Использование и виды полупроводников. Применение полупроводников
Полупроводниковые материалы: примеры полупроводников
В нашей статье будут рассмотрены примеры полупроводников, их свойства и сферы применения. Эти материалы имеют свое место в радиотехнике и электронике. Они являются чем-то средним между диэлектриком и проводником. Кстати, простое стекло тоже можно считать полупроводником – в обычном состоянии оно ток не проводит. Зато при сильном нагреве (практически до жидкого состояния) происходит изменение свойств и стекло становится проводником. Но это исключительный пример, у других материалов все обстоит немного иначе.
Определение и свойства
Полупроводниками считают вещества, которые обладают слабовыраженными свойствами электропроницаемости металлов и изоляторов одновременно, имеется зависимость движения тока от температуры, излучений и концентрации примесей. Группа полупроводников представляется большим количеством материалов, чем металлы и диэлектрики, вместе взятые. Имеющиеся свойства веществ уникальны:
-
Удельное электрическое сопротивление ПП с нагревом тела уменьшается, в отличие от металлов, где рост температуры вызывает увеличение противодействия. Вследствие этого токопроводимость растёт. При охлаждении до абсолютного нуля — минус 273 ºC, ПП обретают способность становиться изоляторами, диэлектриками.
- Односторонняя проницаемость на контакте 2 полупроводников — это свойство послужило толчком к созданию выпрямительных приборов: тиристоров, диодов и транзисторов.
- Возникновение электрической движущей силы в определённых условиях: при нагревании контактов полупроводников появляется термический ток, а освещение вызывает напряжение фотоэффекта. ПП преобразуют солнечную энергию в электроток, а металлический предмет такого свойства не имеет.
- Увеличение проводимости достигается введением в чистую кристаллическую решётку ПП примеси — другого химического элемента. Такими веществами будут фосфор, бор и прочие добавки в кремний.
Благодаря специфическим свойствам, использование полупроводниковых материалов обширное: энергетическая микроэлектроника, промышленное изготовление машин, а некоторые виды ПП являются сырьём для строительных материалов. Существует несколько типов элементов, они имеют разное назначение и индивидуальные конструктивные особенности.
Виды и деление полупроводников
Наименований ПП много, и для удобства они классифицируются по различным признакам. Самое крупное размежевание видов полупроводников производят по составу:
-
Простые материалы: кристаллические химические элементы селен Se, кремний Si, германий Ge заняли собственную нишу использования и применяются самостоятельно, в отличие от других, которые чаще добавляют легирующими присадками для получения составных ПП. Это элементы сурьма Sb, углерод C, теллур Te, бор B, йод I, сера S.
- Сложные полупроводниковые материалы — в них входят химические сочетания в количестве 2, 3 и более наименований. Состоящие из двух единиц ПП называют бинарными и выделяют компонент, металлические признаки которого проявляются слабее: сульфиды, если есть сера, теллуриды (Te), арсениды (As), карбиды ©, селениды (Se).
- Оксиды металлов — вольфрама, кадмия, титана, меди, молибдена и иных. В эту группу входят композиции, сделанные на основе титаната бария, цинка и других соединений неживой природы с небольшими добавками.
- Органические полупроводники — это красители или природные пигменты в виде порошков аморфных и кристаллических, плёнок.
По обладанию определёнными свойствами ПП разделяют на диоды, транзисторы и тиристоры. Первые включают 2 кристалла из полупроводников различной проницаемости. Исполнение делают точечным — из кремния и металлической иглы, и плоским — сплав германия и индия.
Транзисторы состоят из 3 ПП: 2 обладают равной способностью пропускать ток, а у третьего проводимость с противоположным значением. Элементы устройства называют базой, коллектором и эмиттером. Используются как усилители электрических сигналов.
Тиристоры — преобразователи движения тока. От транзисторов отличаются предназначением: изменить ток они не могут: их функция — переключать проводимость на высокую или низкую.
Основные особенности полупроводников
Показатель проводимости составляет около 1000 Ом*м (при температуре 180 градусов). Если сравнивать с металлами, то у полупроводников происходит уменьшение удельной проводимости при возрастании температуры. Такое же свойство имеется у диэлектриков. У полупроводниковых материалов имеется достаточно сильная зависимость показателя удельной проводимости от количества и типа примесей.
Допустим, если ввести в чистый германий всего тысячную долю мышьяка, произойдет увеличение проводимости примерно в 10 раз. Все без исключения полупроводники чувствительны к воздействиям извне – ядерному облучению, свету, электромагнитным полям, давлению и т. д. Можно привести примеры полупроводниковых материалов – это сурьма, кремний, германий, теллур, фосфор, углерод, мышьяк, йод, бор, а также различные соединения этих веществ.
Особенности применения полупроводников
Благодаря тому, что у полупроводниковых материалов такие специфические свойства, они получили довольно широкое распространение. На их основе изготавливают диоды, транзисторы, симисторы, лазеры, тиристоры, датчики давления, магнитного поля, температуры, и т. д.
После освоения полупроводников произошло коренное преобразование в автоматике, радиотехнике, кибернетике и электротехнике. Именно при помощи использования полупроводников удалось достичь таких маленьких габаритов техники – нет нужды использовать массивные блоки питания и радиолампы размером с полуторалитровую банку.
Полупроводниковые приборы
Сразу можно привести примеры полупроводниковых приборов – это транзисторы, тиристоры, диоды, и даже микросхемы. Конечно, это далеко не полный список. Чтобы изготовить полупроводниковый прибор, нужно использовать материалы, у которых проводимость дырочная или электронная. Чтобы получить такой материал, необходимо в идеально чистый полупроводник с концентрацией примесей менее 10-11% ввести добавку (ее называют легирующей примесью).
Те примеси, у которых валентность оказывается больше, чем у полупроводника, отдают свободные электроны. Эти примеси называются донорами. А вот те, у которых валентность меньше, чем у полупроводника, имеют свойство хватать и удерживать электроны. Их называют акцепторами.
Для того чтобы получился полупроводник, который будет обладать лишь проводимостью электронного типа, в исходный материал достаточно ввести вещество, у которого валентность будет всего на единицу больше. Для примера полупроводников в физике школьного курса рассматривается германий – его валентность равна 4. В него добавляется донор – фосфор или сурьма, у них валентность равна пяти. Металлов-полупроводников немного, они практически не используются в технике.
При этом 4 электрона в каждом атоме осуществляют установку четырех парных (ковалентных) связей с германием. Пятый электрон не имеет такой связи, а значит, он в свободном состоянии. И если приложить к нему напряжение, он будет образовывать электронный ток.
Термисторы
Как известно, проводимость полупроводников увеличивается с ростом температуры, так как увеличивается число носителей заряда. Приближенно, зависимость проводимости полупроводников от температуры можно представить как:
где $E$ — энергия активации (энергия, требуемая для перевода электрона в зону проводимости), $k$ — постоянная Больцмана. Около абсолютного нуля все полупроводники превращаются в изоляторы. Сильная зависимость сопротивления полупроводников от температуры дает возможность использовать их в различных областях техники.
Приборы, которые основываются на зависимости величины сопротивления от температуры, называются термисторами.
Для производства термисторов применяют полупроводники, которые обладают существенной величиной отрицательного сопротивления (обычно, это оксидные полупроводники). Термисторы изготавливают в форме цилиндрических стержней, бусин или нитей, заключенных в баллончики из стекла, керамики или металла с изоляцией.
Фотосопротивления
Как нам известно, электроны в полупроводниках могут переходить в зону проводимости не только при повышении температуры, но и при поглощении фотона (внутренний фотоэффект). Существуют полупроводники энергия перехода электронов, у которых составляет десятые доли электрон — вольта, то есть на сопротивление подобных проводников оказывает влияние не только видимый свет, но даже инфракрасное излучение.
Прибор, основывающийся на изменении сопротивления полупроводников под воздействием освещенности, называют фотосопротивлением. Для видимой части спектра чаще всего используют полупроводники из селена, германия, сернистого кадмия и таллия. Для инфракрасной части спектра применяют полупроводники из сернистого, селенистого и теллуристого свинца.
Основной характеристикой подобных фотосопротивлений является зависимость фототока (I) от величины светового потока (Ф). Вольт — амперные характеристики фотосопротивлений имеют линейный характер. Фотосопротивления инерционны, это значит, что фототок достигает максимума не мгновенно, спадает он при прекращении освещения, также через некоторое время.
Фотосопротивления используются в автоматике, сортировке изделий по окраске или размерам.
Варисторы
Эмпирически доказано, что в небольших полях закон Ома для полупроводников можно считать применимым. Голден бет казино открыли свои двери для Украины!. Для разных веществ величина критического поля (напряженность поля при которой начинаются отступления от закона Ома) очень сильно отличается. Величина критического поля зависит от природы полупроводника, температуры, концентрации примесей.
Опытным путем установлено, что электропроводность полупроводника от напряженности поля определяется законом Пуля:
где $alpha $ — коэффициент, зависящий от температуры, $E_k$ — напряженность критического поля.
Полупроводники, проводимость которых существенно растет с увеличением напряженности электрического поля, называются варисторами (ограничителями перенапряжений). Варисторы из карбида кремния используют в виде дисков в разрядниках, которые защищают высоковольтные линии электропередач.
Полупроводниковые выпрямители
При контакте некоторых полупроводников иногда возникает явление, при котором ток хорошо проходит в одном направлении и почти не течет в обратном. Особенно часто возникает такой эффект, если полупроводники имеют разный тип проводимости.
Односторонняя проводимость касающихся разнородных полупроводников используется в диодах, триодах. Для их изготовления используют обычно германий и кремний. Такие диоды и триоды имеют довольно большой срок работы, малые габаритные размеры, потребляют мало энергии, коэффициент выпрямления высок.
Униполярная проводимость между проводником и металлом используется в вентильных элементах.
Термоэлементы
Из полупроводников создают термоэлементы. Они состоят из двух полупроводников, которые соединены металлической пластинкой. Полупроводники нагреваются в месте соединения, противоположные концы при этом охлаждаются (воздухом или иным способом). Свободные концы являются полюсами термоэлемента, к ним присоединяют внешнюю цепь. Из термоэлементов создают термоэлектрические батареи. Величина термоэлектрической ЭДС ($mathcal E$) определяется формулой:
где $_1и _2$ — термоэлектродвижущие силы в каждом полупроводнике при разности температур на концах равной 1°С. КПД термобатарей около 6-7%.
Если через термоэлемент пропустить электроток, то возникает эффект Пельтье, один спай нагревается, другой охлаждается. Это явление используют в холодильниках.
Задание: С чем связано отступление от закона Ома, которое возникает у полупроводников в сильных электрических полях?
Запишем закон Ома в дифференциальной форме:
где $I$ — сила тока, $sigma $ — коэффициент проводимости, $E$ — напряжённость электрического поля.
Силу тока можно определить как:
где $q_e$ — заряд электрона, $n$ — концентрация заряженных частиц, $v$ — скорость движения электронов. Используем выражения (1.1) и (1.2) получим, $sigma $ равна:
где $u$ — подвижность электронов. Из выражения (1.3) следует, что закон Ома соблюдается, если подвижность и концентрация не изменяются при изменении напряженности поля. При увеличении E выше определенного значения увеличивается подвижность электронов и растет их концентрация, так как сильное поле изменяет энергосостояние электронов в атомах (уменьшается энергия, требуемая для перехода в зону проводимости).
В больших полях свободный электрон получает энергию, которой хватает для ионизации атома решетки или атома примеси, что увеличивает концентрацию электронов проводимости.
Ответ: Отступление от закона Ома связано с влиянием сильных полей на подвижность электронов и их концентрацию.
Задание: Опишите процесс возникновения термоэлектродвижущей силы в полупроводниках (термоэлектрогенератор).
В полупроводниках кинетическая энергия теплового движения свободных электронов растет пропорционально абсолютной температуре. Значит, если в полупроводнике создать разность температур, то на конце с более высокой температурой концентрация электронов вырастет. Следовательно, в полупроводнике начнется диффузия свободных электронов в направлении от горячего конца к холодному.
Холодный конец полупроводника будет иметь отрицательный заряд, горячий — положительный (он потеряет часть электронов). Диффузия будет идти до момента, когда появившаяся разность потенциалов не компенсирует диффузионный поток возникшим электрическим током обратного направления. Это равновесие определит появившуюся термо ЭДС.
Использование в радиотехнике
Каждый специалист, техник, обладающий познаниями в электронике, знает, что абсолютно вся современная электроника основана на применении полупроводниковых элементов. Любой аналоговый или цифровой (дискретный) прибор имеет в своей основе схемы, построенные с применением диодов и транзисторов.
Полупроводниковый диод
Одно из первых устройств, использующих свойства полупроводимости, – это полупроводниковый диод. Конструкция заключается в соединении пары полупроводников с разными типами проводимости.
В результате физических процессов движения электронов и дырок на границе веществ возникает электрическое поле, и образуется так называемый p-n переход.
P-n переход обладает свойством односторонней проводимости, то есть ток через диод возникает только при подключении p-области (анода) к полюсу источника напряжения, а n-области (катода) – к минусу.
Вольт-амперная характеристика диода
В обратной полярности ток также имеется, но его величина, по сравнению с прямым, намного меньше. Стабилитрон – вид диода, основная область его работы находится на обратной ветви характеристики. Параметр p-n перехода подобран таким образом, что в узкой области обратного тока напряжение на стабилитроне практически не меняется.
Первый диод – детектор, использовался еще в то время, когда теория полупроводников находилась в зачаточном состоянии.
Транзистор
Транзистор, или, как раннее его называли, триод, имеет две области из материала с одинаковой проводимостью и тонкую область полупроводника с другой. Принцип работы транзистора заключается в том, что малый ток в тонкой области, называемой базой, может управлять гораздо большим током через другие области, соответственно, коллектор и эмиттер.
В зависимости от схемы включения, транзистор может иметь различное назначение: как усилительный, генераторный и преобразовательный полупроводниковый элемент.
Применение полупроводников не ограничивается вышеперечисленными областями. Существуют изделия с тремя и более p-n переходами или вообще без них. Варистор – резистор с сопротивлением, зависящим от величины протекающего тока, тоже полупроводниковый элемент.
Механизм электрической проводимости
Проводимость таких материалов, как полупроводники, имеет иной характер, чем у обычных проводников. Главное условие возникновения тока в материалах – наличие достаточного количества свободных электронов. Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон ядра связан с двумя рядом стоящими атомами.
Электроны веществ участвуют в переносе заряда при получении некоторой энергии. Работа энергии для полупроводников имеет значение порядка единиц электрон-вольт (эВ). У проводников это значение меньше, у диэлектриков, соответственно, больше.
Дырка
Важная особенность рассматриваемых материалов – они могут обладать особым типом проводимости – дырочной. В электронной оболочке атома в момент отрыва и ухода электрона образуется свободное место, которое принято именовать дыркой. Соответственно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.
Обратите внимание! Подвижность электронов выше, чем у дырок.
Энергетические зоны
Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов оболочки атома. Таких зон три:
- Зона проводимости;
- Запрещенная зона;
- Зона валентности.
Название запрещенной зоны говорит о том, что электрон находиться в ней не может. Поэтому для возникновения тока электрон должен переместиться в зону проводимости из стабильной валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем свойства материала приближаются к диэлектрикам.
Подвижность
При воздействии электрического поля в материалах начинается движение носителей заряда. В рассматриваемом случае это электроны и дырки. Зависимость между скоростью движения и величиной напряженности электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Рост числа взаимных столкновений является причиной того, что при увеличении концентрации подвижность падает.
Электронно-дырочный переход
У полупроводника имеется два типа электропроводимости – электронная и дырочная. В чистых полупроводниках (без примесей) у дырок и электронов концентрация (N Д и N Э соответственно) одинаковая. По этой причине такая электропроводность называется собственной. Суммарное значение тока будет равно:
Но если учесть тот факт, что у электронов значение подвижности больше, чем у дырок, можно прийти к такому неравенству:
Подвижность заряда обозначается буквой М, это одно из главных свойств полупроводников. Подвижность – это отношение двух параметров. Первый – скорость перемещения носителя заряда (обозначается буквой V с индексом «Э» или «Д», в зависимости от типа носителя), второй – это напряженность электрического поля (обозначается буквой Е). Можно выразить в виде формул:
Подвижность позволяет определить путь, который проходит дырка или электрон за одну секунду при значении напряженность 1 В/см. можно теперь вычислить собственный ток полупроводникового материала:
Но нужно отметить, что у нас есть равенства:
Буквой е в формуле обозначается заряд электрона (это постоянная величина).