Что такое полупроводники?
Полупроводники представляют собой особый класс материалов, чья способность проводить электрический ток находится между отличными проводниками (в основном металлы) и изоляторами (диэлектриками). Их уникальность заключается не в промежуточном значении проводимости, а в возможности гибко и кардинально управлять их электрическими свойствами.
Ключевые свойства полупроводников
Одним из фундаментальных свойств является исключительная чувствительность к примесям. Добавление ничтожных количеств посторонних элементов (от миллионных долей процента до десятых) может изменить электропроводность материала в миллионы раз. Это открывает широкие возможности для целенаправленного конструирования свойств материала.
Другое принципиальное отличие от металлов — наличие двух типов носителей заряда. Электрический ток в полупроводниках переносится не только отрицательными частицами — электронами, но и равными им по величине положительными зарядами, называемыми «дырками». Это двойственность лежит в основе работы большинства полупроводниковых приборов.
Собственная и примесная проводимость
В идеальном, абсолютно чистом кристалле (например, кремния или германия) проводимость возникает за счет теплового движения. Атомы в кристаллической решетке связаны общими электронами. При нагревании некоторые электроны получают достаточно энергии, чтобы покинуть свои атомы и стать свободными носителями тока. На месте ушедшего электрона образуется вакансия с положительным зарядом — «дырка». Соседний электрон может перескочить на это место, в результате чего дырка как бы перемещается. Таким образом, в чистом полупроводнике всегда рождаются равные количества электронов и дырок, что определяет его собственную проводимость.
На практике решающую роль играет примесная проводимость. Введение контролируемых примесей позволяет создавать материалы с преобладанием того или иного типа носителей.
- Донорные примеси (например, фосфор в кремнии): атом примеси имеет «лишний» электрон, слабо связанный с ядром. Этот электрон легко становится свободным, не создавая дырки. Полупроводник с такими примесями обладает электронной проводимостью и называется полупроводником n-типа (от слова «negative»).
- Акцепторные примеси (например, бор в кремнии): атому примеси не хватает электрона для образования связи с соседями. Эта вакансия (дырка) легко захватывает электрон из соседней связи, что эквивалентно движению положительного заряда. Такой материал обладает дырочной проводимостью и называется полупроводником p-типа (от слова «positive»).
Носители, преобладающие в материале (электроны в n-типе или дырки в p-типе), называются основными. Второй тип носителей, возникающий из-за теплового возбуждения, присутствует в меньшем количестве и называется неосновными.
Чувствительность к внешним воздействиям
Свойства полупроводников сильно зависят от температуры и освещения. При нагревании увеличивается число разорванных связей, растет концентрация электронно-дырочных пар, и собственная проводимость может подавить примесную. Это накладывает ограничения на рабочий температурный диапазон приборов.
Энергия света также может разрывать связи в кристалле, если энергия фотонов достаточна. На этом принципе работают фотодиоды и солнечные батареи. Разные полупроводники (кремний, германий, арсенид галлия) чувствительны к разным участкам светового спектра.
Применение в технике
Управляемая проводимость и эффект p-n перехода (границы между областями p- и n-типа) легли в основу всей современной электроники. Из полупроводниковых материалов изготавливают:
- Диоды, транзисторы, тиристоры — базовые элементы схем.
- Микропроцессоры и чипы памяти, составляющие основу вычислительной техники.
- Фотоэлементы для солнечных батарей и датчиков света.
- Терморезисторы и различные датчики.
- Светодиоды и полупроводниковые лазеры.
Замена электронных ламп полупроводниковыми приборами произвела революцию, позволив в десятки раз уменьшить размеры, массу и энергопотребление устройств, а также радикально повысить их надежность. Сегодня полупроводники — это фундамент технологий, от бытовой техники и связи до космических исследований и медицины.
Более подробно о миниатюризации электронных устройств можно прочесть в статье Микроэлектроника.