Что такое полупроводник и как он используется в электронике

Полупроводник — это материал, который обладает специфическими свойствами, которые позволяют использовать их в электронных устройствах. Многие устройства, которые мы используем ежедневно, от компьютеров до светильников, основаны на технологии полупроводников.

Полупроводники обладают уникальными свойствами проводимости, для которых характеренбольшой разброс значений из-за физических неоднородностей материала. Они обладают только частичной проводимостью, в отличие от металлов, которые полностью проводят электрический ток, и изоляторов, которые его не проводят вовсе. Это позволяет использовать полупроводники в качестве сенсоров, транзисторов и других компонентов многих электронных устройств.

Принцип работы полупроводников связан с эффектом возможного барьера и большим разбросом электрических характеристик материала. Они могут быть применены в качестве диодов и транзисторов благодаря изменению проводимости материала при воздействии на него внешними электрическими сигналами.

Использование полупроводниковой технологии дает возможность создавать компактные, но мощные микросхемы и другие электронные устройства, которые потребляют меньше энергии и экономят больше места, чем традиционные устройства, основанные на других технологиях.

В этой статье мы более подробно рассмотрим свойства полупроводников и их принцип работы, которые позволяют создавать передовые устройства.

Полупроводник: что это?

Полупроводник — это вещество, которое обладает свойствами проводить электрический ток, но только в определенных условиях. Оно находится между проводниками, которые хорошо проводят ток, и диэлектриками, которые не проводят ток вообще.

Полупроводники имеют множество применений, и они являются основой для электроники. Некоторые известные полупроводники включают кремний, германий и галлий.

Причина, по которой полупроводники имеют такие выдающиеся свойства, заключается в том, что они содержат «дырки» и «электроны» — частицы, которые могут передавать электрический заряд. Но чтобы они могли это делать, им нужна энергия.

Принцип работы полупроводника заключается в том, что если дать им дополнительную энергию (например, приложить электрическое поле), дырки и электроны начинают двигаться по материалу, создавая поток тока. Это позволяет использовать полупроводники в различных устройствах, таких как солнечные панели, светодиоды и микросхемы.

Полупроводник: общее понятие и история

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это материал, который обладает свойствами проводника и диэлектрика одновременно. Такие материалы используются в электронике для создания различных приборов и устройств, таких как транзисторы, диоды, солнечные батареи и другие.

История полупроводников

Первые исследования полупроводников начались в 19 веке, когда были открыты свойства теллура и селенурия. Однако только в 20 веке были открыты основные принципы работы полупроводников и начались их широкомасштабные исследования.

В 1947 году в лаборатории Bell Labs было изобретено устройство, которое стало важным этапом в развитии электроники — транзистор. Это устройство стало основой для создания более сложных приборов и стало знаковым для индустрии электроники.

В последующие десятилетия исследования полупроводников продолжались, что привело к созданию более совершенных и мощных устройств. Сегодня полупроводники используются по всему миру в различных отраслях, что делает их одними из самых важных материалов в современной электронике.

Основные свойства полупроводников

Проводимость

Одним из основных свойств полупроводников является их способность проводить электрический ток. Однако, в отличие от металлов, полупроводники имеют нестабильную проводимость в зависимости от различных факторов, таких как температура, примеси и давление.

Полосы проводимости и запрещенные зоны

Полупроводники имеют две полосы проводимости — валентную и кондукционную, между которыми находится запрещенная зона, в которой электроны не могут проводить ток. Ширина запрещенной зоны зависит от материала и может меняться при наличии примесей или изменении условий.

Примеси

Примеси, добавленные в полупроводники, влияют на их свойства, такие как проводимость и подвижность электронов. Примеси могут быть донорными или акцепторными, что в свою очередь влияет на направление проводимости. Примеси также могут стать центрами рекомбинации, что отрицательно влияет на работу полупроводникового прибора.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость полупроводников определяет их электрическую ёмкость. Она является функцией частоты и температуры. При изменении условий, диэлектрическая проницаемость полупроводников может изменяться, что влияет на их качество и работу в различных условиях.

Термическое поведение

При обогреве полупроводники могут изменять свои свойства в зависимости от материала. Например, при повышении температуры, полупроводники могут стать более проводимыми или же наоборот, менее проводимыми. Это связано с изменением энергетических структур полупроводников.

Принцип работы полупроводниковых приборов

Полупроводниковые приборы работают на основе свойств материала, который обладает способностью менять свою электропроводность под воздействием внешних факторов. Основой полупроводника является кристаллическая структура, в которой имеются пропущенные участки, называемые «дырками», и избыточные электроны. Так же в полупроводниках может быть выполнена легировка, что изменяет концентрацию примеси и тем самым меняет электрические свойства.

Основными полупроводниковыми приборами являются диоды, транзисторы и интегральные схемы. В зависимости от целевого назначения приборы могут выполнять функцию контроля тока, усиления сигнала или логического элемента.

Диоды имеют два вывода и состоят из p- и n-типа полупроводников, которые разделены p-n-переходом. При подаче напряжения на диод электроны начинают двигаться в направлении n-типа, а дырки — в направлении p-типа. Таким образом, диод пропускает электрический ток только в одном направлении.

Транзисторы являются более сложными элементами и могут выполнять функции управления и усиления сигнала. Транзисторы состоят из трех слоев полупроводников — p-n-p и n-p-n, между которыми расположены контакты. При подаче напряжения на базу транзистора происходит изменение электрического тока между эмиттером и коллектором, что позволяет управлять сигналом на выходе устройства.

Интегральная схема — это комплексный элемент, состоящий из множества транзисторов, резисторов, диодов и других компонентов, выполненных на одном кристалле полупроводника. Интегральные схемы используются в создании различных устройств — компьютеров, микроконтроллеров, смартфонов и других электронных систем.

Примеры применения полупроводников в современной технике

Электроника

Пеленгаторы, измерители, транзисторы, диоды и множество других элементов электронных приборов основаны на принципе полупроводников. Благодаря своей способности изменять внутреннюю структуру при воздействии внешней среды, полупроводники позволяют создавать эффективные и малогабаритные приборы.

Солнечные батареи

Солнечные батареи, которые используются для преобразования солнечной энергии в электрическую, являются наиболее распространенным примером использования полупроводников в современной технике. Они состоят из полупроводниковых слоев, покрытых тонким слоем металла, которые преобразуют световые лучи в электрический ток.

Наноэлектроника

Полупроводники находят свое применение также в наноэлектронике, где они используются для создания наночипов, нанотранзисторов и других элементов электронной техники. Благодаря своим уникальным свойствам, полупроводники позволяют создавать экстремально маленькие элементы электронной техники, что открывает возможности для создания новых и более мощных приборов и устройств.

Энергетика

Полупроводники также находят широкое применение в энергетике: они используются для создания направленных электрических полей, которые могут использоваться для передачи и преобразования энергии. Например, полупроводниковые электроды могут использоваться для преобразования солнечной энергии в теплоэнергию или для создания электрических полей в атомных реакторах.

Вопрос-ответ

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это материал, обладающий электрическими свойствами, которые лежат между свойствами металлов и изоляторов. Он обладает способностью проводить электрический ток при определенных условиях, таких как изменение температуры, освещенности или добавление примесей.

Какие основные свойства полупроводника?

Основные свойства полупроводника включают: высокую подвижность носителей заряда, изменчивость проводимости и электропроводности в зависимости от температуры и добавления примесей, возможность создания п- и n-областей при добавлении примесей с противоположными типами проводимости, и создание диодов и транзисторов для управления электрическим током.

Какие типы полупроводников существуют?

Существуют два типа полупроводников: p-тип, в котором большинство носителей зарядов — дырки, и n-тип, в котором большинство носителей зарядов — электроны. При добавлении примесей с противоположным типом проводимости возможно создание полупроводников с п- и n-областями, создавая таким образом полупроводниковые диоды и транзисторы.

Как работает полупроводниковый диод?

Полупроводниковый диод создается путем объединения p- и n-типов полупроводников. При этом создается зона перехода, где протекание электрического тока происходит только в одном направлении. В процессе работы, диод позволяет току протекать от электрода с p-типом полупроводника к электроду с n-типом, но не в обратном направлении, создавая таким образом защиту от перегрузок и искажений сигнала.

Как работает полупроводниковый транзистор?

Полупроводниковый транзистор создается путем объединения трех областей полупроводников: двух p-типов и одного n-типа. При этом добавление напряжения на базу транзистора позволяет изменять проводимость области между эмиттером и коллектором, тем самым управляя электрическим током. Таким образом, полупроводниковый транзистор позволяет управлять электрическим током и является ключевым элементом многих электронных устройств.

Как влияет температура на свойства полупроводников?

Температура существенно влияет на проводимость и способность полупроводников передавать ток. При повышении температуры, электроны и дырки обладают большей энергией, что способствует увеличению проводимости. Но при избыточной температуре, полупроводник может потерять свои свойства и прекратить свою работу.