном NPN транзисторе слой положительно проводящего полупроводника (P) (база) расположен между двумя слоями отрицательно проводящего полупроводника (N) (эмиттер и коллектор). Когда слабый сигнал, например, от домофона, проходит через базу NPN транзистора, эмиттированные электроны усиливают сигнал.

Содержание

Структура полупроводников

Полупроводники N-типа содержат избыток электронов, несущих отрицательный заряд. Полупроводники P-типа не имеют электронов, но имеют избыток дырок (вакансий для электронов), которые несут положительный заряд.

Отличительные особенности полупроводников

В отличие от проводников, в которых много свободных электронов, и изоляторов, в которых их почти нет, полупроводники содержат небольшое количество свободных электронов и так называемые дырки (белые кружки) – пустые пространства, оставленные свободными электронами. И дырки, и электроны проводят электричество.

NPN транзистор

PNP транзистор

Дырки перемещаются от положительного эмиттера (+) к отрицательной базе (слой N), а затем через положительный коллектор к отрицательному полюсу (-), увеличивая электрический ток.

Что такое диод?

В одном случае – да, в другом – нет. На входе диода изображен переменный ток, диаграмма справа показывает, что через диод протекает только постоянный ток.

Когда отрицательно заряженные электроны (голубые шарики) и положительно заряженные дырки (розовые шарики) удаляются от места соединения слоев кремния N-типа и P-типа в диоде, электрический ток прерывается. На рисунке ниже справа электроны и дырки движутся к переходу, в результате чего диод проводит ток только в одном направлении, преобразуя переменный ток в постоянный.

Вы находитесь здесь: Главная Когнитивный Физика Что такое полупроводник?Полупроводник – это устройство, используемое для всех видов связи и транспорта,

Что такое полупроводник

Помимо электропроводников, в природе существует множество веществ, обладающих гораздо меньшей электропроводностью, чем металлические проводники. Вещества такого типа называются полупроводниками.

Полупроводники включают определенные химические элементы, такие как селен, кремний и германий, соединения серы, такие как сульфид таллия, сульфид кадмия, сульфид серебра, карбиды, такие как карборунд, углерод (алмаз), бор, серое олово, фосфор, сурьма, мышьяк, теллур, йод и несколько соединений, которые содержат по крайней мере один элемент из групп 4-7 системы Менделеева. Существуют также органические полупроводники.

Характер электропроводности полупроводника зависит от типа примесей, присутствующих в основном материале полупроводника, и от процесса изготовления его компонентов.

Полупроводник – это вещество с электропроводностью 10 -10 – 10 4 (Ом х см)-1 , которое по этим свойствам находится между проводником и изолятором. Разница между проводниками, полупроводниками и изоляторами согласно теории полос состоит в следующем: в чистых полупроводниках и электронных изоляторах между заполненной (валентной) полосой и полосой проводимости существует запрещенная энергетическая полоса.

Почему полупроводники проводят электричество

Полупроводник обладает электронной проводимостью, если в атомах его примесей внешние электроны относительно слабо связаны с ядрами атомов. Если в таком полупроводнике создать электрическое поле, то под воздействием внешнего поля электроны из примесных атомов полупроводника будут покидать границы своих атомов и превращаться в свободные электроны.

Свободные электроны под воздействием электрического поля создадут в полупроводнике ток проводимости. Поэтому природа электрического тока в электронно-проводящих полупроводниках такая же, как и в металлических проводниках. Однако, поскольку в единице объема полупроводника во много раз меньше свободных электронов, чем в единице объема металлического проводника, естественно, что при прочих равных условиях ток в полупроводнике будет во много раз меньше, чем в металлическом проводнике.

Полупроводник обладает “дырочной” проводимостью, если атомы его примесей не отдают свои внешние электроны, а наоборот, стремятся захватить электроны атомов основного вещества полупроводника. Если атом примеси забирает электрон у основного атома вещества, то в последнем образуется своего рода свободное пространство для электрона, “дыра”.

Атом полупроводника, потерявший электрон, называется “электронной дырой” или просто “дыркой”. Если “дыра” заполняется электроном, переданным от соседнего атома, электрон удаляется, и атом становится электрически нейтральным, а “дыра” перемещается к соседнему атому, потерявшему электрон. Поэтому, если дырочный полупроводник подвергается воздействию электрического поля, “электронные дырки” будут двигаться в направлении поля.

Движение “электронных дырок” в направлении электрического поля аналогично движению положительных электрических зарядов в этом поле и поэтому представляет собой явление электрического тока в полупроводнике.

Полупроводники нельзя строго различать по механизму их электропроводности, поскольку наряду с “дырочной” проводимостью полупроводник может обладать электронной проводимостью в большей или меньшей степени.

Тип проводимости (электронная – n-тип, дырочная – p-тип);

Время жизни (неосновных) носителей или длина диффузии, скорость поверхностной рекомбинации;

Температура оказывает значительное влияние на характеристики полупроводников. Увеличение этого сопротивления обычно приводит к уменьшению удельного сопротивления и наоборот, т.е. полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Вблизи абсолютного нуля полупроводник становится изолятором.

Многие устройства основаны на полупроводниках. В большинстве случаев они должны быть получены в виде монокристаллов. Для получения желаемых свойств полупроводники легируются различными примесями. К чистоте полупроводниковых материалов предъявляются повышенные требования.

Термическая обработка полупроводников

Термообработка полупроводника – это нагрев и охлаждение полупроводника по заданной программе с целью изменения его электрических свойств.

Меняется кристаллическая модификация, плотность дислокаций, концентрация вакансий или дефектов структуры, тип проводимости, концентрация, подвижность и время жизни носителей заряда. Последние четыре, кроме того, могут быть связаны с взаимодействием примесей и дефектов структуры или с диффузией примесей в объеме кристалла.

Нагрев образцов германия до температуры >550°C с последующим быстрым охлаждением приводит к появлению термоакцепторов в концентрации, тем большей, чем выше температура. Последующий отжиг при той же температуре восстанавливает исходное удельное сопротивление.

Вероятным механизмом этого явления является растворение меди, диффундирующей с поверхности или осаждающейся на дислокациях в решетке германия. Медленный отжиг вызывает отложение меди на структурных дефектах и выход из решетки. Новые структурные дефекты также могут быть созданы в результате быстрого охлаждения. Оба этих механизма могут сократить срок службы, что было обнаружено экспериментально.

В кремнии при 350 – 500° происходит образование термодоноров в концентрациях тем больших, чем больше кислорода растворено в кремнии во время роста кристаллов. При более высоких температурах термодоноры разрушаются.

Нагрев до температур в диапазоне 700 – 1300° резко сокращает время жизни неподвижных носителей заряда (при > 1000° решающую роль играет диффузия примесей с поверхности). Нагрев кремния при 1000-1300° влияет на оптическое поглощение и рассеяние света.

Полупроводниковые приложения

В современной технологии полупроводники нашли самое широкое применение и оказали очень большое влияние на технический прогресс. Благодаря им можно значительно уменьшить вес и габариты электронных устройств. Развитие всех областей электроники приводит к созданию и совершенствованию множества различных устройств на основе полупроводников. Полупроводники являются основой для микроэлементов, микромодулей, жестких схем и т.д.

Электронные устройства на основе полупроводников практически безынерционны. Тщательно изготовленный и хорошо запечатанный полупроводниковый прибор может работать десятки тысяч часов. Правда, некоторые полупроводниковые материалы имеют более низкий температурный предел (например, германий), но не очень сложная температурная компенсация или замена основного материала прибора на другой (например, кремний, карбид кремния) в значительной степени устраняет этот недостаток. Усовершенствования в технологии полупроводниковых приборов привели к уменьшению изменчивости и нестабильности параметров, которые все еще существуют.

Контакты полупроводника с металлом и электронно-дырочные (n – p-переходы) переходы, образующиеся в полупроводниках, используются в производстве полупроводниковых диодов. Двойные переходы (p-n -r или n -r- n ) – это транзисторы и тиристоры. Эти устройства в основном используются для выпрямления, генерации и усиления электрических сигналов.

Фотоэлектрические свойства полупроводников используются для создания фоторезисторов, фотодиодов и фототранзисторов. Полупроводник служит активной частью осцилляторов (усилителей) в полупроводниковых лазерах. Когда электрический ток протекает через p-n-переход в прямом направлении, носители заряда – электроны и дырки – рекомбинируют, испуская фотоны, что используется для создания светоизлучающих диодов.

Термоэлектрические свойства полупроводников позволили разработать полупроводниковые терморезисторы, полупроводниковые термопары, термобатареи и термоэлектрические генераторы, а также термоэлектрические охлаждающие полупроводники на основе эффекта Пельтье, термоэлектрические охладители и термостабилизаторы.

Полупроводники используются в безмашинных преобразователях тепловой и солнечной энергии в электрическую – термоэлектрических генераторах и фотоэлектрических преобразователях (солнечных батареях).

Механическое напряжение, приложенное к полупроводнику, изменяет его электрическое сопротивление (эффект сильнее, чем в металлах), что послужило основой для разработки полупроводникового тензометра.

Полупроводниковые приборы получили широкое распространение в мировой практике, совершив революцию в электронике и послужив основой для проектирования и производства:

измерительная техника, компьютеры,

все виды коммуникационного и транспортного оборудования,

автоматизация промышленных процессов,

оборудование для научных исследований,

другие электронные устройства и оборудование.

Использование полупроводниковых приборов позволяет создавать новую и совершенствовать старую технику, приводит к уменьшению ее размеров, веса, потребляемой мощности, а значит, снижает тепловыделение в схеме, повышает долговечность, мгновенную готовность к работе, позволяет увеличить срок службы и надежность электронных устройств.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

На рисунке вы видите два предмета – шарики. Каждый шарик обладает особым свойством – зарядом. Этот заряд может быть как положительным, так и отрицательным. Эти два шарика взаимодействуют друг с другом через электрическое поле, которое находится “вокруг” них. В этом и заключается суть электрического поля: оно возникает в результате существования определенных электрических сил между заряженными телами. Эти силы таковы, что если шарики имеют заряды одного знака, то они будут удаляться друг от друга, а если заряды разного знака, то они будут двигаться навстречу друг другу. Более подробную информацию можно найти в учебниках по физике, посвященных закону Кулона и электростатическому полю.

Этап 2: Диффузия

У энергии есть одна особенность, она всегда стремится быть как можно меньше в любой ситуации. Это закон природы. В некотором смысле, все, что нас окружает, можно объяснить с помощью этого закона. Иногда его называют принципом наименьшей энергии. Это причина того, почему мы всегда падаем после прыжка, почему кофе всегда холодный, почему ветер куда-то дует и т.д. Тот же принцип объясняет явление диффузии. В качестве иллюстрации можно посмотреть, что произойдет, если положить кусок сахара в стакан с водой и не размешивать его.

После растворения крупинки сахара останутся в одном месте, например, на дне стакана. Через некоторое время вы заметите, что вся вода в стакане стала сладкой, т.е. молекулы сахара полностью распределились по всему объему стакана. Схематично это показано на рисунке ниже.

Такое поведение молекул вещества называется диффузией. Поэтому можно сказать, что поскольку все объекты состоят из молекул и атомов, то если в какой-то области молекул (молекул или атомов) больше, чем в других областях, то происходит перенос из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Другими словами, природа стремится все уравнять, минимизировать энергию, привести все в равновесие (иногда говорят, что все находится в состоянии равновесия).

Аннотация

Согласно законам природы, частицы материи, если их много, всегда будут двигаться к месту, где их мало. Это явление называется диффузией.

Проводимость, обеспечиваемая трехвалентными примесями, называется акцепторной проводимостью. Основными носителями здесь являются отверстия. Полупроводник с акцепторной проводимостью называется проводником p-типа.

Зональная структура

Электрические и оптические свойства проводников обусловлены тем, что когда электроны заполняют энергетические уровни, они отделены от возможных состояний запрещенной зоной. Каковы его особенности? Дело в том, что в запрещенной зоне не существует энергетических уровней. Благодаря примесям и структурным дефектам это можно изменить. Самая верхняя полностью заполненная зона называется валентной зоной. Затем следует разрешенная, но пустая зона. Это так называемая полоса проводимости. Физика полупроводников – довольно интересная тема, которая будет хорошо освещена в статье.

Основная причина использования полупроводников (основных полупроводниковых материалов) для изготовления электронных устройств и компонентов заключается в том, что проводимостью носителей заряда, т.е. электронов и дырок, можно легко управлять.

Внутренняя проводимость полупроводников

Если напряженность электрического поля в образце равна нулю, движение освобожденных электронов и “дырок” неупорядочено и поэтому не создает электрического тока.

При воздействии электрического поля электроны и дырки начинают упорядоченное (противоположное) движение, создавая электрический ток. Проводимость в этих условиях называется удельной проводимостью полупроводников. Движение электронов создает электронную проводимость, а движение дырок – дырочную проводимость.

Протокол связи UART – что это такое и как он работает, подробное описание интерфейса и распиновка разъемов.

ПОЛУПРОВОДНИКИ

В то время полупроводники еще не нашли своего применения в электронике и считались бесполезными. Действительно, если требовался проводник, то лучше использовать медь или алюминий, а если диэлектрик, то фарфор, слюду или стекло.

Электрические свойства материалов

Полупроводники, благодаря своим свойствам, являются одновременно слабыми диэлектриками и слабыми проводниками. Но без полупроводников не было бы современных электронных технологий. Широко используемыми полупроводниками являются. Кремний, галлий, германий и селен.. Известно, что все атомы соединяются, образуя молекулы.

Рисунок, показывающий, как атомы соединяются, образуя молекулу

Только после изобретения полупроводников электронику можно было значительно уменьшить в размерах. Все современные электронные устройства, будь то диоды, транзисторы, микросхемы или новейшие микропроцессоры, были созданы благодаря открытию полупроводников. Например, простой ламповый компьютер, далеко не сравнимый по мощности с современным компьютером, занимал несколько комнат и был ненадежен.

Электропроводность полупроводников сильно зависит от температуры и излучения (например, света).

Атомы с кристаллической решеткой

Германий и кремний имеют по четыре валентных электрона и расположены во внешних слоях оболочки атома. И кремний, и германий являются алмазоподобными кристаллами. Их валентные электроны имеют одиночные орбитали.

Унифицированный рисунок электронных орбиталей

Если атомы мышьяка вводятся в плавленый кремний мышьяк (или фосфор), имеющий пять валентных электронов, т.е. 5 электронов на внешних слоях атома, 4 электрона мышьяк будут занимать свое место в кристаллической решетке.

Донорные и акцепторные примеси

Если концентрация электронов в полупроводнике намного больше, чем дырок, то электроны являются основными носителями заряда; если в полупроводнике преобладают дырки, то дырки являются основными носителями заряда. Те же электроны, которые не могли занять место в кристаллической решетке, просто не имели достаточно места, стали свободными. В этом случае говорят, что кремний стал полупроводником n-типа. Атом мышьяка действует как “донорная” примесь.

Рисунок с электроном и дыркой

Ток в полупроводниках может производиться не только электронами, но и “дырками”. Что именно является “дырой”? Если индий, имеющий валентные три электрона на внешних слоях атома, ввести в расплавленный кремний или германий, он тоже займет свое место в кристаллической решетке, хотя у него только три электрона и ему придется забрать один электрон у атома кремния. Это создает “дыру”, или положительный заряд. Такая примесь называется “акцептором” и заставляет дырки проводить в атоме. Если к выводам такого полупроводника приложить напряжение, он начнет проводить электричество! Таким образом, электроны притягиваются к положительному полюсу источника тока (как мы помним, разные заряды притягиваются друг к другу), они покидают полупроводник в направлении источника тока и оставляют дырки позади, и таким образом получается, что электроны движутся к плюсу, а дырки к минусу, как вы можете видеть на рисунке ниже.

Как электроны и дырки движутся в полупроводнике

Электроны “запрыгивают” в свободные дырки на отрицательном полюсе и начинают свое движение к положительному полюсу. В полупроводнике, пока не подключен источник тока, дырки и электроны блуждают беспорядочно, и только при подаче напряжения они начинают двигаться упорядоченно. Проводимость может быть собственной или примесной. В искропроводящих полупроводниках число дырок приблизительно равно числу свободных электронов. Примесная проводимость, как упоминалось выше, возникает при введении в полупроводниковый кристалл трех- или пятивалентной примеси. Полупроводники с примесной проводимостью используются в конструкции электронных устройств. На рисунке ниже показано добавление фосфора, пятивалентного элемента в атомы германия:

Германий на свободных электронах

Чем больше атомов мышьяка будет внедрено в атом кремния, тем больше свободных электронов смогут создать в нем ток. Такой проводник становится проводником n-типа. Соответственно, чем больше атомов индия внедрено в атом кремния, тем больше в нем будет “дырок”; электроны в этих полупроводниках перемещаются от дырки к дырке. Такие полупроводники, как написано выше, становятся полупроводниками p-типа. Электропроводность полупроводников с введенными в них примесями становится в несколько раз больше, чем у чистых полупроводников. Полупроводники могут преобразовывать тепловую и световую энергию в электрическую. Они также могут выступать в качестве охлаждающих элементов:

Охлаждающие батареи для полупроводников

И как преобразователи тепла в электричество.

В то время как устройство с ламповым питанием требует питания от сети или громоздкой батареи, устройство с транзисторным питанием может питаться от небольшой батареи. Появление полупроводниковых транзисторов позволило значительно уменьшить размеры радиоприемников:

На фотографии изображен ламповый радиоприемник. Ниже приведена фотография транзисторного радиоприемника, разница в размерах, как всем известно, значительная – от 10 до 100 раз.

Без открытия полупроводников, а затем транзисторов, которые являются частью каждого микропроцессора, не было бы стольких технологических достижений, космических полетов, компьютеров, не говоря уже о таких устройствах, как мобильный телефон или планшет. Изобретение транзистора в 1948 году учеными Браттейном, Бардином и Шокли ознаменовало новую эру в электронной технике – эру полупроводников. Вот как выглядел первый транзистор:

Фотография первого транзистора

А это фотография более позднего советского транзистора МП39-МП42 с усеченным корпусом.

Транзистор с открытым корпусом

С тех пор полупроводниковые приборы, и в частности транзисторы, значительно эволюционировали:

Фотография современных транзисторов

На рисунке сверху вниз показаны: транзистор высокой мощности, транзистор средней мощности, транзистор низкой мощности и SMD-транзистор. На самом деле, можно с уверенностью сказать, что если бы не полупроводники, мы бы до сих пор пользовались ламповыми приемниками и усилителями, а о смартфонах и планшетах даже не мечтали. Эта статья была написана AKV.

Форум для обсуждения подкастов

Модуль контроллера жесткого диска BLDC – принципиальные схемы и обзор готовых блоков.

Питание постоянного тока (CC) от понижающего (CV) регулятора напряжения. Завершение полного модуля.

Протокол связи UART – что это такое и как он работает, подробное описание интерфейса и распиновки в разъеме.

Простая роботизированная схема на базе транзистора, следующая по нарисованной линии. Никаких микроконтроллеров или дорогостоящих деталей.

Читайте далее: