Чем отличаются полупроводники от металлов


Чем полупроводники отличаются от металлов

Твёрдые тела — это металлы, полупроводники и диэлектрики. Они отличаются друг от друга по своим электронным свойствам. Электропроводность твёрдых тел определяется свойствами электронов.

Определение

Полупроводники относятся к металлам, к твердым телам. К их числу принадлежат германий, кремний, мышьяк и др., а также различные  сплавы и химические соединения.

Металлы — это твердые тела,  которые имеют определенную структуру.

к содержанию ↑

Сравнение

Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.

Рассмотрим, как возникает электрический ток в полупроводниках. У атомов германия на внешней оболочке находятся четыре слабо связанных валентных электрона. В кристаллической решетке около каждого атома находятся еще четыре. Атомы в кристалле полупроводника связаны парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Если происходит повышение температуры, какая-то часть валентных электронов получит энергию, которая достаточна для разрыва ковалентных связей. В кристалле появятся свободные электроны, называемые  электронами проводимости. Одновременно на месте ушедших электронов образуются вакансии, дырки. Вакантное место могут занять валентные электроны соседней пары, тогда дырка будет на новом месте в кристалле. При определенной температуре в полупроводнике существует определенное количество электронно-дырочных пар. Свободный электрон, встречаясь с дыркой, восстанавливает электронную связь. Дырки похожи на положительно заряженные частицы. Если электрического поля нет, дырки  и электроны проводимости движутся хаотично. Если полупроводник поместим в электрическое поле, то дырки и свободные электроны начнут двигаться упорядоченно. Поэтому ток  в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. Количество носителей свободного заряда меняется, не остается постоянным и зависит от температуры. При ее увеличении сопротивление полупроводников возрастает.

Металлы имеют кристаллическую структуру. Они состоят из молекул и атомов, которые занимают определённое, упорядоченное положение. Металл представляется в виде кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы, или ионы, или молекулы, которые колеблются около своего местоположения. Между ними  в пространстве находятся  свободные электроны, которые хаотично движутся в разных направлениях.  Но при появлении электрического поля они начинают двигаться упорядоченно в сторону положительного полюса, в металлах появляется электрический ток.  Количество электронов постоянное. При понижении температуры скорость движения электронов замедляется, сопротивление металлов падает.

к содержанию ↑

Выводы TheDifference.ru

  1. Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.
  2. Электрический ток в металлах — это направленное движение электронов.
  3. У чистых полупроводников электронно-дырочный механизм проводимости.
  4. Удельное сопротивление полупроводников и металлов зависит от температуры по-разному.

Металлы и полупроводники

1 Свойства металлов

Тот факт, что металлические элементы находятся в левой части таблицы Менделеева, дает важный ключ к пониманию того, как они соединяются вместе, образуя твердые тела.

  • Все эти элементы обладают низкой электроотрицательностью и легко образуют положительные ионы M n + . Поскольку они не проявляют тенденции к образованию отрицательных ионов, вид связи, присутствующий в ионных твердых телах, может быть немедленно исключен.
  • Металлические элементы имеют пустые или почти пустые внешние орбитали p , поэтому электронов внешней оболочки никогда не бывает достаточно, чтобы разместить октет вокруг атома.

Эти точки приводят нас к простейшей картине металлов, которая рассматривает их как решетку положительных ионов, погруженных в «море электронов», которые могут свободно перемещаться по твердому телу. Фактически, электроположительная природа металлических атомов позволяет их валентным электронам существовать в виде подвижной жидкости, которая может быть вытеснена приложенным электрическим полем, что приводит к их высокой электропроводности .Поскольку каждый ион окружен электронной жидкостью во всех направлениях, связь не имеет направленных свойств; Этим объясняется высокая ковкость и пластичность металлов.

Эта точка зрения является чрезмерным упрощением, которое не может объяснить металлы количественно, а также не может объяснить различия в свойствах отдельных металлов. Более подробное рассмотрение, известное как теория связи металлов, применяет идею резонансных гибридов к металлическим решеткам.В случае щелочного металла, например, это будет включать большое количество гибридных структур, в которых данный атом Na делит свой электрон со своими различными соседями.

3 Происхождение металлических свойств

Металлические твердые тела обладают особыми свойствами, которые выделяют их среди других классов твердых тел и позволяют легко идентифицировать и знакомы каждому. Все эти свойства обусловлены высвобождением валентных электронов из-под контроля отдельных атомов, что позволяет им вести себя как высокомобильная жидкость, заполняющая всю кристаллическую решетку.То, что раньше было орбиталями валентной оболочки отдельных атомов, расщепляется на огромное количество близкорасположенных уровней, известных как полосы, которые проходят по всему кристаллу.

Почему металлы обладают высокой прочностью и высокой температурой плавления

Прочность металла зависит от электростатического притяжения между решеткой положительных ионов и жидкостью валентных электронов, в которую они погружены. Чем больше ядерный заряд (атомный номер) атомного ядра и чем меньше его размер, тем сильнее это притяжение.Как и многие другие периодические свойства, они работают противоположным образом, что видно из сравнения температур плавления некоторых металлов 1-3 группы (справа). Другие факторы, особенно геометрия решетки, также важны, поэтому исключения, подобные тем, которые наблюдаются в Mg, не удивительны.

В целом переходные металлы с их валентным уровнем d электронов сильнее и имеют более высокие температуры плавления: Fe, 1539 ° C; Re 3180, Os 2727; Вт 3380 ° С.

(W - вольфрам, металл с самой высокой температурой плавления; знаете ли вы, какое основное применение дает эта очень высокая температура плавления?)

Почему металлы ковкие и пластичные

Эти термины относятся соответственно к тому, насколько легко твердому телу можно придать форму давлением (ковка, молоток, раскатка в лист) и вытягиванием в проволоку.Металлические твердые тела известны и ценятся за эти качества, которые проистекают из ненаправленного характера притяжения между атомами ядра и электронной жидкостью. Связь в ионных или ковалентных твердых телах может быть более прочной, но она также является направленной, что делает эти твердые тела подверженными разрушению (хрупкости), например, при ударе молотком. Напротив, металл с большей вероятностью будет просто деформирован или помят.

Почему металлы являются хорошими электрическими проводниками

Чтобы вещество проводило электричество, оно должно содержать заряженные частицы ( носителей заряда ), которые достаточно подвижны, чтобы двигаться в ответ на приложенное электрическое поле.В случае ионных растворов и расплавов эту функцию выполняют сами ионы. (Ионные твердые тела содержат те же носители заряда, но, поскольку они закреплены на месте, эти твердые тела являются изоляторами.) В металлах носителями заряда являются электроны, а поскольку они свободно перемещаются через решетку, металлы обладают высокой проводимостью. Очень малая масса и инерция электронов позволяет им проводить высокочастотные переменные токи, на которые растворы электролитов не способны. Что касается зонной структуры, приложение внешнего поля просто поднимает часть электронов на ранее незанятые уровни, обладающие большим импульсом.

Электропроводность раствора электролита снижается при понижении температуры из-за уменьшения вязкости, что препятствует ионной подвижности. Подвижность электронной жидкости в металлах практически не зависит от температуры, но металлы действительно испытывают небольшое снижение проводимости (в отличие от ионных растворов) при повышении температуры; это происходит потому, что более энергичные тепловые движения ядер ядра нарушают однородную структуру решетки, которая требуется для свободного движения электронов внутри кристалла.Серебро - самый проводящий металл, за ним следуют медь, золото и алюминий.

Металлы легко проводят электричество из-за практически бесконечного запаса пустых МО с более высокой энергией, которые электроны могут заселять по мере того, как они приобретают более высокие кинетические энергии. Эта диаграмма иллюстрирует структуру перекрывающихся полос (объясненную ниже) в бериллии. Уровни МО расположены так близко друг к другу, что даже тепловая энергия может вызывать возбуждение и вызывать быстрое распространение тепла по твердому телу.

Электропроводность металлических элементов варьируется в широком диапазоне.
Обратите внимание, что серебряные и медные (высшие из всех металлов) относятся к классам сами по себе. Следом идут золото и алюминий.

Почему металлы являются хорошими проводниками тепла?

Всем известно, что прикосновение к металлической поверхности при комнатной температуре вызывает более холодное ощущение, чем прикосновение к дереву или пластику при той же температуре.Очень высокая теплопроводность металлов позволяет им очень эффективно выводить тепло из нашего тела, если оно ниже температуры тела. Точно так же металлическая поверхность, температура которой превышает температуру тела, будет намного теплее, чем поверхность, сделанная из другого материала. Высокая теплопроводность металлов объясняется колебательными возбуждениями жидкоподобных электронов; это возбуждение распространяется по кристаллу гораздо быстрее, чем в неметалле

.

Чем полупроводник отличается от проводника…

Вы должны войти в систему, чтобы обсудить.

футляр. Ключевым моментом здесь является то, что он, кажется, слышит о том, как Адам хранит свои электроны. По сути, в изоляторе, это все, что не проводит. Так что в основном все не металлы. Могу ли я здесь ядро? У тебя были некоторые профессиональные мысли. Здесь электроны. Хорошо. Но в основном изоляторы имеют свои электроны, связанные вместе в атом или молекулу.Гм, и они действительно этого не делают. Они не допускают электронов. Это как бы вытаскивать и переносить заряд в другое место. Гм, а где к этой штуке медали? Там, где у них все в порядке, у них есть ядра, а затем у них есть электроны, которые, вы знаете, принадлежат этому, Адаму. И у них вроде бы есть электроны, принадлежащие этому Адаму. Хорошо. И затем у них есть электроны своего рода, в которых они разделяют электроны, они могут отрезать прошлый заряд в электрически этого этого электрона.Вы знаете, электрон здесь может поменяться местами с этим Solectron здесь, ммм, и это позволяет электронам свободно двигаться. И поэтому, в основном, в проводниках у них просто есть больше электронов, которые могут свободно перемещаться и с ними ласкать, заряжать и заряжать телефон и полупроводники или где-то посередине, чтобы они могли попасть туда в основном через температуру, а затем через некоторые ну вы знаете, дефекты в системе. Так что, может быть, есть определенное количество, знаете, проводящих Адамсов, а затем определенное количество непроводящих Адамов.Важно помнить, что все действует. Дирижеры намного лучше дирижируют, чем все остальное.

.

Контакты металл-полупроводник - Engineering LibreTexts

Контакт металл-полупроводник (МС) является важным компонентом в работе большинства полупроводниковых устройств в твердом состоянии. Как следует из названия, МС-переход состоит в том, что металл и полупроводниковый материал тесно контактируют. В основном, есть два типа контактов MS, которые широко используются в полупроводниковых устройствах:

  1. Выпрямительные диоды Шоттки
  2. Непрямительный омический контакт

Введение

Принцип формирования различных типов контакта металл-полупроводник заключается в несоответствии энергии Ферми между металлом и полупроводниковым материалом, которое происходит из-за разницы в работе выхода.На рис. 1 показана диаграмма энергетических зон после установления контакта. Как показано на рисунке 1, уровень вакуума \ (E_0 \), минимальная энергия, необходимая для высвобождения электрона из материала, используется для выравнивания металла и полупроводника вместе. Работа выхода \ (\ Phi \) определяется как разность энергий между энергией Ферми и уровнем вакуума. Сродство к электрону \ (\ chi \) определяется как энергия, необходимая для перемещения электрона с уровня вакуума в зону проводимости:

\ [\ chi = (E_0 - E_c) _ {FB} | _ {\ text {surface}}.\]

Когда металл и полупроводник соединяются, мгновенно образуется идеальный МС-контакт. Если во время процесса контактирования движение электронов не происходит, зонная диаграмма контакта будет такой, как на рисунке 1, где наблюдается несоответствие энергии Ферми (\ (E_ {FM}) \) в металле и энергии Ферми в металле. полупроводник (\ (E_F) \). Для идеального контакта с MS сделано несколько предположений:

  1. Металл и полупроводник находятся в тесном контакте, что означает отсутствие оксидных или заряженных слоев между контактом в атомном масштабе.
  2. Отсутствие перемешивания и взаимной диффузии между металлом и полупроводником.
  3. На интерфейсе МС нет примесей.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): диаграмма энергетического диапазона для идеальных контактов MS в момент после контакта для: (a) \ (\ Phi_M> \ Phi_S \) и (b) \ (\ Phi_M <\ Phi_S \) .

Сродство к электрону \ (\ chi \) и работа выхода металла \ (\ Phi_M \) - это инвариантные фундаментальные свойства, на которые не влияет процесс контактирования.Однако работа полупроводников связана с сродством к электрону, зоной проводимости и энергией Ферми:

\ [\ Phi_S = \ chi + (E_c - E_F) _ {FB} \ label {1} ​​\]

где

\ [\ chi = (E_0 -E_F) \ label {2} \]

Однако ситуации на Рисунке 1 не находятся в состоянии равновесия, так как энергия Ферми в металле не совпадает с энергией Ферми в полупроводнике (\ (E_ {FS} \ neq E_ {FM} \)). Следовательно, электроны будут продолжать перемещаться между полупроводником и металлом до тех пор, пока \ (E_F \) не выровняется, что вызовет образование обедненной области между контактом MS.При различных характеристиках интерфейса металл-полупроводник будут сформированы два типа МС-контакта: выпрямляющий барьерный контакт Шоттки и омический контакт.

Контакт с барьером Шоттки

Контакт с барьером Шоттки относится к контакту MS, имеющему большую высоту потенциального барьера, образованного, когда энергии Ферми металла и полупроводника совмещены. Высота барьера \ (\ Phi_B \) определяется как разность энергий между краем зоны с основными носителями и энергией Ферми металла.Поскольку барьеры Шоттки могут привести к выпрямительным характеристикам, он обычно используется в качестве диода, который представляет собой одиночный переход МС с выпрямительными характеристиками. Полупроводники как n-типа, так и p-типа могут образовывать контакт Шоттки, такие как силицид титана и силицид платины.

В условиях равновесия (приложенное смещение V = 0)

Рассмотрим случай \ (\ Phi_M> \ Phi_S \), электроны будут переходить от полупроводника к металлу из-за своей большей энергии, пока не будет установлено условие равновесия.Чистая потеря электронов создает отрицательный заряд в металле и положительный заряд в полупроводнике, что приводит к обеднению и росту барьера на поверхности полупроводника. В результате равновесная зонная структура для металла и полупроводника n-типа показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Плоский b и диаграмма контакта МС в условиях равновесия

Поверхностный барьер потенциальной энергии \ (\ Phi_B \), основная характеристика барьера Шоттки, характеризуется высотой барьера Шоттки, которая является функцией металла и полупроводника:

\ [\ Phi_B = \ Phi_M - \ chi, \ quad \ text {для полупроводников n-типа} \ label {3} \]

\ [\ Phi_B = {E_g \ over q} + \ chi - \ Phi_M, \ quad \ text {для полупроводника p-типа} \ label {4} \]

Барьер имеет высокое сопротивление даже при небольшом приложенном напряжении.Поскольку высота потенциального барьера может регулироваться смещением напряжения, которое оказывает значительное влияние на электрический ток, протекающий через барьер, представляет интерес влияние прямого смещения и обратного смещения.

Эффект смещения

Рассмотрим контакт \ (\ Phi_M> \ Phi_S \) MS, ток \ (I \) будет сформирован, если есть приложенное смещение \ (V_A \) на металле, и полупроводник подключен для заземления. (Рисунок 3) Ток считается положительным, когда он течет от металла к полупроводнику.

Рисунок 3. Контакт МС с приложенным постоянным током. смещение

Прямое смещение

При прямом смещении (\ (V_A> 0 \)) работа MS-перехода проиллюстрирована на рисунке 4. Энергия Ферми металла становится ниже, чем энергия Ферми в полупроводнике \ (E_F \), что приводит к уменьшению потенциального барьера \ (\ Phi_B \) через полупроводник. Следовательно, электронам будет намного легче проходить через барьер, что значительно облегчает диффузию электронов из полупроводника в металл.Следовательно, по мере увеличения \ (V_A \) ток будет быстро увеличиваться, поскольку большее количество электронов сможет преодолеть поверхностный барьер, не возвращаясь назад, что соответствует противоположному направлению тока. Электронов, диффундирующих из полупроводника к металлу, будет больше, чем электронов, дрейфующих в полупроводник, через МС-переход будет генерироваться положительный ток.

Рис. 4. Диаграмма энергетического диапазона и активность несущей при прямом смещении (\ (V_A> 0 \))

Обратное смещение

При отрицательном смещении, приложенном к металлу (\ (V_A <0 \)), работа MS-перехода показана на рисунке 5.Энергия Ферми металла становится выше, чем энергия Ферми в полупроводнике, что приводит к увеличению барьерного потенциала на МС-переходе. Большой барьер блокирует диффузию электронов из полупроводника в металл. При небольшом обратном смещении только небольшое количество электронов в металле может преодолеть потенциальный барьер. Следовательно, ток \ (I \) станет небольшой постоянной при обратном смещении, которое характеризуется как выпрямляющее поведение.

Рисунок 5.{qV_A / kT} -1), \ quad \ text {where} \) \ (I_0 \) - ток насыщения \ (\ label {5} \)

При прямом смещении (\ (V_A> 0 \)), когда прямое смещение превышает несколько \ (kT / q \) вольт, в токе будет преобладать экспоненциальный член. Для обратного смещения (\ (V_A <0 \)), когда обратное смещение больше нескольких \ (kT / q \) вольт, экспоненциальным членом пренебрегают, что приводит к небольшому току насыщения: \ (I = - I_0 \). Характеристики \ (IV \) показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Схема \ (IV \) характеристики диодов Шоттки

Омический контакт

Не все контакты MS могут работать как выпрямительный диод Шоттки, так как не образуется потенциальный барьер. В этой ситуации, когда ток может проходить в обоих направлениях контакта MS, контакт определяется как омический контакт. Идеальный омический контакт - это низкое сопротивление, а между границей раздела металл-полупроводник существует не выпрямляющий переход без потенциала.Рассмотрим случай на рисунке 1 (b), контакт МС с \ (\ Phi_M <\ Phi_S \), электроны будут переходить от металла к полупроводнику из-за их низкой энергии, что приведет к перемещению уровня Ферми в полупроводнике вверх до тех пор, пока состояние равновесия устанавливается. Зонная диаграмма в состоянии равновесия показана на рисунке 7 (а).

(а) (б)

Рис. 7. (a) Диаграмма энергетических зон в состоянии равновесия для \ (\ Phi_M <\ Phi_S \) и (b) Схематическая \ (IV \) характеристики омического контакта

Поскольку не существует барьерной структуры для потока электронов от полупроводника к металлу, даже очень небольшое напряжение прямого смещения (\ (V_A> 0 \)) приведет к увеличению тока прямого смещения.Когда прикладывается напряжение обратного смещения, для потока электронов от металла к полупроводнику образуется небольшой потенциальный барьер. Однако небольшой барьер в конечном итоге исчезнет, ​​когда напряжение обратного смещения станет больше. Следовательно, существует большой обратный ток, когда \ (V <0 \). Характеристика \ (I-V \) показана на рисунке 7 (b).

В отличие от выпрямляющего контакта Шоттки, омический контакт ведет себя по линейной кривой \ (I-V \), которая соответствует закону Ома как в прямом, так и в обратном смещении.

Заключение

В целом, для металла и полупроводника n-типа выпрямительный контакт Шоттки образуется, когда \ (\ Phi_M> \ Phi_S \), а омический контакт формируется, когда \ (\ Phi_M <\ Phi_S \). Аналогичным образом, для металла и полупроводника p-типа, контакт MS будет выпрямлять Шоттки, когда \ (\ Phi_M <\ Phi_S \), и омический контакт, когда \ (\ Phi_M> \ Phi_S \). Обобщение типов контактов приведено в таблице 1.

Таблица 1. Электрическая природа контактов MS
Полупроводник n-типа Полупроводник p-типа
\ (\ Phi_M> \ Phi_S \) Выпрямительный омическое
\ (\ Phi_M <\ Phi_S \) омическая Выпрямительный

Вопросы

1.Покажите диаграмму равновесных энергетических зон для металла и полупроводника p-типа, где (a) \ (\ Phi_M <\ Phi_S \) и (b) \ (\ Phi_M <\ Phi_S \)
2. Найдите выражение для барьера высота \ (\ Phi_B \) выпрямительного контакта p-типа

3. Когда контакт MS формируется для \ (\ Phi_M = \ chi \), при каких условиях контакт будет вести себя как омический контакт, и при каких условиях контакт будет вести себя как выпрямляющий?

ответы

1. (a) Для металла и полупроводников p-типа диаграммы зон равновесия показаны ниже:

2.Поскольку \ (\ quad E_c - E_ {FM} = \ Phi_M - \ chi \), отсюда следует, что

\ (\ Phi_B = E_ {FM} - E_ {v (interface)} = (E_c -E_v) - (E_ {c (interface)} = E_ {FM} \).

Следовательно, \ (\ Phi_B = E_G + \ chi - \ Phi_M \ quad \ text {для идеального контакта MS p-типа} \)

3. Если \ (\ Phi_M = \ chi \) в идеальном МС-контакте, формирование типов контактов не будет зависеть от типа легирования полупроводника.

Список литературы

1. Роберт Ф. Пьер, Основы полупроводниковых устройств, второе издание.Глава 14, страницы 477-491.

2. John Wiley & Sons, Sze, S.M., Physics of Semiconductor Devices

Авторы и авторство

  • Шерри Куй (Калифорнийский университет в Дэвисе, материаловедение и инженерия)
.

Как работают полупроводники | HowStuffWorks

Устройство, которое блокирует ток в одном направлении, позволяя току течь в другом направлении, называется диодом . Диоды можно использовать по-разному. Например, устройство, которое использует батареи, часто содержит диод, который защищает устройство, если вы вставляете батареи назад. Диод просто блокирует любой ток, выходящий из батареи, если он перевернут - это защищает чувствительную электронику в устройстве.

Полупроводниковый диод работает не идеально, как показано на этом графике:

Объявление

Когда смещает в обратном направлении, идеальный диод блокирует весь ток. Настоящий диод пропускает примерно 10 мкА - немного, но все же не идеально. И если вы приложите достаточное обратное напряжение (В), соединение разорвется и пропустит ток. Обычно напряжение пробоя намного больше напряжения, чем когда-либо увидит схема, поэтому это не имеет значения.

Когда смещен в прямом направлении , для работы диода требуется небольшое напряжение. В кремнии это напряжение составляет около 0,7 вольт. Это напряжение необходимо для запуска процесса комбинации дырка-электрон на переходе.

Другой важной технологией, связанной с диодом, является транзистор. У транзисторов и диодов много общего.

Транзисторы

Транзистор создается с использованием трех слоев , а не двух слоев, используемых в диоде.Вы можете создать сэндвич NPN или PNP. Транзистор может действовать как переключатель или усилитель.

Транзистор выглядит как два последовательно соединенных диода. Можно представить, что через транзистор не может протекать ток, потому что диоды, соединенные спиной к спине, блокируют ток в обоих направлениях. И это правда. Однако, когда вы прикладываете небольшой ток к центральному слою сэндвича , через сэндвич в целом может протекать гораздо больший ток. Это дает транзистору поведение при переключении .Небольшой ток может включать и выключать больший ток.

Кремниевый чип - это кусок кремния, который может содержать тысячи транзисторов. С транзисторами, действующими как переключатели, вы можете создавать логические вентили, а с логическими вентилями вы можете создавать микропроцессорные микросхемы.

Естественный переход от кремния к легированному кремнию, транзисторам и микросхемам - вот что сделало микропроцессоры и другие электронные устройства такими недорогими и повсеместными в современном обществе.Основные принципы удивительно просты. Чудо - это постоянное совершенствование этих принципов до такой степени, что сегодня десятки миллионов транзисторов можно без больших затрат собрать на одном кристалле.

Для получения дополнительной информации о полупроводниках, диодах, микросхемах и многом другом перейдите по ссылкам на следующей странице.

.

Смотрите также