Какво е полупроводник

Наред с проводниците на електричество, в природата има много вещества, които имат значително по -ниска електрическа проводимост от металните проводници. Вещества от този вид се наричат ​​полупроводници.

Полупроводниците включват: някои химични елементи като селен, силиций и германий, серни съединения като талиев сулфид, кадмиев сулфид, сребърен сулфид, карбиди като карборунд, въглерод (диамант), бор, сив калай, фосфор, антимон, арсен, телур, йод и редица съединения, които включват поне един от елементите на 4 — 7 група от системата на Менделеев. Има и органични полупроводници.

Характерът на електрическата проводимост на полупроводника зависи от вида примеси, присъстващи в основния материал на полупроводника, и от технологията на производство на съставните му части.

Полупроводник — вещество с електропроводимост 10-10 — 104 (ом х см)-1, разположени по тези свойства между проводника и изолатора. Разликата между проводници, полупроводници и изолатори според теорията на лентите е следната: в чистите полупроводници и електронните изолатори има забранена енергийна лента между запълнената (валентна) зона и проводимостта.

Защо полупроводниците провеждат ток

Полупроводникът има електронна проводимост, ако външните електрони в атомите на неговия примес са относително слабо свързани с ядрата на тези атоми. Ако в този вид полупроводник се създаде електрическо поле, тогава под въздействието на силите на това поле външните електрони на примесните атоми на полупроводника ще напуснат границите на своите атоми и ще се превърнат в свободни електрони.

Свободните електрони ще създадат електрически ток на проводимост в полупроводника под въздействието на силите на електрическото поле. Следователно, природата на електрическия ток в електропроводимите полупроводници е същата като в металните проводници. Но тъй като има много пъти по -малко свободни електрони на единица обем на полупроводник, отколкото на единица обем на метален проводник, естествено е, че при всички други условия същите, токът в полупроводника ще бъде многократно по -малък, отколкото в метален проводник.

Полупроводник притежава «дупка» проводимост, ако атомите на неговия примес не само не се отказват от външните си електрони, а напротив, са склонни да улавят електроните на атомите на основното вещество на полупроводника. Ако примесен атом отнеме електрон от атом на основното вещество, тогава в последното се образува нещо като свободно пространство за електрон — „дупка“.

Полупроводников атом, който е загубил електрон, се нарича «електронна дупка» или просто «дупка». Ако «дупката» е запълнена с електрон, преминал от съседен атом, тогава тя се елиминира и атомът става електрически неутрален, а «дупката» се измества към съседния атом, който е загубил електрон. Следователно, ако се приложи електрическо поле към полупроводник с «дупка» проводимост, «електронните дупки» ще се изместят в посоката на това поле.

Пристрастия «Електронни дупки» по посока на действие на електрическо поле е подобно на движението на положителни електрически заряди в поле и следователно е явление на електрически ток в полупроводник.

Полупроводниците не могат да бъдат строго диференцирани според механизма на тяхната електрическа проводимост, тъй като заедно с „Дупкова“ проводимост, този полупроводник може в една или друга степен да притежава електронна проводимост.

Полупроводниците се характеризират с:

• вид проводимост (електронен — н-тип, дупка -р -тип);

• съпротивление;

• живота на носителите на заряд (малцинство) или дължината на дифузия, скоростта на повърхностна рекомбинация;

• плътност на дислокация.

Вижте също: Токово-напрежени характеристики на полупроводниците Силицийът е най -разпространеният полупроводников материал

Температурата има същества, които влияят върху характеристиките на полупроводниците. Увеличаването му основно води до намаляване на съпротивлението и обратно, т.е. полупроводниците се характеризират с наличието на отрицателни температурен коефициент на съпротивление… Близо до абсолютната нула, полупроводникът се превръща в изолатор.

Много устройства са базирани на полупроводници. В повечето случаи те трябва да бъдат получени под формата на монокристали. За да придадат желаните свойства, полупроводниците се легират с различни примеси. Повишени изисквания се налагат върху чистотата на изходните полупроводникови материали.

Полупроводникови устройства

Полупроводникова термична обработка

Топлинна обработка на полупроводник — нагряване и охлаждане на полупроводник по дадена програма с цел промяна на неговите електрофизични свойства.

Промени: кристална модификация, плътност на дислокация, концентрация на свободни места или структурни дефекти, вид проводимост, концентрация, подвижност и живот на носителите на заряд. Последните четири, в допълнение, могат да бъдат свързани с взаимодействието на примеси и структурни дефекти или с дифузията на примеси в по -голямата част от кристалите.

Загряването на пробите от германий до температура> 550 ° C с последващо бързо охлаждане води до появата на термични акцептори в концентрации, колкото по -висока е температурата. Последващото отгряване при същата температура възстановява първоначалното съпротивление.

Вероятният механизъм на това явление е разтварянето на медта в германиевата решетка, която дифундира от повърхността или преди това е била отложена върху дислокации. Бавното отгряване води до отлагане на мед върху структурни дефекти и излизане от решетката. Възможно е и появата на нови структурни дефекти при бързо охлаждане. И двата механизма могат да намалят живота, който е установен експериментално.

В силиция при температури 350 — 500 ° образуването на термични донори става в концентрации, колкото по -високи, толкова повече кислород се разтваря в силиция по време на растежа на кристалите. При по -високи температури донорите на топлина се унищожават.

Нагряването до температури в диапазона 700 — 1300 ° рязко намалява живота на малцинствените носители на заряд (при> 1000 ° решаващата роля играе дифузията на примеси от повърхността). Нагряването на силиций при 1000-1300 ° оказва влияние върху оптичното поглъщане и разсейването на светлината.

Приложение на полупроводници

В съвременните технологии полупроводниците са намерили най -широко приложение; те са оказали много силно влияние върху технологичния прогрес. Благодарение на тях е възможно значително да се намали теглото и размерите на електронните устройства. Развитието на всички области на електрониката води до създаването и усъвършенстването на голям брой разнообразно оборудване на базата на полупроводникови устройства. Полупроводниковите устройства служат като основа за микроелементи, микромодули, твърди вериги и др.

Електронните устройства, базирани на полупроводникови устройства, са практически без инерции. Внимателно конструираното и добре запечатано полупроводниково устройство може да издържи десетки хиляди часове. Някои полупроводникови материали обаче имат малка температурна граница (например германий), но не много трудна температурна компенсация или подмяна на основния материал на устройството с друг (например силиций, силициев карбид) до голяма степен премахва този недостатък.Подобряването на технологията за производство на полупроводникови устройства води до намаляване на все още съществуващото разсейване и нестабилност на параметрите.

Полупроводници в електрониката

Полупроводниково-метален контакт и свързване между електронни отвори (н-p-съединение), създадени в полупроводници, се използват при производството на полупроводникови диоди. Двойни преходи (p-н-p или н-R-н) — транзистори и тиристори. Тези устройства се използват главно за коригиране, генериране и усилване на електрически сигнали.

Фотоелектрическите свойства на полупроводниците се използват за създаване на фоторезистори, фотодиоди и фототранзистори. Полупроводникът служи като активна част от осцилаторите (усилвателите) на трептенията полупроводникови лазери… Когато електрически ток преминава през pn кръстовището в посока напред, носителите на заряд — електрони и дупки — се комбинират отново с излъчването на фотони, което се използва за създаване на светодиоди.

Светодиоди

Термоелектрическите свойства на полупроводниците направиха възможно създаването на полупроводникови термоелектрически съпротивления, полупроводникови термоелементи, термоелементи и термоелектрически генератори и термоелектрическо охлаждане на полупроводници на базата на ефекта на Пелтие, — термоелектрически хладилници и термостабилизатори.

Полупроводниците се използват в машинни преобразуватели на топлинна и слънчева енергия в електрически — термоелектрически генератори и фотоелектрични преобразуватели (слънчеви батерии).

Механичното напрежение, приложено към полупроводник, променя електрическото му съпротивление (ефектът е по -силен, отколкото при металите), което е в основата на полупроводниковия тензометър.

Полупроводниковите устройства са получили широко разпространение в световната практика, революционизирайки електрониката, те служат като основа за разработването и производството на:

• измервателна техника, компютри,

• оборудване за всички видове комуникации и транспорт,

• за автоматизация на процесите в промишлеността,

• устройства за научни изследвания,

• ракета,

• медицинско оборудване

• други електронни устройства и устройства.

Използването на полупроводникови устройства ви позволява да създавате ново оборудване и да подобрявате старо, което означава, че намалява неговия размер, тегло, консумация на енергия и следователно, намаляване на генерирането на топлина във веригата, увеличаване на якостта, незабавна готовност за действие, тя ви позволява да увеличите експлоатационния живот и надеждността на електронните устройства.