О том что такое полупроводник и как он работает
Полупроводниками (seicomnductor) называют вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между металлами (проводниками) и диэлектриками (изоляторами).
При качественном анализе механизма проводимости полупроводников обычно используется плоскостной моделью кристаллической решетки.
В химически чистых полупроводниках при температуре абсолютного нуля свободных носителей зарядов нет. С повышением температуры валентные электроны приобретают дополнительную тепловую энергию и некоторые из них (электроны с наибольшими скоростями хаотического теплового движения) могут, разорвать связь с атомами и стать свободными носителями зарядов. Атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом. Эти ионы не являются носителями зарядов, так как они жестко связаны межатомными силами.
Электропроводность, при которой электрон последовательно занимает дырку у рядом расположенного атома, т.е. в каждый момент времени в веществе преобладает «свободные» дырки, которые переходят от одного соседнего атома к другому, называется дырочной или электропроводностью p-типа (positive). Электропроводность, обусловленная движением свободных (избыточных) электронов между узлами кристаллической решетки, называется электронной или электропроводностью n-типа (negative).
Как уже упоминалось выше, в полупроводниковых приборах практически не используются химически чистые полупроводники, а применяются главным образом полупроводники с примесями, добавление которых приводит к существенному увеличению числа носителей зарядов. Электропроводность таких полупроводников называется примесной.
Рассмотрим механизм образование зарядов, воспользовавшись снова плоскостной моделью кристаллической решетки. Если в четырехвалентный германий добавить пятивалентное вещество, например сурьму, то пятивалентный атом сурьмы четырьмя валентными электронами образует ковалентную связь с четырьмя соседними атомами германия, а пятый валентный электрон атома сурьмы остается «лишним» и может быть достаточно легко отделен от атома. Такие полупроводники обладают электропроводностью n-типа. Примеси, которые отдают исходному полупроводнику свои электроны, называют донорными.
В примесных полупроводниках концентрация носителей зарядов всегда превышает (в 100 раз и более) концентрация носителей зарядов в исходного вещества. Поэтому удельное электрическое сопротивление примесного полупроводника всегда значительно меньше, чем исходного химически чистого. Однако даже в примесном полупроводнике число носителей зарядов намного меньше числа атомов; они составляют не более 10-4 степени % от общего числа атомов.
Дырки перемещаются только в полупроводнике, причем только между соседними атомами. У положительного полюса дырка возникает за счет отрыва электрона от атома и ухода его во внешнюю цепь. Во внешней цепи ток образуется только за счет электронов проводимости. У отрицательного полюса дырка рекомбинирует с электроном, поступившим из внешней цепи.
Направленное движение носителей зарядов может вызываться не только электрическим полем, но и разной их концентрацией в объеме вещества. Процесс направленного движения носителей зарядов, вызванный их неравномерной концентрацией, носит название диффузии носителей зарядов, а соответствующий ток называют диффузионным в отличие от дрейфового тока.
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Кикоин А.К. Диэлектрики, полупроводники, полуметаллы, металлы //Квант. — 1984. — № 2. — С. 25-29.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»
Содержание
В классической физике было принято все вещества по их электрическим свойствам разделять на проводники и диэлектрики («Физика 9», §§44 и 46). Современная физика различает еще два промежуточных состояния — полупроводники («Физика 9», § 78) и полуметаллы. Лишь с появлением квантовой механики стало ясно, в чем различия между всеми этими типами веществ. В этой заметке мы постараемся вкратце описать суть современной квантово-механической теории, объясняющей электрические свойства твердых тел.
Твердое тело состоит из атомов, образующих кристаллическую решетку. Атомы удерживаются в решетке силами взаимодействия электрически заряженных атомных частиц — положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Электрический ток в кристалле — это движение электронов, которое подчиняется законам квантовой механики. Согласно этим законам, электроны и в отдельном атоме, и в кристалле могут обладать лишь определенными (разрешенными) значениями энергии, или, иными словами, находиться на определенных энергетических уровнях. Чем выше уровень, тем большей энергии он соответствует.
Когда атомы объединяются в кристалл, часть электронов по-прежнему остается на своих атомных орбитах, но наиболее удаленные от ядра электроны получают возможность двигаться по всему кристаллу благодаря тому, что внешние орбиты соседних атомов перекрываются. А это значит, что и энергетические уровни, раньше принадлежавшие отдельным атомам, становятся «общими» для всего кристалла. Вместо дискретных уровней в кристалле образуются энергетические зоны, состоящие из очень близко расположенных уровней. Электроны, которые находятся на этих «обобществленных» уровнях, называются валентными электронами.
Валентные электроны движутся по орбитам, охватывающим весь кристалл, и, казалось бы, могут проводить электрический ток. Однако если бы все было так просто, все твердые тела были бы хорошими проводниками (металлами). Законы квантовой механики делают картину гораздо более сложной и разнообразной.
Во-первых, энергетические зоны разделены промежутками, в которых нет ни одного энергетического уровня. Эти промежутки называются запрещенными зонами. Во-вторых, электроны подчиняются так называемому принципу Паули, согласно которому на каждом уровне в данном состоянии может находиться только один электрон. При наинизшей возможной температуре (равной абсолютному нулю) энергетические уровни последовательно снизу вверх (то есть начиная с наименьших значений энергии) заполняются электронами в соответствии с принципом Паули, а уровни с более высокими энергиями остаются свободными. Различная степень заполнения энергетических зон, а также различия в их относительном расположении и позволяют разделить все твердые тела на диэлектрики, полупроводчики, полуметаллы и металлы.
Диэлектрики.
При T = 0 валентные электроны целиком заполняют наинизшую зону, называемую валентной зоной (рис. 2). Свободных уровней в ней нет, а следующая разрешенная зона — зона проводимости — отделена от нее широкой запрещенной зоной. Если к такому образцу приложить электрическое поле, оно не сможет ускорить электроны, то есть создать электрический ток, так как ускорить электрон — значит сообщить ему дополнительную энергию, а, согласно законам квантовой механики, это можно сделать, только переведя его на более высокий энергетический уровень. Но принцип Паули запрещает электронам занимать уже занятые уровни, а попасть в следующую разрешенную зону, которая совершенно пуста, они не могут, потому что энергия, полученная от электрического поля, много меньше ширины Δ запрещенной зоны.
При температуре, отличной от нуля, электроны, в принципе, могут перейти в зону проводимости и стать носителями электрического тока. Однако для того чтобы число электронов, перешедших в эту зону, было достаточно большим, нужно диэлектрик нагреть до такой высокой температуры, что он расплавится, прежде чем ток достигнет измеримой величины. При комнатной температуре ток в диэлектрике практически не течет.
Полупроводники.
От диэлектрика полупроводник отличается только тем, что ширина Δ запрещенной зоны, отделяющей валентную зону от зоны проводимости, у него много меньше (в десятки раз). При T = 0 валентная зона в полупроводнике, как и в диэлектрике, целиком заполнена, и ток по образцу течь не может. Но благодаря тому, что энергия Δ невелика, уже при незначительном повышении температуры часть электронов может перейти в зону проводимости (рис. 3). Тогда электрический ток в веществе станет возможным, причем сразу по двум «каналам».
Во-первых, в зоне проводимости электроны, приобретая энергию в электрическом поле, переходят на более высокие энергетические уровни. Во-вторых, вклад в электрический ток дают. пустые уровни, оставленные в валентной зоне электронами, ушедшими в зону проводимости. Действительно, принцип Паули разрешает любому электрону занять освободившийся уровень в валентной зоне. Но, заняв этот уровень, он оставляет свободным свой собственный уровень и т. д. Если следить не за движением электронов по уровням в валентной зоне, а за движением самих пустых уровней, то оказывается, что эти уровни, имеющие научное название дырки, тоже становятся носителями тока. Число дырок, очевидно, равно числу электронов, ушедших в зону проводимости (так называемых электронов проводимости), но дырки обладают положительным зарядом, потому что дырка — это отсутствующий электрон.
Таким образом, в полупроводнике электрический ток — это ток электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Такая проводимость полупроводника называется собственной.
Электроны и дырки при движении по кристаллу взаимодействуют с атомами кристаллической решетки, теряя при этом свою энергию. С этими потерями связано электрическое сопротивление вещества. При увеличении температуры потери энергии возрастают, так что сопротивление полупроводника должно было бы с ростом температуры тоже увеличиваться. Но при повышении температуры растет число электронов, переходящих в зону проводимости, а следовательно, и число дырок r валентной зоне. Это значит, что растет (и очень быстро) общее число носителей тока. Из-за этого сопротивление полупроводника с повышением температуры не растет, а падает. Полупроводник и можно определить как вещество, практически не проводящее ток при абсолютном нуле температур, но сопротивление которого с ростом температуры резко падает.
В природе, однако, полупроводников с собственной проводимостью не существует: в них всегда имеются примеси других веществ, которые и определяют их электрические свойства. Наличие примесей приводит к тому, что в запрещенной зоне полупроводника появляются дополнительные энергетические уровни, с которых или на которые тоже возможны электронные переходы. Широкое применение полупроводников в технике стало возможным только после того, как технологи научились управлять содержанием примесей в полупроводниках и по своему усмотрению делать их проводимость (примесную проводимость) почти чисто электронной или чисто дырочной.
Оказывается, можно подобрать такие примеси, атомы которых легко отдают электроны. Освободившиеся при этом дополнительные уровни энергии располагаются внутри запрещенной зоны полупроводника вблизи ее верхнего края (рис. 4, а). Такие примеси называются донорными примесями, а уровни — донорными уровнями. Из рисунка 4, а видно, что при одной и той же температуре электронам с таких уровней гораздо легче перейти в зону проводимости, чем электронам из валентной зоны, поэтому примесные уровни и станут основными поставщиками электронов в зону проводимости. Но при этом в валентной зоне дырок появляться не будет, и проводимость полупроводника станет почти чисто электронной. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа.
Существуют и такие примеси, атомы которых легко присоединяют к себе электроны (акцепторные примеси). Дополнительные уровни их электронов (акцепторные уровни) тоже располагаются внутри запрещенной зоны полупроводника, но вблизи ее дна (рис. 4, б). В этом случае электронам из валентной зоны легче перейти на акцепторные уровни примеси, чем в зону проводимости. Тогда в валентной зоне появятся дырки без того, чтобы в зоне проводимости появились электроны. Получится полупроводник с почти чисто дырочной проводимостью, или полупроводник p-типа.
Наиболее известные полупроводниковые материалы — это германий и кремний, а их главные технические применения как раз и связаны с возможностью создания образцов n- и p-типов («Физика 9», с. 212).
Полуметаллы.
Это вещества, в которых между зоной проводимости и валентной зоной зазор отсутствует, так что они слегка перекрываются (рис. 5). В таких веществах уже при нулевой температуре имеется небольшое количество электронов и дырок, но электропроводность их очень слабо зависит от температуры.
Полуметаллы в природе встречаются редко, из них наиболее известны висмут, сурьма и их сплавы.
Металлы.
К сожалению, идеальных кристаллов не бывает, а нулевой температуры достичь невозможно. В действительности электроны теряют энергию, взаимодействуя с колеблющимися атомами решетки, так что сопротивление реального металла растет с температурой (в отличие от сопротивления полупроводника). Но самое главное — это то, что при любой температуре электропроводность металла значительно выше электропроводности полупроводника потому, что в металле гораздо больше электронов, способных проводить электрический ток.
Знакомство с проводниками, полупроводниками и диэлектриками: технические характеристики
Что главное в материалах, которые используются для электричества? Главным их свойством является токопроводимость. Такие материалы делятся на три вида — проводники, полупроводники, диэлектрики.
Сегодняшняя статья посвящена именно этим материалам. Мы подробно рассмотрим что они из себя представляют, для чего используются и каким образом пропускают ток.
Итак, начнем с проводника
Проводник — это материя, которая состоит из свободных носителей заряженных частиц. При движении этих частиц возникает тепловая энергия, поэтому ему дали название — тепловое движение.
Есть два основных параметра проводника — сопротивление, обозначается буквой R или же проводимость, обозначается буквой G. Проводимость это показатель противоположный сопротивлению — G=1/R.
То есть проводник — это материал, который ведет ток.
Что же является проводником. Металлы — лучшие проводники, особенно медь и алюминий. Также проводниками являются солевые растворы, влажный грунт, углерод. Последний нашел широкое применение в работе со скользящими связями.
Примером такого применения являются щетки в электрическом двигателе. Человеческое тело — тоже проводник электрического тока. Но электропроводные свойства у вышеперечисленных материалов все же ниже, чем в металлах.
Сама структура металлов предполагает в себе огромное количество свободных заряженных частиц, что и делает их лучшими проводниками.
Когда металл попадает под действие электрических полей, то происходит процесс так называемой электроиндукции. То есть заряженные частицы начинают активно двигаться и распределятся.
Перейдем к диэлектрикам
Диэлектрик — это материя, которая не подчиняется воздействию электрического поля, то есть не пропускает через себя ток, а если и пропускает, то в незначительном количестве.
Происходит это потому, что они не обладают свободно передвигающимися частицами — носителями тока, поскольку в них очень сильная атомная связь.
В жизни такими веществами выступают резина, керамические компоненты, стекло, отдельные виды смол, дистиллированная вода, карбонит, фарфор, текстолит, а так же сухое дерево и так далее.
Именно благодаря свои свойствам, вышеперечисленные материалы являются основой корпусов различных электрических приборов, выключателей, розеток, вилок и других приспособлений, которые контактируют с электричеством непосредственно.
Изоляционные элементы в сетях также изготовляются из диэлектрических материалов.
Но, не все так просто и с диэлектриками. Если пропускать через них ток выше нормы, хранить их или устанавливать в среде с высокими показателями влажности или неправильно их использовать, то можно вызвать такое явление, как «пробой изолятора» — это означает, что материал диэлектрика теряет свои токонепроводимые функции и становится проводником.
То есть, если в двух словах описать ситуацию, то основное в диэлектрике — это его электроизоляционные способности. Таким образом эти приборы помогают нам защититься от травмирующего воздействия электричества.
Свойства диэлектрика измеряются его электрической прочностью — это показатель, который равняется с напряжением пробоя диэлектрика.
И наконец мы дошли до полупроводников
Полупроводники называются так, потому что у них есть свойство проводить ток, но не всегда. Для этого данному веществу необходимо создать специальные условия. Нужно подать к нему энергию в определенным количестве.
Свои свойства полупроводник имеет потому, что в его структуре очень мало частиц, являющихся свободными носителями, а может быть такое, что их там вовсе нет. Но, стоит повлиять на них определенной энергией — и они появляются и активно двигаются.
Энергия может быть не только электрической, также можно воздействовать тепловой энергией, или различными излучениями. Например, свободно движущиеся элементы появляются при влиянии излучения в УФ-Спектре.
Материалами с такими свойствами являются германий, кремний, так же это может быть смешение арсенида и гелия, мышьяк, селен и прочие.
Применение полупроводников может быть различное. Из данного материала делают микросхемы, светодиоды, транзисторы, диоды и многое другое.
Для того, чтоб более подробно объяснить работу полупроводника, применим к нему так называемую зонную теорию. Упомянутая теория объясняет существование или неимение свободных заряженных частиц в отношении конкретных энергетических уровней.
Энергетический уровень (слой) — это число простых частиц, таких как молекул, атомов, то есть электронов. Данный показатель измеряется в Электронвольтах (ЭВ).
Следует обратить внимание на то, что слои проводника составляют непрерывную диаграмму от зоны валентности и до зоны проводимости. Если эти две зоны осуществляют накладку друг на друга, то возникает зона перекрытия.
В соответствии с влиянием некоторых влияний, например электрических полей, температурного режима и прочего, число электронов может меняться.
Исходя из вышеописанных процессов электроны при минимальной энергетическом воздействии начинают движение в проводнике.
Полупроводники между двумя вышеупомянутыми зонами имеют еще зону запрещенную. Величина данной зоны показывает количество той энергии, которой будет достаточно для проведения тока.
Диэлектрики по структуре похожи на полупроводники, но их защитный шар намного больше благодаря внутренним связям материала.
Мы рассказали о главных свойствах проводников, полупроводников и диэлектриков. Можно сделать вывод, что отличаются они друг от друга своей проводимостью тока. Именно из-за этого у каждого материала есть своя зона применения.
Так, проводники применяются там, где нужна стопроцентная проводимость тока.
Использование диэлектриков приходится на изготовление различной изоляции токопроводящих участков.
Ну, а полупроводники активно применяют в электронике.
Думаем, данная статья раскрыла перед вами все нюансы работы проводников, диэлектриков и полупроводников, их основные отличия и сферы применения.
Электропроводность полупроводников
Вещества, способные проводить или не проводить электрический ток, не ограничиваются строгим разделением только на проводники и диэлектрики. Есть еще полупроводники, такие как: селен, кремний, германий, и другие минералы и сплавы, достойные того, чтобы их выделить в отдельную группу.
Эти вещества проводят электрический ток лучше чем диэлектрики, но хуже чем металлы, а их удельная проводимость увеличивается с ростом температуры или освещенности. Данная особенность полупроводников делает их применимыми в датчиках освещенности и температуры, но основное их применение — все же электроника.
Если взглянуть, в качестве примера, на кристалл кремния, то можно обнаружить, что кремний обладает валентностью 4, то есть на внешней оболочке его атома есть 4 электрона, которые связаны с четырьмя соседними атомами кремния в кристалле. Если на такой кристалл подействовать теплом или светом, то валентные электроны получат приращение энергии, и покинут свои атомы, превратившись в свободные электроны — в подвергнутом воздействию объеме полупроводника появится электронный газ — как в металлах, то есть возникнет условие для проводимости.
В образовавшуюся «дырку» легко перескочит соседний электрон, и как только эта дырка заполнится перескочившим в нее электроном, на месте перескочившего электрона опять же образуется дырка.
То есть получается, что дырка — это положительно заряженная подвижная область полупроводника. И при включении полупроводника в цепь с источником ЭДС, электроны станут двигаться к плюсовой клемме источника, а дырки — к минусовой. Так реализуется проводимость полупроводника собственная.
Движение в полупроводнике дырок и электронов проводимости без приложенного электрического поля будет хаотичным. Если же к кристаллу приложить внешнее электрическое поле, то электроны внутри него придут в движение против поля, а дырки — в движение по полю, то есть в полупроводнике возникнет явление собственной проводимости, которое будет обусловлено не только электронами, но и дырками.
У полупроводника проводимость всегда возникает лишь под влиянием каких-нибудь факторов извне: из-за облучения фотонами, от действия температуры, при наложении электрических полей и т. д.
Уровень Ферми в полупроводнике приходится на середину запрещенной зоны. Для перехода электрона из верхней валентной зоны в нижнюю зону проводимости нужна энергия активации, которая равна ширине запрещенной зоны deltaE (см.рисунок). И как только появляется электрон в зоне проводимости, тут же в валентной зоне рождается дырка. Таким образом, затраченная энергия делится поровну при образовании пары носителей тока.
Половина энергии (соответствует половине запрещенной зоны) расходуется на переброс электрона, а половина — на образование дырки, в итоге начало отсчета соответствует середине запрещенной зоны. Энергия Ферми в полупроводнике — это та энергия, при которой возбуждаются электроны и дырки. Положение о том, что уровень Ферми расположен для полупроводника в середине запрещенной зоны, может быть подтверждено математическими выкладками, однако здесь математические выкладки опустим.
Под действием внешних факторов, например при возрастающей температуре, тепловые колебания кристаллической решетки полупроводника приводят к разрушению некоторых валентных связей, вследствие чего часть электронов становятся, отщепляясь, свободными носителями заряда.
В полупроводниках наряду с процессом образования дырок и электронов действует процесс рекомбинации: электроны переходят в валентную зону из зоны проводимости, отдавая при этом свою энергию кристаллической решетке и излучая кванты электромагнитного излучения. Так, каждой температуре соответствует равновесная концентрация дырок и электронов, зависящая от температуры согласно следующему выражению:
Есть еще примесная проводимость полупроводников, когда в кристалл чистого полупроводника вводят немного другого вещества, которое отличается более высокой или пониженной валентностью, по сравнению с основным веществом.
Если в чистом, скажем, в том же кремнии, количество дырок и свободных электронов равно, то есть они образуются все время парами, то в случае с добавленной в кремний примесью, например мышьяка, обладающего валентностью 5, количество дырок окажется меньше количества свободных электронов, то есть образуется полупроводник с большим количеством свободных электронов, отрицательно заряженных, это будет полупроводник n-типа (negative). А если подмешать индия, который обладает валентностью 3, то есть меньшей, чем у кремния, тогда будет больше дырок — это и будет полупроводник p-типа (positive).
Теперь, если привести полупроводники разной проводимости в соприкосновение, то в месте контакта получим p-n-переход. Электроны, перемещающиеся из n-области и дырки, перемещающиеся из p-области, станут двигаться друг к другу на встречу, и по разные стороны от контакта получатся области, с разноименными зарядами (по разные стороны от p-n-перехода): в n-области скопится положительный заряд, а в p-области — отрицательный. Разные части кристалла по отношению к переходу будут заряжены противоположно. Это положение очень важно для работы всех полупроводниковых приборов.
Простейшим примером такого прибора является полупроводниковый диод, где используется всего один p-n-переход, чего достаточно для достижения поставленной задачи — проводить ток лишь в одном направлении.
Электроны из n-области движутся по направлению к положительному полюсу источника питания, а дырки из p-области — в сторону отрицательного полюса. Вблизи перехода скопится достаточно положительных и отрицательных зарядов, сопротивление перехода сильно снизится, и по цепи пойдет ток.
В обратном включении диода ток пойдет в десятки тысяч раз меньший, поскольку электроны и дырки просто разнесет электрическим полем в разные стороны от перехода. На этом принципе работает диодный выпрямитель.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
