Полупроводники - это вещества, электрическая проводимость которых находится между хорошими проводниками и изоляторами. Полупроводники без примесей называются собственными полупроводниками. Германий и кремний являются наиболее часто используемыми собственными полупроводниками. И Ge (атомный номер 32), и кремний (атомный номер 14) принадлежат к четвертой группе периодической таблицы, и они четырехвалентны.
Каковы характеристики полупроводников?
При температурах, близких к абсолютному нулю, чистые Ge и Si ведут себя как идеальные изоляторы. Но их проводимость увеличивается с повышением температуры. Для Ge энергия связи электрона в ковалентной связи составляет 0,7 эВ. Если эта энергия передается в виде тепла, некоторые связи разрываются, и электроны освобождаются.
При обычных температурах часть электронов освобождается от атомов кристалла Ge или Si и блуждает по кристаллу. Отсутствие электрона на ранее занятом месте подразумевает наличие положительного заряда на этом месте. Говорят, что «дыра» создается в том месте, где электрон освобождается. (Пустая) дырка эквивалентна положительному заряду и имеет тенденцию принимать электрон.
Когда электрон прыгает в дырку, новая дырка образуется в том месте, где электрон был ранее. Движение электронов в одном направлении эквивалентно движению дырок в противоположном направлении. Таким образом, в собственных полупроводниках дырки и электроны образуются одновременно, и оба они действуют как носители заряда.
Типы полупроводников и их использование
Есть два типа внешних полупроводников: n-тип и p-тип.
Полупроводник n-типа: Такие элементы, как мышьяк (As), сурьма (Sb) и фосфор (P), являются пятивалентными, а Ge и Si - четырехвалентными. Если к кристаллу Ge или Si добавить небольшое количество сурьмы в качестве примеси, то из его пяти валентных электронов четыре образуют ковалентные связи с соседними атомами Ge. Но пятый электрон сурьмы становится почти свободным для движения в кристалле.
Если к легированному кристаллу Ge приложить потенциальное напряжение, свободные электроны в легированном Ge будут двигаться к положительному выводу, и проводимость возрастет. Поскольку отрицательно заряженные свободные электроны увеличивают проводимость легированного кристалла Ge, его называют полупроводником n-типа.
Полупроводник p-типа: Если трехвалентная примесь, такая как индий, алюминий или бор (имеющая три валентных электрона), добавляется в очень малая доля четырехвалентного Ge или Si, тогда три ковалентные связи образуются с тремя атомами Ge. Но четвертый валентный электрон Ge не может образовывать ковалентную связь с индием, потому что для спаривания не остается электронов.
Отсутствие или недостаток электрона называется дыркой. В этой точке каждое отверстие рассматривается как область положительного заряда. Поскольку проводимость Ge, легированного индием, обусловлена дырками, он называется полупроводником p-типа.
Таким образом, n-тип и p-тип - это два типа полупроводников, и их использование объясняется следующим образом: p-тип Полупроводник и полупроводник n-типа соединяются вместе, и общий интерфейс называется p-n переходом. диод.
Диод с p-n переходом используется в качестве выпрямителя в электронных схемах. Транзистор - это трехконтактный полупроводниковый прибор, который состоит из тонкого слоя материала n-типа между ними. два больших куска материала p-типа или тонкий кусок полупроводника p-типа между двумя большими кусками n-типа полупроводник. Таким образом, существует два типа транзисторов: p-n-p и n-p-n. Транзистор используется как усилитель в электронных схемах.
Каковы преимущества полупроводников?
Сравнение полупроводникового диода и вакуума дало бы более яркое представление о преимуществах полупроводников.
- В отличие от вакуумных диодов в полупроводниковых приборах нет нитей накала. Следовательно, для испускания электронов в полупроводнике нагрев не требуется.
- Полупроводниковые приборы можно эксплуатировать сразу после включения схемы прибора.
- В отличие от вакуумных диодов, полупроводники не издают гудящего звука во время работы.
- По сравнению с электронными лампами, полупроводниковым приборам всегда требуется низкое рабочее напряжение.
- Поскольку полупроводники имеют небольшой размер, схемы, в которых они используются, также очень компактны.
- В отличие от электронных ламп, полупроводники ударопрочные. Кроме того, они меньше по размеру, занимают меньше места и потребляют меньше энергии.
- По сравнению с электронными лампами полупроводники чрезвычайно чувствительны к температуре и излучению.
- Полупроводники дешевле вакуумных диодов и имеют неограниченный срок хранения.
- Полупроводниковым приборам не нужен вакуум для работы.
Таким образом, преимущества полупроводниковых устройств намного перевешивают преимущества электронных ламп. С появлением полупроводниковых материалов стало возможным разрабатывать небольшие электронные устройства, которые были более сложными, прочными и совместимыми.
Каковы применения полупроводниковых приборов?
Наиболее распространенным полупроводниковым устройством является транзистор, который используется для изготовления логических вентилей и цифровых схем. Применение полупроводниковых устройств также распространяется на аналоговые схемы, которые используются в генераторах и усилителях.
Полупроводниковые приборы также используются в интегральных схемах, которые работают при очень высоком напряжении и токе. Применение полупроводниковых устройств также наблюдается в повседневной жизни. Например, высокоскоростные компьютерные микросхемы сделаны из полупроводников. В телефонах, медицинском оборудовании и робототехнике также используются полупроводниковые материалы.