Электронный полупроводник

Электронным полупроводником или полупроводником типа n ( от латинского negative — отрицательный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис .1.3)помимо основных (четырехвалент-ных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый (“лишний”) электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки, однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, т.к. энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов.Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается

n_n, а концентрация дырок — p_n. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

Дырочный полупроводник

Дырочным полупроводником или полупроводником типа p ( от латинского positive — положительный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис. 1.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые

акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка. В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается p_p, они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается n_p, они являются неосновными носителями заряда.

1.2. Энергетические диаграммы полупроводников

Согласно представлениям квантовой физики электроны в атоме могут принимать строго определенные значения энергии или, как говорят, занимать определенные энергетические уровни. При этом, согласно принципу Паули, в одном и том же энергетическом состоянии не могут находиться одновременно два электрона. Твердое тело, каковым является полупроводниковый кристалл, состоит из множества атомов, сильно взаимодействующих друг с другом, благодаря малым межатомным расстояниям. Поэтому вместо совокупности разрешенных дискретных энергетических уровней, свойственных отдельному атому, твердое тело характеризуется совокупностью разрешенных энергетических зон, состоящих из большого числа близко расположенных энергетических уровней. Разрешенные энергетические зоны разделены интервалами энергий, которыми электроны не могут обладать и которые называются запрещенными зонами. При температуре абсолютного нуля электроны заполняют несколько нижних энергетических зон. Верхняя из заполненных электронами разрешенных зон называется

валентной зоной, а следующая за ней незаполненная зона называется зоной проводимости. У полупроводников валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной. При нагреве вещества электронам сообщается дополнительная энергия и они переходят с энергетических уровней валентной зоны на более высокие энергетические уровни зоны проводимости. В проводниках для совершения таких переходов требуется незначительная энергия, поэтому проводники характеризуются высокой концентрацией свободных электронов (порядка 10²² см^-3). В полупроводниках для того, чтобы электроны смогли перейти из валентной зоны в зону проводимости, им должна быть сообщена энергия не менее ширины запрещенной зоны. Это и есть та энергия , которая необходима для разрыва ковалентных связей. На рис. 1.5 представлены энергетические диаграммы собственного электронного и дырочного полупроводников, на которых через E _C обозначена нижняя граница зоны проводимости, а через E_V — верхняя граница валентной зоны. Ширина запрещенной зоны E_з= E_c— E_v. В кремнии она равна 1,1 эВ, в германии — 0,7 эВ.

С точки зрения зонной теории под генерацией свободных носителей заряда следует понимать переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 1.5,а). В результате таких переходов в валентной зоне появляются свободные энергетические уровни, отсутствие электронов на которых следует трактовать как наличие на них фиктивных зарядов — дырок. Переход электронов из зоны проводимости в валентную зону следует трактовать как рекомбинацию подвижных носителей заряда. Чем шире запрещенная зона, тем меньше электронов способно преодолеть ее. Этим объясняется более высокая концентрация электронов и дырок в германии по сравнению с кремнием. В электронном полупроводнике (рис.1.5,б) за счет наличия пятивалентных примесей в пределах запрещенной зоны вблизи дна зоны проводимости появляются разрешенные уровни энергии E

D. Поскольку один пpимесный атом приходится примерно на 10⁶ атомов основного вещества, то пpимесные атомы практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому пpимесные уровни не образуют энергетическую зону и их изображают как один локальный энергетический уровень Е _D, на котором находятся «лишние» электроны пpимесных атомов, не занятые в ковалентных связях. энергетический интервал E_и= E_c-E_D называется энергией ионизации. Величина этой энергии для различных пятивалентных примесей лежит в пределах от 0,01 до 0,05 эВ, поэтому «лишние» электроны легко переходят в зону проводимости. В дырочном полупроводнике введение трехвалентных примесей ведет к появлению разрешенных уровней Е_A(pис.1.5,в), которые заполняются электронами, переходящими на него из валентной зоны, в результате чего образуются дырки. переход электронов из валентной зоны в зону проводимости требует больших затрат энергии, чем переход на уровни акцепторов, поэтому концентрация электронов n_p оказывается меньше концентрации n_i, а концентрацию дыpок p_p можно считать примерно равной концентрации акцепторов N_A.

Концентpации электpонов и дыpок зависят от темпеpатуpы (pис.1.7). В собственном полупроводнике в соответствии с (1.8) n_i и p_i возрастают с ростом темпеpатуpы по экспоненциальному закону. Концентpации основных носителей заpяда изменяются более сложным обpазом. В области очень низких температур пpи увеличении темпеpатуpы происходит увеличение n

n и p_p за счет ионизации пpимесных атомов. В рабочем интервале температур (примерно от -100° C до +100° C) концентpации n_n и p_p сохраняются приблизительно постоянными и равными концентpации примесей, так как все пpимесные атомы ионизированы, а процесс тепловой генерации добавляет относительно небольшое число основных носителей заpяда, однако, концентpации неосновных носителей заpяда, несмотря на их малость, изменяются очень сильно,

Типы проводимости полупроводников

По своей способности проводить электрический ток, полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. Проводимость этих материалов существенно меняется под влиянием внешних факторов. Такими факторами могут быть, например, температура или количество примесей. В данной статье мы будем рассматривать влияние примесей на проводимость кремния(Si), самого популярного полупроводника в производстве электронных компонентов.

Кристаллическая решетка кремния

В обычном состоянии, атомы кремния образуют кристаллическую решетку. На внешней электронной оболочке атома находятся четыре электрона. С их помощью, устанавливается ковалентная связь с четырьмя соседними атомами. Каждый электрон в такой связи принадлежит двум атомам одновременно. Таким образом, у каждого атома на внешней электронной оболочке находиться восемь электронов. В результате, поскольку последний уровень электронной оболочки оказывается завершенным, у атома очень трудно забрать его электроны и материал ведет себя как диэлектрик (не проводит электрический ток).

Легирование полупроводников

Для того чтобы повысить проводимость полупроводников, их специально загрязняют примесями – атомами химических элементов с другим значением валентности. Примеси с меньшим количеством валентных электронов, чем у полупроводника, называются акцепторами. Примеси с большей валентностью – донорами. Сам этот процесс называется легированием полупроводников. Примерное соотношение — один атом примеси на миллион атомов полупроводника.

Типы проводимости полупроводников

1. Электронная проводимость

Добавим в полупроводник кремния пятивалентный атом мышьяка (As). Посредством четырех валентных электронов, мышьяк установит ковалентные связи c четырьмя соседними атомами кремния. Для пятого валентного электрона не останется пары, и он станет слабо связанным с атомом.

Под действием электромагнитного поля, такой электрон легко отрывается, и вовлекается в упорядоченное движение заряженных частиц (электрический ток). Атом, потерявший электрон, превращается в положительно заряженный ион с наличием свободной вакансии — дырки.

Несмотря на присутствие дырок в полупроводнике кремния с примесью мышьяка, основными носителями свободного заряда являются электроны. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник с электронной проводимостью — полупроводником N-типа.

2. Дырочная проводимость

Введем в кристалл кремния трехвалентный атом индия (In). Индий установит ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами кремния. Для четвертого «соседа», у индия не хватает одного электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов кремния.

Атом индия превратиться в негативно заряженный ион, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия (дырка). В свою очередь, на это место может перескочить электрон из соседней ковалентной связи. В результате получается хаотическое блуждание дырок по кристаллу.

Если поместить полупроводник в электромагнитное поле, движение дырок станет упорядоченным, т.е. возникнет электрический ток. Таким образом, обеспечивается дырочная проводимость. Полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником P-типа.

PN–переход

Соединив вместе материалы P-типа и N-типа, на их стыке мы получим область электронно-дырочного перехода (PN -перехода). Происходящие внутри PN-перехода физические процессы между электронами дырками, легли в основу принципа работы полупроводниковых приборов.

Электропроводность полупроводников — Знаешь как

Содержание статьи

Собственная электропроводность

Полупроводники — это материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и непроводниками. Удельное сопротивление проводников лежит в границах 10^-6÷ 10 ^-3 ом •см; удельное сопротивление полупроводников составляет 10 ^-3 ÷ 10 ^-9 ом •см.

Для полупроводников характерна сильная зависимость проводимости их от температуры, напряженности электрического и магнитного поля, освещенности, сжатия и т.д.

В электротехнике наиболее широкое применение получили: германий, кремний, селен, закись меди и др.

Химическую связь двух соседних атомов, обусловленную образованием общей пары электронов, вращающихся по одной орбите (рис. 13-14, а), называют парноэлектронной или ковалентной. Она условно изображается двумя линиями, соединяющими атомы (рис. 13-14, б).

Рис. 13-14. Ковалентная связь атомов.

Германий принадлежит к элементам четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Следовательно, он имеет на внешней орбите четыре валентных электрона. В кристалле германия каждый атом образует парноэлектронные связи с четырьмя соседними атомами (рис. 13-15).

При температуре, близкой к абсолютному нулю, в кристалле германия при отсутствии примесей все валентные электроны атомов взаимно связаны, свободных электрон нет, следовательно, кристалл не обладает проводимостью. При повышении температуры увеличивается энергия электронов, что приводит к частичному нарушению ковалентных связей и появлению свободных электронов. Германий уже при комнатной температуре становится полупроводником.

Под действием внешнего электрического поля свободные электроны перемещаются, обусловливая электронную проводимость (п- проводимость).

Рис. 13-15. Схема парноэлектронных связей в кристаллической решетке германия.

В момент образования свободного электрона в ковалентных связях образуется свободное место — «э лектронная дырк а». 

При наличии дырки какой-либо из электронов связи может занять место дырки и нормальная связь в этом месте восстанавливается, но разрушается в другом месте, эту новую дырку может занять еще какой-либо электрон и т. д. Под действием внешнего электрического поля происходит перемещение дырок в направлении поля.

Перемещение дырок эквивалентно току положительных зарядов, величина которых равна зарядам электронов. Этот процесс называется дырочной проводимостью (р-проводимость).

Таким образом, проводимость полупроводника складывается из электронной и дырочной проводимостей.

При нарушении парноэлектронных связей в кристалле одновременно возникает одинаковое число свободных электронов и дырок. Если, с одной стороны, с повышением температуры происходит образование пар электрон-дырка, то, с другой стороны, происходит их частичное воссоединение. При каждой температуре в единице объема полупроводника число пар в среднем остается постоянным. Электропроводность полупроводников, лишенных примесей называется собственной электропроводностью полупроводника. Собственная проводимость полупроводников несоизмеримо меньше, чем металлов.

Примесная электропроводность

Свойства полупроводника можно изменить, внеся в него ничтожное количество примеси. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле преобладание свободных электронов над дырками, или, наоборот, преобладание дырок над свободными электронами.

Например, при замещении в кристаллической решетке атома германия атомом мышьяка, имеющим пять валентных электронов, четыре электрона мышьяка образуют заполненные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон, слабо связанный с атомом мышьяка, превратится в свободный. Потеряв пятый валентный электрон, атом мышьяка становится положительным ионом. За счет этих электронов, отданных примесью, возрастает проводимость примесного полупроводника.

При замещении атома германия атомом индия, имеющим три валентных электрона, они вступают в ковалентную связь с тремя атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсутствовать, так как у индия не хватает четвертого электрона. Восстановление всех связей возможно, если недостающий четвертый электрон получается от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, появится дырка, которая будет заполняться электроном из соседнего атома германия. Процесс последовательного заполнения свободной связи равноценен движению дырок в полупроводнике. Таким образом, примесь индия обеспечивает дырочную проводимость кристалла германия.

Полупроводники с преобладанием электронной проводимости называются полупроводниками типа п (от латинского слова negative — отрицательный), а полупроводники с преобладанием дырочной проводимости — типа р (от латинского positive положительный). Носители заряда, определяющие собой род проводимости в примесном полупроводнике, называются основными (электроны в п полупроводнике или дырки в р полупроводнике), а носители заряда противоположного знака — неосновными.

В зависимости от процентного содержания примеси электрическая проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с проводимостью чистого полупроводника в десятки и сотни тысяч раз. Например, если в нормальных условиях в 1 см³ чистого германия содержится примерно 10²² атомов и 10¹³ электронов проводимости и дырок, то примесь мышьяка в количестве 0,001% вызовет появление в том же объеме дополнительно 10¹⁷ электронов проводимости, которые обеспечат увеличение электронной проводимости примерно в 10 000 раз.

 

Статья на тему Электропроводность полупроводников

Полупроводник n-типа

Для получения полупроводника с электронной электропроводностью в чистый полупроводник – германий или кремний – вводят небольшое количество элемента пятой группы периодической системы элементов. Атомы введенной примеси взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими электронами (рис. 5), образуя прочные парноэлектронные связи с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон, например атома мышьяка, в образовании парноэлектронной связи не участвует. Поэтому он оказывается слабо связанным со своим атомом и может быть легко оторван от него. В результате он превращается в свободный электрон, который может свободно перемещаться в объеме полупроводника, создавая электронную проводимость. Атом мышьяка, потерявший один электрон, превращается в положительный ион, который оказывается неподвижным, так как он прочно удерживается в узле кристаллической решетки парноэлектронными связями.

Рис. 5

Подвижные носители зарядов, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными носителями зарядов.

Элементы, атомы которых отдают свои электроны, создавая в полупроводнике избыток свободных электронов, называются донорами.

В полупроводнике с донорными примесями электроны являются основными носителями зарядов, а дырки – не основными.

Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избыточных свободных электронов, называется электронной проводимостью.

Полупроводник, в котором основными носителями зарядов являются электроны, называется электронным полупроводником или полупроводником n— типа.

Полупроводник р-типа

Для получения полупроводника с дырочной электропроводностью в кристалл чистого германия вводят примеси трехвалентных элементов. При этом три валентных электрона, например индия, образуют три парноэлектронные связи с соседними атомами германия (рис.6). В результате теплового движения электрон одного из соседних атомов германия может перейти в незаполненную связь атома индия. В атоме германия появится одна незаполненная связь – дырка (рис. 6). Захваченный атомом индия, четвертый электрон образует парноэлектронную связь и прочно удерживается атомом индия. Атом индия становится при этом неподвижным отрицательным ионом.

Рис.6.

Примеси, атомы которых захватывают и прочно удерживают электроны атомов полупроводника, называются акцепторными или акцепторами.

Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избытка подвижных дырок, т. е. превышением их концентрации над концентрацией электронов, называется дырочной проводимостью или проводимостью р— типа.

Основными носителями зарядов в полупроводнике с акцепторной примесью являются дырки, а не основными – электроны.

Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называются дырочными полупроводниками или полупроводниками р— типа.

Электронно-дырочный переход (p — n — переход)

При технологическом соединении полупроводников n-типа и p-типа электропроводности на границе соединения образуется электронно—дырочный переход, называемый p-n— переходом (рис.7).

Рассмотрим процесс образования p-n— перехода.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители зарядов в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Из полупроводника n— типа в полупроводник р- типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р— типа в полупроводник n— типа диффундируют дырки (рис.7). В результате диффузии носителей зарядов по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает положительный объемный заряд, который образован положительно заряженными атомами донорной примеси. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси.

Рис. 7.

Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов: u_K = φ_n – φ_p и электрическое поле, направленное от n- области к p- области.

Как видно, в p-n—переходе возникает потенциальный барьер, который препятствует диффузии основных носителей зарядов.

Высота потенциального барьера равна контактной разнице потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примесей в соответствующих областях, при этом толщина p-n- перехода d уменьшается. Для германия, например, при средней концентрации примесей u_K = 0,3 – 0,4 В и d = 10^-4 – 10^-5 см, а при больших концентрациях – u_К ≈ 0,7 В и d = 10^-6 см. С увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Такое перемещение не основных носителей зарядов называется дрейфовым.

При отсутствии внешнего электрического поля через p-n- переход протекают два тока: ток диффузии и ток дрейфа. Ток диффузии и ток дрейфа через p-n- переход протекают навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Суммарный ток через p-n- переход равен нулю.

При образовании контактной разности потенциалов по обе стороны границы раздела полупроводников образуется слой с пониженной концентрацией основных носителей зарядов. Он обладает повышенным сопротивлением и называется запирающим слоем. Толщина его несколько микрон.

Основы электроники: что такое полупроводник?

2. Программирование
3. Электроника
4. Компоненты
5. Основы электроники: что такое полупроводник?

Дуг Лоу

Полупроводники широко используются в электронных схемах. Как следует из названия, полупроводник , — это материал, который проводит ток, но только частично. Электропроводность полупроводника находится где-то между диэлектриком, который почти не имеет проводимости, и проводником, который имеет почти полную проводимость.Большинство полупроводников — это кристаллы, изготовленные из определенных материалов, чаще всего из кремния.

Чтобы понять, как работают полупроводники, вы должны сначала немного понять, как электроны организованы в атоме. Электроны в атоме организованы слоями. Эти слои называются оболочками . Самая внешняя оболочка называется оболочкой с валентностью и .

Электроны в этой оболочке — те, которые образуют связи с соседними атомами. Такие связи называются ковалентными связями .У большинства проводников только один электрон на валентной оболочке. С другой стороны, полупроводники обычно имеют четыре электрона на валентной оболочке.

Если все соседние атомы одного типа, все валентные электроны могут связываться с валентными электронами других атомов. Когда это происходит, атомы объединяются в структуры, называемые кристаллами . Полупроводники сделаны из таких кристаллов, обычно кристаллов кремния.

Здесь каждый кружок представляет атом кремния, а линии между атомами представляют собой общие электроны.Каждый из четырех валентных электронов в каждом атоме кремния используется совместно с одним соседним атомом кремния. Таким образом, каждый атом кремния связан с четырьмя другими атомами кремния.

Чистые кристаллы кремния не очень полезны для электроники. Но если вы введете в кристалл небольшое количество других элементов, кристалл начнет интересно проводить.

Процесс преднамеренного введения других элементов в кристалл называется легированием . Элемент, вводимый легированием, называется легирующей примесью .Тщательно контролируя процесс легирования и используемые легирующие примеси, кристаллы кремния могут превращаться в один из двух различных типов проводников:

• Полупроводник N-типа: Создается, когда легирующая добавка представляет собой элемент, имеющий пять электронов в валентном слое. Для этой цели обычно используется фосфор.

  Атомы фосфора соединяются прямо в кристаллической структуре кремния, каждый из которых соединяется с четырьмя соседними атомами кремния, как это сделал бы атом кремния.Поскольку атом фосфора имеет пять электронов в своей валентной оболочке, но только четыре из них связаны с соседними атомами, пятый валентный электрон остается болтающимся без каких-либо связей.

  Дополнительные валентные электроны в атомах фосфора начинают вести себя как одновалентные электроны в обычном проводнике, таком как медь. Они могут свободно передвигаться. Поскольку этот тип полупроводника имеет лишние электроны, он называется полупроводником типа N.

• Полупроводник P-типа: Возникает, когда легирующая примесь (например, бор) имеет только три электрона в валентной оболочке.Когда небольшое количество вводится в кристалл, атом может связываться с четырьмя атомами кремния, но, поскольку у него есть только три электрона, создается отверстие . Отверстие ведет себя как положительный заряд, поэтому легированные таким образом полупроводники называются полупроводниками P-типа .

  Дырки притягивают электроны, как положительный заряд. Но когда электрон движется в дырку, электрон оставляет новую дырку на своем предыдущем месте. Таким образом, в полупроводнике P-типа дырки постоянно перемещаются внутри кристалла, поскольку электроны постоянно пытаются их заполнить.

Когда напряжение подается на полупроводник N-типа или P-типа, ток течет по той же причине, по которой он течет в обычном проводнике: отрицательная сторона напряжения толкает электроны, а положительная сторона — тянет их. В результате беспорядочное движение электронов и дырок, которое всегда присутствует в полупроводнике, становится организованным в одном направлении, создавая измеримый электрический ток.

.Полупроводник

| Определение, типы, материалы, применения и факты

Полупроводник , любой из класса кристаллических твердых веществ, промежуточных по электропроводности между проводником и изолятором. Полупроводники используются в производстве различных видов электронных устройств, включая диоды, транзисторы и интегральные схемы. Такие устройства нашли широкое применение благодаря своей компактности, надежности, энергоэффективности и невысокой стоимости. В качестве дискретных компонентов они нашли применение в силовых устройствах, оптических датчиках и излучателях света, включая твердотельные лазеры.Они обладают широким спектром возможностей управления током и напряжением и, что более важно, поддаются интеграции в сложные, но легко производимые микроэлектронные схемы. Они являются и будут в обозримом будущем ключевыми элементами для большинства электронных систем, обслуживающих приложения связи, обработки сигналов, вычислений и управления как на потребительском, так и на промышленном рынках.

Британская викторина

Тест по электронике и гаджетам

Кто изобрел гибкую фотопленку?

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно делятся на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники.(При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке показаны удельные проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), связанные с некоторыми важными материалами каждого из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка от 10 ⁻¹⁸ до 10 ⁻¹⁰ сименс на сантиметр; а проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр.Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями и обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление примерно 10 атомов бора (известного как легирующая примесь) на миллион атомов кремния может увеличить его электрическую проводимость в тысячу раз (частично с учетом большой вариабельности, показанной на предыдущем рисунке).

Типичный диапазон проводимости изоляторов, полупроводников и проводников. Encyclopædia Britannica, Inc.

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. Элементарные полупроводники состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI периодической таблицы. Однако существует множество сложных полупроводников, которые состоят из двух или более элементов. Арсенид галлия (GaAs), например, представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из колонки III и мышьяка (As) из колонки V.Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных колонок — например, теллуридом ртути и индия (HgIn ₂ Te ₄ ), соединением II-III-VI. Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 — x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где как Al, так и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100 процентов Al ( x = 1) до 100 процентов Ga ( x = 0).Чистый кремний является наиболее важным материалом для приложений интегральных схем, а бинарные и тройные соединения III-V наиболее важны для излучения света.

таблица Менделеева Современная версия периодической таблицы элементов. Encyclopdia Britannica, Inc.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только как двухполюсные устройства, такие как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х годов германий был основным полупроводниковым материалом.Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрируют высокие токи утечки только при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал наиболее широко используемым полупроводником, фактически вытеснив германий в качестве материала для изготовления устройств. Для этого есть две основные причины: (1) кремниевые устройства демонстрируют гораздо более низкие токи утечки и (2) диоксид кремния (SiO ₂ ), который является высококачественным изолятором, легко включается в состав кремниевого на базе устройства.Таким образом, кремниевая технология стала очень продвинутой и повсеместной, и кремниевые устройства составляют более 95 процентов всей проданной во всем мире полупроводниковой продукции.

Получите эксклюзивный доступ к контенту нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодня

Многие из составных полупроводников обладают некоторыми определенными электрическими и оптическими свойствами, которые превосходят их аналоги из кремния. Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для оптоэлектроники и некоторых радиочастотных (RF) приложений.

Электронные свойства

Полупроводниковые материалы, описанные здесь, представляют собой монокристаллы; т.е. атомы расположены в трехмерном периодическом порядке. В части А рисунка показано упрощенное двумерное представление собственного (чистого) кристалла кремния, содержащего незначительные примеси. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями. Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями.Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения между электронами и обоими ядрами удерживает два атома вместе. Для изолированных атомов (например, в газе, а не в кристалле) электроны могут иметь только дискретные уровни энергии. Однако, когда большое количество атомов объединяется, чтобы сформировать кристалл, взаимодействие между атомами заставляет дискретные уровни энергии распространяться на энергетические зоны. Когда отсутствует тепловая вибрация (то есть при низкой температуре), электроны в изоляторе или полупроводниковом кристалле полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми.Полоса с самым высоким заполнением называется валентной полосой. Следующая зона — это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны запрещенной зоной (в кристаллических изоляторах зазоры гораздо больше, чем в полупроводниках). Эта запрещенная зона, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми электроны в кристалле не могут обладать. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны от 0,25 до 2,5 электрон-вольт (эВ). Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а ширина запрещенной зоны арсенида галлия — 1.42 эВ. Напротив, запрещенная зона алмаза, хорошего кристаллического изолятора, составляет 5,5 эВ.

полупроводниковые связи Три изображения полупроводниковых связей. Encyclopdia Britannica, Inc.

При низких температурах электроны в полупроводнике связаны в своих соответствующих зонах в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разорвать некоторые ковалентные связи с образованием свободных электронов, которые могут участвовать в проводимости тока.Когда электрон удаляется от ковалентной связи, с этой связью связана электронная вакансия. Эта вакансия может быть заполнена соседним электроном, что приводит к смещению положения вакансии с одного узла кристалла на другой. Эту вакансию можно рассматривать как фиктивную частицу, получившую название «дырка», которая несет положительный заряд и движется в направлении, противоположном направлению электрона. Когда к полупроводнику прикладывают электрическое поле, как свободные электроны (теперь находящиеся в зоне проводимости), так и дырки (оставшиеся в валентной зоне) перемещаются через кристалл, создавая электрический ток.Электропроводность материала зависит от количества свободных электронов и дырок (носителей заряда) в единице объема и от скорости, с которой эти носители движутся под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и дырок. Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью; то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров на вольт-секунду (см ² / В · с) —i.е., электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под действием электрического поля в один вольт на сантиметр, а подвижность дырок составляет 500 см ² / В · с. Подвижности электронов и дырок в конкретном полупроводнике обычно уменьшаются с повышением температуры.

электронная дырка: движение Движение электронной дырки в кристаллической решетке. Encyclopdia Britannica, Inc.

Электрическая проводимость в собственных полупроводниках довольно низкая при комнатной температуре.Чтобы обеспечить более высокую проводимость, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одной части на миллион атомов хозяина). Это называется легированием, процесс, который увеличивает проводимость, несмотря на некоторую потерю подвижности. Например, если атом кремния заменен атомом с пятью внешними электронами, например, мышьяка ( см. часть B рисунка), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, который передается в зону проводимости.Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона. Атом мышьяка является донором. Точно так же часть C рисунка показывает, что, если атом с тремя внешними электронами, такими как бор, заменяется атомом кремния, дополнительный электрон принимается для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, и положительно заряженная дырка образует создан в валентной зоне. Это создает полупроводник типа p , в котором бор является акцептором.

.

Что такое полупроводник | Примечания по электронике

Что такое полупроводники и способ протекания в них тока

---

Полупроводники Включает:
Что такое полупроводник Полупроводниковые материалы Дыры и электроны

---

Полупроводники и полупроводниковые технологии сегодня составляют основу большей части электронной промышленности. Транзисторы, диоды, интегральные схемы и многие другие устройства имеют общую полупроводниковую технологию.В результате огромной гибкости, которую обеспечивает полупроводниковая технология, она позволила электронике взять на себя многие области повседневной жизни, что пятьдесят лет назад невозможно было придумать.

Проводники и непроводники

Электрический ток возникает, когда электроны движутся в определенном направлении. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, их движение означает, что заряд перетекает из одной точки в другую, и это и есть электрический ток.

Для обеспечения протекания тока электроны должны иметь возможность свободно перемещаться внутри материала.В некоторых материалах электроны свободно перемещаются по решетке, хотя количество электронов и доступное для них пространство уравновешиваются, поэтому сам материал не несет заряда. В этих материалах электроны движутся свободно, но беспорядочно. Помещая разность потенциалов поперек проводника, электроны могут дрейфовать в одном направлении, и это составляет электрический ток. Многие материалы способны проводить электричество, но металлы являются наиболее распространенными примерами.

В отличие от металлов, есть много других материалов, в которых все электроны прочно связаны со своими родительскими молекулами и не могут свободно двигаться.Соответственно, когда на вещество помещается потенциал, очень немногие электроны могут перемещаться, и ток не будет протекать. Эти вещества называются непроводниками или изоляторами. Они включают в себя большинство пластмасс, керамики и многие природные вещества, такие как дерево.

Полупроводники

Полупроводники не относятся ни к категории проводников, ни к непроводникам. Вместо этого они оказываются посередине. В эту категорию попадают самые разные материалы, в том числе кремний, германий, арсенид галлия и множество других веществ.

В чистом виде кремний представляет собой изолятор без свободных электронов в кристаллической решетке. Однако, чтобы понять, как он действует как полупроводник, сначала взгляните на атомную структуру кремния в чистом состоянии. Каждая молекула в кристаллической решетке состоит из ядра с тремя кольцами или орбитами, содержащими электроны, и каждый электрон имеет отрицательный заряд. Ядро состоит из нейтронов, которые нейтральны и не имеют заряда, и протонов, которые имеют положительный заряд. В атоме одинаковое количество протонов и электронов, поэтому весь атом не имеет общего заряда.

Электроны в кремнии, как и в любом другом элементе, расположены кольцами со строгим числом электронов на каждой орбите. Первое кольцо может содержать только два, а второе — восемь. Третье и внешнее кольцо кремния их четыре. Электроны во внешней оболочке делятся с электронами соседних атомов, образуя кристаллическую решетку. Когда это происходит, в решетке не остается свободных электронов, что делает кремний хорошим изолятором. Аналогичная картина наблюдается и для германия. У него два электрона на самой внутренней орбите, восемь на следующей, 18 на третьей и четыре на внешней.И снова он делится своими электронами с электронами соседних атомов, чтобы создать кристаллическую решетку без каких-либо свободных электронов.

Примеси

Чтобы превратить кремний или любой другой полупроводник в частично проводящий материал, необходимо добавить в материал очень небольшое количество примесей. Это значительно меняет свойства.

Если добавляются следы примесей материалов, имеющих пять электронов во внешнем кольце атомов, они попадают в кристаллическую решетку, разделяя электроны с кремнием.Однако, поскольку у них есть один дополнительный электрон во внешнем кольце, один электрон может свободно перемещаться по решетке. Это позволяет току течь, если к материалу приложен потенциал. Поскольку этот тип материала имеет избыток электронов в решетке, он известен как полупроводник N-типа. Типичные примеси, которые часто используются для создания полупроводников N-типа, — это фосфор и мышьяк.

Также можно разместить в кристаллической решетке элементы с тремя электронами на внешней оболочке.Когда это происходит, кремний хочет разделить свои четыре электрона с другим атомом с четырьмя атомами. Однако, поскольку примеси их всего три, есть место или дыра для другого электрона. Поскольку в этом типе материала отсутствуют электроны, он известен как материал P-типа. Типичные примеси, используемые для материала P-типа, — это бор и алюминий.

отверстия

Легко увидеть, как электроны могут перемещаться по решетке и переносить ток. Однако для дырок это не так очевидно.Это происходит, когда электрон с полной орбиты движется, чтобы заполнить дыру, оставляя дыру там, откуда он появился. Затем другой электрон с другой орбиты может переместиться внутрь, чтобы заполнить новую дыру и так далее. Движение дырок в одном направлении соответствует движению электронов в другом, следовательно, возникает электрический ток.

Из этого видно, что электроны или дырки могут нести заряд или электрический ток. В результате они известны как носители заряда, дырки являются носителями заряда для полупроводника P-типа, а электроны — для полупроводника N-типа.

Сводка

Принцип, лежащий в основе полупроводников, может показаться довольно простым. Однако потребовалось много лет, прежде чем многие из его свойств можно было использовать, и еще много лет, прежде чем их можно было усовершенствовать. В настоящее время многие процессы, используемые с полупроводниками, были в значительной степени оптимизированы, а такие компоненты, как интегральные схемы, очень сложны. Однако они полагаются на тот факт, что различные области полупроводника могут быть легированы для получения полупроводников P-типа и N-типа.

Список общепринятых терминов по полупроводникам

• Носитель заряда — Носитель заряда — это свободная (подвижная, несвязанная) частица, несущая электрический заряд, например электрон или дырка.
• Проводник — материал, в котором электроны могут свободно перемещаться, а электричество течет.
• Электрон — субатомная частица, несущая отрицательный заряд.
• Отверстие — Отсутствие валентного электрона в кристалле полупроводника.Движение дырки эквивалентно движению положительного заряда, т.е. противоположно движению электрона.
• Изолятор — Материал, в котором нет свободных электронов, переносящих электричество.
• Основной носитель — Носители тока, свободные электроны или дырки, которые находятся в избытке, то есть в большинстве случаев в определенной области полупроводникового материала. Электроны являются основными носителями в полупроводниках N-типа, а дырки — в области P-типа.
• Неосновной носитель — Носители тока, свободные электроны или дырки, которые находятся в меньшинстве в определенной области полупроводникового материала
• N-типа — Область полупроводника, в которой имеется избыток электронов.
• P-type — Область полупроводника, в которой имеется избыток дырок.
• Полупроводник — Материал, который не является ни изолятором, ни полным проводником, который имеет промежуточный уровень электропроводности и в котором проводимость осуществляется посредством дырок и электронов.

Дополнительные основные понятия:
Напряжение Текущий Сопротивление Емкость Мощность Трансформеры RF шум Децибел, дБ Q, добротность
Вернуться в меню «Основные понятия». . .

.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Электронные компоненты на основе полупроводников

Полупроводник — это материал, который в некоторых случаях будет проводить электричество, но не в других. ^[1] Хорошие электрические проводники, такие как медь или серебро, легко пропускают электричество через них. ^[2] Материалы, которые блокируют электрический ток, например резина или пластик, называются изоляторами. ^[2] Изоляторы часто используются для защиты людей от поражения электрическим током.Как следует из названия, полупроводник не проводит так хорошо, как проводник. ^[3] Кремний — наиболее используемый полупроводник, но также используется арсенид галлия.

Добавляя разные атомы в кристаллическую решетку (сетку) полупроводника, он изменяет его проводимость, создавая полупроводники n-типа и p-типа. Кремний — самый важный коммерческий полупроводник, хотя используются многие другие. Их можно превратить в транзисторы, которые представляют собой небольшие усилители. Транзисторы используются в компьютерах, мобильных телефонах, цифровых аудиоплеерах и многих других электронных устройствах.

Подобно другим твердым телам, электроны в полупроводниках могут иметь энергии только в определенных диапазонах (т.е. диапазонах уровней энергии) между энергией основного состояния, соответствующей электронам, прочно связанным с атомными ядрами материала, и энергией свободных электронов. , которая представляет собой энергию, необходимую электрону, чтобы полностью покинуть материал.

Полупроводники изучались в лабораториях еще в 1830-х годах. ^[4] В 1833 году Майкл Фарадей экспериментировал с сульфидом серебра. ^[5] Он обнаружил, что при нагревании материал лучше проводит электричество. Это было противоположно тому, как действовала медь. Когда медь нагревается, она проводит меньше электричества. Ряд других ранних экспериментаторов открыли другие свойства полупроводников. В 1947 году в Bell Labs в Нью-Джерси был изобретен транзистор. ^[6] Это привело к разработке интегральных схем, которые используются сегодня почти во всех электронных устройствах.

Легирование — это процесс добавления небольшой примеси к чистому полупроводнику для изменения его электрических свойств. ^[7] Легированные и умеренно легированные полупроводники называются примерами . Полупроводник, легированный до такой степени, что он действует больше как проводник, чем полупроводник, называется вырожденным . Большинство полупроводников сделано из кристаллов кремния. ^[8] Чистый кремний практически не используется, но легированный кремний является основой большинства полупроводников. Силиконовая долина была названа в честь большого количества начинающих полупроводниковых компаний, которые располагались там. ^[9]

Сегодня полупроводники используются повсеместно.Полупроводники можно найти почти в каждом электронном устройстве. Настольные компьютеры, Интернет, планшеты, смартфоны — все это было бы невозможно без полупроводников. Полупроводники можно превратить в очень точные переключатели с небольшим напряжением. Напряжение, в котором полупроводник не нуждается, можно отправить на другие электрические компоненты устройства. Полупроводники также могут быть очень маленькими, и многие из них могут поместиться в довольно небольшую схему. Поскольку они могут быть такими маленькими, современные электрические устройства могут быть тонкими и легкими без ущерба для вычислительной мощности.Некоторыми из доминирующих компаний в полупроводниковом бизнесе являются Intel Corporation, Samsung Electronics, TSMC, Qualcomm и Micron Technology. ^[10]

.