Полупроводники — это вещества, которые имеют электрическую проводимость, находящуюся между проводниками (например, металлами) и изоляторами (например, стеклом). Это значит, что они могут проводить электрический ток, но только при определенных условиях, таких как повышение температуры или воздействие внешнего электрического поля. Они являются основой для многих современных технологий, включая транзисторы, диоды, солнечные батареи и различные другие электронные устройства.
1. Классификация полупроводников:
Полупроводники можно разделить на два основных типа:
Собственные полупроводники (или чистые полупроводники): Эти материалы обладают свойствами полупроводников в своем природном состоянии.
Примесные (или легированные) полупроводники: Эти материалы получают свой полупроводниковый характер после добавления малых количеств других элементов, которые изменяют их проводимость.
2. Примеры собственных полупроводников:
К собственным полупроводникам относятся вещества, состоящие из одного элемента или соединения, в котором атомы находятся в кристаллической решетке с определенной структурой. Наиболее распространенные собственные полупроводники:
Кремний (Si): Это самый известный и широко используемый полупроводник. Кремний является основным материалом для производства интегральных схем, транзисторов и других микроэлектронных устройств. Он обладает хорошими электрическими свойствами, стабильностью и доступностью.
Германий (Ge): Германий также используется в электронной промышленности, но реже, чем кремний. Он был использован в ранних транзисторах, но на сегодняшний день его применяют в основном для высокочастотных устройств и оптических сенсоров.
Галлий арсенид (GaAs): Это важный полупроводник для высокоскоростных и высокочастотных применений, например, в микроволновых устройствах, лазерах и солнечных элементах. Галлий арсенид обладает более высокой подвижностью электронов, чем кремний, что делает его предпочтительным для некоторых специальных применений.
Галлий нитрид (GaN): Это полупроводник, который используется в высокоэффективных светодиодах (LED), лазерах и устройствах для высокочастотных сигналов.
3. Примеры примесных полупроводников:
Примесные полупроводники образуются, когда в кристаллическую решетку основного вещества (например, кремния) добавляют малые количества других элементов. Это изменение приводит к изменению проводимости материала. В зависимости от типа примеси выделяют два типа полупроводников:
N-тип (негативный тип): Когда в кристаллическую решетку вводят атомы, которые имеют больше электронов на внешнем уровне, чем атомы основного вещества, например, фосфор в кремнии, то появляется избыток свободных электронов. Эти электроны становятся основными носителями тока. Примерами примесей для N-типа являются фосфор (P), мышьяк (As) или сурьма (Sb).
P-тип (позитивный тип): Когда в кристаллическую решетку вводят атомы, которые имеют меньше электронов на внешнем уровне, чем атомы основного вещества (например, бор в кремнии), в результате образуются «дырки» — участки, где отсутствуют электроны. Эти дырки могут перемещаться в материале, создавая ток. Примеры примесей для P-типа — бор (B), алюминий (Al) или галлий (Ga).
4. Основные физические характеристики полупроводников:
Энергетические уровни: В полупроводниках существует запрещенная зона (или зона запрещенных энергий), которая отделяет валентную зону (где находятся электроны) от зоны проводимости (где электроны могут свободно перемещаться). Энергия, необходимая для того, чтобы электрон покинул валентную зону и перешел в зону проводимости, называется шириной запрещенной зоны (ширина энергетической щели).
Температурная зависимость проводимости: В отличие от металлов, у которых проводимость падает с увеличением температуры, у полупроводников проводимость растет с температурой. Это объясняется тем, что при повышении температуры большее количество электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости.
Подвижность носителей заряда: Это мера того, как быстро электроны или дырки могут перемещаться под действием электрического поля. Подвижность носителей заряда сильно влияет на скорость работы электронных устройств. У кремния и германия подвижность более высокая, чем у многих других полупроводников, таких как галлий арсенид.
5. Применение полупроводников:
Полупроводники играют ключевую роль в современной электронике и информационных технологиях. Вот основные области их применения:
Транзисторы: На основе полупроводников создаются транзисторы, которые используются для усиления и переключения электрических сигналов. Это основа для цифровых схем и микропроцессоров.
Диоды: Полупроводниковые диоды применяются в выпрямительных схемах, как защита от перенапряжений, а также для создания светодиодов (LED).
Солнечные батареи: Полупроводники, такие как кремний, используются в солнечных панелях для преобразования солнечной энергии в электричество.
Лазеры и оптоэлектронные устройства: Например, на основе галлия арсенида создаются лазеры, которые используются в оптоволоконной связи.
Сенсоры: Полупроводниковые материалы используются в датчиках температуры, влажности, давления и других физических величин.
6. Типы полупроводниковых материалов по химическому составу:
Помимо уже упомянутых кремния, германия и галлия арсенида, существует множество других полупроводников, которые могут быть основаны на бинарных, тернарных и тетрарных соединениях.
Бинарные полупроводники: Это соединения из двух элементов, например, GaAs (галлий арсенид), ZnS (цинксульфид), SiC (кремний карбид).
Тернарные полупроводники: Это соединения из трех элементов, такие как GaInAs (галлий индий арсенид), AlGaAs (галлий алюминиевый арсенид), которые имеют улучшенные характеристики для работы при высоких температурах или частотах.
Тетрарные полупроводники: Например, GaInP (галлий индий фосфид), которые используются для создания более специфичных и высокоэффективных компонентов.
Заключение:
Полупроводники — это невероятно важный класс материалов, который лежит в основе всей современной электроники и телекоммуникаций. Их свойства могут быть модифицированы с помощью примесей, что позволяет создавать устройства с определенными характеристиками для самых разных нужд, от вычислений до энергетических технологий.
