Полупроводники

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это материальный продукт, обычно сделанный из кремния, который проводит больше электричества, чем изолятор, такой как стекло, но меньше, чем чистый проводник, такой как медь или алюминий.

Их проводимость и другие свойства могут быть изменены путем введения примесей, называемых легированием, для удовлетворения конкретных потребностей электронного компонента, в котором они находятся.

Полупроводники, также известные как микросхемы, используются в тысячах продуктов, таких как компьютеры, смартфоны, бытовая техника, игровое оборудование и медицинское оборудование.

Полупроводниковые материалы: примеры полупроводников

В нашей статье будут рассмотрены примеры полупроводников, их свойства и применение. Эти материалы находят свое место в радиотехнике и электронике. Они нечто среднее между диэлектриком и проводником.

Кстати, простое стекло тоже можно считать полупроводником — в обычном состоянии оно не проводит электричество. Но при сильном нагреве (практически до жидкого состояния) происходит изменение свойств и стекло становится проводником. Но это исключительный пример; другие материалы немного отличаются.

Определение и свойства

Полупроводниками считаются вещества, у которых слабо выражены свойства электрической проницаемости металлов и диэлектриков, в то же время существует зависимость протекания тока от температуры, излучения и концентрации примесей. Группа полупроводников кажется более материальной, чем металлы и диэлектрики вместе взятые. Имеющиеся свойства веществ уникальны:

• Удельное электрическое сопротивление полипропилена уменьшается при нагреве тела, в отличие от металлов, у которых повышение температуры вызывает увеличение сопротивления.

В результате увеличивается проводимость. При охлаждении до абсолютного нуля – минус 273 ºC ПП приобретает способность становиться изоляторами, диэлектриками.

• Односторонняя проницаемость при контакте 2-х полупроводников — это свойство послужило движущей силой для создания выпрямительных устройств: тиристоров, диодов и транзисторов.
• Возникновение электрической движущей силы при определенных условиях: при нагреве контактов полупроводников возникает тепловой ток, а освещение вызывает напряжение фотоэффекта. ПП преобразуют солнечную энергию в электрический ток, а металлический предмет таким свойством не обладает.
• Повышение проводимости достигается введением в чистую кристаллическую решетку ПП примеси — другого химического элемента. Такими веществами будут фосфор, бор и другие добавки к кремнию.

Благодаря своим специфическим свойствам применение полупроводниковых материалов обширно: силовая микроэлектроника, промышленное машиностроение, некоторые виды ПП являются сырьем для строительных материалов. Существует несколько типов элементов, они имеют разное назначение и индивидуальные конструктивные особенности.

Виды и деление полупроводников

Названий программного обеспечения много, и для удобства они классифицируются по разным критериям. Наибольшее разделение типов полупроводников осуществляется по их составу:

• Простые материалы: кристаллические химические элементы селен Se, кремний Si, германий Ge заняли свою нишу применения и используются самостоятельно, в отличие от других, в которые чаще добавляют легирующие добавки для получения композиционных печатных плат.

Этими элементами являются сурьма Sb, углерод C, теллур Te, бор B, йод I, сера S.

• Сложные полупроводниковые материалы – в них входят химические соединения в количестве 2, 3 и более элементов. ПП, состоящие из двух звеньев, называются бинарными и выделяют компонент, металлические свойства которого менее выражены: сульфиды, при наличии серы, теллуриды (Te), арсениды (As), карбиды ©, селениды (Se).
• Оксиды металлов — вольфрама, кадмия, титана, меди, молибдена и др. к этой группе относятся составы, изготовленные на основе титаната бария, цинка и других неживых соединений с небольшими добавками.
• Органические полупроводники представляют собой красители или природные пигменты в виде аморфных и кристаллических порошков, пленок.

По обладанию определенными свойствами ПП подразделяют на диоды, транзисторы и тиристоры. К первым относятся 2 кристалла полупроводников с разной проницаемостью. Конструкция выполнена остроконечной — из кремния и металлической иглы, и плоской — из сплава германия и индия.

Транзисторы состоят из 3 ПП: 2 имеют одинаковую способность пропускать ток, а третий имеет проводимость с противоположным значением. Элементы устройства называются базой, коллектором и эмиттером. Они используются в качестве усилителей электрических сигналов.

Тиристоры являются преобразователями тока движения. Они отличаются от транзисторов своим назначением: они не могут изменять ток: их функция заключается в переключении проводимости на высокую или низкую.

Типы полупроводников

Вообще говоря, полупроводники делятся на четыре основные категории продуктов:

Микросхемы памяти действуют как временное хранилище данных и передают информацию в мозг и обратно на компьютерные устройства. Консолидация на рынке памяти продолжается, в результате чего цены на память настолько низки, что лишь немногие гиганты, такие как Toshiba, Samsung и NEC, могут позволить себе оставаться в игре.

Это центральные процессоры, содержащие основную логику выполнения задач. Доминирование Intel в сегменте микропроцессоров вытеснило почти всех конкурентов (за исключением Advanced Micro Devices — AMD) с основного рынка в более мелкие ниши или другие сегменты в целом.

Иногда их называют «стандартными чипсами», они производятся большими партиями для ежедневной обработки. Этот сегмент, в котором доминируют очень крупные азиатские производители микросхем, предлагает скудную маржу, с которой могут конкурировать только крупнейшие полупроводниковые компании.

«Система на чипе» (SOC) — это на самом деле создание микросхемы интегральной схемы с возможностью использования всей системы. Рынок вращается вокруг растущего спроса на потребительские товары, которые сочетают в себе новые функции и более низкие цены.

Поскольку двери на рынок памяти, микропроцессоров и товарных интегральных схем плотно закрыты, сегмент SOC может быть единственным, в котором достаточно места для привлечения широкого круга компаний.

Основные особенности полупроводников

Показатель проводимости составляет примерно 1000 Ом*м (при температуре 180 градусов). По сравнению с металлами полупроводники имеют снижение проводимости с повышением температуры. Этим же свойством обладают и диэлектрики. Полупроводниковые материалы имеют достаточно сильную зависимость показателя проводимости от количества и вида примесей.

Например, если в чистый германий ввести только одну тысячную часть мышьяка, проводимость увеличится примерно в 10 раз. Все без исключения полупроводники чувствительны к внешним воздействиям — ядерному излучению, свету, электромагнитным полям, давлению и т д.

Примерами полупроводниковых материалов являются сурьма, кремний, германий, теллур, фосфор, углерод, мышьяк, йод, бор, а также в виде различных соединений этих веществ.

Особенности применения полупроводников

Благодаря тому, что полупроводниковые материалы обладают такими специфическими свойствами, они получили достаточно широкое распространение. На их основе изготавливают диоды, транзисторы, симисторы, лазеры, тиристоры, датчики давления, магнитного поля, датчики температуры и так далее

После разработки полупроводников произошли коренные преобразования в автоматике, радиотехнике, кибернетике и электротехнике. Именно за счет использования полупроводников удалось добиться таких малых габаритов оборудования — не нужно использовать массивные блоки питания и радиолампы размером с полуторалитровую банку.

Полупроводниковые приборы

Можно сразу привести примеры полупроводниковых приборов — это транзисторы, тиристоры, диоды и даже микросхемы. Конечно, это не полный список. Чтобы сделать полупроводниковый прибор, нужно использовать материалы, обладающие дырочной или электронной проводимостью.

Для получения такого материала необходимо в идеально чистый полупроводник ввести добавку с концентрацией примеси менее 10-11% (она называется легирующей примесью).

Эти примеси, у которых валентность больше, чем у полупроводника, отдают свободные электроны. Эти примеси называются донорами. Но те, валентность которых меньше, чем у полупроводника, склонны захватывать и удерживать электроны. Их называют акцепторами.

Для получения полупроводника, который будет иметь только электронную проводимость, достаточно ввести в исходный материал вещество, валентность которого будет только на единицу больше.

Для примера полупроводников в физике школьного курса рассматривается германий — его валентность равна 4. К нему добавляют донор — фосфор или сурьму, их валентность равна пяти. Полупроводниковых металлов мало, в технике они практически не используются.

При этом 4 электрона в каждом атоме осуществляют установку четырех пар (ковалентных) связей с германием. Пятый электрон такой связи не имеет, а значит, находится в свободном состоянии. И если подать на него напряжение, то он сформирует электронный ток.

Термисторы

Как известно, проводимость полупроводников увеличивается с повышением температуры, так как увеличивается число носителей заряда. Грубо зависимость проводимости полупроводников от температуры можно представить в виде:

где $E$ — энергия активации (энергия, необходимая для перевода электрона в зону проводимости), $k$ — постоянная Больцмана. Вблизи абсолютного нуля все полупроводники становятся изоляторами. Сильная зависимость сопротивления полупроводников от температуры позволяет использовать их в различных областях техники.

Устройства, зависящие от зависимости сопротивления от температуры, называются термисторами.

Для изготовления терморезисторов применяют полупроводники, имеющие значительную величину отрицательного сопротивления (обычно это оксидные полупроводники). Термисторы выполнены в виде цилиндрических стержней, шариков или нитей, заключенных в изолированные стеклянные, керамические или металлические коробки.

Фотосопротивления

Как известно, электроны в полупроводниках могут переходить в зону проводимости не только при повышении температуры, но и при поглощении фотона (внутренний фотоэффект).

Есть полупроводники, энергия перехода электронов, которая составляет десятые доли электрона — один вольт, то есть на сопротивление таких проводников влияет не только видимый свет, но даже инфракрасное излучение.

Единица, основанная на изменении сопротивления полупроводников под действием света, называется фотосопротивлением. Для видимой части спектра чаще всего используют полупроводники из селена, германия, сульфида кадмия и таллия. Для инфракрасной части спектра используются полупроводники из сульфида, селенида и теллурида свинца.

Основной характеристикой таких фоторезисторов является зависимость фототока (I) от величины светового потока (F). Вольт-амперные характеристики фоторезисторов линейны. Фоторезисторы инерционные, а это значит, что фототок не сразу достигает своего максимума, он уменьшается при прекращении освещения, даже через некоторое время.

Фоторезисторы используются в автоматизации, сортировке товаров по цвету или размеру.

Варисторы

Эмпирически доказано, что в малых полях закон Ома для полупроводников можно считать справедливым.

Для разных веществ величина критического поля (напряженность поля, при которой начинается отклонение от закона Ома) сильно различается. Величина критического поля зависит от природы полупроводника, температуры и концентрации примесей.

Опытным путем установлено, что электропроводность полупроводника от напряженности поля определяется законом Булля:

где $alpha$ — температурно-зависимый коэффициент, $E_k$ — критическая напряженность поля.

Полупроводники, проводимость которых значительно возрастает с увеличением напряженности электрического поля, называются варисторами (ограничителями перенапряжений). Карбидокремниевые варисторы используются в качестве шайб в разрядниках для защиты высоковольтных линий.

Читайте также: Подключение варочной панели: схемы и комплектующие

Полупроводниковые выпрямители

При соприкосновении некоторых полупроводников иногда возникает явление, когда ток хорошо течет в одном направлении и с трудом течет в противоположном. Этот эффект особенно часто возникает, если полупроводники имеют разные типы проводимости.

Односторонняя проводимость контакта различных полупроводников используется в диодах, триодах. Для производства обычно используются германий и кремний. Такие диоды и триоды имеют достаточно большой срок службы, малые габаритные размеры, потребляют мало энергии, высокий коэффициент выпрямления.

В вентильных элементах используется однополярный провод между проводником и металлом.

Термоэлементы

Термопары сделаны из полупроводников. Они состоят из двух полупроводников, соединенных металлической пластиной. Полупроводники нагреваются в месте соединения, а противоположные концы охлаждаются (воздухом или другими способами).

Свободные концы являются полюсами термопары; к ним подключается внешняя цепь. Термоэлектрические батареи состоят из термопар. Величина термоэдс ($mathcal E$) определяется по формуле:

где ${alpha }_1 и {alpha }_2$ — термоЭДС в каждом полупроводнике при разности температур на концах, равной 1°C. КПД термобатареи составляет около 6-7%.

Если через термопару пропустить электрический ток, возникает эффект Пельтье, один спай нагревается, другой охлаждается. Это явление используется в холодильниках.

Пример 1

Задание: В чем причина отклонения от закона Ома, происходящего в полупроводниках в сильных электрических полях?

Решение:

Запишем закон Ома в дифференциальной форме:

I=сигма E слева (1,1 справа),

где $I$ — сила тока, $sigma$ — коэффициент проводимости, $E$ — напряженность электрического поля.

Сила тока может быть определена как:

I=q_env слева (1,2 справа),

где $q_e$ — заряд электрона, $n$ — концентрация заряженных частиц, $v$ — скорость электронов. Используя выражения (1.1) и (1.2) получаем, $sigma$ равна:

[sigma = frac{q_env} {E}=q_enuft(1.3right),]

где $u$ — подвижность электрона. Из выражения (1.3) следует, что закон Ома соблюдается, если подвижность и концентрация не меняются при изменении напряженности поля.

При увеличении Е выше определенного значения увеличивается подвижность электронов и увеличивается их концентрация, так как сильное поле изменяет энергетическое состояние электронов в атомах (уменьшается энергия, необходимая для входа в зону проводимости).

В сильных полях свободный электрон получает достаточно энергии, чтобы ионизировать атом решетки или атом примеси, увеличивая концентрацию электронов проводимости.

Ответ: Отклонение от закона Ома связано с влиянием сильных полей на подвижность электронов и их концентрацию.

Пример 2

Задание: Описать процесс возникновения термоЭДС в полупроводниках (термоэлектрогенератор).

Решение:

В полупроводниках кинетическая энергия теплового движения свободных электронов возрастает пропорционально абсолютной температуре. Это означает, что если в полупроводнике создать разность температур, то концентрация электронов будет увеличиваться в конце с более высокой температурой.

Следовательно, диффузия свободных электронов в полупроводнике начнется в направлении от горячего конца к холодному.

Холодный конец полупроводника будет иметь отрицательный заряд, горячий — положительный (он потеряет часть своих электронов). Диффузия будет продолжаться до того момента, пока возникающая разность потенциалов не компенсирует диффузионный поток электрического тока, возникший в обратном направлении. Это равновесие будет определять результирующую термо-ЭДС.

Использование в радиотехнике

Любой специалист, техник со знаниями в области электроники знает, что абсолютно вся современная электроника основана на использовании полупроводниковых элементов. Любое аналоговое или цифровое (дискретное) устройство основано на схемах, построенных с использованием диодов и транзисторов.

Полупроводниковый диод

Одним из первых устройств, использующих свойства полупроводников, является полупроводниковый диод. Конструкция состоит из соединения пары полупроводников с разным типом проводимости.

В результате физических процессов движения электронов и дырок на границе веществ возникает электрическое поле и образуется так называемый p-n переход.

Pn переход

P-n-переход имеет свойство однонаправленной проводимости, то есть ток через диод возникает только при подключении p-области (анода) к полюсу источника напряжения, а n-области (катода) к минусу.

Вольт-амперная характеристика диода

В обратной полярности тоже есть ток, но его величина, по сравнению с прямой полярностью, значительно меньше. Стабилитрон — это разновидность диода, основная область разрядной работы находится на противоположной ветви характеристики.

Параметр pn перехода выбирается таким образом, чтобы напряжение на стабилитроне практически не менялось в узком диапазоне обратного тока.

Первый диод, детектор, использовался еще во времена, когда теория полупроводников находилась в зачаточном состоянии.

Транзистор

Транзистор, или, как его раньше называли, триод, имеет два участка материала одинаковой проводимости и тонкий участок полупроводника на другом. Принцип транзистора заключается в том, что небольшой ток в тонкой области, называемой базой, может пропускать гораздо больший ток через другие области, коллектор и эмиттер соответственно.

В зависимости от схемы включения транзистор может иметь различное назначение: как усилительный, генерирующий и преобразующий полупроводниковый элемент.

Применение полупроводников не ограничивается вышеперечисленными областями. Есть изделия с тремя и более p-n переходами или вообще без них. Варистор — это резистор, сопротивление которого зависит от величины протекающего тока, а также полупроводниковый элемент.

Механизм электрической проводимости

Проводимость таких материалов, как полупроводники, отличается от проводимости обычных проводников. Основным условием возникновения тока в материалах является наличие достаточного количества свободных электронов.

Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон в ядре связан с двумя соседними атомами.

Электроны веществ участвуют в переносе заряда, когда получают некоторую энергию. Энергетическая работа для полупроводников составляет порядка единиц электрон-вольт (эВ). Для проводников эта величина меньше, для диэлектриков соответственно больше.

Дырка

Важной особенностью рассматриваемых материалов является то, что они могут иметь особый тип проводимости — дырочный. В электронной оболочке атома в момент отрыва и вылета электрона образуется свободное место, которое принято называть дыркой. Следовательно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.

Энергетические зоны

Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов в оболочке атома. Таких зон три:

• Кабельные стяжки;
• Запретная зона;
• Зона Валанса.

Название запретной зоны говорит о том, что в ней не может находиться электрон. Следовательно, для возникновения тока электрон должен перейти в зону проводимости из устойчивой валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем ближе свойства материала к диэлектрикам.

Подвижность

При воздействии электрического поля начинается движение носителей заряда в материалах. В данном случае это электроны и дырки. Связь между скоростью движения и величиной электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Увеличение числа взаимных столкновений является причиной уменьшения подвижности с ростом концентрации.

Электронно-дырочный переход

Полупроводник имеет два вида электропроводности — электронную и дырочную. В чистых полупроводниках (без примесей) концентрация дырок и электронов (ND и NE соответственно) одинакова. По этой причине такая электропроводность называется собственной. Суммарное значение тока будет равно:

Я = ИЭ + Я Д.

Однако если принять во внимание тот факт, что электроны имеют большую величину подвижности, чем дырки, то можно прийти к следующему неравенству:

ИЕ>Я Д.

Подвижность заряда обозначается буквой М, это одно из основных свойств полупроводников. Мобильность – это взаимосвязь между двумя параметрами. Первая — скорость движения носителя заряда (обозначается буквой В с индексом «Е» или «Д» в зависимости от типа носителя), вторая — напряженность электрического поля (обозначается буквой Е) . Его можно выразить в виде формул:

МЭ = (ВЭ/Э).

МД = (ВД/Э).

Подвижность позволяет определить путь, который проходит дырка или электрон за одну секунду, при значении напряжения 1 В/см теперь можно рассчитать собственный ток полупроводникового материала:

I = N*e*(ME+MD)*E.

Но следует отметить, что у нас есть сходство:

ВЭ = МЭ.

Н = НЭ = Н Д.

Буква ei в формуле указывает на заряд электрона (это постоянная величина).

Риски цикличности

Удивительно, но цикличность отрасли может утешить инвесторов. В некоторых других технологических секторах, таких как телекоммуникационное оборудование, никогда нельзя быть полностью уверенным, является ли состояние циклическим или постоянным. Напротив, инвесторы могут быть почти уверены, что в какой-то момент в не столь отдаленном будущем рынок изменится.

Цикличность обеспечивает определенный комфорт, но также создает риски для инвесторов. Производители чипов должны регулярно участвовать в азартных играх с высокими ставками.

Большой риск заключается в том, что после крупного проекта разработки компаниям может потребоваться много месяцев или даже лет, чтобы выяснить, сорвали ли они джекпот или сорвали все подряд. Одной из причин задержки является переплетенная, но фрагментированная структура отрасли, в которой различные сектора достигают своего пика и достигают дна в разное время.

Например, нижняя точка для литейных заводов часто наступает гораздо раньше, чем для разработчиков микросхем. Другая причина — длительные сроки выполнения заказов в отрасли: на разработку чипа или создание литейного цеха уходят годы, и еще больше времени уходит на то, чтобы продукты принесли прибыль.

Компании, производящие полупроводники, сталкиваются с классической загадкой: технология движет рынком или технология движет рынком? Инвесторы должны понимать, что оба случая применимы к полупроводниковой промышленности.

Поскольку компании тратят значительную часть своих доходов на исследования и разработки, на окупаемость которых могут уйти месяцы или даже годы, а иногда и никогда, если технология несовершенна, инвесторам следует с осторожностью относиться к заявлениям компаний, утверждающих, что они обладают самыми последними и новейшими разработками лучшие технологии в индустрии полупроводников.