У нашій статті будуть розглянуті приклади напівпровідників, їх властивості та сфери застосування. Ці матеріали мають своє місце в радіотехніці і електроніці. Вони є чимось середнім між діелектриком і провідником. До речі, просте скло теж можна вважати напівпровідником – в звичайному стані воно струм не проводить. Зате при сильному нагріванні (практично до рідкого стану) відбувається зміна властивостей і скло стає провідником. Але це винятковий приклад, інших матеріалів все йде трохи інакше.
Основні особливості напівпровідників
Показник провідності становить близько 1000 Ом*м (при температурі 180 градусів). Якщо порівнювати з металами, то у напівпровідників відбувається зменшення питомої провідності при зростанні температури. Таке ж властивість є у діелектриків. У напівпровідникових матеріалів є досить сильна залежність показника питомої провідності від кількості та типу домішок.
Припустимо, якщо ввести в чистий германій всього тисячну частку миш’яку, відбудеться збільшення провідності приблизно в 10 разів. Всі без винятку напівпровідники чутливі до впливів ззовні – ядерного опромінення, світла, електромагнітних полів, тиску і т. д. Можна навести приклади напівпровідникових матеріалів – це сурма, кремній, германій, телур, фосфор, вуглець, миш’як, йод, бор, а також різні сполучення цих речовин.
Особливості застосування напівпровідників
Завдяки тому, що у напівпровідникових матеріалів такі специфічні властивості, вони отримали досить широке поширення. На їх основі виготовляють діоди, транзистори, сімістори, лазери, тиристори, датчики тиску, магнітного поля, температури і т. д. Після освоєння напівпровідників відбулося докорінне перетворення в автоматиці, радіотехніці, кібернетики та електротехніки. Саме за допомогою використання напівпровідників вдалося досягти таких маленьких габаритів техніки – немає потреби використовувати масивні блоки живлення і радіолампи розміром з півторалітрову банку.
Струм в напівпровідниках
В провідниках струм визначається тим, куди рухаються вільні електрони. У напівпровідникових матеріалах вільних електронів дуже багато, на це є причини. Всі валентні електрони, які є в напівпровіднику, не вільні, так як вони зв’язуються зі своїми атомами.
В напівпровідниках струм може з’являтися і змінюватися в досить широких межах, але тільки при наявності впливу ззовні. Струм змінюється при нагріванні, опроміненні, введення домішок. Всі дії здатні значно збільшити у валентних електронів енергію, що сприяє їх відриву від атомів. А прикладена напруга змушує ці електрони переміщатися у визначеному напрямку. Іншими словами, ці електрони стають носіями струму.
Дірки в напівпровідниках
При підвищенні температури або інтенсивності зовнішнього опромінення відбувається збільшення кількості вільних електронів. Отже, збільшується струм. Ті атоми в речовині, які втратили електрони, стають позитивними іонами, вони не переміщуються. З зовнішньої сторони атома, з якого пішов електрон, залишається дірка. У неї може стати інший електрон, який покинув своє місце в атомі поблизу. В результаті цього на зовнішній частині біля сусіднього атома утворюється дірка – він перетворюється на іон (позитивний).
Якщо до напівпровідника прикласти напругу, то електрони почнуть рухатися від одних атомів до сусіднім в певному напрямку. Дірки ж почнуть переміщатися в зустрічному напрямку. Дірка – це позитивно заряджена частинка. Причому заряд у неї по модулю такий же, як у електрона. За допомогою такого визначення можна істотно спростити аналіз всіх процесів, які протікають в напівпровідниковому кристалі. Струм дірок (позначається I Д) – це переміщення частинок в напрямку, зворотному руху електронів.
Електронно-дірковий перехід
У напівпровідника є два типу електропровідності – електронна і діркова. У чистих напівпровідниках (без домішок) у дірок і електронів концентрація (N Д та N Е відповідно) однакова. З цієї причини така електропровідність називається власною. Сумарне значення струму буде дорівнювати:
I = I Е+I Д.
Але якщо врахувати той факт, що у електронів значення рухливості більше, ніж у дірок, можна прийти до такого нерівності:
I Е > I Д.
Рухливість заряду позначається літерою М, це одне з головних властивостей напівпровідників. Рухливість – це відношення двох параметрів. Перший – швидкість переміщення носія заряду (позначається літерою V з індексом «Е» або «Д», в залежності від типу носія), другий – це напруженість електричного поля (позначається літерою Е). Можна виразити у вигляді формул:
М Е = (V Е / Е).
М Д = (V Д / Е).
Рухливість дозволяє визначити шлях, який проходить дірка або електрон за одну секунду при значенні напруга 1 В/див. тепер можна обчислити власний струм напівпровідникового матеріалу:
I = N * e * (М Е + М Д) * E.
Але потрібно відзначити, що у нас є рівності:
V Е =М Е.
N = N Е = N Д.
Літерою е у формулі позначається заряд електрона (це постійна величина).
Напівпровідникові прилади
Відразу можна навести приклади напівпровідникових приладів – це транзистори, тиристори, діоди, і навіть мікросхеми. Звичайно, це далеко не повний список. Щоб виготовити напівпровідниковий прилад, потрібно використовувати матеріали, у яких діркова провідність чи електронна. Щоб отримати такий матеріал, необхідно ідеально чистий напівпровідник з концентрацією домішок менше 10-11% ввести добавку (її називають легуючої домішкою).
Ті домішки, у яких валентність виявляється більше, ніж у напівпровідника, віддають вільні електрони. Ці домішки називаються донорами. А ось ті, в яких валентність менше, ніж у напівпровідника, мають властивість хапати і утримувати електрони. Їх називають акцепторами. Для того щоб вийшов напівпровідник, який буде володіти лише провідністю електронного типу, у вихідний матеріал досить ввести речовина, у якого валентність буде всього на одиницю більше. Для прикладу напівпровідників у фізиці шкільного курсу розглядається германій – його валентність дорівнює 4. До нього додається донор – фосфор або сурма, у них валентність дорівнює п’яти. Металів-напівпровідників небагато, вони практично не використовуються в техніці.
При цьому 4 електрона в кожному атомі здійснюють установку чотирьох парних (ковалентних) зв’язків з германієм. П’ятий електрон не має такого зв’язку, а значить, він у вільному стані. І якщо прикласти до нього напругу, він буде утворювати електронний струм.
Струм в напівпровідниках
Коли струм електронів більше, ніж дірок, напівпровідник називають n-типу (від’ємного). Розглянемо приклад – ідеально чистий германій вводять трохи домішки акцептора (припустимо, бор). При цьому кожний атом акцептора почне встановлювати ковалентні зв’язку з германієм. Але ось четвертий атом німеччина не має зв’язку з бором. Отже, у певної кількості атомів німеччина буде мати тільки один електрон без зв’язку ковалентного типу.
Але досить незначного впливу ззовні, щоб електрони почали покидати свої місця. При цьому німеччина утворюються дірки.
З малюнку видно, що на 2, 4 і 6 атомах вільні електрони починають приєднуватися до бору. З цієї причини не створюється струм у напівпровіднику. На поверхні атомів німеччина утворюються дірки з номерами 1, 3 та 5 – з їх допомогою відбувається перехід на них електронів від розташованих поруч атомів. На останніх же починають з’являтися дірки, так як електрони з них відлітають.
Кожна дірка, яка виникає, почне переходити між атомами германію. При дії напруги дірки починають рухатися впорядковано. Іншими словами, в речовині з’являється струм дірок. Такий тип напівпровідників називається дірковим або p-типу. При дії напруги рухаються не тільки електрони, але і дірки – вони зустрічають на своєму шляху різноманітні перешкоди. При цьому відбувається втрата енергії, відхилення від початкової траєкторії. Іншими словами, заряд носіїв розсіюється. Все це відбувається з-за того, що в напівпровіднику містяться забруднюючі домішки.
Вольт-амперна характеристика
Трохи вище були розглянуті приклади речовин-напівпровідників, які використовуються в сучасній техніці. У всіх матеріалів є свої особливості. Зокрема, одне з ключових властивостей – це нелінійність вольт-амперної характеристики.
Іншими словами, коли відбувається збільшення напруги, що прикладається до напівпровідника, відбувається швидке зростання струму. Опір при цьому різко зменшується. Така властивість знайшло застосування в різноманітних вентильних разрядниках. Приклади невпорядкованих напівпровідників можна більш детально розглянути у спеціалізованій літературі, їх застосування суворо обмежена.
Хороший приклад: при початковому значенні напруги у розрядника опір висока, тому від ЛЕП струм не йде в землю. Але як тільки в провід або опору вдаряє блискавка, опір дуже швидко зменшується практично до нуля, весь струм йде в землю. І напруга знижується до нормального значення.
Симетрична ВАХ
Коли відбувається зміна полярності напруги, в напівпровіднику струм починає протікати в зворотному напрямку. І змінюється він за тим же законом. Це говорить про те, що напівпровідниковий елемент має симетричну вольт-амперною характеристикою. У тому випадку, якщо одна частина елемента має дірковий тип, а друга – електронний, то на кордоні їх зіткнення з’являється p-n-перехід (електронно-дірковий). Саме такі переходи є у всіх елементах – транзисторах, діодах, мікросхемах. Але тільки в мікросхемах на одному кристалі збирається відразу кілька транзисторів – іноді їх кількість більше десятка.
Як відбувається утворення переходу
А тепер давайте розглянемо, як відбувається утворення p-n-переходу. Якщо контакт діркового та електронного напівпровідників не дуже якісний, то відбувається утворення системи, що складається з двох областей. Одна буде мати діркову провідність, а друга – електронну.
І електрони, які знаходяться в n-області, почнуть дифундувати туди, де їх концентрація менше – тобто, в р-область. Одночасно з електронами дірки рухаються, але напрям у них зворотне. При взаємній дифузії відбувається зменшення концентрації в n-області електронів і р-області дірок.
Основна властивість p-n-переходу
Розглянувши приклади провідників, напівпровідників і діелектриків, можна зрозуміти, що властивості у них різні. Наприклад, основна якість напівпровідників – це можливість пропускання струму лише в одному напрямку. З цієї причини прилади, виготовлені з використанням напівпровідників, отримали широке поширення в випрямлячах. На практиці, використовуючи кілька вимірювальних приладів, можна побачити роботу напівпровідників і оцінити масу параметрів – як в режимі спокою, так і при впливі зовнішніх «подразників».
