Как работи един полупроводник? Конструктивни характеристики на електрическите полупроводници. Какво представляват полупроводниците

Вие, млади приятелю, сте съвременник на техническата революция във всички области на радиоелектрониката. Същността му се състои в това, че вакуумните тръби са заменени от полупроводникови устройства и сега все повече се заменят с микросхеми.

Предшественикът на един от най-характерните представители на „армията“ на полупроводниковите устройства - транзисторът - беше така нареченият генериращ детектор, изобретен през 1922 г. от съветския радиофизик О. В. Лосев. Това устройство, което представлява полупроводников кристал с две съседни жици - проводници, при определени условия може да генерира и усилва електрически трептения. Но тогава, поради несъвършенства, той не можеше да се конкурира с електронна тръба. Достоен полупроводников съперник на електронна тръба, наречен транзистор, е създаден през 1948 г. от американски учени Братейн, Бардийн и Шокли. В нашата страна голям принос за развитието на полупроводникови устройства направиха A.F. Ioffe, L.D. Landau, B.I. Davydova, V.E. Лошкарев и редица други учени и инженери, много научни колективи.

За да разберем същността на явленията, възникващи в съвременните полупроводникови устройства, ще трябва да „погледнем“ в структурата на полупроводника и да разберем причините за образуването на електрически ток в него. Но преди това ще е добре да си припомните онази част от първия разговор, в която говорих за структурата на атомите.

ПОЛУПРОВОДНИЦИ И ТЕХНИТЕ СВОЙСТВА

Нека ви напомня: по отношение на електрическите свойства полупроводниците заемат средно място между проводниците и непроводниците на ток. Към казаното ще добавя, че групата на полупроводниците включва много повече вещества, отколкото групите проводници и непроводници, взети заедно. Полупроводниците, които са намерили практическо приложение в технологиите, включват германий, силиций, селен, меден оксид и някои други вещества. Но за полупроводникови устройства се използват главно само германий и силиций.

Кои са най-характерните свойства на полупроводниците, които ги отличават от проводниците и непроводниците? Електрическата проводимост на полупроводниците силно зависи от температурата на околната среда. При много ниски температури, близки до абсолютната нула (-273°C), те се държат като изолатори по отношение на електрически ток. Повечето проводници, напротив, при тази температура стават свръхпроводящи, т.е. не предлагат почти никаква устойчивост на ток. С повишаване на температурата на проводниците, тяхното съпротивление срещу електрически ток се увеличава, а съпротивлението на полупроводниците намалява. Електрическата проводимост на проводниците не се променя при излагане на светлина. Електрическата проводимост на полупроводниците под въздействието на светлината, така наречената фотопроводимост, се увеличава. Полупроводниците могат да преобразуват светлинната енергия в електрически ток. Това абсолютно не е типично за диригентите. Електрическата проводимост на полупроводниците се увеличава рязко, когато в тях се въведат атоми на някои други елементи. Електрическата проводимост на проводниците намалява, когато в тях се въвеждат примеси. Тези и някои други свойства на полупроводниците са известни от сравнително дълго време, но те започнаха да се използват широко сравнително наскоро.

Германий и силиций, които са изходните материали за много съвременни полупроводникови устройства, имат по четири валентни електрона във външните слоеве на техните черупки. Общо има 32 електрона в германиев атом и 14 в силициев атом.Но 28 електрона от германиев атом и 10 електрона от силициев атом, разположени във вътрешните слоеве на техните черупки, са здраво задържани от ядрата и при никакви обстоятелства не се отделя от тях. Само четири валентни електрона на атомите на тези полупроводници могат, и дори тогава не винаги, да станат свободни. Запомнете: четири! Полупроводников атом, който е загубил поне един електрон, става положителен йон.

В полупроводника атомите са подредени в строг ред: всеки атом е заобиколен от четири подобни атома. Те също са разположени толкова близо един до друг, че техните валентни електрони образуват единични орбити, преминаващи около всички съседни атоми, свързвайки ги в едно вещество. Тази връзка на атомите в полупроводников кристал може да си представим под формата на плоска диаграма, както е показано на фиг. 72, а. Тук големите топки със знака „+“ условно представляват атомни ядра с вътрешни слоеве от електронни обвивки (положителни йони), а малките топки представляват валентни електрони. Всеки атом, както можете да видите, е заобиколен от четири абсолютно еднакви атома. Всеки от атомите е свързан с всеки съседен с два валентни електрона, единият от които е „собствен“, а вторият е заимстван от „съседния“. Това е двуелектронна или валентна връзка. Най-силната връзка!

Ориз. 72. Диаграма на връзката на атомите в полупроводников кристал (а) и опростена диаграма на неговата структура (б)

На свой ред външният слой на електронната обвивка на всеки атом съдържа осем електрона: четири собствени и по един от четири съседни атома. Тук вече не е възможно да се разграничи кой от валентните електрони в атома е „твой“ и кой е „чужд“, тъй като те са станали общи. При такова свързване на атоми в цялата маса на германиев или силициев кристал можем да считаме, че полупроводниковият кристал е една голяма молекула.

Диаграмата на взаимното свързване на атомите в полупроводника може да бъде опростена за по-голяма яснота, като се изобрази, както е показано на фиг. 72, б. Тук ядрата на атомите с вътрешни електронни обвивки са показани като кръгове със знак плюс, а междуатомните връзки са показани като две линии, символизиращи валентни електрони.

Полупроводниковите устройства, които имат редица свойства, които правят използването им за предпочитане пред вакуумните устройства, намират все по-широко приложение в електронните технологии. През последните години, характеризиращи се с прогрес в полупроводниковата електроника, бяха разработени устройства, базирани на нови физически принципи.

Полупроводниците включват много химични елементи, като силиций, германий, индий, фосфор и др., повечето оксиди, сулфиди, селениди и телуриди, някои сплави и редица минерали. Според академик А. Ф. Йофе „полупроводниците са почти целият неорганичен свят около нас“.

Полупроводниците са кристални, аморфни и течни. В полупроводниковата технология обикновено се използват само кристални полупроводници (монокристали с примеси от не повече от един примесен атом на 1010 атома от основното вещество). Обикновено полупроводниците включват вещества, които по отношение на електрическата проводимост заемат междинна позиция между металите и диелектриците (откъдето идва и името им). При стайна температура тяхната специфична електропроводимост варира от 10-8 до 105 S/m (за метали - 106-108 S/m, за диелектрици - 10-8-10-13 S/m). Основната характеристика на полупроводниците е увеличаването на електрическата проводимост с повишаване на температурата (за металите тя пада). Електрическата проводимост на полупроводниците зависи значително от външни въздействия: нагряване, облъчване, електрически и магнитни полета, налягане, ускорение, както и от съдържанието дори на малки количества примеси. Свойствата на полупроводниците са добре обяснени с помощта на лентовата теория на твърдите тела.

Атомите на всички вещества се състоят от ядро ​​и електрони, движещи се в затворена орбита около ядрото. Електроните в атома са групирани в обвивки. Основните полупроводници, използвани за създаване на полупроводникови устройства - силиций и германий - имат тетраедрична кристална решетка (има формата на правилна триъгълна пирамида) (фиг. 16.1). Проекцията на Ge структурата върху равнина е показана на фиг. 16.2. Всеки валентен електрон, т.е. електрон, разположен на външната незапълнена обвивка на атом в кристал, принадлежи не само на собствения си, но и на ядрото на съседен атом. Всички атоми в кристалната решетка са разположени на еднакво разстояние един от друг и са свързани чрез ковалентни връзки (връзката между двойка валентни електрони на два атома се нарича ковалентна; ​​тя е показана на фиг. 16.2 с две линии). Тези връзки са силни; За да ги разбиете, трябва да приложите енергия отвън.

Електронната енергия W е дискретна или квантована, така че електронът може да се движи само в орбитата, която съответства на неговата енергия. Възможните стойности на електронната енергия могат да бъдат представени на диаграма чрез енергийни нива (фиг. 16.3). Колкото по-далеч е орбитата от ядрото, толкова по-голяма е енергията на електрона и толкова по-високо е неговото енергийно ниво. Енергийните нива са разделени от зони II, съответстващи на забранената енергия за електрони (забранени зони). Тъй като съседните атоми в твърдото тяло са много близо един до друг, това причинява изместване и разделяне на енергийните нива, което води до образуването на енергийни ленти, наречени разрешени ленти (I, III, IV на фиг. 16.3). Ширината на разрешените ленти обикновено е няколко електронволта. В енергийната лента броят на разрешените нива е равен на броя на атомите в кристала. Всяка разрешена зона заема определена енергийна област и се характеризира с минимални и максимални енергийни нива, които се наричат ​​съответно дъно и таван на зоната.

Разрешените зони, в които няма електрони, се наричат ​​свободни (I). Свободната зона, в която няма електрони при температура 0 K, но при по-висока температура те могат да присъстват, се нарича зона на проводимост.

Той се намира над валентната зона (III) - горната от запълнените ленти, в която всички енергийни нива са заети от електрони при температура 0 K.

В теорията на зоните разделянето на твърдите тела на метали, полупроводници и изолатори се основава на забранената зона между валентната и проводимата зона и степента на запълване на разрешените енергийни зони (фиг. 16.4). Забранената зона ΔWa се нарича енергия на активиране на присъщата електрическа проводимост. За метал ΔWa = 0 (фиг. 16.4, а); конвенционално при ΔWa ≤ 2 eV кристалът е полупроводник (фиг. 16.4,6), при ΔWa ≥ 2 eV е диелектрик (фиг. 16.4, c). Тъй като стойността на ΔWa в полупроводниците е сравнително малка, достатъчно е да се придаде енергия, сравнима с енергията на топлинно движение на електрона, така че той да се премести от валентната зона към зоната на проводимост. Това обяснява особеността на полупроводниците - увеличаване на електрическата проводимост с повишаване на температурата.

Електрическа проводимост на полупроводници. Вътрешна електрическа проводимост. За да има дадено вещество електропроводимост, то трябва да съдържа свободни носители на заряд. Такива носители на заряд в металите са електроните. Полупроводниците съдържат електрони и дупки.

Нека разгледаме електрическата проводимост на собствените полупроводници (i-тип), т.е. вещества, които не съдържат примеси и нямат структурни дефекти в кристалната решетка (празни места, измествания на решетката и т.н.) При температура от 0 K има няма свободни носители на заряд в такъв полупроводник. Въпреки това, с повишаване на температурата (или други енергийни влияния, като например осветление), някои от ковалентните връзки могат да бъдат разкъсани и валентните електрони, ставайки свободни, могат да се отдалечат от своя атом (фиг. 16.5). Загубата на електрон превръща атома в положителен йон. При връзките на мястото, където е бил електронът, се появява свободно („вакантно“) пространство – дупка. Зарядът на дупката е положителен и по абсолютна стойност е равен на заряда на електрона.

Свободното пространство - дупка - може да бъде запълнено от валентен електрон на съседен атом, на чието място се образува нова дупка в ковалентна връзка и т.н. Така едновременно с движението на валентните електрони ще се движат и дупките. Трябва да се има предвид, че в кристалната решетка атомите са "твърдо" фиксирани във възлите. Отпътуването на електрон от атом води до йонизация, а последващото движение на дупка означава алтернативна йонизация на „стационарни“ атоми. Ако няма електрическо поле, електроните на проводимостта претърпяват хаотично топлинно движение. Ако полупроводникът се постави във външно електрическо поле, тогава електроните и дупките, продължавайки да участват в хаотично топлинно движение, ще започнат да се движат (дрейфират) под въздействието на полето, което ще създаде електрически ток. В този случай електроните се движат срещу посоката на електрическото поле, а дупките, подобно на положителните заряди, се движат в посоката на полето. Електрическата проводимост на полупроводника в резултат на разрушаването на ковалентните връзки се нарича присъща електрическа проводимост.

Електрическата проводимост на полупроводниците може да се обясни и с помощта на лентовата теория. В съответствие с него всички енергийни нива на валентната зона при температура 0 К са заети от електрони. Ако на електроните се даде енергия отвън, която надвишава енергията на активиране ΔWa, тогава някои от валентните електрони ще се преместят в зоната на проводимост, където ще станат свободни, или електрони на проводимост. Поради напускането на електроните от валентната лента в нея се образуват дупки, чийто брой естествено е равен на броя на напусналите електрони. Дупките могат да бъдат заети от електрони, чиято енергия съответства на енергията на нивата на валентната зона. Следователно във валентната лента движението на електроните кара дупките да се движат в обратна посока. Въпреки че електроните се движат във валентната лента, обикновено е по-удобно да се вземе предвид движението на дупките.

Процесът на образуване на двойка проводящ електрон-проводима дупка се нарича генериране на двойка носители на заряд (1 на фиг. 16.6). Можем да кажем, че присъщата електрическа проводимост на полупроводника е електрическата проводимост, причинена от генерирането на двойки проводящи електрон-проводими дупки. Получените двойки електрон-дупка могат да изчезнат, ако дупката се запълни с електрон: електронът ще стане несвободен и ще загуби способността си да се движи, а излишният положителен заряд на атомния йон ще бъде неутрализиран. В този случай и дупката, и електронът изчезват едновременно. Процесът на повторно обединяване на електрон и дупка се нарича рекомбинация (2 на фиг. 16.6). Рекомбинацията, в съответствие с лентовата теория, може да се разглежда като преход на електрони от зоната на проводимост към свободни места във валентната зона. Обърнете внимание, че преходът на електрони от по-високо енергийно ниво към по-ниско е придружен от освобождаване на енергия, която или се излъчва под формата на светлинни кванти (фотони), или се прехвърля към кристалната решетка под формата на топлинни вибрации (фонони ). Средният живот на двойка носители на заряд се нарича живот на носителя. Средното разстояние, което носителят на заряд изминава през целия си живот, се нарича дължина на дифузия на носителя на заряд (Lр, - за дупки, Ln - за електрони).

При постоянна температура (и при липса на други външни влияния) кристалът е в състояние на равновесие: броят на генерираните двойки носители на заряд е равен на броя на рекомбинираните двойки. Броят на носителите на заряд в единица обем, т.е. тяхната концентрация, определя стойността на специфичната електропроводимост. За вътрешен полупроводник концентрацията на електрони ni е равна на концентрацията на дупки pi (ni = pi).

Електрическа проводимост на примеси. Ако в полупроводник се въведе примес, той също ще има примес в допълнение към собствената си електрическа проводимост. Електрическата проводимост на примесите може да бъде електронна или дупкова. Като пример, разгледайте случая, когато примес от петвалентен елемент, например арсен, се въвежда в чист германий (четировалентен елемент) (фиг. 16.7, а). Атомът на арсен е свързан в кристалната решетка на германий чрез ковалентни връзки. Но само четири валентни електрона на арсена могат да участват във връзката, а петият електрон се оказва „допълнителен“, по-слабо свързан с атома на арсена. За да се откъсне този електрон от атома, е необходима много по-малко енергия, така че вече при стайна температура той може да се превърне в проводящ електрон, без да оставя дупка в ковалентната връзка. По този начин в мястото на кристалната решетка се появява положително зареден примесен йон и в кристала се появява свободен електрон. Примесите, чиито атоми отдават свободни електрони, се наричат ​​донори.

На фиг. Фигура 16.7b показва диаграмата на енергийната зона на полупроводник с донорен примес. В забранената зона близо до дъното на зоната на проводимост се създава разрешено енергийно ниво (примес, донор), върху което се намират „допълнителни“ електрони при температура, близка до 0 K. За прехвърляне на електрон от ниво на примес към зоната на проводимост е необходима по-малко енергия, отколкото за прехвърляне на електрон от валентната зона. Разстоянието от донорното ниво до дъното на проводящата лента се нарича йонизационна (активираща) енергия на донорите ΔWand.

Въвеждането на донорен примес в полупроводник значително увеличава концентрацията на свободни електрони, докато концентрацията на дупки остава същата, както е била в естествения полупроводник. В такъв полупроводник с примеси електрическата проводимост се дължи главно на електрони, тя се нарича електронна, а полупроводниците се наричат ​​полупроводници от n-тип. Електроните в полупроводниците от тип n са основните носители на заряд (концентрацията им е висока), а дупките са малцинствени носители.

Ако в германий се въведе примес от тривалентен елемент (например индий), тогава един електрон не е достатъчен, за да може индият да образува осемелектронна ковалентна връзка с германий. Една връзка ще остане празна. При леко повишаване на температурата електрон от съседен германиев атом може да се премести в незапълнена валентна връзка, оставяйки дупка на нейно място (фиг. 16.8, а), която също може да бъде запълнена с електрон и т.н. По този начин, изглежда, че дупката се движи в полупроводника. Примесният атом се превръща в отрицателен йон. Примесите, чиито атоми, когато са възбудени, са способни да приемат валентни електрони от съседни атоми, създавайки дупка в тях, се наричат ​​акцептори или акцептори.

На фиг. Фигура 16.8b показва диаграма на енергийните зони на полупроводник с акцепторен примес. Примесно енергийно ниво (акцептор) се създава в забранената зона близо до върха на валентната лента. При температури, близки до 0 K, това ниво е свободно; с повишаване на температурата може да бъде заето от електрон във валентната лента, в която след излизането на електрона се образува дупка. Разстоянието от върха на валентната лента до акцепторното ниво се нарича йонизационна (активираща) енергия на акцепторите ΔWа. Въвеждането на акцепторен примес в полупроводник значително увеличава концентрацията на дупки, докато концентрацията на електрони остава същата, както е била в естествения полупроводник. В този полупроводник с примеси електрическата проводимост се дължи главно на дупки, тя се нарича проводимост на дупки, а полупроводниците се наричат ​​полупроводници от p-тип. За p-тип полупроводник дупките са основните носители на заряд, а електроните са малцинствените носители на заряд.

В примесните полупроводници, наред с примесната електрическа проводимост, има и присъща проводимост, поради наличието на незначителни носители. Концентрацията на незначителните носители в примесен полупроводник намалява толкова пъти, колкото се увеличава концентрацията на основните носители, следователно за полупроводниците от n-тип е валидна връзката nnpn = nipi = ni2 = pi2, а за полупроводниците от тип p връзката е ppnp = ni2 = pi2, където nn и pn е концентрацията на основните носители, а pp и np са концентрацията на малцинствените носители на заряд, съответно, в полупроводника от n- и p-тип.

Специфичната електрическа проводимост на примесния полупроводник се определя от концентрацията на основните носители и колкото по-висока е, толкова по-висока е тяхната концентрация. На практика често има случай, когато полупроводникът съдържа както донорни, така и акцепторни примеси. Тогава видът на електропроводимостта ще се определя от примеса, чиято концентрация е по-висока. Полупроводник, в който концентрациите на Nd донори и Na акцептори са равни (Nd = Na)), се нарича компенсиран.

Полупроводниците се характеризират както със свойствата на проводници, така и на диелектрици. В полупроводниковите кристали атомите установяват ковалентни връзки (т.е. един електрон в силициев кристал, като диамант, е свързан с два атома); електроните изискват ниво на вътрешна енергия, за да бъдат освободени от атома (1,76 10 −19 J срещу 11,2 10 −19 J, което характеризира разликата между полупроводници и диелектрици). Тази енергия се появява в тях с повишаване на температурата (например при стайна температура енергийното ниво на топлинно движение на атомите е 0,4·10−19 J), а отделните атоми получават енергия, за да отстранят електрон от атома. С повишаване на температурата броят на свободните електрони и дупки се увеличава, следователно в полупроводник, който не съдържа примеси, съпротивлението намалява. Обикновено елементите с енергия на свързване на електрони под 1,5-2 eV се считат за полупроводници. Механизмът на електро-дупковата проводимост се проявява в естествени (т.е. без примеси) полупроводници. Нарича се присъща електрическа проводимост на полупроводниците.

Дупка

Когато връзката между електрона и ядрото се разкъса, в електронната обвивка на атома се появява свободно пространство. Това предизвиква прехвърляне на електрон от друг атом към атом със свободно място. Атомът, от който е преминал електронът, получава друг електрон от друг атом и т.н. Това се дължи на ковалентните връзки на атомите. По този начин положителният заряд се движи, без да движи самия атом. Този условен положителен заряд се нарича дупка.

Собствена плътност

При термодинамично равновесие електронната плътност на полупроводника е свързана с температурата чрез следната връзка:

Освен това, плътността на дупките на полупроводника е свързана с температурата, както следва:

Вътрешната плътност е свързана със следната връзка:

Видове полупроводници

По естеството на проводимостта

Самопроводимост

Полупроводниците, в които се появяват свободни електрони и „дупки“ по време на йонизацията на атомите, от които е изграден целият кристал, се наричат ​​вътрешнопроводими полупроводници. В полупроводниците с присъща проводимост концентрацията на свободни електрони е равна на концентрацията на „дупки“.

Проводимостта е свързана с подвижността на частиците чрез следната зависимост:

където е съпротивлението, е подвижността на електроните, е подвижността на дупките, е тяхната концентрация, q е елементарният електрически заряд (1,602·10 −19 C).

За вътрешен полупроводник концентрациите на носители съвпадат и формулата приема формата:

Примесна проводимост

За създаване на полупроводникови устройства често се използват кристали с проводимост на примеси. Такива кристали се получават чрез въвеждане на примеси с атоми на тривалентен или петвалентен химичен елемент.

По вид проводимост

Електронни полупроводници (n-тип)

n-тип полупроводник

Срок "n-тип"идва от думата "отрицателен", което означава отрицателния заряд на повечето носители. Този тип полупроводници имат примесен характер. Към четиривалентен полупроводник (например силиций) се добавя примес от петвалентен полупроводник (например арсен). По време на взаимодействието всеки примесен атом влиза в ковалентна връзка със силициевите атоми. В наситените валентни връзки обаче няма място за петия електрон на атома на арсена и той отива във външната електронна обвивка. Там отнема по-малко енергия за отстраняване на електрон от атом. Електронът се отделя и става свободен. В този случай преносът на заряд се извършва от електрон, а не от дупка, тоест този тип полупроводник провежда електрически ток като металите. Примесите, които се добавят към полупроводниците, карайки ги да станат n-тип полупроводници, се наричат ​​донорни примеси.

Проводимостта на N-полупроводниците е приблизително равна на:

Полупроводници с отвори (p-тип)

p-тип полупроводник

Срок "p-тип"идва от думата „положителен“, обозначаваща положителния заряд на основните носители. Този тип полупроводник, в допълнение към основата на примесите, се характеризира с дупковия характер на проводимостта. Малко количество атоми на тривалентен елемент (като индий) се добавя към четиривалентен полупроводник (като силиций). Всеки примесен атом установява ковалентна връзка с три съседни силициеви атома. За да установи връзка с четвъртия силициев атом, атомът на индия няма валентен електрон, така че той грабва валентен електрон от ковалентната връзка между съседни силициеви атоми и се превръща в отрицателно зареден йон, което води до образуването на дупка. Примесите, които се добавят в този случай, се наричат ​​акцепторни примеси.

Проводимостта на p-полупроводниците е приблизително равна на:

Използване в радиотехниката

Полупроводников диод

Полупроводниковият диод се състои от два вида полупроводници - дупка и електрон. По време на контакт между тези области, електроните преминават от областта с полупроводника от n-тип към областта с полупроводника от тип p, които след това се рекомбинират с дупки. В резултат на това между двете области възниква електрическо поле, което определя границата за разделяне на полупроводниците - т. нар. p-n преход. В резултат на това в областта с p-тип полупроводник се появява некомпенсиран заряд от отрицателни йони, а в областта с n-тип полупроводник се появява некомпенсиран заряд от положителни йони. Разликата между потенциалите достига 0,3-0,6 V.

Връзката между потенциалната разлика и концентрацията на примеси се изразява със следната формула:

където е термодинамичният стрес, е концентрацията на електрони, е концентрацията на дупки, е присъщата концентрация.

В процеса на прилагане на положително напрежение към p-полупроводника и минус към n-полупроводника, външното електрическо поле ще бъде насочено срещу вътрешното електрическо поле на p-n прехода и при достатъчно напрежение електроните ще преодолеят p-n кръстовище и в диодната верига ще се появи електрически ток (директна проводимост). Когато се приложи минус напрежение към област с p-тип полупроводник и плюс напрежение към област с n-тип полупроводник, между двете области се появява област, която няма свободни носители на електрически ток (обратна проводимост). Обратният ток на полупроводников диод не е нула, защото винаги има малцинствени носители на заряд и в двата региона. За тези носители pn преходът ще бъде отворен.

По този начин p-n преходът проявява свойствата на еднопосочна проводимост, която се причинява от прилагане на напрежение с различни полярности. Това свойство се използва за коригиране на променлив ток.

Транзистор

Транзисторът е полупроводниково устройство, което се състои от две области с полупроводници от p- или n-тип, между които има област с полупроводник от n- или p-тип. По този начин в транзистора има две области на p-n преход. Областта на кристала между двата кръстовища се нарича основа, а външните области се наричат ​​емитер и колектор. Най-често използваната схема за свързване на транзистори е схема за свързване с общ емитер, при която токът се разпространява през базата и емитера към колектора.

За усилване на електрически ток се използва биполярен транзистор.

Видове полупроводници в периодичната таблица на елементите

Таблицата по-долу предоставя информация за голям брой полупроводникови елементи и техните връзки, разделени на няколко типа:

• едноелементни полупроводници от група IV на периодичната таблица на елементите,
• сложни: двуелементни A III B V и A II B VI съответно от трета и пета група и от втора и шеста група елементи.

Всички видове полупроводници имат интересна зависимост на забранената зона от периода, а именно с увеличаването на периода ширината на забранената зона намалява.

Физични свойства и приложения

На първо място, трябва да се каже, че физичните свойства на полупроводниците са най-изучени в сравнение с металите и диелектриците. До голяма степен това се улеснява от огромен брой ефекти, които не могат да бъдат наблюдавани нито в едно, нито в друго вещество, свързани предимно със структурата на лентовата структура на полупроводниците и наличието на доста тясна забранена зона. Разбира се, основният стимул за изучаване на полупроводници е производството на полупроводникови устройства и интегрални схеми - това се отнася преди всичко за силиция, но засяга и други съединения (GaAs, InP, InSb).

Поради факта, че технолозите могат да получат много чисти вещества, възниква въпросът за нов стандарт за числото на Авогадро.

Легиране

Обемните свойства на полупроводника могат до голяма степен да зависят от наличието на дефекти в кристалната структура. И затова те се стремят да отглеждат много чисти вещества, главно за електронната индустрия. Въвеждат се добавки, за да се контролира количеството и вида на проводимостта на полупроводника. Например, широко разпространеният силиций може да бъде легиран с елемент от V подгрупа на периодичната таблица на елементите - фосфор, който е донор, и да създаде n-Si. За получаване на силиций с проводимост от дупчен тип (p-Si) се използва бор (акцептор). Създават се и компенсирани полупроводници, за да се фиксира нивото на Ферми в средата на забранената зона.

Методи за получаване

За получаване на полупроводникови монокристали се използват различни методи за физическо и химическо отлагане. Най-прецизният и скъп инструмент в ръцете на технолозите за растеж на монокристални филми са единиците за молекулярно-лъчева епитаксия, които позволяват отглеждане на кристал с прецизност до монослой.

Полупроводникова оптика

Поглъщането на светлина от полупроводниците се дължи на преходи между енергийните състояния на лентовата структура. Като се има предвид принципът на изключване на Паули, електроните могат да се движат само от запълнено енергийно ниво към незапълнено. В присъщия полупроводник всички състояния на валентната зона са запълнени и всички състояния на проводимата зона са незапълнени, следователно преходите са възможни само от валентната зона към проводимата зона. За да направи такъв преход, електронът трябва да получи енергия от светлина, която надвишава забранената зона. Фотоните с по-ниска енергия не предизвикват преходи между електронните състояния на полупроводника, следователно такива полупроводници са прозрачни в честотния диапазон, където е забранената зона и е константата на Планк. Тази честота определя основния ръб на поглъщане на полупроводника. За полупроводниците, които често се използват в електрониката (силиций, германий, галиев арсенид), той се намира в инфрачервената област на спектъра.

Допълнителни ограничения върху абсорбцията на светлина от полупроводниците се налагат от правилата за подбор, по-специално от закона за запазване на импулса. Законът за запазване на импулса изисква квазиимпулсът на крайното състояние да се различава от квазиимпулса на първоначалното състояние с големината на импулса на погълнатия фотон. Вълновото число на фотона, където е дължината на вълната, е много малко в сравнение с вълновия вектор на реципрочната решетка на полупроводника или, което е същото, дължината на вълната на фотона във видимата област е много по-голяма от характерната междуатомно разстояние в полупроводника, което води до изискването квазиимпулсът на крайно състояние по време на електронния преход да е практически равен на квазиимпулса на първоначалното състояние. При честоти, близки до основния ръб на поглъщане, това е възможно само за полупроводници с директна междина. Наричат ​​се оптични преходи в полупроводниците, при които импулсът на електрона остава почти непроменен правили вертикален. Импулсът на крайното състояние може да се различава значително от импулса на началното състояние, ако в процеса на поглъщане на фотон участва друга, трета частица, например фонон. Такива преходи също са възможни, макар и по-малко вероятни. Те се наричат индиректни преходи.

По този начин полупроводниците с директна междина, като галиев арсенид, започват силно да абсорбират светлина, когато квантовата енергия надвишава забранената лента. Такива полупроводници са много удобни за използване в оптоелектрониката.

Полупроводниците с непряка забранена лента, например силиций, абсорбират светлина в честотния диапазон на светлината с квантова енергия, малко по-голяма от ширината на забранената лента, много по-слаба, само поради непреки преходи, чийто интензитет зависи от наличието на фонони и следователно от температура. Граничната честота на директните преходи в силиция е по-голяма от 3 eV, т.е. тя се намира в ултравиолетовата област на спектъра.

Когато един електрон премине от валентната зона към зоната на проводимост, в полупроводника се появяват свободни носители на заряд, а оттам и фотопроводимост.

При честоти под основния ръб на поглъщане е възможно и поглъщане на светлина, което е свързано с възбуждане на екситони, електронни преходи между нивата на примеси и разрешените ленти, както и поглъщане на светлина от вибрации на решетката и свободни носители. Екситонните ленти са разположени в полупроводника малко под дъното на проводящата лента поради енергията на свързване на екситон. Абсорбционните спектри на екситон имат водородоподобна структура на енергийните нива. По подобен начин примесите, акцептори или донори, създават акцепторни или донорни нива, разположени в забранената лента. Те значително променят спектъра на поглъщане на легирания полупроводник. Ако по време на непряк преход на празнина фонон се абсорбира едновременно със светлинен квант, тогава енергията на абсорбирания светлинен квант може да бъде по-малка с количеството на фононната енергия, което води до абсорбция при честоти, малко по-ниски по енергия от основния ръб на абсорбция .

Списък на полупроводниците

Полупроводниковите съединения са разделени на няколко вида:

• просто полупроводникови материали - действителните химични елементи: бор B, въглерод C, германий Ge, силиций Si, селен Se, сяра S, антимон Sb, телур Te и йод I. Германий, силиций и селен се използват широко независимо. Останалите най-често се използват като добавки или като компоненти на сложни полупроводникови материали;
• към групата комплекс Полупроводниковите материали включват химични съединения, които имат полупроводникови свойства и включват два, три или повече химични елемента. Наричат ​​се полупроводникови материали от тази група, състоящи се от два елемента двоичен, и както е прието в химията, те носят името на компонента, чиито метални свойства са по-слабо изразени. Така се наричат ​​бинарни съединения, съдържащи арсен арсениди, сяра - сулфиди, телур - телуриди, въглерод - карбиди. Сложните полупроводникови материали са обединени от номера на групата на периодичната таблица на елементите на Д. И. Менделеев, към която принадлежат компонентите на съединението, и са обозначени с букви от латинската азбука (А е първият елемент, В е вторият и т.н. .). Например, бинарното съединение индиев фосфид InP е обозначено като A III B V

Следните съединения са широко използвани:

A III B V

• InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN

• CdSb, ZnSb

• ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS

• PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe

както и някои оксиди на олово, калай, германий, силиций, както и ферит, аморфни стъкла и много други съединения (A I B III C 2 VI, A I B V C 2 VI, A II B IV C 2 V, A II B 2 II C 4 VI, A II B IV C 3 VI).

Въз основа на повечето от горните бинарни съединения е възможно да се получат техните твърди разтвори: (CdTe) x (HgTe) 1-x, (HgTe) x (HgSe) 1-x, (PbTe) x (SnTe) 1-x , (PbSe) x (SnSe) 1-x и др.

Връзките A III B V се използват главно за електронни продукти, работещи на свръхвисоки честоти

Съединенията A II B V се използват като люминофори във видимата област, светодиоди, сензори на Хол и модулатори.

Съединения A III B V, A II B VI и A IV B VI се използват в производството на светлинни източници и приемници, индикатори и радиационни модулатори.

Оксидните полупроводникови съединения се използват за производството на фотоволтаични клетки, токоизправители и високочестотни индукторни сърцевини.

Полупроводниците са широк клас вещества, характеризиращи се със специфични стойности на електрическа проводимост, които се намират в диапазона между електрическата проводимост на металите и добрите диелектрици, т.е. тези вещества не могат да бъдат класифицирани нито като диелектрици (тъй като не са добри изолатори), нито като метали (не са добри проводници на електрически ток). Полупроводниците например включват вещества като германий, силиций, селен, телур, както и някои оксиди, сулфиди и сплави на метали.

Имоти:

1) С повишаване на температурата съпротивлението на полупроводниците намалява, за разлика от металите, чието съпротивление се увеличава с повишаване на температурата. Освен това, като правило, в широк температурен диапазон, това увеличение се случва експоненциално. Съпротивлението на полупроводниковите кристали може също да намалее, когато е изложено на светлина или силни електронни полета.

2) Свойството на еднопосочна проводимост на контакта на два полупроводника. Именно това свойство се използва при създаването на различни полупроводникови устройства: диоди, транзистори, тиристори и др.

3) Контактите на различни полупроводници при определени условия по време на осветление или нагряване са източници на фото-е. д.с. или, съответно, термо-е. д.с.

Полупроводниците се различават от другите класове твърди тела по много специфични характеристики, най-важните от които са:

1) положителен температурен коефициент на електрическа проводимост, т.е. с повишаване на температурата електрическата проводимост на полупроводниците се увеличава;

2) проводимостта на полупроводниците е по-малка от тази на металите, но по-голяма от тази на изолаторите;

3) големи стойности на термоелектромоторна сила в сравнение с металите;

4) висока чувствителност на свойствата на полупроводниците към йонизиращо лъчение;

5) способността за рязка промяна на физичните свойства под въздействието на незначителни концентрации на примеси;

6) ефект на коригиране на тока или неомично поведение на контактите.

3. Физични процеси в p-n прехода.

Основният елемент на повечето полупроводникови устройства е преходът електрон-дупка ( р-н-юнкция), който е преходен слой между две области на полупроводник, едната от които има електронна проводимост, а другата има проводимост на дупки.

образование п-нпреход. П-нпреход в равновесно състояние

Нека разгледаме по-отблизо процеса на обучение п-нпреход. Преходното състояние се нарича равновесие, когато няма външно напрежение. Нека припомним, че в Р-област има два вида основни носители на заряд: стационарни отрицателно заредени йони на акцепторни примесни атоми и свободни положително заредени дупки; и в н-област също има два вида основни носители на заряд: неподвижни положително заредени йони на акцепторни примесни атоми и свободни отрицателно заредени електрони.

Преди контакт стрИ нобласти, електрони, дупки и примесни йони са разпределени равномерно. При контакт на границата стрИ нрегиони, възниква градиент на концентрация на свободни носители на заряд и дифузия. Под въздействието на дифузията, електроните от н-област влиза в стри се рекомбинира там с дупки. Дупки от Р-области отиват към н-регион и се рекомбинират там с електрони. В резултат на това движение на свободни носители на заряд в граничната област, тяхната концентрация намалява почти до нула и в същото време Робласт се образува отрицателен пространствен заряд от акцепторни примесни йони и в н-регион има положителен пространствен заряд на донорни примесни йони. Между тези заряди възниква контактна потенциална разлика φ къми електрическо поле E k, което предотвратява дифузията на свободните носители на заряд от дълбочина Р-И н-области напречно п-н-преход. Така се нарича областта, обединена от свободни носители на заряд с нейното електрическо поле п-н-преход.

П-н-преходът се характеризира с два основни параметъра:

1. Потенциална височина на бариерата. Тя е равна на контактната потенциална разлика φ към. Това е потенциалната разлика в прехода, причинена от градиента на концентрация на носители на заряд. Това е енергията, която безплатното зареждане трябва да притежава, за да преодолее потенциалната бариера:

Където к– константа на Болцман; д– заряд на електрона; T- температура; N aИ N D– концентрации на акцептори и донори съответно в дупковата и електронната област; r rИ р n– концентрация на дупки в Р-И н-съответно площи; н аз –присъща концентрация на носители на заряд в нелигиран полупроводник,  t = kT/e- температурен потенциал. При температура T=27 0 С  t=0.025V, за германиев преход  към=0.6V, за силициев преход  към=0,8 V.

2. ширина на pn прехода(фиг. 1) е граничен регион, обеднен от носители на заряд, който се намира в стрИ нобласти: l p-n = l p + l n:

Оттук,

Където ε – относителна диелектрична проницаемост на полупроводниковия материал; ε 0 - диелектрична константа на свободното пространство.

Дебелината на преходите електрон-дупка е от порядъка на (0,1-10) µm. Ако , тогава и п-н-преходът се нарича симетричен, ако , тогава и п-н- преходът се нарича асиметричен и се намира главно в областта на полупроводника с по-ниска концентрация на примеси.

В равновесно състояние (без външно напрежение) чрез р-нпреход, се движат два насрещни потока заряди (текат два тока). Това са дрейфовият ток на малцинствените носители на заряд и дифузионният ток, който е свързан с основните носители на заряд. Тъй като няма външно напрежение и няма ток във външната верига, дрейфовият ток и дифузионният ток са взаимно балансирани и полученият ток е нула

I dr + I diff = 0.

Тази връзка се нарича условие за динамично равновесие на процесите на дифузия и дрейф в изолирано (равновесно) п-н-преход.

Повърхност, върху която контакт стрИ нобластта се нарича металургична граница. В действителност има крайна дебелина - δ m. Ако δ m<< l p-n , Че п-н- преходът се нарича рязък. Ако δ m >> l p-n, Че п-н- преходът се нарича плавен.

Р-нпреход с приложено към него външно напрежение

Външното напрежение нарушава динамичния баланс на токовете в п-н-преход. П-н- преходът преминава в неравновесно състояние. В зависимост от полярността на напрежението, приложено към зоните в п-н-преход, възможни са два режима на работа.

1) Изместване напредп-н преход. П-н-Преходът се счита за предубеден, ако към него е свързан положителният полюс на захранването Р-област, и отрицателна до н-области (фиг. 1.2)

При предно отклонение напреженията  k и U са насочени противоположно, полученото напрежение е п-н-преходът намалява до стойността  към - У. Това води до факта, че силата на електрическото поле намалява и процесът на дифузия на основните носители на заряд се възобновява. Освен това изместването напред намалява ширината п-нпреход, защото l p-n ≈( k – U) 1/2. Дифузионният ток, токът на повечето носители на заряд, става много по-голям от дрейфовия ток. През п-н- възел тече постоянен ток

I r-n =I pr =I diff +I dr I разл .

Когато протича постоянен ток, основните носители на заряд от p-областта се преместват в n-областта, където стават малцинство. Процесът на разпространение на въвеждане на мажоритарни носители на заряд в регион, където те стават малцинствени носители, се нарича инжекция, а постоянният ток е дифузионен или инжекционен ток. За да се компенсират малцинствените носители на заряд, натрупани в областите p и n, от източника на напрежение във външната верига възниква електронен ток, т.е. принципът на електрическа неутралност се запазва.

При увеличаване Uтокът се увеличава рязко, - температурен потенциал и може да достигне големи стойности, тъй като свързани с основните носители, чиято концентрация е висока.

2) Обратно пристрастие, възниква, когато Р- минус се прилага към областта и към н- плюс зона, външен източник на напрежение (фиг. 1.3).

Такъв външен стрес Uвключени според  към. Той: увеличава височината на потенциалната бариера спрямо стойността  към + U; силата на електрическото поле се увеличава; ширина п-нпреходът се увеличава, т.к l p-n ≈( до + U) 1/2; процесът на дифузия спира напълно и след това п-нпреход, тече дрейфов ток, ток на малцинствени носители на заряд. Този ток п-н-преходът се нарича обратен и тъй като е свързан с малцинствени носители на заряд, които възникват поради термично генериране, той се нарича термичен ток и се обозначава - аз 0, т.е.

I r-n =I arr =I diff +I dr I dr = I 0.

Този ток е малък по големина, тъй като свързани с малцинствени носители на заряд, чиято концентрация е ниска. По този начин, п-нПреходът има еднопосочна проводимост.

По време на обратно отклонение концентрацията на малцинствени носители на заряд на границата на прехода леко намалява в сравнение с равновесната стойност. Това води до дифузия на малцинствени носители на заряд от дълбочина стрИ н-райони до границата п-нпреход. Достигайки до него, малцинствените носители влизат в силно електрическо поле и се прехвърлят през него п-нпреход, където те стават основните носители на заряд. Дифузия на малцинствени носители на заряд към границата п-нпреход и дрейф през него в региона, където те стават основните носители на заряд, се нарича екстракция. Екстракция и създава обратен ток п-нпреходът е токът на малцинствените носители на заряд.

Големината на обратния ток силно зависи от: температурата на околната среда, полупроводниковия материал и зоната п-нпреход.

Температурната зависимост на обратния ток се определя от израза , където е номиналната температура, е действителната температура, е температурата на удвояване на топлинния ток.

Топлинният ток на силициевия преход е много по-малък от топлинния ток на базирания на германий преход (с 3-4 порядъка). Свързано е с  къмматериал.

С увеличаване на площта на кръстовището неговият обем се увеличава и следователно броят на незначителните носители, появяващи се в резултат на топлинно генериране и топлинен ток, се увеличава.

И така, основната собственост п-н-преход е неговата еднопосочна проводимост.

4. Токово-напреженови характеристики на p-n прехода.

Нека получим характеристиката ток-напрежение на p-n прехода. За да направите това, ние записваме уравнението за непрекъснатост в обща форма:

Ще разгледаме стационарния случай dp/dt = 0.

Нека разгледаме тока в квазинеутралния обем на полупроводник от n-тип вдясно от областта на изчерпване на p-n прехода (x > 0). Скоростта на генериране на G в квазинеутрален обем е нула: G = 0. Електрическото поле E също е нула: E = 0. Дрейфовата компонента на тока също е нула: I E = 0, следователно токът е дифузия. Скоростта на рекомбинация R при ниско ниво на инжектиране се описва от връзката:

Нека използваме следната връзка, свързваща коефициента на дифузия, дължината на дифузия и живота на незначителния носител: Dτ = L p 2 .

Като се вземат предвид горните допускания, уравнението за непрекъснатост има формата:

Граничните условия за уравнението на дифузията в p-n прехода имат формата:

Решението на диференциалното уравнение (2.58) с гранични условия (*) има формата:

Съотношението (2.59) описва закона за разпределение на инжектирани дупки в квазинеутралния обем на полупроводник от тип n за преход електрон-дупка (фиг. 2.15). Всички носители, които пресичат границата на SCR с квазинеутралния обем на pn прехода, участват в тока на pn прехода. Тъй като целият ток е дифузионен, замествайки (2.59) в израза за тока, получаваме (фиг. 2.16):

Съотношението (2.60) описва дифузионния компонент на дупковия ток на pn прехода, който възниква по време на инжектирането на малцинствени носители при предно отклонение. За електронния компонент на тока на p-n прехода получаваме по подобен начин:

При V G = 0 компонентите на дрейфа и дифузията се балансират взаимно. Следователно, .

Общият ток на p-n прехода е сумата от четирите компонента на тока на p-n прехода:

Изразът в скобите има физическия смисъл на обратния ток на pn прехода. Наистина, при отрицателни напрежения V G< 0 ток дрейфовый и обусловлен неосновными носителями. Все эти носители уходят из цилиндра длиной L n со скоростью L n /τ p . Тогда для дрейфовой компоненты тока получаем:

Ориз. 2.15. Разпределение на неравновесни носители, инжектирани от емитера върху квазинеутралния обем на основата на p-n прехода

Лесно се вижда, че тази връзка е еквивалентна на получената по-рано при анализа на уравнението за непрекъснатост.

Ако е необходимо да се изпълни условието за едностранно инжектиране (например само инжектиране на дупки), тогава от съотношението (2.61) следва, че е необходимо да се избере малка стойност на концентрацията на незначителни носители n p0 в p- регион. От това следва, че p-тип полупроводник трябва да бъде силно легиран в сравнение с n-тип полупроводник: N A >> N D . В този случай токът на pn преход ще бъде доминиран от компонента на дупката (фиг. 2.16).

Ориз. 2.16. Токове в асиметричен p-n преход с предно отклонение

По този начин характеристиката на напрежението на p-n прехода има формата:

Плътността на тока на насищане J s е равна на:

Характеристиката ток-напрежение на p-n прехода, описана чрез съотношението (2.62), е показана на фигура 2.17.

Ориз. 2.17. Характеристика ток-напрежение на идеален p-n преход

Както следва от съотношението (2.16) и фигура 2.17, характеристиката ток-напрежение на идеален pn преход има ясно асиметричен вид. В областта на предните напрежения токът на p-n прехода е дифузионен и нараства експоненциално с увеличаване на приложеното напрежение. В областта на отрицателните напрежения токът на p-n прехода е дрейфов и не зависи от приложеното напрежение.

5. Капацитет на p-n преход.

Всяка система, в която електрическият заряд Q се променя при промяна на потенциала φ, има капацитет. Стойността на капацитета C се определя от отношението: .

За p-n преход могат да се разграничат два вида заряди: зарядът в областта на пространствения заряд на йонизираните донори и акцептори Q B и зарядът на носителите, инжектирани в основата от емитера Q p. При различни отклонения на pn прехода един или друг заряд ще доминира при изчисляване на капацитета. В тази връзка за капацитета на p-n прехода се разграничават бариерен капацитет C B и дифузионен капацитет C D.

Капацитетът на бариерата C B е капацитетът на p-n прехода при обратно отклонение V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

Стойността на заряда на йонизираните донори и акцептори Q B на единица площ за асиметричен p-n преход е равна на:

Диференцирайки израз (2.65), получаваме:

От уравнение (2.66) следва, че бариерният капацитет C B е капацитетът на плосък кондензатор, чието разстояние между плочите е равно на ширината на областта на пространствения заряд W. Тъй като ширината на SCR зависи от приложеното напрежение V G , капацитетът на бариерата също зависи от приложеното напрежение. Числените оценки на бариерния капацитет показват, че неговата стойност е десетки или стотици пикофаради.

Дифузионният капацитет C D е капацитетът на p-n прехода при предно отклонение V G > 0, причинено от промяна в заряда Q p на инжектираните носители в основата от емитера Q p.

За инструментална реализация се използва зависимостта на бариерния капацитет C B от приложеното обратно напрежение V G. Полупроводников диод, който реализира тази зависимост, се нарича варикап. Варикапът има максимална стойност на капацитет при нулево напрежение V G . Тъй като обратното отклонение се увеличава, капацитетът на варикапа намалява. Функционалната зависимост на капацитета на варикапа от напрежението се определя от профила на легиране на основата на варикапа. В случай на равномерно допиране, капацитетът е обратно пропорционален на корена от приложеното напрежение V G . Чрез задаване на профила на допиране в основата на варикапа N D (x) е възможно да се получат различни зависимости на капацитета на варикапа от напрежението C(V G) - линейно намаляваща, експоненциално намаляваща.

6. Полупроводникови диоди: класификация, конструктивни особености, символи и маркировки.

Полупроводников диод- полупроводниково устройство с един електрически преход и два извода (електрода). За разлика от други видове диоди, принципът на работа на полупроводниковия диод се основава на явлението п-н-преход.

Едно от основните свойства на p‑n-прехода е неговата способност да пропуска електрически ток в една (права) посока хиляди и милиони пъти по-добре, отколкото в обратна посока.

Полупроводниците са клас вещества, които заемат междинно положение между вещества, които добре провеждат електрически ток (проводници, главно метали) и вещества, които практически не провеждат електрически ток (изолатори или диелектрици).

Полупроводниците се характеризират със силна зависимост на техните свойства и характеристики от микроскопичните количества примеси, които съдържат. Чрез промяна на количеството примеси в полупроводник от десет милионни от процента на 0,1–1%, можете да промените тяхната проводимост милиони пъти. Друго важно свойство на полупроводниците е, че електрическият ток се пренася в тях не само от отрицателни заряди - електрони, но и от положителни заряди с еднаква големина - дупки.

Ако разгледаме идеализиран полупроводников кристал, абсолютно свободен от всякакви примеси, тогава неговата способност да провежда електрически ток ще се определя от така наречената собствена електрическа проводимост.

Атомите в полупроводниковия кристал са свързани един с друг с помощта на електрони във външната електронна обвивка. По време на топлинните вибрации на атомите топлинната енергия се разпределя неравномерно между електроните, образуващи връзки. Индивидуалните електрони могат да получат достатъчно топлинна енергия, за да се „откъснат“ от своя атом и да могат да се движат свободно в кристала, т.е. да станат потенциални носители на ток (с други думи, те се преместват в зоната на проводимост). Такова отпътуване на електрони нарушава електрическата неутралност на атома, той придобива положителен заряд, равен по величина на заряда на отлетялия електрон. Това празно място се нарича дупка.

Тъй като празното място може да бъде заето от електрон от съседна връзка, дупката също може да се премести вътре в кристала и да стане положителен токоносител. Естествено, при тези условия електроните и дупките се появяват в равни количества и електрическата проводимост на такъв идеален кристал ще се определя еднакво както от положителните, така и от отрицателните заряди.

Ако на мястото на атом на основния полупроводник поставим примесен атом, чиято външна електронна обвивка съдържа един електрон повече от атома на основния полупроводник, тогава такъв електрон ще се окаже излишен, ненужен за образуването на междуатомни връзки в кристала и слабо свързани с неговия атом. Десетки пъти по-малко енергия е достатъчна, за да го откъсне от неговия атом и да го превърне в свободен електрон. Такива примеси се наричат ​​донорни, т.е. даряват „допълнителен“ електрон. Атомът на примеса е зареден, разбира се, положително, но не се появява дупка, тъй като дупка може да бъде само празно място на електрон в незапълнена междуатомна връзка и в този случай всички връзки са запълнени. Този положителен заряд остава свързан със своя атом, неподвижен и следователно не може да участва в процеса на електропроводимост.

Въвеждането на примеси в полупроводник, чиято външна електронна обвивка съдържа по-малко електрони, отколкото в атомите на основното вещество, води до появата на незапълнени връзки, т.е. дупки. Както бе споменато по-горе, това празно място може да бъде заето от електрон от съседна връзка и дупката може да се движи свободно в целия кристал. С други думи, движението на дупка е последователен преход на електрони от една съседна връзка към друга. Такива примеси, които "приемат" електрон, се наричат ​​акцепторни примеси.

Ако напрежение (както е посочено на фигурата на полярността) се приложи към метало-диелектричната полупроводникова структура от n-тип, тогава в близкия повърхностен слой на полупроводника възниква електрическо поле, което отблъсква електрони. Този слой се оказва изчерпан.

В p-тип полупроводник, където повечето носители са положителни заряди - дупки, полярността на напрежението, което отблъсква електроните, ще привлече дупки и ще създаде обогатен слой с намалено съпротивление. Промяната на полярността в този случай ще доведе до отблъскване на дупки и образуване на близък до повърхността слой с повишена устойчивост.

С увеличаване на количеството на примесите от един или друг вид електропроводимостта на кристала започва да придобива все по-ясно изразен електронен или дупков характер. В съответствие с първите букви на латинските думи negativus и positivus, електронната електрическа проводимост се нарича n-тип електрическа проводимост, а дупковата проводимост се нарича p-тип, което показва кой тип подвижни носители на заряд за даден полупроводник е основният и който е второстепенният.

При електрическа проводимост поради наличието на примеси (т.е. примеси) в кристала все още остават 2 вида носители: основните, които се появяват главно поради въвеждането на примеси в полупроводника, и незначителните, които дължат появата си на термично възбуждане. Съдържанието в 1 cm 3 (концентрация) на електрони n и дупки p за даден полупроводник при дадена температура е постоянна стойност: n − p = const. Това означава, че увеличавайки концентрацията на носители от даден тип няколко пъти поради въвеждането на примеси, ние намаляваме концентрацията на носители от друг тип със същото количество. Следващото важно свойство на полупроводниците е тяхната силна чувствителност към температура и радиация. С повишаването на температурата средната енергия на вибрациите на атомите в кристала се увеличава и все повече и повече връзки ще бъдат разкъсани. Ще се появяват все повече двойки електрони и дупки. При достатъчно високи температури собствената (топлопроводимост) може да бъде равна на проводимостта на примесите или дори значително да я надвишава. Колкото по-висока е концентрацията на примеси, толкова по-високи температури ще възникне този ефект.

Връзките могат да бъдат разкъсани и чрез облъчване на полупроводника, например със светлина, ако енергията на светлинните кванти е достатъчна, за да разкъса връзките. Енергията на разкъсване на връзките е различна за различните полупроводници, така че те реагират различно на определени части от спектъра на облъчване.

Като основни полупроводникови материали се използват кристали от силиций и германий, а като примеси се използват бор, фосфор, индий, арсен, антимон и много други елементи, които придават необходимите свойства на полупроводниците. Производството на полупроводникови кристали с определено съдържание на примеси е сложен технологичен процес, извършван в особено чисти условия с помощта на оборудване с висока точност и сложност.

Всички изброени най-важни свойства на полупроводниците се използват за създаване на полупроводникови устройства, които са много разнообразни по предназначение и области на приложение. Диоди, транзистори, тиристори и много други полупроводникови устройства са широко използвани в техниката. Използването на полупроводници започна сравнително наскоро и днес е трудно да се изброят всичките им „професии“. Те преобразуват светлинната и топлинната енергия в електрическа енергия и, обратно, създават топлина и студ чрез електричество (виж Слънчева енергия). Полупроводникови устройства могат да бъдат намерени в конвенционален радиоприемник и в квантов генератор - лазер, в малка атомна батерия и в миниатюрни блокове на електронен компютър. Инженерите днес не могат без полупроводникови токоизправители, ключове и усилватели. Замяната на тръбното оборудване с полупроводниково оборудване направи възможно намаляването на размера и теглото на електронните устройства десетократно, намаляването на тяхната консумация на енергия и драстично повишаване на надеждността.

Можете да прочетете за това в статията Микроелектроника.