Пример полупроводниковых материалов

По способности проводить электрический ток материалы делятся на три категории: проводники, изоляторы и полупроводники. Наиболее яркими примерами проводников являются металлы, такие как медь Cu, алюминий Al и серебро Ag; а из изоляторов - полимеры и стекло. Далее будет рассмотрен третий класс: полупроводники.

Электрические свойства полупроводников относятся к свойствам изоляторов и проводников.Кремний Si и германий Ge являются хорошо известными примерами полупроводников, которые часто используются в производстве различных электронных устройств.. Электрические свойства полупроводников можно изменять на несколько порядков, добавляя в материалы контролируемое количество посторонних атомов.

Полупроводники ведут себя как изоляторы при низких температурах, но при повышении температуры они ведут себя как проводники. Эта двойственность проводимости связана с тем, что валентные электроны материала слабо связаны со своими соответствующими ядрами. атомных, но недостаточно, так что повышение температуры позволит им покинуть атом, чтобы циркулировать через атомную решетку материал. Как только электрон покидает атом, он оставляет на своем месте отверстие, которое может быть заполнено другим электроном, циркулирующим в решетке.

Это случай ранее упомянутых химических элементов, кремния Si и германия Ge, которые имеют четыре валентных электрона на последнем уровне. Следует отметить, что для добавления энергии к полупроводниковому материалу, помимо теплопередачи, можно применять свет.

Чтобы лучше понять поведение полупроводниковых материалов, будет использована теория полос.

Теория полос

 Концепция чего-либо Валенсийская полоса, которая представляет собой накопленную энергию валентных электронов..

Кроме того, эта теория обрабатывает определение Зона проводимости, как энергия, которую электроны должны отобрать у своих атомов. Электроны, находящиеся в зоне проводимости, могут циркулировать через материал, если существует электрическое напряжение, которое перемещает их между двумя точками.

Основываясь на двух диапазонах, будут изучены случаи проводника, изолятора и полупроводника, чтобы иметь перспективу для последних.

Для проводника энергия зоны Валенсии больше, чем энергия электронов зоны проводимости. Таким образом, полосы перекрываются, и многие электроны Валенсии очень легко помещаются на проводимость, и, следовательно, с возможностью циркуляции в середине.

С другой стороны, для изолятора энергия полосы проводимости намного больше, чем энергия полосы Валенсии. Здесь есть промежуток между полосой Валенсии и полосой проводимости, так что электроны Валенсии не могут получить доступ к полосе проводимости, которая будет пустой. Вот почему изолятор не проводит. Только при высоких температурах эти материалы могут быть токопроводящими.

В случае полупроводников полоса проводимости по-прежнему больше, чем полоса Валенсии, но разрыв между ними значительно меньше, так что с увеличением энергии электроны Валенсии прыгают в зону проводимости и могут циркулировать в среде. Когда электрон перескакивает из диапазона Валенсии в полосу проводимости, он оставляет яйцо в полосе Валенсии, которое также считается переносчиком электрического тока.

В полупроводниках различают два типа носителей электрического тока: отрицательно заряженные электроны и дырки, заряженные положительно.

Типы полупроводников 

В зависимости от чистоты существуют два класса полупроводников. Полупроводниковые материалы в чистом виде известны как собственные полупроводники; и есть внешние полупроводники, которые чисты, но загрязнены примесями в мельчайших пропорциях, как одна частица на миллион.

Этот процесс загрязнения называется допингом, который, в свою очередь, проявляется в двух типах.

Первый тип допинга - это тип N, в котором материал загрязнен валентными 5 атомами, таких как фосфор P, мышьяк As или сурьма Sb. За счет вовлечения пятого валентного электрона в структуру четырехвалентные атомы вынуждены блуждать по полупроводниковому материалу, не находя стабильного места, где Быть помещенным. Набор этих блуждающих электронов называется электронами большинства.

Второй тип допинга - это тип P, в котором полупроводниковый материал загрязнен атомами валентности 3, например бор B, галлий Ga или индий In. Если этот атом ввести в материал, останется дыра там, где должен идти электрон. Отверстие легко проходит сквозь структуру материала, как если бы оно было носителем положительного заряда. В этом случае дыры являются носителями большинства.

Применение полупроводников: диод

Диод представляет собой электронный компонент, состоящий из объединения двух примесных полупроводниковых кристаллов, одного типа N, а другого типа P. Присоединяясь к ним, часть избыточных электронов N-типа переходит в кристалл P-типа, а часть дырок P-типа - в кристалл N-типа. На стыке создается полоса, называемая переходной зоной, которая имеет электрическое поле, которое ведет себя как барьер, препятствующий прохождению большего количества электронов из зоны N в зону P и дырок из зоны P в зону Н.

Когда диод подключен к батарее, возникают два разных случая: прямое смещение и обратное смещение.

В прямой поляризации положительный полюс соединен с кристаллом P, а отрицательный полюс - с кристаллом N. Это значительно сужает переходную зону, разрушая барьер и обеспечивая свободное прохождение тока. В этом состоянии диод является проводящим.

При обратной поляризации положительный полюс соединяется с кристаллом N, а отрицательный полюс - с кристаллом P. Это делает переходную зону намного шире, усиливая барьер, препятствующий прохождению тока. В данном случае диод изолирующий.

Применения диода многочисленны. Однако наиболее популярным приложением является то, которое использует его в качестве выпрямителя. Выпрямитель - это система, способная преобразовывать синусоидальный переменный входной сигнал в другой, имеющий такое же значение, чтобы позже преобразовать переменный ток в постоянный. Перед выпрямлением тока используется трансформатор, уменьшающий значение напряжения.

Примеры полупроводниковых материалов

По группе, в которой они присутствуют в Периодической таблице, это некоторые примеры полупроводниковых элементов:

Группа IIIA: бор B, алюминий Al, галлий Ga, индий In.

Групповой НДС: Кремний Si, Германий Ge.

Группа VA: фосфор P, мышьяк As, сурьма Sb.

Группа VIA: сера S, селен Se, теллур Te.