Структура полупроводников

Полупроводники являются фундаментом современной электроники, обеспечивая функциональность и компактность большинства электронных приборов. В статье описаны свойства примесных проводников, различие электронной и дырочной проводимости, а также применение полупроводников в схемотехнике. Более подробно устройство полупроводниковых приборов можно изучить во время очного обучения электронике.

Собственные и примесные полупроводники

Полупроводник — материал, электропроводность которого хуже проводников, но лучше диэлектриков. То есть он частично пропускает электроны из валентной зоны в зону проводимости. В зависимости от наличия примесей полупроводники делятся на две категории:

• собственные
• примесные

Собственные полупроводники, такие как кремний и германий, не содержат примесей, поэтому их электрические характеристики полностью определяются особенностями самого материала. Поскольку в чистом полупроводнике отсутствуют свободные заряды, при нулевой температуре способность проводить ток исчезает. Когда температура повышается, ковалентные связи в кристаллической решётке чистого полупроводника разрушаются, что приводит к образованию электронно-дырочных пар. Таким образом, электропроводность тесно связана с температурой материала.

Примесные или внешние полупроводники получают легированием чистых полупроводников небольшим количеством примесных атомов. Существует два вида примесных полупроводников:

• n-типа
• p-типа

Доноры и акцепторы

Полупроводниковые материалы n-типа образуются путём внесения в кристаллическую структуру донорных примесей (фосфор), содержащих большое количество валентных электронов по сравнению с материалом полупроводника. Основные носители заряда такого типа полупроводников — электроны.

При изготовлении полупроводников p-типа в кристаллическую структуру добавляют акцепторные примеси (бор), имеющие на один электрон меньше по сравнению с основным материалом. Полупроводники такого типа принимают электроны, а значит создают больше вакантных мест для проводимости. Поэтому в роли основных носителей выступают отсутствующие ковалентные связи или “дырки”.

Кристаллическая решётка кремния

Кремний формирует кубическую кристаллическую структуру, где каждый атом образует четыре ковалентные связи с соседними такими же атомами. При добавлении каких-либо примесей структура кремния остаётся неизменной, зато меняется число носителей заряда.

Для понимания разницы между полупроводниками n-типа и p-типа, можно представить строение кристаллической решётки кремния на рисунках 1 и 2.

Рис.1

Рис.2

Так, атом фосфора (рис.1), встроенный в кристаллическую решётку кремния, имеет один лишний электрон в сравнении с атомом кремния. В таком случае фосфор называется донором. Атом бора (рис.2) имеет одно вакантное место для электрона или “дырку”, поэтому его можно назвать акцептором. Атомы бора в этом случае являются акцепторной примесью.

Электронная и дырочная проводимость

Теперь разберёмся, как работает проводимость. Проводимость зависит от движения заряженных частиц в материале. Полупроводники имеют небольшую запрещённую энергетическую зону (в этой зоне электроны не могут находиться) в отличие от диэлектриков. Электроны поглощают достаточное количество энергии для преодоления запрещенной зоны. Этот факт позволяет им перепрыгивать из валентной зоны, полностью заполненной электронами, в зону проводимости, в которой электроны имеют возможность свободно двигаться. Достигнув зоны проводимости, с учётом приложенного электрического поля, электроны начнут направленное движение, создавая ток.

Проводимость определяется основными носителями, поэтому полупроводниковые материалы n-типа обладают электронной проводимостью. Введение донорных примесей в состав полупроводника повышает его электропроводность путём увеличения количества свободных электронов.

Дырочная проводимость связана с движением вакансий в валентной зоне, которые ведут себя фактически как носители положительного заряда. Когда электрон перемещается в зону проводимости, он оставляет после себя “дырку”. Отсутствие электрона провоцирует соседние электроны заполнить эту вакансию. Таким образом “дырка” передвигается в валентной зоне. Если подключить электрическое поле, электроны в валентной зоне начнут двигаться против его направления. Это приведёт к тому, что “дырки” будут перемещаться в сторону поля и создадут ток.

Полупроводники p-типа в качестве основных носителей имеют “дырки”. Чтобы усилить их влияние и тем самым улучшить проводимость материала за счёт дырок, в состав полупроводника вводят акцепторные примеси.

Применение полупроводников в электронике

Полупроводники являются сердцем любого электронного устройства. Из них производят микропроцессоры, необходимые для обеспечения вычислительных функций компьютера, различные микросхемы памяти, а также графические процессоры.

Полупроводниковые материалы присутствуют практически во всех устройствах бытовой электроники: светодиодные экраны телевизоров, различные термостаты, камеры видеонаблюдения, использующие датчики на основе полупроводников.

Помимо всего прочего, телекоммуникационная отрасль в значительной степени зависит от производства полупроводников. Станции для обеспечения жителей городов беспроводным интернетом используют полупроводниковые чипы для обработки сигналов.

Полупроводниковый диод

Выводы

• Понимание физических основ полупроводниковых материалов чрезвычайно важно для любого специалиста, занимающегося электронными приборами.
• Полупроводники используются в транзисторах, диодах, интегральных схемах и в других компонентах промышленной электроники.
• Отличие донорной от акцепторной примесей полупроводников в том, что в кристаллическую решетку 4-х валентного кремния добавляют пяти и четырех валентные материалы.