Полупроводники были известны как класс еще с 19 века, задолго до изобретения первого транзистора и даже диода. Так выглядит кристалл кремния, из которого путем глубокой очистки получается основа для производства полупроводниковых приборов. Очистка должна быть настолько тщательной, что на десять миллиардов атомов кремния допустимо не более одного (!) атома примеси.
Кристалл кремния
В ту эпоху полупроводники еще не нашли своего применения в электронной технике, и считались бесполезными. Действительно, если требуется проводник, то лучше взять медь, алюминий, а если требуется диэлектрик то, фарфор, слюду или стекло.
Электрические свойства материалов
Полупроводники, по своим свойствам, это и плохие диэлектрики и плохие проводники. Но без полупроводников не было бы современной электронной техники. Из полупроводников широко используются Кремний, Галлий, Германий и Селен. Все атомы, как известно, соединяются в молекулы.
Рисунок объединения атомов в молекулу
Только с изобретением полупроводников стало возможным значительно уменьшить размеры электронной техники. Вся современная электронная техника, будь то диод, транзистор, микросхема или новейший микропроцессор создана благодаря открытию полупроводников. Для примера, простейшая ламповая ЭВМ, далеко не сравнимая по мощности с современными компьютерами, занимала несколько комнат, причем надежность её была низкой.
Ламповая ЭВМ
Электропроводность полупроводника сильно зависит от температуры и излучения (например светового).
Атомы с кристаллической решеткой
Германий и кремний имеют по четыре валентных электрона, они находятся во внешних слоях оболочек атома. И кремний и германий являются алмазоподобными кристаллами. Их валентные электроны имеют единые орбиты.
Рисунок единые орбиты электронов
Если в расплавленный кремний ввести атомы мышьяка (или фосфора) имеющего валентность пять, то есть 5 электронов на внешних слоях атома, 4 электрона атома мышьяка займут свое место в кристаллической решетке.
Донорные и акцепторные примеси
Если концентрация электронов в полупроводнике значительно превышает концентрацию дырок, то основные носители заряда электроны, если же в полупроводнике преобладают дырки, то основные носители дырки. Те же электроны, которые не смогли занять место в кристаллической решетке, им просто не хватило места, становятся свободными. Говорят, что в таком случае кремний стал полупроводником n – типа. Атом Мышьяка выступил в роли «донорной” примеси.
Рисунок с электроном и дыркой
Ток в полупроводниках, может осуществляться, не только за счет электронов, но и за счет «дырок”. Что же такое «дырка”? Если в расплавленный кремний или германий ввести немного Индия, который имеет валентность три электрона на внешних слоях атома, то он также займет свое место в кристаллической решетке, правда у него имеются только 3 электрона, и он будет вынужден забрать 1 электрон у атома кремния.
Таким образом образовалась «дырка” или положительный заряд. Такая примесь называется «акцепторной” и создает в атоме дырочную проводимость. Принято говорить, что такой полупроводник становится р – типа.
Если к выводам такого полупроводника приложить напряжение, то он начинает проводить ток! При этом электроны начинают притягиваться положительным полюсом источника тока, (как мы помним разноименные заряды притягиваются) они уходят из полупроводника в источник тока и оставляют позади себя дырки и при этом создается такая картина, что электроны двигаются к плюсу, а дырки к минусу, что и видно на приведенном ниже рисунке.
Как двигаются электроны и дырки в полупроводнике
В освободившиеся дырки у отрицательного полюса «впрыгивают” электроны и начинают свое движение к положительному полюсу. В полупроводнике, пока к нему не подключен источник тока, дырки и электроны блуждают хаотически и только с подачей напряжения начинают двигаться упорядоченно. Проводимость бывает собственная и примесная. В полупроводниках с собственной проводимостью количество дырок примерно равно количеству свободных электронов. Примесная проводимость, как и было рассказано выше появляется путем введения в кристалл полупроводника трех или пяти валентной примеси. Используются при создании электронных приборов полупроводники с примесной проводимостью. На следующем рисунке изображено добавление фосфора, пятивалентного элемента в атомы германия:
Свободный электрон германий
Чем больше в атом кремния введено атомов мышьяка, тем больше в нем становится свободных электронов способных создавать ток. Такой проводник становится проводником n – типа. Соответственно, чем больше в атом кремния введено атомов индия, тем больше будет в нем количество «дырок”, электроны в этих полупроводниках двигаются от дырки к дырке. Такие полупроводники, как писалось выше, становятся полупроводниками p –типа. Электропроводность полупроводников с введенными в них примесями, становится выше в несколько раз, по сравнению с чистыми полупроводниками. Полупроводники позволяют преобразовывать тепловую энергию и энергию света в электрическую. Они могут работать и как охлаждающие элементы:
Полупроводниковые охлаждающие батареи
И как преобразущие в электроэнергию тепло.
Термоэлектрогенератор
Для питания устройства на лампах необходимо питание от сети либо громоздкий аккумулятор, для питания же устройства на транзисторах достаточно небольшой батареи питания. Появление полупроводниковых транзисторов позволило значительно уменьшить размеры радиоприемников:
На фото ламповый радиоприемник. Ниже изображен транзисторный радиоприемник, разница в размерах, как все знают, существенная — в 10-100 раз.
Если бы в свое время не были открыты полупроводники, а позднее транзисторы, которые входят в состав любой микросхемы, не было бы очень многих технических достижений, полётов в космос, компьютеров, не говоря уже о таких устройствах как мобильный телефон и планшетный компьютер. Изобретение транзистора в 1948 году учеными Браттейн, Бардин и Шокли означало новую эру в электронной технике, эру полупроводников. Так выглядел первый транзистор:
Фото первый транзистор
А вот так выглядит выпущенный позднее советский транзистор МП39-МП42 со спиленным корпусом.
Транзистор с открытым корпусом
С тех пор полупроводниковые приборы и в частности транзисторы сильно эволюционировали:
Фото современных транзисторов
На фото изображены сверху вниз: транзистор большой мощности, средней мощности, малой мощности и транзистор в SMD исполнении. В общем можно смело утверждать, что не будь в природе полупроводниковых материалов, мы бы до сих пор пользовались ламповыми приёмниками и усилителями, а про смартфоны и планшеты никто бы и не мечтал.
Таблица типов проводимости полупроводников
| Тип проводимости | Описание | Основные носители заряда | Примеры материалов | Применение |
|---|---|---|---|---|
| n-типа | Проводимость возникает за счет добавления донорных примесей, увеличивающих концентрацию электронов. | Электроны | Кремний с примесью фосфора, сурьмы, мышьяка. | Транзисторы, диоды, интегральные схемы. |
| p-типа | Проводимость создается за счет акцепторных примесей, создающих дырки как основные носители заряда. | Дырки | Кремний с примесью бора, алюминия, галлия. | Составные транзисторы, светодиоды. |
| Собственная | Характерна для чистых полупроводниковых материалов, где электроны и дырки образуются за счет тепловой генерации. | Электроны и дырки (равные концентрации). | Чистый кремний, чистый германий. | Датчики температуры, исследования в физике. |
| Компенсированная | Проводимость, при которой концентрация донорных и акцепторных примесей сбалансирована. | Электроны или дырки в зависимости от баланса. | Полупроводники с добавлением смешанных примесей. | Специализированные устройства, например, сенсоры. |
| Поверхностная | Проводимость обусловлена эффектами на поверхности материала, такими как адсорбция газа или электрическое поле. | Электроны или дырки на поверхности. | Оксиды металлов, кремний. | Газовые сенсоры, полевые транзисторы. |
| Фотопроводимость | Возникает при освещении материала, что приводит к генерации электронно-дырочных пар. | Электроны и дырки. | Селен, теллур, кремний. | Фотоэлементы, солнечные панели, фотодиоды. |
| Термоэлектрическая | Проводимость возникает за счет температурного градиента, приводящего к движению носителей заряда. | Электроны или дырки. | Висмут-теллурид, свинцовый теллурид. | Термопары, термоэлектрогенераторы. |
Примечания к типам проводимости:
- n-типа и p-типа: используются для создания pn-переходов, ключевых элементов полупроводниковых приборов.
- Собственная проводимость: проявляется при высоких температурах или в идеальных условиях экспериментов.
- Фотопроводимость и термоэлектрическая проводимость: основаны на внешних воздействиях, таких как свет или тепло, и имеют нишевое применение.
