Приклад напівпровідникових матеріалів

За здатністю проводити електричний струм матеріали поділяються на три категорії: провідники, ізолятори та напівпровідники. Найяскравішими прикладами провідників є метали, такі як мідь Cu, алюміній Al і срібло Ag; а ізоляторів - полімери та скло. Третій клас буде розглянуто нижче: напівпровідники.

Електричні властивості напівпровідників є одними з властивостей ізоляторів і провідників.Силіцій Si та Германій Ge є добре відомими прикладами напівпровідників, які часто використовуються у виробництві різноманітних електронних пристроїв.. Електричні властивості напівпровідників можна змінити на кілька порядків, додаючи до матеріалів контрольовану кількість сторонніх атомів.

Напівпровідники поводяться як ізолятори при низьких температурах, але якщо їх підвищити, вони поводяться як провідники. Ця подвійність провідності пояснюється тим, що валентні електрони матеріалу слабо зв’язані зі своїми відповідними ядрами. атомні, але недостатньо, так що підвищення температури дозволить їм залишити атом циркулювати через атомну решітку матеріал. Як тільки електрон залишає атом, він залишає на своєму місці дірку, яку можна заповнити іншим електроном, який циркулював у ґратці.

Це стосується раніше згаданих хімічних елементів, кремнію Si та германію Ge, які мають чотири валентних електрони на останньому рівні. Слід зазначити, що для додавання енергії до напівпровідникового матеріалу, крім теплопередачі, можна застосувати світло.

Щоб краще зрозуміти поведінку напівпровідникових матеріалів, буде використано теорію зон.

Теорія смуг

 Концепція Валенсійська смуга, яка являє собою накопичену енергію, якою володіють валентні електрони.

Крім того, ця теорія обробляє визначення Зона провідності, як енергія разом, яку електрони повинні забрати від своїх атомів. Електрони, які знаходяться в зоні провідності, можуть циркулювати крізь матеріал, якщо є електрична напруга, яка рухає їх між двома точками.

На основі двох діапазонів будуть вивчені випадки провідника, ізолятора та напівпровідника, щоб мати перспективу для останнього.

Для провідника енергія зони Валенсії більша, ніж енергія електронів зони провідності. Таким чином, що смуги перекриваються, і багато електронів Валенсії розміщуються на Провідності дуже легко, а отже, з можливістю циркуляції посередині.

Для ізолятора, з іншого боку, енергія зони провідності набагато більша, ніж енергія зони Валенсії. Тут є проміжок між зоною Валенсії та зоною провідності, так що електрони Валенсії не можуть отримати доступ до зони провідності, яка буде порожньою. Тому ізолятор не проводить. Тільки при високих температурах ці матеріали можуть бути електропровідними.

У випадку з напівпровідниками смуга провідності все ще більша, ніж смуга Валенсії, але розрив між ними значно менший, так що при підвищенні енергії електрони Валенсії стрибають у зону провідності і можуть циркулювати в середовищі. Коли електрон перестрибує з Валенсійської смуги в зону провідності, він залишає яйце в Валенсії, яке також вважається носієм електричного струму.

У напівпровідниках розрізняють два типи носіїв електричного струму: негативно заряджені електрони і дірки, заряджені позитивно.

Типи напівпровідників 

Існує два класи напівпровідників за їх чистотою. Напівпровідникові матеріали в чистому стані відомі як внутрішні напівпровідники; і є зовнішні напівпровідники, які чисті, але забруднені домішками в незначних пропорціях, як одна частинка на кожен мільйон.

Цей процес контамінації називається допінгом, який, у свою чергу, проявляється у двох видах.

Першим типом допінгу є тип N, у якому матеріал забруднений валентними 5 атомами, наприклад Phosphorus P, Arsenic As або Surma Sb. Залучаючи п'ятий валентний електрон до структури чотиривалентні атоми, змушений блукати крізь напівпровідниковий матеріал, не знаходячи стабільного місця, де Бути розміщеним. Сукупність цих блукаючих електронів називається мажоритарними електронами.

Другим типом допінгу є тип P, у якому Напівпровідниковий матеріал забруднений атомами валентності 3, такі як бор B, галій Ga або Індій In. Якщо цей атом ввести в матеріал, утворюється отвір, куди повинен пройти електрон. Отвір легко переміщається по структурі матеріалу, як ніби він є носієм позитивного заряду. У цьому випадку дірки є мажоритарними носіями.

Застосування напівпровідників: діод

Діод являє собою електронний компонент, який складається з об'єднання двох зовнішніх напівпровідникових кристалів, одного типу N, а іншого типу P. З’єднуючись із ними, частина надлишкових електронів N-типу переходить до кристала P-типу, а частина дірок P-типу – до кристала N-типу. На стику створюється смуга, яка називається перехідною зоною, яка має електричне поле, яке веде себе як бар'єр, який перешкоджає проходженню більшої кількості електронів із зони N в зону P і дірок із зони P в зону Н.

Коли діод підключений до батареї, виникають два різні випадки: зміщення прямого і зворотного зміщення.

При прямій поляризації позитивний полюс з'єднаний з кристалом P, а негативний полюс з кристалом N. Це робить перехідну зону набагато вужчою, руйнуючи бар’єр і забезпечуючи вільне проходження течії. У цьому стані діод є провідним.

При зворотній поляризації позитивний полюс з'єднується з кристалом N, а негативний полюс з кристалом P. Це робить перехідну зону набагато ширшою, посилюючи бар’єр, що перешкоджає проходженню струму. У цьому випадку діод є ізолятором.

Застосування діода різноманітні. Однак найпопулярнішим додатком є ​​той, який використовує його як випрямляч. Випрямляч - це система, здатна перетворювати синусоїдальний змінний вхідний сигнал в інший, що має такий же сенс, щоб пізніше перетворити змінний струм в постійний. Перед випрямленням струму використовується трансформатор, який знижує значення напруги.

Приклади напівпровідникових матеріалів

За групою, в якій вони присутні в періодичній системі, ось деякі приклади напівпровідникових елементів:

Група IIIA: бор B, алюміній Al, галій Ga, Індій In.

Група ПДВ: Silicon Si, Germanium Ge.

Група VA: фосфор P, миш'як As, сурма Sb.

Група VIA: Сульфур S, Селен Se, Телур Te.