Виды полупроводников
Полупроводник — это материал, который занимает промежуточное место между диэлектриками и проводниками по своей проводимости.
Основное отличие полупроводников от проводников заключается в сильной зависимости удельной проводимости от воздействия излучений различного происхождения, температуры, а также концентрации примеси. Основное их свойство — увеличение электрической проводимости с ростом температуры. Полупроводники представляют собой кристаллические вещества, у которых ширина запрещенной зоны составляет порядка электрон-вольт.
Запрещенная зона — это область значений энергии, которыми не может обладать электрон в бездефектном кристалле.
Полупроводники различают по двум основным признакам:
- Характер проводимости.
- Вид проводимости.
Согласно характеру проводимости все полупроводники делятся на полупроводники с примесной и собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью дырки и свободные электроны появляются в результате такого процесса, как ионизация атомов, из которых построен кристалл. В данных полупроводниках концентрация свободных электронов такая же, как и концентрация дырок. Проводимость связана с подвижностью частиц следующим образом:
$о = 1/р=q*(Nn*un+Np*up)$
где: р — удельное сопротивление; un – подвижность электронов; up – подвижность дырок; Nn – концентрация электронов; Np – концентрация дырок; q – элементарный электрический заряд.
Для полупроводников с собственной проводимостью вышеозначенное соотношение выглядит следующим образом:
$о = 1/р=q*N(un+up)$
Для изготовления современных полупроводниковых приборов часто используются кристаллы, которые обладают примесной проводимостью. Делаются они посредством внесения примесей, в состав которых входят пяти- или трехвалентные химические элементы.
По виду проводимости все полупроводники подразделяются на электронные и дырочные. Электронные полупроводники имеют примесную природу. Например, в четырехвалентный полупроводник, такой как кремний, добавляется примесь пятивалентного полупроводника, такого как мышьяк. В процессе взаимодействия, каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном процессе перенос заряда осуществляется электроном. Проводимость таких полупроводников может быть рассчитана следующим образом:
$о = q*Nn*un$
Дырочные полупроводники, кроме примесной основы характеризуются дырочной проводимостью. Их получение может осуществляться следующим образом: в четырехвалентный полупроводник добавляется небольшое количества трехвалентных атомов. Все атомы примеси устанавливают ковалентную связь с тремя ближайшими атомами четырехвалентного полупроводника. Так как у примеси атомов меньше, то трехвалентный полупроводник захватывает электрон (валентный) ковалентной связи между ближайшими атомами четырехвалентного, и в результате этого становится отрицательно заряженным ионом, а данный процесс способствует образованию дырки. Проводимость таких полупроводников можно рассчитать по формуле:
$o = q*Np*up$
Применение полупроводников
Важнейшими сферами применениями полупроводников являются:
- Полупроводниковые диоды и триоды. Данные приборы способны заменить электронные лампы, так как более компактны, экономичны и отличаются высокой надежность, прочностью, а также продолжительным сроком службы. Коэффициент полезного действия нынешних полупроводниковых триодов составляет порядка 50 %. Полупроводниковые приборы потребляют небольшое количество энергии, а для питания им необходимо небольшое напряжение, что способствует более широкому использованию источников питания небольшого размера.
- Фотосопротивления. Данные полупроводники (свинец, селен) представляют собой полупроводники, у которых электрическое сопротивление резко уменьшается при облучении их светом. Они используются для измерения световых потоков, освещенности, воспроизводства звука и т.п. в составе разнообразных устройств.
- Термисторы. Данные полупроводники (смеси окислов различных металлов) обладают электрическим сопротивлением, которое сильно зависимо от температуры, поэтому широко используются при измерении температуры, в качестве ограничителей начальной силы тока в пусковых устройствах и автоматической регулировки температуры.
- Варисторы. Данные полупроводники (например, карбид кремния) обладают сопротивлением, которое сильно зависит от напряженности приложенного электрического поля. Благодаря этой особенности они успешно используются для защиты электрических цепей от нерегулярных высоких перенапряжений, например, таких как грозовые разряды.
