Polovodičové materiály: příklady polovodičů

V našem článku budeme uvažovat o příkladech polovodičů, jejich vlastnostech a oblastech použití. Tyto materiály mají své místo v radiotechnice a elektronice. Jsou to něco mezi dielektrikem a dirigentem. Mimochodem, jednoduché sklo může být také považováno za polovodič - v jeho normálním stavu nevede proud. Při silném zahřátí (téměř do kapalného stavu) se vlastnosti mění a sklo se stává vodičem. Ale je to výjimečný příklad, u jiných materiálů je všechno trochu jiné.

Hlavní vlastnosti polovodičů

Index vodivosti je asi 1000 Ohm * m (při teplotě 180 stupňů). Ve srovnání s kovy polovodiče snižují vodivost se zvyšující se teplotou. Dielektrika má stejnou vlastnost. Polovodičové materiály mají poměrně silnou závislost specifického indexu vodivosti na množství a typu nečistot.

Pokud například uvedeme pouze tisícům arzénu do čistého germania, vodivost se zvýší asi o desetinásobek. Bez výjimky jsou polovodiče citlivé na vnější vlivy - jaderné záření, světlo, elektromagnetické pole, tlak atd. Příklady polovodičových materiálů lze citovat - antimon, křemík, germanium, telur, fosfor, uhlík, arsen, jód, bor různých sloučenin těchto látek.

Vlastnosti použití polovodičů

Vzhledem k tomu, že polovodičové materiály mají takové specifické vlastnosti, jsou poměrně rozšířené. Jsou používány pro výrobu diod, tranzistorů, triaků, laserů, tyristorů, snímačů tlaku, magnetických polí, teplot apod. Po osvojení polovodičů se uskutečnila radikální transformace v automatizaci, radiotechnika, kybernetice a elektrotechnice. Použitím polovodičů bylo dosaženo takových malých rozměrů zařízení - není třeba používat masivní zdroje napájení a rádiové trubice o velikosti 1,5 l.

Proud v polovodičích

U vodičů je proud určován tím, kde se pohybují volné elektrony. Existuje spousta volných elektronů v polovodičových materiálech, existují důvody pro to. Všechny valenční elektrony, které existují v polovodiči, nejsou volné, protože jsou vázány na jejich atomy.

V polovodičích se proud může objevit a může se lišit v poměrně širokém rozmezí, ale pouze v případě vnějšího vlivu. Aktuální změny během ohřevu, ozařování, zavádění nečistot. Všechny účinky mohou výrazně zvýšit energii valenčních elektronů, což přispívá k jejich oddělení od atomů. Aplikované napětí způsobuje, že se tyto elektrony pohybují v určitém směru. Jinými slovy se tyto elektrony stávají stávajícími nosiči.

Otvory v polovodičích

S rostoucí teplotou nebo intenzitou vnějšího ozáření nastává nárůst počtu volných elektronů. V důsledku toho se zvyšuje proud. Ty atomy v látce, která ztratila elektrony, se stávají pozitivními ionty, nepohybují se. Na vnější straně atomu, z něhož elektron opustil, zůstává díra. Může dojít k dalšímu elektronu, který opustil své místo v blízkém atomu. Výsledkem je, že na vnější části sousedního atomu vzniká otvor - změní se na iont (pozitivní).

Pokud se na polovodič použije napětí, pak se elektrony začnou pohybovat z jednoho atomu na druhý v určitém směru. Otvory se začnou pohybovat v opačném směru. Díra je kladně nabitá částice. Navíc náboj v jeho modulu je stejný jako náboj elektronu. Pomocí této definice je možné významně zjednodušit analýzu všech procesů, které se vyskytují v polovodičovém krystalu. Proudový proud (označený I _D ) je pohyb částic ve směru opačném k pohybu elektronů.

Přechod elektronů

Polovodič má dva typy elektrické vodivosti - elektron a otvor. V čistých polovodičích (bez nečistot) mají otvory a elektrony stejnou koncentraci (N _D a N _E ). Z tohoto důvodu se tato elektrická vodivost nazývá správná. Celková hodnota proudu se bude rovnat:

I = I _P + I _D.

Ale pokud vezmeme v úvahu skutečnost, že elektrony mají vyšší hodnotu mobility než díry, můžeme dospět k následující nerovnosti:

I _E > I _D.

Mobilita náboje je označena písmenem M, což je jedna z hlavních vlastností polovodičů. Mobilita je poměr dvou parametrů. První je rychlost pohybu nosiče náboje (označená písmenem V s indexem "E" nebo "D" v závislosti na typu nosiče), druhá je intenzita elektrického pole (označená písmenem E). Může být vyjádřeno jako vzorce:

M _e = (V _e / e).

M _D = (V _D / E).

Pohyblivost umožňuje určit dráhu, po které se díra nebo elektron pohybují za jednu sekundu o hodnotě 1 V / cm. Nyní můžete vypočítat svůj vlastní proudový polovodičový materiál:

I = N * e * (M _E + M _D ) * E.

Mělo by však být poznamenáno, že máme rovnost:

V _e = M _e .

N = N _E = N _D.

Písmeno e ve vzorci je označeno jako elektronická náplň (je to konstantní hodnota).

Polovodičové přístroje

Můžete okamžitě dát příklady polovodičových zařízení - to jsou tranzistory, tyristory, diody a dokonce i mikroobvody. Samozřejmě, že to není úplný seznam. Chcete-li vyrobit polovodičové zařízení, musíte použít materiály, které mají díru nebo elektronickou vodivost. K získání takového materiálu je nutné zavést přísadu do ideálně čistého polovodiče s koncentrací nečistot nižší než 10 - ¹¹ % (nazývá se dopingovou nečistotou).

Ty nečistoty, jejichž míra je větší než v polovodičové, uvolňují volné elektrony. Tyto nečistoty se nazývají dárci. Ale ti, jejichž valence je menší než polovodič, mají tendenci chytit a držet elektrony. Jsou nazýváni akceptory. Aby se získal polovodič, který bude mít pouze vodivost elektronického typu, stačí zavést do výchozího materiálu látku, jejíž valencí bude pouze jedna jednotka. Pro příklad polovodičů ve školní fyzice je považováno germánium - jeho valencí je 4. Přidává dárce - fosfor nebo antimon - pro ně, valence je pět. Existuje jen málo polovodičových kovů, prakticky se nepoužívají v technologii.

V tomto případě 4 elektrony v každém atomu vytvářejí čtyři párové (kovalentní) vazby s germaniem. Pátý elektron nemá takové spojení, což znamená, že je ve volném stavu. A pokud se na něj aplikuje napětí, vytvoří elektronový proud.

Proudy v polovodičích

Když je proud elektronů větší než díry, polovodič se nazývá n-type (negativní). Zvažte příklad - trochu nečistoty akceptoru se zavádí do dokonale čistého germania (řekněme bóru). Současně se začne nastavovat každý atom akceptoru kovalentních vazeb s germaniem. Ale čtvrtý atom germánia nemá spojení s borem. V důsledku toho určitý počet atomů germania bude mít pouze jeden elektron bez vazby kovalentního typu.

Jenom malý vliv zvenku stačí na to, aby elektrony začaly opouštět své místo. V tomto případě germánia vytvořila díry.

Z obrázku je vidět, že na 2, 4 a 6 atomech začínají volné elektrony připojovat k boru. Z tohoto důvodu v polovodiči není generován žádný proud. Otvory s čísly 1, 3 a 5 jsou vytvořeny na povrchu atomů germania - používají se k přenosu elektronů z přilehlých atomů k nim. Ve druhé se začínají objevovat otvory, jelikož od nich odlétají elektrony.

Každá díra, která nastane, začne přecházet mezi atomy germania. Při vystavení stresu se otvory začnou pohybovat řádným způsobem. Jinými slovy, v substanci se objevuje proud díry. Tento typ polovodičů se nazývá p-type nebo polovodič. Při vystavení napětí se pohybují nejen elektrony, ale také otvory - setkávají se s různými překážkami v jejich cestě. V tomto případě dochází ke ztrátě energie, odchýlení se od původní trajektorie. Jinými slovy, nosič náboje je rozptýlen. To vše je způsobeno tím, že polovodič obsahuje nečistoty.

Volt-ampér charakteristika

Mírně výše byly považovány za příklady polovodičových látek, které se používají v moderní technologii. Všechny materiály mají své vlastní vlastnosti. Zvláště jedna z klíčových vlastností je nelinearita charakteristiky proudového napětí.

Jinými slovy, když dochází ke zvýšení napětí, které je aplikováno na polovodič, dochází k rychlému nárůstu proudu. Odpor prudce klesá. Tato vlastnost byla použita v řadě pojistných ventilů. Příklady neuspořádaných polovodičů lze v odborné literatuře podrobněji zvážit a jejich použití je přísně omezeno.

Dobrý příklad: když má svodič hodnota provozního napětí, odpor je vysoký, takže proud neteče od vedení k zemi. Ale jakmile blesk udeří drátu nebo podpěru, odpor velmi rychle klesá na téměř nulu, veškerý proud jde do země. A napětí klesne na normální hodnotu.

Symetrický CVC

Když se polarita napětí změní, proud v polovodiči začne proudit v opačném směru. A to se mění podle stejného zákona. To naznačuje, že polovodičový prvek má symetrickou charakteristiku proudu-napětí. V případě, že jedna část prvku má typ otvoru a druhá je elektronická, objeví se na rozhraní jejich kontaktu pn junkce (elektronový otvor). Takové přechody jsou k dispozici ve všech prvcích - tranzistory, diody, mikroobvody. Ale pouze v čipu na jednom čipu se najednou sestaví několik tranzistorů - někdy je jejich počet více než deset.

Jak vznikne přechod?

A teď se podívejme na to, jak vzniká pn-přechod. Pokud není kontakt dělových a elektronových polovodičů příliš dobrý, vytvoří se systém tvořený dvěma oblastmi. Jeden bude mít vodivost díry a druhý elektronický.

A elektrony, které se nacházejí v n-regionu, se začnou rozptýlit tam, kde je jejich koncentrace menší - tedy do p-oblasti. Současně s elektrony se otvory pohybují, ale jejich směr je opačný. Při vzájemné difuse dochází k poklesu koncentrace v oblasti n-elektronů a v p-oblasti děr.

Hlavní vlastnost pn křižovatky

Po zvážení příkladů vodičů, polovodičů a dielektrik, lze pochopit, že jejich vlastnosti jsou jiné. Hlavní kvalitou polovodičů je například schopnost přenášet proud pouze v jednom směru. Z tohoto důvodu jsou zařízení využívající polovodiče široce používána v usměrňovačích. V praxi s využitím několika měřících přístrojů lze vidět práci polovodičů a odhadnout hmotnost parametrů, a to jak v klidovém režimu, tak pod vlivem vnějších "stimulů".