Сообщение на тему применение полупроводников
Обновлено: 02.07.2024
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Н аучная статья на тему: “ Полупроводники ”
Полупроводник - это материал, известный своим использованием в цифровом мире. На нем основано большинство электронных устройств. Из него строятся небольшие устройства, такие как диод, транзистор и интегрированные микросхемы (IC). Эти устройства используются в компьютерах, играх, радио, мобильных телефонах, роботах, автоматических заводах и многих других. Технологии, окружающие нас сегодня, в основном основаны на полупроводниках.
Что Такое Полупроводники?
Полупроводники помещены между проводником и изолятором. Полу означает половину, а проводник означает материал, который пропускает ток. Изолятор останавливает поток тока. Следовательно, полупроводник-это материал, обладающий свойствами как проводника, так и изолятора.
Медный проводник позволяет легко пропускать электрический ток. С другой стороны, резина или дерево являются изолятором и не пропускают электрический ток. Но полупроводниковые материалы, такие как кремний и германий, могут быть изготовлены таким образом, что при определенных условиях они могут действовать как проводник, так и изолятор.
Типы полупроводников
Существует два типа полупроводников: внутренние и внешние. Полупроводник в его нормальном состоянии называется внутренним полупроводником. Внутреннее средство, которое не содержит никаких добавок внешнего материала или примесей.
Однако внешний полупроводник содержит добавление других материалов для повышения его электрической прочности. Внешний материал известен как примесь, а процесс добавления примесей известен как легирование. В процессе легирования получают два различных типа полупроводников; один называется материалом N-типа, а другой-материалом P-типа.
Полупроводниковые Приборы
После легирования полупроводниковые материалы объединяются в слои, чтобы сделать их полезными в электронике. Блоки N-типа и P-типа объединены в различные типы полупроводниковых приборов. Некоторые из полупроводниковых устройств-это диод, транзистор и тиристор.
Как Работают Полупроводники?
Полупроводники сами по себе не так впечатляют. Они становятся очень полезными, когда их легируют и объединяют в слой, образуя полупроводниковое устройство. Существует много полупроводниковых приборов, но для простоты мы рассмотрим 2-слойные и 3-слойные полупроводники.
2-Слойный Полупроводниковый Рабочий
Когда полупроводниковому прибору с двумя слоями (комбинация N-типа и P-типа) задается напряжение, он позволяет протекать току. Ток проходит от блока N-типа в блок P-типа. Следовательно, он ведет только в одном направлении. Но при изменении полярности напряжения полупроводниковое устройство не пропускает ток. Это 2-слойное и 2-контактное устройство также известно как диод.
3-Слойная Полупроводниковая обработка
Другой компоновкой может быть 3-слойное устройство, т. е. NPN или PNP; Где либо два блока могут быть N-типа с одним P-типом, либо два блока P-типа с одним N-типом. В этом случае для запуска полупроводникового устройства с 3 слоями и 3 выводами напряжение будет подаваться на выводы блоков NP и PN. 3-слойное полупроводниковое устройство также называется транзистором. Вам следует ознакомиться с нашей статьей о транзисторе , чтобы понять, как он работает.
Применение полупроводников
Полупроводники широко используются как в аналоговой, так и в цифровой электронике . Существует множество его применений. Некоторые из них являются:
● Отопление и охлаждение – Полупроводники используются в системах охлаждения или отопления, таких как кондиционеры, холодильники и различные другие. Полупроводниковое устройство помогает системе охлаждения контролировать и поддерживать температуру . Аналогично, микроволновая печь также использует полупроводниковое устройство для создания необходимого тепла с помощью датчика температуры.
● Преобразование переменного / постоянного тока – Полупроводники также используются в зарядных устройствах для преобразования переменного тока в постоянный или постоянного тока в переменный. Для зарядки мобильного телефона или ноутбука зарядное устройство использует различные полупроводниковые устройства для преобразования бытовой электроэнергии в постоянный ток.
● Электронная связь – Она также используется для повышения мощности сигнала. Все коммуникационные устройства, такие как мобильные телефоны, спутники, радио, рации и антенны, используют широкий спектр полупроводниковых устройств, чтобы они могли общаться на больших расстояниях.
● Развлечения – Игры и телевидение также используют полупроводники. Потому что, когда им нужно отображать тяжелые изображения с большими мегапикселями, им нужно обрабатывать их быстрее. Таким образом, полупроводниковые устройства, такие как транзисторы и другие интегральные схемы , обрабатывают их.
● Компьютеры – Компьютерные системы являются основным применением полупроводников. Современные процессоры содержат миллиарды полупроводниковых устройств (транзисторов), которые работают быстрее. Это помогает им не только обрабатывать изображения, но и запускать большой объем данных.
● Транспорт – Умные автомобили используют полупроводниковые устройства для контроля и мониторинга своего местоположения, скорости и направления.
● Освоение космоса – Самолеты, космические челноки, космические зонды и марсоходы также используют множество полупроводниковых устройств или чипов, которые помогают им запускать двигатель, поддерживать скорость и отслеживать направление.
История полупроводников
Копия первого транзистора, разработанного в лаборатории Белла в 1947 году.
Полупроводники впервые были использованы в 1820-х годах. Но первое полупроводниковое устройство было разработано Карлом Фердинандом Брауном в 1874 году, известное как кристаллический детектор – диод. Позже, в 1947 году, Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн изобрели транзистор в лаборатории Белла.
В 1958 году в лаборатории Белла египетский инженер Мохаммед Аттала изобрел полупроводниковый транзистор с оксидом металла или MOS-транзистор. Этот транзистор был быстрее, чем предыдущий. В том же году Джек Килби, инженер Texas Instruments, и Роберт Нойс, инженер Fairchild Semiconductor, изобрели первую интегральную схему (IC). Интегральная схема может содержать различные полупроводниковые устройства, такие как диоды и транзисторы.
К этому времени начали разрабатываться многие новые типы полупроводниковых приборов. Сегодня существуют тысячи различных полупроводниковых приборов, разработанных для различных целей. Компания Texas Instruments в США в основном отвечает за ведение записей и спецификаций всех полупроводниковых устройств.
Полупроводники широко применяются в технике. На различной проводимости (р- и n-типа) основано действие полупроводникового диода. При контакте полупроводников с р- и n-проводимостью при определенном направлении тока в цепи создается запорный слой (Рис.19.4) - двойной электрический слой, поле которого препятствует переносу носителей заряда. На этом и основано действие полупроводникового диода, служащего для выпрямления переменного тока. Одними из первых получили распространение селеновые выпрямители.
Помимо диодов в радиотехнике широко применяются и полупроводниковые триоды - транзисторы, в которых имеется два р-n перехода: либо р-n-р , либо n-р-n.
Сильная зависимость полупроводников от температуры используется в термисторах - высокочувствительных приборах для измерения температуры.
Среди многочисленных применений полупроводников является также солнечные батареи, действие которых основано на фотопроводимости полупроводников - способности изменять сопротивление под действием света (явление подобное фотоэффекту, происходящему целиком внутри твердого дела).
| Лекция 27 | Магнитное поле и его индукция. Закон Ампера. Закон Био-Савара-Лапласа. |
| Магнитное поле прямого проводника с током и кругового тока. Магнитный момент витка с током. |
Магнитные силы
Магнитные свойства веществ были известны еще в глубокой древности. Описываемый древними учеными камень, притягивающий железо, представляет собой естественный магнит - минерал, довольно часто встречающийся в природе. Он состоит из соединений железа (FeO- 31% и Fe2O3- 69%). Уже в 1600 г. вышел труд В.Гильберта "О магните, магнитных телах и о великом магните Земли", в котором содержалось обобщение большого числа опытных фактов. Основные из них сводились к следующему:
1) магнит имеет два полюса - северный и южный, различные по своим свойствам,
2) разноименные полюсы притягиваются, одноименные отталкиваются;
3) магнитная стрелка располагается в пространстве определенным образом, указывая север к юг;
4) нельзя получить магнит с одним полюсом;
5) Земля - большой магнит.
Природа магнитных явлений была раскрыта лишь после установления в 19 веке экспериментальных фактов, что электрический ток (движущиеся заряды) создают магнитное поле (Р.Эрстад,1820г.) Изучение взаимодействия проводников с токами, в результате чего было установлено, что параллельные токи одного направления притягиваются, а противоположного отталкиваются (Я.Ампер, I820г.), привело к выводу, что силы взаимодействия между движущимися электрическими зарядами отличаются от сил взаимодействия между неподвижными зарядами.
Дополнительные силы, возникающие между движущимися зарядами, назвали магнитными силами. Это связано о тем, что их обнаружили по воздействию тока на магнитную стрелку.
Т.о., все магнитные мления можно свести к электрическим, а магнитные силы, как показал Эйнштейн, есть релятивистская поправка к закону Кулона.
Пока в проводниках тока нет, между ними не возникают силы взаимодействия, т.к. положительный заряд ионов кристаллической решетки металла и отрицательный заряд электронов распределены равномерно и суммарный заряд внутри проводника равен нулю. При наличии тока, вследствие движения электронов, среднее расстояние между ними сокращается в раз, где
V - дрейфовая скорость электронов. В результате плотность заряда электронов увеличится в раз и, следовательно, результирующий заряд не будет равен нулю. Это и приводит к взаимодействию проводников.
Полупроводники широко применяются в технике. На различной проводимости (р- и n-типа) основано действие полупроводникового диода. При контакте полупроводников с р- и n-проводимостью при определенном направлении тока в цепи создается запорный слой (Рис.19.4) - двойной электрический слой, поле которого препятствует переносу носителей заряда. На этом и основано действие полупроводникового диода, служащего для выпрямления переменного тока. Одними из первых получили распространение селеновые выпрямители.
Помимо диодов в радиотехнике широко применяются и полупроводниковые триоды - транзисторы, в которых имеется два р-n перехода: либо р-n-р , либо n-р-n.
Сильная зависимость полупроводников от температуры используется в термисторах - высокочувствительных приборах для измерения температуры.
Среди многочисленных применений полупроводников является также солнечные батареи, действие которых основано на фотопроводимости полупроводников - способности изменять сопротивление под действием света (явление подобное фотоэффекту, происходящему целиком внутри твердого дела).
| Лекция 27 | Магнитное поле и его индукция. Закон Ампера. Закон Био-Савара-Лапласа. |
| Магнитное поле прямого проводника с током и кругового тока. Магнитный момент витка с током. |
Магнитные силы
Магнитные свойства веществ были известны еще в глубокой древности. Описываемый древними учеными камень, притягивающий железо, представляет собой естественный магнит - минерал, довольно часто встречающийся в природе. Он состоит из соединений железа (FeO- 31% и Fe2O3- 69%). Уже в 1600 г. вышел труд В.Гильберта "О магните, магнитных телах и о великом магните Земли", в котором содержалось обобщение большого числа опытных фактов. Основные из них сводились к следующему:
1) магнит имеет два полюса - северный и южный, различные по своим свойствам,
2) разноименные полюсы притягиваются, одноименные отталкиваются;
3) магнитная стрелка располагается в пространстве определенным образом, указывая север к юг;
4) нельзя получить магнит с одним полюсом;
5) Земля - большой магнит.
Природа магнитных явлений была раскрыта лишь после установления в 19 веке экспериментальных фактов, что электрический ток (движущиеся заряды) создают магнитное поле (Р.Эрстад,1820г.) Изучение взаимодействия проводников с токами, в результате чего было установлено, что параллельные токи одного направления притягиваются, а противоположного отталкиваются (Я.Ампер, I820г.), привело к выводу, что силы взаимодействия между движущимися электрическими зарядами отличаются от сил взаимодействия между неподвижными зарядами.
Дополнительные силы, возникающие между движущимися зарядами, назвали магнитными силами. Это связано о тем, что их обнаружили по воздействию тока на магнитную стрелку.
Т.о., все магнитные мления можно свести к электрическим, а магнитные силы, как показал Эйнштейн, есть релятивистская поправка к закону Кулона.
Пока в проводниках тока нет, между ними не возникают силы взаимодействия, т.к. положительный заряд ионов кристаллической решетки металла и отрицательный заряд электронов распределены равномерно и суммарный заряд внутри проводника равен нулю. При наличии тока, вследствие движения электронов, среднее расстояние между ними сокращается в раз, где
V - дрейфовая скорость электронов. В результате плотность заряда электронов увеличится в раз и, следовательно, результирующий заряд не будет равен нулю. Это и приводит к взаимодействию проводников.
В промышленности и энергетической микроэлектронике широкое распространение получили различные виды полупроводников. С их помощью, одна энергия может превращаться в другую, без них не будут нормально работать многие электронные устройства. Существует большое количество типов данных элементов, в зависимости от принципа их работы, назначения, материала, конструктивных особенностей. Для того, чтобы понять порядок действия полупроводников, необходимо знать их основные физические свойства.
Свойства и характеристики полупроводников
Основные электрические свойства полупроводников позволяют рассматривать их, как нечто среднее, между стандартными проводниками и материалами, не проводящими электрический ток. Полупроводниковая группа включает в себя значительно больше разных веществ, чем общее количество проводников и диэлектриков.
Широкое распространение в электронике получили полупроводники, изготовленные из кремния, германия, селена и прочих материалов. Их основной характеристикой считается ярко выраженная зависимость от воздействия температуры. При очень низких температурах, сравнимых с абсолютным нулем, полупроводники приобретают свойства изоляторов, а при повышении температуры, их сопротивление уменьшается с одновременным повышением проводимости. Свойства этих материалов могут изменяться и под действием света, когда происходит значительное увеличение фотопроводности.
Полупроводники преобразуют световую энергию в электричество, в отличие от проводников, не обладающих этим свойством. Кроме того, увеличению электропроводности способствует введение в полупроводник атомов определенных элементов. Все эти специфические свойства позволяют использовать полупроводниковые материалы в различных сферах электроники и электротехники.
Виды и применение полупроводников
Благодаря своим качествам, все виды полупроводников разделяются на несколько основных групп.
Диоды. Включают в себя два кристалла из полупроводников, имеющих разную проводимость. Между ними образуется электронно-дырочный переход. Они производятся в различном исполнении, в основном, точечного и плоского типа. В плоских элементах, кристалл германия сплавлен с индием. Точечные диоды состоят из кристалла кремния и металлической иглы.
Транзисторы. Состоят из кристаллических полупроводников в количестве трех штук. Два кристалла обладают одинаковой проводимостью, а в третьем, проводимость имеет противоположное значение. Они называются коллектором, базой и эмиттером. В электронике, транзистор усиливает электрические сигналы.
Тиристоры. Представляют собой элементы, преобразующие электричество. Они имеют три электронно-дырочных перехода с вентильными свойствами. Их свойства позволяют широко использовать тиристоры в автоматике, вычислительных машинах, приборах управления.
Чем полупроводник отличается от изоляторов и проводников
полупроводник они являются элементами, которые избирательно выполняют функцию проводников или изоляторов, в зависимости от внешних условий, которым они подвергаются, таких как температура, давление, излучение и магнитные или электрические поля..
В периодической таблице присутствуют 14 полупроводниковых элементов, среди которых кремний, германий, селен, кадмий, алюминий, галлий, бор, индий и углерод. Полупроводники представляют собой кристаллические твердые тела со средней электропроводностью, поэтому их можно использовать в качестве проводника и изолятора двойным способом..
Если они используются в качестве проводников, при определенных условиях условия допускают циркуляцию электрического тока, но только в одном направлении. Кроме того, они не имеют такой высокой проводимости, как у проводящих металлов..
Полупроводники используются в электронных приложениях, особенно для изготовления таких компонентов, как транзисторы, диоды и интегральные схемы. Они также используются в качестве аксессуаров или аксессуаров для оптических датчиков, таких как твердотельные лазеры, и некоторых силовых устройств для систем передачи электроэнергии..
В настоящее время этот тип элементов используется для технологических разработок в области телекоммуникаций, систем управления и обработки сигналов, как в быту, так и в промышленности..
- 1 Типы
- 1.1 Собственные полупроводники
- 1.2 Внешние полупроводники
тип
Существуют различные типы полупроводниковых материалов в зависимости от присутствующих в них примесей и их физической реакции на различные воздействия окружающей среды..
Собственные полупроводники
Те элементы, молекулярная структура которых состоит из одного типа атома. К таким типам полупроводников относятся кремний и германий..
Молекулярная структура собственных полупроводников является тетраэдрической; то есть он имеет ковалентные связи между четырьмя окружающими атомами, как показано на рисунке ниже.
Каждый атом собственного полупроводника имеет 4 валентных электрона; то есть 4 электрона, вращающиеся во внешнем слое каждого атома. В свою очередь каждый из этих электронов образует связи со смежными электронами.
Таким образом, каждый атом имеет 8 электронов в своем наиболее поверхностном слое, который образует прочный союз между электронами и атомами, составляющими кристаллическую решетку..
Из-за этой конфигурации электроны не могут легко перемещаться внутри структуры. Таким образом, в стандартных условиях собственные полупроводники ведут себя как изолятор.
Однако проводимость собственного полупроводника возрастает всякий раз, когда температура увеличивается, поскольку некоторые валентные электроны поглощают тепловую энергию и отделяются от связей.
Эти электроны становятся свободными электронами и, если на них правильно воздействует разница в электрическом потенциале, они могут способствовать циркуляции тока в кристаллической решетке..
В этом случае свободные электроны переходят в зону проводимости и переходят к положительному полюсу источника потенциала (например, батареи)..
Движение валентных электронов вызывает вакуум в молекулярной структуре, что приводит к эффекту, подобному тому, который мог бы вызвать положительный заряд в системе, поэтому они рассматриваются как носители положительного заряда..
Затем имеет место обратный эффект, поскольку некоторые электроны могут выпадать из зоны проводимости до тех пор, пока валентный слой не высвободит энергию в процессе, который получает название рекомбинации..
Внешние полупроводники
Они соответствуют включением примесей в собственные проводники; то есть путем включения трехвалентных или пятивалентных элементов.
Этот процесс известен как легирование и направлен на повышение проводимости материалов, улучшение физических и электрических свойств этих.
Подставляя собственный атом полупроводника на атом другого компонента, можно получить два типа внешних полупроводников, которые подробно описаны ниже..
Полупроводник типа Р
В этом случае примесь является трехвалентным полупроводниковым элементом; то есть с тремя (3) электронами в своей валентной оболочке.
Нарушающие элементы в структуре называются легирующими элементами. Примерами этих элементов для полупроводников P-типа являются бор (B), галлий (Ga) или индий (In).
Не имея валентного электрона для образования четырех ковалентных связей собственного полупроводника, полупроводник P-типа имеет зазор в недостающем звене.
Это делает прохождение электронов, которые не принадлежат к кристаллической сети через эту дырку с носителем положительного заряда.
Поток электронов через зазоры связи создает электрический ток, который течет в направлении, противоположном току, получаемому от свободных электронов..
Полупроводник типа N
Навязчивый элемент в конфигурации дается пятивалентными элементами; то есть те, которые имеют пять (5) электронов в валентной зоне.
В этом случае примесями, которые включены в собственный полупроводник, являются такие элементы, как фосфор (P), сурьма (Sb) или мышьяк (As).
Присадки имеют дополнительный валентный электрон, который, не имея ковалентной связи для присоединения, автоматически может свободно перемещаться по кристаллической сети..
Здесь электрический ток циркулирует через материал благодаря избытку свободных электронов, обеспечиваемых легирующей добавкой. Поэтому полупроводники N-типа считаются донорами электронов..
черты
Полупроводники характеризуются двойной функциональностью, энергоэффективностью, разнообразием применений и низкой стоимостью. Наиболее выдающиеся характеристики полупроводников подробно описаны ниже.
- Его реакция (проводник или изолятор) может варьироваться в зависимости от чувствительности элемента к освещению, электрическим полям и магнитным полям окружающей среды..
- Если полупроводник подвергается воздействию низкой температуры, электроны будут удерживаться вместе в валентной зоне, и, следовательно, не будут возникать свободные электроны для циркуляции электрического тока..
Напротив, если полупроводник подвергается воздействию высоких температур, тепловая вибрация может влиять на прочность ковалентных связей атомов элемента, оставляя свободные электроны для электропроводности..
- Проводимость полупроводников варьируется в зависимости от доли примесей или легирующих элементов внутри собственного полупроводника..
Например, если 10 миллионов атомов бора включены в миллион атомов кремния, это соотношение увеличивает проводимость соединения в тысячу раз по сравнению с проводимостью чистого кремния..
- Проводимость полупроводников варьируется в диапазоне от 1 до 10 -6 S.cm -1 , в зависимости от типа используемого химического элемента.
- Составные или внешние полупроводники могут иметь оптические и электрические свойства, значительно превосходящие свойства собственных полупроводников.Примером этого аспекта является арсенид галлия (GaAs), преимущественно используемый в радиочастотных и других применениях оптоэлектронных приложений..
приложений
Полупроводники широко используются в качестве сырья при сборке электронных элементов, которые являются частью нашей повседневной жизни, таких как интегральные схемы.
Одним из основных элементов интегральной схемы являются транзисторы. Эти устройства выполняют функцию обеспечения выходного сигнала (колебательный, усиленный или выпрямленный) в соответствии с конкретным входным сигналом..
Кроме того, полупроводники также являются основным материалом диодов, используемых в электронных схемах для обеспечения прохождения электрического тока только в одном направлении..
Для конструкции диодов образуются внешние полупроводниковые соединения типа P и типа N. Посредством чередующихся элементов носителя и доноров электронов активируется механизм баланса между обеими зонами..
Таким образом, электроны и дыры в обеих зонах пересекаются и дополняют друг друга при необходимости. Это происходит двумя способами:
- Происходит перенос электронов из зоны N-типа в зону P. В зоне N-типа преобладает зона положительного нагружения..
- Представлен проход электрононосных дырок из зоны P-типа в зону N-типа. Зона P-типа приобретает преимущественно отрицательный заряд.
Наконец, создается электрическое поле, которое вызывает циркуляцию тока только в одном направлении; то есть из зоны N в зону P.
Кроме того, используя комбинации внутренних и внешних полупроводников, можно получить устройства, которые выполняют функции, аналогичные вакуумной трубке, объем которой в сотни раз превышает ее объем..
Этот тип приложений применяется к интегральным схемам, таким как микропроцессорные микросхемы, которые покрывают значительное количество электрической энергии.
Полупроводники присутствуют в электронных устройствах, которые мы используем в нашей повседневной жизни, таких как оборудование коричневой линии, такое как телевизоры, видеоплееры, звуковое оборудование; компьютеры и сотовые телефоны.
примеров
Наиболее распространенным полупроводником в электронной промышленности является кремний (Si). Этот материал присутствует в устройствах, которые составляют интегральные схемы, которые являются частью нашей повседневной жизни..
Германий и кремниевые сплавы (SiGe) используются в высокоскоростных интегральных схемах для радаров и усилителей электрических инструментов, таких как электрогитары.
Другим примером полупроводника является арсенид галлия (GaAs), широко используемый в усилителях сигнала, в частности, сигналы с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем шума..
Читайте также: