Обзор полупроводников

Полупроводники очень схожи с диэлектриками. Две категории материалов отличаются в основном тем, что в диэлектриках ширина запрещенной зоны больше – энергий, необходимых для свободного перемещения электронов от атома к атому. При комнатной температуре в полупроводниках, как и в диэлектриках, очень малое количество электронов имеет достаточную тепловую энергию для преодоления запрещенной зоны из валентной зоны в зону проводимости, которая важна для электронов, необходимых для протекания электрического тока. По этой причине чистые полупроводники и диэлектрики в отсутствии приложенного электрического поля имеют почти одинаковое сопротивление. Тем не менее меньшие размеры запрещенной зоны полупроводников позволяют другим средствам, кроме температуры контролировать их электрические свойства.

Часто внутренние электрические свойства полупроводников изменяют путем добавления примесей. Этот процесс называется легирование. Обычно, это достаточно приблизительно, что каждая примесь добавляемая в атом – это один электрон или одна "дырка", которые могут свободно перемещаться. После добавления достаточно большой доли легирующих примесей, полупроводники будут проводить электричество почти также как металлы. В зависимости от вида примеси легированная область полупроводника может содержать больше электронов или дырок; и называются они n- и p- типы полупроводников. Пересечения между областями n- и p- типов полупроводников создают электрические поля, которые вызывают возможность электронов и дырок вылетать из них, этот эффект имеет существенное значение для функционирования полупроводниковых устройств. Также, градиент плотности в примесях создает маленькое электрическое поле в области, которая используется для ускорения неравновесных электронов или дырок.

В дополнение к постоянной модификации легированием, сопротивление полупроводников, как правило, изменяется динамически за счет применения электрических полей. Возможность динамического управления сопротивлением/проводимостью в полупроводниковых материалах посредством приложения электрического поля делает полупроводники полезными. Это привело к созданию широкого спектра полупроводниковых устройств, таких как транзисторы и диоды. Полупроводниковые устройства, которые имеют динамически контролируемую проводимость, например транзисторы, являются элементами интегральных схем устройств, таких как микропроцессор. Эти "активные" полупроводниковые устройства (транзисторы) объединяют с пассивными элементами, выполненными из полупроводниковых материалов, такими как конденсаторы и резисторы для получения электронных цепей.

В большинстве полупроводников, когда электроны теряют достаточное количество энергии для вылета из зоны проводимости к валентной зоне (энергетические уровни выше и ниже запрещенной зоны), они всегда испускают свет, квант энергии в видимом электромагнитном спектре. Этот фотоэмиссионный процесс лежит в основе светодиода и полупроводникового лазера, которые коммерчески очень важны. Напротив, полупроводниковое поглощение света в фотоприемниках заставляет электроны двигаться из валентной зоны к более высокой зоне проводимости, таким образом, облегчая поглощение света и изменение его интенсивности. Это свойство важно для оптико-волоконной связи, оно создает основы получения энергии от солнечных батарей.

Полупроводниками могут быть простые материалы такие как кремний и германий, или составные полупроводники такие как арсенид галлия и фосфид индия, или сплавы такие как кремний-германий или арсенид алюминий-галлия.