Чим є напівпровідниковий матеріал? Які його особливості? Яка фізика напівпровідників? 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 зумовлені кількістю рухомих носіїв. Якщо розглядати в загальному, то тут існує міцна прив’язаність до ядер. Але при введенні в провідник декількох атомів, припустимо, сурми, яка володіє надлишком електронів, це положення буде виправлятися. При використанні індія 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 посилюючу роль, що буває особливо важливим при передачі слабких сигналів.
Конструктивні особливості, якими володіють напівпровідники електричні
Провідники мають багато вільних електронів. Ізолятори ними взагалі практично не володіють. Напівпровідники ж містять певну кількість вільних електронів, і пропуски з позитивним зарядом, які готові прийняти звільнилися частинки. І що найголовніше – вони всі проводять електричний струм. Розглянутий раніше тип NPN-транзистора – не єдиний 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 випадку 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 у випадку, 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 в 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 квазиимпульс. Структура першій визначається законом дисперсії. Він говорить про те, що на неї впливає залежність енергії від квазиимпульса. Так, якщо валентна зона є цілком заповненої електронами (які переносять заряд в напівпровідниках), то говорять, що в ній відсутні елементарні збудження. Якщо з якоїсь причини частки немає, то це значить, що тут з’явилася позитивно заряджена квазичастица – пропуск або дірка. Вони є носіями заряду в напівпровідниках у валентній зоні.
Вироджені зони
Валентна зона в типовому провіднику є шестикратно вырожденной. Це без врахування спін-орбітального взаємодії і тільки коли квазиимпульс дорівнює нулю. Вона може розщеплюватися при цьому ж умови на дворазово і чотириразово вироджені зони. Енергетичне відстань між ними називається енергією спін-орбітального розщеплення.
Домішки і дефекти в напівпровідниках
Вони можуть бути електрично неактивними або активними. Використання перше, дозволяє отримувати в напівпровідниках плюсовій або мінусовій заряд, який може бути компенсований появою дірки у валентній зоні або електрона в зоні. Неактивні домішки є нейтральними, і вони відносно слабо впливають на електронні властивості. Причому часто може мати значення те, яку валентність мають атоми, які беруть участь у 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 пасивному або активному електричному стані. Важливими тут є дислокація, межузельный атом і вакансія. Рідкі і некристалічні провідники реагують на домішки по-іншому, ніж кристалічні. Відсутність жорсткої структури в кінцевому результаті виливається в те, що переміщений атом одержує іншу валентність. Вона буде відрізнятися від тієї, з якою він спочатку насичує свої зв’язки. Атому стає невигідно віддавати або приєднувати електрон. У 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 з допомогою легування і створити, приміром, р-n-перехід.
Деякі аморфні напівпровідники можуть змінювати свої електронні властивості під впливом легування. Але це відноситься до них у значно меншій мірі, ніж до кристалічним. Чутливість аморфних елементів до легированию можна підвищити з допомогою технологічної обробки. В кінцевому підсумку хочеться відзначити, що завдяки тривалої і наполегливої роботи домішкові напівпровідники все ж таки представлені цілим рядом результатів з хорошими характеристиками.
Статистика електронів у напівпровіднику
Коли існує термодинамічна рівновага, то кількість дірок і електронів визначається виключно температурою, параметрів зонної структури та концентрацією електрично активних домішок. Коли розраховується співвідношення, то вважається, що частина частинок буде перебувати в зоні провідності (на акцепторном або донорном рівні). Також приймається до уваги той факт, що частина може піти з валентної території, і там утворяться пропуски.
Електропровідність
У напівпровідниках, крім електронів, у якості носіїв зарядів можуть виступити і іони. Але їх електропровідність в більшості випадку зневажливо мала. Як виняток можна навести тільки іонні суперпроводники. В напівпровідниках діє три головних механізму електронного переносу:
- Основний зонний. У цьому випадку електрон приходить в рух завдяки зміні його енергії в межах однієї дозволеної території.
- Стрибковий перенесення з локалізованим станам.
- Поляронный.
Экситон
Діра і електрон можуть утворювати пов’язане стан. Воно називається экситоном Ваньє-Мотта. При цьому енергія фотона, що 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 декілька атомних шарів, що розташовані біля кордону пристрою. Поверхневі властивості відрізняються від об’ємних. Наявність даних шарів порушує трансляційну симетрію кристала. Це призводить до так званих поверхневих станів і поляритонам. Розвиваючи тему останніх, слід повідомити про спінові та коливальні хвилі. З-за своєї хімічної активності поверхня вкривається микроскопичным шаром сторонніх молекул або атомів, які були адсорбовані з навколишнього середовища. Вони-то і визначають властивості тих декількох атомних шарів. На щастя, створення технології надвисокого вакууму, при якому створюються напівпровідникові елементи, дозволяє отримати і зберегти протягом кількох 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 за 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 кілька приватних варіантів.
Опір і електростатична іонізація
Це пов’язано з туннелированием електронів, що проходять через дуже вузький бар’єр, який постачає приблизно одну соту мікрометра. Знаходиться він між краями енергетичних зон. Його поява можливо тільки при нахилі енергетичних зон, який відбувається під впливом сильного електричного поля. Коли відбувається тунелювання (що являє собою квантовомеханический 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 електростатичної іонізації, то може виникнути тунельний пробій напівпровідника. Під час цього процесу зміниться опір напівпровідників. Воно є оборотним, і як тільки буде вимкнено електричної полі, 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 тільки що створені дірки і електрони прискорюються електричним струмом. Значення струму в кінцевому результаті множиться на коефіцієнт ударної іонізації, який дорівнює числу електронно-діркових пар, що утворюються носієм заряду на одному відрізку шляху. Розвиток цього процесу в кінцевому підсумку призводить до лавинного пробою напівпровідника. Опір напівпровідників також змінюється, але, як і у випадку з тунельним пробоєм, оборотно.
Застосування напівпровідників на практиці
Особливу важливість цих елементів слід зазначити в комп’ютерних технологіях. Майже не сумніваємося, що вас не цікавило питання про те, що таке напівпровідники, якщо б не бажання самостійно зібрати предмет з їх використанням. Неможливо уявити роботу сучасних холодильників, телевізорів, комп’ютерних моніторів без напівпровідників. 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 і недооцінювати їх теж не варто.
Застосування напівпровідників на практиці обумовлено ще й цілим рядом факторів, 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 докладно розглянули, що таке напівпровідники, як вони працюють. В основі їх опору закладені складні фізико-хімічні процеси. І можемо повідомити вас, 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 дозволяють нам застосовувати їх на практиці. Тому можна пошукати матеріали напівпровідників і самому експериментувати з ними, дотримуючись обережності. Хто знає, можливо, у вас дрімає великий дослідник?!
