Напівпровідники - це речовини, електрична провідність яких перебуває між хорошими провідниками та ізоляторами. Напівпровідники без будь-яких домішок називаються власними напівпровідниками. Германій та кремній - найпоширеніші власні напівпровідники. І Ge (атомний номер 32), і кремній (атомний номер 14) належать до четвертої групи періодичної системи, і вони чотиривалентні.
Які характеристики напівпровідників?
При температурах близько абсолютного нуля чисті Ge і Si ведуть себе як ідеальні ізолятори. Але їх провідність зростає зі збільшенням температури. Для Ge енергія зв’язку електрона в ковалентному зв’язку становить 0,7 еВ. Якщо ця енергія подається у вигляді тепла, частина зв’язків розривається, а електрони звільняються.
При звичайних температурах частина електронів звільняється від атомів кристалу Ge або Si, і вони блукають у кристалі. Відсутність електрона в раніше зайнятому місці означає позитивний заряд у цьому місці. Кажуть, що в місці вивільнення електрона створюється «діра». (Вакантна) дірка еквівалентна позитивному заряду, і вона має тенденцію приймати електрон.
Коли електрон стрибає в дірку, на місці, де раніше знаходився електрон, утворюється нова діра. Рух електронів в одному напрямку еквівалентний руху дірок у зворотному напрямку. Таким чином, у власних напівпровідниках дірки та електрони утворюються одночасно, і обидва вони діють як носії заряду.
Типи напівпровідників та їх використання
Існує два типи зовнішніх напівпровідників: n-тип і p-тип.
напівпровідник n-типу: Такі елементи, як миш'як (As), сурма (Sb) і фосфор (P), є п'ятивалентними, тоді як Ge і Si чотиривалентні. Якщо до кристала Ge або Si додати невелику кількість сурми як домішку, то з його п’яти валентних електронів чотири утворюватимуть ковалентні зв’язки з сусідніми атомами Ge. Але п'ятий електрон сурми стає майже вільним для переміщення в кристалі.
Якщо до легованого кристалу Ge подати потенційну напругу, вільні електрони в легованому Ge рухатимуться до позитивного терміналу, а провідність збільшується. Оскільки негативно заряджені вільні електрони збільшують провідність легованого кристала Ge, його називають напівпровідником n-типу.
напівпровідник p-типу: Якщо в a додають тривалентну домішку, подібну індію, алюмінію або бору (що має три валентні електрони) дуже мала частка до чотиривалентного Ge або Si, тоді утворюються три ковалентні зв’язки з трьома атомами Ge. Але четвертий валентний електрон Ge не може утворити ковалентний зв’язок з індієм, оскільки для сполучення не залишається електрона.
Відсутність або дефіцит електрона називають діркою. Кожна дірка розглядається як область позитивного заряду в цій точці. Оскільки провідність Ge, легованого індієм, обумовлена дірками, його називають напівпровідником р-типу.
Отже, n-тип і p-тип - це два типи напівпровідників, і їх застосування пояснюється наступним чином: p-тип напівпровідник і напівпровідник n-типу з'єднані між собою, і загальний інтерфейс називається p-n-переходом діод.
Діод p-n переходу використовується як випрямляч в електронних схемах. Транзистор - це напівпровідниковий пристрій із трьома виводами, який виготовляється шляхом укладання тонкого зрізу матеріалу типу n між два більші шматки матеріалу типу p або тонкий зріз напівпровідника типу p між двома більшими шматками типу n напівпровідник. Таким чином, існує два типи транзисторів: p-n-p і n-p-n. Транзистор використовується як підсилювач в електронних схемах.
Які переваги напівпровідників?
Порівняння напівпровідникового діода та вакууму дало б більш яскравий погляд на переваги напівпровідників.
- На відміну від вакуумних діодів, у напівпровідникових приладах немає ниток розжарювання. Отже, для випромінювання електронів у напівпровіднику не потрібно нагрівання.
- Напівпровідникові прилади можуть експлуатуватися відразу після включення схемотехнічного пристрою.
- На відміну від вакуумних діодів, під час роботи напівпровідники напівпровідники не видають.
- У порівнянні з вакуумними трубками напівпровідникові прилади завжди потребують низької робочої напруги.
- Оскільки напівпровідники мають невеликі розміри, схеми з їх участю також дуже компактні.
- На відміну від вакуумних ламп, напівпровідники протиударні. Більше того, вони менші за розміром і займають менше місця та споживають менше енергії.
- Порівняно з вакуумними трубками, напівпровідники надзвичайно чутливі до температури та випромінювання.
- Напівпровідники дешевші за вакуумні діоди і мають необмежений термін зберігання.
- Напівпровідникові прилади не потребують вакууму для роботи.
Підсумовуючи, переваги напівпровідникових приладів значно перевищують переваги вакуумних ламп. З появою напівпровідникового матеріалу стало можливим розробляти невеликі електронні пристрої, які були більш досконалими, довговічними та сумісними.
Які застосування напівпровідникових приладів?
Найпоширенішим напівпровідниковим пристроєм є транзистор, який використовується для виготовлення логічних затворів і цифрових схем. Застосування напівпровідникових приладів поширюється також на аналогові схеми, які використовуються в осциляторах і підсилювачах.
Напівпровідникові прилади також використовуються в інтегральних схемах, які працюють при дуже високій напрузі та струмі. Застосування напівпровідникових приладів також спостерігається у повсякденному житті. Наприклад, високошвидкісні комп'ютерні мікросхеми виготовляються з напівпровідників. У телефонах, медичному обладнанні та робототехніці також використовуються напівпровідникові матеріали.