Полупроводники типа N и типа P — пояснения

P-тип и N-тип полупроводники, являются наиболее распространенными полупроводниками (например, диоды, транзисторы и интегральные схемы). Эти два типа полупроводников работают вместе в электронных устройствах, создавая различные электронные компоненты, которые мы используем каждый день.

Сегодня эта статья углубится в основные концепции полупроводников P-типа и N-типа и их ключевые применения в современных электронных устройствах. Она также сравнит различия между полупроводниками P-типа и N-типа. Надеюсь, после прочтения этой статьи вы лучше поймете, как эти два полупроводника работают вместе и обеспечивают питание для реализации различных высокопроизводительных электронных компонентов.

Что такое полупроводник?

Прежде чем разобраться в полупроводниках P-типа и N-типа, давайте сначала разберемся, что такое полупроводник.

Как уже было сказано, полупроводники не являются единым материалом, а изготавливаются путем легирования различными элементами. Совершенно верно, сущность полупроводника — это материал с соответствующей электропроводностью между проводником и изолятором, путем легирования различными элементами (например, трехвалентными и пятивалентными элементами) для образования полупроводников P-типа и N-типа. Это означает, что полупроводники могут проводить электричество при одних условиях и не проводить при других.

Wчто полупроводники используются для?

Применение полупроводников очень широко, они используются в самых разных устройствах, таких как компьютерные процессоры, микросхемы памяти, солнечные батареи, светодиоды и транзисторы. Можно сказать, что полупроводники являются основой почти всех электронных схем для достижения таких функций, как усиление, переключение и модуляция сигнала.

Что такое полупроводник N-типа?

Полупроводник N-типа — это полупроводниковый материал, изготовленный путем включения пятивалентный элемент *, такие как фосфор, мышьяк или сурьма. Включение этих пятивалентных элементов значительно увеличивает число электронов в полупроводниках N-типа по сравнению с собственные полупроводники *.

Основными носителями заряда полупроводников N-типа являются свободные электроны, которые поступают из включенных пятивалентных элементов, которые могут свободно перемещаться в кристалле. Когда к полупроводнику приложено внешнее электрическое поле, эти свободные электроны мигрируют под действием электрического поля, образуя электрический ток. В полупроводниках N-типа из-за более высокой концентрации электронов и меньшего количества дырок (то есть, там, где электроны отсутствуют в кристалле) они проводят электричество гораздо хуже, чем свободные электроны. «N» полупроводника N-типа означает, что его основным носителем является отрицательно заряженный электрон; в электронных устройствах он в основном используется как проводящая среда для тока.

*Пятивалентные элементы имеют пять внешних электронов, четыре из которых образуют ковалентные связи с другими атомами в решетке кремния, а оставшийся не участвует в образовании ковалентной связи, образуя свободные электроны, которые придают полупроводникам N-типа более высокую электропроводность.

*Внутренний Полупроводник относится к чистым полупроводниковым материалам, которые не легированы никакими другими элементами. Его проводимость определяется только свойствами самого материала, а не регулируется внешними примесями, такими как легированные элементы.

N Тип процесса легирования

Обычно полупроводники N-типа изготавливаются с использованием кремния (Si) в качестве подложки путем включения легирующих материалов, таких как пятивалентные элементы (например, фосфор, мышьяк или сурьма). Эти легирующие пятивалентные элементы будут иметь дополнительный электрон, образуя четыре ковалентные связи с атомом кремния, оставляя один свободный электрон, который не участвует в связи. Этот свободный электрон, который не принадлежит ни одному атому, может свободно перемещаться по кристаллической структуре, тем самым улучшая способность материала проводить электричество.

Процесс легирования является ключевым шагом в изменении свойств полупроводника. Регулируя концентрацию включения, можно точно контролировать проводимость полупроводников N-типа.

N-напишите Bи Diagram

Диаграммы зон N-типа — это диаграммы, описывающие распределение энергии электронов внутри полупроводников N-типа, помогающие нам понять, как электроны в полупроводниковых материалах распределяются по различным энергетическим зонам и как на них влияют такие факторы, как легирование (например, включение пятивалентных элементов) и внешние электрические поля.

Основные Eэлементы Bи Map для N-типа Sполупроводники:

Зона проводимости: Полоса, в которой электроны могут свободно перемещаться. (Здесь электроны могут свободно перемещаться по материалу, что позволяет им проводить электричество.)

Валентная полоса: Самая высокая энергетическая зона, которую электрон может занимать без внешнего возбуждения. (Электроны в валентных зонах обычно не перемещаются свободно.)

Ширина запрещенной зоны: Область энергии между зоной проводимости и валентной зоной.

Уровень Ферми: Опорный уровень энергии, указывающий энергетическое состояние электрона.

Свободные электроны: Добавленный пятивалентный элемент обеспечивает дополнительные электроны, которые заполняют вакансии вблизи зоны проводимости, образуя таким образом свободные электроны.

Для полупроводников N-типа уровень Ферми находится ближе к области зоны проводимости по отношению к зоне проводимости. Зоны проводимости представляют собой высокоэнергетические зоны, в которых электроны могут свободно перемещаться через полупроводник. Поскольку в полупроводниках N-типа имеется большое количество свободных электронов, эти электроны могут войти в зону проводимости под действием внешнего электрического поля, таким образом достигая проводимости. На зонной диаграмме запрещенная зона между зоной проводимости и валентной зоной обычно велика, и электронам необходимо преодолеть определенные энергетические барьеры, чтобы перейти из валентной зоны в зону проводимости. Однако в полупроводниках N-типа, поскольку добавленные пятивалентные элементы обеспечивают дополнительные электроны, этим электронам не нужно пересекать запрещенную зону, они находятся непосредственно вблизи зоны проводимости, позволяя электронам свободно перемещаться.

Электрическая проводимость

Благодаря наличию свободных электронов полупроводники N-типа обладают высокой проводимостью и могут проводить электричество под действием внешних электрических полей. Когда электрическое поле приложено к полупроводнику N-типа, свободные электроны перетекают из области высокого потенциала в область низкого потенциала, создавая электрический ток. Эффективность переноса свободных электронов очень высока, а проводимость полупроводников N-типа обычно сильная.

Проводимость полупроводников N-типа зависит от температуры и концентрации легирования. Чем выше температура, тем больше свободных электронов в материале и тем сильнее проводимость. Чем выше концентрация легирования, тем больше свободных электронов в полупроводнике, и соответственно увеличивается электропроводность.

Применение полупроводников N-типа

Полупроводники N-типа широко используются в различных электронных устройствах, например, диодах, транзисторах, солнечных батареях, регуляторах напряжения и интегральных схемах.

Что такое полупроводник P-типа?

Полупроводники P-типа образуются путем легирования чистого кремния (Si) или германия (Ge) трехвалентными элементами (такими как бор, алюминий, галлий и т. д.). После легирования этими трехвалентными элементами в полупроводниках P-типа образуется большое количество дырок (положительных носителей заряда), что значительно увеличивает их электропроводность. В отличие от свободных электронов полупроводников N-типа, основными носителями заряда полупроводников P-типа являются дырки, которые могут свободно перемещаться в кристалле полупроводника, обеспечивая прохождение тока.

Процесс легирования типа P

Полупроводники p-типа обычно используют кремний (Si) в качестве подложки с трехвалентными элементами (такими как бор, галлий, алюминий и т. д.). Эти трехвалентные элементы имеют три внешних электрона, и когда они соединяются с атомами кремния, каждый трехвалентный элемент образует ковалентную связь с четырьмя атомами кремния, но поскольку трехвалентный элемент не имеет электрона, это создает дырку. Дырки можно рассматривать как положительно заряженные носители заряда, которые могут перемещаться по кристаллу и, таким образом, проводить ток.

P-напишите Bи Diagram

Точно так же, как карты зон N-типа были описаны ранее, карты зон P-типа помогают нам понять, как электроны распределены в полупроводниковых материалах и как на них влияют такие факторы, как легирование (например, включение трехвалентных элементов) и внешние электрические поля. Ключевые элементы карты зон полупроводника P-типа такие же, как и у полупроводника N-типа, но карта зон отличается, как показано ниже.

Электрическая проводимость

В полупроводниках P-типа имеется большое количество дырок, и поток дырок позволяет полупроводникам P-типа проводить электричество. Под действием приложенного электрического поля дырка перемещается из области высокого потенциала в область низкого потенциала, что приводит к возникновению электрического тока.

Чем выше температура, тем больше дырок в полупроводнике P-типа и тем сильнее проводимость. Чем выше концентрация легирования, тем больше дырок в полупроводнике P-типа и тем сильнее проводимость.

Применение полупроводников P-типа

Полупроводники p-типа также широко используются в различных электронных устройствах, таких как диоды, транзисторы, фотодиоды и т. д.

Различия между полупроводниками N-типа и P-типа

Были описаны определение, процесс легирования, зонная диаграмма, электропроводность и применение полупроводников N-типа и P-типа. Теперь давайте рассмотрим различия между этими двумя типами, как показано в таблице.

ПН-переход

PN-переход означает комбинацию полупроводников P-типа и N-типа. Комбинация полупроводников P-типа и N-типа образует множество фундаментальных электронных устройств. Теперь давайте узнаем об этом.

Iвнутренний процесс PN-перехода

В процессе формирования PN-перехода происходит несколько явлений: диффузия носителей заряда, образование обедненной зоны и внутреннего электрического поля.

Диффузия носителей заряда относится к диффузии свободных электронов из полупроводника N-типа в полупроводник P-типа и диффузии дырок из полупроводника P-типа в полупроводник N-типа во время формирования PN-перехода. Причина этого в том, что высокая концентрация носителей будет естественным образом распространяться в область низкой концентрации до тех пор, пока концентрации носителей с обеих сторон не будут стремиться к равновесию. Затем, по мере того как электроны диффундируют из полупроводника N-типа в полупроводник P-типа, заполняя дырки в полупроводнике P-типа, образуются отрицательные ионы. На одной стороне полупроводника N-типа поток электронов приводит к недостатку свободных электронов, образуя положительные ионы. В этой точке область связывания дырок и электронов образует область истощения, без носителей заряда и без тока, протекающего через него. В области обеднения электрическое поле, образованное в области PN-перехода из-за разделения зарядов между положительными и отрицательными ионами, называется внутреннее электрическое поле или собственное электрическое поле.

Проводящие характеристики   ПН-переход

Характеристика проводимости PN-перехода относится к проводимости тока или блокирующему поведению PN-перехода при различных условиях напряжения. На PN-переход в основном влияют следующие два условия:

Прямое смещение: то есть, когда полупроводник P-типа подключен к положительному выводу источника питания, а полупроводник N-типа подключен к отрицательному выводу источника питания, внешнее приложенное напряжение уменьшит влияние внутреннего электрического поля, так что дырки в полупроводнике P-типа и электроны в полупроводнике N-типа смогут проходить через PN-переход, образуя ток. В это время PN-переход может проводить электричество.

Обратный предвзятость: Когда полупроводник P-типа подключен к отрицательному электроду источника питания, а полупроводник N-типа подключен к положительному электроду источника питания, внешнее приложенное напряжение увеличит напряженность внутреннего электрического поля, затрудняя прохождение электронов и дырок через PN-переход. В это время PN-переход не проводит электричество. Конечно, когда приложенное напряжение достаточно велико, чтобы разрушить PN-переход, ток внезапно увеличится. Это проводящие свойства PN-перехода, которые делают PN-переход очень важным в электронных устройствах. Диоды, например, используют эти проводящие характеристики PN-перехода для управления потоком и величиной тока.

Синергетический эффект PN-перехода

В PN-переходе полупроводник P-типа обеспечивает дырки в качестве основных носителей заряда и перемещается к полупроводнику N-типа под действием электрического поля. Полупроводники N-типа обеспечивают свободные электроны в качестве основных носителей, которые перемещаются к полупроводникам P-типа под действием электрического поля. Полупроводники P-типа и N-типа взаимодействуют друг с другом посредством диффузии и действия электрического поля, образуя зону обеднения и внутреннее электрическое поле, так что PN-переход может эффективно управлять потоком тока.

Одним словом, полупроводники P-типа и N-типа являются строительными блоками современной электроники. Используете ли вы их в диодах или транзисторах, понимание их свойств и различий имеет решающее значение для проектирования и оптимизации электронных схем. Надеюсь, эта статья помогла вам понять полупроводники P-типа и N-типа.