Poluvodički materijali: primjeri poluvodiča
U članku ćemo razmotriti primjere poluvodiča, njihova svojstva i područja primjene. Ovi materijali imaju svoje mjesto u radio inženjerstvu i elektroniki. Oni su nešto između dielektrika i dirigenta. Usput, jednostavno staklo se također može smatrati poluvodičem - u svom normalnom stanju ne provodi struju. Ali s jakim zagrijavanjem (gotovo do tekućeg stanja), svojstva se mijenjaju, a staklo postaje dirigent. Ali to je izuzetan primjer, za druge materijale sve je malo drugačije.
Glavne značajke poluvodiča
Indeks vodljivosti je oko 1000 Ohm * m (na temperaturi od 180 stupnjeva). U usporedbi s metalima, poluvodiči smanjuju provodljivost s povećanjem temperature. Dielektrici imaju isto svojstvo. Poluvodički materijali imaju prilično jaku ovisnost o indeksu specifične vodljivosti o količini i vrsti nečistoća.
Primjerice, ako u čisti germanij uvedemo samo tisućinku arsena, vodljivost će se povećati za oko 10 puta. Bez izuzetka, poluvodiči su osjetljivi na vanjske utjecaje - nuklearno zračenje, svjetlo, elektromagnetska polja, tlak itd. Mogu se navesti primjeri poluvodičkih materijala - antimon, silicij, germanij, telurij, fosfor, ugljik, arsen, jod, bor, i raznih spojeva tih tvari.
Značajke uporabe poluvodiča
Zbog činjenice da poluvodički materijali imaju takva specifična svojstva, oni su prilično rasprostranjeni. Koriste se za izradu dioda, tranzistora, triaka, lasera, tiristora, senzora tlaka, magnetskih polja, temperatura itd. Nakon ovladavanja poluvodičima došlo je do radikalne transformacije u automatizaciji, radijskom inženjerstvu, kibernetici i elektrotehnici. Korištenjem poluvodiča postignute su tako male dimenzije opreme - nema potrebe za korištenjem masivnih izvora napajanja i radio-cijevi veličine 1,5 litre.
Struja u poluvodičima
U vodičima struja se određuje prema mjestu kretanja slobodnih elektrona. Postoji mnogo slobodnih elektrona u poluvodičkim materijalima, za to postoje razlozi. Svi valentni elektroni koji postoje u poluvodiču nisu slobodni jer su vezani za svoje atome.
U poluvodičima se struja može pojaviti i mijenjati u prilično širokim granicama, ali samo ako postoji vanjski utjecaj. Struja se mijenja tijekom zagrijavanja, zračenja, uvođenja nečistoća. Svi učinci mogu značajno povećati energiju valentnih elektrona, što pridonosi njihovom odvajanju od atoma. A primijenjeni napon uzrokuje kretanje tih elektrona u određenom smjeru. Drugim riječima, ti elektroni postaju trenutni nositelji.
Rupe u poluvodičima
S povećanjem temperature ili intenziteta vanjskog zračenja dolazi do povećanja broja slobodnih elektrona. Posljedično, struja se povećava. Ti atomi u tvari koje su izgubili elektrone postaju pozitivni ioni, ne miču se. S vanjske strane atoma s kojeg je elektron napustio, ostaje rupa. U njemu se može pojaviti drugi elektron, koji je napustio svoje mjesto u blizini atoma. Zbog toga se na vanjskom dijelu susjednog atoma formira rupa - ona se pretvara u ion (pozitivan).
Ako se napon primijeni na poluvodič, tada će se elektroni početi kretati iz jednog atoma u drugi u određenom smjeru. Rupe će se početi kretati u suprotnom smjeru. Rupa je pozitivno nabijena čestica. Štoviše, naboj u svom modulu jednak je naboju elektrona. Pomoću ove definicije moguće je značajno pojednostaviti analizu svih procesa koji se javljaju u poluvodičkom kristalu. Struja otvora (označena s I D ) je kretanje čestica u smjeru suprotnom kretanju elektrona.
Prijelaz s elektronskom rupom
Poluvodič ima dvije vrste električne provodljivosti - elektron i rupu. U čistim poluvodičima (bez nečistoća) rupe i elektroni imaju istu koncentraciju (N D i N E ). Zbog toga se ova električna vodljivost naziva ispravnom. Ukupna trenutna vrijednost bit će jednaka:
I = I P + I D.
Ali ako uzmemo u obzir činjenicu da elektroni imaju veću pokretljivost od rupa, možemo doći do sljedeće nejednakosti:
I E > I D.
Pokretljivost naboja označena je slovom M, što je jedno od glavnih svojstava poluvodiča. Mobilnost je omjer dvaju parametara. Prva je brzina kretanja nosača naboja (označena slovom V s indeksom "E" ili "D", ovisno o vrsti nosača), a druga je jakost električnog polja (označena slovom E). Može se izraziti kao formule:
M e = (V e / e).
M D = (V D / E).
Mobilnost vam omogućuje da odredite put kojim rupa ili elektron putuje u jednoj sekundi pri vrijednosti od 1 V / cm. Sada možete izračunati vlastiti trenutni poluvodički materijal:
I = N * e * (M E + M D ) * E.
Ali treba napomenuti da imamo jednakost:
V e = M e .
N = N E = N D.
Slovo e u formuli označeno je s naboj elektrona (ovo je konstantna vrijednost).
Poluvodički uređaji
Odmah možete dati primjere poluvodičkih uređaja - to su tranzistori, tiristori, diode, pa čak i mikro-krugovi. Naravno, ovo nije potpuni popis. Da biste napravili poluvodički uređaj, trebate koristiti materijale koji imaju rupu ili elektroničku vodljivost. Da bi se dobio takav materijal, potrebno je uvesti aditiv u idealno čist poluvodič s koncentracijom nečistoća manjom od 10 -11 % (naziva se doping nečistoća).
One nečistoće čija je valencija veća od one poluvodiča, daju slobodne elektrone. Te se nečistoće nazivaju donori. Ali oni čija je valencija manja od one poluvodiča, imaju tendenciju da zgrabe i drže elektrone. Zovu se akceptori. Da bi se dobio poluvodič, koji će imati samo elektroničku provodljivost, dovoljno je uvesti tvar u početni materijal, čija će valencija biti samo još jedna jedinica. Za primjer poluvodiča u školskoj fizici smatra se germanij - njegova valencija je 4. Dodaje donor - fosfor ili antimon - za njih je valencija pet. Postoji nekoliko poluvodičkih metala, oni se praktički ne koriste u tehnologiji.
U tom slučaju, 4 elektrona u svakom atomu uspostavljaju četiri parove (kovalentne) veze s germanijem. Peti elektron nema takvu vezu, što znači da je u slobodnom stanju. A ako se na njega primijeni napon, on će tvoriti struju elektrona.
Struje u poluvodičima
Kada je struja elektrona veća od rupa, poluvodič se naziva n-tip (negativan). Uzmimo primjer - malo nečistoće akceptora uvedeno je u savršeno čisti germanij (recimo, bor). U isto vrijeme, svaki atom akceptora će se početi podešavati kovalentne veze s germanijem. Ali četvrti atom germanija nema veze s borom. Stoga će određeni broj atoma germanija imati samo jedan elektron bez veze kovalentnog tipa.
Ali samo mali utjecaj izvana dovoljan je da elektroni počnu napuštati svoja mjesta. U ovom slučaju, germanij formira rupe.
Iz slike se može vidjeti da se na 2, 4 i 6 atoma slobodni elektroni počnu spajati s borom. Zbog toga se u poluvodiču ne stvara struja. Na površini atoma germanija nastaju rupe s brojevima 1, 3 i 5 - koriste se za prijenos elektrona iz susjednih atoma na njih. U potonjem, počnu se pojavljivati rupe, dok elektroni odlaze od njih.
Svaka rupa koja se pojavi započet će prijelaz između atoma germanija. Kada su izloženi stresu rupe se počinju kretati uredno. Drugim riječima, u tvari se pojavljuje struja rupe. Ovaj tip poluvodiča naziva se p-tip ili poluvodič. Kada su izloženi naponu, ne samo da se kreću elektroni, nego i rupe - nailaze na različite prepreke na svom putu. U ovom slučaju dolazi do gubitka energije, odstupanja od izvorne putanje. Drugim riječima, nosač naboja se rasipa. Sve je to zbog činjenice da poluvodič sadrži nečistoće.
Volt-amper karakteristika
Nešto gore su razmatrani primjeri poluvodičkih tvari koje se koriste u modernoj tehnologiji. Svi materijali imaju svoje osobine. Posebno, jedno od ključnih svojstava je nelinearnost karakteristike strujnog napona.
Drugim riječima, kada postoji porast napona koji se primjenjuje na poluvodič, dolazi do brzog povećanja struje. Otpor se naglo smanjuje. Ovo svojstvo je korišteno u različitim ventilskim odvodnicima. Primjeri neuređenih poluvodiča mogu se detaljnije razmotriti u stručnoj literaturi, njihova je uporaba strogo ograničena.
Dobar primjer: kada odvodnik ima radnu vrijednost napona, otpor je visok, tako da struja ne teče od dalekovoda do tla. No, čim munja udari u žicu ili potporanj, otpor se vrlo brzo smanjuje na gotovo nulu, sva struja ulazi u tlo. Napon pada na normalu.
Simetrični CVC
Kada se promijeni polaritet napona, struja u poluvodiču počinje teći u suprotnom smjeru. I mijenja se prema istom zakonu. To sugerira da poluvodički element ima simetričnu strujnu struju. U slučaju da jedan dio elementa ima vrstu rupe, a drugi je elektronički, tada se na granici njihovog kontakta pojavljuje pn spoj (elektron-rupa). Takvi prijelazi dostupni su u svim elementima - tranzistorima, diodama, mikro-krugovima. Ali samo u čipovima na jednom čipu odjednom se sastavlja nekoliko tranzistora - ponekad je njihov broj veći od deset.
Kako se odvija prijelaz?
A sada pogledajmo kako nastaje formiranje pn-prijelaza. Ako kontakt rupe i poluvodiča elektrona nije jako dobar, tada se formira sustav koji se sastoji od dvije regije. Jedan će imati rupu vodljivost, a drugi - elektronički.
Elektroni koji se nalaze u n-regiji će početi difundirati tamo gdje je njihova koncentracija manja - to jest, u p-regiju. Istodobno s elektronima rupe se pomiču, ali njihov smjer je suprotan. Uz međusobnu difuziju dolazi do smanjenja koncentracije u n-regiji elektrona i p-regiji rupa.
Glavno svojstvo pn spoja
Uzimajući u obzir primjere vodiča, poluvodiča i dielektrika, možemo razumjeti da su njihova svojstva različita. Na primjer, glavna kvaliteta poluvodiča je sposobnost prolaska struje samo u jednom smjeru. Zbog toga se uređaji napravljeni pomoću poluvodiča naširoko koriste u ispravljačima. U praksi se pomoću nekoliko mjernih uređaja može vidjeti rad poluvodiča i procijeniti masa parametara, kako u stanju mirovanja tako i pod utjecajem vanjskih "podražaja".