Што такое паўправаднікі? супраціў паўправаднікоў

Чым з'яўляецца паўправадніковы матэрыял? Якія ў яго асаблівасці? Якая фізіка паўправаднікоў? Як яны пабудаваны? Што такое праводнасць паўправаднікоў? Якімі фізічнымі паказчыкамі яны валодаюць?

Што называюць паўправаднікамі?

Так абазначаюць крышталічныя матэрыялы, якія не праводзяць электрычнасць гэтак добра, як гэта робяць металы. Але ўсё ж гэты паказчык лепш, чым маюць ізалятары. Такія характарыстыкі абумоўлены колькасцю рухомых носьбітаў. Калі разглядаць у агульным, то тут існуе моцнае прыхільнасць да ядраў. Але пры увядзенні ў правадыр некалькіх атамаў, дапусцім, сурмы, якая валодае лішкам электронаў, гэта становішча будзе выпраўляцца. Пры выкарыстанні індыя атрымліваюць элементы з пазітыўным зарадам. Усе гэтыя ўласцівасці шырока прымяняюцца ў транзістарах - адмысловых прыладах, якія могуць ўзмацняць, блакаваць або прапускаць ток толькі ў адным кірунку. Калі разглядаць элемент NPN-тыпу, то можна адзначыць значна ўзмацняе ролю, што асабліва бывае важным пры перадачы слабых сігналаў.

Канструктыўныя асаблівасці, якімі валодаюць электрычныя паўправаднікі

Праваднікі маюць шмат свабодных электронаў. Ізалятары імі наогул практычна не валодаюць. Паўправаднікі жа ўтрымліваюць і пэўная колькасць свабодных электронаў, і пропускі з пазітыўным зарадам, якія гатовыя прыняць вызваліліся часціцы. І што самае галоўнае - яны ўсё праводзяць электрычны ток. Разгледжаны раней тып NPN-транзістара - ня адзіны магчымы паўправадніковы элемент. Так, існуюць яшчэ PNP-транзістары, а таксама дыёды.

Калі казаць пра апошні коратка, то гэта такі элемент, што можа перадаваць сігналы толькі ў адным кірунку. Таксама дыёд можа ператварыць пераменны ток у пастаянны. Які механізм такога ператварэння? І чаму ён рухаецца толькі ў адным кірунку? У залежнасці ад таго, адкуль ідзе ток, электроны і пропускі могуць ці разыходзіцца, або ісці насустрач. У першым злучвае з-за павелічэння адлегласці адбываецца перапыненне падачы забеспячэння, таму і ажыццяўляецца перадача носьбітаў негатыўнага напружання толькі ў адзін бок, то ёсць праводнасць паўправаднікоў з'яўляецца аднабаковай. Бо ток можа перадавацца выключна ў выпадку, калі складнікі часціцы знаходзяцца побач. А гэта магчыма толькі пры падачы току з аднаго боку. Вось такія тыпы паўправаднікоў існуюць і выкарыстоўваюцца на дадзены момант.

зонная структура

Электрычныя і аптычныя ўласцівасці правадыроў звязаны з тым, што пры запаўненні электронамі узроўняў энергіі яны аддзеленыя ад магчымых станаў забароненай зонай. Якія ў яе асаблівасці? Справа ў тым, што ў забароненай зоне адсутнічаюць ўзроўні энергіі. Пры дапамозе прымешак і дэфектаў структуры гэта можна змяніць. Вышэйшая цалкам запоўненая зона называецца валентнай. Затым варта дазволеная, але пустая. Яна называецца зонай праводнасці. Фізіка паўправаднікоў - даволі цікавая тэма, і ў рамках артыкула яна будзе добра асветлена.

стан электронаў

Для гэтага выкарыстоўваюцца такія паняцці, як нумар дазволенай зоны і квазиимпульс. Структура першай вызначаецца законам дысперсіі. Ён кажа пра тое, што на яе ўплывае залежнасць энергіі ад квазиимпульса. Так, калі валентная зона з'яўляецца цалкам запоўненай электронамі (якія пераносяць зарад у паўправадніках), то кажуць, што ў ёй адсутнічаюць элементарныя ўзбуджэння. Калі па нейкай прычыне часціцы няма, то гэта значыць, што тут з'явілася станоўча зараджаная квазичастица - пропуск або дзірка. Яны з'яўляюцца носьбітамі зараду ў паўправадніках ў валентнай зоне.

выраджаных зоны

Валентная зона ў тыповым правадыру з'яўляецца шасціразовай звод. Гэта без уліку спін-арбітальнага ўзаемадзеяння і толькі калі квазиимпульс роўны нулю. Яна можа расчапляцца пры гэтым жа ўмове на двухразова і чатыры разы выраджаных зоны. Энергетычнае адлегласць паміж імі называецца энергіяй спін-арбітальнага расшчаплення.

Прымешкі і дэфекты ў паўправадніках

Яны могуць быць з электрічным неактыўнымі або актыўнымі. Выкарыстанне першых дазваляе атрымліваць у паўправадніках плюсавай ці мінусовай зарад, які можа быць кампенсаваны з'яўленнем дзіркі ў валентнай зоне або электрона ў якая праводзіцца зоне. Неактыўныя прымешкі з'яўляюцца нейтральнымі, і яны адносна слаба ўплываюць на электронныя ўласцівасці. Прычым часта можа мець значэнне тое, якую валентнасць маюць атамы, якія бяруць удзел у працэсе перадачы зарада, і будынак крышталічнай рашоткі.

У залежнасці ад выгляду і колькасці прымешак можа змяняцца і суадносіны паміж колькасцю дзюр і электронаў. Таму матэрыялы паўправаднікоў павінны заўсёды старанна падбірацца, каб атрымаць жаданы вынік. Гэтаму папярэднічае значная колькасць разлікаў, а ў далейшым і эксперыментаў. Часціцы, якія большасць называюць асноўнымі носьбітамі зараду, з'яўляюцца неасноўныя.

Дазаванае ўвядзенне прымешак у паўправаднікі дазваляе атрымліваць прылады з патрабаванымі ўласцівасцямі. Дэфекты ў паўправадніках таксама могуць быць у неактыўным альбо актыўным электрычным стане. Важнымі тут з'яўляюцца дыслакацыя, межузельный атам і вакансія. Вадкія і некристаллические праваднікі рэагуюць на прымешкі па-іншаму, чым крышталічныя. Адсутнасць жорсткай структуры ў канчатковым выніку выліваецца ў тое, што перамешчаны атам атрымлівае іншую валентнасць. Яна будзе адрознівацца ад той, з якой ён першапачаткова насычае свае сувязі. Атаму становіцца нявыгадна аддаваць ці далучаць электрон. У такім выпадку ён становіцца неактыўным, і таму прымесных паўправаднікі маюць вялікія шанцы на выхад з ладу. Гэта прыводзіць да таго, што нельга змяняць тып праводнасці з дапамогай легіравання і стварыць, да прыкладу, р-n-пераход.

Некаторыя аморфныя паўправаднікі могуць змяняць свае электронныя ўласцівасці пад уздзеяннем легіравання. Але гэта ставіцца да іх у значна меншай ступені, чым да крышталічным. Адчувальнасць аморфных элементаў да легіравання можна павысіць з дапамогай тэхналагічнай апрацоўкі. У канчатковым выніку хочацца адзначыць, што дзякуючы працяглай і ўпартай працы прымесных паўправаднікі ўсё жа прадстаўлены цэлым шэрагам вынікаў з добрымі характарыстыкамі.

Статыстыка электронаў у паўправадніку

Калі існуе тэрмадынамічнай раўнавагі, то колькасць дзірак і электронаў вызначаецца выключна тэмпературай, параметрамі зоннай структуры і канцэнтрацыяй электрічным актыўных прымешак. Калі разлічваецца суадносіны, то лічыцца, што частка часціц будзе знаходзіцца ў зоне праводнасці (на акцэптарных або донорном узроўні). Таксама прымаецца пад увагу той факт, што частка можа сысці з валентнай тэрыторыі, і там ўтворацца пропускі.

электраправоднасць

У паўправадніках, акрамя электронаў, у якасці носьбітаў зарадаў могуць выступіць і іёны. Але іх электраправоднасць ў большасці выпадку грэбліва малая. У якасці выключэння можна прывесці толькі іённыя суперпроводники. У паўправадніках дзейнічае тры галоўныя механізму электроннага пераносу:

1. Асноўны зонный. У гэтым злучвае электрон прыходзіць у рух дзякуючы змене яго энергii ў межах адной дазволенай тэрыторыі.
2. Скачковы перанос па лакалізаваным станам.
3. СДА.

Эксітонны

Дзірка і электрон могуць утвараць звязанае стан. Яно называецца Эксітонны Ванье-Мота. Пры гэтым энергія фатона, якая адпавядае краі паглынання, паніжаецца на памер велічыні сувязі. Пры дастатковай інтэнсіўнасці святла ў паўправадніках можа ўтварыцца значная колькасць Эксітонны. Пры павелічэнні іх канцэнтрацыі адбываецца кандэнсацыя, і ўтвараецца электронна-дзіркавы вадкасць.

паверхню паўправадніка

Такімі словамі пазначаюць некалькі атамных слаёў, што размешчаны каля мяжы прылады. Павярхоўныя ўласцівасці адрозніваюцца ад аб'ёмных. Наяўнасць дадзеных слаёў парушае трансляцыйную сіметрыю крышталя. Гэта прыводзіць да так званым павярхоўным станам і поляритонам. Развіваючы тэму апошніх, варта яшчэ паведаміць і пра спінавай і вагальныя хвалі. З-за сваёй хімічнай актыўнасці паверхню хаваецца мікраскапічным пластом іншых малекул або атамаў, якія былі адсарбаваных з навакольнага асяроддзя. Яны-то і вызначаюць ўласцівасці тых некалькіх атамных слаёў. На шчасце, стварэнне тэхналогіі звышвысокага вакууму, пры якім ствараюцца паўправадніковыя элементы, дазваляе атрымаць і захаваць на працягу некалькіх гадзін чыстую паверхню, што пазітыўна адбіваецца на якасці атрыманай прадукцыі.

Паўправаднік. Тэмпература ўплывае на супраціў

Калі тэмпература металаў узрастае, то расце і іх супраціў. З паўправаднікамі усё наадварот - пры такіх жа ўмовах гэты параметр ў іх паменшыцца. Справа тут у тым, што электраправоднасць ў любога матэрыялу (а дадзеная характарыстыка зваротна прапарцыйная супраціву) залежыць ад таго, які зарад току маюць носьбіты, ад хуткасці іх руху ў электрычным полі і ад іх колькасці ў адной адзінцы аб'ёму матэрыялу.

У паўправадніковых элементах пры росце тэмпературы ўзрастае канцэнтрацыя часціц, дзякуючы гэтаму павялічваецца цеплаправоднасць, і памяншаецца супраціў. Праверыць гэта можна пры наяўнасці няхітрага набору юнага фізіка і неабходнага матэрыялу - крэмнія або германію, таксама можна ўзяць і зроблены з іх паўправаднік. Павышэнне тэмпературы знізіць іх супраціў. Каб пераканацца ў гэтым, неабходна назапасіцца вымяральнымі прыборамі, якія дазволяць убачыць усе змены. Гэта ў агульным выпадку. Давайце разгледзім пару прыватных варыянтаў.

Супраціў і электрастатычных іянізацыя

Гэта звязана з тунэлявання электронаў, якія праходзяць праз вельмі вузкі бар'ер, які пастаўляе прыкладна адну сотую мікраметра. Знаходзіцца ён паміж бакамі энергетычных зон. Яго з'яўленне магчыма толькі пры нахіле энергетычных зон, які адбываецца толькі пад уплывам моцнага электрычнага поля. Калі адбываецца тунэляванне (што ўяўляе зь сябе квантовомеханический эфект), то электроны праходзяць праз вузкі патэнцыйны бар'ер, і пры гэтым не змяняецца іх энергія. Гэта цягне за сабой павелічэнне канцэнтрацыі носьбітаў зарада, прычым у абодвух зонах: і праводнасці, і валентнай. Калі развіваць працэс электрастатычнай іянізацыі, то можа паўстаць тунэльны пробай паўправадніка. Падчас гэтага працэсу памяняецца супраціў паўправаднікоў. Яно з'яўляецца зварачальным, і як толькі будзе выключана электрычнай поле, то ўсе працэсы адновяцца.

Супраціў і ўдарная іянізацыя

У дадзеным выпадку дзіркі і электроны паскараюцца, пакуль праходзяць даўжыню вольнага прабегу пад уздзеяннем моцнага электрычнага поля да значэнняў, якія спрыяюць іянізацыі атамаў і разрыву адной з кавалентных сувязяў (асноўнага атама або прымешкі). Ўдарная іянізацыя адбываецца лавінападобна, і ў ёй лавінападобна размножваюцца носьбіты зараду. Пры гэтым толькі што створаныя дзіркі і электроны паскараюцца электрычным токам. Значэнне току ў канчатковым выніку памнажаецца на каэфіцыент ўдарнай іянізацыі, які роўны ліку электронна-дзіркавы пар, што ўтвараюцца носьбітам зарада на адным адрэзку шляху. Развіццё дадзенага працэсу ў канчатковым выніку прыводзіць да лавіне спробаю паўправадніка. Супраціў паўправаднікоў таксама мяняецца, але, як і ў выпадку з тунэльным прабоем, зварачальна.

Прымяненне паўправаднікоў на практыцы

Асаблівую важнасць гэтых элементаў варта адзначыць у камп'ютарных тэхналогіях. Амаль не сумняваемся, што вас бы не цікавіў пытанне аб тым, што такое паўправаднікі, калі б не жаданне самастойна сабраць прадмет з іх выкарыстаннем. Немагчыма ўявіць працу сучасных халадзільнікаў, тэлевізараў, кампутарных манітораў без паўправаднікоў. Не абыходзяцца без іх і перадавыя аўтамабільныя распрацоўкі. Таксама яны прымяняюцца ў авія- і касмічнай тэхніцы. Разумееце, што такое паўправаднікі, наколькі яны важныя? Вядома, нельга сказаць, што гэта адзіныя незаменныя элементы для нашай цывілізацыі, але і недаацэньваць іх таксама не варта.

Прымяненне паўправаднікоў на практыцы абумоўлена яшчэ і цэлым шэрагам фактараў, сярод якіх і шырокая распаўсюджанасць матэрыялаў, з якіх яны вырабляюцца, і лёгкасць апрацоўкі і атрымання жаданага выніку, і іншыя тэхнічныя асаблівасці, дзякуючы якім выбар навукоўцаў, распрацоўвалі электронную тэхніку, спыніўся на іх.

заключэнне

Мы падрабязна разгледзелі, што такое паўправаднікі, як яны працуюць. У аснове іх супраціву закладзеныя складаныя фізіка-хімічныя працэсы. І можам вас паведаміць, што апісаныя ў рамках артыкула факты не дадуць у поўнай меры зразумець, што такое паўправаднікі, па той простай прычыне, што нават навука не вывучыла асаблівасці іх работы да канца. Але нам вядомыя іх асноўныя ўласцівасці і характарыстыкі, якія і дазваляюць нам прымяняць іх на практыцы. Таму можна пашукаць матэрыялы паўправаднікоў і самому паэксперыментаваць з імі, пры асцярожнасці. Хто ведае, магчыма, у вас дрэмле вялікі даследчык ?!