В этом посте мы подробно узнаем об основных принципах работы полупроводниковых устройств и о том, как внутренняя структура полупроводников функционирует под влиянием электричества.
Значение удельного сопротивления между этими полупроводниковыми материалами не имеет ни полной характеристики проводника, ни полного изолятора, оно находится между этими двумя пределами.
Эта особенность может определять полупроводниковые свойства материала, однако было бы интересно узнать, как полупроводник работает между проводником и изолятором.
Удельное сопротивление
Согласно закону Ома, электрическое сопротивление электронного устройства определяется как отношение разности потенциалов на компоненте к току, протекающему через компонент.
Теперь при измерении сопротивления может возникнуть одна проблема: его значение изменяется по мере изменения физических размеров резистивного материала.
Например, когда резистивный материал увеличивается в длине, его значение сопротивления также увеличивается пропорционально.
Точно так же, когда его толщина увеличивается, его значение сопротивления пропорционально уменьшается.
Здесь необходимо определить материал, который может указывать на свойство проводимости или противодействия электрическому току независимо от его размера, формы или внешнего вида.
Величина для выражения этого конкретного значения сопротивления известна как удельное сопротивление, которое имеет синбол ρ, (Rho)
Единицей измерения удельного сопротивления является Ом-метр (Ом · м), и его можно понимать как параметр, обратный проводимости.
Чтобы сравнить удельные сопротивления нескольких материалов, их классифицируют на 3 основные категории: проводники, изоляторы и полупроводники. В таблице ниже представлены необходимые сведения:
Как вы можете видеть на приведенном выше рисунке, существует незначительная разница в удельном сопротивлении проводников, таких как золото и серебро, тогда как может быть значительная разница в удельном сопротивлении между изоляторами, такими как кварц и стекло.
Это связано с их реакцией на температуру окружающей среды, что делает металлы более эффективными проводниками, чем изоляторы.
Дирижеры
Из приведенной выше диаграммы мы понимаем, что проводники имеют наименьшее удельное сопротивление, которое обычно может быть в микроомах / метр.
Из-за их низкого удельного сопротивления электрический ток может легко проходить через них из-за наличия большого количества электронов.
Однако эти электроны могут быть вытолкнуты только тогда, когда их давление на проводник, и это давление может быть сформировано путем приложения напряжения к проводнику.
Таким образом, когда к проводнику прикладывают положительную / отрицательную разность потенциалов, свободные электроны каждого атома проводника вынуждены отделяться от своих родительских атомов, и они начинают дрейфовать внутри проводника, что обычно называется течением тока. .
Степень, с которой эти электроны могут перемещаться, зависит от того, насколько легко они могут быть освобождены от своих атомов в ответ на разницу напряжений.
Металлы обычно считаются хорошими проводниками электричества, а среди металлов золото, серебро, медь и алюминий являются лучшими проводниками.
Поскольку у этих проводников очень мало электронов в валентной зоне их атомов, они легко вытесняются разностью потенциалов, и они начинают прыгать от одного атома к другому в процессе, называемом «эффектом домино», в результате чего через дирижер.
Хотя золото и серебро являются лучшими проводниками электричества, медь и алюминий предпочтительнее для изготовления проводов и кабелей из-за их низкой стоимости и большого количества, а также их физической прочности.
Несмотря на то, что медь и алюминий являются хорошими проводниками электричества, они все же имеют некоторое сопротивление, потому что ничто не может быть на 100% идеальным.
Несмотря на то, что сопротивление этих проводников невелико, оно может стать значительным при применении более высоких токов. В конце концов сопротивление более высокому току на этих проводниках рассеивается в виде тепла.
Изоляторы
В отличие от проводников, изоляторы - плохие проводники электричества. Они обычно находятся в форме неметаллов и имеют очень мало уязвимых или свободных электронов с их родительскими атомами.
Это означает, что электроны этих неметаллов прочно связаны со своими родительскими атомами, которые чрезвычайно трудно удалить с помощью приложения напряжения.
Из-за этой особенности при приложении электрического напряжения электроны не могут отойти от атомов, что приводит к отсутствию потока электронов и, следовательно, отсутствует проводимость.
Это свойство приводит к очень высокому значению сопротивления изолятора, порядка многих миллионов Ом.
Такие материалы, как стекло, мрамор, ПВХ, пластмассы, кварц, резина, слюда, бакелит, являются примерами хороших изоляторов.
Как и проводник, изоляторы играют важную роль в области электроники. Без изолятора было бы невозможно изолировать разность напряжений между каскадами цепи, что привело бы к коротким замыканиям.
Например, мы видим использование фарфора и стекла в опорах высокого напряжения для безопасной передачи энергии переменного тока по кабелям. В проводах мы используем ПВХ для изоляции положительных и отрицательных выводов, а в печатных платах мы используем бакелит, чтобы изолировать медные дорожки друг от друга.
Основы полупроводников
Такие материалы, как кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия, относятся к основным полупроводниковым материалам. Это связано с тем, что эти материалы обладают способностью проводить электричество, не вызывая ни надлежащей проводимости, ни надлежащей изоляции. Благодаря этому свойству эти материалы называют полупроводниками.
Эти материалы имеют очень мало свободных электронов на своих атомах, которые плотно сгруппированы в кристаллическую решетку. Тем не менее, электроны могут вытесняться и течь, но только при определенных условиях.
Сказав это, становится возможным увеличить скорость проводимости в этих полупроводниках, вводя или заменяя какие-то «донорные» или «акцепторные» атомы в кристаллической структуре, позволяя высвобождать лишние «свободные электроны» и «дырки» или наоборот. наоборот.
Это осуществляется путем добавления определенного количества внешнего материала к существующему материалу, такого как кремний или германий.
Сами по себе материалы, такие как кремний и германий, классифицируются как собственные полупроводники из-за их чрезвычайно чистой химической природы и наличия полностью полупроводникового материала.
Это также означает, что, добавляя в них контролируемое количество примесей, мы можем определить скорость проводимости этих внутренних материалов.
Мы можем вводить типы примесей, называемые донорами или акцепторами, в эти материалы, чтобы усилить их либо свободными электронами, либо свободными дырками.
В этих процессах, когда примесь добавляется к собственному материалу в пропорции 1 атом примеси на 10 миллионов атомов полупроводникового материала, это называется Допинг .
При введении достаточного количества примесей полупроводниковый материал может быть преобразован в материал N-типа или P-типа.
Кремний - один из самых популярных полупроводниковых материалов, имеющий 4 валентных электрона на внешней оболочке, а также окруженный соседними атомами, образующими в общей сложности 8 электронов.
Связь между двумя атомами кремния развита таким образом, что позволяет разделить один электрон с соседним атомом, что приводит к хорошей стабильной связи.
В чистом виде кристалл кремния может иметь очень мало свободных валентных электронов, что придает ему свойства хорошего изолятора с экстремальными значениями сопротивления.
Подключение кремниевого материала к разности потенциалов не будет способствовать прохождению через него, если только в нем не будет создана какая-то положительная или отрицательная полярность.
А для создания такой полярности в эти материалы внедряется процесс легирования путем добавления примесей, как обсуждалось в предыдущих параграфах.
Понимание структуры атома кремния
На изображениях выше мы видим, как выглядит структура регулярной кристаллической решетки чистого кремния. Что касается примесей, обычно такие материалы, как мышьяк, сурьма или фосфор, вводятся в кристаллы полупроводника, превращая их во внешние, что означает «содержащие примеси».
Упомянутые примеси состоят из 5 электронов на их внешней полосе, известной как «пятивалентная» примесь, для совместного использования с соседними атомами.
Это гарантирует, что 4 из 5 атомов могут соединиться с соседними атомами кремния, за исключением одного «свободного электрона», который может быть освобожден при подключении электрического напряжения.
В этом процессе, поскольку нечистые атомы начинают «жертвовать» каждый электрон через свой соседний атом, «пятивалентные» атомы называются «донорами».
Использование сурьмы для допинга
Сурьма (Sb) и фосфор (P) часто становятся лучшим выбором для введения «пятивалентной» примеси в кремний. 
В сурьме 51 электрон расположен на пяти оболочках вокруг ядра, а его крайняя полоса состоит из 5 электронов.
Благодаря этому основной полупроводниковый материал может приобретать дополнительные электроны с током, каждый из которых имеет отрицательный заряд. Поэтому его называют «материалом N-типа».
Кроме того, электроны называются «мажоритарными носителями», а образующиеся впоследствии дырки - «миноритарными носителями».
Когда полупроводник, легированный сурьмой, подвергается воздействию электрического потенциала, электроны, которые случайно выбиваются, мгновенно замещаются свободными электронами от атомов сурьмы. Однако, поскольку этот процесс в конечном итоге удерживает свободный электрон в легированном кристалле, это делает его отрицательно заряженным материалом.
В этом случае полупроводник можно назвать полупроводником N-типа, если он имеет плотность доноров выше, чем плотность его акцепторов. Это означает, что количество свободных электронов больше, чем количество дырок, что вызывает отрицательную поляризацию, как указано ниже.
Понимание полупроводников P-типа
Если мы рассмотрим ситуацию с другой стороны, введя 3-х электронную «трехвалентную» примесь в кристалл полупроводника, например, если мы введем алюминий, бор или индий, которые содержат 3 электрона в своей валентной связи, поэтому четвертая связь станет невозможной.
Из-за этого затрудняется полное соединение, позволяя полупроводнику иметь много положительно заряженных носителей. Эти носители называются «дырками» по всей решетке полупроводника из-за большого количества пропущенных электронов.
Теперь из-за наличия дырок в кристалле кремния соседний электрон притягивается к дырке, пытаясь заполнить щель. Однако, как только электрон пытается сделать это, он освобождает свою позицию, создавая новую дыру в своей предыдущей позиции.
Это, в свою очередь, привлекает следующий ближайший электрон, который снова оставляет новую дырку, пытаясь занять следующую дырку. Процесс продолжается, создавая впечатление, что на самом деле дырки движутся или текут по полупроводнику, что мы обычно воспринимаем как обычную схему протекания тока.
Поскольку «дырки кажутся движущимися», возникает нехватка электронов, позволяющая всему легированному кристаллу приобретать положительную полярность.
Поскольку каждый примесный атом становится ответственным за образование дырки, эти трехвалентные примеси называются «акцепторами» из-за того, что они в процессе непрерывно принимают свободные электроны.
Бор (B) - одна из трехвалентных добавок, широко используемых для описанного выше процесса легирования.
Когда бор используется в качестве легирующего материала, он вызывает в проводимости в основном положительно заряженные носители.
Это приводит к созданию материала P-типа, имеющего положительные дырки, называемые «основные носители», а свободные электроны - «неосновные носители».
Это объясняет, как материал основы полупроводника превращается в материал P-типа из-за повышенной плотности его акцепторных атомов по сравнению с донорными атомами.
Как бор используется для допинга
Обобщая основы полупроводников
Полупроводник N-типа (легированный пятивалентной примесью, например, сурьмой)
Такие полупроводники, которые легированы пятивалентными примесными атомами, называются донорами, поскольку они демонстрируют проводимость за счет движения электронов, и поэтому их называют полупроводниками N-типа.
В полупроводнике N-типа мы находим:
- Положительно заряженные доноры
- Обильное количество свободных электронов
- Относительно меньшее количество дырок по сравнению со свободными электронами
- В результате легирования создаются положительно заряженные доноры и отрицательно заряженные свободные электроны.
- Применение разности потенциалов приводит к образованию отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок.
Полупроводник P-типа (легированный трехвалентной примесью, например бором)
Такие полупроводники, которые легированы трехвалентными примесными атомами, называются акцепторами, поскольку они демонстрируют проводимость за счет движения дырок, и поэтому их называют полупроводниками P-типа.
В полупроводнике N-типа мы находим:
- Отрицательно заряженные акцепторы
- Обильное количество отверстий
- Относительно меньшее количество свободных электронов по сравнению с наличием дырок.
- Допирование приводит к созданию отрицательно заряженных акцепторов и положительно заряженных дырок.
- Приложение напряжения вызывает образование положительно заряженных дырок и отрицательно заряженных свободных электронов.
Само по себе полупроводники типа P и N, естественно, электрически нейтральны.
Обычно сурьма (Sb) и бор (B) являются двумя материалами, которые используются в качестве легирующих элементов из-за их широкой доступности. Их также называют метталоидами.
Сказав это, если вы посмотрите на таблицу Менделеева, вы найдете много других подобных материалов, имеющих 3 или 5 электронов во внешней атомной зоне. Подразумевается, что эти материалы также могут стать пригодными для легирования.
Периодическая таблица 
Предыдущая статья: Цепь кормушки для собак, управляемая мобильным телефоном Далее: Общие сведения о схемах усилителя
