Полупроводники – что это?

Полупроводники – это?

С открытием полупроводников и изучением их свойств стало возможным создавать схемы с использованием диодов и транзисторов. Вскоре из-за лучших эксплуатационных характеристик и меньших размеров они заменили электронные лампы, и тогда стало возможным производить интегральные схемы на основе полупроводниковых компонентов.

Полупроводниковые компоненты в микросхемах

Что такое полупроводники

Дать определение полупроводникам — значит охарактеризовать их с точки зрения их способности проводить электрический ток. Электропроводность этих кристаллических материалов увеличивается с повышением температуры, света и присутствия различных примесей.

полупроводники делятся на широкозонные и узкозонные, что определяет характеристики полупроводниковых материалов. Проводимость зависит от ширины запрещенной зоны и измеряется в электрон-вольтах (эВ). Этот параметр можно выразить как энергию, необходимую для проникновения электронов в токовую область. Среднее напряжение полупроводника составляет 1 эВ, которое может быть выше или ниже.

Если регулярность кристаллической решетки полупроводника нарушается посторонними атомами, эта проводимость становится примесью. Когда полупроводниковые вещества используются для изготовления компонентов микросхем, к ним специально добавляют примеси, создавая скопление большего количества дырок или электронов:

• Донор – высшая валентность, отдает электроны;
• Акцепторы – имеют меньшую валентность, они забирают электроны, образуя дырки.

Важно! Основным фактором, влияющим на проводимость проводника, является температура.

Как обеспечивается проводимость

Примерами полупроводников являются кремний и германий. В кристаллах этих веществ атомы имеют ковалентные связи. При повышении температуры некоторые электроны могут высвободиться. После этого атомы, потерявшие свои электроны, становятся положительно заряженными ионами. Поскольку связь насыщенная, электрон не может перейти к другому атому, поэтому электрон свободен. Под действием электрического поля высвободившиеся электроны могут течь в определенном направлении.

Ион, теряющий электрон, стремится «отнять» другой электрон у ближайшего атома. Если ему это удастся, атом, в свою очередь, станет ионом, пытаясь заменить потерянный электрон. В результате перемещаются «дырки» (положительные заряды), которые также могут стать упорядоченными в электрическом поле.

Собственная проводимость полупроводников

Повышение температуры приводит к более активному высвобождению электронов, что приводит к уменьшению сопротивления полупроводника и увеличению проводимости. В чистом кристалле электроны и дырки связаны примерно в равных пропорциях, и такая проводимость называется собственной проводимостью.

Проводимость p-типа и n-типа

Типы проводящих примесей делятся на:

1. Тип Р. Образуется при добавлении акцепторных примесей. Меньшее валентное состояние примеси приводит к образованию большего числа дырок. Для четырехвалентного кремния такой примесью может быть трехвалентный бор;
2. Тип Н. Если к кремнию добавить пятивалентную сурьму, количество отрицательных электронов-носителей заряда, высвободившихся в полупроводнике, увеличится.

примесная проводимость полупроводников

полупроводниковые компоненты для работы в основном используют характеристики pn-переходов. Когда два материала с разными типами проводимости вступают в контакт, на границе между ними электроны и дырки проникают друг в друга в противоположные области.

Важно! Процесс обмена полупроводниковых материалов с положительными и отрицательными носителями заряда ограничен во времени – до тех пор, пока не образуется барьерный слой.

Положительные и отрицательные носители заряда накапливаются на соединительном участке по обе стороны линии контакта. Результирующая разность потенциалов может достигать 0,6 В.

при помещении элемента pn перехода в электрическое поле его проводимость будет зависеть от подключения источника питания (ИП) p-проводящая часть является «положительной», а n-проводящая часть — «отрицательной», барьерный слой будет разрушен и через переход потечет ток. Если источник питания подключен наоборот, блокирующий слой увеличится еще больше и пропустит незначительный ток.

важный! Pn-переход имеет однонаправленную проводимость.

Использование полупроводников

На основе свойств полупроводников созданы различные устройства для использования в радиотехнике, электронике и других областях.

Диод

Однонаправленная проводимость полупроводниковых диодов определяет область их применения — главным образом выпрямление переменного тока. Другие типы диодов:

Читайте также статью: Как перезагрузить айфон 11 ресурсов

1. туннель. Содержание примесей в полупроводниковом материале, который он использует, приводит к резкому уменьшению ширины pn-перехода, и при прямом подключении может быть достигнут эффект туннельного пробоя. Для использования в радиочастотных устройствах, генераторах и измерительном оборудовании;
2. Конвертировать. Немного модифицированный туннельный диод. При прямом подключении их напряжение открытия значительно ниже, чем у традиционных диодов. Это предопределяет использование туннельных диодов для преобразования токов низкого напряжения;
3. варакторный диод. Когда pn-переход закрыт, его емкость довольно велика. Варакторный диод действует как конденсатор, емкость которого можно изменять, изменяя напряжение. Обратное напряжение увеличивается, а значение емкости уменьшается;

1. Стабилитрон. Подключаются параллельно для стабилизации напряжения на заданном участке;
2. пульс. Они используются в импульсных радиочастотных цепях из-за короткого времени переходного процесса;
3. Лавинный полёт. Используется для генерации колебаний сверхвысокой частоты. В его основе лежит лавинообразное распространение носителей заряда.

Диод Шоттки

Этот диод не изготовлен из двух полупроводниковых материалов, а полупроводник находится в контакте с металлом; Поскольку металлы не имеют кристаллической структуры, в них не может быть дырок. Это означает, что в точке контакта с полупроводниковым материалом только электроны с обеих сторон способны проникнуть и выполнить работу выхода. Это возможно, когда:

• существует полупроводник n-типа, работа выхода электрона которого меньше, чем у металла;
• существует полупроводник p-типа, работа выхода электронов которого больше, чем у металла.

В месте контакта полупроводник потеряет носители заряда и его проводимость уменьшится. Создается барьер, который можно преодолеть постоянным напряжением необходимой величины. Обратное напряжение фактически выключает диод, выполняющий роль выпрямителя. Благодаря быстродействию диоды Шоттки применяются в импульсных схемах, вычислительной технике, а также в качестве силовых диодов для выпрямления больших токов.

Видео: ПОЧЕМУ ПОЛУПРОВОДНИКИ КРУТЫЕ [РадиолюбительTV 34 ]

Транзистор

практически все микросхемы основаны на транзисторах (полупроводниковых компонентах с двумя pn-переходами). Транзисторный элемент имеет три выходных контакта:

Если на базу подается управляющий сигнал малой мощности, между коллектором и эмиттером будет проходить больший ток. Когда на базу не подается сигнал, ток не проводится. Это позволяет регулировать ток. Это устройство используется для усиления сигнала и бесконтактного переключения цепей.

Типы полупроводниковых транзисторов:

1. биполярный. У них есть положительные и отрицательные носители заряда. Ток может протекать как в прямом, так и в обратном направлении используется как усилитель;
2. сайт. Их выводы называются сток, исток, затвор. Управляется электрическим полем определенной полярности. Сигнал, подаваемый на затвор, может изменить проводимость транзистора. Носители заряда в полевых устройствах могут иметь только один знак: положительный или отрицательный. Мощные полевые транзисторы используются в усилителях звука. Их основное применение — интегральные схемы. Компактные размеры и низкое энергопотребление позволяют устанавливать их в устройства с источниками напряжения малой мощности (часами);
3. слиться. Они могут располагаться в монолитной конструкции вместе с другими транзисторными компонентами и резисторами.

Легирование полупроводников

Легирование – это введение в полупроводниковый кристалл примесных элементов (доноров и акцепторов) для регулирования его проводимости. Это происходит во время роста кристаллов или при локальном внедрении в определенных областях.

Как использовать:

1. Высокотемпературная диффузия. Полупроводниковый кристалл нагревается, и атомы примеси, контактирующие с его поверхностью, проникают вглубь него. В определенных участках кристаллической решетки атомы примеси замещают атомы основного вещества;
2. ионная имплантация. Атомы примеси ионизируются и ускоряются, бомбардируя монокристалл, создавая локальные неоднородности и образуя pn-переходы;
3. Лазерное облучение. Преимущество этого метода в том, что с помощью направленного излучения каждую зону можно нагреть до любого значения температуры, что благоприятно для внесения примесей;
4. Нейтронное легирование. Недавно использовался. Он включает облучение монокристалла тепловыми нейтронами в реакторе, вызывающее мутацию ядра. Атомы кремния превращаются в фосфор.

Существуют и другие методы легирования: химическое травление, формирование тонких пленок распылением.

Как получают полупроводники

Основная задача при получении полупроводников – очистить их от ненужных примесей. Среди множества способов их получения можно выделить два наиболее распространенных:

1. Площадь плавится. Процесс проводится в герметичном кварцевом сосуде, в который подается инертный газ. Узкая область слитка плавится и постепенно перемещается. В процессе плавления примеси перераспределяются и перекристаллизовываются с выделением чистой фракции;
2. Метод Чохральского. Он предполагает выращивание кристаллов из семян путем постепенного выдергивания их из расплавленного состава.

Выращивание кристаллов методом Чохральского

Разновидности полупроводниковых материалов

Различия в составе определяют ассортимент полупроводников:

1. К простым веществам относятся однородные вещества, используемые самостоятельно, а также примеси и компоненты сложных материалов. Кремний, селен и германий используются независимо. Бор, сурьма, теллур, мышьяк, сера, йод в качестве добавок;
2. Сложные материалы – это соединения двух и более элементов: сульфида, теллурида, карбида;
3. Оксиды кобальта, меди и европия используются в выпрямителях и фотоэлектрических элементах;
4. Органические полупроводники: индол, акридон, флаванон, пентацен. Одна из областей их применения — оптическая электроника;
5. Магнитные полупроводники. Это ферромагнитные материалы, такие как сульфид европия и оксид европия, и антиферромагнитные материалы — оксид никеля, теллурид европия. Их используют в радиотехнике, оптических устройствах, управляемых магнитными полями.

сейчас трудно назвать область техники, в которой не используются полупроводниковые материалы, в том числе при отсутствии pn-переходов, такие как термосопротивления в датчиках температуры, фоторезисторы в пультах дистанционного управления и т д.

Видео: Что такое полупроводник, транзистор, микросхема? И что такое кризис полупроводников? Разбираемся.

Видео: Полупроводники. Как работают транзисторы и диоды. Самое понятное объяснение!

Читайте также статью: Что такое сильфонные компенсаторы