Як випливає з назви, напівпровідники знаходяться між матеріалами, які проводять єлектричний струм і матеріалами, які зовсім не проводять його.
Напівпровідники — це матеріали, які мають провідність між провідниками (металами) і діелектриками (ізоляторами). Їхня особливість полягає в тому, що вони можуть змінювати свої електричні властивості під дією температури, домішок, світла чи електричного поля, що робить їх важливими в електроніці. Основні фізичні процеси в напівпровідниках пов’язані з їх електронною структурою та процесами руху електронів і дірок.
Електронна структура напівпровідників
Напівпровідники мають зонну структуру енергетичних рівнів, яка складається з:
- Заповненої валентної зони: рівні енергії, які зайняті електронами за низьких температур.
- Вільної зони провідності: рівні енергії, які можуть займати електрони, якщо вони отримають достатньо енергії, щоб подолати енергетичний проміжок (заборонену зону).
У металах ці зони перекриваються, забезпечуючи вільний рух електронів. В ізоляторах ж заборонена зона значно ширша, ніж у напівпровідниках, і тому електрони не можуть легко перейти з валентної зони в зону провідності. Напівпровідники ж мають середню ширину забороненої зони (порядку 1-2 еВ), що дозволяє змінювати їхні провідні властивості за допомогою температури або домішок.
Процеси утворення електронів і дірок
У чистих (або власних) напівпровідниках при підвищенні температури електрони можуть отримувати енергію, яка дозволяє їм перейти з валентної зони в зону провідності, залишаючи при цьому дірки у валентній зоні. Дірки можна уявляти як “позитивні носії заряду”, що залишаються після того, як електрон залишає валентну зону. Таким чином, у напівпровіднику виникають пари електрон-дірка, що забезпечує провідність.
Домішкові напівпровідники
Для керування властивостями напівпровідників використовують домішки — атоми інших елементів, що додаються до структури напівпровідника:
- N-тип (негативний): утворюється шляхом додавання елементів із більшою кількістю валентних електронів (наприклад, фосфору до кремнію). Ці домішки додають додаткові електрони в зону провідності.
- P-тип (позитивний): утворюється при додаванні домішок з меншою кількістю валентних електронів (наприклад, бору до кремнію), що створює дірки в структурі.
У домішкових напівпровідниках провідність може значно перевищувати провідність власного напівпровідника, оскільки домішки забезпечують додаткові вільні носії заряду (електрони або дірки).
Дифузія і рекомбінація
Важливими процесами в напівпровідниках є дифузія і рекомбінація:
- Дифузія — це процес переміщення носіїв заряду (електронів і дірок) з областей з високою концентрацією в області з низькою концентрацією, що є важливим для створення градієнтів концентрації в напівпровідниках і роботи пристроїв, таких як транзистори.
- Рекомбінація — процес, при якому електрон зустрічається з діркою і зникає пара електрон-дірка, що веде до виділення енергії у вигляді тепла або світла (наприклад, в світлодіодах).
P-N перехід
Коли P-тип і N-тип напівпровідників поєднуються, утворюється P-N перехід — ключовий елемент у напівпровідникових діодах, транзисторах та інших електронних пристроях. У зоні контакту утворюється збіднена область — область без вільних носіїв, яка веде себе як ізолятор. Напруга, прикладена до P-N переходу, може змінювати висоту потенційного бар’єру:
- При прямому зміщенні (напруга прикладена так, що електрони з N-типу переходять у P-тип), провідність різко зростає.
- При зворотному зміщенні перехід блокує струм.
Використання напівпровідників
Напівпровідникові матеріали широко використовуються для створення діодів, транзисторів, світлодіодів, сонячних елементів тощо. Завдяки можливості контролювати провідність за допомогою домішок та зовнішніх факторів, напівпровідники є основою сучасної електроніки та комп’ютерних технологій.