Какие вещества называют полупроводниками

Полупроводник — это материал, по показателям удельной проводимости занимающий промежуточный пункт между такими компонентами, как диэлектрик и проводник. На их проводящую способность влияют следующие параметры: объем примесей, температуры и влияние разнообразных типов излучения. Ключевое свойство полупроводниковых материалов заключается в том, что возрастает электропроводность в тех случаях, когда повышается температура.

Механизм электрической проводимости

Наибольшим интересом сегодня пользуются полупроводники, особенно электронные. Подобно металлам, в них ток перемещается благодаря электронам. Проводимость металлических элементов так же, как и электронных полупроводников зависит от концентрации токовых энергоносителей. В полупроводниковых элементах содержание электронных частиц, находящихся в независимом положении, в 1000 раз ниже, чем в железе.

В полупроводниках все время проистекают 2 совершенно противоположных процесса:

  • Освобождение электронных частиц с одновременным расходованием световой либо внутренней энергии.
  • Воссоединение с ионом, потерявшим свой электрон.

Равновесное состояние между связанными и свободными электронами чисто динамическое. Для перехода из первого положения во второе нужно обеспечить их вспомогательной энергией. Металлический материал даже при невысокой температуре имеет большую долю освобожденных электронов. Усилий между взаимодействием молекул в металлах хватает для высвобождения их определенного количества.

Относительно немного свободных полупроводниковых электронов отрывается от атомов. Последние становятся ионами. Каждый из них окружен огромным числом незаряженных атомов. Нейтральные атомные частицы отдают собственный электрон иону, становясь им, причем незаряженным.

Таким образом, обмен элементарными частицами приводит к смене места расположения положительных атомов в полупроводнике, поскольку плюсовой заряд смещается. Пока на полупроводниковом материале не возникнет внешнего поля, каждому электрону, перемещающемуся в одном направлении, будет противопоставляться движение частиц в противоположную сторону. Подобное действие происходит с положительным зарядом.

Если накладываются внешние поля, процессам обеспечивается приоритетное направление. Освобожденные электроны перемещаются в сторону, противоположному от поля, положительные двигаются внутри него. Образуется односторонний ток, электропроводность создается этими 2-мя процессами.

Участок, в котором вместо незаряженного атома есть плюсовой ион, называется «дыркой». На самом деле перемещаются только электроны, однако при движении связанных частиц от атомов к ионам возникает необычный эффект, будто положительно заряженные «дырки» все время смещаются.

Виды полупроводников

Все полупроводники делятся на 3 категории:

  • Атомные. Атом имеет кристаллическую решетку: кремний, бор, сера, фосфор, селен, германий, серое олово, цирконий. Такие элементы относят к 4,5,6 группам периодической таблицы Д. И. Менделеева. Они создают компактную группировку, в которой с левой стороны располагаются полупроводники, имеющие характерное свойство металла, в правой части – металлоиды.
  • Элементы с ионной решеткой, состоящей из кристаллов. В таких компонентах атомы связываются между собой кулоновскими силами, как пример PbS, CdS.
  • Полупроводники с истинно нейтральными соединениями. В подобных элементах атомы объединяются в кристаллики одной огромной молекулы: антимонид индия, карбид кремния, арсенид галлия.

По характеру электропроводности

Полупроводниковые материалы выпускаются 2-х разновидностей: самостоятельной (собственной); добавленной за счет примеси электропроводности.

Собственная проводимость

Когда «дыры» и независимые электронные частицы образуются в ходе окисления атомов кристалла, аналогичное поведение присуще полупроводникам первой разновидности. Концентрация «дыры» соответствует соотношению освобожденных электронных частиц.

Примесная проводимость

В кристаллики в ходе производства добавляется примесь, вещество с молекулами 3-х либо 5-ти валентного элемента из таблицы Менделеева.

По виду проводимости

Полупроводниковые материалы существуют 2-х разновидностей: электронные (n-вида), дырочные (р-вида).

Электронные полупроводники (n-типа)

Терминология «n-тип» возникла от английского названия «negative», означающего минусовую энергию главных токовых носителей. Подобная разновидность полупроводниковых материалов характеризуется примесным происхождением. В 4-х валентное полупроводниковое вещество (кремний) добавляется смесь 5-ти валентного мышьяка. В ходе соприкосновения каждая частица второй добавки образует ковалентное соединение с кремниевыми атомными компонентами.

Между тем для 5-го электрона мышьяка не хватает пространства для связи, поэтому он перемещается на самую далекую область, где для отсоединения от атома требуется совсем мало заряда. В этой зоне электрону удается оторваться, он становится совершенно свободным и независимым. При подобном раскладе энергия переносится не «дырой», а электронной частицей. Такой тип полупроводников способен пропускать электрический ток точно так же, как и металл. Элемент, добавленный в полупроводниковые материалы, называется донорным.

Дырочные полупроводники (р-типа)

Терминология «p-вид» возникла от английского названия «positive», означающего плюсовую энергию главных токовых носителей. Этой разновидности полупроводниковых материалов, помимо добавленной основы (примеси), характерна природная электропроводность за счет дырок. В 4-х валентное полупроводниковое вещество (кремний) добавляется 3-х валентная примесь (индий) в небольшом объеме.

Каждая частичка добавленного вещества образует ковалентное соединение с соседом – 3-мя компонентами основного элемента кремния. Для соединения с 4-й кремниевой частицей индий не имеет истинно нейтрального электрона. У него не остается другого выхода, как захватывать частицу из связки близкорасположенных атомов кремния. В результате он превращается в заряженный (минусовый) ион, благодаря этому появляется «дыра». Добавленные вещества (примеси) называют акцепторными.

Использование в радиотехнике

В полупроводниковую категорию относятся материалы, которые способны пропускать через себя электрический ток. Такие вещества по физическим характеристикам располагаются посередке металлов и диэлектриков. Отличаться от железа позволяет способность создавать электрический ток благодаря свету, теплу, электронному потоку и иным источникам энергии. Без подобного воздействия при температуре, приближенной к нулю, они принимают свойства изоляторов. Полупроводники нашли применение в схемах радиотехники в качестве разнообразных деталей.

Термисторы

Электрическая проводимость таких материалов меняется под влиянием температур. Это качество позволяет применять их в приборах, связанных с температурными измерениями. Они намного чувствительнее, чем простые металлические термометры сопротивления. Их называют термисторами, они широко востребованы в технике.

Применение термометров помогает отслеживать температуру одновременно в нескольких местах. Все данные передаются на центральный прибор. Благодаря этому удается поддерживать требуемый температурный уровень за счет запуска и отключения отопительного оборудования. Термисторы регулируют величину сопротивления, меняя температуру в обе стороны.

Фотосопротивление

Даже небольшой свет может способствовать освобождению электронов. За счет повышения тока, усиленного многократно специальными устройствами, получается добиться необходимого сигнала. Подобное явление является фотопроводимостью. Приборы, произведенные на такой основе, называются фотосопротивлениями. Они применяются в электронике: в автоматике и системах сигнализации, там, где нужно контролировать и управлять процессами на удалении. Благодаря приборам предупреждается возникновение аварии и несчастных случаев за счет остановки машин и механизмов в автоматическом режиме.

Полупроводниковый диод

Диод – это прибор, который состоит из 2-х полупроводниковых слоев: «p» – позитив, «n» – негатив. На границе 2-х уровней возникает «p-n» переход. Анодом становится часть «р», а катодом – «n». Диод проводит ток исключительно от первого ко второму. На схемах расположение слоев обозначается таким образом: 

Транзистор

Транзистором называется полупроводниковый радиоэлемент, используемый для изменений характеристик электрического тока, управления им. У простого триода есть 3 вывода: база, куда приходят сигналы, коллектор, эмиттер. Некоторые крупные транзисторы востребованы в промышленности и энергетическом оборудовании, маленькие – в микросхемах.

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В таблице показаны сведения о соединениях полупроводников. Они делятся на следующие виды:

  • Одноэлементные 4 гр. Менделеевской таблицы.
  • Сложные: 2-х элементные A3BV и A2B6 из 3-й и 5-й гр., из 2-й и 6-й гр.

Все полупроводниковые элементы имеют интересную характеристику: при добавлении времени запрещённая зона по ширине сокращается.

Физические свойства и применение

Физические характеристики полупроводниковых материалов: 

  • Отличительная уникальность. Отмечается повышение электропроводности при росте температуры, если она невысокая, то электропроводность низкая. Когда t приближается к нулю, полупроводниковые элементы приобретают параметры изоляторов.
  • Контакт 2-х полупроводников проводит ток исключительно в одну сторону. Такое качество применяется в процессе изготовления различных полупроводниковых элементов: транзисторов, диодов, тиристоров.
  • Места соприкосновения разнообразных полупроводников, если их освещать или нагревать, становятся истоком фото- или термоэлектродвижущей силы. Приборы, созданные на основе полупроводников, часто встречаются в приемниках радиосигналов, преобразователях, работающих на квантовой энергии, лазерных установках, микрокомпьютерах, атомной батарее. Из полупроводников изготавливают переключатели, усилители, выпрямители.

Методы получения

Самый востребованный способ очистки полупроводников — «зонная плавка». Другой распространенный вариант – «вытягивание монокристаллов из расплавленного материала», называется методом Чохральского. При первом способе кусок «грязного» полупроводника кладется в чистую графитовую лодочку, помещенную в кварцевую трубку, по которой постоянно протекает инертный газ аргон, препятствующий проникновению в нее различных примесей, воздуха.

С помощью небольшого кольцевого нагревателя удается расплавить маленькую часть слитка, затем с медленной скоростью перемещается расплавленный кусок вдоль нагревательного элемента. Если повторить такой процесс много раз, остается чистый слиток, поскольку грязный конец отламывается.

При втором способе медленно вытягивается кусок кристалла из расплава, находящегося в инертном газе. В процессе вытяжки для получения однородной структуры полупроводника и равномерного смешивания введенных примесей создают круговое движение в разные направления с четким контролем температуры плавления. Затем кристалл остывает и идет в производство.

Оптика полупроводников

Полупроводники имеют блеск металла и очень похожи на них как по внешнему виду, так и по свойству отражения и поглощения световой энергии. В видимой зоне спектра они сильно поглощают свет. Характерной спецификой довольно чистых полупроводников является уменьшение поглощательной способности длины волны инфракрасной области.

Список полупроводников

Группа IV

Собственные: кремниевые, из серого олова и германия. Составные: кремниево-германиевые, карбидно-кремниевые.

Группа III-V

2-х компонентные: · арсенид-, антимонид-, фосфид-, нитрид-алюминиевые; · нитрид-, арсенид-, фосфид-борные; · антимонид-, нитрид-, арсенид-, фосфид-галлиевые; · арсенид-, антимонид-, фосфид-, нитрид-индиевые. 3-х, 4-х, 5-ти компонентные.

Группа II-VI

2-х компонентные: сульфидные, селениды, оксидные, теллурид-кадмиевые; сульфид-цинковые и 3-х компонентные.

Группа I-VII

2-х компонентные: хлорид-медные.

Группа IV-VI

2-х компонентные: сульфид-, селенид-, теллурид-свинцовые; селенид-,теллурид-, сульфид-оловянные и 3-х компонентные.

Группа V-VI

2-х компонентные – теллурид-висмута.

Группа II-V

2-х компонентные: арсенид-, фосфид-, антимонид-кадмиевые; арсенид-, фосфид-, антимонид-цинковые.

Другие

Иодид-висмутовые, медные, ртутные, силицид-платиновые, бромид-таллиевые, дисульфид-молибденовые, сульфид-висмутовые, оловянные, селенид-галлиевые, диоксид-титановые, урановые, оксид-медные.

Органические полупроводники

Пентаценные, тетраценные, перинонные, акридонные, флавантронные, индольные, индантронные.

Магнитные полупроводники

Антиферромагнетики: селенид и теллурид европия, оксид-никелевые. Ферромагнетики: сульфид и оксид европия, легированный марганец и углерод.

Заключение

Полупроводники, благодаря своим качествам, стали востребованным материалом во многих отраслях. Они выделяются маленьким весом и габаритами, высокой надежностью, низким энергопотреблением, не чувствительны к магнитным полям.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 1960)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты