Materiali semiconduttori: esempi di semiconduttori
Nel nostro articolo considereremo esempi di semiconduttori, le loro proprietà e sfere di applicazione. Questi materiali hanno il loro posto nella radio ingegneria ed elettronica. Sono qualcosa tra un dielettrico e un conduttore. A proposito, il vetro semplice può anche essere considerato un semiconduttore - nel suo stato normale non conduce corrente. Ma con un forte riscaldamento (quasi allo stato liquido), le proprietà cambiano e il vetro diventa un conduttore. Ma questo è un esempio eccezionale, per altri materiali tutto è un po 'diverso.
Principali caratteristiche dei semiconduttori
L'indice di conducibilità è di circa 1000 Ohm * m (alla temperatura di 180 gradi). Rispetto ai metalli, i semiconduttori diminuiscono in conduttività con l'aumentare della temperatura. I dielettrici hanno la stessa proprietà. I materiali semiconduttori hanno una dipendenza piuttosto forte dell'indice di conducibilità specifico sulla quantità e il tipo di impurità.
Ad esempio, se introduciamo solo un millesimo di arsenico in germanio puro, la conduttività aumenterà di circa 10 volte. Senza eccezioni, i semiconduttori sono sensibili alle influenze esterne - radiazioni nucleari, luce, campi elettromagnetici, pressione, ecc. Esempi di materiali semiconduttori possono essere citati: antimonio, silicio, germanio, tellurio, fosforo, carbonio, arsenico, iodio, boro e vari composti di queste sostanze.
Caratteristiche dell'uso dei semiconduttori
A causa del fatto che i materiali semiconduttori hanno proprietà così specifiche, sono abbastanza diffusi. Sono utilizzati per realizzare diodi, transistor, triac, laser, tiristori, sensori di pressione, campi magnetici, temperature, ecc. Dopo aver padroneggiato i semiconduttori, si è verificata una radicale trasformazione in automazione, ingegneria radio, cibernetica e ingegneria elettrica. È stato attraverso l'uso dei semiconduttori che sono state raggiunte dimensioni così ridotte delle apparecchiature: non è necessario utilizzare enormi alimentatori e tubi radio delle dimensioni di una lattina da 1,5 litri.
Corrente nei semiconduttori
Nei conduttori, la corrente è determinata da dove si muovono gli elettroni liberi. Ci sono molti elettroni liberi nei materiali dei semiconduttori, ci sono dei motivi. Tutti gli elettroni di valenza che esistono in un semiconduttore non sono liberi, poiché sono legati ai loro atomi.
Nei semiconduttori, la corrente può apparire e variare entro limiti abbastanza ampi, ma solo se c'è un'influenza esterna. La corrente cambia durante il riscaldamento, l'irradiazione, l'introduzione di impurità. Tutti gli effetti possono aumentare significativamente l'energia degli elettroni di valenza, che contribuisce alla loro separazione dagli atomi. E la tensione applicata fa sì che questi elettroni si muovano in una certa direzione. In altre parole, questi elettroni diventano vettori attuali.
Fori in semiconduttori
Con l'aumento della temperatura o dell'intensità dell'irraggiamento esterno, si verifica un aumento del numero di elettroni liberi. Di conseguenza, la corrente aumenta. Quegli atomi in una sostanza che hanno perso elettroni diventano ioni positivi, non si muovono. All'esterno dell'atomo da cui è partito l'elettrone, rimane un buco. Un altro elettrone può sorgere in esso, che ha lasciato il suo posto in un atomo nelle vicinanze. Di conseguenza, un foro si forma sulla parte esterna dell'atomo vicino - si trasforma in uno ione (positivo).
Se al semiconduttore viene applicata una tensione, gli elettroni inizieranno a spostarsi da un atomo all'altro in una determinata direzione. I fori inizieranno a muoversi nella direzione opposta. Un buco è una particella carica positiva. Inoltre, la carica nel suo modulo è la stessa di quella di un elettrone. Utilizzando questa definizione, è possibile semplificare in modo significativo l'analisi di tutti i processi che si verificano in un cristallo semiconduttore. La corrente del foro (indicata con I D ) è il movimento delle particelle nella direzione opposta al movimento degli elettroni.
Transizione elettrone
Un semiconduttore ha due tipi di conduttività elettrica: l'elettrone e il foro. Nei semiconduttori puri (senza impurità), i fori e gli elettroni hanno la stessa concentrazione (N D e N E, rispettivamente). Per questo motivo, questa conduttività elettrica è definita corretta. Il valore corrente totale sarà uguale a:
I = I P + I D.
Ma se prendiamo in considerazione il fatto che gli elettroni hanno un valore di mobilità maggiore rispetto ai buchi, possiamo arrivare alla seguente disuguaglianza:
I E > I D.
La mobilità della carica è indicata dalla lettera M, questa è una delle proprietà principali dei semiconduttori. La mobilità è il rapporto di due parametri. La prima è la velocità di movimento del portatore di carica (indicata dalla lettera V con l'indice "E" o "D", a seconda del tipo di portante), il secondo è l'intensità del campo elettrico (indicato dalla lettera E). Può essere espresso come formule:
M e = (V e / e).
M D = (V D / E).
La mobilità consente di determinare il percorso che un buco o un elettrone percorre in un secondo ad un valore di 1 V / cm. Ora puoi calcolare il tuo materiale semiconduttore attuale:
I = N * e * (M E + M D ) * E.
Ma va notato che abbiamo l'uguaglianza:
V e = M e .
N = N E = N D.
La lettera e nella formula è indicata da carica di elettroni (questo è un valore costante).
Dispositivi a semiconduttore
È possibile fornire immediatamente esempi di dispositivi a semiconduttore: questi sono transistor, tiristori, diodi e persino microchip. Naturalmente, questa non è una lista completa. Per realizzare un dispositivo a semiconduttore, è necessario utilizzare materiali con foro o conduttività elettronica. Per ottenere un tale materiale, è necessario introdurre un additivo in un semiconduttore idealmente puro con una concentrazione di impurezze inferiore al 10 -11 % (si parla di impurità drogante).
Quelle impurità la cui valenza è maggiore di quella di un semiconduttore, danno via gli elettroni liberi. Queste impurità sono chiamate donatori. Ma quelli la cui valenza è inferiore a quella di un semiconduttore, tendono ad afferrare e tenere gli elettroni. Sono chiamati accettori. Per ottenere un semiconduttore, che avrà solo la conduttività del tipo elettronico, è sufficiente introdurre una sostanza nel materiale di partenza, la cui valenza sarà solo un'altra unità. Per un esempio di semiconduttori nella fisica scolastica, si considera il germanio - la sua valenza è 4. Aggiunge un donatore - fosforo o antimonio - per loro, la valenza è cinque. Ci sono pochi metalli a semiconduttore, praticamente non sono utilizzati in tecnologia.
In questo caso, 4 elettroni in ciascun atomo stabiliscono quattro legami (covalenti) con germanio. Il quinto elettrone non ha una tale connessione, il che significa che è in uno stato libero. E se viene applicata una tensione, si formerà una corrente di elettroni.
Correnti nei semiconduttori
Quando la corrente di elettroni è maggiore dei buchi, il semiconduttore è chiamato n-type (negativo). Consideriamo un esempio: una piccola impurità di un accettore viene introdotta in germanio perfettamente puro (ad esempio, boro). Allo stesso tempo, ogni atomo dell'accettore inizierà a impostare legami covalenti con germanio. Ma il quarto atomo di germanio non ha alcuna connessione con il boro. Di conseguenza, un certo numero di atomi di germanio avrà un solo elettrone senza un legame di tipo covalente.
Ma solo un piccolo impatto dall'esterno è sufficiente perché gli elettroni inizino a lasciare i loro posti. In questo caso, i fori formati germanio.
Dalla figura si può vedere che a 2, 4 e 6 atomi, gli elettroni liberi iniziano a unirsi al boro. Per questo motivo, non viene generata corrente nel semiconduttore. I fori con i numeri 1, 3 e 5 sono formati sulla superficie degli atomi di germanio - sono usati per trasferire elettroni dagli atomi adiacenti a loro. In quest'ultimo, iniziano a comparire fori, mentre gli elettroni volano via da loro.
Ogni buco che si verificherà inizierà la transizione tra gli atomi di germanio. Quando esposti a fori di stress iniziano a muoversi in modo ordinato. In altre parole, una sostanza buco appare nella sostanza. Questo tipo di semiconduttore è chiamato p-type o semiconductor. Quando esposti alla tensione, non solo gli elettroni si muovono, ma anche i buchi - incontrano vari ostacoli sul loro percorso. In questo caso, c'è una perdita di energia, una deviazione dalla traiettoria originale. In altre parole, il vettore di carica viene dissipato. Tutto ciò è dovuto al fatto che il semiconduttore contiene impurità.
Volt-ampere caratteristica
Leggermente sopra sono stati considerati esempi di sostanze semiconduttrici utilizzate nella tecnologia moderna. Tutti i materiali hanno le loro caratteristiche. In particolare, una delle proprietà chiave è la non linearità della caratteristica corrente-tensione.
In altre parole, quando si verifica un aumento della tensione applicata al semiconduttore, si verifica un rapido aumento della corrente. La resistenza diminuisce bruscamente. Questa proprietà è stata utilizzata in una varietà di scaricatori di valvole. Esempi di semiconduttori disordinati possono essere considerati in maggior dettaglio nella letteratura specializzata, il loro uso è strettamente limitato.
Un buon esempio: quando lo scaricatore ha un valore di tensione di lavoro, la resistenza è elevata, quindi la corrente non fluisce dalle linee elettriche nel terreno. Ma non appena un fulmine colpisce un filo o un supporto, la resistenza diminuisce molto rapidamente fino a quasi zero, tutta la corrente entra nel terreno. E la tensione scende alla normalità.
CVC simmetrico
Quando la polarità della tensione cambia, la corrente nel semiconduttore inizia a fluire nella direzione opposta. E cambia secondo la stessa legge. Ciò suggerisce che l'elemento semiconduttore ha una caratteristica simmetrica della corrente-tensione. Nel caso in cui una parte dell'elemento abbia un tipo di foro e la seconda sia elettronica, allora una giunzione pn (foro elettronico) appare all'interfaccia del contatto. Tali transizioni sono disponibili in tutti gli elementi: transistor, diodi, microcircuiti. Ma solo su chip su un chip vengono assemblati più transistor contemporaneamente, a volte il loro numero è superiore a dieci.
Come si verifica la transizione?
E ora diamo un'occhiata a come avviene la formazione della transizione pn. Se il contatto dei semiconduttori a foro ed elettrone non è molto buono, allora si forma un sistema costituito da due regioni. Uno avrà una conducibilità del foro, e il secondo - elettronico.
E gli elettroni che si trovano nella regione N cominceranno a diffondersi dove la loro concentrazione è minore, cioè nella regione p. Contemporaneamente agli elettroni, i fori si muovono, ma la loro direzione è opposta. Con mutua diffusione, si verifica una diminuzione della concentrazione nella regione n degli elettroni e nella regione p dei fori.
La proprietà principale della giunzione pn
Considerati gli esempi di conduttori, semiconduttori e dielettrici, si può capire che le loro proprietà sono diverse. Ad esempio, la principale qualità dei semiconduttori è la capacità di trasmettere la corrente solo in una direzione. Per questo motivo, i dispositivi realizzati con semiconduttori sono ampiamente utilizzati nei raddrizzatori. In pratica, usando diversi strumenti di misurazione, si può vedere il lavoro dei semiconduttori e stimare la massa dei parametri, sia nella modalità di riposo che sotto l'influenza di "stimoli" esterni.