Полупроводники на молекулярном уровне представляют собой кристаллическую структуру типа алмаза или тетраэдрическая решётку. Такая решётка характерна для кремния, германия и других четырёхвалентных элементов. Данная структура представляет собой тетраэдр, в углах и в центре расположены атомы вещества. Характерной особенностью такой решётки является равенство расстояний между центральным атомом и угловыми.

Полупроводник N-типа легируется пятивалентной примесью, чтобы создать свободные электроны. Электронная и дырочная проводимость, появляющаяся в результате того, что электроны разрывают связи, называется собственной проводимостью проводника. Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны. Эти электроны становятся свободными электронами и, если на них правильно воздействует разница в электрическом потенциале, они могут способствовать циркуляции тока в кристаллической решетке.. Таким образом, каждый атом имеет 8 электронов в своем наиболее поверхностном слое, который образует прочный союз между электронами и атомами, составляющими кристаллическую решетку.. История покорения полупроводников началась в 1833 году, когда физик Майкл Фарадей заметил, что электропроводность сульфида серебра повышается при нагревании.

• Любой аналоговый или цифровой (дискретный) прибор имеет в своей основе схемы, построенные с применением диодов и транзисторов.
• Отсутствие электрона провоцирует соседние электроны заполнить эту вакансию.
• В отличие от них, проводники имеют узкую или вовсе отсутствующую запрещённую зону.
• Ни один электроприбор не сможет функционировать без этих деталей.
• Проводимость любого вещества определяется наличием и подвижностью носителей заряда в этом веществе и рассчитывается по специальным формулам.
• Такой кристалл является идеальным диэлектриком и пс проводит электрический ток.
• И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.
• Полупроводники Р-типа испытывают нехватку электронов, но зато имеют избыток дырок (вакантных мест для электронов), которые переносят положительный заряд.
• Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона.
• Полупроводниковый лазер имеет малые габариты и высокие технические параметры, что позволило воплотить в жизнь оптоволоконные средства коммуникации.

В результате этот электрон будет очень легко покидать свой атом и свободно двигаться в кристалле. Такую проводимость можно создать, если ввести в кристалл четырехвалентного полупроводника пяти- или трехвалентные атомы. При этом 4 электрона в каждом атоме осуществляют установку четырех парных (ковалентных) связей с германием. Пятый электрон не имеет такой связи, а значит, он в свободном состоянии. И если приложить к нему напряжение, он будет образовывать электронный ток.

Она характеризуется разностью энергий дна зоны проводимости и потолка валентной зоны, или шириной запрещённой зоны. Ширина запрещённой зоны меняется в зависимости от температурных показателей среды. Чаще с повышением температуры ширина запрещённой зоны сокращается. Полупроводники – это особый класс веществ, которые при низкой температуре выступают как диэлектрики, а при высокой – как проводники.

Такие полупроводники называются электронными или n-типа, а примеси называются донорными, кроме фосфора донорными примесями являются сурьма, мышьяк и другие пятивалентные атомы. Исследования показали, что на электрические свойства полупроводников существенно влияют примеси. Рассмотрим для примера кристалл кремния, в котором находится некоторое количество фосфора. Пятивалентный атом Фосфора занимает место атома Силиция, а его электроны входят в ковалентные связи с соседними атомами Силиция (рис. 1.68). В таком случае в полупроводнике концентрация свободных электронов увеличивается.

Виды и деление полупроводников

Множество веществ, к которым можно отнести полупроводники, классифицируется по величине и характеру проводимости. Полупроводники также находят применение в фотоэлектрических технологиях, где они используются для преобразования солнечного света в электричество в солнечных батареях. В настоящее время в производители нацелены на создание сверхтонких полупроводников. Уменьшение нанометров влечёт увеличение стоимости, а скорость не изменяется. Полупроводниковые устройства применяются в машиностроении для производства устройств контроля, мониторинга местоположения, направления и скорости. Современные космические технологии не обходятся без полупроводников.

Фотодиоды – это полупроводниковые детекторы света, которые преобразуют падающий свет в электрический ток. Они используются в различных сенсорных устройствах, включая камеры, оптические датчики и системы солнечных батарей.Лазерные диоды – это оптоэлектронные устройства, способные генерировать когерентный и монохроматический свет. Волоконно-оптическая связь используется в телекоммуникациях, интернете, кабельном телевидении и других сетевых системах для передачи данных на большие расстояния с высокой скоростью. Полупроводниковое устройство, управляемое колебаниями электрического поля, называется полевым транзистором или FET. Термин “КМОП” часто относится именно к слоистой физической структуре таких устройств, как металлооксид-полупроводниковые полевые транзисторы, или МОП-транзисторы. МОП-транзисторы имеют металлический электрод затвора поверх оксидного изолятора, который сам прикреплен к пластинке полупроводникового материала.

Что такое полупроводники, где применяются и чем отличаются от проводников

Они используют меньше энергии и могут адаптироваться к различным задачам, что делает их идеальными для применения в области искусственного интеллекта и машинного обучения. Помимо элементарных полупроводников, существует множество полупроводниковых соединений, которые имеют различные свойства и применения. Одними из наиболее известных являются соединения группы III-V, такие как галлий-арсенид (GaAs), индий-фосфид (InP) и алюминий-галлий-арсенид (AlGaAs). Эти материалы обладают высокой электронной подвижностью, благодаря чему они широко используются в оптоэлектронике, высокочастотной электронике и солнечных элементах.

Свободное место в электронной оболочке атома

Когда «дыры» и независимые электронные частицы образуются в ходе окисления атомов кристалла, аналогичное поведение присуще полупроводникам первой разновидности. Концентрация «дыры» соответствует соотношению освобожденных электронных частиц. Внедрение в производство современных нанотехнологий открыло новые возможности для создания полупроводниковых конструкций с особо интересными и полезными для практики свойствами, с которыми вы ознакомитесь позднее.

Благодаря полупроводникам стали возможными такие изобретения, как микропроцессоры, оперативная память, солнечные батареи и множество других электронных компонентов. Кроме того, полупроводниковые технологии имеют большое значение для развития космической, автомобильной, медицинской и других отраслей промышленности. Если напряженность электрического поля в образце равна нулю, то движение освободившихся электронов и “дырок” происходит беспорядочно и поэтому не создает электрический ток. Существуют и другие типы полупроводниковых материалов, которые могут быть образованы путем объединения элементов из группы III с элементами из группы V, и они известны как составные полупроводники.

• Более яркие области соответствуют более высокой вероятности нахождения электрона.
• Место соприкосновения областей p- и n-типа называется p-n-переходом.
• В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон в кристалл (в вышеприведённом примере — фосфор) или захватывает его (бор), примесные атомы называют донорными или акцепторными.
• Введение примесей в полупроводник должно  способствовать переходу электронов в зону проводимости.
• Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей, чем 1,5—2 эВ.
• Самый востребованный способ очистки полупроводников — «зонная плавка».
• Экситонные зоны расположены в полупроводнике несколько ниже дна зоны проводимости благодаря энергии связи экситона.
• Транзистор — полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа.
• Чипам не обязательно достигать внутренней температуры, приближающейся к температуре поверхности Солнца.
• Пятый электрон не имеет такой связи, а значит, он в свободном состоянии.
• Для того, чтобы усилить особые свойства полупроводников, они обогащаются добавками — например, мышьяком.

Вопреки постоянным кризисам, она сейчас стремительно развивается. Основными мировыми производителями являются Южная Корея, Тайвань, Сингапур, Япония, Швейцария, США. Современные процессоры содержат миллионы полупроводников, которые позволяют обрабатывать большой объём данных и быстро запускать в работу. Поэтому компьютерные системы – она из ключевых сфер, куда внедряется этот тип материалов. Из них производят микропроцессоры, необходимые для обеспечения вычислительных функций компьютера, различные микросхемы памяти, а также графические процессоры.

• Большая часть полупроводников, образованных четырехвалентными атомами, имеет собственную проводимость.
• Кремний, арсенид галлия имеющие оптические свойства, их используют при производстве солнечных батарей и светодиодов.
• Кроме того, лампы потребляли гигантские объемы энергии и выделяли огромное количество тепла.
• Отсутствие жесткой структуры в конечном итоге выливается в то, что перемещенный атом получает другую валентность.
• Поскольку они все же имеются в наличии в этих элементах – их назвали полупроводниками.
• Современные процессоры содержат миллионы полупроводников, которые позволяют обрабатывать большой объём данных и быстро запускать в работу.
• Для ионизации атома чистого германия необходима энергия 0,72 эв, тогда как для ионизации примесного атома требуется энергия 0,015 эв.
• Свойства полупроводниковых материалов характеризуются тем, что при увеличении номера группы ширина запрещенной зоны уменьшается.

Электронные устройства на  основе полупроводников

С эпохи ламповых вычислений программное обеспечение стало невероятно сложным. Устройства, необходимые для быстрой обработки данных, в большинстве случаев соответствуют этой сложности как по своей внутренней логической структуре, так и в абсолютном размере элементов интегральной схемы. Каждый новый улучшенный технологический узел позволяет заводам и литейным предприятиям реализовать больше функций в одном чипе. В настоящее время миллиарды невидимых невооруженным глазом транзисторов занимают площадь одного транзистора образца 1950-х годов. Со временем интегральные схемы становились меньше, быстрее и эффективнее – но всему есть предел. Квантовая механика не может предсказать точное местоположение частицы в пространстве, а лишь вероятность её обнаружения в различных местах.

Он обладает свойством выпрямления, то есть пропускает ток только в одном направлении. Диоды используются в различных приложениях, включая выпрямление переменного тока, стабилизацию напряжения и как ключевые компоненты оптронов и светодиодов. Как нам известно, электроны в полупроводниках могут переходить в зону проводимости не только при повышении температуры, но и при поглощении фотона (внутренний фотоэффект). Существуют полупроводники энергия перехода электронов, у которых составляет десятые доли электрон — вольта, то есть на сопротивление подобных проводников оказывает влияние не только видимый свет, но даже инфракрасное излучение.

Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается. Наличие запрещенной зоны не служит препятствием к образованию собственных носителей заряда.

Если накладываются внешние поля, процессам обеспечивается приоритетное направление. Освобожденные электроны перемещаются в сторону, противоположному от поля, положительные двигаются внутри него. Образуется односторонний ток, электропроводность создается этими 2-мя процессами. ИК-светодиоды применяются в системах дистанционного управления, ночного видения; светодиоды видимого спектра используются в составе различных индикаторов и дисплеев; УФ-светодиоды находят применение в медицине и промышленности.