Что такое полупроводник?

Полупроводник — это материал, который управляет электрическими токами, что делает его важным компонентом большинства современной электроники. Это вычислительные чипы и микроконтроллеры, которые используются в смартфонах, компьютерах и телевизорах.

Уникальные свойства полупроводников ставят их между материалами с высокой проводимостью (такими как медь или алюминий) и непроводниками (такими как резина или стекло). Полупроводниковое оборудование, чаще всего изготовленное из кремния, германия и арсенида галлия, либо пропускает свободный ток, либо полностью его отталкивает.

Полупроводники — это материалы, которые могут контролировать поток электричества больше, чем изоляторы (непроводники), но меньше, чем проводники. Они используются во многих электронных устройствах, включая компьютеры и смартфоны.

«Каждое электронное устройство, которое подключается к стене или использует батарею, содержит полупроводники», — сказал встроенному Майк Пиенови, генеральный менеджер микроконтроллеров Sitara в Texas Instruments.

Трудно переоценить повсеместное распространение полупроводников: диоды, чипы и транзисторы — все устройства, сделанные из них.

«Полупроводники присутствуют на самых разных рынках, таких как промышленность, автомобилестроение, личная электроника, коммуникационное оборудование и корпоративные системы», — добавил Пиенови. «Эти чипы являются важнейшим компонентом современных технологий, влияющим практически на все аспекты нашей жизни».

Связанное чтениеЧто такое сверхпроводник?

Способность полупроводника проводить электричество зависит от движения и взаимодействия между двумя его носителями тока: свободными электронами и дырками (которые представляют собой отсутствие электрона).

«Чтобы понять, как работают полупроводники, — говорит химик с докторской степенью Эндрю Стэплтон, создающий контент в Academia Insider, — вам необходимо знать об энергетических зонах».

Стэплтон объяснил это так: в твердых телах электроны занимают энергетические уровни, образующие энергетические зоны. Двумя наиболее важными энергетическими зонами в полупроводниках являются валентная зона (заполненная валентными электронами) и зона проводимости (которая в основном пуста).

Когда к полупроводниковому материалу прикладывается тепловая энергия, валентные электроны перемещаются из валентной зоны в зону проводимости, где они становятся свободными электронами. Они оставляют после себя пустые места в валентной зоне, создавая дыры.

«В непроводниках эти полосы расположены далеко друг от друга», — сказал Стэплтон. «Но в полупроводниках они расположены достаточно близко, так что при приложении источника тепла электроны могут перепрыгнуть из валентной зоны в зону проводимости, обеспечивая протекание электрического тока».

Определение силы этого тока зависит от величины приложенного напряжения, а также от свойств полупроводникового материала (подробнее об этом ниже). Взаимосвязь между этими факторами описывается законом Ома, который устанавливает, что электрический ток прямо пропорционален приложенному напряжению, но обратно пропорционален сопротивлению материала.

Однако сопротивлением можно манипулировать, чтобы лучше контролировать поток электрического тока. В процессе, известном как легирование, количество носителей тока можно увеличить за счет добавления примесей в материал. За счет увеличения количества свободных электронов или дырок среди носителей тока создается большинство, что приводит к усилению проводимости.

Литература по теме: 24 компании-производителя полупроводников, о которых вам следует знать

Собственные полупроводники — это чистые материалы, а именно кремний и германий, которые обладают естественной способностью проводить электричество при контакте с нагревательным элементом. Однако эти нелегированные материалы не очень хорошо проводят электрический ток.

В собственных полупроводниках число свободных электронов в зоне проводимости всегда будет равно числу дырок в валентной зоне. Эта низкая концентрация носителей тока — свободных электронов и дырок — приводит к плохой проводимости при комнатной температуре. Улучшение их проводимости во многом зависит от внешнего источника тепловой энергии, такого как напряжение.