Полупроводники — один из наиболее важных компонентов современных технологий, присутствующих в самых разных устройствах, которые мы используем в повседневной жизни, от смартфонов до компьютеров. Этот тип материала на протяжении многих лет произвел революцию в промышленности благодаря своей способности эффективно и экономично контролировать поток электроэнергии. Однако не все полупроводники одинаковы, и именно здесь появляются два термина, которые могут сбить с толку тех, кто не знаком с этой областью: внутренние и внешние полупроводники.
В области электроники знание разницы между этими двумя типами полупроводников имеет решающее значение для понимания того, как работают устройства и почему некоторые приложения предпочитают один другому. В этой статье мы подробно разберем характеристики обоих типов полупроводников и то, как их структура влияет на их поведение. Подготовьте свои нейроны, потому что мы собираемся погрузиться в один из столпов физики материалов и современной электроники!
Что такое собственный полупроводник?
собственные полупроводники Они имеют чистую структуру, то есть не содержат примесей, внесенных в процессе легирования. Этот тип полупроводника считается «основным состоянием» материала, поскольку его электрические свойства зависят исключительно от внутренних характеристик материала. Кремний (Si) и германий (Ge) являются наиболее распространенными собственными полупроводниками, поскольку их электронные свойства делают их идеальными для использования в производстве электронных устройств.
При комнатной температуре собственные полупроводники обладают слабой электропроводностью. Однако по мере повышения температуры электроны в своей валентной оболочке получают достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть в зону проводимости, позволяя, таким образом, течь току. Это явление делает собственные полупроводники весьма интересными материалами для применений, где требуется строгий контроль проводимости за счет тепла.
Важно отметить, что в чистом полупроводнике число электронов в зоне проводимости и количество дырок в валентной зоне одинаково. Это приводит к идеальному балансу между обоими носителями заряда, что позволяет предположить, что проводимость в собственном материале является очень чистым и упорядоченным явлением.
Что такое внешний полупроводник?
В отличие от собственного полупроводника, внешние полупроводники Это те, в которые были добавлены примеси для улучшения их водительских качеств. Эти примеси обычно происходят из трехвалентных (например, алюминий) или пятивалентных (например, фосфор) элементов, и при добавлении в контролируемых количествах они изменяют электронные свойства основного полупроводника. Это легирование создает пересыщение электронов (полупроводники N-типа) или пересыщение дырок (полупроводники P-типа).
Полупроводники N-типа — это те, в которых материал легирован элементами, которые имеют больше электронов, чем требуется полупроводнику для его ковалентных связей. Этот лишний электрон может свободно двигаться, что значительно увеличивает проводимость материала. Фосфор, сурьма и мышьяк являются распространенными примерами легирующих добавок, используемых для изготовления полупроводников N-типа.
С другой стороны, полупроводники P-типа — это те, в которых материал легирован элементами, у которых меньше электронов, доступных для образования ковалентных связей, что приводит к образованию дырок. Эти отверстия ведут себя как подвижные положительные заряды, пропускающие ток. Бор, галлий и индий являются примерами легирующих элементов, используемых для создания полупроводников P-типа.
Сравнение собственных и внешних полупроводников
Как собственные, так и внешние полупроводники играют фундаментальную роль в электронике, но их различия заключаются в их химическом составе и в том, как они ведут себя при определенных условиях. Далее мы собираемся провести исчерпывающее сравнение ключевых характеристик обоих типов полупроводников:
- Чистота материала: Собственные полупроводники полностью чисты, а внешние полупроводники легированы примесями для улучшения их проводимости.
- Электропроводность: Собственные полупроводники имеют гораздо меньшую проводимость по сравнению с примесными. Собственная проводимость зависит только от изменений температуры.
- Грузовые транспортеры: В собственных полупроводниках число электронов и число дырок одинаково. В внешних полупроводниках эта четность нарушается из-за легирования, что приводит к появлению избытка электронов (N-тип) или дырок (P-тип).
- Технология и применение: Внешние полупроводники более полезны для практического применения из-за их большей способности проводить электричество. Они являются основой практически всей современной электроники, включая транзисторы и диоды.
Полупроводники P-типа и N-типа
Из двух основных типов внешних полупроводников: Полупроводник N-типа содержит больше свободных электронов, а Полупроводник P-типа У него больше отверстий. Электроны в полупроводниках N-типа действуют как основные заряженные частицы, проводящие электричество, тогда как в полупроводниках P-типа дырки (положительно заряженные частицы) обеспечивают электрический ток.
Одним из наиболее важных различий между обоими типами является то, как они ведут себя при подключении к внешнему источнику питания. Когда между двумя областями применяется разность потенциалов (PN), то, что мы знаем как PN-переход, структура, имеющая решающее значение для работы таких устройств, как диоды. Когда переход «поляризован» в одном направлении, он пропускает ток; Если полярность перепутана, он работает как изолятор.
Важность легирования внешних полупроводников
В внешних полупроводниках процесс легирования вводит примеси в кристалл полупроводника, изменяя его естественный баланс и увеличивая его проводимость. Для создания полупроводников N-типа используются примеси с пятью валентными электронами, а для полупроводников P-типа основной материал легируется элементами, имеющими только три валентных электрона. Этот процесс напрямую влияет на электрические свойства материала, повышая его эффективность в приложениях, где важен точный контроль тока.
Это допинг находит широкое применение, например, при создании биполярных транзисторов и интегральных схем, а также других важных компонентов современной электроники.
Применение внешних и собственных полупроводников.
Собственные полупроводники имеют ограниченное применение из-за их низкой проводимости. Однако они полезны в средах, где требуется точная реакция на изменения температуры, например, в датчиках температуры. Со своей стороны, внешние полупроводники из-за их лучших проводящих способностей используются в огромном разнообразии электронных устройств, от транзисторов до диодов и интегральных схем.
Например, в микропроцессорах способность переключаться между проводящими и непроводящими состояниями внешних полупроводников N- и P-типа позволяет компьютерам выполнять логические операции, эффективно хранить и обрабатывать информацию.
Стоит отметить, что область полупроводников продолжает развиваться, и с последними достижениями в области полупроводниковых материалов, таких как карбид кремния (SiC) и арсенид галлия (GaAs), разрабатываются все более быстрые и эффективные устройства.
Для инженеров и ученых понимание различий между собственными и внешними полупроводниками важно не только для разработки более эффективных устройств, но и для улучшения существующих технологий.