Полупроводник
от Уикипедия, свободната енциклопедия
Полупроводниците са особен клас кристали, при които връзката между съседните атоми е ковалентна — всеки атом е свързан със съседния чрез двойка общи електрони. Чистите полупроводници имат слаба проводимост. При температури близки до абсолютната нула те са изолатори, а с увеличаване на температурата тяхната електропроводимост расте. Най-често използван за целта е силицият, който е от 4-та валентност.
Съдържание |
[редактиране] Принцип на протичане на ток през полупроводници
Електричните свойства на полупроводниците не могат да бъдат обяснени напълно със законите на класическата физика, а чрез квантовата механика и по специално - със зонната теория.
В атома електроните обикалят около ядрото по твърде сложни орбити. При движението им центробежната сила се уравновесява със силата на привличане между положителното ядро и отрицателните електрони. Намирайки се на дадена орбита, електроните притежават точно определена енергия. Енергията на електрона е неговата основна характеристика, която обуславя поведението му в твърдото тяло.
Едно от основните положения в квантовата механика е, че енергията на електрона е квантувана, т.е. може да има само точно определени стойности. Възможните стойности, които може да взема енергията на електрона, се наричат енергийни нива. За да премине електронът от по-ниско енергийно ниво на по-високо, той трябва да получи енергия отвън. Така например, за да премине от първо енергийно ниво на второ, електронът трябва да получи енергия отвън, равна на разликата между енергиите на двете нива.
Разликата между енергиите на най-високото и на най-ниското ниво от една зона се нарича широчина на зоната, която се измерва с единица eV (електронволт). Между енергийните зони има интервали, които не могат да се заемат от електроните на даден елемент и се наричат забранени зони. В полупроводниковата техника интерес представляват само двете най-горни енергийни зони - валентната зона и зоната на проводимостта и забранената зона между тях. Електроните във валентната зона имат сравнително малка енергия, която не им позволява да се откъснат от атома. Необходима е енергия, която е по-голяма от широчината на забранената зона за да се откъснат и преминат в зоната на проводимостта. Тоест, ако повишим температурата на тялото, ще повишим и енергията му. Така, някои електрони от валентната зона ще отидат в зоната на проводимостта - т.е. те се превръщат в свободни електрони, които определят електричната проводимост на ваществото. Затова електропроводимостта на полупроводниците расте с температурата.
Твърдите тела се разделят на проводници, полупроводници и диелектрици въз основа на широчината на забранената зона. Колкото широчината на забранената зона е по-голяма , толкова по-трудно валентните електрони се откъсват от атомите и се превръщат в свободни електрони.
[редактиране] Собствена проводимост на полупроводниците
Чистият полупроводник, в който няма примеси, се нарича собствен полупроводник, проводимостта му-собствена. Това означава също, че броят на свободните електрони, породени при топлинното движение, е равен на броя на дупките.
ni=pi
Понеже електропроводимостта зависи от концентрацията на свободни токови носители, определянето на собствената концентрация е от голямо значение. От самия механизъм на възникване на електрони и дупки следва, че с увеличаване на температурата ще расте собствената концентрация.
[редактиране] P и N проводимост. PN-преход
Собствената проводимост на полупроводниците може да се подобри, като се извърши дотиране с тривалентни или петвалентни атоми, които нарушават решетъчния строеж на кристала. В резултат на дотирането се появяват свободни електрони или дупки, с което чувствително се повишава проводимостта. В зависимост от валентносттта на примесите, с които става дотирането, се различават електронна (или N-проводимост) и дупчеста (P-проводимост).
P-проводимост се получава чрез въвеждане (дотиране) на тривалентни примеси (акцептори) - в кристалната решетка се образуват "свободно движещи" се дупки. Дотиращи вещества могат да бъдат индий (In), бор(В), галий (Ga), алуминий (Al)- използват се като тривалентни акцептори.
N-проводимост се получава чрез въвеждане на петвалентни примеси (донори) - в кристала се получават свободни електрони. Антимон (Sb), арсен (As), фосфор (Р)-използват се като петвалентни донори.
Въпреки дотирането полупроводниците остават електронеутрални!
Ако в един и същ полупроводник се създадат две съседни области с различна проводимост, се получава PN-преход. По своята същност той представлява граничната зона между областта с N-проводимост и областта с P-проводимост. Ако към PN-прехода се приложи постоянно напрежение, като отрицателният полюс контактува с P-зоната, а положителният- с N-зоната, ще се изтеглят още заредени частици и запиращия слой ще се разшири. При прилагане на напрежение с обратен поляритет заредените частици ще проникнат в запиращия слой и така PN-прехода ще се обогати с токоносители.
[редактиране] Общи свойства на полупроводниците
- По своята електропроводимост (при стайна температура) чистите полупроводници заемат средно място между проводниците и диелектриците.
- Прибавянето на нищожен процент примеси извънредно силно повишава проводимостта им.
- Температурата особено силно влияе върху електричното съпротивление на полупроводниците. За разлика от металите те имат отрицателен температурен коефициент на съпротивление.
- Механизмът на електропроводимостта на полупроводниците се различава качествено от този на металите. При металите токоносители са само електроните, а при полупроводниците- електрони: виж дупки.
[редактиране] Значение
Откриването на полупроводниците и свойствата на P-N прехода са важен успех за квантовата теория, тъй като това позволява миниатюаризация на електронните устройства и увеличаване на техните възможности, което е в основите на съвременната електроника. Няма електронен прибор, който да не съдържа полупроводников компонент.
