Polprevodniški materiali: primeri polprevodnikov
V članku bomo obravnavali primere polprevodnikov, njihove lastnosti in področja uporabe. Ti materiali imajo svoje mesto v radijski tehniki in elektroniki. So nekaj med dielektrikom in dirigentom. Mimogrede, preprosto steklo se lahko šteje tudi za polprevodnik - v normalnem stanju ne izvaja toka. Toda z močnim segrevanjem (skoraj do tekočega stanja) se lastnosti spremenijo in steklo postane vodnik. Ampak to je izjemen primer, za druge materiale je vse malo drugače.
Glavne značilnosti polprevodnikov
Indeks prevodnosti je okoli 1000 Ohm * m (pri temperaturi 180 stopinj). V primerjavi s kovinami se polprevodniki zmanjšajo v prevodnosti s povišanjem temperature. Dielektriki imajo isto lastnost. Polprevodniški materiali imajo precej močno odvisnost indeksa specifične prevodnosti od količine in vrste nečistoč.
Na primer, če uvedemo le tisočino arzena v čisti germanij, se bo prevodnost povečala za približno 10-krat. Polprevodniki so brez izjeme občutljivi na zunanje vplive - jedrsko sevanje, svetlobo, elektromagnetna polja, tlak itd. Navedeni so lahko primeri polprevodniških materialov - antimon, silicij, germanij, telur, fosfor, ogljik, arzen, jod, bor, in različnih sestavin teh snovi.
Značilnosti uporabe polprevodnikov
Ker imajo polprevodniški materiali takšne specifične lastnosti, so precej razširjeni. Uporabljajo se za izdelavo diod, tranzistorjev, triakov, laserjev, tiristorjev, tlačnih senzorjev, magnetnih polj, temperatur itd. Po obvladovanju polprevodnikov je prišlo do radikalne preobrazbe v avtomatizaciji, radijski tehniki, kibernetiki in elektrotehniki. Z uporabo polprevodnikov so bile dosežene tako majhne dimenzije opreme - ni potrebe po uporabi velikih napajalnikov in radijskih cevi velikosti 1,5 litra.
Tok v polprevodnikih
Pri vodnikih je tok določen z gibanjem prostih elektronov. Obstaja veliko prostih elektronov v polprevodniških materialih, za to obstajajo razlogi. Vsi valenčni elektroni, ki obstajajo v polprevodniku, niso prosti, saj so vezani na njihove atome.
V polprevodnikih se lahko tok pojavi in se spreminja v precej širokih mejah, vendar le, če obstaja zunanji vpliv. Trenutne spremembe med segrevanjem, obsevanjem, vnosom nečistoč. Vsi učinki lahko znatno povečajo energijo valentnih elektronov, kar prispeva k njihovi ločitvi od atomov. In uporabljena napetost povzroči, da se ti elektroni premikajo v določeni smeri. Z drugimi besedami, ti elektroni postanejo trenutni nosilci.
Luknje v polprevodnikih
Z naraščanjem temperature ali intenzivnosti zunanjega obsevanja pride do povečanja števila prostih elektronov. Posledično se toka povečuje. Tisti atomi v snovi, ki so izgubili elektrone, postanejo pozitivni ioni, ne premikajo se. Na zunanji strani atoma, iz katerega je elektronov odšel, ostaja luknja. V njem se lahko pojavi še en elektron, ki je zapustil svoje mesto v bližnjem atomu. Zato se na zunanjem delu sosednjega atoma oblikuje luknja, ki se spremeni v ion (pozitiven).
Če se na polprevodnik uporabi napetost, se bodo elektroni v določeni smeri začeli premikati iz enega atoma v drugega. Luknje se bodo začele premikati v nasprotni smeri. Luknja je pozitivno nabite delec. Poleg tega je naboj v svojem modulu enak kot pri elektronu. S to definicijo je mogoče bistveno poenostaviti analizo vseh procesov, ki se pojavljajo v polprevodniškem kristalu. Tok luknje (označen z I D ) je gibanje delcev v nasprotni smeri gibanja elektronov.
Prehod z elektronsko luknjo
Polprevodnik ima dve vrsti električne prevodnosti - elektron in luknjo. V čistih polprevodnikih (brez nečistoč) imajo luknje in elektroni enako koncentracijo (N D in N E ). Zato se ta električna prevodnost imenuje pravilna. Skupna trenutna vrednost bo enaka:
I = I P + I D.
Toda če upoštevamo dejstvo, da imajo elektroni večjo mobilnost kot luknje, lahko dosežemo naslednjo neenakost:
I E > I D.
Mobilnost naboja je označena s črko M, kar je ena od glavnih lastnosti polprevodnikov. Mobilnost je razmerje med dvema parametroma. Prva je hitrost gibanja nosilca naboja (označena s črko V z indeksom "E" ali "D", odvisno od vrste nosilca), druga pa je električna poljska jakost (označena s črko E). Lahko se izrazi kot formule:
M e = (V e / e).
M D = (V D / E).
Mobilnost vam omogoča, da določite pot, po kateri luknja ali elektron potuje v eni sekundi pri vrednosti 1 V / cm. Sedaj lahko izračunate svoj trenutni polprevodniški material:
I = N * e * (M E + M D ) * E.
Vendar je treba opozoriti, da imamo enakost:
V e = M e .
N = N E = N D.
Črka e v formuli je označena s elektronski naboj (to je stalna vrednost).
Polprevodniške naprave
Takoj lahko navedete primere polprevodniških naprav - to so tranzistorji, tiristorji, diode in celo mikrovezja. Seveda to ni popoln seznam. Če želite izdelati polprevodniško napravo, morate uporabiti materiale, ki imajo vodno ali elektronsko prevodnost. Za pridobitev takega materiala je treba v idealno čisti polprevodnik uvesti aditiv z koncentracijo nečistote manj kot 10 -11 % (imenujemo jo dopirna nečistoča).
Tiste nečistoče, katerih valenca je večja od tiste, ki jo ima polprevodnik, dajejo prosti elektroni. Te nečistoče se imenujejo darovalci. Toda tisti, katerih valenca je manjša od tiste, ki jo ima polprevodnik, težijo k temu, da zgrabijo in zadržijo elektrone. Imenujejo se akceptorji. Da bi dobili polprevodnik, ki bo imel samo prevodnost elektronskega tipa, je dovolj, da se v izhodno snov vnese snov, katere valenca bo le še ena enota. Za primer polprevodnikov v šolski fiziki se upošteva germanij - njegova valenca je 4. Dodaja donor - fosfor ali antimon - za njih je valenca pet. Obstaja nekaj polprevodniških kovin, ki jih praktično ne uporabljamo v tehnologiji.
V tem primeru 4 elektrona v vsakem atomu vzpostavijo štiri parne (kovalentne) vezi z germanijem. Peti elektron nima take povezave, kar pomeni, da je v prostem stanju. In če je napetost uporabljena, bo tvorila elektronski tok.
Tokovi v polprevodnikih
Ko je tok elektronov večji od lukenj, se polprevodnik imenuje n-tip (negativen). Vzemimo za primer - v čisto čisti germanij (npr. Bor) se vnese nekaj nečistoč akceptorja. Istočasno se bo začel vsak atom akceptorja nastaviti kovalentne vezi s germanijem. Toda četrti atom germanija nima povezave z borom. Posledično bo določeno število atomov germanija imelo le en elektron brez vezave kovalentnega tipa.
Toda le manjši vpliv od zunaj je dovolj, da elektroni začnejo zapuščati svoja mesta. V tem primeru se tvorijo luknje iz germanija.
Iz slike je razvidno, da se pri 2, 4 in 6 atomih prosti elektroni začnejo pridruževati boru. Iz tega razloga v polprevodniku ne nastaja tok. Luknje s številkami 1, 3 in 5 nastanejo na površini atomov germanija - uporabljajo se za prenos elektronov iz sosednjih atomov nanje. V slednjih se začnejo pojavljati luknje, ko elektroni odletijo od njih.
Vsaka luknja, ki se pojavi, se bo začela s prehodom med atomi germanija. Ko so izpostavljeni stresu, se luknje začnejo premikati pravilno. Z drugimi besedami, v snovi se pojavi luknjica. Ta vrsta polprevodnikov se imenuje p-tip ali polprevodnik. Ko so izpostavljeni napetosti, se ne premikajo le elektroni, temveč tudi luknje - na poti se srečujejo z različnimi ovirami. V tem primeru pride do izgube energije, odstopanja od prvotne poti. Z drugimi besedami, nosilec naboja se razprši. Vse to je posledica dejstva, da polprevodnik vsebuje nečistoče.
Volt-amper karakteristika
Nekoliko zgoraj so bili primeri polprevodniških snovi, ki se uporabljajo v sodobni tehnologiji. Vsi materiali imajo svoje značilnosti. Še posebej ena od ključnih lastnosti je nelinearnost karakteristike tokovne napetosti.
Z drugimi besedami, ko se poveča napetost, ki se uporablja za polprevodnike, se hitro poveča tok. Odpornost se močno zmanjša. Ta lastnost je bila uporabljena v različnih ventilskih odvodnikih. Primeri neurejenih polprevodnikov so podrobneje obravnavani v strokovni literaturi, njihova uporaba je strogo omejena.
Dober primer: če ima odvodnik vrednost delovne napetosti, je upor visok, tako da tok ne teče od električnih vodov do tal. Toda takoj, ko strela udari žico ali podporo, se upor zelo hitro zmanjša na skoraj nič, ves tok gre v zemljo. In napetost pade na normalno.
Simetrični CVC
Ko se polarnost napetosti spremeni, začne tok v polprevodniku teči v nasprotno smer. Spreminja se po istem zakonu. To pomeni, da ima polprevodniški element simetrično karakteristiko tokovne napetosti. V primeru, da je en del elementa tipa luknje, drugi pa je elektronski, se na vmesniku njihovega kontakta pojavi pn spoj (elektron-luknja). Takšni prehodi so na voljo v vseh elementih - tranzistorjih, diodah, mikrovezjih. Ampak samo v čipih na enem čipu so sestavljeni več tranzistorjev naenkrat - včasih je njihovo število več kot deset.
Kako poteka prehod?
Zdaj pa poglejmo, kako poteka nastanek pn-prehoda. Če stik luknje in elektronskih polprevodnikov ni zelo dober, se oblikuje sistem, ki je sestavljen iz dveh regij. Ena bo imela luknjo, druga pa elektronsko.
In elektroni, ki so v n-regiji, se začnejo razprševati tam, kjer je njihova koncentracija manjša - to je v p-regijo. Hkrati z elektroni se luknje premikajo, njihova smer pa je nasprotna. Z medsebojno difuzijo pride do zmanjšanja koncentracije v n-območju elektronov in p-območju lukenj.
Glavna lastnost pn stičišča
Ob upoštevanju primerov prevodnikov, polprevodnikov in dielektrikov lahko razumemo, da so njihove lastnosti različne. Na primer, glavna kakovost polprevodnikov je sposobnost prenašanja toka samo v eno smer. Zato se naprave, izdelane s polprevodniki, pogosto uporabljajo v usmernikih. V praksi lahko z uporabo več merilnih naprav vidimo delo polprevodnikov in ocenimo maso parametrov tako v mirovnem načinu kot pod vplivom zunanjih »dražljajev«.