определение, свойства и классификация, сферы применения

Физические явления в полупроводниках

Диаграмма заполнения электронных уровней энергии в различных типах материалов в равновесном состоянии. На рисунке по высоте условно показана энергия, а ширина фигур — плотность состояний для данной энергии в указанном материале. Полутона соответствует распределению Ферми — Дирака (черный — все состояния заполнены, белый — состояние пустое). В металлах и полуметаллах уровень Ферми EF{\displaystyle E_{F}} находится внутри, по меньшей мере, одной разрешённой зоны. В диэлектриках и полупроводниках уровень Ферми находится внутри запрещённой зоны, но в полупроводниках зоны находятся достаточно близко к уровню Ферми для заполнения их электронами или дырками в результате теплового движения частиц.

Физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. В немалой степени этому способствует огромное количество физических эффектов, которые не наблюдаемы ни в тех, ни в других веществах и связаны с устройством зонной структуры полупроводников и с достаточно узкой запрещённой зоной.

Основным стимулом для изучения полупроводниковых материалов является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает и другие полупроводниковые материалы (Ge, GaAs, InP, InSb).

Кремний — непрямозонный полупроводник, оптэлектрические свойства которого широко используются для создания фотодиодов и солнечных батарей, однако на основе кремния трудно создать источник излучения и здесь используются прямозонные полупроводники — соединения типа AIIIBV, среди которых можно выделить GaAs, GaN, которые используются для создания светодиодов и полупроводниковых лазеров.

Собственный полупроводник при температуре абсолютного нуля не имеет свободных носителей в зоне проводимости в отличие от проводников и ведёт себя как диэлектрик. При сильном легировании ситуация может поменяться (см. вырожденные полупроводники).

Легирование

Основная статья: Легирование (полупроводники)

Электрические свойства полупроводника могут сильно зависеть от дефектов в кристаллической структуре. Поэтому стремятся использовать очень чистые вещества, в основном, для электронной промышленности.

Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Например, широко применяемый кремний можно легировать элементами V подгруппы периодической системы элементов — фосфором, мышьяком которые являются донорами и получить кремний с электронным типом проводимости (n-Si). Для получения кремния с дырочным типом проводимости (p-Si) используют элементы III подгруппы бор или алюминий (акцептор). Так же получают компенсированные полупроводники для расположения уровня Ферми в середине запрещённой зоны.

Механизм электрической проводимости

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10−19 Дж против 11,2·10−19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,04·10−19 Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Дырка

Основная статья: Дырка

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

Энергетические зоны

Между зоной проводимости Е_п и валентной зоной Е_в расположена зона запрещённых значений энергии электронов Е_з. Разность Е_п−Е_в равна ширине запрещенной зоны Е_з. С ростом ширины Е_з число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает.

Подвижность

Основная статья: Подвижность носителей заряда

Подвижность электронов (верхняя кривая) и дырок (нижняя кривая) в кремнии в зависимости от концентрации атомов легирующих примесей

Подвижностью μ{\displaystyle \mu } называют коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью v→{\displaystyle {\vec {v}}} носителей тока и величиной приложенного электрического поля E→{\displaystyle {\vec {E}}}:

v→=μE→. {\displaystyle {\vec {v}}=\mu {\vec {E}}.}

При этом, вообще говоря, подвижность является тензором:

 vα=μαβEβ.{\displaystyle \ v_{\alpha }=\mu _{\alpha \beta }E_{\beta }.}

Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике (см. рисунок). При большой концентрации носителей заряда вероятность столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности и проводимости.

Размерность подвижности — м²/(В·с) в СИ или см/(В·с)в системе СГС.

Методы получения

Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их. Наиболее дешёвый способ промышленного получения монокристаллического технологического кремния — метод Чохральского. Для очистки технологического кремния используют также метод зонной плавки.

Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Наиболее прецизионный и дорогой инструмент в руках технологов для роста монокристаллических плёнок — установки молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей выращивать кристалл с точностью до монослоя. {2}}

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Использование в радиотехнике

Полупроводниковый диод

Схема полупроводникового кремниевого диода. Ниже приведено его символическое изображение на электрических принципиальных схемах.

Основная статья: Диод

Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников — дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников — так называемый p-n переход. В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. {2}}}\right)}

где VT{\displaystyle V_{\rm {T}}} — термодинамическое напряжение, Nn{\displaystyle N_{\rm {n}}} — концентрация электронов, Np{\displaystyle N_{\rm {p}}} — концентрация дырок, ni{\displaystyle n_{\rm {i}}} — собственная концентрация.

В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость, диод пропускает максимальный электрический ток).При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость, диод сопротивляется пропусканию электрического тока). Обратный ток полупроводникового диода близок к нулю, но не равен нулю, так как в обоих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт.

Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока.

Транзистор

Структура биполярного n-p-n транзистора.

Основная статья: Транзистор

Транзистор — полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода.

Свойства полупроводников.

Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При температуре, близкой к абсолютному нулю (- 273С), они ведут себя по отношению к электрическому току как изоляторы. Большинство же проводников, наоборот, при такой температуре становятся сверхпроводящими, т. е. почти не оказывают току никакого сопротивления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. Электропроводность проводников не изменяется при действии на них света. Электропроводность же полупроводников под действием света, так называемая фотопроводность, повышается.

Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический ток. Проводникам же это совершенно не свойственно. Электропроводность полупроводников резко увеличивается при введении в них атомов некоторых других элементов. Электропроводность же проводников при введении в них примесей понижается.

Германий и кремний, являющиеся исходными материалами многих современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона. Всего же в атоме германия 32 электрона, а в атоме кремния 14. Но 28 электронов германия и 10 электронов кремния, находящиеся во внутренних слоях их оболочек, прочно удерживаются ядрами и ни при каких обстоятельствах не отрываются от них. Только четыре валентных электрона атомов этих полупроводников могут, да и то не всегда, стать свободными. Атом же полупроводника, потерявший хотя бы один электрон, становится положительным ионом. В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый из них окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое вещество.
Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно представить себе в виде плоской схемы, как показано на рис. 1, а. Здесь большие шарики со знаком « + » условно изображают ядра атомов с внутренними слоями электронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики — валентные электроны. Каждый атом, окружен четырьмя точно такими же. Любой из них связан с каждым соседним двумя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован у «соседа». Это двухэлектронная, или валентная, связь. Самая прочная связь! В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих и по одному от четырех соседних атомов. Здесь уже невозможно различить, какой из валентных электронов «свой», а какой «чужой», поскольку они стали общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упростить, изобразив ее так, как это сделано на рис. 1, 6. Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочками показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи — двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

Типы полупроводников, оксиды

Оксиды металлов преимущественно являются прекрасными изоляторами, но есть и исключения. Примеры полупроводников этого типа – оксид никеля, оксид меди, оксид кобальта, двуокись меди, оксид железа, оксид европия, оксид цинка. Так как двуокись меди существует в виде минерала куприта, её свойства усиленно исследовались. Процедура выращивания полупроводников этого типа еще не совсем понятна, поэтому их применение пока ограничено. Исключение составляет оксид цинка (ZnO), соединение 2—6 групп, применяемый в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La2CuO4 с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La2CuO4 в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa2Cu3O8. При высоком давлении её значение составляет 134 К.

ZnO, оксид цинка, используется в варисторах, голубых светодиодах, датчиках газа, биологических сенсорах, покрытиях окон для отражения инфракрасного света, как проводник в ЖК-дисплеях и солнечных батареях. dE=3.37 эВ.

Оптика полупроводников

Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами между энергетическими состояниями зонной структуры. Учитывая принцип запрета Паули, электроны могут переходить только из заполненного энергетического уровня на незаполненный. В собственном полупроводнике все состояния валентной зоны заполнены, а все состояния зоны проводимости незаполненные, поэтому переходы возможны лишь из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить от света энергию, превышающую ширину запрещённой зоны. Фотоны с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому такие полупроводники прозрачны в области частот ω<Egℏ{\displaystyle \omega <E_{g}/\hbar } , где Eg{\displaystyle E_{g}} — ширина запрещённой зоны, ℏ{\displaystyle \hbar } — постоянная Планка. Эта частота определяет фундаментальный край поглощения для полупроводника. Для полупроводников, которые зачастую применяются в электронике (кремний, германий, арсенид галлия) она лежит в инфракрасной области спектра.

Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводников накладывают правила отбора, в частности закон сохранения импульса. Закон сохранения импульса требует, чтобы квазиимпульс конечного состояния отличался от квазиимпульса начального состояния на величину импульса поглощённого фотона. Волновое число фотона 2πλ{\displaystyle 2\pi /\lambda }, где λ{\displaystyle \lambda } — длина волны, очень мало по сравнению с волновым вектором обратной решётки полупроводника, или, что то же самое, длина волны фотона в видимой области намного больше характерного межатомного расстояния в полупроводнике, что приводит к требованию того, чтобы квазиимпульс конечного состояния при электронном переходе практически равнялся квазиимпульсу начального состояния. При частотах, близких к фундаментальному краю поглощения, это возможно только для прямозонных полупроводников. Оптические переходы в полупроводниках, при которых импульс электрона почти не меняется называются прямыми или вертикальными. Импульс конечного состояния может значительно отличаться от импульса начального состояния, если в процессе поглощения фотона участвует ещё одна, третья частица, например, фонон. Такие переходы тоже возможны, хотя и менее вероятны. Они называются непрямыми переходами.

Таким образом, прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия, начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в оптоэлектронике.

Непрямозонные полупроводники, например, кремний, поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и следовательно, от температуры. Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ, то есть лежит в ультрафиолетовой области спектра.

При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике возникают свободные носители заряда, а следовательно фотопроводимость.

При частотах ниже края фундаментального поглощения также возможно поглощение света, которое связано с возбуждением экситонов, электронными переходами между уровнями примесей и разрешенными зонами, а также с поглощением света на колебаниях решётки и свободных носителях. Экситонные зоны расположены в полупроводнике несколько ниже дна зоны проводимости благодаря энергии связи экситона. Экситонные спектры поглощения имеют водородоподобную структуру энергетических уровней. Аналогичным образом примеси, акцепторы или доноры, создают акцепторные или донорные уровни, лежащие в запрещённой зоне. Они значительно модифицируют спектр поглощения легированного полупроводника. Если при непрямозонном переходе одновременно с квантом света поглощается фонон, то энергия поглощенного светового кванта может быть меньше на величину энергии фонона, что приводит к поглощению на частотах несколько ниже по энергии от фундаментального края поглощения.

3.7. Германий

Существование и основные свойства германия проедсказал в 1870г Д. И.Менделеев, назвав его экосилицием. В 1886г немецкий химик Винклер обнаружил в минеральном сырье новый элемент, который назвал германием. Германий оказался тождественным экосилицию. Открытие германия явилось торжеством Периодического закона Д.И.Менделеева.

Германий относится к числу сильно рассеянных элементов, т.е. часто встречающихся в природе, но присутствует в различных минералах в очень небольших количествах. Его содержание в земной коре составляет около 7·10-4 %, что примерно равно природным запасам таких распространенных металлов, как олово и свинец и существенно превышает количество серебра, кадмия, ртути, сурьмы и др. Тем не менее, получение германия в элементарном виде вызывает большие затруднения. В настоящее время основными источниками промышленного получения германия являются побочные продукты цинкового производства, коксования углей, а также германиевые концентраты, получаемые из медносвинцовоцинковых руд.

Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокой твердостью и хрупкостью, подобно кремнию, он кристаллизуется в структуру алмаза.

Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При нагревании его до 650°С он окисляется с образованием двуокиси GeO₂.

При комнатной температуре германий не растворяется в воде, соляной и разбавленной серной кислотах. Активные растворители – смесь азотной и плавиковой кислот.

Германий обладает относительно невысокой температурой плавления — 936°С и ничтожно малым давлением насыщенного пара при этой температуре. Ширина запрещенной зоны при изменении температуры изменяется по линейному закону.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют германий с определенными добавками электрически активных примесей. На основе германия выпускается широкая номенклатура приборов самого различного назначения и, в первую очередь, диодов и транзисторов.

Выпрямительные плоскостные диоды рассчитаны на прямые токи от 0.3 до1000 А при падении напряжения не более 0.5 В. Недостатком германиевых диодов являются достаточно невысокие обратные напряжения. Германиевые транзисторы могут быть низко и высокочастотными (НЧ и ВЧ), мощными и маломощными.

Германий используют также для создания лавинно-пролетных и туннельных диодов, варикапов, точечных ВЧ, импульсных и СВЧ-диодов. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни неравновесных носителей заряда. Этому требованию удовлетворяет германий, легированный золотом.

Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда, германий применяют для изготовления датчиков Холла и других магниточувствительных приборов.

Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз с большой светосилой, оптических фильтров, а также счетчиков ядерных частиц. Рабочий диапазон германиевых приборов от -60°С до +70°С.

Оцените статью:

Полупроводники (Диоды). Виды и особенности. Неисправности

Существуют полупроводники в зависимости от их применения и назначения. Рассмотрим основные виды диодов.

Диоды Шоттки

Эти полупроводниковые диоды имеют незначительное падение напряжения, имеют высокую скорость работы, в отличие от обычных диодов, которые не смогут заменить в действии диод Шоттки и выйдут из строя. Свое название диод имеет по изобретателю из Германии. В конструкции в качестве потенциального барьера используется переход «металл-полупроводник» вместо р-n перехода. Его допустимое напряжение при обратном подключении 1200 В. Практически они применяются в цепях низкого напряжения.

Стабилитроны

Они предотвращают увеличение напряжения свыше допустимого значения на участке схемы, могут защищать и ограничивать схему от повышенных значений тока. Стабилитроны могут работать только на постоянном токе, поэтому при включении их в цепь соблюдение полярности является обязательным. Стабилитроны одного типа можно соединять по последовательной схеме для увеличения напряжения, либо создания делителя напряжения.

Основным свойством таких полупроводников является стабилизирующее напряжение.

Варикапы

Этот полупроводник еще называют емкостным диодом. Он изменяет значение сопротивления при изменении напряжения питания. Используется в качестве управляемого конденсатора с изменяемой емкостью. Может применяться для настраивания контуров колебаний высокой частоты.

Тиристоры

Полупроводники могут находиться в двух устойчивых положениях:

1. Закрытое (низкая проводимость).
2. Открытое (высокая проводимость).

То есть, он может переходить под воздействием сигнала из одного состояния в другое.

У тиристора имеется три электрода. Кроме обычных катода и анода, есть еще и электрод управления, который служит для подачи сигнала управления для перевода полупроводника в состояние включения. Современные тиристоры иностранного производства производятся в различных корпусах.

Такие полупроводники включают в схемы для регулирования мощности, плавного запуска электромоторов, подключения освещения. Тиристоры дают возможность включать большие токи, достигающие наибольшего тока 5 кА, напряжением до 5 киловольт в закрытом виде. Мощные силовые приборы на основе тиристоров используются в управляющих панелях электромоторами и других устройствах.

Симисторы

Эти полупроводники применяются в схемах, подключенных к переменному напряжению. Прибор условно состоит из двух тиристоров, подключенных встречно-параллельно, и пропускающих ток в любую сторону.

Светодиоды

Они испускают световой поток при подключении к ним напряжения, используются для создания индикации параметров, в электронных схемах, различных электронных гаджетах, дисплеях, в качестве источников света, при этом бывают многоцветными и одного цвета.

Инфракрасные диоды

Это светодиоды, выдающие световой поток в инфракрасном спектре. Они используются для измерительных и контрольных приборов оптического вида, в пультах управления, коммутационных устройствах, линиях связи без проводов и т.д. Обозначаются на схемах как обычные светодиоды. Инфракрасные лучи не видны человеку. Их можно увидеть с помощью смартфона в камеру.

Фотодиоды

Они работают при попадании на их чувствительный элемент света, преобразуя его в электрический ток. Используются для преобразования потока света в сигнал электрического тока.

Фотодиоды обычно сравнивают по принципу работы с батареями на солнечных элементах.

Неисправности диодов

Полупроводники иногда могут выходить из строя вследствие естественного старения и амортизации внутренних материалов, либо по другим причинам:

• Пробивание перехода кристалла. Его следствием является то, что по сути полупроводник приобретает свойства обычного проводника, так как он лишен основных качеств полупроводимости и уже пропускает ток практически в любую сторону. Такая неисправность быстро обнаруживается с помощью обычного мультитестера. Измерительный прибор выдает сигнал звука и на дисплее видно значение очень малого сопротивления диода.
• Обрыв. В этом случае действует обратный процесс – полупроводник не пропускает ток ни в каком направлении, так как внутри кристалла нарушена проводимость, вследствие полного обрыва проводника, то есть, диод, по сути, стал диэлектриком. Чтобы точно выяснить обрыв, нужно применять мультиметры с исправными щупами. Иначе можно получить ложную диагностику этой неисправности. У диодов на основе сплавов эта неисправность является редкой.
• Утечка. Эта поломка возникает из-за повреждения корпуса полупроводника, вследствие чего нарушается герметичность корпуса диода, и его нормальное функционирование становится невозможным.

Пробой перехода

При чрезмерном повышении обратного напряжения может возникнуть пробой электронного прибора. Существуют специальные полупроводники, в которых используется это свойство, которые называются стабилитронами.

Такие неисправности возникают в случаях, когда величина обратного тока резко возрастает из-за достижения обратного напряжения чрезмерных значений, выше допустимых.

Существует несколько типов пробоя переходов:

• Тепловые пробои. Они вызываются внезапным возрастанием температуры с дальнейшим перегревом.
• Электрические пробои. Появляются от действия большого электрического тока на полупроводниковый переход.

Электрический пробой

Такой вид пробоя не является фатальным, и является обратимым процессом, так как при этом не произошло разрушения кристалла полупроводника. Поэтому при медленном снижении напряжения возможно восстановление характеристик диода и его рабочего состояния.

Такие пробои разделяют на два подвида:

• Туннельные пробои. Они возникают при протекании повышенного напряжения по узким проходам кристалла полупроводника. Это позволяет отдельным электронам проскакивать через него. Чаще всего туннельные пробои образуются в случае наличия в полупроводнике большого числа различных недопустимых примесей. При таком пробое обратный ток внезапно стремится к возрастанию, а напряжение продолжает оставаться на прежнем уровне.
• Лавинные пробои. Они могут возникнуть вследствие действия повышенных значений электрических полей, которые разгоняют электроны выше допустимой границы скорости. Поэтому они выбивают из атомов некоторое количество валентных электронов, вылетающих в область проводимости. Такой процесс происходит с лавинообразной скоростью, поэтому и получил такое название.

Тепловой пробой

Образование теплового пробоя может происходить из-за возникновения различных причин. Это может быть недостаточный отвод тепла от корпуса полупроводника, а также перегрева перехода кристалла, возникающего по причине прохождения электрического тока повышенной величины, выше допустимого.

Вследствие увеличения режима температуры в переходе полупроводника и областях, находящихся рядом, появляются такие отрицательные последствия:

• Возрастание колебания атомов, которые входят в состав материала кристалла диода.
• Залетание электронов в зону проводимости.
• Чрезмерное внезапное возрастание температуры.
• Повреждение и деформация кристаллической решетки полупроводника.
• Неисправность и выход из строя диода.

Похожие темы:

Типы полупроводников. Свойства, практическое применение.

Здравствуйте, дорогие друзья. В этой статье речь пойдет о полупроводниках. Мы рассмотрим типы полупроводников, их свойства и практическое применение.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка (ZnS), куприт (Cu2O), галенит (PbS) и многие другие. Семейство полупроводников, включая полупроводники, синтезированные в лабораториях, представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 – неметаллами, из которых 13 химических элементов обладают полупроводниковыми свойствами и 12 – диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие органические соединения, например полиацетилен (СН)n, – полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd1-xMnxTe) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO3). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La2CuO4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La1-xSrx)2CuO4.

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10-4 до 107 Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника — от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы – это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs – 1,5 эВ. GaN, материал для оптоэлектронных приборов в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Типы полупроводников, энергетический зазор

Валентные орбитали атомов в кристаллической решётке разделены на две группы энергетических уровней – свободную зону, расположенную на высшем уровне и определяющую электропроводность полупроводников, и валентную зону, расположенную ниже. Эти уровни, в зависимости от симметрии решётки кристалла и состава атомов, могут пересекаться или располагаться на расстоянии друг от друга. В последнем случае между зонами возникает энергетический разрыв или, другими словами, запрещённая зона.

Расположение и заполнение уровней определяет электропроводные свойства вещества. По этому признаку вещества делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Ширина запрещённой зоны полупроводника варьируется в пределах 0,01–3 эВ, энергетический зазор диэлектрика превышает 3 эВ. Металлы из-за перекрытия уровней энергетических разрывов не имеют.

Полупроводники и диэлектрики, в противовес металлам, имеют заполненную электронами валентную зону, а ближайшая свободная зона, или зона проводимости, отгорожена от валентной энергетическим разрывом – участком запрещённых энергий электронов.

  Типы полупроводников, ширина запрещенной зоны

В диэлектриках тепловой энергии либо незначительного электрического поля недостаточно для совершения скачка через этот промежуток, электроны в зону проводимости не попадают. Они не способны передвигаться по кристаллической решётке и становиться переносчиками электрического тока.

Чтобы возбудить электропроводимость, электрону на валентном уровне нужно придать энергию, которой бы хватило для преодоления энергетического разрыва. Лишь при поглощении количества энергии, не меньшего, чем величина энергетического зазора, электрон перейдёт из валентного уровня на уровень проводимости.

В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно – энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ), многие соли.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.

Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости.

Примесные полупроводники – это проводники, обладающие примесной проводимостью. Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут – это донорные примеси кремния.

Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.

  Типы полупроводников, собственная проводимость

Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь – основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий – акцепторные примеси для кремния.

Одноэлементные полупроводники

Самым распространённым полупроводником является, конечно, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников, обладающих подобными структурами кристалла.

Структура кристаллов Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова. В ней каждый атом окружают 4 ближайших атома, которые образуют тетраэдр. Такая координация называется четырехкратной. Кристаллы с тетрадрической связью стали базовыми для электронной промышленности и играют ключевую роль в современной технологии. Некоторые элементы V и VI группы таблицы Менделеева также являются полупроводниками. Примеры полупроводников этого типа – фосфор (Р), сера (S), селен (Se) и теллур (Те). В этих полупроводниках атомы могут иметь трехкратную (Р), двухкратную (S, Se, Те) или четырехкратную координацию. В результате подобные элементы могут существовать в нескольких различных кристаллических структурах, а также быть получены в виде стекла. Например, Se выращивался в моноклинной и тригональной кристаллических структурах или в виде стекла (которое можно также считать полимером).

  Типы полупроводников, кремний 

• Алмаз обладает отличной термической проводимостью, превосходными механическими и оптическими характеристиками, высокой механической прочностью. Ширина энергетического разрыва — dE = 5,47 эВ.
• Кремний – полупроводник, используемый в солнечных батареях, а в аморфной форме – в тонкоплёночных солнечных батареях. Является наиболее используемым полупроводником в фотоэлементах, прост в производстве, обладает хорошими электрическими и механическими качествами. dE = 1,12 эВ.
• Германий – полупроводник, используемый в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Использовался в первых диодах и транзисторах. Требует меньше очистки, чем кремний. dE = 0,67 эВ.
• Селен – полупроводник, который применяется в селеновых выпрямителях, обладающих высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.

Двухэлементные соединения

Свойства полупроводников, образуемых элементами 3 и 4 групп таблицы Менделеева, напоминают свойства веществ 4 группы. Переход от 4 группы элементов к соединениям 3–4 гр. делает связи частично ионными по причине переноса заряда электронов от атома 3 группы к атому 4 группы. Ионность меняет свойства полупроводников. Она является причиной увеличения кулоновского межионного взаимодействия и энергии энергетического разрыва зонной структуры электронов. Пример бинарного соединения этого типа – антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb, фосфид индия InP, антимонид алюминия AlSb, фосфид галлия GaP.

Ионность возрастает, а значение её еще больше растёт в соединениях веществ 2—6 групп, таких как селенид кадмия, сульфид цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид цинка. В итоге у большинства соединений 2—6 групп запрещённая зона шире 1 эВ, кроме соединений ртути. Теллурид ртути – полупроводник без энергетического зазора, полуметалл, подобно α-олову.

Полупроводники 2-6 групп с большим энергетическим зазором находят применение в производстве лазеров и дисплеев. Бинарные соединения 2– 6 групп со суженным энергетическим разрывом подходят для инфракрасных приемников. Бинарные соединения элементов 1–7 групп (бромид меди CuBr, иодид серебра AgI, хлорид меди CuCl) по причине высокой ионности обладают запрещённой зоной шире З эВ. Они фактически не полупроводники, а изоляторы. Нитрид галлия — соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в полупроводниковых лазерах и светодиодах, работающих в голубой части спектра.

  Типы полупроводников, полупроводниковые материалы

• GaAs, арсенид галлия – второй по востребованности после кремния полупроводник, обычно используемый в качестве подложки для других проводников, например, GaInNAs и InGaAs, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, высокоэффективных фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. dE = 1,43 эВ, что позволяет повысить мощность приборов по сравнению с кремнием. Хрупок, содержит больше примесей, сложен в изготовлении.
• ZnS, сульфид цинка – цинковая соль сероводородной кислоты с диапазоном запрещённой зоны 3,54 и 3,91 эВ, используется в лазерах и в качестве люминофора.
• SnS, сульфид олова – полупроводник, используемый в фоторезисторах и фотодиодах, dE= 1,3 и 10 эВ.

Типы полупроводников, оксиды

Оксиды металлов преимущественно являются прекрасными изоляторами, но есть и исключения. Примеры полупроводников этого типа – оксид никеля, оксид меди, оксид кобальта, двуокись меди, оксид железа, оксид европия, оксид цинка. Так как двуокись меди существует в виде минерала куприта, её свойства усиленно исследовались. Процедура выращивания полупроводников этого типа еще не совсем понятна, поэтому их применение пока ограничено. Исключение составляет оксид цинка (ZnO), соединение 2—6 групп, применяемый в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La2CuO4 с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La2CuO4 в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa2Cu3O8. При высоком давлении её значение составляет 134 К.

ZnO, оксид цинка, используется в варисторах, голубых светодиодах, датчиках газа, биологических сенсорах, покрытиях окон для отражения инфракрасного света, как проводник в ЖК-дисплеях и солнечных батареях. dE=3.37 эВ.

Слоистые кристаллы

Двойные соединения, подобные дииодиду свинца, селениду галлия и дисульфиду молибдена, отличаются слоистым строением кристалла. В слоях действуют ковалентные связи значительной силы, намного сильнее ван-дер-ваальсовских связей между самими слоями. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоёв изменяется введением сторонних атомов – интеркаляцией.

  Типы полупроводников, слоистые кристаллы

MoS2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений – нафталин, полиацетилен (Ch3)n, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида –С=С–С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки – тоже полупроводниками.

• Фуллерен имеет структуру в виде выпуклого замкнутого многогранника из чётного количества атомов углеорода. А легирование фуллерена С60 щелочным металлом превращает его в сверхпроводник.
• Графен образован одноатомным слоем углерода, соединённого в двумерную гексагональную решётку. Обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, высокой жёсткостью
• Нанотрубки представляют собой свернутые в трубку пластины графита, имеющие несколько нанометров в диаметре. Эти формы углерода имеют большую перспективу в наноэлектронике. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Магнитные полупроводники

Соединения с магнитными ионами европия и марганца обладают любопытными магнитными и полупроводниковыми свойствами. Примеры полупроводников этого типа – сульфид европия, селенид европия и твёрдые растворы, подобные Cd1-x­MnxTe. Содержание магнитных ионов влияет на то, как в веществах проявляются такие магнитные свойства, как антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Полумагнитные полупроводники – это твёрдые магнитные растворы полупроводников, которые содержат магнитные ионы в небольшой концентрации. Такие твёрдые растворы обращают на себя внимание своей перспективностью и большим потенциалом возможных применений. Например, в отличие от немагнитных полупроводников, в них можно достигнуть в миллион раз большего фарадеевского вращения.

Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Перовскиты, подобные Mn0,7Ca0,3O3, своими свойствами превосходят переход металл-полупроводник, прямая зависимость которого от магнитного поля имеет следствием явление гигантской магнето-резистивности. Применяются в радиотехнических, оптических приборах, которые управляются магнитным полем, в волноводах СВЧ-устройств.

Разнообразие полупроводниковых материалов

Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-52 (AgGaS2) и 2-4-52 (ZnSiP2) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3–5 и 2–6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As2Se3), – полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.

Видео, типы полупроводников

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Полупроводники полупроводники — Справочник химика 21

    Полупроводники. Полупроводниками называются вещества, которые по своей электрической проводимости занимают промежуточное место между металлами и изоляторами они применяются в различных отраслях техники в качестве выпрямителей, транзисторов, термоэлементов, фотоэлементов и др. В 40—50-х годах было получено большое число полупроводников, обладающих весьма ценным сочетанием свойств. Одновременно изучались их свойства и закономерности внутреннего строения, что составило новый важный раздел современной физики. [c.145]







    Изолятор, полупроводник Полупроводник, 2,7 Металл [c.202]

    С. Теплопроводность полупроводников. Полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Их теплопроводность можно оценить как сумму решеточной и электронной Х теплопроводности. Последняя может быть рассчитана по закону Видемана— Франца—Лоренца  [c.191]

    УА-группу составляют пять элементов углерод С, крем-ний 81, германий Ое, олово 5п и свинец РЬ. Олово и свинец — металлы, углерод — неметалл кремний и германий — полупроводники. Полупроводником является и бор (В) — первый элемент П1А-группы, в которую входят еще четыре металла. Основные характеристики неметаллов и полупроводников этих двух групп приведены в табл. 24. [c.272]

    Полупроводники. Полупроводниками называют материалы, способные под действием внешних факторов переходить из состояний, близких диэлектрикам, в состояние проводников электрического тока. К внешним факторам в данном случае относятся главным образом температура, а также давление, освещенность, внешние электрические поля, воздействие излучения радиоактивных веществ и др. [c.452]

    ОНО пропорционально величине е. Кристаллы, обладающие такой проводимостью, называют полупроводниками. Полупроводники с подобным способом проводимости обозначают символом п (тип п). [c.337]

    Полупроводник Полупроводник, 1,67 Полупроводник, 0,77 Полупроводник, 2,45 Полупроводник, 1,44 [c.202]

    Система пространственно разделенных зарядов, в которой заряды одного знака смещены в одну фазу, а другого знака — в другую, называется двойным электрическим слоем (ДЭС). ДЭС существует во всех случаях, когда имеется контакт двух разных фаз на границе металл—вакуум, металл 1—металл 2, металл—полупроводник, полупроводник 1— полупроводник 2, на границах металлов, полупроводников и диэлектриков с твердыми и жидкими диэлектриками и ионными проводниками (растворами электролитов) и на всех других межфазных границах, если хотя бы в одной из фаз имеются ШШ возникают при взаимодействии фаз носители заряда. Символ — (тире) означает наличие общей границы фаз, названных до и после этого символа. [c.594]

    Полупроводники. Полупроводник представляет собой твердый материал, обладающий промежуточными свойствами между металлическими характеризуются относительно большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, тогда как для металлов этот коэффициент положителен. По этому признаку различаются эти два типа проводников. Наиболее широкое применение находят такие полупроводниковые материалы, как селен, германий, кремний, а также различные окиси металлов и сульфиды. Если тонкую пластинку из полупроводникового материала поместить между металлическими электродами и измерить ее сопротивление при пропускании то ка в прямом и обратном направлениях, то окажется, что величина одного сопротивления на несколько порядков превышает величину другого. [c.294]

    Собственные и примесные полупроводники. Полупроводники, проводимость которых обусловлена ионизацией атомов чистого вещества (германия, кремния и т. д.), называются собственными. Полупроводники, у которых основную роль играет ионизация атомов легирующих добавок, называются примесными. В основе электрических характеристик тех и других лежат химические свойства соответствующих элементов, обусловленные их положением в периодической системе— в первою очередь строением электронных оболочек атомов. [c.430]

    Во всех этих случаях происходит сложение электрохимических потенциалов, генерируемых обоими фоточувствительными границами раздела в элементе в случаях (а) и (в) складываются электрохимические потенциалы электронов в полупроводнике (полупроводниках), в случае (б)-химические потенциалы двух окислительно-восстановительных систем в растворах, находящихся в ячейках. [c.73]

    При высоких и сверхвысоких давлениях изменяются физические свойства веществ. Так, в ряде случаев вещества, которые при обычных давлениях являются изоляторами (например, сера), при сверхвысоком давлении становятся полупроводниками. Полупроводники же при 2- 10 —5- 10 Па могут переходить в металлическое состояние. Подобные переходь[ изучены у теллура, иода, фосфора, ряда соединений. Расчеты показывают, что дальнейшее повышение давления металлизует все вещества. Интересные превращения претерпевает иттербий (УЬ), При давлении до 2- 10 Па иттербий — металл, при 2-Ю —4-10 Па — полупроводник, выше 4-10 Па— нова металл. [c.124]

    Однако реальные полупроводники всегда имеют примеси, которые существенно влияют на характер электрической проводимости, в этом случае называемой примесной. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорные примеси имеют на валентной электронной оболочке большее число электронов, чем их число на валентной электронной оболочке атома основного элемента полупроводника. Например, примеси атомов элементов V или VI главных подгрупп периодической системы в кристаллической решетке кремния (IV главная подгруппа) будут донорными. В зонной структуре полупроводника появляются дополнительные электроны проводимости. Если атом примеси содержит меньше валентных электронов, чем атом основного элемента, то полупроводник содержит в валентной зоне дополнительные свободные МО, на которые могут переходить валентные электроны. Такие примеси называются акцепторными, они приводят к появлению дополнительных дырок проводимости. По отношению к кремнию такими примесями будут элементы III главной подгруппы. Полупроводники с преобладающим содержанием донорных примесей называются полупроводниками с электронной проводимостью или п-типа. Если же преобладают примеси акцепторные, то полупроводники называются полупроводниками с дырочной проводимостью или р-типа. Для получения примесных полупроводников полупроводники, полученные специальными кристаллофизическими методами в сверхчистом состоянии, легируются элементами акцепторами или донорами электронов в микродозах, не превышающих 10 %. Примеси резко изменяют собственную электрическую проводимость полупроводников, поскольку количество носителей заряда, поставляемых ими обычно больше, чем их число в чистом полу-прово,цнике. Так, чистый кремний имеет удельное электрическое сопротивление электронной проводимости около 150-10 Ом-м, дырочной проводимости в.4 раза, электронной проводимости после легирования фосфором и дырочной проводимости после легирования бором — в 20 раз меньше. [c.636]

    Собственные и примесные полупроводники. Полупроводники, проводимость которых обусловлена ионизацией атомов чистого вещества (германия, кремния и т. д.), называются собственными. Полупроводники, у которых основную роль играет ионизация атомов легирующих добавок, называются примесньши. В основе электрических характеристик тех и других лежат химические свойства [c.453]

    При переходе электрона к атому бора последний заряжается отрицательно, а вблизи атома кремния, откуда ушел электрон, локализуется дырка. Примеси, ведущие себя в кремнии подобно бору, называются акцепторами. Уровень энергии акцепторного атома располагается внутри зоны запрещенных энергий вблизи потолка валентной зоны и отделен от последней энергетическим зазором Д а (энергией активации акцептора) (рис. 133, б). Возбуждение электрической проводимости связано с захватом валентного электрона кремния акцепторной примесью и появлением дырки в валентной зоне. При этом электроны в зоне проводимости отсутствуют. При приложении внешнего электрического поля дырки в валентной зоне перемещаются за счет скачкообразного перехода электронов, как это происходит в собственном полупроводнике. Полупроводник, легированный акцепторной примесью, обладает только дырочной проводимостью и называется полупроводником р-типа (от positive — положительный). Электрическая проводимость описывается уравнением [c.315]

    Полупроводники. Твердые тела, которые по величине электрического сопротивления при комнатной температуре расположены между проводниками и изоляторами. При тепловом возбуждении полупроводников выше определенной температуры концентрация носителей электрического заряда увеличивается с повышением температуры. Чистые полупроводники, которые не содержат примесей, называются собственными полупроводниками полупроводники, электрические свойства которых зависят от примесей, называются несобственными. Несобственные полупроводники, имеюш,ие избыток носителей с отрицательными зарядами (электроны), называются иолуприводника.ми /мина иолуироводники, имеюш,ие избыток носителей положительного заряда (дырки), называются полупроводниками р-типа. [c.95]

    Далее, кинетика нуклеации изучалась в расплавах другого полупроводникового вещества теллура, являющегося элементарным полупроводником с гетеродесмичными связями (ковалентными и ван-дер-ваальсовыми [178] или ковалентными и металлическими [214]). При плавлении и дальнейшем нагреве объем и электропроводность теллура возрастают, что соответствует разрушению не тольк слабых ван-дер-ваальсовых сил, но и части ковалентных связей [178]. По классификации Регеля, теллур относится к веществам, плавящимся по типу полупроводник — полупроводник, хотя в некоторых работах [214] указывается, что расплавленный теллур — в большей мере металл. Изучение зависимости структуры, вязкости, само-диффузии, электропроводности в расплавах теллура показывает значительные изменения этих свойств при перегревах 30—50, 200 —220°С [178, 215—217]. Установлено, что переохлаждения объемных образцов расплава теллура достигают 50—80 [218], 50—106°С [219] и в значительной мере зависят от термической [c.91]

    Электрические свойства кристаллических полупроводников в сильной мере зависят также от характера кристаллической структуры и ее совершенства. Неизбежные дефекты в структуре кристаллических полупроводников в значительной степени маскируют структурно-химическое взаимодействие в них. В отличие от кристаллических полупроводников полупроводники стеклообразные, являясь переохлажденными жидкостями, могут иметь почти бесконечное разнообразие составов. У стеклообраз- ных полупроводников отсутствует кристаллическая структура, а имеется лишь определенная структурно-химическая упорядоченность [4]. Поэтому при изучении стеклообразных полупроводников в большей степени, чем при изучении кристалличе- [c.65]

    Выпрямители. Выпрямитель в сущности является электрическим вентилем, преобразующим переменный ток в ток постоянного направления. Преобразование обусловливается малым сопротивлением вентиля в одном направлении и большим или бесконечным сопротивлением протеканию тока в другом направлении. Выпрямление может осуществляться электрической дугой в парах ртути, электролитическим вентилем, ионизированными газами, синхронными переключателя.ми, потоком электронов через спай определенных металлов и полупроводников. Полупроводники включают в себя окиси и сульфаты, отформованные на поверхности меди или селена, нанесенного на поверхность железа или никеля. [c.303]

    I. Общие сведения о полупроводниках. Полупроводники отличаются от других классов твердых тел целым рядом специфических особенностей, главнейшими из которых являются 1) положительный температурный коэффициент электропроводности 2) удельная проводимость полупроводников меньше металлов, но больше, чем у изоляторов 3) концентрация носителей тока у чистых полупроводников гораздо меньше, чем у металлов, и она исключителБно сильно зависит от температуры 4) большие значения термо-э.д.с. по сравнению с металлами 5) высокая чувствительность к свету и ионизирующим излучениям 6) способность резко изменять свойства под влиянием ничтожных концентраций примесей 7) эффект выпрямления тока или в общем случае неомическое поведение на контактах. [c.9]

    По характеру изменения электрических свойств переходы из твердого состояния в жидкое можно подразделить на два основных типа полупроводник — полупроводник (п—п), полупроводник — металл (п — м). Реально существует и переход полупроводник — полупроводник — металл (п — п — м), являющийся промежуточным между двумя основными. При этом расплав приобретает металлические свойства не вблизи температуры плавления, а после некоторого перегрева. По первому типу плавятся как сами халькогены (S, Se), так и халькогениды — BiaSa, ugS, dTe и др. Кремний, германий и соединения А В после плавления превращаются в металлические расплавы. [c.269]

    Переход по типу полупроводник — полупроводник осуществляется а) при плавлении алмазоподобных кристаллов Аг» В состехио-метрическими вакансиями (рис. 136) б) при плавлении гетеродесми-ческих соединений А В7 со структурой тетрадимита в) при плавлении гомодесмических соединений А В и А В со структурой ионных кристаллов типа СаРг и КаС1 (рис. 137) г) при плавлении полупроводниковых соединений А В , обладающих заметной ионной долей химической связи (рис. 138). [c.274]

Физические основы полупроводников | Electronov.net

Предисловие

Полупроводники или полупроводниковые соединения бывают собственными (чистыми) и с примесью (легированными). В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок невелика (составляет лишь 10¹⁶ – 10¹⁸ на 1 см³ вещества; для сравнения, число Авогадро N_A = 6.62*10²³).

Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему определенного типа электропроводности – электронной при преобладании свободных электронов (полупроводник n типа) или дырочной при преобладании дырок (полупроводник p типа) – в чистые полупроводники вносят определенные примеси. Такой процесс называется легированием. В качестве легирующих примесей используют элементы 3 и 5 групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Легирующие элементы 3 группы создают дырочную электропроводность полупроводниковых материалов и называются акцепторным примесями, элементы 5 группы – электронную электропроводность называют донорными примесями.

Электронно-дырочный p-n переход представляет собой соединение двух полупроводников с различным типом проводимости.

Явление p-n перехода является основой полупроводниковой электроники, т.к. все полупроводниковые элементы представляют собой лишь набор p-n переходов, и различаются только их количеством, порядком следования и т.д. Параметры p-n переходов определяют главную характеристику полупроводниковых элементов – ВАХ (вольт-амперная характеристика).

Также необходимо отметить, что p-n переход обладает нелинейной зависимостью между током, протекающим через него, и приложенным к нему напряжением, вследствие этого все полупроводниковые элементы принципиально нелинейные.

ВАХ p-n перехода рассмотрена в статье про диоды.

Собственные полупроводники

Для лучшего понимания следующего материала неплохо было бы вспомнить школьный курс физики и химии. Ну а чтобы не слишком напрягать свой мозг, мы сделаем это вместе.

Электроны внешней оболочки атома называются валент­ными. Взаимное притяжение атомов осуществляется за счет об­щей пары валентных электронов (ковалентной связи), вращаю­щихся по одной орбите вокруг этих атомов. Валентные электроны как наиболее удаленные от ядра имеют с ним наиболее слабую связь и поэтому под воздействием электри­ческого поля, теплоты, света и других причин могут отделяться от атома или молекулы и становиться свободными.

Процесс отрыва и удаления одного или нескольких элек­тронов от атома или молекулы называется ионизацией.

Электроны в атоме обладают только вполне определенными значениями энергии, составляющими совокупность дискретных уровней энергии атома. В твердом теле при образовании кристал­лической решетки благодаря взаимодействию атомов энергетиче­ские уровни расщепляются и образуют энергетические зоны, со­стоящие из отдельных, близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в данном теле. Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют валентной (разрешенной) зо­ной.

В энергетическом спектре твердого тела можно выделить три зоны: валентную (разрешенную) — 3, запрещенную — 2 и проводимости — 1.

Рисунок 1 — Зонная структура.

Валентная зона характеризуется тем, что все энергетиче­ские уровни валентных электронов при температуре 0К заполне­ны ими. Зона проводимости характеризуется наличием электронов, обладаю­щих энергией, которая позволяет им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела под действием внешнего воздействия (например, электрического поля), при температуре 0К эта зона не заполнена электронами.

Запрещенная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны.

Ширина запрещенной зоны для большинства полупровод­ников составляет 0.1 — 3 эВ, а у полупроводников, предназначен­ных для создания высокотемпературных приборов, — 6 эВ. Для германия эта величина равна 0.72 эВ, для кремния — 1.12, для арсенида галлия — 1.4, для карбида кремния— 2.3 — 3,1, для фосфида галлия — 2.2 эВ.

Если ширина запрещенной зоны ΔW_з > 6 эВ, то при обычных условиях электроны практически не попадают в зону проводимо­сти, в связи с чем, такое вещество не проводит электрический ток и называется диэлектриком. У металлов и их сплавов запрещенная зона отсутствует, т.к. у них зона про­водимости и валентная зона перекрываются. Соответственно они обла­дают хорошей проводимостью и называются проводниками.

В полупроводниках при температуре, отличной от нуля, часть электронов обладает энергией, достаточной для перехода в зону проводимости. Электроны в зоне проводимости становятся свободными, их концентрация в собственном полупроводнике обозначается n_i.

Уход электрона из валентной зоны приводит к разрыву ковалентной связи и образованию в этой зоне незаполненного (сво­бодного) энергетического уровня (положительного заряда), назы­ваемого дыркой, концентрация которых в собственном полупроводнике обозначается p_i. Валентные электроны соседних атомов под воздействием электрического поля могут переходить на свободные уровни, создавая дырки в другом месте. При этом движение электронов можно рассматривать и как движение по­ложительных зарядов — дырок.

У абсолютно чистого и однородного полупроводника (концен­трация примесей настолько мала, что не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника), при темпе­ратуре, отличной от 0К, образуются свободные электроны и дыр­ки. Процесс образования пар электрон — дырка называется генерацией. После своего возникновения дырка под действием тепловой энергии совершает хаотическое движение в валентной зоне так же, как электрон в зоне проводимости. При этом возмо­жен процесс захвата электронов зоны проводимости дырками ва­лентной зоны. Разорванные ковалентные связи восстанавливаются, а носители заряда — электрон и дырка — исчезают. Процесс ис­чезновения нар электрон — дырка называется рекомбинацией. Он сопровождается выделением энергии, которая идет на нагрев кри­сталлической решетки и частично излучается во внешнюю среду.

Промежуток времени с момента генерации носителя до его исчезновения (рекомбинации) называется временем жизни носи­теля τ, а расстояние, пройденное носителем заряда за время жиз­ни, диффузионной длиной L, Более строго диффузионная длина определяется как расстояние, на котором концентрация носите­лей уменьшается в е раз (е ≈ 2.7). Диффузионная длина и время жизни электронов и дырок связаны между собой соотношениями:

где:

D_n и D_p – коэффициенты диффузии электронов и дырок соответственно.

Процесс занятия электронами того или иного энергетиче­ского уровня носит вероятностный характер и описывается функ­цией распределения Ферми — Дирака:

где:

W – энергия свободного электрона;

W_f – энергетический уровень Ферми, функция Ферми для которого равна 0.5 при температурах отличных от 0К;

k – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура.

В чистом (собственном) полупроводнике энергетический уровень Ферми W_fi можно определить из соотношения:

где:

W_v и W_c – потолок валентной зоны и дно зоны проводимости соответственно.

Таким образом, уровень Ферми в беспримесном полупроводнике при любой температуре расположен посередине запрещенной зоны.

В собственном полупроводнике в установившемся равновес­ном состоянии процессы генерации выравниваются процессами рекомбинации, скорость которой пропорциональна концентрации электронов и дырок:

Примесные полупроводники

Рисунок 2 — Зонная структура примесных полупроводников.

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергети­ческий уровень, занятый в невозбужденном состоянии электро­нами и отдающий в возбужденном состоянии электрон в зону проводимости, называют донором.

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергети­ческий уровень свободный от электронов в невозбужденном со­стоянии и способный захватить электрон из валентной зоны при возбуждении, создавая дырки в валентной зоне, называют акцептором.

При внесении в предварительно очищенный кремний, гер­маний примеси пятивалентного элемента — донора (фосфор Р, сурьма Sb. мышьяк As) атомы примеси замещают основные ато­мы в узлах кристаллической решетки. При этом четыре из пяти валентных электронов атома при­меси образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами полупроводника. Пятый электрон оказывается избыточным.

Энергия ионизации донорных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных полупроводников. Поэтому при комнатной температуре избыточные электроны примеси возбуж­даются и переходят в зону проводимости. Атомы примесей, потерявшие избыточный электрон, превращаются в положительные ионы. Количество электронов N_д, переходящих под действием тепловой энергии в зону проводимости с донорного уровня W_д, значительно превышает количество электронов n_i, переходящих в зону проводимости из валентной зоны в процессе генерации пар электрон — дырка. Поэтому можно считать, что концентрация электронов проводимости полностью определяется концентрацией донорной примеси n_n ≈ N_д, а концентрация дырок составляет:

Концентрация дырок в донорном полупроводнике значи­тельно ниже, чем в собственном полупроводнике. В связи с этим дырки p_n являются неосновными носителями, а электроны n_n – основными. Поэтому донорный полупроводник называется элек­тронным полупроводником или полупроводником n-типа.

При добавлении в кристалл германия или кремния примеси трехвалентного элемента — акцептора (галлий Ga. индий In, бор В) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы полупроводника. Для образования четырех ковалентных связей не хватает одного валентного электрона атомов примеси.

Достаточно небольшой внешней энергии, чтобы электроны из верхних уровней валентной зоны переместились на уровень примеси, образовав недостающие ковалентные связи.

При этом в валентной зоне появляются избыточные уровни (дырки), которые участвуют в создании электрического тока. За счет ионизации атомов исходного материала часть электронов из валентной зоны попадают в зону проводимости. Число дырок в акцепторном полупроводнике превышает число электронов:

где:

N_а – концентрация донорной примеси.

Поэтому дырки p_p являются основными носителями, а элек­троны n_p — неосновными. Полупроводники с акцепторной приме­сью носят название дырочных, или полупроводников p-типа.

Простые полупроводники — Энциклопедия по машиностроению XXL

К простым полупроводникам относятся германий, кремний, селен, теллур, бор. углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое олово, иод.  [c.267]











Что служит сырьем для получения простых полупроводников Какие основные технологические операции имеют место при получении кремния полупроводниковой чистоты  [c.293]

Полупроводники бывают простые и-сложные. Полупроводник, основной состав которого образован атомами одного химического элемента, будет простым. Полупроводник, основной состав которого образован атомами двух или большего числа химически)б элементов, будет- сложным.  [c.568]

Простые полупроводники. К этим материалам относятся 12 элементов Bi, С (алмаз), Si, Ge, Sn, Р, As, Sb, S, Se, Те, I. Наибольшее распространение получили кремний и германий.  [c.379]

К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным электросопротивлением в пределах 10 -10 Ом-м. К этим материалам относятся 12 элементов (табл. 18.3), представляющие простые полупроводники, а также многие химические соединения элементов различных групп Периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева (табл. 18.4).  [c.585]

Из простых полупроводников наиболее распространены германий и кремний. Германий и кремний — элементы IV группы, имеют кристаллическую решетку алмаза с ковалентным типом межатомной связи. В  [c.585]

Использующиеся в практике полупроводниковые материалы могут быть подразделены на простые полупроводники (элементы), полупроводниковые химические соединения и полупроводниковые комплексы (например, керамические полупроводники). В настоящее время изучаются также стеклообразные и жидкие полупроводники.  [c.322]

Простых полупроводников существует около десяти, они приведены в табл. 8-2. Для современной техники особое значение получили германий, кремний и селен.  [c.322]

Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Поэтому в практике важное значение имеют такие полупроводниковые материалы, у которых ощутимая концентрация собственных носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, т. е. полупроводники с достаточно широкой запрещенной зоной. В рабочем интервале температур поставщиками свободных носителей заряда являются примеси. Примесями в простых полупроводниках служат чужеродные атомы.  [c.325]

Полупроводниковые соединения могут обладать самыми разнообразными электрофизическими свойствами, в ряде случаев превосходящими свойства простых полупроводников. Рассмотрим наиболее важные для электротехники материалы.  [c.350]

Простые полупроводники. К числу элементарных полупроводников относятся 12 простых веществ бор, углерод, кремний, фосфор, сера, селен, германий, мышьяк, серое олово, сурьма, теллур, йод. Обобщенной характеристикой химической связи в подгруппе является порядковый номер полупроводника в периодической системе Д. И. Менделеева. Простые полупроводники обладают ковалентной связью, которая образуется при взаимодействии двух электронов с противоположными спинами.  [c.230]

Очевидно, что конкретный механизм рассеяния электронов играет для термоэлектричества важную роль. Можно, например, предположить, что электроны, имеющие большую скорость, должны рассеиваться атомами решетки под меньшими углами, чем электроны с меньшей скоростью. Другими словами, средняя длина свободного пробега электронов будет зависеть от их кинетической энергии. Это верно в целом, но конкретная взаимосвязь длины пробега и энергии сложна и сильно зависит от электронной структуры решетки. Сложность связи между длиной пробега и энергией электронов не дает возможности получить количественное описание термоэлектричества, хотя качественно картина явления проста. Другими словами, наших сведений о поверхности Ферми реального металла недостаточно для вычисления термо-э.д.с. Следует отметить, что для полупроводников ситуация проще, поскольку число электронов и дырок, участвующих в процессе проводимости, значительно меньше. В этом случае модель электронного газа, в которой частицы подчиняются статистике Максвелла — Больцмана, лучше отражает истинную природу явления.  [c.268]

Когда система находится во внешнем поле, на каждую частицу действует отличная от нуля сила Р. Собственно говоря, одно внешнее поле такого типа присутствует всегда—это поле тяжести с Р =тд. И если мы о нем не вспоминаем, это значит просто, что разные части системы находятся примерно на одной высоте. Для ионов в электролитах и электронов в металлах или полупроводниках таким полем может быть электрическое поле с Р = еЕ, где е—заряд частицы, Е — напряженность поля.  [c.208]

Полупроводники оказались не просто плохими проводниками , а особым классом кристаллов со многими замечательными физическими свойствами, отличающими их как от металлов, так и от диэлектриков.  [c.154]

Вид энергетических зон при рассмотренных выше условиях показан на рис. 33. Энергия изображена как функция кх, однако эта зависимость сохраняется и для любого другого направления в кристалле. Если верхняя зона представляет собой зону проводимости, а нижняя зонная структура полупроводника. На рисунке показана и ширина запрещенной зоны АЕ, которая отмечена как энергетический зазор между максимумом валентной зоны и минимумом зоны проводимости.  [c.88]

Даже для полупроводника, в котором гПп тпр, сочетание таких факторов, как высокая температура и малая ширина запрещенной зоны, означает, что уровень Ферми в области собственной проводимости отделен от каждой зоны (валентной и зоны проводимости) энергетическим интервалом, соизмеримым с коТ. Но это делает незаконной замену функции распределения Ферми—Дирака простой экспонентой, как это было выполнено при получении формул (3.35) и (3.37). Если к тому же (для примера) тр >тп, то уровень Ферми отдаляется от зоны с тяжелыми носителями заряда (т. е. в этой зоне вырождение отсутствует), но зато приближается к зоне с легкими носителями заряда или даже попадает внутрь зоны, что приводит к возникновению в ней сильного вырождения.  [c.115]

Рассматриваются основные электронные явления в полупроводниках и дается их простейшее  [c.350]

Простые злектронные полупроводники  [c.230]

Малогабаритные ультразвуковые установки УЗУ применяются для промывки, очистки или обезжиривания от полировальных паст, масел, смазок, металлической пыли и других загрязнений деталей или изделий радиотехнической, электротехнической, приборостроительной промышленности. Работают они на полупроводниках и имеют большой срок службы. Установки состоят из генератора и ванны, выполненных отдельными блоками. Колебания моющему раствору передаются при помощи пьезокерамических преобразователей из цирконата-титаната свинца (ЦТС-19), имеющего высокий к. п. д. (70—80% в отличие от 30— 40% у магнитострикционных преобразователей). Преобразователи из ЦТС-19 просты, экономичны и не требуют водяного охлаждения. Продолжительность очистки 30—50 сек.  [c.205]

Принцип действия механического полупроводника нетрудно понять, рассмотрев элементарную схему — несколько вплотную прижатых торцами друг к другу цилиндриков. Только между первым слева и остальными имеется небольшой зазор. Допустим, удар наносится левым крайним элементом, в то время как все остальные звенья находятся в покое. Поскольку все массы равны, энергия удара передается крайнему правому элементу полностью. (Вспомните биллиардные шары, стояш,ие впритык друг к другу. Если ударить по крайнему слева, то все шары остаются в покое, кроме крайнего справа, который отскакивает с такой же скоростью). Если же, наоборот, нанести удар крайним правым элементом, то вместо передачи импульса и энергии, он просто отскочит после мягкого толчка по всей системе.  [c.225]

Полупроводники представляют собой обширную группу веществ, занимающих по величине удельной объемной проводимости промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. Возможность получения различного характера электроироводности — электронной и дырочной — и управления ею составляет одну из важных отличительных особениосте полупроводников. В периодической системе имеется 12 элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами это так называемые элементарные или простые полупроводники (основной состав полупроводника образован атомами одного химического элемента). Такими элементами являются в III группе — бор в IV группе — углерод, кремний, германий, олово (серое) в V группе — фосфор, мышьяк, сурьма в VI группе —сера, селен, теллур в VII группе — йод. Достаточно отчетливо можно представить общие закономерности и особегнюсти элементарных полупроводников, рассматривая такие полупроводники, как германий и кремний ( 13.5 и 13.6).  [c.171]

Использующиеся в практике полупроводники могут быть подразделены на простые полупроводники (их основной состав образован атомами одного химического элемента) и сложные полупроводниковые композиции, основной состав которых образован атомами двух или большего числа химических элементов. В настоящее время изучаются также стеклообразные и жидкие полупроводники. Простых полупроводников существует около десятка, они приведены в табл. 8-2. В современной технике особое значение приобрели кремний, германий и частично селен. Сложными полупроводниками являются соединения элементов различных групп таблицы Менделеева, соответствующие общим формулам (например, Si ), A4 Bv (InSb, GaAs, GaP), A B>v ( dS, ZnSe), a также некоторые  [c.230]

Общие представления. Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Поэтому в практике важное значение имеют такие полупроводниковые материалы, у которых ощутимая концентрация собственных носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, т. е. полупроводники с достаточно широкой запрещенной зоной. В рабочем интервале температур поставщиками свободных носителей заряда являются примеси. Примесями в простых полупроводниках служат чужеродные атомы. Под примесями в полупроводниковых химических соединениях понимают не только включения атомов посторонних элементов, но и избыточные по стехиометрическому составу атомы тех самых элементов, которые входят в химическую формулу самого соединения. Кроме того, роль примесей играют всевозможные дефекты кристаллической решетки пустые узлы, атомы или ионы, оказавшиеся в междоузлиях решетки, дислокации или сдвиги, возникающие при пластической деформации кристалла, микротре-дины и т. д. (стр. 12). Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то они называются примесями замещения, если в междоузлиях — примесями внедрения.  [c.233]

При длинах волн, превышающих граничную (с учетом теплоЕого хвоста ), энергии квантов оказываются недостаточными для образования электронно-дырочных пар, и простые полупроводники можно считать прозрачными в этих областях спектра (правее максимума кривой). Однако небольшое оптическое поглощение все же происходит вследствие того, что в полупроводнике имеется некоторое число свободных электронов и дырок  [c.246]

Простые полупроводники. Из простых полупроводников наибольшее применение нашлн кремний и германий. Некоторые физико-химические Свойства германия и кремния приведены в табл. 74.  [c.569]

Химические методы получения простых полупроводников и чистых элементов, используемых при легировании и в производстве сложных полупроводниковых материалов, обеспечивают высокую степень очистки. Дистилляцией (испарение жидкой фазы) удаляют легкоиспаряющи-еся примеси, ректификацией (многократное испарение и конденсация) — примеси, имеющие невысокие температуры плавления, испарения и большой интервал жидкого состояния. Сублимацией (испарение твердой фазы) очищают от механических примесей и газов и получают монокристалл. Перечисленными методами можно получать монокристаллы с высоким значением удельного электросопротивления. Например, монокристалл германия при р = 0,10 Ом -м содержит в 1 м 10 ° атомов примесей (см. рис. 18.10).  [c.590]

Карбид кремния относится к алмазоподобным полупроводникам и является электронным аналогом простых полупроводников — элементов 1УЬ подгруппы периодической системы (см. табл. 1.1) ос-8п, Се, 81, алмаз. Он имеет множество политипных модификаций (свыше 140), являющихся производными от гексагональной а-81С (тип вюрцита 2п8, рис. 15.1) и кубической Р-81С (тип сфалерита, цинковой обманки 2п8 (см. рис. 1.7, если светлые шары будут принадлежать одному элементу, а темные -другому)) плотнейших кристаллических упаковок.  [c.652]

Если поступить так, то прежде всего обнаружи-м, что (1.35) достаточно хорошо дает значеиия статической диэлектрической проницаемости для простых полупроводников алмаза, Si, Ge, a-Sn. Все другие полупроводники с тетраэдрическим расиоложенпем связей можно получить из нолупроводииков IV группы периодической системы замещением половины атомов решетки иа (4 — и)-валентные атомы, а второй половины — на (4 + п)-валентные ато.чы (III—V, II—VI, I—VII-соедииенпя). Ввиду различия ближайших  [c.37]

Ес известно по соответствующему простому полупроводнику, Еа следует пз (1.35). Следовательно, С а f могут быть определены для каждого из полупроводников с тетраэдрическим расположопием связей.  [c.38]

Из-за неизвестного вида фупкцпп 17(г) трудно обсуждать (2.2) в общем виде. Простейший внд этой функции получаем, если в качестве дефекта рассматриваем атом — донор в простом полупроводнике, т.е. (п + 1)-ва.1ентный атом в ковалентно связанной решетке /г-валснтных атомов. Атом — донор вносит тогда один электрон и один дополнительный положительный заряд атомного ядра. Этот электрон не нужен для ковалентных связей с ближайшими соседя-мн. В этом случае 17(г) есть потенциал дополнительного положительного заряда, в поле которого движется добавочный электрон.  [c.70]

В структуре типа алмаза с двумя атомами на примитивную ячейку каждый атом (углерода, кремния или германия) отдает четыре электрона. Таким образом, количество электронов (восемь на примитивную ячейку) оказывается как раз достаточным, чтобы заполнить четыре зоны. Мы видим, что в основном состоянии германия первые четыре зоны целиком заполнены (зоны Лз и Л5 дважды вырождены), в то время как пятая и следующие зоны совершенно пусты. Чтобы перевести электрон из основного состояния системы в возбужденное, требуется вполне конечная энергия (в случае германия около 0,6 эВ). В кремнии и алмазе такие энергетические пороги, или энергетические щели, больше. Наличие в основном состоянии энергетических щелей, целиком заполненных нижних или валентных зон и пустых более высоколежащих зон, или зон проводимости, типично для полупроводников. Что же касается изоляторов, то это просто полупроводники с большими энергетическими щелями, а сами зоны в них, как правило, еще уже.  [c.107]

Полупро- водники Простые полупроводники Сложные полупроводниковые соединения и их твердые раствЪры Ферриты а-кварц, сегнетоэлектрики Окислы металлов Генераторы электромагнитных колебаний, усилители и выпрямители тока, преобразователи энергии, магнитные устройства, сегнетоэлектриче-ские устройства, катализаторы  [c.217]

МОЖНО судить О характере дефекта. Так, изучение /-центров в кристаллах галогенидов щелочных металлов методом ЭПР показывает, что их электронная волновая функция является линейной комбинацией 5- и р-орбиталей электронов иона натрия при некотором перекрывании с волновой функцией иона галогена. Подобные исследования были проведены на простых полупроводниках при изучении различных дефектов, в частности кластеров, образующихся при взаимодействии дефектов (см. гл. 7). Было показано, что ЭПР —это уникальный метод идентификации структуры сложных дефектных центров. Например, при облучении кремния частицами с высокой энергией образуются дефекты, одним из которых, как показал анализ, спектров ЭПР, оказался атом примеси кислорода, расположенный рядом с вакансией. Метод ЭПР применяется для детального исследования электронной структуры центров, например парамагнитного иона Мп в инертной матрице А12О3, и позволяет объяснить некоторые важные оптические и магнитные свойства твердого тела.  [c.84]

Простая модель электронного газа, созданная Друде в 1900 г., успещно предсказала законы Ома и Видемана — Франца. Однако она не объяснила зависимость электропроводности от температуры, а также магнитные свойства и малую величину электронной теплоемкости по сравнению с классическим значением 3/ . В настоящее время ясно, почему удельное сопротивление особо чистых металлов падает от типичного для комнатных температур значения 10 мкОм см до значения менее 10 з мкОм -см при температуре жидкого гелия в то время как удельное сопротивление концентрированного сплава падает всего в два раза в том же диапазоне температур. Поведение полупроводников также хорошо понято удельное сопротивление экспоненциально возрастает при уменьшении температуры, и при очень низких температурах чистые полупроводники становятся хорошими диэлектриками. Добавка в образец полупроводника небольшого количества примесей чаще всего существенно уменьшает удельное сопротивление (в противоположность чистым металлам, в которых наличие примесей ведет к увеличению удельного сопротивления).  [c.187]

Фотопроводимость. Внутренний фотоэффект, или фотопроводимость, — это явление возникновения внутри полупроводника избыточных носителей тока под действием освещения. В простейшем случае собственного полупроводника излучение возбуждает валентные электроны в зоне проводимости, где они находятся в свободном состоянии и могут участвовать в процессе переноса заряда. Вклад в прО Зодимость дают также возникаюш,ие в валентной зоне дырки. В примесном полупроводнике -типа кроме собственного фотоэффекта возможно еще возбуждение электронов из связанных состояний на донорных центрах в зону проводимости. Аналогичным образом в полупроводниках р-типа возможно возбуждение электронов из валентной зоны на акцепторные уровни, создавая тем самым подвижные дырки. Характерно, что в обоих случаях» примесной фотопроводимости в кристалле генерируются свободные носители только одного знака. Так же, как и внешний фотоэффект, фотопроводимость проявляется в однородном материале в присутствии внешнего электрического поля.  [c.346]

В случаях, когда y-jaT во много раз больше L, так что у. > у. определяется очень просто и лишь с небольшой ошибкой, связанной с не-определеиностью в Этот случай реализуется у висмута при низких температурах и в меньшей степени у некоторых плохих металлов и, естественно, у полупроводников.  [c.289]

Примером простого донорного примесного центра в полупроводнике является кристалл кремния с одним атомным узлом, занятым атомом фосфора. Каждый атом в кристалле кремния образует ковалентные связи с четырьмя ближайшими соседями. Это означает, что атом фосфора обладает лишним валентным электроном, который не нужен для связи. Этот электрон непол1ностью свободен, так как ядро фосфора имеет больший положительный заряд, чем ядро атома кремния. Но лишний электрон связан со своим ядром недостаточно прочно, что позволяет ему перемещаться в окрестностях данного примесного центра. Для сохранения нейтральности примесного центра электрон должен л о к а- лизоваться в запрещенной зоне ниже дна зоны проводимости, т. е. электрон может перейти в нелокалйзованное бло-ховское состояние, получив дополнительную энергию не менее АЕй. Тогда донор становится ионизованным и ведет себя как локализованный положительный заряд.  [c.92]

Чтобы выполнить такой расчет, необходимо задаться конкретным видом функций Ыс(Е) и Ы (Е). Раоомотрим простейший случай полупроводника с одним сферически симметричным минимумом энергии в зоне про1ВодИ(Мости, которому соответствует скалярная эффективная масса электрона щ , а также с одним сферически симметричным максимумом в валентной зоне со скалярной эффективной массой дырки Шр. С учетом формул (3. 15) и (3.24) при малых значениях Е и (—АЕ—Е) получим  [c.111]

Парамагнитная восприимчивость полупроводников, обусловленная примесными носителями, в простейшем случае зависит от температуры экспоненциально Xi/ = ЛГ /- ехр (—Де/(2 kT)), где А — константа вещества Де — uJiiDHHa запрещенной зоны полупроводника.  [c.594]

Если излучение полупроводника возникает в результате непосредственной рекомбинации электрона с дыркой или рекомбинации через локальный центр, то излучение называют рекомбинационным. Вещества, обнаруживающие рекомбинационную люминесценцию, называют кристаллофорами шш просто фосфорами. Практически все типичные фосфоры являются полупроводниками.  [c.73]

Электропроводность внутри молекулы обусловлена я-электрона-ми, которые, как сказано, принадлежат всей сопряженной системе в целом и обладают высокой подвижностью. Электропроводность за счет а-электронов в нормаль- ных условиях маловероятна, так как освобождение о-электрона требует около 8 эв и сопровождается разрывом молекулы (с простыми связями), т. е. деструкцией молекулы. Осуществление электронной проводимости внутри молекулы, таким образом, возможно лишь при наличии сопряженных связей. Процессы перехода электронов между молекулами органических полупроводников носят активационный характер и изучены еще слабо. Электропроводность полимерных полупроводников с ростом длины цепп сопряжения увеличивается, так как при этом увеличивается степень делокализации я-электронов и снижается энергия активации. Действительно если я-электронов в молекуле с сопряженными связями имеется N, то энергия активации (термич-еская)  [c.207]

На рис. 7.5, а показаны теоретические зависимости подвижности от температуры в полупроводнике для невырожденного и вырожденного электронного газа, а на рис. 7.5, б — экспериментальные кривые для кремния, содержащего различное количество легирующей яримеси. Из рис. 7.5 видно, что опыт в основном подтверждает выводы развитой выше простой теории.  [c.187]

Для всех этих устройств в приборостроении технически обосновано и экономически целесообразно изготовлять специальные интегральные схемы высокой степени интеграции на базе технологии МДП (металл—диэлектрик—полупроводник) структур. Основные достоинства МДП-структур — более простая технология формирова-  [c.413]

Примесный полупроводник — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Примесный полупроводник

Cтраница 1

Примесные полупроводники обладают более высокой электрн ческой проводимостью, чем полупроводники с собственной проводимостью, если концентрация атомов донорной Лгд или акцепторной NZ примеси превышает концентрацию собственных носителей заряда.
 [1]

Примесные полупроводники получают в результате внедрения в собственный полупроводник атомов примеси с валентностью большей или меньшей, чем у атомов собственного полупроводника. При наличии в полупроводниках примесей в них наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость.
 [2]

Примесный полупроводник называется электронным или полупроводником я-типа, если атомы примесей слабее удерживают свои электроны. Ясно, что в таком полупроводнике обычно наблюдается электронная проводимость. Подвижные дырки в нем почти не образуются. Положительно заряжаются примеси, которые длительно остаются ионизированными, будучи не в силах отобрать недостающие электроны у основных атомов. Дырочная проводимость в полупроводниках — типа или электронная проводимость в полупроводниках р-типа заметны обычно лишь в тех случаях, когда в полупроводники соответствующие подвижные заряды вносятся какими-либо посторонними источниками.
 [3]

Примесные полупроводники применяются для изготовления полупроводниковых приборов.
 [4]

Примесные полупроводники бывают двух типов. D от примесного уровня до дна зоны проводимости невелико, то при повышении температуры электроны переходят с примесных уровней в зону проводимости, следствием чего является ненулевая проводимость при Т 0, осуществляемая электронами зоны проводимости. Примеси, которым соответствуют уровни описанного типа, носят название доноров. Донорами являются, например, примеси фосфора или мышьяка в германии.
 [5]

Примесные полупроводники, электропроводность которых определяется примесями, обладают резко выраженной электронной или дырочной электропроводностя-ми. Эффект повышения электрической проводимости объясняется присутствием в кристалле полупроводника атомов элементов иной валентности. Примеси с валентностью, большей четырех, дающие избыток свободных электронов, называются донорными; примеси с валентностью, меньшей четырех, увеличивающие количество дырок, называются акцепторными. Схема кристалла кремния, в котором один атом основного вещества замещен атомом пятивалентного мышьяка, приведена на рис. 3.2, а. Мышьяк образует четыре ковалентные связи с соседними атомами кремния, а его пятый валентный электрон оказывается лишним. При низких температурах ( О К) этот электрон еще удерживается около ядра мышьяка, но уже при небольшом повышении температуры сила связи ослабляется, электрон отрывается и становится носителем отрицательного заряда, а атом1 мышьяка превращается в положительный неподвижный ион. В целом кристалл остается электрически нейтральным, так как положительные заряды ионов уравновешиваются отрицательными зарядами электронов проводимости.
 [6]

Примесный полупроводник — полупроводник электронной ( n — типа) или дырочной ( р-типа) проводимости. При одновременном введении в полупроводник и донорной и акцепторной примесей происходит компенсация их влияний и эффект на проводимость оказывает только избыток одного типа примеси над другим.
 [7]

Примесный полупроводник также называется легированным полупроводником. В зависимости от примеси полупроводник может быть / г-типа и / ьтипа. Буква п обозначает электронную проводимость, а р — дырочную.
 [8]

Примесные полупроводники бывают двух типов. D от примесного уровнядо дна зоны проводимости невелико, то при повышении температуры электроны переходят с примесных уровней в зону проводимости, следствием чего является ненулевая проводимость при Т 0, осуществляемая электронами зоны проводимости. Примеси, которым соответствуют уровни описанного типа, носят название доноров. Донорами являются, например, примеси фосфора или мышьяка в германии.
 [9]

Примесный полупроводник, у которого электропроводность при росте Т сначала уменьшается, а потом растет, называется полуметаллом.
 [11]

Примесными полупроводниками называются такие, которые превращаются в полупроводники при наличии в них определенных примесей.
 [12]

Примесными полупроводниками называются такие кристаллические тела, которые становятся полупроводниками при наличии в них примесей, нарушающих обычное кристаллическое строение.
 [13]

Рассмотрим примесный полупроводник, содержащий, например, донорные примеси. Концентрацию примесей будем считать малой по сравнению с критической концентрацией 7VC, при которой происходит моттовский переход металл — диэлектрик ( см. гл. При этих условиях перекрытие электронных оболочек соседних примесных атомов мало. Поэтому каждый донор можно рассматривать как изолированный водородоподобный атом, внешний электрон которого находится на расстоянии порядка а Б от ядра и имеет энергию связи порядка Е Б ( гл. Допустим, что температура столь низка, что тепловой энергии колеблющихся атомов недостаточно, чтобы отрывать электроны от доноров. Как же осуществляется при этом электропроводность.
 [14]

Такие примесные полупроводники называются электронными или полупроводниками п-типа.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

О полупроводниках | SIA | Ассоциация полупроводниковой промышленности

Сильная полупроводниковая промышленность жизненно важна для экономической мощи Америки, национальной безопасности и глобальной конкурентоспособности.

Полупроводники — это основополагающая технология практически для всех сфер нашей экономики. Полупроводники были изобретены в Америке, и США по-прежнему являются мировыми лидерами в области производства и дизайна.

В полупроводниковой промышленности в США напрямую занято около 250 000 человек, и на каждую прямую работу приходится 4 человека.89 рабочих мест поддерживаются в других сферах экономики США. Это составляет более 1 миллиона дополнительных рабочих мест в результате процветающей полупроводниковой промышленности США. Еще более впечатляющим является то, что за работу в полупроводниковой промышленности платят в среднем в 2,5 раза больше, чем средняя зарплата всех рабочих в США.

Полупроводники являются четвертым по величине экспортом Америки после самолетов, рафинированного масла и автомобилей. Вопреки распространенному мнению, что большая часть высокотехнологичного производства была перенесена в Азию, передовое производство полупроводников остается сильным в США.S. Фактически, около половины производственной базы американских полупроводниковых компаний находится в Соединенных Штатах.

Ключ к поддержанию достижений, которые питают нашу промышленность и экономику США, — это исследования. К сожалению, доля инвестиций США в НИОКР в ВВП за последние десятилетия снизилась. Например, доля валовых внутренних расходов США на НИОКР, финансируемых государством, снизилась с 47,1 процента в 1981 году до 33,4 процента в 2011 году. (Источник: ОЭСР) За последние десять лет расходы на НИОКР как доля от экономического производства оставались почти постоянная в U.S., но увеличились почти на 50 процентов в Южной Корее и почти на 90 процентов в Китае. (Источник: NSF S&E Indicators 2012)

компаний-членов SIA продолжают инвестировать и расширяться в США, строя новые и расширенные современные производственные мощности по всей стране. В целом американские полупроводниковые компании сохраняют около 50 процентов доли мирового рынка на высококонкурентном рынке. (Источник: SIA / iSuppli / WSTS)

Процветающая полупроводниковая промышленность США означает сильную американскую экономику, высокооплачиваемые рабочие места и огромное влияние на страну.Проще говоря, полупроводники укрепляют нашу страну.

1. Свойства полупроводников: Hitachi High-Tech GLOBAL

Название «полупроводник» широко известно, но что такое полупроводники?
Полупроводники обладают определенными электрическими свойствами. Вещество, проводящее электричество, называется проводником, а вещество, не проводящее электричество, называется изолятором. Полупроводники — это вещества со свойствами где-то между ними.
Электрические свойства могут быть обозначены удельным сопротивлением.Такие проводники, как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Изоляторы, такие как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и плохо пропускают электричество. Полупроводники обладают чем-то средним по свойствам. Их удельное сопротивление может изменяться, например, в зависимости от температуры. При невысокой температуре через них почти не проходит электричество. Но при повышении температуры электричество через них легко проходит.
Полупроводники, почти не содержащие примесей, почти не проводят электричество.Но когда к полупроводникам добавляются какие-то элементы, электричество легко проходит через них.
Полупроводники, состоящие из одного элемента, называются элементарными полупроводниками, включая знаменитый полупроводниковый материал кремний. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светодиодах и т. Д.

Энергетический диапазон

Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.
Электроны не могут вращаться вокруг ядра на любом расстоянии в атомном пространстве, окружающем ядро, но разрешены только определенные, очень специфические орбиты, и они существуют только на определенных дискретных уровнях. Эти энергии называются энергетическими уровнями. Большое количество атомов собирается в кристалл и взаимодействует в твердом материале, а затем энергетические уровни становятся настолько близко расположенными, что образуют полосы. Это энергетическая полоса.
Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своей зонной структурой.Их ленточная структура показана на рисунке ниже.

В металлах зона проводимости и валентная зона очень близки друг к другу и могут даже перекрываться, причем энергия Ферми (Eｆ) находится где-то внутри. Это означает, что в металле всегда есть электроны, которые могут свободно перемещаться и поэтому всегда могут проводить ток. Такие электроны известны как свободные электроны. Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.

В полупроводниках и изоляторах валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной энергетической щелью (Eg) достаточной ширины, а энергия Ферми (Eｆ) находится между валентной зоной и зоной проводимости.Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен набрать достаточно энергии, чтобы перескочить через запрещенную зону. Как только это будет сделано, его можно будет проводить.

В полупроводниках при комнатной температуре ширина запрещенной зоны меньше, тепловой энергии достаточно, чтобы позволить электронам довольно легко перепрыгивать через зазор и переходить в зону проводимости, учитывая ограниченную проводимость полупроводника. При низкой температуре ни один электрон не обладает достаточной энергией, чтобы занять зону проводимости, и поэтому движение заряда невозможно.При абсолютном нуле полупроводники являются идеальными изоляторами. Плотность электронов в зоне проводимости при комнатной температуре не так высока, как в металлах, поэтому они не могут проводить ток так же хорошо, как металл. Электропроводность полупроводника не такая высокая, как у металла, но и не такая плохая, как у электрического изолятора. Именно поэтому этот вид материала называется полупроводником, то есть полупроводником.

Ширина запрещенной зоны изоляторов велика, поэтому очень немногие электроны могут перепрыгнуть через нее. Следовательно, ток в изоляторах не течет легко.Разница между изоляторами и полупроводниками заключается в величине запрещенной энергии. В изоляторе, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электрическая проводимость изолятора очень низкая.

Полупроводниковый кристалл, используемый для ИС и т. Д., Представляет собой монокристаллический кремний высокой чистоты с содержанием 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для контроля электрических свойств.В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и p-типа.

Пятивалентный фосфор (P) или мышьяк (As) добавляют в кремний высокой чистоты для полупроводников n-типа. Эти примеси называются донорами. Энергетический уровень донора расположен близко к зоне проводимости, то есть запрещенная зона мала. Затем электроны на этом уровне энергии легко возбуждаются в зону проводимости и вносят свой вклад в проводимость.

С другой стороны, трехвалентный бор (B) и т. Д.добавлен к полупроводнику p-типа. Это называется акцептором. Уровень энергии акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны в валентной зоне. В результате в валентной зоне образуются дырки, которые вносят вклад в проводимость.

Название «полупроводник» широко известно, но что такое полупроводники?
Полупроводники обладают определенными электрическими свойствами. Вещество, проводящее электричество, называется проводником, а вещество, не проводящее электричество, называется изолятором.Полупроводники — это вещества со свойствами где-то между ними.
Электрические свойства могут быть обозначены удельным сопротивлением. Такие проводники, как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Изоляторы, такие как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и плохо пропускают электричество. Полупроводники обладают чем-то средним по свойствам. Их удельное сопротивление может изменяться, например, в зависимости от температуры. При невысокой температуре через них почти не проходит электричество.Но при повышении температуры электричество через них легко проходит.
Полупроводники, почти не содержащие примесей, почти не проводят электричество. Но когда к полупроводникам добавляются какие-то элементы, электричество легко проходит через них.
Полупроводники, состоящие из одного элемента, называются элементарными полупроводниками, включая знаменитый полупроводниковый материал кремний. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светодиодах и т. Д.

Энергетический диапазон

Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.
Электроны не могут вращаться вокруг ядра на любом расстоянии в атомном пространстве, окружающем ядро, но разрешены только определенные, очень специфические орбиты, и они существуют только на определенных дискретных уровнях. Эти энергии называются энергетическими уровнями. Большое количество атомов собирается в кристалл и взаимодействует в твердом материале, а затем энергетические уровни становятся настолько близко расположенными, что образуют полосы.Это энергетическая полоса.
Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своей зонной структурой. Их ленточная структура показана на рисунке ниже.

В металлах зона проводимости и валентная зона очень близки друг к другу и могут даже перекрываться, причем энергия Ферми (Eｆ) находится где-то внутри. Это означает, что в металле всегда есть электроны, которые могут свободно перемещаться и поэтому всегда могут проводить ток. Такие электроны известны как свободные электроны.Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.

В полупроводниках и изоляторах валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной энергетической щелью (Eg) достаточной ширины, а энергия Ферми (Eｆ) находится между валентной зоной и зоной проводимости. Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен набрать достаточно энергии, чтобы перескочить через запрещенную зону. Как только это будет сделано, его можно будет проводить.

В полупроводниках при комнатной температуре ширина запрещенной зоны меньше, тепловой энергии достаточно, чтобы позволить электронам довольно легко перепрыгивать через зазор и переходить в зону проводимости, учитывая ограниченную проводимость полупроводника.При низкой температуре ни один электрон не обладает достаточной энергией, чтобы занять зону проводимости, и поэтому движение заряда невозможно. При абсолютном нуле полупроводники являются идеальными изоляторами. Плотность электронов в зоне проводимости при комнатной температуре не так высока, как в металлах, поэтому они не могут проводить ток так же хорошо, как металл. Электропроводность полупроводника не такая высокая, как у металла, но и не такая плохая, как у электрического изолятора. Именно поэтому этот вид материала называется полупроводником, то есть полупроводником.

Ширина запрещенной зоны изоляторов велика, поэтому очень немногие электроны могут перепрыгнуть через нее. Следовательно, ток в изоляторах не течет легко. Разница между изоляторами и полупроводниками заключается в величине запрещенной энергии. В изоляторе, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электрическая проводимость изолятора очень низкая.

Полупроводниковый кристалл, используемый для ИС и т. Д., Представляет собой монокристаллический кремний высокой чистоты с содержанием 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для контроля электрических свойств. В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и p-типа.

Пятивалентный фосфор (P) или мышьяк (As) добавляют в кремний высокой чистоты для полупроводников n-типа. Эти примеси называются донорами. Энергетический уровень донора расположен близко к зоне проводимости, то есть запрещенная зона мала.Затем электроны на этом уровне энергии легко возбуждаются в зону проводимости и вносят свой вклад в проводимость.

С другой стороны, трехвалентный бор (B) и т. Д. Добавляется в полупроводник p-типа. Это называется акцептором. Уровень энергии акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны в валентной зоне. В результате в валентной зоне образуются дырки, которые вносят вклад в проводимость.

Что такое полупроводники?

Что такое полупроводники?

Полупроводники — это материалы с проводимостью между
проводники (как правило, металлы) и непроводники или изоляторы
(например, большинство керамических изделий).Полупроводники могут быть чистыми элементами, такими как кремний.
или германий, или такие соединения, как арсенид галлия или селенид кадмия. В
процесс, называемый легированием, небольшое количество примесей добавляется к чистому
полупроводники, вызывающие большие изменения проводимости материала.

Из-за их роли в производстве электронных устройств полупроводники
важная часть нашей жизни. Представьте себе жизнь без электронных устройств.
Не было бы ни радио, ни телевизоров, ни компьютеров, ни видеоигр, и бедных
медицинское диагностическое оборудование.Хотя многие электронные устройства можно было сделать
использование технологии электронных ламп, разработки в области полупроводниковой техники
за последние 50 лет сделали электронные устройства меньше, быстрее и больше
надежный. Подумайте на минутку обо всех ваших встречах с электронным
устройств. Сколько из перечисленного вы видели или использовали за последний
двадцать четыре часа? В каждом из них есть важные компоненты, которые были изготовлены
с электронными материалами.

Достижения в области электроники могут и дальше улучшать нашу жизнь.Изучение электронных материалов может помочь вам понять и научиться
участвовать в сферах коммуникации, компьютеров, медицины, основных
науки и техники. Во всех этих областях широко используется электроника.

Следующая тема: Историческая хронология

Полупроводники Содержание

Домашняя страница MAST

Полупроводник

| Определение, примеры, типы, использование, материалы, устройства и факты

Полупроводник , любой из класса кристаллических твердых веществ, промежуточных по электропроводности между проводником и изолятором.Полупроводники используются в производстве различных видов электронных устройств, включая диоды, транзисторы и интегральные схемы. Такие устройства нашли широкое применение благодаря своей компактности, надежности, энергоэффективности и невысокой стоимости. В качестве дискретных компонентов они нашли применение в силовых устройствах, оптических датчиках и излучателях света, включая твердотельные лазеры. Они обладают широким спектром возможностей управления током и напряжением и, что более важно, поддаются интеграции в сложные, но легко производимые микроэлектронные схемы.Они являются и будут в обозримом будущем ключевыми элементами для большинства электронных систем, обслуживающих приложения связи, обработки сигналов, вычислений и управления как на потребительском, так и на промышленном рынках.

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно делятся на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке показаны удельные проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), которые связаны с некоторыми важными материалами каждого из трех классов.Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка от 10 ⁻¹⁸ до 10 ⁻¹⁰ сименс на сантиметр; а проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр. Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями и обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление примерно 10 атомов бора (известного как легирующая примесь) на миллион атомов кремния может увеличить его электрическую проводимость в тысячу раз (частично с учетом большой вариабельности, показанной на предыдущем рисунке).

проводимости

Типичный диапазон проводимости для изоляторов, полупроводников и проводников.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. Элементарные полупроводники состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI периодической таблицы. Однако существует множество сложных полупроводников, которые состоят из двух или более элементов.Арсенид галлия (GaAs), например, представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из столбца III и мышьяка (As) из столбца V. Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных столбцов: например, теллурид индия ртути (HgIn ₂ Te ₄ ), соединение II-III-VI. Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 — x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где как Al, так и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100 процентов Al ( x = 1) до 100 процентов Ga ( x = 0).Чистый кремний является наиболее важным материалом для приложений интегральных схем, а бинарные и тройные соединения III-V являются наиболее важными для излучения света.

таблица Менделеева

Современная версия периодической таблицы элементов.

Encyclopædia Britannica, Inc.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только как двухполюсные устройства, такие как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х годов германий был основным полупроводниковым материалом.Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрируют высокие токи утечки только при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал наиболее широко используемым полупроводником, фактически вытеснив германий в качестве материала для изготовления устройств. Для этого есть две основные причины: (1) кремниевые устройства демонстрируют гораздо более низкие токи утечки и (2) диоксид кремния (SiO ₂ ), который является высококачественным изолятором, легко включается в состав кремниевого на базе устройства.Таким образом, кремниевая технология стала очень продвинутой и повсеместной, и кремниевые устройства составляют более 95 процентов всей проданной во всем мире полупроводниковой продукции.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Многие из составных полупроводников обладают некоторыми определенными электрическими и оптическими свойствами, которые превосходят их аналоги из кремния. Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для оптоэлектроники и некоторых радиочастотных (RF) приложений.

Электронные свойства

Полупроводниковые материалы, описанные здесь, представляют собой монокристаллы; т.е. атомы расположены в трехмерном периодическом порядке. Часть A рисунка показывает упрощенное двумерное представление собственного (чистого) кристалла кремния, содержащего незначительные примеси. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями. Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями.Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения между электронами и обоими ядрами удерживает два атома вместе. Для изолированных атомов (например, в газе, а не в кристалле) электроны могут иметь только дискретные уровни энергии. Однако, когда большое количество атомов объединяется, чтобы сформировать кристалл, взаимодействие между атомами заставляет дискретные уровни энергии расширяться в энергетические зоны. Когда отсутствует тепловая вибрация (т.е.при низкой температуре), электроны в изоляторе или полупроводниковом кристалле полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми.Полоса с самым высоким заполнением называется валентной полосой. Следующая зона — это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны запрещенной зоной (щели в кристаллических изоляторах намного больше, чем в полупроводниках). Эта запрещенная зона, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми электроны в кристалле не могут обладать. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне от 0,25 до 2,5 электрон-вольт (эВ). Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а ширина запрещенной зоны арсенида галлия — 1.42 эВ. Напротив, ширина запрещенной зоны алмаза, хорошего кристаллического изолятора, составляет 5,5 эВ.

При низких температурах электроны в полупроводнике связаны в своих соответствующих зонах в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разорвать некоторые ковалентные связи с образованием свободных электронов, которые могут участвовать в проводимости тока. Как только электрон удаляется от ковалентной связи, с этой связью связана электронная вакансия.Эта вакансия может быть заполнена соседним электроном, что приводит к смещению положения вакансии с одного узла кристалла на другой. Эту вакансию можно рассматривать как фиктивную частицу, названную «дырой», которая несет положительный заряд и движется в направлении, противоположном направлению электрона. Когда к полупроводнику прикладывается электрическое поле, как свободные электроны (теперь находящиеся в зоне проводимости), так и дырки (оставшиеся в валентной зоне) перемещаются через кристалл, создавая электрический ток.Электропроводность материала зависит от количества свободных электронов и дырок (носителей заряда) в единице объема и от скорости, с которой эти носители движутся под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и дырок. Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью; то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров на вольт-секунду (см ² / В · с) —i.е., электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под действием электрического поля один вольт на сантиметр, в то время как подвижность дырок составляет 500 см ² / В · с. Подвижности электронов и дырок в конкретном полупроводнике обычно уменьшаются с повышением температуры.

Электрическая проводимость в собственных полупроводниках довольно низкая при комнатной температуре. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одной части на миллион атомов хозяина).Это называется легированием, процесс, который увеличивает проводимость, несмотря на некоторую потерю подвижности. Например, если атом кремния заменен атомом с пятью внешними электронами, таким как мышьяк ( см. часть B рисунка), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, который передается в зону проводимости. Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона.Атом мышьяка является донором. Точно так же часть C рисунка показывает, что если атом с тремя внешними электронами, такими как бор, заменяется атомом кремния, дополнительный электрон будет образовывать четыре ковалентные связи вокруг атома бора, и положительно заряженная дырка образует создан в валентной зоне. Это создает полупроводник типа p , в котором бор является акцептором.

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 выход любого тока из батареи, если он перевернут — это защищает чувствительную электронику в устройстве.

Поведение полупроводникового диода не идеально, как показано на этом графике:

Когда смещает в обратном направлении, идеальный диод блокирует весь ток. Настоящий диод пропускает около 10 микроампер — немного, но все же не идеально.А если вы приложите достаточное обратное напряжение (В), соединение разорвется и пропустит ток. Обычно напряжение пробоя намного больше, чем когда-либо может увидеть 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. Вы можете себе 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 заключается в том, что эти принципы постоянно совершенствуются до такой степени, что сегодня десятки миллионов транзисторов можно без больших затрат собрать на одном кристалле.

Дополнительную информацию о полупроводниках, диодах, микросхемах и многом другом можно найти по ссылкам на следующей странице.

Первоначально опубликовано: 25 апреля 2001 г.

Все, что вы когда-либо хотели знать о полупроводниках

Вы, несомненно, слышали о полупроводниках.Они действительно везде. Но хотя большинство людей слышали о полупроводниках, очень немногие знают о них много.

Мы намерены это изменить.

Считайте это своим введением в мир полупроводников. К концу этой статьи вы сможете уверенно обсуждать эту тему, что, возможно, не принесет вам много свиданий, но, безусловно, заслужит уважение инженеров-электриков.

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это физическое вещество, предназначенное для управления потоком тока в электронных устройствах и оборудовании.Он либо не пропускает свободно протекающий электрический ток, либо полностью его отталкивает.

Полупроводник находится между проводником и изолятором и обычно используется при разработке электронных микросхем, вычислительных компонентов и устройств. Обычно он создается из кремния, германия или других чистых элементов.

Полупроводники создаются путем добавления примесей к элементу. Проводимость или индуктивность элемента зависит от типа и интенсивности добавленных примесей.

Есть два основных типа полупроводников. Полупроводник N-типа используется, когда его проводимость выше или имеется большое количество свободных электронов. Полупроводник P-типа используется, когда его индуктивность выше, а свободных электронов меньше.

Обычные устройства и компоненты, построенные с использованием полупроводников, включают компьютерную память, интегральные схемы, диоды и транзисторы.

Если вы хотите подробно изучить, как производятся полупроводники, посмотрите полезное видео:

Элементы, используемые для создания полупроводников

Давайте подробнее рассмотрим два используемых элемента для создания большинства полупроводников.

Кремний

Кремний — второй по распространенности элемент на Земле, составляющий почти более 25% земной коры по весу. Хотя он не встречается в природе как свободный элемент, он встречается в виде оксида и силикатов, включая агат, аметист, цитрин, яшму, кремень, опал, кварц и песок. Металлический кремний образуется в результате реакций между диоксидом кремния и углеродными материалами, такими как уголь и древесная стружка.

Что касается крупных производителей кремния для пластин, то в США много поставщиков.S. и по всему миру, в первую очередь в Калифорнии, Орегоне, Флориде, Азиатско-Тихоокеанском регионе, Китае и Европе. Считается, что Китай является крупнейшим производителем кремния, за ним следуют США.

Германий

Германий — это химический элемент, который по внешнему виду похож на кремний и не встречается в природе как свободный элемент из-за его реакционной способности. Доступный в земной коре, он добывается из сфалеритовых цинковых руд, а также может быть извлечен из летучей золы угля и медных руд.

Германий менее полезен, чем кремний из-за своей термочувствительности и стоимости, но он все еще легирован кремнием для использования в некоторых высокоскоростных устройствах. IBM является основным производителем этих устройств. Лидер по производству германия в Китае вместе с другими крупными производителями, включая США, Канаду, Россию и Бельгию.

В поисках новых полупроводников

Поскольку полупроводники являются очень ценным предметом, компании постоянно ищут новые, более эффективные способы их производства.

Поиск новых полупроводников начинается с периодической таблицы элементов. В столбце IVA каждый элемент образует связи, разделяя четыре своих электрона с четырьмя соседями. Самый прочный из группы — углерод, используемый для создания алмазов. Из алмазов получаются хорошие изоляторы, потому что углерод прочно удерживает эти электроны, но обычно алмаз сгорает до того, как через него протекает электрический ток.

Олово и свинец намного более металлические. Они настолько свободно удерживают свои связывающие электроны, что при приложении даже небольшого количества энергии электроны могут разорвать свои связи и двигаться через материал.

Кремний и германий находятся где-то посередине и считаются полупроводниками. Однако из-за своей структуры они неэффективны при обмене электричеством со светом.

Чтобы найти материалы, которые работают со светом, вы должны взглянуть по обе стороны от столбца IVA периодической таблицы. Комбинирование элементов из групп IIIA и VA приводит к материалам с полупроводниковыми свойствами. Эти материалы, в том числе арсенид галлия, используются для создания лазеров, светодиодных ламп и фотоприемников.Они могут делать то, что не может кремний.

Помимо материалов IIIA-VA, также используются материалы IIA-VIA. К ним относятся комбинации цинка, кадмия, ртути и теллура.

План Китая по повышению производительности полупроводников

Производство полупроводников — это крупный бизнес, который может приносить большие деньги. Производство полупроводников кажется главным приоритетом для китайских чиновников. Ссылаясь на неназванные источники, The Wall Street Journal сообщил, что поддерживаемый правительством инвестиционный фонд индустрии интегральных схем Китая выделит средства на улучшение возможностей Китая по разработке и производству передовых процессоров и графических процессоров.

Размер фонда, который, как сообщалось ранее, оценивался в диапазоне от 19 до 32 миллиардов долларов, возможно, был увеличен в результате резкого роста торговой напряженности между Китаем и США

Государственное финансирование полупроводниковой промышленности Китая стал центром торговой напряженности, которая нарастала между двумя странами, и каждая страна была готова ввести тарифы на товары на миллиарды долларов. США заявляют, что государственная поддержка Китая своей полупроводниковой промышленности является антиконкурентной.

Почему этот план улучшит способность Китая разрабатывать и производить современные микропроцессоры?

Китайское правительство активизировало усилия по созданию отечественной полупроводниковой промышленности для обеспечения своего огромного рынка электроники, сигнализируя о своем намерении потратить 161 миллиард долларов в течение десяти лет на дальнейшее развитие этих усилий. В настоящее время Китай ежегодно импортирует полупроводников на сумму более 100 миллиардов долларов.

Последний инвестиционный фонд China Integrated Circuit Industry Investment Fund последует за аналогичным фондом, запущенным в 2014 году, который, согласно отчету Wall Street Journal, привлек около 22 миллиардов долларов.

Недавние торговые споры с США заставили Китай срочно укрепить свою внутреннюю полупроводниковую промышленность. США недавно наложили запрет на экспорт китайского поставщика телекоммуникационных услуг ZTE, не позволив американским поставщикам полупроводников и других компонентов продавать устройства ZTE, значительному клиенту Qualcomm и других поставщиков микросхем в США.

Китай предлагает закупить больше полупроводников в США

Из-за недавних торговых споров Китай предложил закупить больше полупроводников в Соединенных Штатах, перенаправив некоторые закупки из Южной Кореи и Тайваня, чтобы помочь сократить положительное сальдо торгового баланса Китая. U.S.

Чтобы предотвратить надвигающуюся торговую войну с США, китайские официальные лица также спешат завершить разработку новых правил, которые позволят иностранным финансовым группам приобретать контрольный пакет акций его фирм по ценным бумагам, сообщает Financial Times со ссылкой на людей, проинформированных об обсуждениях.

Еще больше напряженности между Китаем и США

Бывший сотрудник Huawei обвинил компанию в попытке украсть интеллектуальную собственность, чтобы помочь Китаю добиться технологического превосходства над США.

Huawei и ее подразделение FutureWei подали в суд на Хуана и его стартап CNEX Labs в декабре прошлого года, обвинив Хуанга в том, что он скрывается с секретами производства, связанными с полупроводниковой технологией, которая использует интегральные схемы в качестве памяти для хранения данных.

Хуанг в ответе, поданном во вторник, сказал, что Huawei вернула его. Он утверждает, что его наняли для того, чтобы китайская компания могла взять под свой контроль его изобретения в области энергонезависимой памяти на твердотельных дисках, а затем, после его ухода, попыталась получить конфиденциальную информацию от его новой компании.

Однако этот иск выходит за рамки полупроводниковой технологии. Хотя решение о том, кому принадлежит технология, будет зависеть от федерального суда в восточном Техасе, Хуанг пытается извлечь выгоду из критики в отношении того, что Huawei ведет несправедливую игру.

Документ включает обвинения в корпоративном шпионаже, поданные другими американскими компаниями, и отчет Конгресса, в котором говорится, что использование оборудования Huawei «может подорвать основные интересы национальной безопасности США».

«Huawei и FutureWei сыграли важную роль в кампании корпоративного шпионажа, организованной с целью кражи интеллектуальной собственности у американских технологических компаний, таких как CNEX, в надежде превзойти Соединенные Штаты как ведущую мировую технологическую сверхдержаву к 2025 году», — сказал Хуанг в своем выступлении. подача.

Новые транзисторы металл-воздух

Теперь, когда мы уходим от напряженности между Китаем и США, давайте поговорим о технологии, которая в конечном итоге может полностью заменить полупроводники.

Многие считают, что удвоение количества кремниевых транзисторов на единицу площади каждые два года закончится примерно в 2025 году, когда технология достигнет своих физических ограничений. Однако исследователи из Университета RMIT в Мельбурне, Австралия, считают, что разработанный ими автоэмиссионный транзистор с воздушным каналом (ACT) на основе металла может поддерживать удвоение транзисторов в течение следующих двух десятилетий.

Устройство ACT устраняет необходимость в полупроводниках. Вместо этого он использует два плоских симметричных металлических электрода (исток и сток), разделенных воздушным зазором менее 35 нанометров, и нижний металлический затвор для настройки полевой эмиссии. Воздушный зазор в наномасштабе меньше, чем длина свободного пробега электронов в воздухе; следовательно, электроны могут перемещаться по воздуху при комнатной температуре без рассеяния.

В отличие от обычных транзисторов, которые должны размещаться в объеме кремния, их устройство представляет собой комплексный подход к изготовлению, начиная с подложки.Это позволяет им строить полностью трехмерные транзисторные сети, если они могут определить оптимальные воздушные зазоры. По сути, это означает, что они могут перестать стремиться к миниатюризации и вместо этого сосредоточиться на компактной трехмерной архитектуре, позволяющей использовать больше транзисторов на единицу объема.

Использование металла и воздуха вместо полупроводников для основных компонентов транзистора имеет также много других преимуществ. Изготовление становится по существу одностадийным процессом установки эмиттера и коллектора и определения воздушного зазора.Хотя при производстве АСТ используются стандартные процессы производства кремния, количество этапов обработки намного меньше, учитывая, что легирование, термическая обработка, окисление и образование силицида не требуются. Следовательно, необходимо значительно сократить производственные затраты.

Замена кремния на металл означает, что эти устройства ACT могут быть изготовлены на любой диэлектрической поверхности, при условии, что нижележащая подложка допускает полезную модуляцию эмиссионного тока от истока к стоку с помощью поля нижнего затвора.Машины могут быть построены на ультратонком стекле, пластике и эластомерах, чтобы их можно было использовать в гибких и носимых технологиях.

Технологии всегда меняются

Мир полупроводников постоянно меняется. Будь то напряженность между двумя странами или новые инновации, пытающиеся полностью заменить полупроводники, через 5-6 лет технология, вероятно, будет совершенно другой.

Хорошая новость заключается в том, что на данный момент вы знаете достаточно, чтобы разумно говорить о полупроводниках.Итак, выходите и производите впечатление на людей. Или хотя бы выглядеть умным.

Ресурсы

Обзор всех статей

Полупроводники | Введение в химию

Цель обучения

• Сравните полупроводники N-типа и P-типа, отличив их от полупроводников и изоляторов, используя зонную теорию.

Ключевые моменты

• Собственные полупроводники состоят только из одного материала.
• Внешние полупроводники состоят из внутренних полупроводников, в которые были добавлены другие вещества для изменения их свойств (они были легированы другим элементом).
• Есть два типа внешних полупроводников: p-тип (p для положительного: дырка была добавлена ​​путем легирования элементом III группы) и n-типа (n для отрицательного: дополнительный электрон был добавлен путем легирования элементом III группы). элемент группы-V).

Условия

• полупроводник — вещество с электрическими свойствами между хорошими проводниками и хорошими изоляторами
• проводник: то, что может передавать электричество, тепло, свет или звук
• легированный: описание полупроводника, в который было добавлено небольшое количество элементов для создания носителей заряда.

Полупроводники — это материалы, которые обладают свойствами как обычных проводников, так и изоляторов.Полупроводники делятся на две большие категории:

• Собственные полупроводники состоят только из одного вида материала; кремний и германий — два примера. Их также называют «нелегированные полупроводники» или «полупроводники i-типа. «
• Внешние полупроводники, с другой стороны, являются внутренними полупроводниками с добавлением других веществ для изменения их свойств, то есть они были легированы другим элементом.

Внутренние полупроводники

В классических кристаллических полупроводниках электроны могут иметь энергию только в определенных диапазонах (диапазонах уровней энергии).Энергия этих зон находится между энергией основного состояния и энергией свободного электрона (энергия, необходимая для полного выхода электрона из материала). Энергетические зоны соответствуют большому количеству дискретных квантовых состояний электронов. Большинство состояний с низкой энергией (ближе к ядру) занято, вплоть до определенной зоны, называемой валентной зоной.

Полупроводники и изоляторы отличаются от металлов населенностью электронов в каждой зоне.Валентная зона в любом металле почти заполнена электронами при обычных условиях. В полупроводниках только несколько электронов существуют в зоне проводимости чуть выше валентной зоны, а изолятор почти не имеет свободных электронов.

Иллюстрация электронной зонной структуры полупроводника Это исчерпывающая иллюстрация молекулярных орбиталей в массивном материале. По мере увеличения энергии в системе электроны покидают валентную зону и переходят в зону проводимости.

Полупроводники и изоляторы также отличаются относительной шириной запрещенной зоны. В полупроводниках ширина запрещенной зоны мала, что позволяет электронам заселять зону проводимости. В изоляторах он большой, что затрудняет прохождение электронов через зону проводимости.

Внешние полупроводники

Название «внешний полупроводник» может ввести в заблуждение. В то время как изолирующие материалы могут быть легированы, чтобы стать полупроводниками, собственные полупроводники также могут быть легированы, что приводит к примесному полупроводнику.Есть два типа примесных полупроводников, которые возникают в результате легирования: атомы с дополнительным электроном (n-тип для отрицательного элемента из группы V, например, фосфор) и атомы с одним электроном меньше (p-тип для положительного элемента из группы III. , например бор).

При производстве полупроводников легирование преднамеренно вводит примеси в чрезвычайно чистый или собственный полупроводник с целью изменения его электрических свойств. Примеси зависят от типа полупроводника.Слабо- и умеренно легированные полупроводники относятся к примерам примесей. Когда полупроводник легирован до такого высокого уровня, что он больше похож на проводник, чем на полупроводник, его называют вырожденным.

Полупроводники N-типа

Полупроводники

N-типа представляют собой тип примесных полупроводников, в которых атомы примеси способны обеспечивать дополнительные электроны проводимости для материала-хозяина (например, фосфор в кремнии). Это создает избыток отрицательных (n-типа) электронных носителей заряда.

Полупроводник N-типа После легирования материала фосфором появляется дополнительный электрон.

Легирующий атом обычно имеет на один валентный электрон больше, чем один тип основных атомов. Наиболее распространенный пример — атомное замещение в твердых телах IV группы элементами V группы. Ситуация становится более неопределенной, когда хозяин содержит более одного типа атомов. Например, в полупроводниках III-V, таких как арсенид галлия, кремний может быть донором, когда он замещает галлий, или акцептором, когда он замещает мышьяк.У некоторых доноров меньше валентных электронов, чем у хозяина, например щелочные металлы, которые являются донорами в большинстве твердых тел.

Полупроводники P-типа

Полупроводник p-типа (p означает «положительный») создается путем добавления к полупроводнику атома определенного типа с целью увеличения количества свободных носителей заряда. Когда легирующий материал добавляется, он забирает (принимает) слабосвязанные внешние электроны у атомов полупроводника. Этот тип легирующего агента также известен как акцепторный материал, а вакансия, оставленная электроном, известна как дырка.Целью легирования p-типа является создание большого количества дырок.

Полупроводник P-типа После того, как материал был легирован бором, в структуре отсутствует электрон, оставляя дырку. Это позволяет упростить поток электронов.

В случае кремния трехвалентный атом замещен в кристаллической решетке. В результате один электрон отсутствует в одной из четырех ковалентных связей, обычно являющихся частью решетки кремния. Следовательно, атом примеси может принять электрон от ковалентной связи соседнего атома, чтобы завершить четвертую связь.Вот почему эти легирующие примеси называют акцепторами.

Когда атом примеси принимает электрон, это вызывает потерю половины одной связи с соседним атомом, что приводит к образованию дырки. Каждая дырка связана с ближайшим отрицательно заряженным легирующим ионом, и полупроводник в целом остается электрически нейтральным.