Полупроводниците са един от най-важните компоненти в днешната технология, присъстващи в голямо разнообразие от устройства, които използваме в ежедневието си, от смартфони до компютри. Този вид материал революционизира индустриите през годините, благодарение на способността си да контролира потока на електроенергия ефективно и икономично. Въпреки това, не всички полупроводници са еднакви и тук се появяват два термина, които може да са объркващи за тези, които не са запознати с тази област: вътрешни и външни полупроводници.
В областта на електрониката познаването на разликата между тези два вида полупроводници е от решаващо значение за разбирането как работят устройствата и защо определени приложения предпочитат едно пред друго. В тази статия ще разбием подробно характеристиките на двата вида полупроводници и как структурата им влияе върху поведението им. Подгответе своите неврони, защото ни предстои да се потопим в един от стълбовете на физиката на материалите и съвременната електроника!
Какво е вътрешен полупроводник?
Лос собствени полупроводници Те имат чиста структура, което означава, че не съдържат никакви примеси, въведени чрез процеса на допинг. Този тип полупроводник се счита за „основното състояние“ на материала, тъй като неговите електрически свойства зависят изключително от присъщите характеристики на материала. Силицият (Si) и германият (Ge) са най-често срещаните собствени полупроводници, тъй като техните електронни свойства ги правят идеални за използване в производството на електронни устройства.
При стайна температура собствените полупроводници имат слаба електрическа проводимост. С повишаването на температурата обаче електроните в тяхната валентна обвивка получават достатъчно енергия, за да прескочат в зоната на проводимост, като по този начин позволяват протичането на ток. Това явление прави присъщите полупроводници доста интересни материали за приложения, където се изисква строг контрол на проводимостта чрез топлина.
Важно е да се отбележи, че в чистия полупроводник броят на електроните в зоната на проводимост и броят на дупките във валентната зона е еднакъв. Това води до перфектен баланс между двата носителя на заряд, което предполага, че проводимостта в присъщия материал е много чисто и подредено явление.
Какво е външен полупроводник?
За разлика от собствения полупроводник, външни полупроводници Те са тези, които са легирани с примеси, за да подобрят способността си за шофиране. Тези примеси обикновено идват от тривалентни (като алуминий) или петвалентни (като фосфор) елементи и когато се добавят в контролирани количества, те променят електронните свойства на основния полупроводник. Това допиране създава пренасищане на електрони (полупроводници тип N) или свръхнасищане на дупки (полупроводници тип P).
N-тип полупроводници са тези, при които материалът е легиран с елементи, които имат повече електрони, отколкото полупроводникът се нуждае за своите ковалентни връзки. Този излишен електрон може да се движи свободно, което значително увеличава проводимостта на материала. Фосфорът, антимонът и арсенът са често срещани примери за добавки, използвани за направата на полупроводници от тип N.
От друга страна, P-тип полупроводници са тези, при които материалът е легиран с елементи, които имат по-малко налични електрони за създаване на ковалентни връзки, което генерира образуването на дупки. Тези дупки се държат като мобилни положителни заряди, които позволяват преминаването на ток. Бор, галий и индий са примери за добавки, използвани за създаване на P-тип полупроводници.
Сравнение между вътрешни и външни полупроводници
Както вътрешните, така и външните полупроводници играят основна роля в електрониката, но разликите им се състоят в техния химичен състав и как се държат при определени условия. След това ще направим изчерпателно сравнение на ключовите характеристики между двата вида полупроводници:
- Чистота на материала: Вътрешните полупроводници са напълно чисти, докато външните полупроводници са легирани с примеси, за да се подобри тяхната проводимост.
- Електрическа проводимост: Вътрешните полупроводници имат много по-ниска проводимост в сравнение с външните. Вътрешната проводимост зависи само от температурните промени.
- Товароносители: Във вътрешните полупроводници броят на електроните и броят на дупките са равни. При външните полупроводници това равенство е нарушено поради допинг, което води до излишни електрони (N-тип) или дупки (P-тип).
- Технология и приложения: Външните полупроводници са по-полезни за практически приложения поради по-голямата им способност да провеждат електричество. Те са в основата на почти цялата съвременна електроника, включително транзистори и диоди.
P-тип и N-тип полупроводници
От двата основни типа външни полупроводници, N-тип полупроводник съдържа повече свободни електрони, докато P-тип полупроводник Има повече дупки. Електроните в полупроводниците от тип N действат като основните заредени частици за провеждане на електричество, докато в полупроводниците от тип P дупките (положително заредени частици) са това, което позволява електрически ток.
Една от най-важните разлики между двата типа е начина, по който се държат, когато са свързани към външен източник на захранване. Когато се приложи потенциална разлика между двата региона (PN), това, което познаваме като PN преход, структура от решаващо значение за работата на устройства като диоди. Когато преходът е "поляризиран" в една посока, той позволява преминаването на ток; Ако полярността е обърната, тя работи като изолатор.
Значението на допинга в външните полупроводници
При външните полупроводници процесът на допиране въвежда примеси в полупроводниковия кристал, за да промени естествения му баланс и да увеличи капацитета му на проводимост. За създаване на полупроводници от тип N се използват добавки с пет валентни електрона, докато за полупроводници от тип P основният материал е легиран с елементи, които имат само три валентни електрона. Този процес пряко засяга електрическите свойства на материала, подобрявайки ефективността му в приложения, където прецизният контрол на тока е от съществено значение.
Това допинг се превръща в голямо разнообразие от приложения, като например създаването на биполярни транзистори и интегрални схеми, наред с други основни компоненти на съвременната електроника.
Приложения на външни и собствени полупроводници
Вътрешните полупроводници имат ограничени приложения поради ниската си проводимост. Те обаче са полезни в среди, където се изисква прецизна реакция на температурни промени, като например в температурни сензори. От своя страна, външните полупроводници, поради техните по-добри проводими способности, се използват в огромно разнообразие от електронни устройства, от транзистори до диоди и интегрални схеми.
Например, в микропроцесорите способността за превключване между проводящите и непроводимите състояния на външните полупроводници от N-тип и P-тип позволява на компютрите да извършват логически операции, съхранявайки и обработвайки информация ефективно.
Струва си да се спомене, че областта на полупроводниците продължава да се развива и с последните постижения в полупроводниковите материали като силициев карбид (SiC) и галиев арсенид (GaAs) се разработват все по-бързи и по-ефективни устройства.
За инженерите и учените разбирането на разликите между присъщите и външните полупроводници е от съществено значение не само за проектирането на по-ефективни устройства, но и за подобряване на съществуващите технологии.