Приклад напівпровідникових матеріалів

За здатністю проводити електричний струм матеріали поділяють на три категорії: провідники, ізолятори та напівпровідники. Найвизначнішими прикладами провідників є метали, такі як мідь Cu, алюміній Al та срібло Ag; а з ізоляторів - полімери та скло. Далі про третій клас піде мова: напівпровідники.

Електричні властивості напівпровідників належать до властивостей ізоляторів та провідників.Silicon Si та Germanium Ge є добре відомими прикладами напівпровідників, які часто використовуються у виробництві різноманітних електронних пристроїв.. Електричні властивості напівпровідників можна змінювати на кілька порядків, додаючи до матеріалів контрольовану кількість сторонніх атомів.

Напівпровідники поводяться як ізолятори при низьких температурах, але якщо їх збільшити, вони поводяться як провідники. Ця подвійність провідності зумовлена ​​тим, що валентні електрони матеріалу вільно пов'язані з відповідними ядрами. атомних, 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 може заповнити інший електрон, який циркулював у решітці.

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

Для кращого розуміння поведінки напівпровідникових матеріалів буде використана Теорія смуг.

Теорія смуг

 Поняття Смуга Валенсії, яка є накопиченою енергією, якою володіють валентні електрони.

Крім того, ця теорія обробляє визначення Смуга провідності, як енергія разом, яку електрони повинні виводити зі своїх атомів. Електрони, що знаходяться в зоні провідності, можуть циркулювати через матеріал, якщо існує 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 діапазону Валенсії більше енергії електронів діапазону провідності. Таким чином, що смуги перекриваються, і багато електронів Валенсії розміщуються на провідності дуже легко, а отже, з можливістю циркуляції в середині.

З іншого боку, для ізолятора енергія діапазону провідності набагато більша, ніж енергія діапазону Валенсії. Тут існує розрив між діапазоном Валенсії та діапазоном провідності, так що електрони Валенсії не можуть отримати доступ до діапазону провідності, який буде порожнім. Ось чому ізолятор не проводить. Лише при високій температурі ці матеріали можуть бути провідними.

У випадку напівпровідників діапазон провідності все ще більший, ніж діапазон Валенсії, але розрив між ними значно менший, так що при енергійному збільшенні електрони Валенсії стрибають до зони провідності і можуть циркулювати через середовище. Коли електрон стрибає з діапазону Валенсії в діапазон провідності, він залишає яйце в діапазоні Валенсії, яке також вважається носієм електричного струму.

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

Типи напівпровідників 

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

Цей процес забруднення називається допінгом, який, у свою чергу, проявляється у двох типах.

Перший тип допінгу - тип N, в якій матеріал забруднений валентністю 5 атомів, такі як Фосфор P, Миш'як As або Сурма Sb. Залучаючи п’ятий валентний електрон до структури чотиривалентні атоми, змушений блукати по напівпровідниковому матеріалу, не знаходячи там стійкого місця Бути поміщеним. Сукупність цих помилкових електронів називається більшістю електронів.

Другий тип допінгу - тип Р, в якій напівпровідниковий матеріал забруднений атомами валентності 3, такі як бор B, Gallium Ga або Indium In. Якщо цей атом ввести в матеріал, залишається дірка, куди повинен йти електрон. Отвір легко рухається по структурі матеріалу, ніби він є носієм позитивного заряду. У цьому випадку дірки - це більшість носіїв.

Застосування напівпровідників: діод

Діод - це електронний компонент, який складається з об'єднання двох зовнішніх напівпровідникових кристалів, одного типу N та іншого типу P. Приєднуючись до них, частина надлишків електронів N-типу переходить до кристала P-типу, а частина дірок P-типу переходить до кристала N-типу. На переході створюється смуга, яка називається перехідною зоною, яка має електричне поле, яке веде себе як бар'єр, який протистоїть проходженню більшої кількості електронів із зони N в зону P та дірок із зони P в зону Н.

Коли діод підключений до акумулятора, виникають два різні випадки: пряме зміщення та зворотне зміщення.

При прямій поляризації позитивний полюс з'єднаний з кристалом P, а негативний - з кристалом N. Це робить зону переходу набагато вужчою, порушуючи бар’єр і забезпечуючи вільний прохід струму. У цьому стані діод є провідним.

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

Застосування діода багаторазове. Однак найпопулярнішим додатком є ​​той, який використовує його як випрямляч. Випрямляч - це система, здатна перетворити синусоїдальний змінний вхідний сигнал в інший, який має такий самий сенс, щоб згодом перетворити змінний струм у постійний струм. Перед випрямленням струму використовується трансформатор, який зменшує значення напруги.

Приклади напівпровідникових матеріалів

Групою, в якій вони присутні в Періодичній системі, є кілька прикладів напівпровідникових елементів:

IIIA група: Бор, Алюміній Al, Галій Ga, Індій In.

Груповий ПДВ: Silicon Si, Germanium Ge.

Група VA: Фосфор P, Миш'як As, Сурма Sb.

Група VIA: Сірка S, Селен Se, Теллур Te.