Materiały półprzewodnikowe: przykłady półprzewodników
W naszym artykule przyjrzymy się przykładom półprzewodników, ich właściwościom i sferom zastosowań. Te materiały mają swoje miejsce w inżynierii radiowej i elektronice. Są czymś pomiędzy dielektrykiem a dyrygentem. Nawiasem mówiąc, proste szkło można również uznać za półprzewodnik - w normalnym stanie nie przewodzi prądu. Ale przy silnym nagrzewaniu (prawie do stanu ciekłego) właściwości zmieniają się, a szkło staje się przewodnikiem. Ale to wyjątkowy przykład, w przypadku innych materiałów wszystko jest trochę inne.
Główne cechy półprzewodników
Wskaźnik przewodności wynosi około 1000 Ohm * m (w temperaturze 180 stopni). W porównaniu do metali, półprzewodniki zmniejszają przewodnictwo wraz ze wzrostem temperatury. Dielektryki mają tę samą właściwość. Materiały półprzewodnikowe mają raczej silną zależność od określonego wskaźnika przewodności od ilości i rodzaju zanieczyszczeń.
Na przykład, jeśli wprowadzimy tylko jedną tysięczną arsenu do czystego germanu, przewodność wzrośnie o około 10 razy. Bez wyjątku półprzewodniki są wrażliwe na wpływy zewnętrzne - promieniowanie jądrowe, światło, pola elektromagnetyczne, ciśnienie itd. Można przytoczyć przykłady materiałów półprzewodnikowych - antymon, krzem, german, tellur, fosfor, węgiel, arsen, jod, bor i różne związki tych substancji.
Cechy zastosowania półprzewodników
Ze względu na fakt, że materiały półprzewodnikowe mają takie specyficzne właściwości, są one dość rozpowszechnione. Są wykorzystywane do tworzenia diod, tranzystorów, triaków, laserów, tyrystorów, czujników ciśnienia, pól magnetycznych, temperatur itp. Po opanowaniu półprzewodników nastąpiła radykalna transformacja w automatyce, inżynierii radiowej, cybernetyce i elektrotechnice. To dzięki zastosowaniu półprzewodników udało się uzyskać tak niewielkie wymiary sprzętu - nie ma potrzeby stosowania potężnych zasilaczy i lamp radiowych o rozmiarach puszki 1,5 litra.
Obecny w półprzewodnikach
W przewodach prąd określa miejsce, w którym poruszają się swobodne elektrony. Istnieje wiele wolnych elektronów w materiałach półprzewodnikowych, istnieją ku temu powody. Wszystkie elektrony walencyjne, które istnieją w półprzewodniku, nie są wolne, ponieważ są związane z ich atomami.
W półprzewodnikach prąd może się pojawiać i zmieniać w dość szerokich granicach, ale tylko wtedy, gdy występuje wpływ zewnętrzny. Obecne zmiany podczas ogrzewania, napromieniowania, wprowadzania zanieczyszczeń. Wszystkie efekty mogą znacznie zwiększyć energię elektronów walencyjnych, co przyczynia się do ich oddzielenia od atomów. Przyłożone napięcie powoduje, że te elektrony poruszają się w określonym kierunku. Innymi słowy, te elektrony stają się nosicielami prądu.
Otwory w półprzewodnikach
Wraz ze wzrostem temperatury lub intensywności napromieniowania zewnętrznego następuje wzrost liczby wolnych elektronów. W związku z tym prąd wzrasta. Te atomy w substancji, która utraciła elektrony, stają się jonami dodatnimi, nie poruszają się. Na zewnątrz atomu, z którego wyszedł elektron, pozostaje dziura. Może w nim powstać inny elektron, który opuścił swoje miejsce w pobliżu atomu. W rezultacie na zewnętrznej części sąsiedniego atomu powstaje dziura - zmienia się w jon (dodatni).
Jeżeli do półprzewodnika zostanie przyłożone napięcie, wówczas elektrony zaczną poruszać się z jednego atomu na drugi w określonym kierunku. Otwory zaczną poruszać się w przeciwnym kierunku. Otwór to cząstka naładowana dodatnio. Co więcej, ładunek w jego module jest taki sam jak elektronu. Dzięki tej definicji możliwe jest znaczne uproszczenie analizy wszystkich procesów zachodzących w krysztale półprzewodników. Prąd w otworze (oznaczony jako I D ) to ruch cząstek w kierunku przeciwnym do ruchu elektronów.
Zmiana przejścia elektronowego
Półprzewodnik ma dwa rodzaje przewodności elektrycznej - elektron i dziurę. W czystych półprzewodnikach (bez zanieczyszczeń) dziury i elektrony mają takie samo stężenie (odpowiednio ND i N E ). Z tego powodu ta przewodność elektryczna jest określana jako właściwa. Całkowita wartość prądu będzie równa:
I = I P + I D.
Ale jeśli weźmiemy pod uwagę fakt, że elektrony mają wyższą mobilność niż dziury, możemy dojść do następującej nierówności:
I E > I D.
Ruchliwość ładunku jest oznaczona literą M, jest to jedna z głównych właściwości półprzewodników. Mobilność to stosunek dwóch parametrów. Pierwsza to szybkość ruchu nośnika ładunku (oznaczona literą V z indeksem "E" lub "D", w zależności od rodzaju nośnika), druga to natężenie pola elektrycznego (oznaczone literą E). Można wyrazić jako formuły:
M e = (V e / e).
M D = (V D / E).
Mobilność pozwala określić ścieżkę, przez którą dziura lub elektron porusza się w ciągu jednej sekundy przy wartości 1 V / cm. Możesz teraz obliczyć swój obecny materiał półprzewodnikowy:
I = N * e * (M E + M D ) * E.
Ale należy zauważyć, że mamy równość:
V e = M e .
N = N E = N D.
Litera e we wzorze jest oznaczona przez ładunek elektronów (jest to stała wartość).
Urządzenia półprzewodnikowe
Możesz od razu podać przykłady urządzeń półprzewodnikowych - są to tranzystory, tyrystory, diody, a nawet mikroukłady. Oczywiście nie jest to pełna lista. Aby wykonać urządzenie półprzewodnikowe, należy użyć materiałów o przewodności otworowej lub elektronowej. Aby uzyskać taki materiał, konieczne jest wprowadzenie dodatku w idealnie czystym półprzewodniku o stężeniu zanieczyszczeń mniejszym niż 10-11 % (nazywane jest to domieszką domieszkowania).
Te zanieczyszczenia, których walencja jest większa niż półprzewodnika, oddają wolne elektrony. Te zanieczyszczenia są nazywane dawcami. Ale te, których walencja jest mniejsza niż półprzewodnika, mają tendencję do chwytania i trzymania elektronów. Nazywają się akceptorami. Aby uzyskać półprzewodnik, który będzie miał tylko przewodnictwo typu elektronicznego, wystarczy wprowadzić substancję do materiału wyjściowego, którego wartościowość będzie tylko o jedną jednostkę. Na przykład półprzewodników w fizyce szkolnej uważa się german - jego wartościowość wynosi 4. Dodaje dawcę - fosfor lub antymon - dla nich wartościowość wynosi pięć. Istnieje kilka metali półprzewodnikowych, praktycznie nie są one stosowane w technologii.
W tym przypadku 4 elektrony w każdym atomie tworzą cztery pary (kowalencyjne) wiązania z germanem. Piąty elektron nie ma takiego połączenia, co oznacza, że znajduje się w stanie swobodnym. A jeśli do niego zostanie przyłożone napięcie, wytworzy prąd elektronowy.
Prądy w półprzewodnikach
Kiedy prąd elektronów jest większy niż otwory, półprzewodnik nazywa się n-type (ujemny). Weźmy przykład - trochę nieczystości akceptora wprowadza się w doskonale czysty german (np. Bor). W tym samym czasie każdy atom akceptora zacznie się ustawiać wiązania kowalencyjne z germanem. Ale czwarty atom germanu nie ma związku z borem. W konsekwencji pewna liczba atomów germanu będzie miała tylko jeden elektron bez wiązania kowalencyjnego.
Ale wystarczy niewielki wpływ z zewnątrz, aby elektrony zaczęły opuszczać swoje miejsca. W tym przypadku german tworzył dziury.
Z rysunku widać, że przy 2, 4 i 6 atomach wolne elektrony zaczynają przyłączać się do boru. Z tego powodu w półprzewodniku nie jest generowany prąd. Otwory o numerach 1, 3 i 5 powstają na powierzchni atomów germanu - służą do przenoszenia elektronów z sąsiednich atomów do nich. W tych ostatnich zaczynają się pojawiać dziury, gdy elektrony odlatują od nich.
Każda powstająca dziura zacznie się przechodzić pomiędzy atomami germanu. Po wystawieniu na działanie stresu otwory zaczynają się poruszać w uporządkowany sposób. Innymi słowy, w materiale pojawia się prąd w otworze. Ten typ półprzewodników jest nazywany typem p lub półprzewodnikiem. Pod wpływem napięcia przemieszczają się nie tylko elektrony, ale również dziury - napotykają na drodze różne przeszkody. W tym przypadku występuje utrata energii, odchylenie od pierwotnej trajektorii. Innymi słowy, nośnik ładunku zostaje rozproszony. Wszystko to wynika z faktu, że półprzewodnik zawiera zanieczyszczenia.
Charakterystyka Volt-amperowa
Nieco wyżej zostały uznane za przykłady substancji półprzewodnikowych, które są stosowane w nowoczesnej technologii. Wszystkie materiały mają swoje własne cechy. W szczególności jedną z kluczowych właściwości jest nieliniowość charakterystyki prądowo-napięciowej.
Innymi słowy, gdy występuje wzrost napięcia, który jest przykładany do półprzewodnika, następuje gwałtowny wzrost prądu. Opór gwałtownie się zmniejsza. Ta właściwość została zastosowana w różnych ogranicznikach zaworów. Przykłady nieuporządkowanych półprzewodników można rozważać bardziej szczegółowo w literaturze specjalistycznej, ich użycie jest ściśle ograniczone.
Dobry przykład: kiedy ogranicznik ma roboczą wartość napięcia, rezystancja jest wysoka, więc prąd nie płynie z linii energetycznych do ziemi. Ale gdy tylko piorun uderza w drut lub podpórkę, opór bardzo szybko zmniejsza się do zera, cały prąd trafia w ziemię. A napięcie spada do normy.
Symetryczny kod CVC
Kiedy zmienia się polaryzacja napięcia, prąd w półprzewodniku zaczyna płynąć w przeciwnym kierunku. I zmienia się zgodnie z tym samym prawem. Sugeruje to, że element półprzewodnikowy ma symetryczną charakterystykę prądowo-napięciową. W przypadku, gdy jedna część elementu ma typ otworu, a druga jest elektroniczna, wówczas na styku styków pojawia się złącze pn (otwór elektronowy). Takie przejścia są dostępne we wszystkich elementach - tranzystorach, diodach, mikroukładach. Ale tylko w układach scalonych na jednym chipie kilka tranzystorów jest montowanych na raz - czasami ich liczba jest większa niż dziesięć.
Jak przebiega przejście?
A teraz przyjrzyjmy się, jak powstaje tworzenie się przejścia pn. Jeśli kontakt między dziurą i półprzewodnikami elektronów nie jest zbyt dobry, wówczas tworzy się układ składający się z dwóch obszarów. Jeden będzie miał przewodność otworu, a drugi - elektroniczną.
A elektrony, które znajdują się w n-regionie, zaczną dyfundować do miejsca, w którym ich koncentracja jest mniejsza - to znaczy do regionu p. Równocześnie z elektronami, otwory przesuwają się, ale ich kierunek jest przeciwny. Wraz z wzajemną dyfuzją następuje spadek stężenia w n-regionie elektronów oraz w obszarze p-dziur.
Główną właściwością skrzyżowania pn
Po rozważeniu przykładów przewodników, półprzewodników i dielektryków można zrozumieć, że ich właściwości są różne. Na przykład główną cechą półprzewodników jest zdolność do przekazywania prądu tylko w jednym kierunku. Z tego powodu urządzenia wykonane przy użyciu półprzewodników są szeroko stosowane w prostownikach. W praktyce, używając kilku urządzeń pomiarowych, można zobaczyć pracę półprzewodników i oszacować masę parametrów, zarówno w trybie spoczynkowym, jak i pod wpływem zewnętrznych "bodźców".