Что такое собственная проводимость полупроводников
Содержание
Полупроводники пропускают электрический ток намного хуже по сравнению с металлическим проводником, но все же лучше, чем изоляторы. Поэтому они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Один из ключевых аспектов полупроводников, определяющих их поведение, это способность менять свою проводимость при изменении температуры или за счет добавления примесей.
Что называют собственной проводимостью
Способность полупроводников проводить электрический ток при отсутствии примесей называется собственной проводимостью. Она обусловлена наличием свободных носителей заряда в кристаллической решетке данных веществ. Это могут быть электроны и так называемые дырки. Когда носители заряда под воздействием электрополя начинают двигаться, возникает электрический ток. Причем, дырки перемещаются в том же направлении, что и вектор напряженности электрополя, а электроны — в противоположном.
По сравнению с проводниками проводимость полупроводников достаточно мала, поскольку свободных заряженных частиц в них немного. Чтобы увеличить проводимость, используют такие факторы внешнего воздействия, как температура, облучение, добавление примесей.
При отсутствии внешнего воздействия в кристаллической решетке полупроводниковых веществ атомы располагаются в определенном порядке. На внешнем энергетическом уровне атома находятся валентные электроны, образующие связи с рядом расположенными атомами. При определенных условиях запас энергии некоторых электронов становится достаточным для того, чтобы они могли разорвать ковалентную связь и стать свободными.
Проводимость полупроводника, которая возникает в результате разрыва в атомах собственных ковалентных связей, может проявляться под воздействием температуры или внешнего напряжения. При повышении температуры энергия, передаваемая электронам, увеличивается, что позволяет им преодолеть энергетический барьер и стать свободными. Из-за роста числа свободных носителей заряда увеличивается электропроводность кристалла.
Формула электропроводности в физике:
Типы полупроводников
Существует два основных типа полупроводников: тип p и тип n. Объясняя кратко, в веществах p-типа (позитивного), преобладают дырки — отсутствующие электроны. Они являются носителями положительного заряда. У полупроводников n-типа (негативного) заряд переносят свободные электроны, которые, как известно, имеют знак минус.
В категории p собственная электропроводность полупроводников определяется через дырки. Когда электрон переходит от ковалентной связи к дырке, образуется свободное место для дополнительного электрона. Дырка, фактически, становится положительно заряженным электроном и способствует передаче тока.
В категории n собственная электропроводность полупроводников реализуется через свободные электроны. Под воздействием внешних факторов, таких как температура, они получают достаточно энергии, чтобы освободиться от своих ковалентных связей и начать двигаться.
Температура имеет существенное влияние на проводник. При ее повышении дырки и электроны становятся более подвижными, поэтому обеспечивают увеличение собственной проводимости полупроводников.
Объединение типов полупроводников является основой для создания интегральных схем и транзисторов. Управление типом и температурой обеспечило контроль электрических свойств при разработке более эффективных и мощных электронных устройств.
Факторы, влияющие на собственную проводимость
Электропроводимость полупроводников зависит от таких факторов, как температура, концентрация носителей заряда, состояние поверхности материала и пр.
Температура
При повышении температуры энергия увеличивается, позволяя элементарным частицам легче преодолевать энергетический барьер и становиться свободными носителями заряда. В результате повышения температуры собственная проводимость полупроводников увеличивается.
Кристаллическая структура
Дефекты и несовершенства кристалла могут создавать дополнительные уровни энергии, что влияет на передвижение носителей заряда и, следовательно, на проводимость собственных полупроводников.
Использование примесей
Введение примесей может существенно изменить электрические свойства вещества. Примесные атомы, замещая атомы в кристаллической решетке, увеличивают количество свободных электронов или дырок, обусловливающих собственную проводимость. Этот процесс, называемый легированием. Собственная и примесная проводимость полупроводников позволяет инженерам использовать их для самых разных приложений.
Концентрация носителей заряда
Собственная электропроводность существенно зависит от количества свободных носителей заряда. Их высокая концентрация увеличивает электропроводность, тогда как низкая может сделать материал менее проводящим.
Состояние поверхности
Проводимость полупроводников зависит также от состояния поверхности материала. Применение различных технологий обработки поверхности или покрытий способно изменить химическую активность поверхности, влияя на взаимодействие с внешними факторами.
Примесная проводимость полупроводников
Проводимость называется примесной, если образуется в результате введения атомов других элементов (примесей) в кристаллическую решетку исходного вещества. Атомы примесей могут иметь большее или меньшее число электронов во внешней оболочке по сравнению с атомами основного материала.
Вносимые примеси называются донорами и акцепторами. Доноры — это вещества, поставляющие дополнительные свободные электроны в кристаллическую структуру. Акцепторы, наоборот, создают дырки, которые также могут служить носителями заряда.
Практическое применение полупроводников
Собственная и примесная проводимость полупроводников — это не просто абстрактные концепции, а мощные инструменты, используемые в различных технологических сферах. Вещества-полупроводники, собственная и примесная проводимость полупроводников позволяют создавать полупроводниковые приборы, практическое применение которых расширяет границы современных технологий, обеспечивая нас эффективными и инновационными решениями в мире электроники и энергетики.
Собственная и примесная проводимость являются фундаментальными принципами при производстве микроэлектронных компонентов. Миллиарды транзисторов, логических вентилей и микросхем в современных устройствах создаются с использованием данных механизмов.
Полупроводники применяются в светочувствительных устройствах, таких как фотодиоды и фототранзисторы. В них под воздействием света возникают свободные носители заряда, что можно использовать для регистрации и преобразования световых сигналов.
Механизм примесной проводимости позволяет инженерам тонко настраивать и управлять электропроводностью полупроводников. Легирование донорными и акцепторными примесями создает материалы с различными типами проводимости (n-типа и p-типа), что необходимо для создания транзисторов и логических элементов.
Применение собственных и примесных полупроводников в солнечных батареях способствует увеличению эффективности поглощения света и генерации свободных носителей заряда, что обеспечивает преобразование солнечной энергии в электрический ток.
Полупроводники, для которых характерна примесная проводимость полупроводников, а также собственная, используются в различных сенсорных устройствах. Они позволяют создавать очень точные и чувствительные приборы.
Применение полупроводников в энергосберегающих технологиях, таких как светодиоды, позволяет создавать более эффективные и долговечные источники света, сокращая энергопотребление.
Загрузка...
