Що таке напівпровідники? Опір напівпровідників

Чим є напівпровідниковий матеріал? Які у нього особливості? Яка фізика напівпровідників? Як вони побудовані? Що таке провідність напівпровідників? Якими фізичними показниками вони мають?

Що називають напівпровідниками?

Так позначають кристалічні матеріали, які не проводять електрику настільки добре, як це роблять метали. Але все ж цей показник краще, ніж мають ізолятори. Такі характеристики обумовлені кількістю рухливих носіїв. Якщо розглядати в загальному, то тут існує міцна прихильність до ядер. Але при введенні в провідник кількох атомів, припустимо, сурми, яка має надлишок електронів, це положення буде виправлятися. При використанні індію отримують елементи з позитивним зарядом. Всі ці властивості широко застосовуються в транзисторах - спеціальних пристроях, які можуть посилювати, блокувати або пропускати струм тільки в одному напрямку. Якщо розглядати елемент NPN-типу, то можна відзначити значну посилює роль, що особливо буває важливим при передачі слабких сигналів.

Конструктивні особливості, якими володіють електричні напівпровідники

Провідники мають багато вільних електронів. Ізолятори ними взагалі практично не мають. Напівпровідники ж містять і певну кількість вільних електронів, і пропуски з позитивним зарядом, які готові прийняти звільнилися частки. І що найголовніше - вони все проводять електричний струм. Розглянутий раніше тип NPN-транзистора - не єдина можливий напівпровідниковий елемент. Так, існують ще PNP-транзистори, а також діоди.

Якщо говорити про останній коротко, то це такий елемент, що може передавати сигнали тільки в одному напрямку. Також діод може перетворити змінний струм в постійний. Який механізм такого перетворення? І чому він рухається тільки в одному напрямку? Залежно від того, звідки йде струм, електрони і пропуски можуть або розходитися, або йти назустріч. У першому случає через збільшення відстані відбувається переривання подачі постачання, тому і здійснюється передача носіїв негативного напруги тільки в одну сторону, тобто провідність напівпровідників є односторонньою. Адже струм може передаватися виключно в разі, якщо складові частинки знаходяться поруч. А це можливо тільки при подачі струму з одного боку. Ось такі типи напівпровідників існують і використовуються на даний момент.

зонна структура

Електричні і оптичні властивості провідників пов`язані з тим, що при заповненні електронами рівнів енергії вони відокремлені від можливих станів забороненою зоною. Які у неї особливості? Справа в тому, що в забороненій зоні відсутні рівні енергії. За допомогою домішок і дефектів структури це можна змінити. Вища повністю заповнена зона називається валентною. Потім слід дозволена, але порожня. Вона називається зоною провідності. Фізика напівпровідників - досить цікава тема, і в рамках статті вона буде добре освітлена.

стан електронів

Для цього використовуються такі поняття, як номер дозволеної зони і квазіімпульс. Структура першої визначається законом дисперсії. Він говорить про те, що на неї впливає залежність енергії від квазіімпульса. Так, якщо валентна зона є цілком заповненою електронами (які переносять заряд в напівпровідниках), то говорять, що в ній відсутні елементарні збудження. Якщо з якоїсь причини частки немає, то це означає, що тут з`явилася позитивно заряджена квазічастинка - пропуск або діра. Вони є носіями заряду в напівпровідниках в валентної зоні.

вироджені зони

Валентна зона в типовому провіднику є до кримінальної відповідальності шість вироджених. Це без урахування спін-орбітальної взаємодії та тільки коли квазіімпульс дорівнює нулю. Вона може розщеплюватися при цьому ж умови на дворазово і в чотири рази вироджені зони. Енергетичне відстань між ними називається енергією спін-орбітальної розщеплення.

Домішки та дефекти в напівпровідниках

Вони можуть бути електрично неактивними або активними. Використання перших дозволяє отримувати в напівпровідниках плюсовій або мінусовій заряд, який може бути компенсований появою дірки у валентній зоні або електрона в проведеної зоні. Неактивні домішки є нейтральними, і вони відносно слабко впливають на електронні властивості. Причому часто може мати значення те, яку валентність мають атоми, які беруть участь в процесі передачі заряду, і будова кристалічної решітки.

Залежно від виду і кількості домішок може змінюватися і співвідношення між кількістю дірок і електронів. Тому матеріали напівпровідників повинні завжди ретельно підбиратися, щоб отримати бажаний результат. Цьому передує значна кількість розрахунків, а в подальшому і експериментів. Частинки, які більшість називають основними носіями заряду, є неосновними.

Дозоване введення домішок в напівпровідники дозволяє отримувати пристрої з необхідними властивостями. Дефекти в напівпровідниках також можуть бути в неактивному або активному електричному стані. Важливими тут є дислокація, межузельний атом і вакансія. Рідкі і некристалічні провідники реагують на домішки по-іншому, ніж кристалічні. Відсутність жорсткої структури в кінцевому підсумку виливається в те, що переміщений атом отримує іншу валентність. Вона буде відрізнятися від тієї, з якою він спочатку насичує свої зв`язки. Атому стає невигідно віддавати або приєднувати електрон. В такому випадку він стає неактивним, і тому домішкові напівпровідники мають великі шанси на вихід з ладу. Це призводить до того, що не можна змінювати тип провідності за допомогою легування і створити, наприклад, р-n-перехід.

Деякі аморфні напівпровідники можуть змінювати свої електронні властивості під впливом легування. Але це відноситься до них в значно меншому ступені, ніж до кристалічним. Чутливість аморфних елементів до легування можна підвищити за допомогою технологічної обробки. В кінцевому підсумку хочеться відзначити, що завдяки тривалій і наполегливій роботі домішкові напівпровідники все ж представлені цілим рядом результатів з хорошими характеристиками.

Статистика електронів в напівпровіднику

коли існує термодинамічна рівновага, то кількість дірок і електронів визначається виключно температурою, параметрами зонної структури та концентрацією електрично активних домішок. Коли розраховується співвідношення, то вважається, що частина частинок буде знаходитися в зоні провідності (на акцепторном або донорних рівні). Також береться до уваги той факт, що частина може піти з валентної території, і там утворюються пропуски.

електропровідність

У напівпровідниках, крім електронів, в якості носіїв зарядів можуть виступити і іони. Але їх електропровідність в більшості випадків зневажливо мала. Як виняток можна привести тільки іонні суперпровідника. У напівпровідниках діє три головних механізму електронного переносу:

1. Основний зонний. В цьому випадку електрон починає рухатися завдяки зміні його енергії в межах однієї дозволеної території.
2. Стрибкові перенесення по локалізованим станам.
3. Полярон.

Ексітон

Діра і електрон можуть утворювати зв`язаний стан. Воно називається екситоном Ваньє-Мотта. При цьому енергія фотона, яка відповідає краю поглинання, знижується на розмір величини зв`язку. При достатній інтенсивності світла в напівпровідниках може утворитися значна кількість екситонів. При збільшенні їх концентрації відбувається конденсація, і утворюється електронно-діркова рідина.

поверхня напівпровідника

Такими словами позначають кілька атомних шарів, що розташовані біля кордону пристрою. Поверхневі властивості відрізняються від об`ємних. Наявність даних шарів порушує трансляційну симетрію кристала. Це призводить до так званим поверхневим станам і поляритону. Розвиваючи тему останніх, слід ще повідомити і про спінові і коливальні хвилі. Через свою хімічної активності поверхню ховається мікроскопічна шаром сторонніх молекул або атомів, які були адсорбовані з навколишнього середовища. Вони-то і визначають властивості тих кількох атомних шарів. На щастя, створення технології надвисокого вакууму, при якому створюються напівпровідникові елементи, дозволяє отримати і зберегти протягом декількох годин чисту поверхню, що позитивно позначається на якості отримуваної продукції.

Напівпровідник. Температура впливає на опір

Коли температура металів зростає, то зростає і їх опір. З напівпровідниками все навпаки - при таких же умовах цей параметр у них зменшиться. Справа тут в тому, що електропровідність у будь-якого матеріалу (а дана характеристика обернено пропорційна опору) залежить від того, який заряд струму мають носії, від швидкості їх пересування в електричному полі і від їх чисельності в одній одиниці об`єму матеріалу.

У напівпровідникових елементах при зростанні температури зростає концентрація частинок, завдяки цьому збільшується теплопровідність, і зменшується опір. Перевірити це можна при наявності нехитрого набору юного фізика і необхідного матеріалу - кремнію або германію, також можна взяти і зроблений з них напівпровідник. Підвищення температури знизить їх опір. Щоб упевнитися в цьому, необхідно запастися вимірювальними приладами, які дозволять побачити всі зміни. Це в загальному випадку. Давайте розглянемо пару приватних варіантів.

Опір і електростатична іонізація

Це пов`язано з туннелированием електронів, що проходять через дуже вузький бар`єр, який поставляє приблизно одну соту мікрометра. Знаходиться він між краями енергетичних зон. Його поява можливо тільки при нахилі енергетичних зон, який відбувається тільки під впливом сильного електричного поля. Коли відбувається тунелювання (що являє собою квантовомеханічний ефект), то електрони проходять через вузький потенційний бар`єр, і при цьому не змінюється їх енергія. Це тягне за собою збільшення концентрації носіїв заряду, причому в обох зонах: і провідності, і валентної. Якщо розвивати процес електростатичного іонізації, то може виникнути тунельний пробій напівпровідника. Під час цього процесу зміниться опір напівпровідників. Воно є оборотним, і як тільки буде вимкнено електричної поле, то всі процеси відновляться.

Опір і ударна іонізація

В даному випадку дірки і електрони прискорюються, поки проходять довжину вільного пробігу під впливом сильного електричного поля до значень, які сприяють іонізації атомів і розриву однієї з ковалентних зв`язків (основного атома або домішки). Ударна іонізація відбувається лавиноподібно, і в ній лавиноподібно розмножуються носії заряду. При цьому щойно створені діри і електрони прискорюються електричним струмом. Значення струму в кінцевому результаті множиться на коефіцієнт ударної іонізації, який дорівнює числу електронно-доручених пар, що утворюються носієм заряду на одному відрізку шляху. Розвиток даного процесу в кінцевому підсумку призводить до лавинному пробою напівпровідника. Опір напівпровідників також змінюється, але, як і в випадку з тунельним пробоєм, оборотно.

Застосування напівпровідників на практиці

Особливу важливість цих елементів слід відзначити в комп`ютерних технологіях. Майже не сумніваємося, що вас би не цікавив питання про те, що таке напівпровідники, якби не бажання самостійно зібрати предмет з їх використанням. Неможливо уявити роботу сучасних холодильників, телевізорів, комп`ютерних моніторів без напівпровідників. Чи не обходяться без них і передові автомобільні розробки. Також вони застосовуються в авіа- і космічної техніки. Розумієте, що таке напівпровідники, наскільки вони важливі? Звичайно, не можна сказати, що це єдині незамінні елементи для нашої цивілізації, але й недооцінювати їх теж не варто.

Застосування напівпровідників на практиці зумовлено ще й цілою низкою чинників, серед яких і широка поширеність матеріалів, з яких вони виготовляються, і легкість обробки і отримання бажаного результату, і інші технічні особливості, завдяки яким вибір вчених, які розробляли електронну техніку, зупинився на них.

висновок

Ми детально розглянули, що таке напівпровідники, як вони працюють. В основі їх опору закладені складні фізико-хімічні процеси. І можемо вас повідомити, що описані в рамках статті факти не дадуть в повній мірі зрозуміти, що таке напівпровідники, по тій простій причині, що навіть наука не вивчила особливості їх роботи до кінця. Але нам відомі їх основні властивості і характеристики, які і дозволяють нам застосовувати їх на практиці. Тому можна пошукати матеріали напівпровідників і самому поекспериментувати з ними, дотримуючись обережності. Хто знає, можливо, в вас дрімає великий дослідник ?!

Статті схожі на "Що таке напівпровідники? Опір напівпровідників"

Принципи роботи транзистора

Катод і анод - єдність і боротьба протилежностей

Приклади напівпровідників. Типи, властивості, практичне застосування

Фізика плазми. Основи фізики плазми