Разница между различными типами материалов

Проводники вблизи темп-ры абсолютного нуля (по Кельвину) ведут себя как сверхпроводники (имеют нулевое сопротивление), т.к. движению электронов в этом случае практически ничего не мешает. С ростом темп-ры сопротивление проводников возрастает за счёт того, что с ростом темп-ры увеличивается амплитуда колебаний кристаллической решётки проводника, что мешает упорядоченному движению электронов, которые движутся между атомами кристаллической решётки и иногда с ними сталкиваются. Чем больше амплитуда колебаний кристаллической решётки – тем больше вероятность столкновения электрона и атома.

Полупроводники вблизи темп-ры абсолютного нуля имеют свойства диэлектриков (имеют практически бесконечное сопротивление), т.к. при этом в п/п практически нет носителей заряда. С ростом темп-ры в п/п появляется всё большее число носителей заряда за счёт термогенерации (образования пар электрон–дырка за счёт внешней энергии от теплового излучения) – чем больше темп-ра, тем больше пар электрон–дырка и тем лучше они проводят ток, т.е. тем меньше сопротивление полупроводника.

Диэлектрики при увеличении температуры ведут себя примерно так же, как и п/п, но у величины сопротивлений у них значительно больше.

Отличия между различными типами материалов представлена в таблице, где α (ТКС) – температурный коэффициент сопротивления – параметр материала, показывающий, как изменяется (в какую сторону и как сильно) сопротивление материала относительно номинального значения при изменении температуры:

,

где R – номинальное сопротивление.

Материал / Параметр	Проводники	Полупроводники	Диэлектрики
Сопротивление при абс. нуле	≈ 0 (почти сверхпроводник)	≈ ∞ (почти идеальный изолятор)
Удельное электрическое сопротивление, Ом∙м (условное разделение, кто как разделяет)	< 10–7	10–7…107	> 107
	< 10–2	10–2…108	> 108
	< 10–4	10–4…1010	> 1010
	< 10–4	10–4…1018	> 1018
α, 1/ºC (ТКС)	α > 0 (↑T → ↑R, ↓T → ↓R) (α ≈ 4∙10–3 1/ºC)	α < 0 (↑T → ↓R, ↓T → ↑R)
Ширина запрещённой зоны (ШЗЗ), эВ	ШЗЗ = 0	ШЗЗ ≠ 0 (ШЗЗ > 0) ↓разделение по значению ШЗЗ условное↓
		0 < ШЗЗ < 3 эВ	3 эВ < ШЗЗ < 5 эВ
Поляризуется во внешнем электрическом поле	Нет		Да

------------------------------------------------------------------------

Полупроводники

Классификация полупроводников представлена на рисунке.

Полупроводники бывают несколько типов:

1) одноэлементные (простые) полупроводники – элементы IV группы периодической системы элементов:

Валентность (Группа) / Период	II (B)	III (A)	IV (A)	V (A)	VI (A)
2		5 B	6 C	7 N
3		13 Al	14 Si	15 P	16 S
4	30 Zn	31 Ga	32 Ge	33 As	34 Se
5	48 Cd	49 In	50 Sn	51 Sb	52 Te
6	80 Hg

Чаще всего в электронике используются кремний (Si) и германий (Ge) – п/п с валентностью IV.

2) сложные (простые химические соединения) – двухэлементные A^IIIB^V и A^IIB^VI из третьей и пятой группы и из второй и шестой группы элементов соответственно;

3) многофазные материалы (сложные химические соединения).

Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой зоны от периода, а именно – с увеличением периода ширина запрещённой зоны уменьшается.

Полупроводники (п/п) бывают следующих видов:

1) Собственные (беспримесные, но так редко называются) (обозначается буквой i – от англ. «intrinsic» – собственный, внутренний, встроенный) – с собственной электропроводностью, т.е. ток в таких п/п осуществляется за счёт собственных носителей заряда (электронов и дырок), количество которых в материале одинаково.

2) Примесные – с примесной электропроводностью, т.е. ток в таких п/п осуществляется в основном за счёт примесных носителей заряда (электронов или дырок), хотя собственные носители заряда в материале также остаются, но их количество значительно меньше, т.к. примесь добавляется в такой концентрации, чтобы кол-во примесных носителей на несколько порядков было больше собственных.

Примесные п/п бывают двух видов (примесные – это общее название для этих возможных двух видов):

- n-типа (от англ. «negative» – отрицательный) – п/п, в котором основными носителям заряда являются электроны (отрицательные носители заряда, т.к. имеют отрицательный заряд); собственные дырки в таком п/п тоже есть, но их концентрация на несколько порядков меньше; п/п n-типа обычно получают добавлением в собственный п/п донорной примеси;

донорная примесь (от англ. «donor» – жертвователь, даритель) – это вещество с валентностью, большей (обычно на 1) валентности полупроводника, в который они добавляются, введение которого в п/п приводит к появлению свободного электрона; пример донорной примеси: фосфор (P) с валентностью V;

- p-типа (от англ. «positive» – положительный) – п/п, в котором основными носителям заряда являются «дырки» (считаются положительными носителями заряда, хотя они не являются реальными носителями, а лишь только соответствуют месту, где может находиться электрон, но в данный момент его там нет, т.е. «дырка» – это «отсутствие электрона»); собственные электроны в таком п/п тоже есть, но их концентрация на несколько порядков меньше; п/п p-типа обычно получают добавлением в собственный п/п акцепторной примеси;

акцепторная примесь (от англ. «acceptor» – получатель, поглотитель) – это вещество с валентностью, меньшей (обычно на 1) валентности полупроводника, в который они добавляются, введение которого в п/п приводит к появлению свободной «дырки»; пример донорной примеси: бор (B) с валентностью III.

Примесные полупроводники можно получить добавлением соответствующей примеси не только в собственный п/п (изначально не имевший примесей), но и в примесный п/п другого типа, только в этом случае новый тип примеси должен добавляться в ещё большей концентрации (на несколько порядков), чтобы перекрыть действие изначальной примеси (в этом случае происходит инверсия типа проводимости).

Полупроводники, обозначаемые как «n⁺» или «p⁺» имеют концентрацию примесей на несколько порядков большую, чем п/п «n» или «p», используемые в том же электронном приборе, поэтому области «n⁺» или «p⁺» имеют меньшие сопротивления и обычно используются в местах подключения к полупроводниковому прибору металлических электродов.

------------------------------------------------------------------------

Диоды

p-n-переход (p – «positive» – положительный, дырочный; n – «negative» – отрицательный, электронный), или электронно-дырочный переход – это область соприкосновения двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. Электрические процессы в p-n-переходах являются основой работы полупроводниковых диодов, транзисторов и других электронных полупроводниковых приборов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Основное свойство p-n-перехода – выпрямительное (свойство односторонней проводимости, вентильное свойство), т.е. пропускание тока только в одном направлении (прямой ток намного больше обратного тока).

Область p называется анодом, а область n – катодом.

Область с меньшей концентрацией примесей (бо́льшим сопротивлением) называется базой, а с бо́льшей концентрацией примесей (меньшим сопротивлением) – эмиттером.

Базой или эмиттером может быть любой из выводов (анод или катод), всё зависит от соотношения концентраций в областях p и n.

Диод – (от др.-греч. δις – два и –од – от окончания -од термина электрод; букв. «двухэлектродный»; корень -од происходит от др.-греч. ὁδός «путь») – электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока, в основе которого лежит p-n-переход.

Возможные состояния диода (как неуправляемого электронного ключа):

1) Открытое: в идеале – нулевое сопротивление (и падение напряжения на диоде тоже = 0), ток определяется сопротивлением в цепи протекания тока; в реальном диоде – маленькое сопротивление (и падение напряжения на диоде ≠ 0, обычно 0,3-0,8 В для разных диодов).

Достигается подачей прямого падения напряжения: на анод (А) нужно подать больший потенциал, чем на катод (К) [с учётом знака, НЕ по модулю], причём не обязательно на А положительный, а на катод отрицательный потенциалы. Примеры потенциалов, при которых диод откроется:

φ_А = +5 В, φ_К = –5 В;

φ_А = +5 В, φ_К = 0 В;

φ_А = +10 В, φ_К = +5 В;

φ_А = 0 В, φ_К = –5 В;

φ_А = –5 В, φ_К = –10 В.

2) Закрытое: в идеале – бесконечное сопротивление (и ток через диод тоже = 0), напряжение на диоде = приложенному к нему напряжению; в реальном диоде – большое сопротивление (ток через диод ≠ 0, обычно равняется параметру I₀ диода).

Достигается подачей обратного падения напряжения: на анод (А) нужно подать меньший потенциал, чем на катод (К) [с учётом знака, НЕ по модулю], причём не обязательно на А отрицательный, а на катод положительный потенциалы. Примеры потенциалов, при которых диод закроется:

φ_А = –5 В, φ_К = +5 В;

φ_А = 0 В, φ_К = +5 В;

φ_А = +5 В, φ_К = +10 В;

φ_А = –5 В, φ_К = 0 В;

φ_А = –10 В, φ_К = –5 В.

------------------------------------------------------------------------