Co to jest półprzewodnik

Wraz z przewodnikami elektryczności w przyrodzie istnieje wiele substancji, które mają znacznie niższą przewodność elektryczną niż przewodniki metalowe. Substancje tego typu nazywane są półprzewodnikami.

Półprzewodniki obejmują: niektóre pierwiastki chemiczne, takie jak selen, krzem i german, związki siarki, takie jak siarczek talu, siarczek kadmu, siarczek srebra, węgliki, takie jak karborund, węgiel (diament), bor, cyna, fosfor, antymon, arsen, tellur, jod , oraz liczba związków, które zawierają co najmniej jeden z elementów grupy 4-7 systemu Mendelejewa. Istnieją również półprzewodniki organiczne.

Charakter przewodnictwa elektrycznego półprzewodnika zależy od rodzaju zanieczyszczeń obecnych w materiale podłoża półprzewodnika oraz od technologii wytwarzania jego części składowych.

Półprzewodnik — substancja z przewodnictwo elektryczne 10-10 — 104 (om x cm)-1 znajduje się według tych właściwości między przewodnikiem a izolatorem.Różnica między przewodnikami, półprzewodnikami i izolatorami zgodnie z teorią pasmową jest następująca: w czystych półprzewodnikach i izolatorach elektronicznych istnieje zabronione pasmo energii między pasmem wypełnionym (walencyjnym) a pasmem przewodnictwa.

Dlaczego półprzewodniki przewodzą prąd

Półprzewodnik ma przewodnictwo elektronowe, jeśli zewnętrzne elektrony w jego atomach zanieczyszczeń są stosunkowo słabo związane z jądrami tych atomów. Jeśli w tego typu półprzewodniku powstanie pole elektryczne, to pod wpływem sił tego pola zewnętrzne elektrony atomów domieszek półprzewodnika opuszczą granice swoich atomów i staną się elektronami swobodnymi.

Swobodne elektrony będą wytwarzać prąd przewodzący w półprzewodniku pod wpływem sił pola elektrycznego. Dlatego natura prądu elektrycznego w półprzewodnikach przewodzących prąd elektryczny jest taka sama jak w przewodnikach metalowych. Ale ponieważ na jednostkę objętości półprzewodnika przypada wielokrotnie mniej elektronów swobodnych niż na jednostkę objętości przewodnika metalicznego, jest rzeczą naturalną, że przy tych samych innych warunkach prąd w półprzewodniku będzie wielokrotnie mniejszy niż w metalicznym konduktor.

Półprzewodnik ma przewodnictwo „dziurowe”, jeśli atomy jego zanieczyszczeń nie tylko nie oddają swoich zewnętrznych elektronów, ale wręcz przeciwnie, mają tendencję do wychwytywania elektronów atomów głównej substancji półprzewodnika. Jeśli atom domieszki zabiera elektron z atomu głównej substancji, to w tej ostatniej powstaje rodzaj wolnej przestrzeni dla elektronu - „dziura”.

Atom półprzewodnika, który utracił elektron, nazywany jest „dziurą elektronową” lub po prostu „dziurą”.Jeśli „dziura” zostanie wypełniona elektronem przeniesionym z sąsiedniego atomu, to jest on eliminowany i atom staje się elektrycznie obojętny, a „dziura” przesuwa się do sąsiedniego atomu, który utracił elektron. Dlatego też, jeśli do półprzewodnika z przewodnictwem „dziurowym” zostanie przyłożone pole elektryczne, „dziury elektronowe” będą się przemieszczać w kierunku tego pola.

Odchylenie „dziur elektronowych” w kierunku działania pola elektrycznego jest podobne do ruchu dodatnich ładunków elektrycznych w polu i dlatego jest zjawiskiem prądu elektrycznego w półprzewodniku.

Półprzewodników nie można ściśle rozróżnić na podstawie mechanizmu ich przewodnictwa elektrycznego, ponieważ wraz z przewodnictwem „dziurowym” ten półprzewodnik może mieć przewodnictwo elektroniczne w takim czy innym stopniu.

Półprzewodniki charakteryzują się:

• rodzaj przewodnictwa (elektroniczny - typ n, otwór - typ p);

• opór;

• czas życia nośnika ładunku (mniejszość) lub długość dyfuzji, szybkość rekombinacji powierzchniowej;

• gęstość dyslokacji.

Zobacz też: Charakterystyki prądowo-napięciowe półprzewodników Krzem jest najpopularniejszym materiałem półprzewodnikowym

Temperatura ma istoty, które wpływają na właściwości półprzewodników. Jej wzrost prowadzi głównie do spadku odporności i odwrotnie, tj. półprzewodniki charakteryzują się obecnością ujemnego współczynnik temperaturowy oporu… W pobliżu zera bezwzględnego półprzewodnik staje się izolatorem.

Wiele urządzeń opartych jest na półprzewodnikach. W większości przypadków należy je otrzymać w postaci monokryształów.Aby nadać pożądane właściwości, półprzewodniki są domieszkowane różnymi zanieczyszczeniami. Zwiększone wymagania stawiane są czystości wyjściowych materiałów półprzewodnikowych.

Urządzenia półprzewodnikowe

Obróbka cieplna półprzewodników

Obróbka cieplna półprzewodnika — nagrzewanie i chłodzenie półprzewodnika zgodnie z zadanym programem w celu zmiany jego właściwości elektrofizycznych.

Zmiany: modyfikacja kryształów, gęstość dyslokacji, koncentracja wakatów lub defektów strukturalnych, rodzaj przewodnictwa, koncentracja, ruchliwość i czas życia nośników ładunku. Ostatnie cztery dodatkowo można wiązać z oddziaływaniem zanieczyszczeń i defektów strukturalnych lub z dyfuzją zanieczyszczeń w masie kryształów.

Ogrzanie próbek germanu do temperatury >550°C, a następnie szybkie schłodzenie powoduje pojawienie się akceptorów ciepła w stężeniach im wyższa temperatura. Późniejsze wyżarzanie w tej samej temperaturze przywraca rezystancję początkową.

Prawdopodobnym mechanizmem tego zjawiska jest rozpuszczanie się miedzi w sieci germanu, która dyfunduje z powierzchni lub była wcześniej osadzona na dyslokacjach. Powolne wyżarzanie powoduje, że miedź osadza się na defektach strukturalnych i opuszcza sieć. Możliwe jest również pojawienie się nowych defektów strukturalnych podczas szybkiego chłodzenia. Oba mechanizmy mogą skrócić żywotność, co zostało ustalone eksperymentalnie.

W krzemie w temperaturach 350 — 500 ° tworzenie donorów termicznych zachodzi w stężeniach, im więcej tlenu rozpuszcza się w krzemie podczas wzrostu kryształów. W wyższych temperaturach donory ciepła ulegają zniszczeniu.

Podgrzanie do temperatur w zakresie 700 — 1300° gwałtownie skraca żywotność nośników ładunku mniejszościowego (przy > 1000° decydującą rolę odgrywa dyfuzja zanieczyszczeń z powierzchni). Ogrzanie krzemu w temperaturze 1000-1300° wpływa na optyczną absorpcję i rozpraszanie światła.

Zastosowanie półprzewodników

W nowoczesnych technologiach półprzewodniki znalazły najszersze zastosowanie; miały bardzo silny wpływ na postęp technologiczny. Dzięki nim możliwe jest znaczne zmniejszenie wagi i wymiarów urządzeń elektronicznych. Rozwój wszystkich dziedzin elektroniki prowadzi do powstania i udoskonalania ogromnej liczby różnorodnych urządzeń opartych na elementach półprzewodnikowych. Urządzenia półprzewodnikowe służą jako podstawa do mikroogniw, mikromodułów, obwodów twardych itp.

Urządzenia elektroniczne oparte na przyrządach półprzewodnikowych są praktycznie bezwładnościowe. Starannie skonstruowane i dobrze uszczelnione urządzenie półprzewodnikowe może działać przez dziesiątki tysięcy godzin. Jednak niektóre materiały półprzewodnikowe mają mały limit temperatury (np. german), ale niezbyt trudna kompensacja temperatury lub zastąpienie podstawowego materiału urządzenia innym (np. krzem, węglik krzemu) w dużej mierze eliminuje tę wadę. technologii wytwarzania przyrządów półprzewodnikowych skutkuje zmniejszeniem istniejącego jeszcze rozrzutu i niestabilności parametrów.

Półprzewodniki w elektronice

Styk półprzewodnik-metal i złącze elektron-dziura (złącze n-p) powstające w półprzewodnikach są wykorzystywane do produkcji diod półprzewodnikowych.Podwójne złącza (p-n-p lub n-R-n) — tranzystory i tyrystory. Urządzenia te służą głównie do prostowania, generowania i wzmacniania sygnałów elektrycznych.

Właściwości fotoelektryczne półprzewodników są wykorzystywane do tworzenia fotorezystorów, fotodiod i fototranzystorów. Półprzewodnik służy jako aktywna część oscylatorów (wzmacniaczy) oscylacji lasery półprzewodnikowe… Kiedy prąd elektryczny przepływa przez złącze pn w kierunku do przodu, nośniki ładunku — elektrony i dziury — rekombinują z emisją fotonów, która jest wykorzystywana do tworzenia diod LED.

diody LED

Właściwości termoelektryczne półprzewodników umożliwiły tworzenie półprzewodnikowych rezystancji termoelektrycznych, termoelementów półprzewodnikowych, termoelementów i generatorów termoelektrycznych oraz termoelektryczne chłodzenie półprzewodników w oparciu o efekt Peltiera, — lodówki termoelektryczne i termostabilizatory.

Półprzewodniki są stosowane w mechanicznych przetwornikach ciepła i energii słonecznej, w generatorach elektrycznych — termoelektrycznych i przetwornikach fotoelektrycznych (ogniwach słonecznych).

Obciążenie mechaniczne przyłożone do półprzewodnika zmienia jego opór elektryczny (efekt jest silniejszy niż w przypadku metali), który jest podstawą tensometru półprzewodnikowego.

Urządzenia półprzewodnikowe rozpowszechniły się w światowej praktyce rewolucjonizując elektronikę, służą jako podstawa do rozwoju i produkcji:

• sprzęt pomiarowy, komputery,

• sprzęt do wszelkiego rodzaju łączności i transportu,

• do automatyzacji procesów przemysłowych,

• urządzenia badawcze,

• rakieta,

• wyposażenie medyczne

• inne urządzenia i urządzenia elektroniczne.

Zastosowanie przyrządów półprzewodnikowych pozwala tworzyć nowy sprzęt i ulepszać stary, co oznacza, że ​​zmniejsza jego gabaryty, wagę, pobór mocy, a co za tym idzie, zmniejsza wydzielanie się ciepła w obwodzie, zwiększa wytrzymałość, natychmiastową gotowość do działania, daje pozwala na zwiększenie żywotności i niezawodności urządzeń elektronicznych.