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

Приветствую вас на канале Next 3D Print. Думаю, в последнее время все слышали про полупроводники, и их дефицит. Я предлагаю разобраться что они из себя представляют, окунуться в историю, и как обстоят дела на самом деле. Так что предлагаю вам налить чаю, кофе или на ваш выбор напитка, устроиться с комфортом и начать.

Если вам проще усваивать материал на слух то можете посмотреть видео:

А для любителей текста сама статья:

Что является собой полупроводник?

Для начала надо определиться с понятиями, а для этого придется немного окунуться в физику. Но не бойтесь мои хорошие грузить формулами и схемами я вас не буду, это больше вводный курс в основы.

Полупроводник представляет собой материал с особыми электропроводными свойствами. Именно благодаря этим свойствам можно получить диод, а за ним и транзистор. На транзисторах у нас сейчас работает вся электроника. Важно отметить, что электроника и электрика — это разные вещи. То есть простой масляный обогреватель — это электрический прибор, а не электронный, а вот если ему добавить блок управления, в котором будут транзисторы или микросхемы то он станет электронным прибором. То есть мы можем сделать такой вывод – что все приборы, где есть транзисторы или микросхемы то это электроника, если этого нет, то это электрические приборы.

И думаю в этот момент меня поймут гитаристы, ведь электрогитара — это электрическая гитара, конечно сейчас есть и всякие интеллектуальные гитары, но это уже другое. Так что-то я немного отвлекся, вернемся к полупроводникам.

Диод, транзистор, микросхема.

Так вот сам по себе полупроводник, как мы говорили, это просто материал. А вот чтобы он выполнял поставленные задачи нужно создать P-N переход. Так стоп не надо пугаться сейчас всё объясню на пальцах. Абы какой кремний нам не подойдет нам нужен чистейший а именно чистота материала должна составлять 99 и еще семь девяток после запятой, монокристалл кремния, моно означает что он имеет непрерывную кристаллическую решётку.

Затем этот кристалл нарезаем на тонкие пластины. Чтобы проще представить монокристалл кремния — это палка колбасы, а пластины это тот кусок колбасы, который вы кладете на хлеб.

А вот теперь берём эту кремниевую пластину и атомами фосфора или мышьяка проводим бомбардировку. По итогу мы получим уже полупроводник n-типа в котором электронов будет больше, это такие заряженные ребята в кремнии, а то что их больше означает что некоторые из них свободны. Кстати говоря, такая бомбардировка называется легирование полупроводников.

А вот если мы пластину насытим атомами бора то уже получается полупроводник p-типа. Это уже обратный тип полупроводника, то есть вместо электронов — их отсутствие, которое довольно просто называют: дырки.

Также мы можем на одной пластине проводить такие бомбёжки только определённых участков, тем самым, получая нужные типы полупроводников. Если немного углубиться в процесс создания микросхем, то самый близкий аналог будет, как ни удивительно, из кулинарии, а именно — многослойные торты.

Вот мы получили два полупроводника: P-типа с — дырками и N-типа — с электронами. И теперь, когда мы соединим их друг с другом, мы получим самый первый полупроводниковый компонент. Компонент это называется диод. Не идиот — это роман Достоевского, а диод. Он, в принципе и называется из двух греческих слов два и путь, что он, собственно, из себя и представляет. Изучения над диодами велись и ранее, но в оборот эти компоненты как диод ввел Вильям Генри Иклс в 1919 году. Стоит отметить, что есть несколько типов диодов, но всё же сейчас я ввожу вас в общий курс дел.

Так вот, а если мы сделаем бутерброд из двух слоев P-типа, а между ними добавим слой N-типа или наоборот, то таким образом мы получим триод или же более популярно сказать транзистор. По правде говоря, изобретение транзистора является величайшим достижением 20-го века. До этого были известны и очень часто пользовались вакуумные триоды и диоды, это период ламповых приборов.

В принципе вакуумные триоды и диоды выполняли все те же функции, что и полупроводниковые транзисторы и диоды, однако имели более крупные габариты, и большее энергопотребление.

То есть схематически ноутбук можно собрать и на ламповых приборах, но вот взять назвать его компактным и мобильным уже не получится. А чтобы его запитать вам потребуется электрогенератор. И думаю, далее не стоит объяснять почему полупроводники захватили все сферы? Я думаю, все и так это понимают, так что продолжим.

Грубо говоря, транзистор это такой переключатель, то есть при небольшом входном сигнале он может управлять значительным током на выходе, а также очень малым временем задержки. Кстати, на этом принципе строятся все транзисторные усилители.

Идём дальше, если мы добавим на кремний не один такой транзистор, а несколько десятков — то мы получим уже микросхему, которая может обладать логикой работы, или выполнять другие заранее заложенные в нее функции.

К слову, в современном компьютерном процессоре таком как Intel Core i9-12900K, количество транзисторов может достигать примерно 3 млрд.

Кризис полупроводников

Так вот плавно мы подошли к вопросу о всем насущном кризисе полупроводников.

И исходя из всего о чём я уже сказал, у меня в голове немного не связывались определения, я думаю ну неужели кончается вещества, которые применяются в изготовлении полупроводников таких как: кремний, бор, сапфир, мышьяк и так далее.

Также был вопрос почему именно автопроизводители больше всех кричат о том, что сейчас кризис полупроводников.

Тем самым я углубился в этот вопрос, и оказалось, что официально это называется глобальная нехватка микросхем. И выражается он в том, что спрос превышает предложение примерно на 10-30%.

И логично что данный дефицит сказался на множестве отраслей и еще скажется.

Если смотреть в причины, то первым толчком стала пандемия ковид-19, когда многие производства были закрыты на карантин, а потребление электроники во всём мире выросло. Далее в октябре 2020 года произошёл пожар на Asahi Kasei Microdevices (AKM) которое входит в состав бизнес-групп Asahi Kasei Corporation. А выпускались там микросхемы используемые в обработке видео, мобильной связи, оптических сетях, которые применялись в автомобильных рынках.

Это, кстати, и есть причина почему все автопроизводители кричат об этом дефиците. Ведь из-за этого пожара он затронул их сильнее.

Но было не так бы плохо если бы в марте 2021 года не произошел пожар еще на одном заводе компании Runesasu Erekutoronikusu Kabushiki Gaisha. Которая также производила микросхемы для автомобильной отрасли.

Тем самым я получил ответ почему об этом кризисе заявляет именно автомобильная промышленность.

Также стоит отметить то, что хоть и IT сфера не так пострадала, но там есть другая угроза, а именно до сих пор разворачивающийся майнинг криптовалюты. Так как спрос на комплектующие вырос многократно, что не могли предвидеть производители. Во многом он связан именно с дефицитом микросхем памяти, которые, кроме ноутбуков, игровых консолей, планках памяти для персональных компьютеров и серверов, также используются в видеокартах(которые разбирают майнеры, как горячие пирожки). Но на данный момент дефицит в этой сфере не такой большой, а производители в свою очередь продолжают наращивать обороты.

Когда я углубился в эту тему — я понял что, этот кризис не надуман, и не способ нарастить цену, хотя и не без этого скорее всего. Но и довольно закономерный итог современного мира. Так как сфер где применяются микросхемы всё больше, ведь сейчас практически вся бытовая техника носит гордое название “умная” что в свою очередь означает что там есть процессор который обрабатывает данные. В свою очередь рыночные механизмы повышают цену на товар, который пользуется спросом, тем самым ограничивая спрос, сохраняют товар на полках.

Вывод.

На этом можно и заканчивать. Я постарался вкратце рассказать что есть полупроводник, а что — микросхема, а также немного покопаться и порассуждать на тему кризиса микросхем. И почему именно автомобильная промышленность об этом кризисе кричит больше всех. А вы, пожалуйста пишите в комментариях что думаете на эту тему, и сможет ли мир нарастить производство чтобы покрыть спрос. Не забываем подписываться на канал и поставить лайк, ссылки на все площадки в описании.

Всем пока и до новых встреч!

Мы в Дзене: https://zen.yandex.ru/next3dprint

Мы в ВК: https://vk.com/next3d

Мы на youtube: https://clck.ru/TvCwt

Мы на rutube: https://goo.su/a845f

Автор: Зиновьев С. А.

Редактор: Богомолов М.М.

Полупроводник | это… Что такое Полупроводник?

Монокристаллический кремний — полупроводниковый материал, наиболее широко используемый в промышленности на сегодняшний день

Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

[1]

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Содержание 1 Механизм электрической проводимости 1. 1 Дырка 1.2 Энергетические зоны 1.3 Подвижность 2 Собственная плотность 3 Виды полупроводников 3.1 По характеру проводимости 3.1.1 Собственная проводимость 3.1.2 Примесная проводимость 3.2 По виду проводимости 3.2.1 Электронные полупроводники (n-типа) 3.2.2 Дырочные полупроводники (р-типа) 4 Использование в радиотехнике 4.1 Полупроводниковый диод 4.2 Транзистор 5 Типы полупроводников в периодической системе элементов 6 Физические свойства и применение 6.1 Легирование 7 Методы получения 8 Оптика полупроводников 9 Список полупроводников 9.1 Группа IV 9.2 Группа III-V 9.3 Группа II-VI 9.4 Группа I-VII 9.5 Группа IV-VI 9.6 Группа V-VI 9.7 Группа II—V 9.8 Другие 9.9 Органические полупроводники 9. 10 Магнитные полупроводники 10 См. также 11 Примечания 12 Литература 13 Ссылки

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, как и алмаза, 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 0,4·10⁻¹⁹ Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное 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

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. Это 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 примеси

Подвижностью называют коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью носителей тока и величиной приложенного электрического поля

При этом, вообще говоря, подвижность является тензором:

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).

Собственная плотность

При термодинамическом равновесии, плотность электронов полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

где:

 — Постоянная Планка

 — масса электрона

 — температура;

 — уровень проводимой зоны

— уровень Ферми;

Также, плотность дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

где:

 — Постоянная Планка;

 — масса дырки;

 — температура;

 — уровень Ферми;

 — уровень валентной зоны.

Собственная плотность связана с и следующим соотношением:

Виды полупроводников

По характеру проводимости

Собственная проводимость

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

где  — удельное сопротивление,  — подвижность электронов,  — подвижность дырок,  — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602·10⁻¹⁹ Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)

Полупроводник n-типа

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)

Полупроводник p-типа

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Использование в радиотехнике

Полупроводниковый диод

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. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В.

Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:

где  — термодинамическое напряжение,  — концентрация электронов,  — концентрация дырок,  — собственная концентрация^[2].

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). 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). Обратный ток полупроводникового диода 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

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. Область кристалла между двумя переходами называют базой, а внешние области называют эмиттером и коллектором. Самой употребляемой схемой включения транзистора является схема включения с общим эмиттером, при которой через базу и эмиттер ток распространяется на коллектор.

Биполярный транзистор используют для усиления электрического тока.

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В нижеследующей таблице представлена информация о большом количестве полупроводниковых элементов и их соединений, разделённых на несколько типов:

• одноэлементные полупроводники IV группы периодической системы элементов,
• сложные: двухэлементные A^IIIB^V и A^IIB^VI из третьей и пятой группы и из второй и шестой группы элементов соответственно.

Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой зоны от периода, а именно — с увеличением периода ширина запрещённой зоны уменьшается.

Группа	IIB	IIIA	IVA	VA	VIA
Период
2		5 B	6 C	7 N
3		13 Al	14 Si	15 P	16 S
4	30 Zn	31 Ga	32 Ge	33 As	34 Se
5	48 Cd	49 In	50 Sn	51 Sb	52 Te
6	80 Hg

Физические свойства и применение

Прежде всего, следует сказать, что физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. В немалой степени этому способствует огромное количество эффектов, которые не могут быть наблюдаемы ни в тех ни в других веществах, прежде всего связанные с устройством зонной структуры полупроводников, и наличием достаточно узкой запрещённой зоны. Конечно же, основным стимулом для изучения полупроводников является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает и другие соединения (Ge, GaAs, InP, InSb).

Кремний — непрямозонный полупроводник, оптические свойства которого широко используются для создания фотодиодов и солнечных батарей, однако его очень трудно заставить работать в качестве источника света, и здесь вне конкуренции прямозонные полупроводники — соединения типа A^IIIB^V, 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 легировании ситуация может поменяться (см. вырожденные полупроводники).

В связи с тем, что технологи могут получать очень чистые вещества, встаёт вопрос о новом эталоне для числа Авогадро.

Легирование

Основная статья: Легирование

Объёмные свойства полупроводника могут сильно зависеть от наличия дефектов в кристаллической структуре. И поэтому стремятся выращивать очень чистые вещества, в основном для электронной промышленности. Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Например, широко распространённый кремний можно легировать элементом V подгруппы периодической системы элементов — фосфором, который является донором, и создать n-Si. Для получения кремния с дырочным типом проводимости (p-Si) используют бор (акцептор). Также создают компенсированные полупроводники с тем чтобы зафиксировать уровень Ферми в середине запрещённой зоны.

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.

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 , где  — ширина запрещённой зоны,  — 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 , где  — 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.

Список полупроводников

Полупроводниковые соединения делят на несколько типов:

• простые полупроводниковые материалы — собственно химические элементы: бор B, углерод C, германий Ge, кремний Si, селен Se, сера S, сурьма Sb, теллур Te и йод I. Самостоятельное применение широко нашли германий, кремний и селен. Остальные чаще всего применяются в качестве легирующих добавок или в качестве компонентов сложных полупроводниковых материалов;
• в группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три и более химических элементов. Полупроводниковые материалы этой группы, состоящие из двух элементов, называют бинарными, и так же, как это принято в химии, имеют наименование того компонента, металлические свойства которого выражены слабее. Так, бинарные соединения, содержащие мышьяк, называют арсенидами, серу — сульфидами, теллур — теллуридами, углерод — карбидами. Сложные полупроводниковые материалы объединяют по номеру группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, к которой принадлежат компоненты соединения, и обозначают буквами латинского алфавита (A — первый элемент, B — второй и т. д.). Например, бинарное соединение фосфид индия InP имеет обозначение A^IIIB^V

Широкое применние получили следующие соединения:

A^IIIB^V

• InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN

A^IIB^V

• CdSb, ZnSb

A^IIB^VI

• ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS

A^IVB^VI

• PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe

а также некоторые окислы свинца, олова, германия, кремния а также феррит, аморфные стёкла и многие другие соединения (A^IB^IIIC₂^VI, A^IB^VC₂^VI, A^IIB^IVC₂^V, A^IIB₂^IIC₄^VI, A^IIB^IVC₃^VI).

На основе большинства из приведённых бинарных соединений возможно получение их твёрдых растворов: (CdTe)_x(HgTe)_1-x, (HgTe)_x(HgSe)_1-x, (PbTe)_x(SnTe)_1-x, (PbSe)_x(SnSe)_1-x и других.

Соединения A^IIIB^V, в основном, применяются для изделий электронной техники, работающих на сверхвысоких частотах

Соединения A^IIB^V используют в качестве люминофоров видимой области, светодиодов, датчиков Холла, модуляторов.

Соединения A^IIIB^V, A^IIB^VI и A^IVB^VI применяют при изготовлении источников и приёмников света, индикаторов и модуляторов излучений.

Окисные полупроводниковые соединения применяют для изготовления фотоэлементов, выпрямителей и сердечников высокочастотных индуктивностей.

Физические свойства соединений типа A^IIIB^V

Параметры	AlSb	GaSb	InSb	AlAs	GaAs	InAs
Температура плавления, К	1333	998	798	1873	1553	1218
Постоянная решётки, Å	6,14	6,09	6,47	5,66	5,69	6,06
Ширина запрещённой зоны ΔE, эВ	0,52	0,7	0,18	2,2	1,32	0,35
Диэлектрическая проницаемость ε	8,4	14,0	15,9	—	—	—
Подвижность, см²/(В·с):
электронов	50	5000	60 000	—	4000	3400[3]
дырок	150	1000	4000	—	400	460[3]
Показатель преломления света, n	3,0	3,7	4,1	—	3,2	3,2
Линейный коэффициент теплового расширения, K-1	—	6,9·10-6	5,5·10-6	5,7·10-6	5,3·10-6	—

Группа IV

• собственные полупроводники
  • Кремний, Si
  • Германий, Ge
  • Серое олово, α-Sn

• составной полупроводник
  • Карбид кремния, SiC
  • Кремний-германий, SiGe

Группа III-V

• 2-х компонентные полупроводники
  • Антимонид алюминия, AlSb
  • Арсенид алюминия, AlAs
  • Нитрид алюминия, AlN
  • Фосфид алюминия, AlP
  • Нитрид бора, BN
  • Фосфид бора, BP
  • Арсенид бора, BAs
  • Антимонид галлия, GaSb
  • Арсенид галлия, GaAs
  • Нитрид галлия, GaN
  • Фосфид галлия, GaP
  • Антимонид индия, InSb
  • Арсенид индия, InAs
  • Нитрид индия, InN
  • фосфид индия, InP

• 3-х компонентные полупроводники
  • Al_xGa_1-xAs
  • InGaAs, In_xGa_1-xAs
  • InGaP
  • AlInAs
  • AlInSb
  • GaAsN
  • GaAsP
  • AlGaN
  • AlGaP
  • InGaN
  • InAsSb
  • InGaSb

• 4-х компонентные полупроводники
  • AlGaInP, InAlGaP, InGaAlP, AlInGaP
  • AlGaAsP
  • InGaAsP
  • AlInAsP
  • AlGaAsN
  • InGaAsN
  • InAlAsN
  • GaAsSbN

• 5-ти компонентные полупроводники
  • GaInNAsSb
  • GaInAsSbP

Группа II-VI

• 2-х компонентные полупроводники
  • Селенид кадмия, CdSe
  • Сульфид кадмия, CdS
  • Теллурид кадмия, CdTe
  • Оксид цинка, ZnO
  • Селенид цинка, ZnSe
  • Сульфид цинка, ZnS
  • Теллурид цинка, ZnTe

• 3-х компонентные полупроводники
  • CdZnTe, CZT
  • HgCdTe
  • HgZnTe
  • HgZnSe

Группа I-VII

• 2-х компонентные полупроводники
  • Хлорид меди, CuCl

Группа IV-VI

• 2-х компонентные полупроводники
  • Селенид свинца, PbSe
  • Сульфид свинца, PbS
  • Теллурид свинца, PbTe
  • Сульфид олова, SnS
  • Теллурид олова, SnTe

• 3-х компонентные полупроводники
  • PbSnTe
  • Tl₂SnTe₅
  • Tl₂GeTe₅

Группа V-VI

• 2-х компонентные полупроводники
  • Теллурид висмута, Bi₂Te₃

Группа II—V

• 2-х компонентные полупроводники
  • Фосфид кадмия, Cd₃P₂
  • Арсенид кадмия, Cd₃As₂
  • Антимонид кадмия, Cd₃Sb₂
  • Фосфид цинка, Zn₃P₂
  • Арсенид цинка, Zn₃As₂
  • Антимонид цинка, Zn₃Sb₂

Другие

• • CuInGaSe
  • Силицид платины, PtSi
  • Иодид висмута(III), BiI₃
  • Иодид ртути(II), HgI₂
  • Бромид таллия(I), TlBr

• • Иодид меди(II), PbI₂
  • Дисульфид молибдена, MoS₂
  • Селенид галлия, GaSe
  • Сульфид олова(II), SnS
  • Сульфид висмута, Bi₂S₃

• Разные оксиды
  • Диоксид титана, TiO₂
  • Оксид меди(I), Cu₂O
  • Оксид меди(II), CuO
  • Диоксид урана, UO₂
  • Триоксид урана, UO₃

Органические полупроводники

• Тетрацен
• Пентацен
• Акридон
• Перинон
• Флавантрон
• Индантрон
• Индол
• Alq3

Магнитные полупроводники

• Ферромагнетики
  • Оксид европия, EuO
  • Сульфид европия, EuS
  • CdCr₂Se₄
  • GaMnAs
  • Pb_1-xSn_xTe легированный Mn2+
  • GaAs легированный Mn2+
  • ZnO легированный Co2+
• Антиферромагнетики
  • Теллурид европия, EuTe
  • Селенид европия, EuSe
  • Оксид никеля, NiO

См.

также

• Гетероструктура
• Материаловедение
• Нанотрубки
• Плазмон
• Подложка
• Полупроводниковая пластина
• Сверхрешётка
• Словарь терминов физики полупроводников
• Фуллерен
• p-n-переход
• Трекингостойкость
• Голубой сдвиг

Примечания

1. ↑ Н. С. Зефиров (гл. ред.). Химическая энциклопедия. — Москва: Большая Российская Энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 55. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-092-4
2. ↑ Физические величины: справочник/ А. П. Бабичев Н. А. Бабушкина, А. М. Бартковский и др. под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.; Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с — ISBN 5-283-04013-5
3. ↑ ^{1 2} Индия арсенид // Химическая энциклопедия

Литература

• Тауц Я. Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Издательство иностранной литературы, 1962, 256 с.
• Тауц Я. Оптические свойства полупроводников. М.: Мир, 1967, 74 с.

Ссылки

• Получение зависимостей Мотта-Шоттки методом потенциодинамической электрохимической импедансной спектроскопии

из каких материалов сегодня изготавливают полупроводники

Александр Шереметьев новостной редактор

Кризис производства кремния показал, как сильно мы зависим от полупроводников. Нехватка материала, вызванная сокращением производства в Китае, в конце 2021 года привела к росту цен на него на 300% менее чем за два месяца. Компании и исследователи по всему миру начали еще активнее искать альтернативу кремнию. «Хайтек» рассказывает о самых популярных полупроводниках, которые используются сейчас, и о тех, что придут им на смену.

Читайте «Хайтек» в

От «простых» домашних приборов и компьютеров до солнечных элементов, полевых транзисторов и беспилотных автомобильных цепей — вся техника требует для работы полупроводниковые материалы. Современный мир буквально обязан им своим существованием.

Очевидный лидер отрасли сейчас — кремний. Но он подходит не для всех приборов, кроме того, физические свойства полупроводника ограничивают возможности для дальнейшей миниатюризации и повышения мощности чипов и создание гибких устройств. К счастью, есть и другие альтернативные материалы. 

Рассказываем, как работают полупроводники и какие существуют перспективные альтернативы кремнию для создания микроэлектроники. Подробнее про рынок в целом можно прочитать в июльском выпуске дайджеста по робототехнике «Микроэлектроника. Чем меньше, тем лучше», подготовленном Центром компетенций НТИ по направлению «Технологии компонентов робототехники и мехатроники» на базе Университета Иннополис.

Что такое полупроводник

Полупроводник — материал, который по удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Как правило, это кристаллическое твердое вещество. При определенных условиях оно проводит электричество, что делает его идеальным для управления потоком тока.

Полупроводники в нормальном состоянии проводят небольшое количество тока или не вообще блокируют его. Но с ростом температуры или под действием света они начинают лучше пропускать электрические заряды. Также проводимость полупроводников меняется при введении примеси — этот процесс называется легированием.

Важное отличие полупроводника от проводника заключается в том, что ток в нем переносится не только электронами, но и оставленными ими вакансиями — дырками. Дырки, оставшиеся в валентной зоне, могут быть заняты электронами из более низких энергетических состояний и тем самым вносить свой вклад в протекание тока. 

Одна из ключевых характеристик полупроводника — это подвижность носителей заряда (электронов и дырок). Это коэффициент, который показывает зависимость между средней скоростью частиц и приложенным внешним электрическим полем. Подвижность электронов и дырок может быть разной, например, у кремния при комнатной температуре отрицательно заряженные частицы движутся почти в три раза быстрее положительных.

Кроме того, полупроводники различаются по ширине запрещенной зоны. Это минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. У металлов и других полупроводников она равна 0, а при достижении уровня в 4 эВ и больше материал становится диэлектриком.

Еще одна важная характеристика полупроводников — это теплопроводность. Она показывает насколько быстро и просто можно будет отводить от компонентов тепло, чтобы защитить устройство от перегрева.

Кремний

Кремний — второй после углерода по распространенности химический элемент на Земле. Его основным преимуществом является то, что его легко добывать, с кремниевыми кристаллами относительно просто работать, и он обеспечивает хорошие общие электрические и механические свойства. Даже несмотря на относительно низкую подвижность электронов и дырок, пока он остается оптимальным материалом для микроэлектронного производства.

Еще одним его преимуществом является то, что при использовании в интегральных схемах он образует высококачественный оксид кремния, который выступает в качестве изоляционных слоев между различными активными элементами.

Для увеличения плотности элементов и быстродействия интегральных схем используются комбинации элементов монокристаллического и поликристаллического кремния. А для увеличения проводимости поликристаллического кремния его легируют.

Полупроводники из кремния широко применяются для создания интегральных микросхем, биполярных и полевых транзисторов, приборов с зарядовой связью, быстродействующих фотодиодов и многих других устройств. А продукты на основе кремния, такие как MOSFET-или IGBT-транзисторы с суперпереходом, можно использовать в широком диапазоне напряжений (от единиц до нескольких сот вольт) и в различных классах мощности.

Факторы, влияющие на сложность производства. Изображение: Университет Иннополис

Германий

Мы живем в «кремниевую» эпоху, и может показаться, что микроэлектроника началась с этого материала, но первым был германий. Он использовался во многих ранних устройствах: от диодов для обнаружения радаров до первых транзисторов. Именно он до конца 1960-х годов был основным полупроводником, применяемым в электронных приборах, и только в начале 70-х его вытеснил кремний.  

Новый «чемпион» гораздо более распространен, его производство дешевле и у него более широкая запрещенная зона и лучше теплопроводность. Но свое преимущество есть и у германия: носители заряда в этом материале гораздо более подвижны. 

Например, при температуре 300 K (около 27°С) электроны в «первом» полупроводнике двигаются почти в три раза быстрее, чем у кремния, а дырки — почти в четыре раза.

Хотя германий и не подходит для современной микроэлектроники, благодаря этим свойствам он по-прежнему используется в некоторых радиочастотных приборах. Например, его применяют для создания СВЧ-устройств, аудиоаппаратуры, а также маломощном и прецизионном оборудовании.

Подвижность носителей заряда в различных полупроводниках. Изображение: Университет Иннополис

Арсенид галлия

Арсенид галлия является вторым наиболее распространенным полупроводником, используемым сегодня. В отличие от кремния и германия, арсенид галлия представляет собой соединение, а не элемент, и получается путем соединения трехвалентного галлия с мышьяком, имеющим пять валентных электронов.

Большая ширина запрещенной зоны и высокая подвижность электронов заставляют устройства на основе арсенида галлия быстро реагировать на электрические сигналы, что делает это соединение подходящим для усиления высокочастотных сигналов. Кроме того, этот материал показал свою эффективность при высоких температурах и хорошую устойчивость к радиационному излучению.

Арсенид галлия давно применяется в микроэлектронике, поэтому производство устройств на его основе отлажено. Благодаря особым свойствам, материал используется в основном для создания сверхвысокочастотных приборов микроэлектроники: цифровых и аналоговых интегральных схем, дискретных полевых транзисторов и диодов Ганна, которые работают без p-n-перехода за счет собственных средств материала. Кроме того, микросхемы на основе арсенида галлия применяются при изготовлении мобильных телефонов, микроволновых приборов, устройств спутниковой связи и некоторых радарных систем.

Однако это хрупкий материал с меньшей подвижностью дырок, чем у кремния, что делает невозможными создание таких устройств, как, например, КМОП-транзисторов, быстродействующих и энергосберегающих электронных схем. Его также относительно сложно изготовить, что увеличивает стоимость устройств из арсенида галлия. И у него достаточно низкая теплопроводность, что увеличивает риск перегрева устройств.

Материалы будущего

— Алмазы

Ширина запрещенной зоны алмаза превышает 3 эВ, поэтому по определению он диэлектрик. Однако при добавлении примесей драгоценный камень становится полупроводником. 

Теоретически алмазные полупроводниковые устройства обладают превосходными физическими свойствами, включая высокие теплопроводность, напряженность поля пробоя и подвижность носителей. Это позволит существенно снизить потери, быстро рассеивать тепло и увеличить срок службы устройств. Кроме того, он может работать с выходной мощностью и энергоэффективностью в 50 тыс. раз выше, чем у кремниевых устройств, и в 1 200 раз с более высокой частотой.

Однако для промышленного применения в электронных полупроводниковых устройствах необходимы высококачественные алмазные пластины большого размера. Хотя попытки создания алмазных приборов проводятся в течение многих лет. До сих не решены проблемы, связанные с легированием и обработкой материала.

 Теплопроводность различных полупроводников. Изображение: Университет Иннополис

— Графен

Графен — двумерная аллотропная модификация углерода. По прогнозу компании McKinsey, у графена есть потенциал превзойти кремний в качестве универсального полупроводникового материала, но до широкой коммерциализации может пройти до 25 лет.

Ключевая особенность этого материала — гибкость, поэтому из него можно производить различные сложные приборы. Этот материал считается многообещающим с точки зрения его дальнейшего использования, и по всему миру существуют целые институты, занимающиеся изучением и разработками в области графена.

Он может пригодиться в самых разных отраслях: от современных энергетических сетей и альтернативной энергетики до биомедицины. В микроэлектронике графен можно использовать в сверхчувствительных микропроцессорах, элементах квантовых компьютеров и датчиках с экстремальными параметрами.

— Арсенид бора

Совсем недавно, в июле 2022 года, исследователи из MIT заявили, что они нашли лучший из известных полупроводников. Им оказался кубический арсенид бора. Этот материал представляет собой соединение из мышьяка и бора. 

Его теплопроводность в 10 раз больше, чем у кремния. При этом в отличие от последнего и арсенида галия полупроводник на основе бора демонстрирует высокую подвижность не только для электронов, но и для дырок. 

Хотя ученые и говорят о том, что этот материал потенциально способен заменить кремний, но, как и с графеном, до этого еще очень далеко. Например, сначала нужно разработать дешевые способы качественного производства этого материала.

---

Несмотря на высокую популярность и эффективность кремниевых полупроводников, нужны аналоги. К этому производителей подталкивают сразу два фактора. Во-первых, технология почти достигла предела, за которым будет невозможно создавать все более миниатюрные и мощные устройства. А во-вторых, постоянный рост спроса на кремний приводит к его удорожанию.  

Кризис производства, возникший во время пандемии коронавируса, показал, как опасно опираться на единственный источник. Поэтому компании и ученые по всему миру работают над созданием альтернативы. Тем не менее, можно предположить, что благодаря дешевизне, доступности и отлаженности производства кремниевых приборов еще какое-то время этот материал будет занимать лидирующую позицию в микроэлектронике.

---

Читать далее:

«Это научная фантастика»: ученые создают принципиально новый тип квантовых компьютеров

Что такое супергены и как они делают животных такими странными

МКС «стреляет» лазерными лучами по Земле: зачем это нужно и как работает

Полупроводники — зачем нужны и почему важны?

#знания

Полупроводники — одна из самых недооцененных технологий. Объясняем, что это

#знания

Полупроводник — особый тип материала, который является основой для микрочипов. В статье разбираемся, как он устроен, и почему эта отрасль имеет решающее значение для всего мира.

Главной технологией 2021 года были далеко не метавселенные,

блокчейн

или танцующие

(псевдо)роботы

Илона Маска, недавно

писал

Wired. Ей оказалось то, что десятилетиями было скрыто от глаз, но продолжало двигать вперед целые индустрии — обычные кремниевые полупроводники. Те, что дали название

Кремниевой долине

, даже если сейчас она ассоциируется в основном с интернет-гигантами типа Amazon или Google, а не с производителями компьютеров вроде Intel.

Такой фокус на полупроводниках, которые существуют по меньшей мере полвека, связан с кризисом. Не успев оправиться после пандемии COVID-19 и карантинов, мир столкнулся с нехваткой этих полупроводников. Сыграли два фактора: во-первых, спрос на электронику при переходе на удаленку заметно вырос, во-вторых, на заводах по производству полупроводников работа временно останавливалась из-за аварий. Бум майнинга тоже размывал баланс спроса и предложения.

От кризиса пострадали буквально все отрасли. Хрестоматийный пример — автопром, ведь даже простые бензиновые машины содержат более 100 компонентов на основе этого материала, а продвинутые — свыше 1 000.

Дефицит полупроводников, как ожидается, сохранится до 2023–2024 года. Их производство сейчас в основном сосредоточено в Азии, в «большой четверке» стран: Китае, Японии, Южной Корее и на Тайване. Однако заводы начинают строить по всему миру, потому что правительство осознало важность локализации технологии, которая раньше казалась сама собой разумеющейся.

При этом в бытовом плане понимание того, что такое полупроводники, для некоторых остается загадкой. В этой статье объясняем значение слова «полупроводник» и саму технологию.

Полупроводник — это особый материал

Самый популярный пример такого материала — кремний, а также химические элементы германий, селен, теллур, мышьяк и другие. В определенных условиях они могут проводить больше электричества, чем изоляторы (например, стекло, резина), но меньше, чем чистые проводники (медь или алюминий). Свойства полупроводников, в том числе кремния, можно усилить путем легирования — добавления различных примесей в исходный материал.

Процесс их изготовления и подготовки для дальнейшей работы сложный, включает много этапов. Кристаллы сверхчистого монокристаллического кремния выращиваются по методу Чохральского из расплавленного поликристаллического кремния (который, в свою очередь, получают из мелкого белого песка или кварцевого песка, очищенного от 99,999999999% других элементов). Уже после этого кристалл режется на тонкие пластины.

Полупроводники обычно используются при создании электроники, если конкретнее — микросхем в ней. Поэтому иногда их называют просто чипами (хотя это обобщение и упрощение). Их основная задача, с учетом их свойств, — контролировать как, когда и куда будет двигаться поток электронов. Они могут усиливать сигнал, переключать его и преобразовывать.

Подробнее о том, как устроен полупроводник (если вы ощущаете себя ботаником)

Сначала вспомним определение электрического тока — это поток электронов, передающихся от одного атома вещества к другому. Структура, скажем, металлов такова, что в оболочках их атомов всегда есть пара свободных электронов, почти не связанных с ядром. Это значит, что они могут перемещаться внутри материала, делая его высоко проводимым для электричества. В изоляторах типа резины связь электронов с ядром атома очень прочная, поэтому ток они не проводят.

В полупроводниках свободных электронов тоже не очень много, но к ним можно «подсадить» с помощью легирования определенные атомы: трех- или пятивалентные:

• Так, если добавить к четырехвалентному кремнию пятивалентный мышьяк, атомы веществ вступят в ковалентную связь. Однако одному электрону атома мышьяка места не будет — он превратится в свободный электрон, который и будет переносить электрический ток (как в металлах). Итоговый материал называют полупроводником n-типа, а саму примесь в виде мышьяка — донорной.

• Если же добавить к кремнию трехвалентный бор или галлий, наоборот, у последних будет недоставать одного электрона, поэтому в результате реакции будет появляться положительно заряженный ион (в этом случае говорят, что образовалась «дырка»). Он и будет основным носителем заряда . Итоговый материал называют полупроводником p-типа, а примесь — акцепторной.

Из полупроводников «собираются» такие простые электронные компоненты как диод и транзистор. В первом случае речь идет о соединении полупроводников n- и p-типа, во втором — о соединении трех полупроводников (n-p-n или p-n-p). Из транзистора, диода и других компонентов обычно состоят более сложные микросхемы, то есть чипы (теперь логика чип = полупроводник должна быть более понятной).

Видео хорошо демонстрирует, насколько сложными бывают чипы:

Основные виды полупроводниковых чипов

Чипы памяти

Их задача — хранить и передавать данные другим частям компьютера. Есть два основных вида: оперативная (ОЗУ, RAM) — для временного хранения — и постоянная память (ПЗУ, ROM). У обоих есть вариации. Так, среди ROM выделяют: однократно программируемую (PROM), перепрограммируемую с помощью спецустройств (EPROM), электрически перепрограммируемую (EEPROM, к ней относится флеш-память) и другие. При этом основной спрос связан с четырьмя позициями: DRAM, Flash ROM, SRAM и MRAM.

Скоро могут появиться новые прорывные чипы. В начале 2022 года ученые из Ланкастерского университета в своей статье объявили, что почти готовы к массовому производству разработанной ими же UltraRAM. Она, по словам исследователей, будет сочетать энергонезависимость флэш-памяти со скоростью, энергоэффективностью и долговечностью DRAM (динамической оперативной памяти).

Основными лидерами в производстве чипов памяти сейчас являются Toshiba, Samsung и NEC из Японии и Южной Кореи, пишет Investopedia. Если же говорить о самой популярной DRAM, здесь к монополисту Samsung (который держит 43% рынка) добавляются конкуренты в лице корейской SK hynix и американской Micron Technology. За счет относительно низкой маржинальности бизнеса и высоких затрат (например, на строительство заводов) оставаться в нем под силу только гигантским корпорациям.

Для иллюстрации чипов памяти и их важности в современной технике предлагаем посмотреть рекламный ролик Samsung про DDR5:

Микропроцессоры

Центральный процессор (ЦПУ, CPU) — устройство, которое отвечает за выполнение операций, прописанных в машинном коде. Если проще — это то, что часто называют «сердцем» или «мозгом» компьютера, да и любой сложной техники. Может быть реализован в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких микросхем.

Первые процессоры появились более 50 лет назад, в 1968–1971 гг. За это время было создано несколько архитектур — принципов организации компонентов в процессорах. Сейчас в компьютерах используются в основном 32-х и 64-х разрядные чипы от Intel, AMD и IBM на архитектурах x86-64 и POWER, в мобильных устройствах применяется ARM. А вот в автомобилях и не очень требовательных чипах могут применяться 8-ми, 16-ти и 24-х разрядные микропроцессоры.

Обычно среди микропроцессоров отдельно выделяют графические процессоры (GPU), которые, например, отвечают за отображение графики на компьютерах. Они гораздо моложе, их массовая история началась где-то в 1999 году и позволила кратно увеличить производительность устройств, а также сделала возможным решение уникальных задач вроде майнинга криптовалюты.

Основными производителями графических процессоров часто называют NVIDIA и AMD. В контексте передовых решений это действительно так, но в общем случае это скорее заблуждение — более 60% рынка GPU до сих пор принадлежит компании Intel с их дискретной графикой Intel HD Graphics.

Подробное видео о создании центрального процессора от Intel:

Другие интегральные схемы

Обычно их используют для повторяющихся процедур в устройствах типа сканера штрих-кода или для автоматизации на производствах. Часто они заточены под одну конкретную задачу, в этом случае иногда говорят про ASIC — интегральные схемы специального назначения.

Например, есть ASIC для управления радиоканалом смартфона или чипы для майнинга биткоина — других функций у них, по сути, нет. К простым схемам также можно отнести программируемые вентильные матрицы (FPGA) — они настраиваются в соответствии со спецификациями производителя.

Отдельно можно выделить SoC — то есть «системы на кристалле». Все электронные компоненты SoC находятся на одном чипе и способны выполнять функции целого устройства (скажем, всего ПК), а в смартфонах — дополнительно содержать графический слой, камеру, слой обработки аудио- и видео и так далее. Хороший пример таких систем — серия Apple silicon, которая используется в технике Apple.

Спрос на потребительские товары с широким функционалом и низкой ценой растет. При этом рынок памяти и процессоров давно занят, на нем остались, можно сказать, монополисты. Поэтому сейчас сегмент «систем на кристалле» остался, возможно, единственным дружелюбным для новых компаний, считают некоторые эксперты.

Чего ждать в производстве чипов глобально

Самые современные полупроводниковые компоненты выпускают три корпорации: TSMC на Тайване, Samsung в Южной Корее и Intel в США. Причем последние,

судя по всему

, отстают не только в плане объемов (доля США в мировом производстве микросхем упала с 37% в 1990-м до 12% в 2021 году, по

данным

SIA), но и в техническом плане.

При этом производство чипов имеет решающее значение не только в базовых отраслях, но и в направлениях, которые являются ключом к экономическому и стратегическому лидерству: искусственный интеллект, 5G, робототехника.

Поэтому в США ждет одобрения законопроект стоимостью $55 миллиардов для поддержки местной индустрии, а ЕС может выделить более €43 миллиардов, чтобы к 2030 году производить в Европе 20% всех микросхем в мире (сейчас показатель не больше 10%). Однако, по крайней мере в плане обещаний, лидирует Китай — они планируют потратить на развитие отрасли $150 миллиардов — и Южная Корея, которая готова инвестировать $451 миллиард за 10 лет.

О будущем России в этой сфере недавно писал Forbes. Такие отечественные полупроводники как «Байкал» и «Эльбрус» целиком зависели от компонентов тайваньской TSMC. Новых поставщиков пока не нашлось, а собственные технологии еще не готовы их заменить.

Многие компании (в основном IT-корпорации) пытаются создавать чипы самостоятельно, чтобы меньше зависеть от упомянутых выше монополистов. Большое внимание сейчас уделяется графическим процессорам, потому что они лучше подходят для задач искусственного интеллекта. Среди тех, кто ведет разработки — Apple, Amazon, Alphabet (Google), Microsoft и

даже Tesla

.

Однако все это может только снизить число инноваций, считает профессор Массачусетского технологического института Нил Томпсон, потому что делает технологию более разрозненной (знаменитый закон Мура об экспоненциальном росте мощности чипов каждые 24 месяца уже не работает). С другой стороны, не исключено, что ИИ, ради которых сейчас создают новые чипы, скоро будет проектировать их сам.

Подписывайтесь на Интерсвязь в социальных сетях!

19.05.2022

Как будет выглядеть человек через 10 000 лет?

12.05.2022

9 напряженных сериалов по мотивам подкастов

05.05.2022

Узнай, кто звонил. Приложения против мошенников и спама

28.04.2022

Игры, в которых можно заработать: как они устроены?

21.04.2022

ТОП-7 востребованных языков программирования

14.04.2022

Про квантовые компьютеры простыми словами

07.04.2022

ТОП-5 случаев мошенничества в интернете в 2022 году

31.03.2022

Правда или фейк? 12 мифов про гаджеты, в которые все верят

19.05.2022

Как будет выглядеть человек через 10 000 лет?

Люди будущего будут такими же высокими, как голландцы, а жить будут долго и счастливо, полагают ученые.

12.05.2022

9 напряженных сериалов по мотивам подкастов

Некоторые подкасты не обязательно слушать — можно смотреть.

05.05.2022

Узнай, кто звонил. Приложения против мошенников и спама

Изучаем все варианты защиты от спама с их плюсами и минусами

28.04.2022

Игры, в которых можно заработать: как они устроены?

Изучаем экономику P2E-игр на примере Axie Infinity, Splinterlands и Alien Worlds и считаем прибыль

21.04.2022

ТОП-7 востребованных языков программирования

От Python до Golang и R — помогаем новичкам разобраться, какой язык учить и для чего он обычно используется

14.04.2022

Про квантовые компьютеры простыми словами

Решаем задачу про волка, козу и капусту с помощью квантового компьютера и подбрасываем монетку

07.04.2022

ТОП-5 случаев мошенничества в интернете в 2022 году

Обещания высокой доходности, победа в конкурсах и различные виды социальной инженерии.

31.03.2022

Правда или фейк? 12 мифов про гаджеты, в которые все верят

Новый тест поможет разобраться, как все-таки правильно заряжать телефон и пользоваться браузером

Что такое полупроводник.

PDF

«Широко развернуть научно-исследовательские работы по полупроводниковым приборам и расширить их практическое применение».       (Из Директив XX съезда КПСС по шестому пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1956—1960 годы)       Кто из вас, юные читатели, не хочет узнать, что будет представлять собой техника ближайшего будущего? Чтобы помочь вам в этом, Детгиз выпускает серию популярных брошюр, в которых рассказывает о важнейших открытиях и проблемах современной науки и техники.       Думая о технике будущего, мы чаще всего представляем себе что-нибудь огромное: атомный межпланетный корабль, искусственное солнце над землей, пышные сады на месте пустынь.       Но ведь рядом с гигантскими творениями своих рук и разума мы увидим завтра и скромные обликом, хоть и не менее поразительные технические новинки.       Когда-нибудь, отдыхая летним вечером вдали от города, на зеленом берегу реки, вы будете слушать музыку через       В наш труд и быт войдет изумительная простотой и совершенством автоматика. Солнечный свет станет двигать машины.       Жилища будут отапливаться… морозом.       В городах и поселках зажгутся вечные светильники.       Из воздуха и воды человек научится делать топливо, пластмассы, сахар…       Создать все это помогут новые для нашей техники вещества — полупроводники.       О них эта книжка             ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ       Вы сели за стол, включили свет, раскрыли книгу.       Оторвитесь на минуту от чтения и оглядитесь вокруг.       В электрической лампочке сияет тоненькая спиралька из металла вольфрама. К ней идут медные провода — передатчики энергии. Медь и вольфрам отлично пропускают электрический ток. Этим свойством обладают и другие металлы. Поэтому они именуются проводниками.       А вот стеклянная колба лампочки, фарфоровые ролики на стене, резиновая трубка, охватывающая провод, ток почти совсем не пропускают. Их называют изоляторами.       Окружающий нас мир богат подобными веществами.       Их можно извлекать из простого песка, сажи, камня. Пожалуй, можно сказать, что мы каждый день едим полупроводники за завтраком, обедом и ужином, топчем их своими ногами. Ведь самый распространенный в земной коре элемент кремний и основа жизни углерод образуют полупроводниковые кристаллы.       С давних времен человек старался освоить все, чем одарила его природа. Сырье, содержащее полупроводники, он применял в металлургии, в химии, в строительном деле — всюду, кроме электротехники.       Здесь полупроводники считались непригодными. Думали так: от проводников они ушли, а к изоляторам не пришли. Ими не заменишь ни медного провода, ни фарфорового ролика. Казалось, никакой пользы из их половинчатых свойств не извлечешь.       И на протяжении многих.десятилетий никто не желал разобраться поглубже в электрических особенностях полупроводников.       Но время показало, что такое пренебрежение было большой ошибкой. В наши дни исследователи постигли огромное практическое значение этих веществ. Множество ученых занято теперь теорией и техникой полупроводников.       В чем же их ценность?       Не будем спешить с ответом. Прежде разберемся в более простых вещах.             Земля и воздух, скалы и море, цветок и тончайшая жилка нашего тела — все построено из неисчислимых мириадов атомов.       Каждый из них невообразимо мал. Возле булавочной головки атом словно булавочная головка рядом с Эльбрусом. А построен атом из частичек, еще в сотни тысяч раз меньших, чем он сам.       В центре его массивное ядро — кладовая атомной энергии, до которой сейчас дотянулась рука человека. Ядро несет положительный электрический заряд. Вокруг ядра движутся легкие, отрицательно заряженные электроны. Они удерживаются возле ядра, послушные всеобщему физическому закону: тела, которые имеют разноименные электрические заряды, притягиваются друг к другу. Разнообразны ли атомы?       Не слишком. Вместе с созданными в последние годы искусственным путем науке известно сто видов атомов. Вот и все, если не считать разных сортов каждого вида. И из этого ассортимента частиц построено бесконечное многообразие тел и веществ Вселенной.       Отличаются атомы разных видов неодинаковым зарядом ядер.       У ядра простейшего водородного атома самый маленький заряд. И электрон в таком атоме один-единственный. Ядра атомов меди гораздо богаче зарядом — в двадцать девять раз. Стало быть, и электронов там по двадцать девять у каждого атома.       Располагаются электроны атома в строгом порядке. Они движутся по замкнутым путям-орбитам, которые образуют несколько оболочек, охватывающих ядро.       Чем ближе электронная оболочка к ядру, тем крепче связаны с ним ее электроны. Чтобы выбить электрон с внутренней оболочки, нужен сильный толчок — большая энергия. Легче оторвать электроны, «обитающие» на последующих оболочках.       Электроны самой верхней, внешней, оболочки играют важнейшую роль. Они связывают атомы в кристаллическую структуру, соединяют их в молекулы. Химические процессы, электрическое состояние тел и многое другое определяются поведением электронов внешних атомных оболочек.       Как же ведут себя внешние электроны в различных веществах?             ЭЛЕКТРОНЫ В МЕТАЛЛЕ И ИЗОЛЯТОРЕ       Внешние электроны не удерживаются в атомах медной проволочки: слишком слабо они связаны с ядрами «своих» атомов. Атомы все время беспорядочно перемещаются и как бы стряхивают с себя внешние электроны. Эти «оторвавшиеся» электроны блуждают по кусочку металла, участвуя в общем беспорядочном тепловом движении, которое тем активнее, чем выше температура проволочки.       В мире электронов незаметно тяготение Земли. Объясняется это просто: слишком легки такие частицы и слишком быстро они движутся. Зато электроны послушны другой силе — электрической. Как камень падает вниз, притягиваемый Землей, так электроны, наделенные довольно значительным для такой легкой частички зарядом, меняют движение под действием электрического поля, которое создается в пространстве любым заряженным телом.       Прижмем концы проволочки к полюсам электрической батарейки — металл тотчас пронизывается электрическим полем. Свободные электроны теперь не только участвуют в тепловом беспорядочном движении, но и перемещаются по проволочке к положительному полюсу батарейки, подхваченные полем. На место, освобожденное ушедшими электронами, поле выталкивает другие из отрицательного полюса батарейки. Они тоже уходят, уступая место новым и новым отрядам электронов: по проволочке побежал электрический ток.       Поток электронов в металле неспокойный. Ведь на их пути то и дело попадаются атомы, которые к тому же сами перемещаются, участвуя в тепловом движении. Поэтому при нагревании проволочки электронному потоку труднее становится пробиваться вперед.             В металле многие электроны не связаны с каждым атомом в отдельности и беспорядочно блуждают между ними.       Кусочек металла соединен с полюсами» электрической батарейки. Его пронизывает электрическое поле, которое подхватывает электроны и устремляет их к положительному полюсу.       В изоляторе внешние электроны прочно удерживаются у своих атомов. Поэтому здесь нечему переносить электрический ток.       температуры сила тока уменьшается. В этом свойстве — важный признак электропроводности металла.       Заметим кстати: электрический ток и сам разогревает проволочку. Чем обильнее поток электронов, тем сильнее он расталкивает атомы, увеличивая энергию их теплового движения.       В изоляторе все обстоит проще. Резина, фарфор, стекло тоже, конечно, построены из атомов. Как и в металле, атомы там подвержены беспорядочному тепловому движению. Но электроны внешних оболочек надежно связаны с ядрами атомов изолятора. Там нет свободных электронов, а значит, нечему создать электрический ток.       Впрочем, если мы раскалим изолятор, он может потерять изолирующие свойства. Связи между атомами станут иными. Поэтому при сильном нагревании некоторые изоляторы превращаются в полупроводники. Каковы же особенности полупроводников?             ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО       Бросим медную проволочку в жаркую печь — с температурой в тысячу градусов. Проволочка только-только не расплавится, а на ее поверхности начнется активная реакция химического соединения металла с кислородом воздуха. Каждая пара атомов меди свяжется с одним атомом кислорода. Пройдет несколько минут, и проволочка покроется черным веществом, которое называется закисью меди. Соскоблим ее и отдадим в химическую лабораторию — попросим тщательнейшим образом очистить закись от примесей. И если химики аккуратно выполнят наше задание, мы получим от них кусочек идеально чистого, классического полупроводника.       Проведем с ним несколько опытов.       Проверим сначала, как он будет проводить электрический ток.       Выяснится, что гораздо хуже меди. Это для нас не будет неожиданностью: поэтому он и носит название полупроводника.       Зато нам покажется странным результат другого эксперимента. Чем сильнее мы станем нагревать кристаллик закиси, тем лучше он будет проводить ток. В медной проволочке, как мы помним, наблюдалось прямо противоположное явление.       В чем же тут дело?       В полупроводнике внешние электроны принадлежат обычно сразу паре соседних атомов, осуществляя их связь в кристалле. Но связаны они с ядрами не слишком сильно. Поднимается температура — и увеличивается энергия беспорядочного теплового движения. В результате при нагревании нарушаются связи между атомами, все больше электронов обретает свободу, а заодно и способность переносить электрический ток.       Теперь как будто все стало понятно. Но если бы мы только из этих соображений составили математические уравнения и провели теоретический расчет электропроводности кристаллика закиси, нас постигло бы разочарование. Вычисленная электропроводность получилась бы почти вдвое меньше, чем действительная, наблюдающаяся на опыте.       Значит, какой-то стороны явления мы не учли.       Какой же?       Чтобы отыскать ответ, отправимся в экскурсию — в театр юного зрителя.             ВУСТОН СТУЛ       Сегодня идет отличная пьеса, и театральный зал полон. Но мы не будем смотреть на сцену. Обратим внимание на незначительное происшествие в зрительном зале.       Мы сидим возле прохода и смотрим на другую его сторону. Все места с первого ряда до последнего заняты. Ребята с увлечением смотрят спектакль. Но вот в первом ряду с краю освободилось место. Сидевший на нем школьник почему-то ушел.       Как только стул в первом ряду освободился, на него немедленно перескочил вихрастый пионер — обитатель крайнего места во втором ряду. Пионера можно понять: во втором ряду сидеть неплохо, но в первом, разумеется, лучше. А дальше? Девочка с косичками, что сидела с краю в третьем ряду, быстро перебежала на место вихрастого пионера во втором ряду. На опустевший стул девочки пересела ее подружка из четвертого ряда, на ее место — мальчик из пятого ряда. Словом, все обитатели крайних стульев у прохода передвинулись на одно место вперед. А пустое место в то же время перекочевало через весь зал назад — от первого ряда до последнего. Вот и все, что нам нужно было увидеть в театре. Теперь можно вернуться в мир атомов и электронов.             КАК В ТЕАТРЕ       Представим ненадолго, что мы сжались в миллионы миллионов раз и научились видеть невидимые явления, причем в тысячи раз медленнее, чем они происходят на самом деле. Обретя эту сказочную способность, проникнем в недра нашего кусочка закиси, присоединенного к электрической батарейке — правым концом к ее положительному полюсу, а левым к отрицательному.       Какая картина предстанет перед нами?       В общих чертах ее можно представить себе следующим образом (очень условно и упрощенно).       Безостановочно движутся атомы. Их связывают между собой электроны внешних оболочек. Вот один из внешних электронов получил толчок. Связь нарушилась — в ней словно образовалась брешь, а электрон стал свободным и унесся вправо, подхваченный невидимой силой электрического поля.       Но место, где только что пребывал электрон, лишь мгновение оставалось пустым. Подобно тому, как в театре вихрастый пионер из второго ряда быстро пересел на опустевший стул в первом ряду, место улетевшего электрона тотчас занял другой электрон — с внешней оболочки соседнего слева атома. Этот «пересевший» электрон вовсе не обладал большой энергией. Никаких чрезмерно сильных ударов он не получил. Он просто как бы соскользнул с одного места на другое, словно сдутый легким ветерком электрического поля. Ведь в атомах полупроводника электроны связаны слабее, чем в изоляторе.       После этой «пересадки» между первым левым атомом и его соседом электронная связь нарушилась — там осталось пустующее место. Его тут же занимает электрон со следующей влево связи атомов. Туда соскальзывает внешний электрон третьего слева атома и так далее.       В зрительном зале театра ребята пересаживались на стул вперед, стремясь быть поближе к сцене. Здесь же внешние электроны атомов перескакивают один за другим вправо (туда их тянет электрическое поле). Причем каждый — на один только шаг.       Правда, на самом деле это явление значительно сложнее, оно сильно запутывается беспорядочным тепловым движением частичек. Но в основе оно именно таково, как мы описали.             ДВА ТОКА       Итак, в полупроводнике электрический ток создается не только теми электронами, которые по каким-то причинам освобождаются из «плена» атомов.       Зрители в театральном зале один за другим пересаживаются ближе к сцене.       Внешние электроны атомов полупроводника «меняют хозяев» — перескакивают на «освободившиеся места» в том направлении, куда их влечет электрическое поле. А нарушенная связь между атомами (дырка) тем временем перемещается назад, словно освободившееся       место в зрительном зале театра.       перескакивающие с атома на атом, перемещаются туда, куда их влечет электрическое поле. А такое движение зарядов тоже представляет собой не что иное, как электрический ток.       Мы приходим к выводу: в полупроводнике существуют два электрических тока. Первый обусловлен вытолкнутыми из атомов свободными электронами. Он и называется электронным. Второй объясняется движением электронов, связанных с атомами. Ему дали имя дырочного. Откуда взялось это название?       Давайте сообразим, как можно рассказать о происшествии, которое мы наблюдали в зрительном зале детского театра.       Приходят в голову такое описание: на освободившееся место в первом ряду пересел зритель из второго ряда; на место, освобожденное зрителем второго ряда, пересел зритель из третьего ряда;       на место, освобожденное зрителем тридцать девятого ряда, пересел зритель из сорокового ряда. Как много слов! Как долго их читать! А попробуйте обойтись без них, когда еще неизвестна сущность явления. Трудно! Не случайно примерно так мы и объясняли его в первый раз. Иначе запутались бы.       Но если мы знаем, какое событие произошло в зрительном зале, сказать о нем можно уже гораздо экономнее: освободившееся место переместилось с первого ряда в сороковой.       В кристаллике полупроводника мы подметили похожее явление. опять, вместо того чтобы нудно перечислять перемещения электронов на один шаг слева направо, мы можем коротко сказать: нарушенная связь между атомами перекочевала через весь кристалл справа налево. Эту нарушенную связь физики предложили назвать попросту дыркой. Теперь явление описывается совсем экономно: дырка движется через кристаллик справа налево.       Дырка кочует в направлении к отрицательному полюсу электрической батарейки. Значит, она ведет себя как частица, имеющая положительный электрический заряд. Если продолжать такую чисто условную аналогию, то окажется, что заряд ее можно принять равным по величине заряду электрона.       Таким образом, для удобства описаний и расчетов физики условились говорить, что в полупроводнике, кроме отрицательно заряженных частичек — свободных электронов, — носителями тока служат и положительно заряженные дырки. Отсюда и название двух токов — электронный и дырочный.       Надо всегда помнить, что подлинные носители тока — электроны, а дырка — это совсем не настоящая частица. На самом деле в ней нет ни массы, ни заряда, как нет теста в дырке бублика.       В нашем полупроводниковом кристаллике освобождению электронов сопутствует возникновение такого же количества дырок. Под действием электрического поля электроны и дырки устремляются в противоположные стороны. Это значит, что в кристалле одновременно возникают электронный и дырочный токи. Они вместе определяют электропроводность полупроводника. Добавим, что свободные электроны несколько подвижнее дырок. Поэтому электронный ток здесь преобладает — он немного сильнее дырочного.       Вы думаете, мы уже полностью раскрыли внутренние причины проводимости кристалла? Нет. Недаром мы отдавали закись меди на очистку в химическую лабораторию.       То, о чем вы до сих пор читали, относится только к идеально чистым материалам. В реальных же полупроводниках, где обязательно есть примеси, хотя, может быть, и очень небольшие, дело обстоит сложнее.       Вспомним знакомый нам слой закиси меди на проволочке, побывавшей в горячей печи.       Какие примеси он имел до того, как попал на очистку в лабораторию?       С наружной стороны он был наверняка загрязнен лишними атомами кислорода. Они попали туда из воздуха. С внутренней стороны (той, что прилегает к металлу) в закись вкраплены лишние атомы меди.       Сравним, что лучше пропускает электрический ток: идеально чистая закись или же загрязненная небольшим количеством атомов меди?       Опыт покажет, что добавка «лишних» атомов меди резко увеличивает электропроводность полупроводника. Чем это объяснить? Внешние электроны пришлых атомов меди обретают свободу гораздо легче, чем внешние электроны атомов закиси; причем освобождение электронов из медных атомов примеси не сопровождается появлением дырок. На опустевшие места в пришлых медных атомах электроны атомов закиси не попадают, им на это не хватает энергии. Таким образом, «лишние» атомы меди служат источниками только свободных электронов, которые и играют в таком полупроводнике роль основных носителей тока. Подобные примеси называются донорными *, а включающие их полупроводники — электронными.       1 От латинского слова «дарящий».       Из меди в слой закиси проникают «лишние» атомы меди, а из воздуха — «лишние» атомы кислорода.       Итак, излишек меди увеличил проводимость закиси. Пожалуй, такой исход опыта не явился для нас неожиданностью: к полупроводниковому материалу подбавилось немного металла, и резонно было ожидать, что электропроводность вещества от этого улучшится. Но если так, то, вероятно, добавка кислброда, который не проявляет никаких свойств металла, должна уменьшить электропроводность закиси?       Ничего подобного!       Поставив опыт, мы убедимся, что этого не наблюдается. Малая примесь атомов кислорода не только не снижает, а, наоборот, значительно повышает проводимость закиси — почти так же, как и добавка атомов меди. Опять загадка!       Разгадывается она, впрочем, довольно легко.             ЛОВЦЫ ЭЛЕКТРОНОВ       Мы помним: не только свободные электроны могут быть в полупроводнике передатчиками тока. Ведь такую роль способны играть и дырки — места, оставленные электронами. И оказывается, избыточными атомами кислорода в закиси меди создаются дырки. Как это происходит?       «Лишний» атом кислорода не только крепко держит собственные электроны. Он втягивает на свою внешнюю оболочку электроны со стороны. Электрону, связанному с атомом закиси, гораздо легче переместиться на пришлый атом кислорода, чем совсем вырваться на волю. Но выловленные примесью кислорода электроны оставляют бреши, пустые места, в электронных связях между атомами закиси. В полупроводнике появляется избыток этих не занятых электронами мест — излишек дырок. Они и становятся здесь основными носителями тока.       Полупроводники, наделенные такими примесями, физики называют дырочными. А сами примеси получили имя акцепторных1.       1 От латинского слова «принимающий».       Как мы видели, закись меди может быть и электронным и дырочным полупроводником — смотря по тому, что к ней примешано. Это относится и ко всем другим полупроводниковым материалам. Выходит, атомы-гости очень сильно влияют на характер и поведение атомов-хозяев. Часто самые ничтожные дозы примесей резко меняют электрические свойства полупроводника. Электропроводность повышается в десятки, сотни, тысячи, даже в сотни тысяч раз! Исключительно возрастает зависимость ее от температуры и других внешних воздействий.       Но главное вот что: вводя в очищенный полупроводник те или иные примеси в определенных количествах, человек может сознательно управлять электрическими свойствами подобных материалов. «Лишние» атомы оказываются совсем не лишними. В конечном счете именно эта возможность повела к созданию великого множества полупроводниковых приборов и устройств.             О ПОДЛИННОЙ ТЕОРИИ       Прежде чем рассказывать дальше, автор вынужден принести извинение.       Для наглядности и понятности объяснений пришлось несколько упростить изложение физической сущности процессов. На самом деле ученые учитывают здесь многое, о чем нам пришлось умолчать.       Существует, в частности, на первый взгляд странное условие: электрон обладает противоречивыми свойствами: он ведет себя не только как частица, но и как волна. Этот факт трудно сразу осознать, физики к нему попросту привыкают — ничего не поделаешь, такова уж особенность мира мельчайших частичек.       Но доказано это совершенно неопровержимо.       И вот если учесть волновые свойства электрона и другие специфические особенности мельчайших частиц — их связи друг с другом, их взаимное влияние,— то все, о чем вы читали, удастся изложить совершенно строго, с точным количественным расчетом.       Такая работа очень трудна. На пути физиков появляемся масса непредвиденных препятствий. Чтобы освободиться от них, приходится выдвигать разнообразные гипотезы, проводить огромные вычисления, ставить сложные опыты.       Вот почему создание теории полупроводников — замечательная победа науки. Это итог долголетних исканий многих исследователей. Немалая роль среди них принадлежит советским физикам во главе с Героем Социалистического Труда академиком Абрамом Федоровичем Иоффе.       Сейчас теория полупроводников продолжает развиваться и совершенствоваться.             ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ       Итак, наука разгадала секреты электропроводности полупроводников. Стала понятной роль свободных электронов и дырок, а также причина влияния примесей на свойства полупроводниковых материалов.       Что требуется сделать, чтобы получить полупроводник с теми или другими заранее «заказанными» свойствами?       Теория подсказывает: надо сначала тщательнейшим образом очистить материал, а потом чуть «загрязнить» его специально подобранным веществом.       Загрязнить полупроводник, внести в него примесь, труда не составляет. А вот предварительно очистить его бывает подчас очень нелегко. Ведь иной раз требуется довести материал до такой степени чистоты, чтобы на десять миллиардов атомов приходился только один атом-чужак! Попытайтесь-ка найти несколько красных песчинок, затерявшихся в большом самосвале, доверху нагруженном желтым песком! Задания, которые получают химики, очищающие полупроводники, еще труднее: ведь атомы не ухватишь рукой: в одной песчинке их столько, сколько песчинок на морском берегу. И все-таки современная химия и металлургия успешно справляются с этой трудной задачей.       Засолила хозяйка на зиму бочонок огурцов и поставила его в сарай. Однажды ударил сильный мороз, и рассол сверху замерз. Попробуйте кусочек льда. Вы удивитесь: он совсем несоленый.       Вода вымерзла из рассола в чистом виде, а примесь соли осталась в растворе;       Вымерзающее вещество почти всегда чище жидкости, из которой оно кристаллизуется. Явление это давно известно науке, и именно его обычно используют химики для очистки полупроводников. Материал размалывают в порошок и засыпают его в длинную кварцевую трубку толщиной в палец. Трубка укреплена горизонтально. Вдоль нее от одного конца к другому еле заметно движется маленькая электрическая печка: кольцо из керамики, с внутренней части которого проложена спираль (как у электроплитки). Эта кольцевая печка, плавит порошок в трубке, а по мере ее перемещения вперед расплав сзади застывает       Примеси словно выталкиваются вперед и отчасти назад (здесь играет роль неодинаковая способность примесеи растворяться в твердом и жидком веществах).       В середине трубки получается чистое вещество. Впрочем, и при таком способе очистку приходится повторять много раз.       KOHEЦ ФPAГMEHTA             НАВСТРЕЧУ БУДУЩЕМУ       Наше время называют началом атомного века. Оправданное имя, только неполное. Переделка планеты на благо человечества связана со множеством великих побед науки. Здесь и достижения ядерной физики, и бурное развитие электроники, и прогресс физики полупроводников, и поразительные успехи химии. Здесь могучая и умная техника энергетики, металлургии, машиностроения, строительства, сельского хозяйства.       Учение о полупроводниках идет вперед в едином строю со всеми важнейшими отраслями точного знания и индустрии, опираясь на их многолетний опыт.       В свою очередь, физика полупроводников обогащает смежные области науки и техники.       Выяснилось, например, что полупроводниковые материалы являются великолепными катализаторами — ускорителями химических процессов. Член-корреспондент Академии наук СССР С. 3. Рогинский на одной научной конференции заметил, что химики до недавних пор были на положении «мещанина во дворянстве». Герой Мольера не подозревал, что всю жизнь говорит прозой, а химики не знали, что во многих химических процессах они имеют дело с полупроводниками, с электронными процессами в полупроводниках.       Приборостроению предстоит освоить еще одну особенность полупроводников — смещение в них электрического тока под действием внешнего магнитного поля. На этой основе можно создать небывало чувствительные и точные компасы, построить аппараты, которые способны уловить перемещение предметов на десятимиллионную долю миллиметра!       Физике полупроводников пришлось встретиться и с такой неожиданной для этой науки областью знания, как физиология. Оказывается, и здесь электронные явления играют немалую роль. Венгерский физиолог Э. Эрнст не так давно заметил, что ряд характерных особенностей нервных процессов находит простое объяснение, если допустить, что некоторые структурные образования нервов являются своеобразными полупроводниковыми выпрямителями. Кто знает, может быть, хирурги, применяя какие-то неведомые пока полупроводники, научатся делать искусственные нервы!       Еще мало изучены механические свойства полупроводниковых веществ. Между тем поле подобных исследований широко и благодарно. Некоторые полупроводники исключительно прочны и жаростойки — выдерживают нагрев до температуры более 4000 градусов! Быть может, из таких материалов когда-нибудь будут строиться камеры сгорания двигателей межпланетных кораблей, оборудование атомных двигателей.       Сегодняшний день учения о полупроводниках приподнял перед нами лишь уголок завесы времени, скрывающей завтра. Но и через эту щелку мы разглядели немало. В городе завтрашнего дня мы встретили здания, отапливающиеся морозом, в пустынях — удивительные ловушки лучистой энергии. Мы предугадали рождение солнечной энергетики. Мы увидели всеобщее распространение новой радиотехники, победное шествие миниатюрных машин со зрением и памятью, уловили звуки неслыханных музыкальных инструментов.       Это крупицы нашего будущего. Но добыть их нелегко.       Предстоит преодолеть тысячи больших и малых препятствий, еще дальше развить теорию полупроводников — не только кристаллических, но и стекловидных и жидких, найти лучшие способы их очистки, обработки.       Герой Социалистического Труда академик А. Ф. Иоффе — старейший советский ученый, отдавший более четверти века работе в области физики полупроводников, говорит: «Мы вступаем в новую эру технического прогресса. У нас достаточно сил и возможностей, и моральных и материальных, чтобы решать задачи любого масштаба в ближайшие годы, в ближайшие десятилетия».       Ученые и инженеры Советской страны уверенно смотрят вперед. Люди смелой мечты, ясного разума, неутомимые энтузиасты науки, они сегодня готовят то, что завтра станет достоянием народа, что войдет в грядущие бессчетные века коммунизма.

что это: типы, суть, промышленность и инвестиции — Тюлягин

Здравствуйте, уважаемые читатели проекта Тюлягин! В сегодняшней статье поговорим о полупроводниках. Вы узнаете что такое полупроводники в чем их основное значение и суть в современной промышленности, технологиях и экономике. Разберем основные типы полупроводников и их особенности. Также поговорим о нюансах при инвестировании в полупроводники и полупроводниковую промышленность, включая риски полупроводников, такие как высокий и низкий спрос на полупроводники и их дефицит.

Содержание статьи:

• Что такое полупроводник?
• Суть полупроводников
• Типы полупроводников
• Полупроводниковая промышленность
• Инвестиции в промышленность
• Особенности полпроводников
• Риски цикличности
• Популярные вопросы о полупроводниках
• Резюме

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это материальный продукт, обычно состоящий из кремния, который проводит электричество больше, 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 он находится.

Полупроводники, также известные как чипы, можно найти в тысячах продуктов, таких как компьютеры, смартфоны, бытовая техника, игровое оборудование и медицинское оборудование.

Суть полупроводников

Полупроводниковые устройства могут демонстрировать ряд полезных свойств, таких как показывать переменное сопротивление, легче пропускать ток в одном направлении, чем в другом, и реагировать на свет и тепло. Их фактическая функция включает усиление сигналов, переключение и преобразование энергии. Таким образом, они находят широкое применение почти во всех отраслях промышленности, а компании, производящие и тестирующие их, считаются отличными индикаторами состояния экономики в целом.

Типы полупроводников

Вообще говоря, полупроводники делятся на четыре основные категории продукции:

Память

Микросхемы памяти служат временным хранилищем данных и передают информацию в мозг компьютерных устройств и из него. Консолидация рынка памяти продолжается, в результате чего цены на память настолько низки, что лишь несколько гигантов, таких как Toshiba, Samsung и NEC, могут позволить себе остаться в игре.

Микропроцессоры

Это центральные процессоры, которые содержат базовую логику для 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 разные сегменты в целом.

Товарная интегральная схема

Иногда их называют «стандартными чипами», они производятся огромными партиями для повседневной обработки. Этот сегмент, в котором доминируют очень крупные азиатские производители микросхем, предлагает мизерную прибыль, с которой могут конкурировать только крупнейшие полупроводниковые компании.

Комплекс SOC

«Система на кристалле» («System on a Chip» — SOC) — это, по сути, создание микросхемы интегральной схемы с возможностью использования всей системы. Рынок вращается вокруг растущего спроса на потребительские товары, сочетающие в себе новые функции и более низкие цены. Поскольку двери на рынки памяти, микропроцессоров и товарных интегральных схем плотно закрыты, сегмент SOC, пожалуй, единственный, у кого осталось достаточно возможностей для привлечения широкого круга компаний.

Полупроводниковая промышленность

Успех в полупроводниковой промышленности зависит от создания более компактных, быстрых и дешевых продуктов. Преимущество малого размера заключается в том, что на один и тот же чип можно поместить больше энергии. Чем больше транзисторов на микросхеме, тем быстрее она выполняет свою работу. Это создает жесткую конкуренцию в отрасли, а новые технологии снижают стоимость производства одного чипа, так что в течение нескольких месяцев цена нового чипа может упасть на 50%.

Это привело к закономерности, названной законом Мура, который гласит, что количество транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года. Это наблюдение названо в честь Гордона Мура, соучредителя Fairchild Semiconductor и Intel, который написал статью с описанием этого в 1965 году. В настоящее время период удвоения часто составляет 18 месяцев — цифру, которую приводит исполнительный директор Intel Дэвид Хаус.

В результате на производителей микросхем постоянно оказывается давление, чтобы они изобрели что-то лучше и даже дешевле, чем то, что определяло современное состояние всего несколько месяцев назад. Поэтому полупроводниковым компаниям необходимо поддерживать большие бюджеты на исследования и разработки. Ассоциация исследования рынка полупроводников IC Insights сообщила, что 10 крупнейших полупроводниковых компаний потратили в среднем 13,0% продаж на НИОКР в 2017 году, в диапазоне от 5,2% до 24,0% для отдельных компаний.

Традиционно полупроводниковые компании контролировали весь производственный процесс, от проектирования до производства. Тем не менее, многие производители микросхем теперь делегируют все больше и больше продукции другим представителям отрасли. Литейные компании, единственной сферой деятельности которых является производство, в последнее время вышли на передний план, предлагая привлекательные варианты аутсорсинга. Помимо литейных заводов, ряды дизайнеров, специализирующихся на производстве, и тестировщиков микросхем начинают пополняться. Компании по производству микросхем становятся все более экономичными и эффективными. Производство чипов теперь напоминает кухню ресторана изысканной кухни, где повара выстраиваются в очередь, чтобы добавить в смесь нужные специи.

В 1980-е производители микросхем жили с доходностью (количество работающих устройств от всего произведенного) 10-30%. Сегодня некоторые производители микросхем стремятся к доходности 80–90%. Это требует очень дорогих производственных процессов. В результате многие компании, производящие полупроводники, занимаются проектированием и маркетингом, но предпочитают отдать часть или все производство на аутсорсинг. Известные как производители микросхем без фабрики, эти компании имеют высокий потенциал роста, поскольку они не обременены накладными расходами, связанными с производством или «изготовлением».

Инвестиции в полупроводниковую промышленность

Помимо инвестирования в отдельные компании, есть несколько способов контролировать инвестиционные показатели всего сектора. К ним относятся эталонный индекс PHLX Semiconductor Index, известный как SOX, а также его производные формы в биржевых фондах. Есть также индексы, которые делят сектор на производителей микросхем и производителей оборудования для микросхем. Последний разрабатывает и продает оборудование и другую продукцию, используемую для разработки и тестирования полупроводников.

Кроме того, некоторые зарубежные рынки, такие как Тайвань, Южная Корея и в меньшей степени Япония, сильно зависят от полупроводников, и поэтому их индексы также дают представление о состоянии мировой промышленности.

Особенности инвестирования в полупроводники

Если инвесторы в полупроводники должны помнить одну вещь, это должно быть то, что полупроводниковая промышленность очень циклична. Производители полупроводников часто сталкиваются с циклами «подъема и спада», основанными на базовом спросе на продукты на основе микросхем. В хорошие времена прибыль производителей микросхем может быть очень высокой, из-за высокого спроса и дефицита полупродников на рынке. Однако когда спрос падает, цены на микросхемы могут резко упасть и оказать серьезное влияние на цепочки поставок во многих отраслях.

Спрос обычно отслеживает спрос со стороны конечного рынка на персональные компьютеры, сотовые телефоны и другое электронное оборудование. В хорошие времена такие компании, как Intel и Toshiba, не могут производить микрочипы достаточно быстро, чтобы удовлетворить спрос, возникает дефицит полупроводников на рынке. Когда наступают тяжелые времена, они могут быть совершенно жестокими. Например, низкие продажи ПК могут поставить отрасль — и цены на ее акции — в штопор.

В то же время нет смысла говорить о «цикле чипа», как если бы это было событием особого характера. В то время как полупроводники по-прежнему являются сырьевым бизнесом, их конечные рынки настолько многочисленны — ПК, коммуникационная инфраструктура, автомобили, потребительские товары и т. д. — что маловероятно, что избыток производственных мощностей в одной области приведет к падению всей отрасли.

Риски цикличности

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

Цикличность дает некоторое утешение, но также создает риск для инвесторов. Производители чипов должны регулярно участвовать в азартных играх с высокими ставками. Большой риск связан с тем, что после крупного проекта разработки компаниям может потребоваться много месяцев или даже лет, чтобы выяснить, сорвали ли они джекпот или все сорвали. Одной из причин задержки является переплетенная, но фрагментированная структура отрасли: различные секторы достигают пика и минимума в разное время.

Например, нижняя точка для литейных производств часто наступает намного раньше, чем для разработчиков микросхем. Другой причиной является длительное время выполнения заказа в отрасли: на разработку микросхемы или создание литейного цеха уходят годы, и еще больше времени, прежде чем продукты приносят прибыль.

Компании, производящие полупроводники, сталкиваются с классической загадкой: двигает ли рынок технология, или рынок движет технологией. Инвесторы должны признать, что оба случая применимы для полупроводниковой промышленности.

Поскольку компании тратят значительную часть доходов на исследования и разработки, окупаемость которых может занять несколько месяцев или даже лет — а иногда и никогда, если технология неисправна, — инвесторам следует с осторожностью относиться к заявлениям компаний, которые утверждают, что владеют новейшими и лучшими технологиями в полупроводниковой промышленности.

Популярные вопросы о полупроводниках

Чем полупроводник отличается от проводника или изолятора?

Полупроводник, по сути, функционирует как гибрид проводника и изолятора. В то время как проводники представляют собой материалы с высокой проводимостью, которые позволяют течь заряду при приложении напряжения, а изоляторы не допускают протекания тока, полупроводники поочередно действуют как изолятор и проводник там, где это необходимо.

Что такое полупроводник N-типа?

Полупроводник n-типа представляет собой полупроводник со смешанными примесями, в котором используются пятивалентные примесные атомы, такие как фосфор, мышьяк, сурьма, висмут.

Что такое полупроводник P-типа?

Полупроводник p-типа — это тип примесного полупроводника, который содержит трехвалентные примеси, такие как бор и алюминий, которые увеличивают уровень проводимости обычного полупроводника, сделанного исключительно из кремния.

Что такое собственный полупроводник?

Собственный или чистый (нелегированный) полупроводник — это полупроводник, в который не добавлены какие-либо примеси или легирующие примеси, как в случае полупроводников p-типа и n-типа. В собственных полупроводниках количество возбужденных электронов и количество дырок равны: n = p.

Резюме

• Полупроводник, который содержится в тысячах электронных продуктов, — это материал, который проводит электричество больше, чем изолятор, но меньше, чем чистый проводник.
• Есть четыре основных типа полупроводников.
• Полупроводниковая промышленность живет и умирает по простому кредо: меньше, быстрее и дешевле.
• Инвесторы должны помнить, что полупроводниковая промышленность очень циклична и подвержена периодическим подъемам и спадам.
• Помимо инвестиций в конкретные компании, производящие полупроводники, существуют также ETF, индексные фонды и индексы, которые разбивают сектор на производителей микросхем и производителей оборудования для микросхем.

---

А на этом сегодня все про полупроводники. Надеюсь статья оказалась для вас полезной. Делитесь статьей в социальных сетях и мессенджерах и добавляйте сайт в закладки. Успехов и до новых встреч на страницах проекта Тюлягин!

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

проводимости

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Дункан Холдейн Уолтер Х. Браттейн Ив-Андре Рокар

Похожие темы:

кремний германий лавинный эффект Эффект Ганна p-n переход

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

полупроводник , любой класс кристаллических твердых тел, промежуточный по электропроводности между проводником и изолятором. Полупроводники используются в производстве различных электронных устройств, в том числе диодов, транзисторов и интегральных схем. Такие устройства нашли широкое применение благодаря своей компактности, надежности, энергоэффективности и дешевизне. В качестве дискретных компонентов они нашли применение в силовых устройствах, оптических датчиках и излучателях света, включая твердотельные лазеры. Они обладают широким диапазоном возможностей управления током и напряжением и, что более важно, поддаются интеграции в сложные, но легко изготавливаемые 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 подразделяются на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке показаны проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1/σ), связанные с некоторыми важными материалами в каждом из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка 10 ^-18 до 10 ^-10 сименс на сантиметр; и 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 незначительному количеству примесных атомов. Например, добавление около 10 атомов бора (известного как легирующая примесь) на миллион атомов кремния может увеличить его электропроводность в тысячу раз (частично объясняя широкий разброс, показанный на предыдущем рисунке).

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. Элементарные полупроводники состоят из атомов одного вида, 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 составных полупроводников, состоящих из двух или более элементов. Арсенид галлия (GaAs), например, представляет собой бинарное соединение III-V, представляющее 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 ртути и индия (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 и Al, и Ga происходят из столбец III и нижний индекс х относятся к составу двух элементов от 100 процентов алюминия ( х = 1) до 100 процентов галлия ( х = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для приложений интегральных схем, а бинарные и тройные соединения III-V наиболее важны для излучения света.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только в качестве двухвыводных устройств, таких как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрировали высокие токи утечки лишь при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал наиболее широко используемым полупроводником, практически вытеснив германий в качестве материала для изготовления устройств. Этому есть две основные причины: (1) кремниевые устройства имеют гораздо меньшие токи утечки и (2) диоксид кремния (SiO ₂ ), представляющий собой высококачественный изолятор, легко встраивается в устройство на основе кремния. Таким образом, кремниевая технология стала очень продвинутой и широко распространенной: кремниевые устройства составляют более 95 процентов всех полупроводниковых продуктов, продаваемых во всем мире.

Викторина «Британника»

Строительные блоки предметов повседневного обихода

Из чего сделаны сигары? К какому материалу относится стекло? Посмотрите, на что вы действительно способны, ответив на вопросы этого теста.

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

Электронные свойства

Описанные здесь полупроводниковые материалы представляют собой монокристаллы; т. е. атомы расположены трехмерным периодическим образом. Часть A рисунка показывает упрощенное двумерное представление собственного (чистого) кристалла кремния, который содержит 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 образует 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 энергетические уровни. Однако, когда большое количество атомов объединяется в кристалл, взаимодействие между атомами приводит к тому, что дискретные энергетические уровни распределяются по энергетическим зонам. При отсутствии тепловых колебаний (т. е. при низкой температуре) электроны в изоляторе или полупроводниковом кристалле полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Самая высокая заполненная зона называется валентной зоной. Следующей зоной является зона проводимости, которая отделена от валентной зоны энергетической щелью (в кристаллических диэлектриках щель гораздо больше, чем в полупроводниках). Эта энергетическая щель, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми не могут обладать электроны в кристалле. 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 арсенида галлия — 1,42 эВ. Напротив, ширина запрещенной зоны алмаза, хорошего кристаллического изолятора, составляет 5,5 эВ.

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

При низких температурах электроны в полупроводнике связаны в 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. Когда 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 одной позиции кристалла на другую. Эту вакансию можно рассматривать как фиктивную частицу, называемую «дыркой», которая несет положительный заряд и движется в направлении, противоположном направлению движения электрона. Когда к полупроводнику прикладывается электрическое поле, как свободные электроны (теперь находящиеся в зоне проводимости), так и дырки (оставленные в валентной зоне) движутся через кристалл, создавая электрический ток. Электропроводность материала зависит от количества свободных электронов и дырок (носителей заряда) в единице объема и от скорости движения этих носителей 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 в вольт-секунду (см ² /В·с), т. е. электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду при напряженности электрического поля в один вольт на сантиметр, а подвижность дырки равна 500 см ² /В·с. Подвижности электронов и дырок в конкретном полупроводнике обычно уменьшаются с повышением температуры.

Электрическая проводимость собственных полупроводников при комнатной температуре очень плохая. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одна часть на миллион атомов-хозяев). Это называется легированием — процессом, который увеличивает проводимость, несмотря на некоторую потерю подвижности. Например, если атом кремния заменить атомом с пятью внешними электронами, например, мышьяком ( см. часть В рисунка), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, отдаваемым зоне 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, такой как бор, заменить атомом кремния, дополнительный электрон принимается для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, а положительно заряженная дырка создается в валентной зоне. Это создает p — полупроводник, в котором бор является акцептором.

Что такое полупроводник? Инженер-электрик объясняет, как работают эти важные электронные компоненты и как они изготавливаются

Полупроводники являются важной частью почти каждого современного электронного устройства, и подавляющее большинство полупроводников производится в Тавейне. Растущие опасения по поводу зависимости Тайваня в производстве полупроводников, особенно с учетом натянутых отношений между Тайванем и Китаем, привели к тому, что в конце июля 2022 года Конгресс США принял закон о чипах и науке. Этот закон предусматривает субсидии на сумму более 50 миллиардов долларов США для стимулирования производства полупроводников в США. производства и широко освещается в новостях. Тревор Торнтон, инженер-электрик, изучающий полупроводники, объясняет, что это за устройства и как они изготавливаются.

Тонкие круглые пластины кристаллов кремния, называемые пластинами, являются отправной точкой для большинства полупроводниковых микросхем. Хеббе/Викисклад

1. Что такое полупроводник?

Вообще говоря, термин полупроводник относится к материалу, подобному кремнию, который может проводить электричество намного лучше, чем изолятор, такой как стекло, но не так хорошо, как металлы, такие как медь или алюминий. Но когда люди сегодня говорят о полупроводниках, они обычно имеют в виду полупроводниковые чипы.

Эти чипы обычно изготавливаются из тонких пластинок кремния со сложными компонентами, расположенными на них в определенном порядке. Эти паттерны управляют потоком тока с помощью электрических переключателей, называемых транзисторами, во многом так же, как вы управляете электрическим током в своем доме, щелкая переключателем, чтобы включить свет.

Разница между вашим домом и полупроводниковой микросхемой заключается в том, что полупроводниковые переключатели полностью электрические, без механических компонентов, которые можно переключать, а микросхемы содержат десятки миллиардов переключателей на площади, не превышающей размер ногтя.

2. Что делают полупроводники?

Полупроводники — это то, как электронные устройства обрабатывают, хранят и получают информацию. Например, микросхемы памяти хранят данные и программное обеспечение в виде двоичного кода, цифровые микросхемы обрабатывают данные на основе программных инструкций, а беспроводные микросхемы получают данные от высокочастотных радиопередатчиков и преобразуют их в электрические сигналы. Эти разные чипы работают вместе под управлением программного обеспечения. Различные программные приложения выполняют очень разные задачи, но все они работают, переключая транзисторы, управляющие током.

На этой схеме полупроводникового чипа показано множество различных материалов разных цветов и сложное наслоение, необходимое для производства современного чипа. Cepheiden/Wikimedia Commons, CC BY

3. Как построить полупроводниковый чип?

Отправной точкой для подавляющего большинства полупроводников является тонкий слой кремния, называемый пластиной. Сегодняшние вафли размером с обеденную тарелку вырезаны из монокристаллов кремния. Производители добавляют такие элементы, как фосфор и бор, тонким слоем на поверхности кремния, чтобы увеличить проводимость чипа. Именно в этом поверхностном слое сделаны транзисторные переключатели.

Транзисторы изготавливаются путем добавления тонких слоев проводящих металлов, изоляторов и большего количества кремния на всю пластину, набросков рисунков на этих слоях с использованием сложного процесса, называемого литографией, а затем выборочного удаления этих слоев с помощью управляемой компьютером плазмы высокореактивных газов. оставлять определенные узоры и структуры. Поскольку транзисторы такие маленькие, гораздо проще добавлять материалы слоями, а затем аккуратно удалять ненужные материалы, чем размещать микроскопически тонкие линии металла или изоляторов непосредственно на чипе. Нанося, формируя и травя слои различных материалов десятки раз, производители полупроводников могут создавать микросхемы с десятками миллиардов транзисторов на квадратный дюйм.

4. Чем сегодняшние чипы отличаются от ранних чипов?

Отличий много, но самое важное, пожалуй, это увеличение количества транзисторов на чип.

Одним из первых коммерческих применений полупроводниковых микросхем были карманные калькуляторы, которые стали широко доступны в 1970-х годах. Эти ранние чипы содержали несколько тысяч транзисторов. В 1989 году Intel представила первые полупроводники, число транзисторов которых превысило миллион на одном кристалле. Сегодня самые большие микросхемы содержат более 50 миллиардов транзисторов. Эта тенденция описывается так называемым законом Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле будет удваиваться примерно каждые 18 месяцев.

Закон Мура действует уже пять десятилетий. Но в последние годы полупроводниковой промышленности пришлось решать серьезные проблемы — в основном, как продолжать уменьшать размер транзисторов — чтобы продолжать этот темп развития.

Одно из решений состояло в том, чтобы перейти от плоских двумерных слоев к трехмерным слоям с ребристыми ребрами кремния, выступающими над поверхностью. Эти 3D-чипы значительно увеличили количество транзисторов на чипе и теперь широко используются, но их также намного сложнее производить.

5. Требуются ли более сложные чипы более сложных заводов?

Проще говоря, да, чем сложнее чип, тем сложнее и дороже завод.

Было время, когда почти каждая полупроводниковая компания США строила и содержала собственные заводы. Но сегодня строительство нового литейного завода может стоить более 10 миллиардов долларов. Только самые крупные компании могут позволить себе такие инвестиции. Вместо этого большинство полупроводниковых компаний отправляют свои разработки в независимые литейные цеха для производства. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. и GlobalFoundries со штаб-квартирой в Нью-Йорке — два примера многонациональных литейных заводов, производящих микросхемы для других компаний. У них есть опыт и экономия за счет масштаба, чтобы инвестировать в чрезвычайно дорогие технологии, необходимые для производства полупроводников следующего поколения.

По иронии судьбы, несмотря на то, что транзистор и полупроводниковый чип были изобретены в США, в настоящее время на американской земле нет современных заводов по производству полупроводников. США были здесь раньше в 1980-х годах, когда были опасения, что Япония будет доминировать в мировом бизнесе памяти. Но с недавно принятым законом о чипах Конгресс предоставил стимулы и возможности для производства полупроводников следующего поколения в США.

Возможно, чипы в вашем следующем iPhone будут «разработаны Apple в Калифорнии, произведены в США».

Все, что вы хотели знать о полупроводниках

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

Мы намерены это изменить.

Считайте, что это ваше знакомство с миром полупроводников. К концу этой статьи вы сможете уверенно обсуждать эту тему, что, возможно, не принесет вам много свиданий, но, безусловно, принесет вам уважение инженеров-электриков.

 

Что такое полупроводник?

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

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

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

Существует два основных типа полупроводников. Полупроводник N-типа используется, когда его проводимость выше или имеется большое количество свободных электронов. Полупроводник Р-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, вот полезное видео:

 

Элементы, используемые для создания полупроводников

Давайте подробнее рассмотрим два элемента, которые используются для создания большинства полупроводники.

 

Кремний

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

Что касается крупных производителей кремния для пластин, то существует множество поставщиков в США и по всему миру, прежде всего 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, похожий по внешнему виду на кремний, который не встречается в природе как свободный элемент из-за его реактивности. Доступный в земной коре, он добывается из сфалеритовых цинковых руд, а также может быть извлечен из золы-уноса, угольных и медных руд.

Германий менее полезен, чем кремний, из-за его термической чувствительности и стоимости, но его все же сплавляют с кремнием для использования в некоторых высокоскоростных устройствах. IBM является основным производителем этих устройств. Лидер по производству германия в Китае, наряду с другими крупными производителями, включая США, Канаду, Россию и Бельгию.

 

В поисках новых полупроводников

Поскольку полупроводники являются таким ценным продуктом, компании постоянно ищут новые, лучшие способы их производства.

Начинается поиск новых полупроводников в периодической таблице элементов. В столбце IVA каждый элемент образует связи, разделяя четыре своих электрона с четырьмя соседями. Самым прочным из группы является углерод, используемый для создания алмазов. Алмазы являются хорошими изоляторами, потому что углерод крепко удерживает эти электроны, но обычно алмаз сгорает до того, как через него проходит электрический ток.

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

Кремний и германий находятся где-то посередине и считаются полупроводниками. Однако из-за того, как они устроены, оба неэффективны при обмене электричества со светом.

Чтобы найти материалы, работающие со светом, вам нужно посмотреть по обе стороны 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, светодиодов и фотодетекторов. Они могут то, что кремний не может.

В дополнение к материалам IIIA-VA также используются материалы IIA-VIA. К ним относятся комбинации цинка, кадмия, ртути и теллура.

 

План Китая по повышению производительности полупроводников

Производство полупроводников — крупный бизнес, который может принести много денег. Производство полупроводников кажется главным приоритетом для чиновников в Китае. Ссылаясь на неназванные источники, The Wall Street Journal сообщила, что поддерживаемый правительством Китайский инвестиционный фонд промышленности интегральных схем выделит средства на улучшение способности Китая разрабатывать и производить передовые процессоры и графические процессоры.

Размер фонда, который, как ранее сообщалось, оценивался в сумму от 19 до 32 миллиардов долларов США, мог быть увеличен в результате кипящей торговой напряженности между Китаем и США

Государственное финансирование полупроводниковой промышленности Китая стал центром торговой напряженности, возникшей между двумя странами, когда каждая страна готова ввести тарифы на товары стоимостью в миллиарды долларов. США утверждают, что государственная поддержка полупроводниковой промышленности Китая является антиконкурентной.

 

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

Китайское правительство активизировало усилия по созданию отечественной полупроводниковой промышленности, чтобы помочь обеспечить огромный рынок электроники, сигнализируя о своем намерении потратить 161 миллиард долларов в течение десяти лет на дальнейшие усилия. В настоящее время Китай ежегодно импортирует полупроводников на сумму более 100 миллиардов долларов.

Последний китайский инвестиционный фонд для промышленности интегральных схем последует за аналогичным фондом, созданным в 2014 году, который привлек около 22 миллиардов долларов, согласно отчету Wall Street Journal.

Недавние торговые споры с США вызвали у Китая повышенную потребность в поддержке отечественной полупроводниковой промышленности. США недавно наложили запрет на экспорт китайского телекоммуникационного провайдера ZTE, не позволяя американским поставщикам полупроводников и других компонентов продавать устройства ZTE, крупному клиенту Qualcomm и других поставщиков чипов в США.

 

Китай предлагает купить больше полупроводников в США

В связи с недавними торговыми спорами Китай предложил купить больше полупроводников в США, перенаправив некоторые закупки из Южной Кореи и Тайваня, чтобы помочь сократить активное сальдо торгового баланса Китая с США

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 их компаний, занимающихся ценными бумагами, сообщает Financial Times со ссылкой на источники, проинформированные об обсуждениях.

 

Еще больше напряженности в отношениях между Китаем и США

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

Компания Huawei и ее подразделение FutureWei подали в суд на Хуанга и его стартап CNEX Labs в декабре прошлого года, обвинив Хуанга в побеге с конфиденциальными коммерческими секретами, связанными с полупроводниковой технологией, которая использует интегральные схемы в качестве памяти для хранения данных.

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

Однако этот иск выходит за рамки полупроводниковых технологий. Хотя федеральный суд в восточном Техасе должен определить, кому принадлежит технология, иск Хуанга направлен на то, чтобы извлечь выгоду из критики, что Huawei ведет нечестную игру.

Документ включает в себя 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 были важными участниками кампании корпоративного шпионажа, организованной с целью кражи интеллектуальной собственности у американских технологических компаний, таких как CNEX, в надежде превзойти Соединенные Штаты как доминирующую мировую технологическую сверхдержаву к 2025 году», — сказал Хуанг в своем письме. подача.

 

Новые металло-воздушные транзисторы

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

Многие предсказывают, что удвоение количества кремниевых транзисторов на единицу площади каждые два года прекратится примерно к 2025 году, когда технология достигнет своих физических пределов. Тем не менее, исследователи из Университета RMIT в Мельбурне, Австралия, считают, что разработанный ими полевой транзистор с воздушным каналом (ACT) на металлической основе может поддерживать удвоение транзисторов еще два десятилетия.

Устройство ACT устраняет необходимость в полупроводниках. Вместо этого в нем используются два плоскостных 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 путешествовать по воздуху при комнатной температуре без рассеяния.

В отличие от обычных транзисторов, которые должны размещаться в кремниевой массе, их устройство представляет собой подход к изготовлению снизу вверх, начиная с подложки. Это позволяет им создавать 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 также имеет много других преимуществ. Изготовление становится, по сути, одноэтапным процессом укладки эмиттера и коллектора и определения воздушного зазора. Хотя при производстве ACT используются стандартные процессы изготовления кремния, количество этапов обработки намного меньше, учитывая, что нет необходимости в легировании, термической обработке, окислении и формировании силицидов. Следовательно, затраты на производство должны быть значительно сокращены.

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

 

Термический нагрев и регулирование температуры являются важными аспектами производства полупроводников. Мониторинг и точность процесса нагрева являются центральной частью процессов осаждения, травления и литографии или фотолитографии, каждый из которых требует термических характеристик и контроля температуры для достижения успеха. На каждом этапе производства полупроводников требуется тепло для формирования и придания формы продукту, а также исключительный контроль и точность.
 

Испытания нагревателей

Испытания являются необходимой частью разработки нагревателей для производства полупроводников. Это помогает инженерам находить материалы для проектирования, которые функционально эффективны и способны прослужить в течение всего срока службы полупроводника. Каждый производитель полупроводников использует различные процессы, процедуры и методы с собственными различиями между компонентами и системами. Нагревательные элементы регулируются и конфигурируются в соответствии с требованиями этих изменений, включая экстремальные температуры, которые могут потребовать высокой температуры и напряжения и длительной продолжительности.

Нагреватели, выбранные для производства полупроводников, должны соответствовать отраслевым стандартам и соответствовать конкретным требованиям производителя. Чтобы обеспечить соответствие спецификациям каждого производителя, определенные аспекты обогревателей тестируются для обеспечения высочайшего качества. Испытания могут оценивать:

• Долговечность материалов
• Способность материалов выдерживать циклы сопряжения и рассоединения
• Целостность сигнала
• Соответствие нормативным требованиям

Нагреватели с микрокартриджами от Backer Hotwatt

 

Испытание на пригорание

Испытание на пригорание дает статистическую картину производительности нагревателя. Целью испытаний на пригорание является помещение нагревателя в типичные контролируемые рабочие условия и принуждение его к отказу. Он используется для обнаружения ранних отказов с использованием ускоренных параметров и помогает гарантировать, что нагреватель будет работать должным образом, в соответствии с ожиданиями, и избежать возможных проблем для конечных пользователей.

Существует три потенциальных сбоя, которые могут испытать нагреватель:

• Ошибки ранних сбоев могут быть:
  • Проектные недостатки
  • Спецификация.
  • Неправильное использование
  • Скачки напряжения
• Исчерпание жизненного цикла из-за износа

Печи, используемые для испытаний на обжиг, могут быть простыми, сложными или изготовленными по индивидуальному заказу с нагревательными элементами, которые обеспечивают надежный контроль температуры. Большинство печей имеют нагреватели из нержавеющей стали или трубчатые нагреватели, которые достигают температуры 1200°F при удельной мощности 40 Вт на квадратный дюйм.

Спиральный нагреватель от Backer Hotwatt

 

Нагреватели для производства полупроводников

Производство полупроводников зависит от теплового нагрева и точного контроля для обеспечения качества, производительности и долговечности полупроводников. Производители выбирают нагреватели в соответствии с дизайном своего процесса, при этом долговечность и устойчивость являются основными факторами.
 

Полиимидный нагреватель

Полиимидный нагреватель изготовлен из каптона, полиимидной пленки, разработанной компанией DuPont. Они имеют очень тонкий профиль, чрезвычайно гибкие, обеспечивают отличное распределение тепла и обладают необходимой прочностью на растяжение. Полиимидные нагреватели имеют элемент из протравленной фольги толщиной от 0,0005 дюйма до 0,0001 дюйма, спрессованный в два слоя полиимидной пленки. Они отлично подходят для экстремальных температурных условий и сохраняют свою форму независимо от температурного воздействия.
 

Керамические нагреватели

Керамические нагреватели отличаются исключительно быстрым нагревом и охлаждением, что делает их идеальными для производства полупроводников. Они изготовлены из теплопроводной алюмонитритной керамики со встроенными вольфрамовыми резистивными нагревательными дорожками. Керамические нагреватели изготавливаются в нескольких уникальных конфигурациях, которые служат в качестве связующих инструментов для полупроводниковых приложений.
 

Трубчатые нагреватели

Трубчатые нагреватели — это универсальные нагреватели, которые могут иметь любую форму и конфигурацию и осуществлять теплопередачу путем теплопроводности, конвекции или излучения. Поскольку они могут достигать исключительно высоких температур, они идеально подходят для промышленного использования, например, для производства полупроводников.
 

Паяные нагревательные пластины

Паяные нагревательные пластины имеют нагревательные элементы с изоляцией из нескольких минералов для лучшей однородности и применения в нескольких зонах, где трубчатые нагреватели с одной зоной не могут соответствовать необходимым стандартам однородности. Они изготовлены из сложенных друг на друга пластин из нержавеющей стали, спаянных и гофрированных для увеличения площади поверхности и теплопередачи.
 

Резюме

Поскольку термический нагрев и температура являются важной частью производства полупроводников, существуют нагреватели и нагревательные элементы, способные удовлетворить требования любого производителя полупроводников. Широкий выбор методов нагрева обеспечивает гибкость, точность и исключительный контроль процесса производства полупроводников.

 

Технологии постоянно меняются

Мир полупроводников постоянно меняется. Будь то из-за напряженности в отношениях между двумя странами или из-за новых инноваций, пытающихся полностью заменить полупроводники, через 5-6 лет технология, вероятно, будет совершенно другой.

Хорошей новостью является то, что на данный момент вы знаете достаточно, чтобы разумно рассуждать о полупроводниках. Итак, идите и произведите впечатление на людей. Или хотя бы выглядеть умнее.

 

Ресурсы

• https://electronics.howstuffworks.com/diode.htm
• https://www. wsj.com/articles/china-plans-47-billion-fund-to-boost-its- полупроводниковая промышленность-1525434907
• https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/devices/new-metalair-transistor-replaces-semiconductors
• https://techcrunch.com/2016/10/27/qualcomm- to-acquire-nxp-semiconductor-for-47-billion/
• http://theconversation.com/beyond-silicon-the-search-for-new-semiconductors-55795
• https://www.cnbc.com/2018/03/26/china-offers-to-buy-more-us-semiconductors-to-cut-trade-surplus-ft.html
• https:// techcrunch.com/2018/05/07/china-chip-fund/
• https://www.ccn.com/blockchain-adoption-levels-highest-in-the-semiconductor-industry-accenture/
• https: //newsroom.intel.com/news-releases/intel-supports-american-innovation-7-billion-investment-next-generation-semiconductor-factory-arizona/#gs.UAn82lU
• https://www.wsj. com/articles/u-s-startup-accuses-chinas-huawei-of-try-to-steal-semiconductor-technology-1539867401
• https://techcrunch. com/2018/03/26/china-trades-semiconductors/
• https://bitcoinist.com/blockchain-iot-and-ai-push-global-semiconductor-sector-sales -до-более-40-миллиардов/
• https://hardware.slashdot.org/story/18/12/01/188255/can-new-metal-air-transistors-replace-semiconductors-and-continue-moores -law
• https://www.investors.com/research/ibd-industry-themes/taiwan-semiconductor-apple-falls/
• https://www.used-line.com/semiconductor-and-pcb
• https://www.reuters.com/article/us-usa-trade-china-semiconductors-idUSKCN1N328E
• https://www.prnewswire.com/news-releases/global-semiconductor-sales-grow-as -the-industry-embraces-iot-and-blockchain-technology-881361928.html

Что такое полупроводник » Electronics Notes

Полупроводники — это электронные компоненты, играющие ключевую роль практически во всех аспектах современной электронной технологии. Понимание того, что они из себя представляют и как они работают, важно для всех, кто занимается электроникой.

---

Полупроводники Включает:
Что такое полупроводник Дырки и электроны Полупроводниковые материалы Составные полупроводники Карбид кремния, SiC Нитрид галлия, GaN

---

Полупроводники и полупроводниковые технологии сегодня составляют основу большей части электронной промышленности.

Транзисторы, диоды, тиристоры, полевые транзисторы, интегральные схемы и многие другие электронные компоненты имеют общую полупроводниковую технологию. Все эти электронные компоненты ежедневно используются в огромных количествах во всех формах производства электроники.

В результате огромной степени гибкости, которую обеспечивает полупроводниковая технология, она позволила электронике занять многие области повседневной жизни, о которых пятьдесят лет назад нельзя было и помыслить.

Полупроводниковая технология, естественно, основана на полупроводниках, которые представляют собой особую форму материала, проводимость которого можно изменять несколькими способами.

Разработка полупроводников

Первые эффекты для полупроводников были замечены в начале двадцатого века. Тот факт, что некоторые материалы не являются ни изоляторами, ни проводниками, был известен уже давно.

Также начали использоваться одни из первых устройств — радиодетектор Cat’s Whisker был одним из первых. Впервые он был использован примерно в 1906 году, а затем, в 1920-х годах, эти устройства получили широкое распространение в первых радиовещательных радиостанциях.

Типичный кристаллический детектор / детектор Cat’s Whisker — это было одно из первых полупроводниковых устройств, которые использовались.

В течение 1920-х годов теоретическое понимание полупроводников начало расти по мере того, как начали понимать квантовую физику, лежащую в основе их работы.

Однако только после того, как во время Второй мировой войны возникла потребность в микроволновых диодах для использования в радарах, возник стимул к продвижению этих устройств вперед.

В конце 1940-х годов был разработан первый транзистор, а затем, в 1960-х годах, технология продвинулась вперед, и вскоре появилось много новых устройств: полевые транзисторы, светодиоды и, конечно же, интегральные схемы.

Note on Semiconductor History:

Полупроводники исследовались много лет, и хотя первые устройства использовались в начале двадцатого века, мало что было известно о том, как они работали. Постепенно были раскрыты секреты их работы и изобретены многие полупроводниковые приборы и электронные компоненты.

Подробнее о Разработка и история полупроводников.

Полупроводниковое определение

Чтобы иметь возможность лучше понять полупроводники, полезно начать с определения, которое дает краткое описание того, что на самом деле представляет собой полупроводник.

Определение полупроводника:

Полупроводник определяется как материал, который находится на полпути между проводником и изолятором с точки зрения электропроводности. Как правило, это кристаллический твердый материал, который при определенных условиях проводит электрический ток, что делает его идеальным для управления потоком тока.

Введение в полупроводники

Электрический ток возникает, когда есть поток электронов в определенном направлении. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, их движение означает, что заряд течет из одной точки в другую, и это то, что представляет собой электрический ток.

Чтобы обеспечить протекание тока, электроны должны иметь возможность свободно перемещаться внутри материала. В некоторых материалах электроны свободно перемещаются по решетке, хотя количество электронов и доступное для них пространство уравновешиваются, поэтому сам материал не несет заряда.

В этих материалах электроны движутся свободно, но беспорядочно. Помещая разность потенциалов на проводник, можно заставить электроны дрейфовать в одном направлении, и это составляет электрический ток. Многие материалы способны проводить электричество, но наиболее распространенными примерами являются металлы.

В отличие от металлов, есть много других материалов, в которых все электроны прочно связаны со своими родительскими молекулами и не могут свободно двигаться. Соответственно, когда к веществу приложен потенциал, очень немногие электроны смогут двигаться, и ток будет очень небольшим или вообще не будет течь.

Эти вещества называются диэлектриками или изоляторами. К ним относятся большинство пластиков, керамики и многие природные материалы, такие как древесина.

Полупроводники не относятся ни к проводникам, ни к непроводникам. Вместо этого они попадают между ними. В эту категорию попадают различные материалы, в том числе кремний, германий, арсенид галлия и большое количество других веществ.

В чистом виде кремний является изолятором без свободных электронов в кристаллической решетке. Однако, чтобы понять, как он действует как полупроводник, сначала посмотрите на атомную структуру кремния в чистом виде.

Каждая молекула в кристаллической решетке состоит из ядра с тремя кольцами или орбитами, содержащими электроны, и каждый электрон имеет отрицательный заряд. Ядро состоит из нейтронов, которые нейтральны и не имеют заряда, и протонов, которые имеют положительный заряд. В атоме одинаковое количество протонов и электронов, поэтому весь атом не имеет общего заряда.

Электроны в кремнии, как и в любом другом элементе, расположены кольцами со строгим числом электронов на каждой орбите. Первое кольцо может содержать только два, а второе — восемь. Третье и внешнее кольцо из кремния имеет четыре.

Электроны внешней оболочки разделяются с электронами соседних атомов, образуя кристаллическую решетку. Когда это происходит, в решетке нет свободных электронов, что делает кремний хорошим изолятором.

Аналогичная картина наблюдается и для германия. У него два электрона на самой внутренней орбите, восемь на следующей, 18 на третьей и четыре на внешней. Опять же, он делит свои электроны с электронами соседних атомов, образуя кристаллическую решетку без каких-либо свободных электронов.

Влияние примесей на полупроводник

Чтобы превратить кремний или любой другой полупроводник в частично проводящий материал, необходимо добавить в материал очень небольшое количество примеси. Это значительно меняет свойства.

Если добавляются следы примесей материалов, имеющих пять электронов во внешнем кольце их атомов, они входят в кристаллическую решетку, разделяя электроны с кремнием. Однако, поскольку у них есть один дополнительный электрон во внешнем кольце, один электрон может свободно перемещаться по решетке. Это позволяет току течь, если к материалу приложен потенциал. Поскольку этот тип материала имеет избыток электронов в решетке, он известен как полупроводник N-типа. Типичными примесями, которые часто используются для создания полупроводников N-типа, являются фосфор и мышьяк.

Также возможно поместить в кристаллическую решетку элементы только с тремя электронами во внешней оболочке. Когда это происходит, кремний хочет поделиться своими четырьмя электронами с другим атомом с четырьмя атомами. Однако, поскольку у примеси их всего три, есть место или дырка для другого электрона. Поскольку в этом типе материала отсутствуют электроны, он известен как материал P-типа. Типичными примесями, используемыми для материала P-типа, являются бор и алюминий.

Дырки и электроны в полупроводниках

Легко увидеть, как электроны могут двигаться по решетке и переносить ток. Однако для дыр это не так очевидно. Это происходит, когда электрон с полной орбиты движется, чтобы заполнить дыру, оставив дыру там, откуда он пришел.

Затем другой электрон с другой орбиты может переместиться, чтобы заполнить новую дыру и так далее. Движение дырок в одном направлении соответствует движению электронов в другом, следовательно, электрическому току.

Отсюда видно, что либо электроны, либо дырки могут переносить заряд или электрический ток. В результате они известны как носители заряда, дырки являются носителями заряда для полупроводника P-типа и электроны для полупроводника N-типа.

Подробнее о . . . . Дырки и электроны в полупроводниках.

Список общих терминов по полупроводникам

• Носитель заряда   — Носитель заряда – это свободная (подвижная, несвязанная) частица, несущая электрический заряд, напр. электрон или дырка.
• Проводник  — материал, в котором могут свободно двигаться электроны и может течь электричество.
• Электрон   — субатомная частица, несущая отрицательный заряд.
• Отверстие  — Отсутствие валентного электрона в полупроводниковом кристалле. Движение дырки эквивалентно движению положительного заряда, т. е. противоположно движению электрона.
• Изолятор  — Материал, в котором нет свободных электронов, способных переносить электричество.
• Основные носители — Носители тока, свободные электроны или дырки, которые находятся в избытке, т. е. в большинстве в определенной области полупроводникового материала. Электроны являются основными носителями в полупроводнике N-типа, а дырки — в области P-типа.
• Неосновной носитель — Носители тока, свободные электроны или дырки, составляющие меньшинство в определенной области полупроводникового материала
• Тип N   — Область полупроводника, в которой имеется избыток электронов.
• P-тип  — Область полупроводника, в которой имеется избыток дырок.
• Полупроводник  — Материал, который не является ни изолятором, ни полным проводником, который имеет промежуточный уровень электропроводности и в котором проводимость осуществляется посредством дырок и электронов.

Принцип работы полупроводников может показаться довольно простым. Однако потребовалось много лет, прежде чем многие из его свойств можно было использовать, и еще много лет, прежде чем их можно было усовершенствовать. В настоящее время многие процессы, используемые с полупроводниками, были высоко оптимизированы, а такие компоненты, как интегральные схемы, очень сложны. Однако они полагаются на тот факт, что различные области полупроводника могут быть легированы для получения полупроводников P-типа и N-типа.

Сегодня полупроводниковые технологии представляют собой огромный бизнес — как в производстве полупроводниковых электронных компонентов, так и в последующем использовании этих компонентов в огромном количестве продуктов, которые их используют.

Другие основные понятия и руководства по электронике:
Напряжение Текущий Сила Сопротивление Емкость Индуктивность Трансформеры Децибел, дБ Законы Кирхгофа Q, добротность РЧ-шум Сигналы
    Вернуться в меню основных понятий электроники. . .

Поставщики беспроводных радиочастот и ресурсы

Веб-сайт RF Wireless World является домом для поставщиков и ресурсов RF и Wireless. На сайте представлены статьи, учебные пособия, поставщики, терминология, исходный код (VHDL, Verilog, MATLAB, Labview), тесты и измерения, калькуляторы, новости, книги, загрузки и многое другое.

Сайт RF Wireless World охватывает ресурсы по различным темам, таким как RF, беспроводная связь, vsat, спутник, радар, оптоволокно, микроволновая печь, wimax, wlan, zigbee, LTE, 5G NR, GSM, GPRS, GPS, WCDMA, UMTS, TDSCDMA, Bluetooth, Lightwave RF, z-wave, Интернет вещей (IoT), M2M, Ethernet и т. д. Эти ресурсы основаны на стандартах IEEE и 3GPP. Он также имеет академический раздел, который охватывает колледжи и университеты по инженерным дисциплинам и дисциплинам MBA.

Статьи о системах на основе IoT

Система обнаружения падения для пожилых людей на базе IoT : В статье рассматривается архитектура системы обнаружения падения для пожилых людей. В нем упоминаются преимущества или преимущества системы обнаружения падения IoT. Подробнее➤
См. также другие статьи о системах на основе IoT:
• Система очистки туалетов AirCraft. • Система измерения удара при столкновении • Система отслеживания скоропортящихся продуктов и овощей • Система помощи водителю • Система умной розничной торговли • Система мониторинга качества воды • Система интеллектуальной сети • Умная система освещения на основе Zigbee • Умная система парковки на базе Zigbee • Умная система парковки на базе LoRaWAN.

---

Беспроводные радиочастотные изделия

Этот раздел статей охватывает статьи о физическом уровне (PHY), уровне MAC, стеке протоколов и сетевой архитектуре на основе WLAN, WiMAX, zigbee, GSM, GPRS, TD-SCDMA, LTE, 5G NR, VSAT, Gigabit Ethernet на основе IEEE/3GPP и т. д. , стандарты. Он также охватывает статьи, связанные с испытаниями и измерениями, посвященные испытаниям на соответствие, используемым для испытаний устройств на соответствие RF/PHY. СМ. УКАЗАТЕЛЬ СТАТЕЙ >>.

---

Физический уровень 5G NR : Обработка физического уровня для канала 5G NR PDSCH и канала 5G NR PUSCH была рассмотрена поэтапно. Это описание физического уровня 5G соответствует спецификациям физического уровня 3GPP. Подробнее➤

---

Основные сведения о повторителях и типы повторителей : В нем объясняются функции различных типов повторителей, используемых в беспроводных технологиях. Подробнее➤

---

Основы и типы замираний : В этой статье рассматриваются мелкомасштабные замирания, крупномасштабные замирания, медленные замирания, быстрые замирания и т. д., используемые в беспроводной связи. Подробнее➤

---

Архитектура сотового телефона 5G : В этой статье рассматривается блок-схема сотового телефона 5G с внутренними модулями 5G. Архитектура сотового телефона. Подробнее➤

---

Основы интерференции и типы интерференции: В этой статье рассматриваются интерференция по соседнему каналу, Электромагнитные помехи, ICI, ISI, световые помехи, звуковые помехи и т. д. Подробнее➤

---

Раздел 5G NR

В этом разделе рассматриваются функции 5G NR (новое радио), нумерология, диапазоны, архитектура, развертывание, стек протоколов (PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC) и т. д. 5G NR Краткий справочный указатель >>
• Мини-слот 5G NR • Часть полосы пропускания 5G NR • БАЗОВЫЙ НАБОР 5G NR • Форматы 5G NR DCI • 5G NR UCI • Форматы слотов 5G NR • IE 5G NR RRC • 5G NR SSB, SS, PBCH • 5G NR PRACH • 5G NR PDCCH • 5G NR PUCCH • Опорные сигналы 5G NR • 5G NR m-Sequence • Золотая последовательность 5G NR • 5G NR Zadoff Chu Sequence • Физический уровень 5G NR • MAC-уровень 5G NR • Уровень 5G NR RLC • Уровень PDCP 5G NR

---

Руководства по беспроводным технологиям

В этом разделе рассматриваются учебные пособия по радиочастотам и беспроводным сетям. Он охватывает учебные пособия по таким темам, как сотовая связь, WLAN (11ac, 11ad), wimax, bluetooth, zigbee, zwave, LTE, DSP, GSM, GPRS, GPS, UMTS, CDMA, UWB, RFID, радар, VSAT, спутник, беспроводная сеть, волновод, антенна, фемтосота, тестирование и измерения, IoT и т. д. См. ИНДЕКС УЧЕБНЫХ ПОСОБИЙ >>

---

Учебное пособие по 5G — В этом учебном пособии по 5G также рассматриваются следующие подтемы, посвященные технологии 5G:
Учебник по основам 5G Диапазоны частот учебник по миллиметровым волнам Рамка волны 5G мм Зондирование канала миллиметровых волн 5G 4G против 5G Испытательное оборудование 5G Архитектура сети 5G Сетевые интерфейсы 5G NR звучание канала Типы каналов 5G FDD против TDD Нарезка сети 5G NR Что такое 5G NR Режимы развертывания 5G NR Что такое 5G ТФ

---

В этом учебнике по GSM рассматриваются основы GSM, сетевая архитектура, сетевые элементы, системные спецификации, приложения, Типы пакетов GSM, структура кадров GSM или иерархия кадров, логические каналы, физические каналы, Физический уровень GSM или обработка речи, вход в сеть мобильного телефона GSM или настройка вызова или процедура включения питания, Вызов MO, вызов MT, модуляция VAMOS, AMR, MSK, GMSK, физический уровень, стек протоколов, основы мобильного телефона, Планирование RF, нисходящая линия связи PS и восходящая линия связи PS.
➤Читать дальше.

LTE Tutorial , описывающий архитектуру системы LTE, включая основы LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Он предоставляет ссылку на обзор системы LTE, радиоинтерфейс LTE, терминологию LTE, категории LTE UE, структуру кадра LTE, физический уровень LTE, Стек протоколов LTE, каналы LTE (логические, транспортные, физические), пропускная способность LTE, агрегация несущих LTE, Voice Over LTE, расширенный LTE, Поставщики LTE и LTE vs LTE advanced.➤Подробнее.

---

RF Technology Материал

На этой странице мира беспроводных радиочастот описывается пошаговое проектирование преобразователя частоты на примере повышающего преобразователя частоты 70 МГц в диапазон C. для микрополосковой платы с использованием дискретных радиочастотных компонентов, а именно. Смесители, гетеродин, MMIC, синтезатор, опорный генератор OCXO, амортизирующие прокладки. ➤Читать дальше.
➤ Проектирование и разработка радиочастотного приемопередатчика ➤Дизайн радиочастотного фильтра ➤Система VSAT ➤Типы и основы микрополосковых ➤Основы волновода

---

Секция испытаний и измерений

В этом разделе рассматриваются ресурсы по контролю и измерению, контрольно-измерительное оборудование для тестирования тестируемых устройств на основе Стандарты WLAN, WiMAX, Zigbee, Bluetooth, GSM, UMTS, LTE. ИНДЕКС испытаний и измерений >>
➤Система PXI для контрольно-измерительных приборов. ➤ Генерация и анализ сигналов ➤ Измерения физического уровня ➤ Тестирование устройства WiMAX на соответствие ➤ Тест на соответствие Zigbee ➤ Тест на соответствие LTE UE ➤ Тест на соответствие TD-SCDMA

---

Волоконно-оптические технологии

Волоконно-оптический компонент основы, включая детектор, оптический соединитель, изолятор, циркулятор, переключатели, усилитель, фильтр, эквалайзер, мультиплексор, разъемы, демультиплексор и т. д. Эти компоненты используются в оптоволоконной связи. ИНДЕКС оптических компонентов >>
➤Руководство по оптоволоконной связи ➤APS в SDH ➤Основы SONET ➤ Структура кадра SDH ➤ SONET против SDH

---

Поставщики беспроводных радиочастотных устройств, производители

Сайт RF Wireless World охватывает производителей и поставщиков различных радиочастотных компонентов, систем и подсистем для ярких приложений, см. ИНДЕКС поставщиков >>.

Поставщики ВЧ-компонентов, включая ВЧ-изолятор, ВЧ-циркулятор, ВЧ-смеситель, ВЧ-усилитель, ВЧ-адаптер, ВЧ-разъем, ВЧ-модулятор, ВЧ-трансивер, PLL, VCO, синтезатор, антенну, осциллятор, делитель мощности, сумматор мощности, фильтр, аттенюатор, диплексер, дуплексер, чип-резистор, чип-конденсатор, чип-индуктор, ответвитель, ЭМС, программное обеспечение RF Design, диэлектрический материал, диод и т. д. Поставщики радиочастотных компонентов >>
➤Базовая станция LTE ➤ РЧ-циркулятор ➤РЧ-изолятор ➤Кристаллический осциллятор

---

MATLAB, Labview, Embedded Исходные коды

Раздел исходного кода RF Wireless World охватывает коды, связанные с языками программирования MATLAB, VHDL, VERILOG и LABVIEW. Эти коды полезны для новичков в этих языках. СМОТРИТЕ ИНДЕКС ИСТОЧНИКОВ >>
➤ 3–8 код VHDL декодера ➤Скремблер-дескремблер Код MATLAB ➤32-битный код ALU Verilog ➤ T, D, JK, SR триггер коды labview

*Общая медицинская информация*

Сделайте эти пять простых вещей, чтобы помочь остановить коронавирус (COVID-19).
СДЕЛАЙТЕ ПЯТЬ
1. РУКИ: Мойте их чаще
2. ЛОКОТЬ: кашляйте в него
3. ЛИЦО: не прикасайтесь к нему
4. НОГИ: держитесь на расстоянии более 3 футов (1 м) друг от друга
5. ЧУВСТВУЙТЕ: заболели? Оставайтесь дома

Используйте технологию отслеживания контактов >> , следуйте рекомендациям по социальному дистанцированию >> и установить систему наблюдения за данными >> спасти сотни жизней. Использование концепции телемедицины стало очень популярным в таких стран, как США и Китай, чтобы остановить распространение COVID-19так как это заразное заболевание.

---

Радиочастотные калькуляторы и преобразователи

Раздел «Калькуляторы и преобразователи» охватывает ВЧ-калькуляторы, беспроводные калькуляторы, а также преобразователи единиц измерения. Они охватывают беспроводные технологии, такие как GSM, UMTS, LTE, 5G NR и т. д. СМ. КАЛЬКУЛЯТОРЫ Указатель >>.
➤ Калькулятор пропускной способности 5G NR ➤ 5G NR ARFCN и преобразование частоты ➤ Калькулятор скорости передачи данных LoRa ➤ LTE EARFCN для преобразования частоты ➤ Калькулятор антенны Yagi ➤ Калькулятор времени выборки 5G NR

---

IoT-Интернет вещей Беспроводные технологии

В разделе, посвященном IoT, рассматриваются беспроводные технологии Интернета вещей, такие как WLAN, WiMAX, Zigbee, Z-wave, UMTS, LTE, GSM, GPRS, THREAD, EnOcean, LoRa, SIGFOX, WHDI, Ethernet, 6LoWPAN, RF4CE, Bluetooth, Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE), NFC, RFID, INSTEON, X10, KNX, ANT+, Wavenis, Dash7, HomePlug и другие. Он также охватывает датчики IoT, компоненты IoT и компании IoT.
См. главную страницу IoT>> и следующие ссылки.
➤РЕЗЬБА ➤EnOcean ➤ Учебник LoRa ➤ Учебник по SIGFOX ➤ WHDI ➤6LoWPAN ➤Зигби RF4CE ➤NFC ➤Лонворкс ➤CEBus ➤УПБ

СВЯЗАННЫЕ ПОСТЫ

Учебники по беспроводным радиочастотам

GSM ТД-СКДМА ваймакс LTE UMTS GPRS CDMA SCADA беспроводная сеть 802.11ac 802.11ad GPS Зигби z-волна Bluetooth СШП Интернет вещей Т&М спутник Антенна РАДАР RFID

Различные типы датчиков

Датчик приближения Датчик присутствия против датчика движения Датчик LVDT и RVDT Датчик положения, смещения и уровня датчик силы и датчик деформации Датчик температуры датчик давления Датчик влажности датчик МЭМС Сенсорный датчик Тактильный датчик Беспроводной датчик Датчик движения Датчик LoRaWAN Световой датчик Ультразвуковой датчик Датчик массового расхода воздуха Инфразвуковой датчик Датчик скорости Датчик дыма Инфракрасный датчик Датчик ЭДС Датчик уровня Активный датчик движения против пассивного датчика движения

Поделиться этой страницей

Перевести эту страницу

СТАТЬИ Раздел T&M ТЕРМИНОЛОГИИ Учебники Работа и карьера ПОСТАВЩИКИ Интернет вещей Онлайн калькуляторы исходные коды ПРИЛОЖЕНИЕ. ЗАМЕТКИ Всемирный веб-сайт T&M  

Что такое полупроводник и как он используется? – Ideal Power Inc. (IPWR)

28 января 2022 г.

Что такое полупроводник и как он используется?

Если вы когда-либо слышали термин «полупроводник», вероятно, он имел отношение к какому-то электрическому применению. Но что на самом деле представляет собой полупроводник и что на самом деле делает полупроводник? Эти вещества являются важными частями практически любой электрической системы. Полупроводники — это универсальные материалы, необходимые даже для базовой электрификации, от схем, из которых состоят космические челноки и сети электромобилей, до простых розеток и автоматических выключателей в вашем доме.

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это вещество, часто используемое в электрических цепях и компонентах, которое частично проводит электричество, позволяя электронам течь по всей цепи при приложении определенного напряжения. Полупроводники, обычно состоящие из кристаллов кремния, получили свое название потому, что они существуют где-то между проводниками и изоляторами.

Проводники — это вещества, которые обеспечивают свободный поток электронов от частицы к частице, а изоляторы — нет. Таким образом, полупроводники обеспечивают частичный поток электронов от частицы к частице, хотя обычно им нужен толчок — вот где возникает напряжение. Когда напряжение подается, электроны могут течь по цепи, генерируя электричество.

Как работает полупроводник?

Полупроводники работают, позволяя валентным электронам, расположенным во внешней оболочке атома, связываться с валентными электронами других атомов. Большинство полупроводников могут связываться с четырьмя валентными электронами одновременно, эффективно создавая связанную сетку из молекул кремния, связанных друг с другом сетью валентных электронов.

Но для того, чтобы проводить электричество, валентные электроны должны течь по цепи. Замкнутость в виде сетки означает, что кристаллы чистого кремния неэффективны для электрических применений. Чтобы сделать их полезными, в кристалл кремния вводят примеси (или другие элементы). Именно эти примеси позволяют электричеству в конечном итоге проходить через полупроводник.

Легирование и полупроводники

Чтобы выйти из электронного тупика, полупроводники должны пройти процесс, называемый легированием. Легирование — это процесс введения примесей в кристалл кремния (или другой элемент, используемый в качестве полупроводника). Какой именно тип легирующей примеси используется, может создать другой тип полупроводника, каждый из которых обеспечивает поток электричества по всей цепи.

Типы полупроводников

В зависимости от того, какие типы примесей добавляются в полупроводник, вы можете получить два разных типа: полупроводники N-типа и полупроводники P-типа.

Полупроводники N-типа

Полупроводники N-типа являются результатом добавления легирующей примеси с пятью валентными электронами, такой как фосфор. Поскольку все атомы кремния имеют четыре валентных электрона, фосфор образует ковалентную связь с каждым из них. Однако это оставляет один электрон в каждом атоме фосфора вне связанной сетки.

В результате эти электроны могут свободно течь по цепи, генерируя электричество при подаче напряжения. Когда прикладывается отрицательное напряжение, оно заставляет несвязанные электроны проходить по цепи.

Полупроводники P-типа

Полупроводники P-типа работают по тому же принципу, что и полупроводники N-типа, за исключением того, что легирующие примеси, используемые для изготовления полупроводников P-типа, имеют только три валентных электрона. Эти примеси, такие как бор, связываются с тремя из четырех валентных электронов в кристалле кремния. Однако после этого остается «дыра», которая заряжена положительно. Отрицательно заряженные электроны притягиваются к дырке; когда они двигаются, они оставляют после себя еще одну дыру, которую покорно заполняет другой электрон.

Когда прикладывается отрицательное напряжение, электроны отталкиваются от него и направляются к положительно заряженной дырке. Когда эти электроны проходят через дыры, оставленные отсутствующей ковалентной связью, генерируется электричество.

Что такое полупроводниковое устройство B-TRANTM?

B-TRANTM — это полупроводниковое устройство, которое может быть n-типа или p-типа. Это означает, что B-TRANTM может быть либо устройством PNP, либо устройством NPN, в котором средняя буква относится к пластине (тонкий слой самого полупроводника), а внешние буквы относятся к заряду примесей. Это обеспечивает двунаправленный поток электричества.

Как используются полупроводники?

Полупроводники используются в интегральных схемах и электрических компонентах, таких как диоды и транзисторы. Они также могут быть использованы для преобразования переменного тока и постоянного тока.

Но как полупроводники используются в повседневной жизни? Было бы практически невозможно составить исчерпывающий список всего, что связано с полупроводниками; в основном, любой тип электрического приложения зависит от полупроводников. Вот снимок некоторых распространенных реальных вещей, которые зависят от полупроводников:

• Коробка бытового автоматического выключателя
• Электромобили и сети электромобилей
• Производство и хранение возобновляемой энергии
• Военная техника и транспортные средства
• Ноутбуки, смартфоны и мобильные устройства
• Телевизоры и компьютерные мониторы
• Промышленные производственные предприятия
• Системы вентиляции и кондиционирования
• Игровые приставки
• Бытовая техника

Это лишь некоторые из способов, которыми полупроводники помогают питать нашу повседневную жизнь. Вам будет трудно найти электрическую систему, в которой каким-то образом не используются полупроводники. Итак, в следующий раз, когда вы обнаружите, что наслаждаетесь ледяным напитком из холодильника, пользуетесь зарядной станцией для электромобилей или срабатывает автоматический выключатель, чтобы защитить ваш дом, найдите минутку, чтобы поблагодарить полупроводники и их роль в генерации энергии.