Полупроводники (16.03.2020 г.)

Исследования, проводимые на протяжении столетий, позволили выделить класс материалов и веществ, относящихся к полупроводникам. Эти соединения нашли широкое использование в жизни и деятельности человека, но характеризуются меньшей электропроводностью, чем металлические проводники.

Основное отличие этих элементов от проводников и изоляторов в том, что в полупроводниках между валентной областью и областью проводимости обнаруживается запрещенная зона энергий. Главное свойство этих элементов заключается в увеличении проводимости с одновременным увеличением температуры.

В природе встречается множество веществ, относящихся к этому классу. В основном в их составе элементы таблицы Менделеева из 3–7-й групп и сернистые соединения. Выделяют таллий, кадмий, также это серебро, углерод, мышьяк, йод, фосфор, бор, олово и другие элементы.

Механизм проводимости

В кристаллах вещества – полупроводника устанавливаются ковалентные связи, когда один электрон оказывается объединен атомами. Электрону требуется некая энергия для высвобождения от атомов. Энергия нарастает при увеличении температуры, именно тогда высвобождаются свободные электроны. Электрическое сопротивление одновременно уменьшается, появляются условия для электрической проводимости.

Когда связь электрона с ядром оказывается разорванной, в оболочке электрона освобождается место. Электрон переходит на следующий атом, у которого есть свободное место, процесс повторяется. Осуществляется передвижение заряда со знаком плюс без передвижения атома. Данный положительный заряд называется дырой.

Для характеристики полупроводников важно понятие энергетической зоны или нескольких зон в совокупности. Разрешенная зона образовывается из-за распада структур отдельного атома. Верхний уровень энергии разрешенной зоны определяется как потолок, нижний – как дно. Валентные электроны при распаде создают валентную зону. Уровни, освободившиеся от электронов, в процессе расщепления образуют несколько зон, самая нижняя из них – зона проводимости.

Виды полупроводников

Классифицируются элементы по характеру проводимости:

• собственная проводимость, когда электроны и дыры образовываются после процесса ионизации и соединяются с теми атомами, из которых выстроен кристалл;

• примесная проводимость, кристаллы изготавливаются из трех или пятивалентных элементов.

В зависимости от типа проводимости элементы классифицируются следующим образом:

• электронные, имеющие примесное или по-другому донорное образование. Например, в кремний можно добавить мышьяк, между атомами и электронами этих веществ устанавливаются ковалентные связи. Образуется большое количество свободных электронов, этот тип полупроводника повторяет технологию проводимости тока металлами;

• дырочные, также образующиеся при помощи соединения акцепторных веществ, к примеру, кремния и индия. Вследствие их взаимодействия образуется ион, который заряжен со знаком минус, это приводит к возникновению дыры.

Элементы разделяются по химическому составу:

• полупроводники, состоящие из атомов единого элемента, например, германия, селена или кремния;

• материалы, полученные из окислов металлов: окись цинка, титана или никеля, а также подобные соединения;

• полупроводники на базе соединений атомов 3-й и 5-й групп системы Менделеева: антимониды индия или галлия;

• соединения серы, и меди, а также кадмия и свинца: сульфиды и селениды.

Сферы применения

Диоды и триоды, относящиеся к полупроводникам, заменяют электрические лампы. Они не требуют много энергии и экономичны в использовании. Источники питания для диодов и триодов могут обладать небольшими габаритами.

Полупроводниковые материалы применяются для измерения светового потока, степени освещенности, качества звука. Термисторы служат в целях измерения температуры в тех средах, где обычные градусники не работают. Термисторы способны регулировать температуру, а также ограничивать начальные значения силы тока в различных устройствах.

Варисторы применяются для защиты электрических соединений и цепей от напряжений, например, от грозы.