Полупроводники имеют решающее значение в нашем мире. Наиболее важное применение - компьютеризированные электрические устройства или электрические устройства, работающие на радиоволнах. Эти полупроводники состоят из широко распространенного элемента кремния. Фактически, кремний лежит в основе почти всех видов электронных устройств.
Одна из причин, почему они широко используются в полупроводниках, заключается в том, что они широко распространены в природе. Например, кремний в природе встречается в песке и кварце, который имеет идеальную электронную структуру. Использование кремния в полупроводниках объясняет, почему Кремниевая долина является домом для многих технологических компаний.
Еще одна очень важная вещь, которую следует отметить в отношении кремния, — это влияние легирования, процесса, при котором примеси вводятся для повышения ценности собственного полупроводника. Читайте дальше, чтобы узнать больше о легировании кремниевых полупроводников.
Структура кремния
Как и углерод, кремний имеет 4 электрона на внешней орбитали, что способствует его кристаллической структуре. Кремний имеет вид серебристого металлического вещества. Однако кремний не является металлом, хотя его кристалл имеет металлическую структуру. Фактически кремний действует как изолятор, пропуская через себя лишь небольшое количество электричества.
Он не является ни хорошим изолятором, ни хорошим проводником, отсюда и название полупроводник. Когда в кристаллическую структуру кремния вводятся другие элементы, такие как фосфор или бор, мы получаем полупроводник либо n-типа, либо p-типа.
Типы полупроводников
Полупроводники обычно представляют собой материалы или элементы, которые ведут себя как обычные проводники, а также действуют как типичные изоляторы. Однако их нельзя назвать сильными проводниками или изоляторами. В практическом применении полупроводники делятся на два типа, как описано ниже.
Собственные полупроводники
Собственные полупроводники состоят только из одного типа материала, примером которого может быть кремний или германий. Другое название этого типа полупроводников — нелегированные полупроводники или полупроводники i-типа. Это химически чистые полупроводники. В этих полупроводниках электроны обладают энергией только в определенных зонах. Энергетические зоны соответствуют большому числу дискретных квантовых состояний электронов. Также отметим, что распределение и заселенность зон в полупроводниках является еще одним фактором, отличающим их от металлов.
Для ясности: валентная зона электронов в металлах обычно почти заполнена при нормальных условиях, но в полупроводниках в зоне проводимости, чуть выше валентной зоны, существует лишь несколько электронов. С другой стороны, у изоляторов почти нет свободных электронов, поэтому они не могут проводить электричество. Кроме того, в собственных полупроводниках количество дырок равно числу возбужденных электронов.
Внешние полупроводники
С другой стороны, внешние полупроводники представляют собой собственные полупроводники в сочетании с другими материалами, такими как бор или мышьяк. Это изменяет естественное поведение или характеристики собственных полупроводников. Другими словами, когда собственные полупроводники легируются, мы получаем внешние полупроводники.
Существует два типа внешних полупроводников, в зависимости от типа добавляемого материала. Первый тип — это полупроводники n-типа , которые образуются в результате добавления атомов, имеющих дополнительный электрон. N-тип означает отрицательный из-за дополнительных электронов, которые обычно принадлежат элементам V группы, таким как фосфор и мышьяк. Другой — полупроводники p-типа .
Они легированы такими элементами, как бор и галлий, у которых на внешней оболочке всего три электрона. Это означает, что им не хватает одного электрона, в отличие от полупроводников n-типа. Полученный положительный заряд дал им название полупроводники p-типа.
Легирование в производстве полупроводников
Легирование обычно используется в производстве полупроводников для введения примесей в собственный полупроводник с целью модуляции его электрических, оптических и структурных свойств. Как объяснялось выше, легирование кремниевых полупроводников дает кремниевые полупроводники P-типа и N-типа. Как правило, легированные или примесные полупроводники могут иметь лучшую электропроводность, чем собственные полупроводники, и в этом случае их называют вырожденными. Давайте углубимся в различия между ними.
Полупроводник P-типа
Вместо увеличения отрицательного заряда в кристаллической решетке легирующая примесь в этом случае увеличивает положительный заряд. Элементы группы III, такие как бор или галлий, служат здесь легирующей примесью. Эти элементы имеют в своей внешней оболочке всего 3 электрона, и при смешивании с кристаллической решеткой кремния они образуют дырки в валентной зоне атомов кремния. Следовательно, электроны в валентной зоне могут свободно перемещаться, так что дырка движется в направлении, противоположном движению электронов.
Поскольку электроны атома примеси зафиксированы в решетке, только положительные заряды могут перемещаться, создавая чистый положительный заряд внутри решетки кремний-бор. Положительные дырки дали этим полупроводникам название — полупроводники P-типа.
Полупроводники N-типа
Полупроводники N-типа содержат примеси, которые имеют дополнительные электроны проводимости к материалу-хозяину. Хорошим примером является легирование кремния фосфором. Здесь имеется избыток электронных носителей заряда. Это связано с тем, что легирующий атом фосфора имеет на один валентный электрон больше, чем атомы кремния-хозяина.
Атом кремния имеет 4 электрона, прочно связанных с его внешней орбитой. Вместо этого у фосфора 5 электронов. При объединении фосфора получается свободный электрон. Поскольку электрон несет отрицательный заряд, этот полупроводник относят к категории n-типа.
Заключение
Двумя типами кремниевых полупроводников являются полупроводники P-типа и N-типа. Эти внешние полупроводники обладают улучшенными свойствами, что делает их очень полезными в электронной промышленности.
