О чем статья
Введение
Добро пожаловать на лекцию по полупроводникам! В этой лекции мы рассмотрим основные понятия и свойства полупроводников, а также их применение в электронике. Полупроводники играют важную роль в современных технологиях и устройствах, поэтому понимание их основных принципов является необходимым для всех, кто интересуется физикой и электроникой. Давайте начнем!
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Что такое полупроводники
Полупроводники – это материалы, которые обладают свойствами проводить электрический ток, но не так хорошо, как металлы, и не так плохо, как изоляторы. Они занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами в терминах проводимости.
Основным свойством полупроводников является то, что их проводимость может быть изменена путем добавления примесей или изменения температуры. Это делает полупроводники очень полезными в электронике, где они используются для создания различных устройств, таких как транзисторы, диоды и солнечные батареи.
Собственная проводимость полупроводников
Собственная проводимость полупроводников – это способность полупроводников проводить электрический ток без добавления примесей. Она обусловлена наличием свободных электронов и дырок в кристаллической решетке полупроводника.
В кристаллической решетке полупроводника атомы упорядочены в определенном порядке. Валентные электроны, которые находятся на внешнем энергетическом уровне атома, образуют связи с соседними атомами. Однако, некоторые из этих электронов могут приобрести достаточно энергии, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень и стать свободными электронами.
Также, в кристаллической решетке могут образовываться дырки – отсутствие электрона на месте, где он должен быть. Дырки могут двигаться в кристаллической решетке, заполняясь электронами из соседних атомов.
Собственная проводимость полупроводников возникает благодаря движению свободных электронов и дырок под воздействием электрического поля. При наличии электрического поля, свободные электроны будут двигаться в направлении положительного электрического поля, а дырки – в направлении отрицательного электрического поля.
Однако, собственная проводимость полупроводников невелика по сравнению с металлами, так как количество свободных электронов и дырок в полупроводниках невелико. Поэтому, для увеличения проводимости полупроводников, применяются примеси, которые добавляются в кристаллическую решетку полупроводника.
Примесная проводимость полупроводников
Примесная проводимость полупроводников – это способность полупроводников проводить электрический ток после добавления примесей в кристаллическую решетку. Примеси – это атомы других элементов, которые замещают атомы в кристаллической решетке полупроводника.
Добавление примесей в полупроводник может привести к двум типам проводимости: n-тип и p-тип.
n-тип полупроводники
В n-типе полупроводников примеси добавляются таким образом, что они создают свободные электроны. Эти примеси называются донорами, так как они “дарят” свободные электроны полупроводнику. Примером донорных примесей являются фосфор (P), арсен (As) и антимон (Sb).
Когда донорные примеси добавляются в полупроводник, они замещают атомы в кристаллической решетке и создают свободные электроны. Эти свободные электроны могут двигаться под воздействием электрического поля и создавать электрический ток.
p-тип полупроводники
В p-типе полупроводников примеси добавляются таким образом, что они создают дырки – отсутствие электрона на месте, где он должен быть. Эти примеси называются акцепторами, так как они “принимают” электроны от полупроводника, создавая дырки. Примерами акцепторных примесей являются бор (B), галлий (Ga) и индий (In).
Когда акцепторные примеси добавляются в полупроводник, они замещают атомы в кристаллической решетке и создают дырки. Эти дырки могут двигаться под воздействием электрического поля и создавать электрический ток.
Таким образом, примесная проводимость полупроводников возникает благодаря свободным электронам и дыркам, созданным добавлением примесей в кристаллическую решетку. Количество свободных электронов и дырок в полупроводнике зависит от концентрации примесей и может быть контролируемо изменено для различных приложений в электронике.
Различия между собственной и примесной проводимостью
Собственная проводимость полупроводников и примесная проводимость полупроводников – это два разных механизма, которые позволяют полупроводникам проводить электрический ток. Вот основные различия между ними:
Собственная проводимость
Собственная проводимость полупроводников возникает из-за наличия свободных электронов и дырок в кристаллической решетке полупроводника. В чистом полупроводнике, без добавления примесей, проводимость обусловлена тепловым возбуждением электронов из валентной зоны в зону проводимости.
Валентная зона – это энергетическая зона, в которой находятся электроны, связанные с атомами в кристаллической решетке. Зона проводимости – это энергетическая зона, в которой электроны могут свободно двигаться и создавать электрический ток.
При повышении температуры электроны в валентной зоне получают больше энергии и могут переходить в зону проводимости, создавая свободные электроны и дырки. Эти свободные электроны и дырки могут двигаться под воздействием электрического поля и создавать электрический ток.
Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников возникает после добавления примесей в кристаллическую решетку полупроводника. Примеси – это атомы других элементов, которые замещают атомы в кристаллической решетке.
Добавление примесей может создать два типа проводимости: n-тип и p-тип. В n-типе полупроводников примеси создают свободные электроны, а в p-типе полупроводников примеси создают дырки.
Примесная проводимость полупроводников основана на наличии свободных электронов и дырок, созданных примесями. Эти свободные электроны и дырки могут двигаться под воздействием электрического поля и создавать электрический ток.
Различия
Основные различия между собственной и примесной проводимостью полупроводников:
- Собственная проводимость возникает в чистом полупроводнике, без добавления примесей, в результате теплового возбуждения электронов. Примесная проводимость возникает после добавления примесей в кристаллическую решетку.
- Собственная проводимость зависит от температуры, при повышении температуры возрастает количество свободных электронов и дырок. Примесная проводимость зависит от концентрации примесей, при увеличении концентрации примесей возрастает количество свободных электронов или дырок.
- Собственная проводимость может быть контролируемо изменена путем изменения температуры. Примесная проводимость может быть контролируемо изменена путем изменения концентрации примесей.
- Собственная проводимость является внутренней проводимостью полупроводника. Примесная проводимость является внешней проводимостью, созданной добавлением примесей.
Оба типа проводимости – собственная и примесная – играют важную роль в электронике и позволяют создавать различные устройства и компоненты, такие как диоды, транзисторы и интегральные схемы.
Факторы, влияющие на проводимость полупроводников
Проводимость полупроводников зависит от нескольких факторов, которые определяют, насколько хорошо полупроводник может проводить электрический ток. Вот основные факторы, влияющие на проводимость полупроводников:
Температура
Температура является одним из основных факторов, влияющих на проводимость полупроводников. При повышении температуры, количество свободных электронов и дырок в полупроводнике увеличивается. Это происходит из-за теплового возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости. Более высокая температура также увеличивает скорость движения свободных электронов и дырок, что способствует более эффективной проводимости.
Концентрация примесей
Добавление примесей в полупроводник может значительно изменить его проводимость. Примеси могут быть либо донорными, либо акцепторными. Донорные примеси добавляют свободные электроны в полупроводник, что увеличивает его проводимость. Акцепторные примеси создают дырки в полупроводнике, что также увеличивает его проводимость. Концентрация примесей определяет количество свободных электронов или дырок, что влияет на общую проводимость полупроводника.
Размер и форма полупроводника
Размер и форма полупроводника также могут влиять на его проводимость. Более крупные полупроводники имеют большую поверхность, что позволяет большему количеству свободных электронов и дырок двигаться и создавать электрический ток. Форма полупроводника также может влиять на его проводимость, поскольку форма может влиять на эффективность движения свободных электронов и дырок.
Примесные уровни
Примесные уровни в полупроводнике также могут влиять на его проводимость. Примесные уровни – это энергетические уровни, созданные примесями в зоне запрещенных полупроводника. Эти уровни могут быть ближе к зоне проводимости или валентной зоне, что может способствовать более эффективной проводимости. Примесные уровни могут также влиять на переходы электронов между зоной проводимости и валентной зоной, что может изменить проводимость полупроводника.
Все эти факторы влияют на проводимость полупроводников и могут быть контролируемо изменены для создания полупроводниковых устройств с определенными характеристиками и свойствами.
Применение полупроводников в электронике
Полупроводники играют ключевую роль в современной электронике и используются во множестве устройств и систем. Вот некоторые из основных областей применения полупроводников в электронике:
Транзисторы
Транзисторы являются одним из самых важных и широко используемых полупроводниковых устройств. Они служат ключевыми элементами в усилителях, логических схемах и микропроцессорах. Транзисторы позволяют управлять электрическим током и выполнять функции усиления и коммутации сигналов.
Диоды
Диоды – это еще один важный тип полупроводниковых устройств. Они позволяют электрическому току протекать только в одном направлении. Диоды используются в источниках питания, выпрямителях, светодиодах и других устройствах, где необходим контроль направления тока.
Солнечные батареи
Солнечные батареи, или фотоэлектрические элементы, используют полупроводники для преобразования солнечной энергии в электрическую. Они состоят из слоев полупроводников, которые поглощают фотоны света и генерируют электрический ток. Солнечные батареи широко применяются для получения электроэнергии в солнечных электростанциях и на крышах зданий.
Лазеры
Лазеры – это устройства, которые генерируют узконаправленный и когерентный свет. Они используют полупроводники, такие как галлиевый арсенид или галлиевый арсенид/галлиевый алюминид, для создания активной среды, которая излучает свет при прохождении электрического тока. Лазеры широко применяются в науке, медицине, коммуникациях и других областях.
Интегральные схемы
Интегральные схемы (ИС) – это микросхемы, которые содержат множество полупроводниковых компонентов, таких как транзисторы, диоды и резисторы, на одном кристалле. ИС используются во всех электронных устройствах, от компьютеров и мобильных телефонов до автомобилей и бытовой техники. Они позволяют упаковать большое количество функциональности в небольшом и энергоэффективном форм-факторе.
Это лишь некоторые из множества областей, в которых применяются полупроводники в электронике. Благодаря своим уникальным свойствам и возможности контролировать их проводимость, полупроводники стали неотъемлемой частью современных технологий и устройств.
Таблица сравнения собственной и примесной проводимости полупроводников
| Свойство | Собственная проводимость | Примесная проводимость |
|---|---|---|
| Определение | Проводимость, обусловленная наличием свободных электронов и дырок в полупроводнике без примесей | Проводимость, обусловленная наличием примесных атомов, которые вносят дополнительные электроны или дырки в полупроводник |
| Тип носителей заряда | Электроны и дырки | Электроны или дырки, в зависимости от типа примеси (донорная или акцепторная) |
| Зависимость от температуры | Увеличение температуры приводит к увеличению числа свободных носителей заряда и, следовательно, к увеличению проводимости | Увеличение температуры приводит к увеличению числа примесных носителей заряда и, следовательно, к увеличению проводимости |
| Применение | Собственные полупроводники используются в различных электронных компонентах, таких как диоды и транзисторы | Примесные полупроводники используются для создания p-n переходов и управления электрическими свойствами полупроводниковых устройств |
Заключение
Полупроводники – это материалы, которые обладают промежуточными свойствами между проводниками и диэлектриками. Они могут проводить электрический ток как в условиях собственной проводимости, так и при наличии примесей. Собственная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов и дырок, которые могут перемещаться под воздействием электрического поля. Примесная проводимость возникает при добавлении примесей, которые могут либо увеличивать, либо уменьшать проводимость материала. Проводимость полупроводников зависит от таких факторов, как температура, концентрация примесей и наличие дефектов в кристаллической структуре. Полупроводники широко используются в электронике для создания полупроводниковых приборов, таких как транзисторы, диоды и интегральные схемы.
