Полупроводники

Определение

Полупроводники — это твёрдые вещества, электрическая проводимость которых может быть изменена в широких пределах под воздействием внешних факторов (температуры, света, электрического поля) или введением незначительных примесей.

Как устроена проводимость полупроводников

В атомах полупроводников валентные электроны (те, что находятся на внешней оболочке) образуют прочные ковалентные связи с соседними атомами, формируя кристаллическую решётку. При низких температурах почти все электроны "заняты" этими связями и не могут свободно перемещаться, поэтому полупроводник ведёт себя как изолятор. Однако, при повышении температуры или под воздействием света, некоторые электроны получают достаточно энергии, чтобы разорвать эти связи и стать свободными. Они начинают двигаться по кристаллу, создавая электрический ток. На месте "ушедшего" электрона образуется "дырка" — незанятая связь, которая тоже может перемещаться, как положительный заряд, участвуя в проводимости.

Собственная и примесная проводимость

Электропроводность чистых, без примесей, полупроводников называется собственной проводимостью. Она возникает, когда внешние факторы (например, нагрев) выводят электроны из связей, создавая пары "электрон-дырка". Однако гораздо важнее так называемая примесная проводимость. Если в чистый полупроводник (например, кремний) добавить небольшое количество атомов другого элемента (примесь), это значительно меняет его электропроводность. Различают донорную примесь, которая отдаёт лишние электроны в кристаллическую решётку (полупроводник n-типа, с основным носителем заряда — электронами), и акцепторную примесь, которая захватывает электроны, создавая "дырки" (полупроводник p-типа, с основным носителем заряда — дырками).

Как работает полупроводниковый диод

Одним из самых простых и важных устройств на основе полупроводников является p-n переход, или полупроводниковый диод. Он образуется, когда соприкасаются полупроводники p-типа и n-типа. На границе раздела образуется обеднённый слой, где нет свободных носителей заряда, и возникает электрическое поле. Диод обладает односторонней проводимостью: он пропускает ток только в одном направлении (от p к n), когда к нему приложено прямое напряжение, и почти не пропускает в обратном, блокируя его. Это свойство используется для выпрямления переменного тока, то есть преобразования его в постоянный.

Разбор задач

Задача 1

Почему электрический чайник, работающий от сети 220 В, обычно имеет металлический нагревательный элемент, а не полупроводниковый?

1. Определим назначение нагревательного элемента: быстро и эффективно выделять большое количество тепла при прохождении тока. 2. Вспомним свойства металлов и полупроводников. Металлы — хорошие проводники, их сопротивление при нагревании увеличивается незначительно (или остаётся примерно постоянным). Полупроводники при повывании температуры значительно увеличивают свою проводимость (т.е. их сопротивление падает), но их сопротивление, как правило, намного выше, чем у металлов при комнатной температуре. 3. Для выделения большого количества тепла требуется относительно высокое сопротивление, но при этом стабильное и предсказуемое. Металлические сплавы (например, нихром) специально разрабатываются для таких целей. 4. Полупроводники при высоких температурах могут потерять свои полупроводниковые свойства и начать работать как металлы, но их использование в качестве нагревательных элементов неэффективно и дорого из-за сложной технологии производства и контроля свойств. Кроме того, чрезмерный нагрев может необратимо повредить полупроводник.

Ответ: Металлы, особенно специальные сплавы, более эффективны и стабильны в качестве нагревательных элементов благодаря своей высокой и предсказуемой электропроводности при высоких температурах. Полупроводники же, хоть и могут проводить ток, не оптимальны для создания мощных нагревателей из-за их специфических зависимостей проводимости от температуры и ограничений по нагреву.

Где это встречается

• Смартфоны, компьютеры, планшеты — Вся цифровая электроника построена на транзисторах, которые являются ключевыми элементами микросхем. Транзисторы — это управляемые полупроводниковые устройства, способные переключать или усиливать электрические сигналы.
• Светодиодные лампы (LED) — Светодиоды — это полупроводниковые диоды, которые излучают свет при прохождении через них электрического тока. Они преобразуют электрическую энергию в световую гораздо эффективнее, чем лампы накаливания.
• Солнечные батареи — Фотоэлементы солнечных батарей сделаны из полупроводниковых материалов (чаще всего кремния). Они преобразуют энергию света (фотоны) в электрическую энергию, используя фотоэлектрический эффект в полупроводниках.
• Датчики температуры, освещенности, влажности — Многие датчики работают на основе изменения электропроводности полупроводников под воздействием внешних факторов. Например, терморезисторы меняют сопротивление при изменении температуры, а фоторезисторы — при изменении освещенности.

Типичные ошибки

Не путать

• Проводники (металлы) — Проводники имеют высокую электропроводность, которая уменьшается с ростом температуры. Их проводимость определяется почти свободными электронами. У полупроводников проводимость намного ниже и сильно увеличивается с ростом температуры, а также при добавлении примесей.
• Изоляторы (диэлектрики) — Изоляторы практически не проводят электрический ток, имеют очень мало свободных носителей заряда, и их проводимость крайне низка даже при сильном нагреве. У полупроводников проводимость, хоть и невысока в чистом виде, может быть значительно увеличена и управляема.

Откуда взялось понятие

Основные принципы полупроводниковой физики были сформулированы в первой половине XX века, но практическое применение началось с изобретения транзистора в 1947 году учёными Bell Labs (Джон Бардин, Уолтер Браттейн, Уильям Шокли).

Как запомнить

Полупроводник: не проводник, не изолятор, а умный посредник, который то пропускает, то нет.