Przeczytaj
Warto przeczytać
Ze względu na właściwości elektryczne i możliwości zastosowania w elektrotechnice i elektronice materiały dzieli się na trzy podstawowe rodzaje: przewodniki, półprzewodniki i izolatory. Półprzewodniki to materiały, których właściwości elektryczne, w szczególności opór elektryczny, można zmieniać w dosyć szerokim zakresie, przede wszystkim poprzez wprowadzenie domieszek, także przez ogrzewanie, oświetlanie itd. Możliwość modyfikowania właściwości pozwala na bardzo szerokie zastosowanie półprzewodników do przetwarzania sygnałów elektrycznych. Na przykład: do „prostowania” prądu, do wzmacniania sygnałów elektrycznych, sterowania prądami, do zamiany prądu na światło i światła na prąd elektryczny. Także działanie wszelkiego typu procesorów komputerowych, mikroprocesorów, chipów, pamięci półprzewodnikowych wynika z właściwości półprzewodników.
Wielkościami fizycznymi, które pozwalają zakwalifikować dany materiał do półprzewodników, są opór elektryczny właściwy i szerokość energetycznej przerwy wzbronionej.
Opór elektryczny właściwy jest miarą zdolności materiału do stawiania oporu przepływającemu prądowi elektrycznemu, oznacza się go literą i możemy opisać ją wzorem:
gdzie: – opór elektryczny materiału, – pole przekroju poprzecznego elementu, – długość elementu. Jednostką oporu właściwego jest omegam.
Podział materiałów ze względu na opór elektryczny właściwy:
Materiały | metale | półprzewodniki | izolatory |
---|---|---|---|
Typowy opór elektryczny właściwy (omegam) | 10Indeks górny -6-6-10Indeks górny -8-8 | 1‑10Indeks górny 44 | 10Indeks górny 88-10Indeks górny 2323 |
Tab. 1. Opór elektryczny właściwy metali, półprzewodników i izolatorów
Jak widać (Tab. 1.) opór właściwy materiałów leży w bardzo szerokim zakresie – różnica między metalami a izolatorami przekracza 30 rzędów wielkości. Nawet opór właściwy danego materiału może zawierać się w dosyć szerokim zakresie (np. dla diamentu jest podawany w zakresie od 10Indeks górny 1111 omegam do 10Indeks górny 1818 omegam). Różnice te wynikają ze sposobu otrzymywania materiału, powstałych defektów struktury krystalicznej, stopnia zanieczyszczenia itp.
W półprzewodnikach opór elektryczny zmienia się przede wszystkim przez wprowadzanie domieszek, które zwiększają ilość nośników prądu elektrycznego. Wprowadzenie w sposób kontrolowany domieszek zmienia opór elektryczny półprzewodnika o kilka rzędów wielkości.
Energetyczna przerwa wzbroniona określa energię, jaką muszą uzyskać elektrony związane z atomem, aby stały się elektronami swobodnymi i stały się nośnikami prądu. Zgodnie z pasmową teorią przewodnictwapasmową teorią przewodnictwa jest to energia, jaką muszą uzyskać elektrony mające energię odpowiadającą pasmu walencyjnemu, aby uzyskać energię odpowiadającą pasmu przewodnictwa. Jest to również minimalna energia, jaką wyemituje elektron, najczęściej w formie promieniowania elektromagnetycznego, przechodząc ze stanu energetycznego z zakresu pasma przewodnictwa do stanu energetycznego z zakresu pasma walencyjnego. Wartość przerwy wzbronionej decyduje o ilości nośników swobodnych, a zatem istotnie wpływa na opór elektryczny właściwy. Koncentracja nośników w metalach jest rzędu 10Indeks górny 2222 w centymetrze sześciennym, w półprzewodnikach samoistnychpółprzewodnikach samoistnych w temperaturze pokojowej w zależności od materiału wynosi od 10Indeks górny 66 do 10Indeks górny 1010 w jednym centymetrze sześciennym, w domieszkowanychdomieszkowanych uzyskuje się od 10Indeks górny 1212 aż do 10Indeks górny 2020 w centymetrze sześciennym.
Z teorii pasmowej przewodnictwateorii pasmowej przewodnictwa wynika, że elektrony walencyjne, które zyskały energię odpowiadającą pasmu przewodnictwa – „przechodząc” do pasma przewodnictwa, pozostawiają w pasmie walencyjnym wolny stan energetyczny. Umożliwia to zajęcie tego stanu przez inne elektrony o energii z zakresu poziomu walencyjnego. Zjawisko to może być opisane jako ruch dodatnich nośników prądu – czyli dziur (Rys. 1.). W półprzewodnikach istnieją zatem dwa rodzaje nośników prądu: elektrony i dziury mające właściwości nośników o dodatnim ładunku elektrycznym.
Podział materiałów ze względu na energetyczną przerwę wzbronioną:
Materiały | metale | półprzewodniki | izolatory |
---|---|---|---|
Typowa przerwa wzbroniona (eV) | nie występuje | 0,1‑3 eV | większa niż 3 eV |
Dla najczęściej stosowanych półprzewodników szerokość przerwy wzbronionej wynosi około 1 eV:
german – 0,67 eV,
krzem – 1,12 eV,
arsenek galu 1,43 eV.
W praktyce jako półprzewodnik stosuje się materiały o szerokości przerwy wzbronionej od ułamka elektronowolta do kilku elektronowoltów.
Jako półprzewodniki stosuje się również materiały o przerwie wzbronionej i oporze elektrycznym właściwym wykraczającymi poza umownie przyjęte granice. Między innymi diament, o przerwie wzbronionej około 5 eV i oporze elektrycznym właściwym około 10Indeks górny 1111-10Indeks górny 1313 omegam, dzięki odporności termicznej i cieplnej jest stosowany w tranzystorach, licznikach krystalicznych oraz tyrystorachtyrystorach pracujących w wysokiej temperaturze – do 500°C. Azotek glinu, o szerokości przerwy wzbronionej 6,2 eV i oporze właściwym około 10Indeks górny 1111-10Indeks górny 1313 omegam, znalazł zastosowanie w optoelektronice nadfioletu.
Słowniczek
(ang.: intrinsic semiconductor) półprzewodnik, którego materiał jest idealnie czysty, bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej. W przypadku pierwiastków występuje tylko jeden rodzaj atomów, a w przypadku związków półprzewodnikowych - liczba łączących się atomów dwóch pierwiastków jest jednakowa.
(ang.: doped semiconductors) są materiałami, do których zostały wprowadzone atomy pierwiastków, różniących się wartościowością od atomów budujących półprzewodnik samoistny. Zamiana atomu półprzewodnika na odpowiedni atom domieszki powoduje pojawienie się nadmiaru bądź niedoboru elektronów, co w konsekwencji prowadzi do wzrostu liczby nośników prądu elektrycznego (elektronów lub dziur) i tym samym spadku oporu właściwego półprzewodnika w danej temperaturze. W związkach półprzewodnikowych efekt domieszkowania można osiągnąć poprzez niejednakową ilość atomów łączących się pierwiastków. https://eszkola.pl/fizyka/polprzewodniki-domieszkowe-3841.html
(ang.: electronic band structure, band structure) teoria kwantowa, stosowana do opisu struktury elektronowej w ciele stałym. Model pasmowy przedstawia graficznie zakresy stanów dozwolonych i wzbronionych elektronowych pasm energetycznych w materiale (Encyklopedia szkolna fizyka, wyd. Zielona Sowa 2006).
(ang.: thyristor) element półprzewodnikowy składający się z 4 warstw w układzie p‑n-p‑n. Jest on wyposażony w 3 elektrody, z których dwie są przyłączone do warstw skrajnych, a trzecia do jednej z warstw środkowych – warstwy typu p (Wikipedia).