4.2. Собственные полупроводники

Собственный полупроводник – это полупроводник без примесей или с концентрацией примеси настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника.Энергетические диаграммы собственного полупроводника приведены на рис.3.1.

При абсолютном нуле температуры валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости – пуста. При повышении температуры происходит тепловая генерацияносителей заряда: часть электронов с верхних уровней валентной зоны могут быть переброшены в зону проводимости. Таким образом, в свободной зоне появляются свободные электроны, а в валентной зоне остаются вакантные места – дырки, они ведут себя во внешнем поле как частицы с положительным зарядом. Дырки являются положительными носителями заряда в полупроводниках. Во внешнем электрическом поле дырки движутся в сторону, противоположную электронам. Такого рода проводимость называется дырочной. Таким образом, у собственных полупроводников наблюдается двоякого рода проводимость: электронная и дырочная.

а)	б)

Рис. 4.1. Энергетические диаграммы собственного полупроводника: а) – при T=0; б) – при T>0

Процесс тепловой генерации возможен даже при очень низких температурах из-за значительных флуктуаций энергий тепловых колебаний атомов относительно узлов кристаллической решетки. Одновременно с генерацией носителей идет противоположный процесс, называемый

рекомбинацией: возвращение электронов из зоны проводимости на вакантные места в валентной зоне, в результате чего исчезает пара носителей заряда (электрон и дырка). В собственном полупроводнике при каждой температуре устанавливается равновесие между процессами генерации и рекомбинации, при котором концентрации электронов и дырок одинаковы.

Процесс тепловой генерации пары “электрон – дырка” можно показать на плоской модели кристаллической решетки полупроводника, например кремния (рис.4.2). Он имеет решетку типа решетки алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь с каждым из соседних атомов осуществляется с помощью пары электронов (ковалентная связь). Разрыв связи на рис.4.2 показан стрелкой.

Обозначим собственные концентрации электронов и дырок через n_iи p_iсоответственно. (Индексом i будем помечать все величины, характеризующие собственный полупроводник; по-английски intrinsic означает собственный). С ростом температуры концентрация собственных носителей заряда растет по экспоненциальному закону

. (4.2.1)

Здесь k— постоянная Больцмана;T– температура;N_cиN_v– константы, имеющие смысл эффективного числа уровней в зоне проводимости и валентной зоне соответственно;

E_c-дно зоны проводимости,E_v– потолок валентной зоны,E_F–уровень Ферми. В собственных полупроводниках уровень Ферми располагается вблизи середины запрещенной зоны, поэтому выражение (4.1) можно записать, используя ширину запрещенной зоныE

. (4.2.2)

4.3.Примесные полупроводники

До сих пор мы рассматривали чистый полупроводниковый материал, обладающий собственной проводимостью. В собственном полупроводнике концентрации электронов и дырок одинаковы и зависят от температуры. Управлять числом носителей заряда в таком полупроводнике сложно. Поэтому для изготовления микросхем и большинства полупроводниковых приборов применяют

примесные полупроводники. Их электрические характеристики в основном определяются типом и количеством легирующей примеси. Именно поэтому важное практическое значение имеют такие материалы, у которых ощутимая собственная концентрация носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, т.е. полупроводники с достаточно большой шириной запрещенной зоны. В рабочем диапазоне температур полупроводникового прибора поставщиками основного количества носителей заряда являются примеси.

Различают примеси замещения и примеси внедрения. Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, замещая собой атомы основного вещества, то такую примесь называют примесью замещения. Если же примесные атомы располагаются в междуузлиях, несколько раздвигая кристаллическую решетку, то такую примесь называют примесью внедрения. В полупроводниковой технологии, как правило, используются

примеси замещения, создающие дискретные энергетические уровни в запрещенной зоне основного вещества. Примеси обычно вводятся в очень небольших концентрациях. Их атомы расположены в полупроводнике на таких больших расстояниях друг от друга, что не взаимодействуют между собой. Поэтому нет расщепления примесных уровней. Вероятность непосредственного перехода электронов от одного примесного атома к другому ничтожно мала. Примесные уровни в обычном пространстве существуют лишь вблизи самих примесных атомов. Таким образом, энергетические уровни примеси дискретны и локальны. Чтобы подчеркнуть это, на энергетических диаграммах примесные уровни часто изображают пунктирной линией.

При большой концентрации примесей в результате взаимодействия примесных атомов между собой примесные уровни одного типа расщепляются в энергетическую примесную зону. Столь высокие концентрации примесей создают только при изготовлении туннельных и обращенных диодов — в остальных полупроводниковых приборах применяют низкие концентрации примесей. В дальнейшем мы будем рассматривать низкие концентрации примесей.

Мелкие, т.е. расположенные недалеко от краев запрещенной зоны, уровни создают атомы примеси, валентность которых отличается от валентности основных атомов на единицу. Рассмотрим механизм появления дополнительных носителей заряда при

легированииполупроводника (т.е. при введении в него примесей).

Собственный полупроводник — это… Что такое Собственный полупроводник?

Собственный полупроводник или полупроводник i-типа или нелегированный полупроводник (англ. intrinsic — собственный) — это чистый полупроводник, содержание посторонних примесей в котором не превышает 10⁻⁸ … 10⁻⁹%. Концентрация дырок в нём всегда равна концентрации свободных электронов, так как она определяется не легированием, а собственными свойствами материала, а именно термически возбуждёнными носителями, излучением и собственными дефектами. Технология позволяет получать материалы с высокой степенью очистки, среди которых можно выделить непрямозонные полупроводники: Si (при комнатной температуре количество носителей

n_i=p_i=1,4·10¹⁰ см^-3), Ge (при комнатной температуре количество носителей n_i=p_i=2,5·10¹³ см^-3) и прямозонный GaAs.

Полупроводник без примесей обладает собственной электропроводностью, которая имеет два вклада: электронный и дырочный. Если к полупроводнику не приложено напряжение, то электроны и дырки совершают тепловое движение и суммарный ток равен нулю. При приложении напряжения в полупроводнике возникает электрическое поле, которое приводит к возникновению тока, называемого

дрейфовым током i_др. Полный дрейфовый ток является суммой двух вкладов из электронного и дырочного токов:

i_др= i_n+ i_p,

где индекс n соответствует электронному вкладу, а p — дырочному. Удельное сопротивление полупроводника зависит от концентрации носителей и от их подвижности, как следует из простейшей модели Друде. В полупроводниках при повышении температуры вследствие генерации электрон-дырочных пар концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне увеличивается значительно быстрее, нежели уменьшается их подвижность, поэтому с повышением температуры проводимость растет. Процесс гибели электрон-дырочных пар называется рекомбинацией. Фактически проводимость собственного полупроводника сопровождается процессами рекомбинации и генерации и если скорости их равны, то говорят что полупроводник находится в равновесном состоянии. Количество термически возбуждённых носителей зависит от ширины запрещённой зоны, поэтому количество носителей тока в собственных полупроводниках мало по сравнению с легированными полупроводниками и сопротивление их значительно выше.

Расчет равновесной концентрации свободных носителей заряда

Количество разрешённых состояний для электронов в зоне проводимости (определяемая плотностью состояний) и вероятность их заполнения (определяемая функцией Ферми — Дирака) и соответственные величины для дырок задают количество собственных электронов и дырок в полупроводнике:

,

,

где N_c, N_v — константы определяемые свойствами полупроводника, E_c и E_v — положение дна зоны проводимости и потолка валентной зоны соответственно, E_F — неизвестный уровень Ферми, k — постоянная Больцмана, T — температура. Из условия электронейтральности n_i=p_iдля собственного полупроводника можно определить положение уровня Ферми:

.

Отсюда видно, что в собственном полупроводнике уровень Ферми находится вблизи середины запрещённой зоны. Это даёт для концентрации собственных носителей

,

где E_g — ширина запрещённой зоны и N_c(v) определяется следующим выражением

где m_nm_p — эффективные массы электронов и дырок в полупроводнике, h — постоянная Планка. Отсюда видно, что чем шире запрещённая зона полупроводника, тем меньше собственных носителей генерируется при данной температуре, и чем выше температура, тем больше носителей в полупроводнике.

Литература

• Sze, Simon M. Physics of Semiconductor Devices (2nd ed.). — John Wiley and Sons (WIE), 1981. — ISBN 0-471-05661-8
• Kittel, Ch. Introduction to Solid State Physics. — John Wiley and Sons, 2004. — ISBN 0-471-41526-X

Собственные полупроводники

Собственные полупроводники

Соб­ственные полупроводники — это полупроводники, элек­тро­­про­водность которых определяется  собственными но­сителями за­­ря­да, появившимися в результате перехода носителей под дей­ст­ви­ем температуры из валентной зоны в зону про­во­ди­мо­сти по­лу­­про­во­д­ника. Механизм собствен­ной про­во­ди­мо­­сти ха­­ра­кте­рен для сверхчистых полу­проводниковых ма­те­ри­а­лов, в ко­торых кон­центрация примесей не превышает 10¹⁶…10²⁴ м^-3. Од­на­ко соб­ст­вен­ная проводимость наблюдается в по­лу­про­вод­ни­­ках также в том случае, ко­гда примеси не оказывают за­мет­но­го влияния на эле­кт­ро­­про­вод­ность при данной тем­пе­ра­ту­ре.

Зонная диа­­­г­ра­м­ма собственного полупроводника имеет вид, показанный на рис. 1.24, где W_c — нижний энерге­ти­че­ский  уро­­вень зо­ны прово­ди­­­­­мо­сти (дно зоны проводимости), W_v — ве­рхний энер­ге­ти­­че­с­кий  уро­­вень ва­ле­н­т­ной зоны (по­толок валентной зоны), DW_g=W_c—W_{v— ширина запре­щен­­­ной зоны, зна­че­ние кото­рой для раз­ли­ч­­ных по­лу­про­вод­никовых материалов на­хо­ди­тся в пределах 0,05…3 эВ.}

Вместо энергии электрона W в ряде случаев при построении зо­н­­­­­­ных диаграмм пользуются значе­ни­ями  энер­ге­ти­че­с­кого по­тен­­­ци­ала j,  который определяется из со­от­ношения

, В,                                                 (1.40)

где W — энергия электрона, эВ; e — заряд электрона, принятый за -1.

­­ В этом случае, как показано на рис. 1.24,  гра­ни­цам зон со­от­ве­т­­­с­т­ву­­ют энергетические потенциалы:  j_c — энер­­­ге­ти­че­ский по­тен­ци­­ал дна зоны проводимости и j_v — энергетический по­­те­н­­циал по­то­­лка ва­­­лен­т­ной зо­ны. Ширина запре­щен­ной зоны Dj_g оп­ре­­де­ля­ет­­ся разностью  j_c-j_v.

Зонные диаграммы,  по­­­­­­­строенные в координа­тах энер­ге­ти­че­с­ких по­­те­н­ци­­а­­лов j, удобно исполь­зо­вать при анализе кон­та­кт­ных яв­ле­ний в по­лу­про­во­дниках (в p-n пере­хо­дах, переходах ти­па ме­талл-ди­э­лек­т­рик-по­лу­­­про­во­д­ник и др.), для кото­рых ха­рак­те­­р­но на­ли­чие вну­­т­­рен­них эле­к­три­че­ских по­лей. При этом зна­­че­ния эне­р­ге­ти­­че­с­ко­го по­те­нциала j воз­ра­ста­ют в на­­пра­в­ле­­нии эле­­к­­т­ри­че­с­ко­­го поля.

Проведем анализ зон­­ной диаграммы со­б­­­ст­вен­­­ного по­лупро­во­­­д­ни­ка, представленной на рис. 1.24. Как уже от­ме­ча­лось, в со­­б­ст­ве­н­­ном по­лу­­­про­водни­ке при Т=0 ва­­ле­нт­ная зо­на по­л­­но­с­тью за­­­полнена эле­­кт­ро­­на­ми, а зона пр­о­во­­­ди­мо­с­ти абсо­лю­т­но сво­­­бод­на. В этих ус­ло­­виях по­лу­про­водник ве­­дет се­бя по­до­­бно иде­­а­ль­­но­му ди­­­­э­ле­к­трику, то есть  не про­­­во­дит эле­к­­­т­ри­­­­чес­кий ток.

При температуре Т >0 име­­­ется вероятность то­­го, что не­ко­то­рые из эле­к­­­­­тро­нов за счет те­п­­ловых ко­­­­­ле­ба­ний ре­шет­ки пре­одо­­­­­­ле­­­ва­ют по­тен­ци­а­ль­­­ный ба­рьер DW_g  и «ока­жу­­­т­ся» в зоне про­­во­ди­­мо­­­­­­­сти. Та­кой пе­ре­ход, со­­­­­­­от­вет­с­т­­ву­­ющий ге­не­ра­ции сво­бо­дных но­­­­­си­те­лей за­ря­да, обо­з­на­­­чен на рис. 1.24 стре­л­кой, на­­п­ра­в­лен­ной вверх. Одно­в­ре­менно в по­­­лу­про­во­­д­ни­ке на­б­лю­да­­­е­тся про­­цесс ре­ко­мби­на­­­ции но­си­те­лей за­ряда, обо­з­на­чен­ный на рис. 1.24 ст­ре­л­кой, на­­прав­лен­ной вниз. При уста­но­ви­в­ше­й­ся тем­­пе­­ра­ту­ре полу­про­­водника ско­рости про­цес­сов генерации и ре­ко­м­­би­на­ции ра­в­ны.

При приложении к полупроводнику внешнего электрического по­­­ля Е электроны зоны проводимости переходят на близлежащие сво­­­бодные уровни энергии в зоне проводимости и принимают уча­­­стие в процессе электропроводности. 

В результате перехода электрона в зону проводимости, в ва­лен­т­­­ной зоне полупроводника остается свободное энер­гетическое со­­­­­с­то­­яние, пред­ставляющее дырку.  Вслед­ствие этого валентная зо­­­на  ока­­зывается не пол­но­стью заполненной электронами. Бла­го­­­да­ря на­­личию незанятых состояний электроны валент­ной зоны так­­же при­­­нимают участие в процессе электро­про­вод­но­сти за счет эста­­­фет­ных переходов под действием электрического по­ля на бо­лее вы­со­кие освободившиеся энергетические уров­ни. Со­во­­купное по­­­ве­де­ние электронов валентной зоны можно пред­ста­вить как дви­­­же­ние ды­­­рок, обладающих положительным зарядом q и эф­фек­­­тив­ной массой m*.

 

Полупроводники собственные — Справочник химика 21

    Электрические и оптические свойства. Наиболее важной нз электрических характеристик элементарных веществ является электрическая проводимость, с которой, собственно, в значительной мере связана классификация элементарных веществ. Так, элементарные металлы являются проводниками электричества первого рода, металлоиды—полупроводниками, элементарные окислители — диэлектриками, благородные газы — скользящими проводниками электричества. [c.115]

    ЧИСЛО возможных уровней в зоне ровно в два раза больше, чем число электронов, вследствие чего она является зоной проводимости. Этим объясняется также высокая электрическая проводимость этих металлов. Существует несколько основных типов взаимного расположения энергетических зон (рис. А.62), соответствующих изолятору, одновалентному металлу, двухвалентному металлу, полупроводнику с собственной проводимостью, примесному полупроводнику и-типа и примесному полупроводнику р-типа. Соотношение энергетических зон (рис. А.62) определяет также тип проводимости твердого тела. [c.142]

    Катализ первого класса, сокращенно называемый электронным катализом , осуществляется на твердых телах — проводниках электрического тока (металлах и полупроводниках). Эти тела обладают рядом общих физико-химических свойств, связанных с наличием в них подвижных электронов. Для тел-проводников характерна электропроводность, окраска (т. е. заметное поглощение света в видимой области спектра), термоэлектронная эмиссия и внешний фотоэффект. К этому классу относятся каталитические реакции окисления, восстановления, гидрирования, дегидрирования, объединяемые в тип гемолитических. Все они сопровождаются разделением электронов в электронных парах молекул. Общий механизм действия катализатора сводится при этом к облегчению электронных переходов в реагирующих молекулах за счет собственных электронов катализатора. [c.13]

    Как вытекает из теории твердого тела, уровень Ферми ер в объеме полупроводника всегда расположен в пределах запрещенной зоны, причем для собственных полупроводников (без примесей доноров или [c.292]

    Примесные полупроводники п-типа (рис. А.62,5). При внесении в собственный полупроводник посторонних атомов, способных быть донорами электронов, возникающие примесные энергетические термы находятся вблизи зоны проводимости L. Переход электронов в зону проводимости L требует лишь незначительных затрат энергии. [c.142]

    Введем несколько определений. Проводимость химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью, а сами полупроводники — собственными полупроводниками. Как мы видели, для них п = р = п,-. Проводимость полупроводников, содержащих примесь, называется несобственной. Если в полупроводнике концентрация свободных электронов, создаваемая донорными примесями, преобладает над концентрацией дырок, т. е. п > р, то его называют электронным полупроводником, или полупроводником я-типа если р п (преимущество акцептора), то полупроводник будет р-типа. В полупроводнике л-типа свободные электроны называются основными носителями тока, а дырки — неосновными носителями в полупроводнике р-типа — наоборот. [c.245]

    Расчет концентрации свободных носителей в полупроводнике является важнейшей составной частью статистики электронов. От концентрации носителей зависят важнейшие свойства полупроводников. Собственная проводимость объясняется перебросом части электронов из заполненной зоны в зону проводимости с затратой энергии, равной ширине запрещенной зоны. При этом число электронов в зоне проводимости точно равно числу дырок в валентной зоне. Обозначим энергию электрона на дне зоны проводимости Е , а на верхней границе валентной зоны — 1. Чтобы рассчитать концентрацию электронов в зоне проводимости и число дырок в заполненной зоне, предварительно определяют число электронных состояний между и + с1Е. Для этого в пространстве импульсов выделяется поверхность, отвечающая всем состояниям с заданной энергией Е. Это будет поверхность шара с радиусом р (рис. 9), который определяется отношением (1.7), откуда [c.26]

    Согласно зонной теории полупроводников в полупроводнике имеется два рода носителей тока электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. В чистом (собственном) полупроводнике, например в чистом германии или кремнии, число электронов Па в зоне проводимости равно числу дырок ро в валентной зоне  [c.139]

    Наиболее наглядно проявляется триада в производстве полупроводниковых материалов. Вот пример. Основная трудность при очистке германия — удаление мышьяка, а при очистке кремния — удаление бора. Парадоксально на первый взгляд выглядит тот факт, чго затрачивается уйма средств и сил для удаления этих элементов вплоть до возникновения у полупроводников собственной проводимости. А затем эти же самые примесные элементы вносят в полупроводники на последующих стадиях производства мышьяк в качестве донора, а бор — в качестве акцептора электронов. Но ведь дело в том, что примеси вносят в очень малых и точных дозах, варьирующих в пределах 10 —10 %. К тому же примеси должны быть внесены таким образом, чтобы они распределились в очень тонких слоях полупроводника и в ограниченных, строго оконтуренных участках. [c.35]

    На диаграмме и соответственно означают энергию электрона на дне зоны проводимости и потолке валентной зоны. Пунктирная линия Еу—уровень Ферми,, который характеризует относительные концентрации дырок и электронов. В полупроводниках собственной проводимости уровень Ферми , проходит по середине запрещенной зоны. Положение уровня Ферми Ф относительно определяется уравнением [c.9]

    Механизм собственно отравления, очевидно, связан с типом катализа и различается для процессов электронного катализа на полупроводниках и металлах и процессов ионного катализа. Рассмотрим сначала последний случай, как более простой. [c.53]

    Шокли в качестве иллюстрации предложил рассматривать двухэтажный гараж. Пусть нижний этаж целиком заполнен автомобилями, а верхний совершенно свободен. В этом случае автомобили не обладают подвижностью в обоих этажах. Пусть один автомобиль перейдет из нижнего в верхний этаж. Возникнет возможность перемещения автомобиля на обоих этажах. При этом движение автомобилей на нижнем этаже рационально описывать как движение дырки (места, где нет автомобиля), хотя двигаются, конечно, автомобили. Движение дырки будет фиксироваться в эффекте Холла как движение положительного заряда. Действительно, устойчивых положительных частиц с массой электрона не существует. Таким образом, у полупроводников с собственной проводимостью имеется как обычная (электронная), так и дырочная проводимость. Вышеизложенное объясняет возрастание проводимости полупроводников с повышением температуры. С ростом температуры увеличивается число электронов, перешедших в верхнюю зону, что и приводит к увеличению электропроводности. [c.517]

    Рассмотренное строение двойного слоя характерно для собственных полупроводников, в которых нет ни объемных примесей (добавок), ни так называемых поверхностных состояний, обусловленных чаще всего адсорбцией чужеродных атомов. Часто полупроводник в качестве примеси содержит атомы такого вещества, благодаря которому резко увеличивается число свободных электронов п. Такие добавки называются донорами электронов. Для германия такой добавкой служит мышьяк. Поскольку произведение пр в присутствии доноров электронов остается постоянным [уравнение (28.3)1, то увеличение п приводит к соответствующему уменьшению числа дырок р—=К 1п. Поэтому проводимость таких примесных полупроводников п-типа осуществляется в основном за счет свободных электронов в зоне проводимости. Если же атомы примеси резко увеличивают число дырок в валентной зоне, то растет дырочная проводимость и соответственно уменьшается число свободных электронов п = Кз/р- Такого рода примеси называются акцепторами электронов, а полупроводники с дырочной проводимостью — полупроводниками /7-типа. Акцепторами электрона для германия служат атомы галлия. В присутствии примесей соотношение (28.2) в объеме полупроводника уже не остается справедливым. Вместо него следует записать [c.141]

    Полупроводник с собственной проводимостью (рис. А.62, г). Разность энергии (Еа) между заполненной валентной зоной G и зоной проводимости L настолько мала, что становится сопоставимой с уровнями тепловой энергии. Отсюда [c.142]

    Рассмотренное строение двойного слоя характерно для собственных полупроводников, в которых нет ни объемных примесей (добавок), ни так называемых поверхностных состояний, обусловленных чаще всего адсорбцией чужеродных атомов. Часто полупроводник в качестве примеси содержит атомы такого вещества, благодаря которому резко увеличивается число свободных электронов п. Такие добавки называются донорами электронов. Для германия такой добавкой служит мышьяк. Поскольку произведение пр в присутствии доноров электронов остается постоянным [уравнение (28.3)1, то увеличение п приводит к соответствующему уменьшению числа дырок р = Поэтому [c.150]

    Следует различать полупроводники, обладающие собственной проводимостью, и так называемые примесные. [c.516]

    Если к полупроводнику приложить невысокую разность потенциалов, то это вызовет движение электронов в зоне проводимости (дырочная проводимость п-типа) и одновременное перемещение дырок (дырочная проводимость р-типа). Движение дырки происходит по следующему механизму электрон, находящийся рядом с дыркой, занимает ее положение, при этом на его месте снова возникает положительно заряженная дырка. Соседний электрон осуществляет подобный переход и т. д. Таким образом, в валентной зоне дырки будут перемещаться в сторону отрицательного электрода, а в зоне проводимости электроны будут двигаться в сторону положительного электрода (рис. 4.17). Проводимость такого типа называется собственной. [c.185]

    Введение в кристаллический кремний примесных атомов фосфора, имеющих по пять валентных электронов, также нарушает энергетическую однородность кристалла. В этих условиях каждый атом фосфора уже при сообщении ему энергии порядка 4,4 кДж/моль способен ионизироваться, перебрасывая один из своих электронов в зону проводимости и превращаясь в положительно заряженный ион. Аналогично ведут себя в кристаллах кремния и германия примесные атомы мышьяка, сурьмы и золота, обычно называемые донорными примесями. Для получения полупроводника с определенной концентрацией носителей (электронов или дырок) необходимо, чтобы количество собственных переносчиков тока в кристалле было примерно на два порядка ниже. [c.89]

    При высоких температурах это соотношение выполняется, при низких большую роль по сравнению с собственной играет так называемая примесная электропроводность. Атом примеси может отдавать свой электрон (быть донором). Если энергетический уровень электрона примеси окажется вблизи от верхней зоны, то электрон может от примеси перейти в верхнюю зону и превратиться в электрон проводимости. Такие полупроводники называются полупроводниками /г-типа, или электронными. [c.518]

    Энергия возбуждения электрона примеси может оказаться меньше Q, поэтому при низких температурах примесная проводимость больше собственной. Если атом примеси может принять электрон (атом—акцептор) и уровень этого электрона лежит вблизи потолка нижней зоны, то электрон из заполненной зоны может перейти к примеси. В результате в нижней зоне образуется дырка и возникает полупроводник»р-типа. [c.518]

    В кристаллической решетке полупроводников с собственной проводимостью число электронов равно числу дырок (п = р). Типичными полупроводниками среди простых веществ являются кремний, германий, селен, теллур. Некоторые другие простые вещества в кристаллическом состоянии также проявляют полупровод- [c.186]

    Если кристалл полупроводника не содержит каких-либо примесей, то количество образовавшихся дырок равно количеству освободившихся электронов. Проводимость, возникшая в этих условиях, называется собственной проводимостью полупроводника. [c.95]

    Если же ширина запрещенной зоны относительно невелика, то при сообщении твердому телу определенного количества энергии часть его электронов может переброситься из полностью заполненной валентной зоны в зону проводимости и принять участие в переносе тока. Подобные вещества называют собственными полупроводниками. Так, у типичных собственных полупроводников германия и кремния ширина запрещенной зоны при ОК соответственно составляет 0,75 и 1,21 эВ (73 и 137 кДж/моль). [c.85]

    Особенность собственных полупроводников состоит в том, что при переходе части электронов в зону проводимости в валентной зоне [c.85]

    Истинные полупроводники (собственная полупроводимость) СиО, С03О4, rgOg. Концентрация электронных дырок равна концентрации междоузель-ных электронов Ла + к 0 Электропроводимость не зависит от окислительной способности атмосферы. [c.39]

    В некоторых случаях концентрации электронных дефектов в нестехиометрических кристаллах описываются формулами физики полупроводников — собственных или примесных (реше- [c.165]

    Однако Боненкамп и Энгел под потенциалом германиевого электрода п- и р-типа понимают потенциал поверхности полупроводника по отношению к его объему,, а не обычный электрохимический потенциал. Поэтому, в действительности, нулевая точка германия п-типа должна находиться в более отрицательной, а р-типа — в более положительной области по отношению к полупроводнику собственной проводимости. [c.15]

    В согласии с уравнением (4.9) для электропроводности Кщ собственно полупроводника можно наплсать [c.137]

    Если в собственно полупроводник ввести акцепторную примесь, например в германий ввести атом галлия, у которого лищь три валентных электрона, то к нему от германия перейдет один из электронов, и в валентной зоне появится дырка. Условием такого перехода является близость энергетического уровня примеси, располагающегося в запрещенной для германия зоне, к верхнему уровню валентной зоны германия. Концентрация дырок в этом случае становится преобладающей, и собственно полупроводник превращается в примесный полупроводиик р-тла, или в р-полупроводник. Для полупроводников с примесной проводимостью пфрфп[ и вместо (5.46) следует писать [c.139]

    В случае примесных полупроводников, пока содержание примесных атомов невелико, остаются в силе основные соотношения, полученные для собственно полупроводников. С ростом содержания примесей поведение системы полупроводник— раствор уже не может быть описано приведенными уравнениями и зависит от природы примесных атомов. Так, в пределе для примесного л-полупр6 -водника, особенно ири высокой плотности поверхностных состояний, электрические свойства границы его с раствором приолнжаются к свойствам системы металл — раствор. [c.275]

    Однако реальные полупроводники всегда имеют примеси, которые существенно влияют на характер электрической проводимости, в этом случае называемой примесной. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорные примеси имеют на валентной электронной оболочке большее число электронов, чем их число на валентной электронной оболочке атома основного элемента полупроводника. Например, примеси атомов элементов V или VI главных подгрупп периодической системы в кристаллической решетке кремния (IV главная подгруппа) будут донорными. В зонной структуре полупроводника появляются дополнительные электроны проводимости. Если атом примеси содержит меньше валентных электронов, чем атом основного элемента, то полупроводник содержит в валентной зоне дополнительные свободные МО, на которые могут переходить валентные электроны. Такие примеси называются акцепторными, они приводят к появлению дополнительных дырок проводимости. По отношению к кремнию такими примесями будут элементы III главной подгруппы. Полупроводники с преобладающим содержанием донорных примесей называются полупроводниками с электронной проводимостью или п-типа. Если же преобладают примеси акцепторные, то полупроводники называются полупроводниками с дырочной проводимостью или р-типа. Для получения примесных полупроводников полупроводники, полученные специальными кристаллофизическими методами в сверхчистом состоянии, легируются элементами акцепторами или донорами электронов в микродозах, не превышающих 10 %. Примеси резко изменяют собственную электрическую проводимость полупроводников, поскольку количество носителей заряда, поставляемых ими обычно больше, чем их число в чистом полу-прово,цнике. Так, чистый кремний имеет удельное электрическое сопротивление электронной проводимости около 150-10 Ом-м, дырочной проводимости в.4 раза, электронной проводимости после легирования фосфором и дырочной проводимости после легирования бором — в 20 раз меньше. [c.636]

    Наряду с собственными большое распространение получили также полупроводники примесного типа. В них основное количество переносчиков тока — электронов или дырок— поставляют введенные в собственный полупроводник специальные примеси, энергетические уровни которых располагаются между валентными зонами и зонами проводимости полупроводника. Так, при введении в кристалл германия так называемых донорных примесей, как, например, фосфора, мышьяка, сурьмы, электроны последних переходят в зону проводимости полупроводника, резко увеличивая в ней число электронов — переносчиков тока (л-проводимость). При добавлении к германию акцепторных примесей типа бора, алюминия, ипдия электроны валентной зоны полупроводника переходят на свободные уровни зоны примесей, что увеличивает число дырок (р-проводимость) в валентной зоне. [c.86]

---

Общая химия (1984) — [ c.213 ]

Физическая химия (1978) — [ c.590 , c.592 ]

Введение в кинетику гетерогенных каталитических реакций (1964) — [ c.62 , c.63 ]

Новые проблемы современной электрохимии (1962) — [ c.380 , c.384 ]

Новые проблемы современной электрохимии (1962) — [ c.380 , c.384 ]

Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников Издание 2 (1973) — [ c.10 , c.524 , c.528 ]

Строение материи и химическая связь (1974) — [ c.173 ]

Общая химия Изд2 (2000) — [ c.109 ]

Курс общей химии (0) — [ c.76 ]

Курс общей химии (0) — [ c.76 ]

Предмет химии (0) — [ c.76 ]

---

Что такое собственные полупроводники? Объясните, как полупроводник можно превратить в полупроводник n-типа.

Типы полупроводников

Полупроводники в основном подразделяются на две категории: внутренние и внешние.

Внутренний Полупроводник

Собственный полупроводниковый материал химически очень чист и обладает плохой проводимостью. Он имеет одинаковое количество отрицательных носителей (электронов) и положительных носителей (дырок). Кристалл кремния отличается от изолятора, потому что при любой температуре, превышающей абсолютную нулевую температуру, существует конечная вероятность того, что электрон в решетке будет выбит из своего положения, оставляя после себя дефицит электронов, называемый «дырой».

Если приложено напряжение, то и электрон, и дырка могут способствовать небольшому току.

Проводимость полупроводника может быть смоделирована в терминах зонной теории твердого тела. Зонная модель полупроводника предполагает, что при обычных температурах существует конечная вероятность того, что электроны могут достичь зоны проводимости и внести свой вклад в электрическую проводимость.

Термин собственный здесь различает свойства чистого «внутреннего» кремния и резко отличающиеся свойства легированных полупроводников n-типа или p-типа.

Внешний Полупроводник

В то время как внешний полупроводник представляет собой улучшенный собственный полупроводник с небольшим количеством примесей, добавляемых процессом, известным как легирование, которое изменяет электрические свойства полупроводника и улучшает его проводимость. Введение примесей в полупроводниковые материалы (процесс легирования) может контролировать их проводимость.

В процессе легирования образуются две группы полупроводников: проводник отрицательного заряда (n-тип) и проводник положительного заряда (р-тип). Полупроводники доступны в виде элементов или соединений. Кремний и германий являются наиболее распространенными элементными полупроводниками. Составные полупроводники включают InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAs, SiC, GaN. Si и Ge оба имеют кристаллическую структуру, называемую решеткой алмаза. То есть у каждого атома есть четыре ближайших соседа по углам правильного тетраэдра, а сам атом находится в центре. В дополнение к полупроводникам из чистых элементов многие сплавы и соединения являются полупроводниками. Преимущество сложных полупроводниковых приборов заключается в том, что они предоставляют разработчику устройств широкий диапазон энергетических разрывов и подвижностей, так что материалы доступны со свойствами, которые отвечают определенным требованиям. Поэтому некоторые из этих полупроводников называют широкозонными полупроводниками.

Легирование полупроводников

Добавление небольшого процента посторонних атомов в регулярную кристаллическую решетку кремния или германия приводит к резким изменениям их электрических свойств, в результате чего образуются полупроводники n-типа и p-типа.

Пятивалентные примеси

(5 валентных электронов) производят полупроводники n-типа, внося дополнительные электроны.

Трехвалентные примеси

(3 валентных электрона) производят полупроводники p-типа, создавая «дырочку» или дефицит электронов.

N-Type Semiconductor

Добавление пятивалентных примесей, таких как сурьма, мышьяк или фосфор, способствует появлению свободных электронов, что значительно увеличивает проводимость собственного полупроводника. Фосфор может быть добавлен путем диффузии газообразного фосфина (Ph4).

P-Type Semiconductor

Добавление трехвалентных примесей, таких как бор, алюминий или галлий, к собственному полупроводнику создает дефекты валентных электронов, называемых «дырками». Типично использовать диборан-газ B2H6 для диффузии бора в кремниевый материал.

Собственные полупроводники

Химически чистые полупроводники, то есть полупроводники без примесей, называются собственными полупроводниками.

При температуре абсолютного нуля T=0К валентная зона собственного полупроводника полностью заполнена электронами. Зона проводимости пуста. Поэтому при T=0К собственный полупроводник как и диэлектрик обладает нулевой проводимостью s = 1/r, где r — удельное сопротивление.

С повышением температуры возникают тепловые колебания атомов кристаллической решетки полупроводника. Электрон валентной зоны может получить от тепловых колебаний кристаллической решетки (поглотив фонон) энергию ³ Eg. Электрон в этом случае из валентной зоны может перейти в зону проводимости. В этой зоне множество свободных уровней энергии. Поэтому электроны зоны проводимости могут изменять энергию под действием электрического поля и участвовать в создании электрического тока. Отсюда их название – электроны проводимости.

В валентной зоне возникает незаполненное состояние, которое называют дыркой. В присутствии внешнего электрического поля ближайший к дырке электрон валентной зоны попадает в нее, оставляя при этом новую дырку, которую заполняет следующий электрон и так далее. Таким образом наличие дырки позволяет электронам валентной зоны изменять свое энергетическое состояние, то есть участвовать в создании электрического тока, Дырка при этом перемещается в направлении, противоположном движению электрона (рис.3.12). Следовательно, она ведет себя как носитель положительного заряда, по абсолютной величине равного заряду электрона. Вспомните вопрос о поведении электрона и его эффективной массе у потолка энергетической зоны. Понятие «дырка» служит для описания поведения электрона валентной зоны. Электроны проводимости и дырки являются свободными носителями заряда в полупроводнике и обеспечивают в нем протекание электрического тока.

Вместе с рассмотренным процессом тепловой генерации электронов и дырок – электронно-дырочных пар – возникает противоположный процесс: рекомбинация электронов и дырок. Электрон зоны проводимости, двигаясь в объеме полупроводника встречает дырку и переходит на ее место, заполняет свободное состояние в валентной зоне. При этом излишек энергии выделяется в виде фононов или фотонов. Одновременное действие процессов генерации и рекомбинации приводит к установлению в полупроводнике равновесной концентрации носителей заряда. В собственном полупроводнике равновесные концентрации электронов n₀ и дырок p₀ равны: n₀=p₀=n_i; n_i – эту величину назвали собственной концентрацией носителей заряда. Ясно, что произведение

n₀р₀=n_i²

Это важное равенство справедливо для полупроводника, находящегося в состоянии термодинамического равновесия, то есть когда на него не оказывается какое-либо физическое воздействие. Оно выполняется не только для собственного полупроводника, но и для любого примесного. . Равенство широко используется в теории полупроводников и называется уравнением полупроводника или законом действующих масс по аналогии с терминологией химической термодинамики

Из изложенного выше можно сделать два важных вывода:

1. Проводимость полупроводников является проводимостью возбужденной. Она появляется под действием внешнего фактора, способного сообщить электронам валентной зоны энергию большую Eg – достаточную для их перехода из валентной зоны в зону проводимости. Это может быть нагрев полупроводника, облучение его светом и так далее.

2. Разделение тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер. Алмаз являющийся прекрасным диэлектриком при комнатной температуре, проявляет заметную проводимость при высоких температурах и ведет себя подобно полупроводнику.

Узнать еще:

Страница не найдена | Кафедра физики твердого тела ПетрГУ

หน้าหลัก

http://rtlabs.nitk.ac.in/ http://www.ei.ksue.edu.ua/ http://www.unajma.edu.pe/ http://www.drbrambedkarcollege.ac.in/ https://esperanza.eastern.edu/ https://www.hsri.or.th/ https://www.agrft.uni-lj.si/ http://www4.fe.usp.br/ https://www.cnba.uba.ar/

Home

bak hocam 2yildir kullandigim siteye gelip kod ekliyorsun not yazip kodlarini siliyorum (insan olan utanir kusura bakma hocam diyip giderdi) kendine dusmanmi ariyorsun? belliki sen disli birine denk gelmemissin hayatin boyunca ama ben cok ugrastim cokta denk geldim bu sekilde tanimadigin birini tehtit etmen ya deli oldugunu gosterir yada tecrubesizligini sen bana isimi ogretecegine once baskalarina ait olan sitelere girmemeyi ogren ondan sonra bana isimi ogretirsin ben cok takintili bir adamim beni kotu bir insan olmaya zorlama rica ediyorum bak lutfen birbirimizi uzmeyelim emin ol bu site felan umrumdami saniyorsun? olay tamamen prensip meselesi sen benim yatakodama gelip beraber yatacagiz diyorsun oyle bir olay yok isine bak oldu 10 kisi daha cagir 500 kod eklesin herkes yorumbacklink isimi yapiyorsun? sacmalamissin daha fazla beni muatap etme kendinle yaptigin terbiyesizligin farkina var illa darbe yiyincemi aklin basina gelecek anlamiyorum ki o kadar yaziyorum ki birbirimize kotuluk yapmayalim kalp kirmayalim birbirimizi uzmeyelim sana daha once boyle notlar yazan bir linkci gordun mu Allah askina ben bazen goruyorum ana baci duymadigim kufurler yaziyor adamlar birbirine sen benim gibi bir insani uzuyorsun ama lutfen.. 8yildir ben kimseyle ortak site kullanmadim babam gelse onunlada kullanmam en hassas oldugum konudur bu bir daha kod eklememeni siddetle tavsiye ediyorum yoksa farkli seyler olur ve kendine nur topu gibi manyak bir dusman edinirsin bos yere bu polemigi uzatiyorsun haksiz olan sensin kod disinde birsey yazmak istersen yazabilirsin ama rica ediyorum isi inada bindirme senden ERDEMLİ DÜRÜST VE OLGUN bir davranis bekliyorum beni anladigini umuyorum ve tekrar inşAllah kod eklemeyecegini umuyorum olumlu olumsuz notunu buraya yazablirsin bende bir daha bu siteyi kullanmiyacagim sanada kullandirmam tabiki is site isi degil prensip isi.. ihtiyacin olabilir site sayin azdir bunlar dogal seyler ben gerekirse kendim eklerim senin kodlarini oyle bir durumda kendi kodlarimida silerim sadece senin olur ama o son not garip bir insan oldugunu dusunduruyor bana ve inan ugrasacak vaktim de kafamda yok kendine sardirma hepimiz ekmek davasindayiz senle isim yok benden sana kotulukte gelmez ama beni zorlama lutfen.. zaten kafamda bir dunya sorun var hayat acimasiz hayat zor benim derdim bana yetiyor butun ictenligim ve iyi niyetim ile sana bu notu yaziyorum bu kadar sozden sonra kod ekleyecegini sanmiyorum birde seninle ugrasmayayim guzel kardesim arkadasim lutfen rica ediyorum LUTFEN barış her zaman erdemli insanlarin isidir lutfen ayni olgunluk ile senden olumlu donusunu bekliyorum eger yazdiklarimda kalp kirici yada incitici birsey varsa lutfen kusura bakma 1-2defa kontrol ettim ama belki gozumden kacmis olabilir hakkini helal et ve en iyisi ikimiz icinde helallesip bu isi noktalamaktir inan kotu biri degilim selam ve sevgiyle..

О полупроводниках | SIA | Ассоциация полупроводниковой промышленности

Сильная полупроводниковая промышленность жизненно важна для экономической мощи Америки, национальной безопасности и глобальной конкурентоспособности.

Полупроводники — это основополагающая технология практически для всех сфер нашей экономики. Полупроводники были изобретены в Америке, и США по-прежнему являются мировыми лидерами в области производства и дизайна.

В полупроводниковой промышленности в США напрямую занято около 250 000 человек, и на каждую прямую работу приходится 4 человека.89 рабочих мест поддерживаются в других сферах экономики США. Это составляет более 1 миллиона дополнительных рабочих мест в результате процветающей полупроводниковой промышленности США. Еще более впечатляющим является то, что за работу в полупроводниковой промышленности платят в среднем в 2,5 раза больше, чем средняя зарплата всех рабочих в США.

Полупроводники — четвертый по величине экспорт Америки после самолетов, рафинированного масла и автомобилей. Вопреки распространенному мнению, что большая часть высокотехнологичного производства была перенесена в Азию, передовое производство полупроводников остается сильным в США.S. Фактически, около половины производственной базы американских полупроводниковых компаний находится в Соединенных Штатах.

Ключ к поддержанию достижений, которые питают нашу промышленность и экономику США, — это исследования. К сожалению, доля инвестиций США в НИОКР в ВВП за последние десятилетия снизилась. Например, доля валовых внутренних расходов США на НИОКР, финансируемых государством, снизилась с 47,1 процента в 1981 году до 33,4 процента в 2011 году. (Источник: ОЭСР). За последние десять лет расходы на НИОКР как доля от экономического производства оставались почти постоянная в U.S., но увеличились почти на 50 процентов в Южной Корее и почти на 90 процентов в Китае. (Источник: NSF S&E Indicators 2012)

компаний-членов SIA продолжают инвестировать и расширяться в США, строя новые и расширенные современные производственные мощности по всей стране. В целом американские полупроводниковые компании сохраняют около 50 процентов доли мирового рынка на высококонкурентном рынке. (Источник: SIA / iSuppli / WSTS)

Процветающая полупроводниковая промышленность США означает сильную американскую экономику, высокооплачиваемые рабочие места и огромное влияние на страну.Проще говоря, полупроводники укрепляют нашу страну.

Определение полупроводников

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 полупроводники или чипы, можно найти в тысячах продуктов, таких как компьютеры, смартфоны, бытовая техника, игровое оборудование и медицинское оборудование.

ключевые выносы

• Полупроводник, который содержится в тысячах электронных продуктов, — это материал, проводящий 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.
• Инвесторам следует 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.

Понимание полупроводников

Полупроводниковые устройства могут демонстрировать ряд полезных свойств, таких как отображение переменного сопротивления, более легкое прохождение тока в одном направлении, чем в другом, и реакция 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, с основного рынка в более мелкие ниши или разные сегменты в целом.

Товарные интегральные схемы

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» — 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 крошечности 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 наблюдениям, названным 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 в 1965 году написал статью с описанием этого наблюдения.В настоящее время период удвоения часто обозначается как 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 компаниям, производящим полупроводники, 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, 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 первый план, предлагая привлекательные варианты аутсорсинга. Помимо литейных заводов, ряды дизайнеров и тестеров микросхем, которые становятся все более специализированными, начинают пополняться.Компании по производству микросхем становятся все более экономичными и эффективными. Производство чипсов теперь напоминает кухню ресторана изысканной кухни, где повара выстраиваются в очередь, чтобы добавить в смесь нужные специи.

В 80-е годы 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 могут 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; 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.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 остаются 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 всего дома.

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 светским. 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. Еще одна причина — это 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: движет ли рынок технология, или рынок движет технологией. Инвесторы должны признать, что оба они 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 не тогда, если технология неисправна, — инвесторы должны с осторожностью относиться к заявлениям компаний, которые утверждают, что имеют новейшие и лучшие технологии в полупроводниковой промышленности.

Часто задаваемые 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 внутренний полупроводник?

Собственный или чистый 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.

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это материал, который обладает определенными уникальными свойствами в том, как он реагирует на электрический ток. Это материал, который имеет гораздо меньшее сопротивление прохождению электрического тока в одном направлении, чем в другом. Электропроводность полупроводника находится между проводимостью хорошего проводника (например, меди) и изолятора (например, резины).Отсюда и название полупроводник. Полупроводник — это также материал, электрическая проводимость которого может быть изменена (так называемое легирование) путем изменения температуры, приложенных полей или добавления примесей.

Хотя полупроводник не является изобретением, и никто не изобрел полупроводник, есть много изобретений, которые относятся к полупроводниковым устройствам. Открытие полупроводниковых материалов позволило добиться огромных и важных успехов в области электроники. Нам были нужны полупроводники для миниатюризации компьютеров и компьютерных частей.Нам были нужны полупроводники для производства электронных компонентов, таких как диоды, транзисторы и многие фотоэлектрические элементы.

Полупроводниковые материалы включают элементы кремний и германий, а также соединения арсенид галлия, сульфид свинца или фосфид индия. Есть много других полупроводников. Даже некоторые пластмассы могут быть полупроводниками, что позволяет использовать гибкие пластмассовые светодиоды (СИД), которым можно придать любую желаемую форму.

Что такое электронный допинг?

По словам доктораКен Меллендорф из Newton’s Ask a Scientist:

«Легирование» — это процедура, которая делает полупроводники, такие как кремний и германий, готовыми к использованию в диодах и транзисторах. Полупроводники в их нелегированной форме на самом деле являются электрическими изоляторами, которые не очень хорошо изолируют. Они образуют кристаллический узор, в котором каждому электрону отведено определенное место. Большинство полупроводниковых материалов имеют четыре валентных электрона, четыре электрона на внешней оболочке. Если поместить один или два процента атомов с пятью валентными электронами, такими как мышьяк, в четырехвалентный электронный полупроводник, такой как кремний, происходит кое-что интересное.Недостаточно атомов мышьяка, чтобы повлиять на общую кристаллическую структуру. Четыре из пяти электронов используются по той же схеме, что и для кремния. Пятый атом плохо вписывается в структуру. Он по-прежнему предпочитает висеть около атома мышьяка, но не держится крепко. Его очень легко отсоединить и отправить в путь сквозь материал. Легированный полупроводник больше похож на проводник, чем на нелегированный. Вы также можете добавить в полупроводник трехэлектронный атом, например алюминий.Алюминий вписывается в кристаллическую структуру, но теперь в структуре отсутствует электрон. Это называется дырой. Заставить соседний электрон переместиться в дырку — все равно что заставить дыру двигаться. Соединение полупроводника, легированного электронами (n-тип), с полупроводником, легированным дырочками (p-тип), создает диод. Другие комбинации создают такие устройства, как транзисторы.

История полупроводников

Термин «полупроводник» впервые использовал Алессандро Вольта в 1782 году.

Майкл Фарадей был первым человеком, который наблюдал эффект полупроводника в 1833 году. Фарадей заметил, что электрическое сопротивление сульфида серебра уменьшается с температурой. В 1874 году Карл Браун обнаружил и задокументировал первый эффект полупроводникового диода. Браун заметил, что ток свободно течет только в одном направлении в месте контакта металлической точки и кристалла галенита.

В 1901 году было запатентовано самое первое полупроводниковое устройство, названное «кошачьи усы». Устройство было изобретено Джагадисом Чандрой Бозом.Усы кошки — это точечный полупроводниковый выпрямитель, используемый для обнаружения радиоволн.

Транзистор — это устройство, состоящее из полупроводникового материала. Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли совместно изобрели транзистор в 1947 году в Bell Labs.

Источник

• Аргоннская национальная лаборатория. «НЬЮТОН — Спросите ученого». Интернет-архив, 27 февраля 2015 г.

Полупроводниковые материалы — IEEE IRDS ™

Полупроводниковые материалы варьируются по цене и доступности от кремния в большом количестве до дорогих редкоземельных элементов (РЗЭ).Солнечные элементы, полевые транзисторы, датчики Интернета вещей и схемы беспилотных автомобилей — все это требует использования полупроводниковых материалов. Современный мир буквально обязан своим существованием полупроводникам и материалам, используемым при их производстве.

По мере того, как существующие полупроводниковые материалы достигают своих физических ограничений, новые материалы готовы занять их место. Рынок этих материалов в сочетании с новыми полупроводниковыми приложениями меняет производство и закупку материалов во всей отрасли.

Виды полупроводниковых материалов

Чтобы понять изменяющуюся природу производства полупроводников, необходимо понять существующие полупроводниковые материалы и то, как их состав влияет на электронные устройства. Новости отрасли содержат последние сведения о ценах на материалы и исследованиях, но, как правило, предполагают осведомленность о текущих свойствах и ограничениях материалов.

Какие полупроводниковые материалы используются чаще всего?

Наиболее часто используемые полупроводниковые материалы — это кремний, германий и арсенид галлия.Из этих трех германий был одним из первых используемых полупроводниковых материалов. Германий имеет четыре валентных электрона, которые представляют собой электроны, расположенные на внешней оболочке атома.

Количество валентных электронов в полупроводниковом материале определяет его проводимость. Несмотря на то, что германий стал важным шагом в эволюции полупроводниковых материалов, он в значительной степени вышел из употребления в пользу нынешнего короля полупроводниковых материалов — кремния.

Кремний широко используется в качестве полупроводникового материала с 1950-х годов.Самый распространенный элемент на Земле после углерода, кремний имеет четыре валентных электрона и плавится при более высокой температуре, чем германий (1414 градусов по Цельсию по сравнению с германием 938,3 градуса по Цельсию).

Кремний в большом количестве присутствует в кварците. Процессы экстракции, очистки и кристаллизации кремния эффективны и экономичны. Элемент кристаллизуется в форме алмаза для относительно прочной связи, придавая кристаллам кремния сильные механические свойства.

Арсенид галлия — второй по распространенности полупроводник, используемый сегодня.В отличие от кремния и германия, арсенид галлия представляет собой соединение, а не элемент, и образуется путем объединения галлия с его тремя валентными электронами и мышьяком, который имеет пять валентных электронов.

Восемь валентных электронов заставляют устройства на основе арсенида галлия быстро реагировать на электрические сигналы, что делает соединение хорошо подходящим для усиления высокочастотных сигналов, видимых на телевизионных спутниках. Однако у арсенида галлия есть некоторые ограничения: это соединение труднее производить в массовом порядке, чем кремний, а химические вещества, используемые при производстве арсенида галлия, довольно токсичны.

Какие полупроводниковые материалы самые эффективные?

В дополнение к арсениду галлия состав диоксида кремния имеет характеристики, превосходящие кремний, что позволяет использовать его в качестве изолятора, пассивирующего слоя и строительного слоя в металлооксидных кремниевых (МОП) устройствах, тип поля с изолированным затвором. -эффект транзистор. Диоксид кремния имеет высокую диэлектрическую прочность и более широкую запрещенную зону, чем кремний, что делает его эффективным изолятором, а соединение легко осаждается на других материалах.

Какие из последних инноваций в полупроводниковых материалах?

Кремний, являясь наиболее важным материалом в производстве полупроводников на протяжении большей части конца двадцатого и начала двадцать первого веков, приближается к пределу своей полезности. Спрос на все более компактные и быстрые интегральные схемы повысили эффективность материала до предела, и отраслевые эксперты опасаются, что кремний скоро достигнет пределов закона Мура. Исследования новых материалов продолжаются, и некоторые материалы имеют большие перспективы на будущее:

• Нитрид галлия высокой мощности может быть использован для более эффективного и быстрого преобразования энергии в электрических сетях из-за его высокого критического энергетического поля.
• Полупроводники на основе антимонида и висмута находят применение в улучшенных инфракрасных датчиках для медицинского и военного секторов.
• Графен может превзойти кремний в качестве универсального полупроводникового материала, но его широкое коммерческое использование может произойти через двадцать пять лет.
• Пирит может использоваться для замены теллурида кадмия из редкоземельного элемента, который широко используется в солнечных элементах, но имеет ограниченное количество. Пирит является обильным, недорогим и нетоксичным.

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS ™

Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

Свойства полупроводниковых материалов

Полупроводниковые материалы обладают определенными характеристиками, связанными с электропроводностью. Будущее полупроводников зависит от того, смогут ли новые материалы с такими характеристиками производиться массово по цене, аналогичной стоимости кремния.

Каковы отличительные характеристики полупроводниковых материалов?

Материалы, обеспечивающие электрическую проводимость, естественно, называются проводниками.Примеры включают золото, серебро и медь. С другой стороны, изоляторы обладают высоким сопротивлением и препятствуют электропроводности. Резина, стекло и керамика — изоляторы.

Полупроводники, как следует из названия, обладают характеристиками как проводников, так и изоляторов. Полупроводники обычно имеют кристаллическую форму и имеют небольшое количество свободных электронов, необходимых для обеспечения проводимости. Вместо этого их атомы группируются вместе, образуя кристаллическую решетку, через которую возможна электрическая проводимость, но только при правильных условиях.

При низких температурах полупроводники обладают низкой проводимостью или вообще не имеют проводимости и действуют как изоляторы. Однако при комнатной температуре или при воздействии света, напряжения или тепла они могут проводить электричество. Именно это квазисостояние между проводниками и изоляторами делает полупроводники настолько важными для электронных устройств, поскольку они определяют, как, когда и где течет электричество.

Как работают полупроводники?

Металлы проводят электричество, потому что их свободные электроны могут свободно перемещаться между атомами, поскольку электричество требует потока электронов от одного атома к другому.Полупроводники, такие как чистый кремний, имеют мало свободных электронов и действуют больше как изоляторы.

Поведение кремния можно изменить в сторону проводимости с помощью процесса, называемого легированием. Легирование приводит к смешиванию крошечных примесей с полупроводниковыми материалами. Примеси добавляют к основному материалу «донорные атомы», способствуя проводимости. Количество примесей, добавленных к полупроводниковым материалам, ничтожно — всего один донорный атом на десять миллионов атомов полупроводника, — но достаточно, чтобы обеспечить электрическую проводимость.

Используются две категории примесей, N-тип и P-тип:

• Полупроводники N-типа содержат фосфор или мышьяк. Оба вещества имеют по пять валентных электронов. При добавлении к решетке кремния одному из легирующих электронов не с чем связываться, поэтому он может пропускать электрический ток. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому эти полупроводники называют полупроводниками N-типа.
• Полупроводники P-типа «легированы» бором или галлием. Два легирующих элемента имеют только три валентных электрона.Когда они смешиваются с решеткой кремния, нескольким электронам кремния не с чем связываться, обеспечивая электрическую проводимость. Отсутствие электрона создает положительный заряд, поэтому кремний, легированный бором или галлием, называется полупроводником P-типа.

Как производятся полупроводниковые материалы?

При производстве интегральных схем компоненты схемы, такие как транзисторы и проводка, осаждаются на поверхности тонкой кремниевой кристаллической пластины.Затем тонкая пленка компонента покрывается фотостойким веществом, на которое с помощью технологии фотолитографии проецируется рисунок схемы.

В результате получается один слой схемы с транзисторами на самом нижнем уровне. Затем процесс повторяется со многими схемами, сформированными друг над другом и на полупроводниковой основе.

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS ™

Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

Применение полупроводниковых материалов

Производство полупроводников обеспечивает базовое оборудование почти для всех электронных устройств.Он используется для усиления энергии, переключения, преобразования энергии, датчиков и многого другого.

Какие изделия обычно изготавливают из полупроводниковых материалов?

Распространенные продукты и компоненты, изготовленные из полупроводниковых материалов, включают следующее:

• транзисторы биполярные
• диоды
• Транзисторы полевые
• микросхемы
• переходной полевой транзистор
• Светодиоды (LED)
• Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы)
• Выпрямители с кремниевым управлением

Какие отрасли промышленности используют полупроводниковые материалы больше всего?

Полупроводниковые материалы являются важным компонентом электронных устройств, что делает их жизненно важными практически для всех основных отраслей промышленности.Во всем мире ежедневно используется более ста миллиардов полупроводников.

Секторы, которые особенно зависят от полупроводниковых материалов, включают следующее:

• искусственный интеллект
• чистая энергия
• связь
• вычисления
• энергия
• здравоохранение
• Интернет вещей
• военный

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS ™

Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

Рынок полупроводниковых материалов

Поскольку почти все отрасли промышленности зависят от электронных устройств, рынок полупроводников относительно стабилен.Материалы, необходимые для первоначального производства полупроводниковой упаковки, варьируются по стоимости от легкодоступного кремния и керамики до дорогостоящих редкоземельных металлов.

Как обстоят дела на мировом рынке полупроводниковых материалов?

Рынок полупроводниковых материалов достиг более 50 миллиардов долларов в 2018 году и, по прогнозам, достигнет стоимости более 70 миллиардов долларов к концу 2025 года. Прогнозируемый среднегодовой темп роста в период с 2018 по 2025 год оценивается в 4,32 процента.

Что делает полупроводниковые материалы такими ценными?

Хотя некоторые полупроводниковые материалы и дешевы, и доступны в большом количестве (кремний является наиболее очевидным примером), РЗЭ, используемые в производстве диэлектриков с высоким κ и химико-механической полировке, могут быть дорогостоящими.

На величину РЗЭ влияют несколько факторов. Процессы, необходимые для отделения РЗЭ от породы, в которой они обнаружены, сложны и дороги, требуя тысяч стадий для извлечения и очистки готового материала.

Сложность извлечения РЗЭ из сырья заставила многие горнодобывающие компании отказаться от получения прибыли от РЗЭ. Китай — одна из немногих стран, сосредоточивших внимание на добыче и переработке РЗЭ, в результате чего страна производит 85 процентов мировых запасов вольфрама и молибдена.

Жесткая хватка Китая над производством РЗЭ позволяет ему не только устанавливать цены, но и использовать ценный полупроводниковый материал в качестве политического оружия. В 2010 году Китай прекратил все продажи РЗЭ в Японию из-за спора по поводу задержания Японией китайского рыболовного капитана. Решит ли Китай использовать экспорт РЗЭ во время продолжающейся торговой войны между США и Китаем, вызывает озабоченность.

Как перерабатываются и утилизируются полупроводниковые материалы?

Учитывая ценность некоторых полупроводниковых материалов, рециркуляция и утилизация ценных РЗЭ и других веществ возможны.В настоящее время переработка РЗЭ наиболее успешна при работе с крупномасштабными полупроводниковыми продуктами, такими как солнечные элементы, автомобильные катализаторы и магниты ветряных турбин. РЗЭ также регенерируют из аккумуляторов.

Переработка более мелких полупроводниковых материалов проблематична с финансовой точки зрения, учитывая небольшое количество материала, утилизируемого из отдельных продуктов, таких как смартфоны. Переработка полупроводниковых материалов также сопряжена с собственными экологическими издержками: процесс приводит к значительным отходам и выбросам множества токсичных загрязнителей.Этические соображения также вызывают озабоченность, поскольку многие использованные полупроводниковые продукты попадают на предприятия по переработке электронных отходов в странах третьего мира, известные тем, что эксплуатируют детский труд.

Самый очевидный способ снизить затраты на РЗЭ — начать добычу и переработку собственных месторождений РЗЭ в других странах, кроме Китая (несмотря на свое название, РЗЭ равномерно распределены по земле, хотя это затрудняет поиск крупных залежей в одном месте) . Однако, как отмечает Communications ACM , для этого требуется готовность инвестировать в разработку экономически эффективных процессов добычи, добычи и переработки.

Хотите узнать больше о полупроводниковых материалах? Рассмотрите возможность чтения Международной дорожной карты для устройств и систем (IRDS ™). IRDS ™ — это набор прогнозов, которые исследуют будущее электроники, полупроводников и компьютерной индустрии на пятнадцатилетний горизонт. Он охватывает ряд критических областей и технологий, от приложений до устройств и производства. Присоединяйтесь к техническому сообществу IRDS ™, чтобы загрузить дорожную карту и быть в курсе наших последних мероприятий.

Как загрузить IRDS ™

Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

Semiconductor — Energy Education

Рис. 1. Кремний — это тип полупроводника, который часто используется в солнечных батареях. ^[1]

Полупроводник — это элемент или соединение, которое в одних условиях проводит электричество, а в других — нет. Это свойство не быть ни хорошим изолятором, ни хорошим проводником, что делает полупроводники полезными для управления электрическим током.Электропроводность полупроводника зависит от множества условий, включая приложенное напряжение или ток, или интенсивность инфракрасного излучения, ультрафиолетового излучения или видимого света на поверхности. ^[2] Вот почему полупроводники используются в фотоэлектрических системах.

Есть много различных элементов, которые являются полупроводниками. Поскольку эти материалы не склонны ни к потере электронов (генерированию свободных электронов), ни к получению электронов, их валентные оболочки, как правило, содержат четыре электрона.Элементарные полупроводники (материалы, содержащие только один элемент) включают сурьму, мышьяк, бор, углерод, германий, селен, кремний, серу и теллур. ^[2] Кремний является наиболее известным из них, поскольку он составляет основу большого количества электрических цепей.

Недвижимость

Тот факт, что полупроводники имеют четыре электрона в валентной оболочке, означает, что они образуют «идеальные» ковалентные связи с четырьмя соседними атомами. Это создает структуру кристаллической решетки. В этой чистой решетке свободные электроны не могут проводить ток.Из-за этого настоящий полупроводник образуется, когда в некоторой кристаллической структуре есть примеси, и именно эти примеси придают материалу его особые свойства. ^[3]

Конкретные свойства полупроводников сильно зависят от их примесей или примесей . ^[2] Полупроводники N-типа переносят ток в основном в виде отрицательно заряженных электронов, в то время как полупроводники P-типа имеют носители заряда, известные как электронные дырки. Эти отверстия заряжены положительно.Небольшое количество любого типа легирования может превратить полупроводниковый кристалл в жизнеспособный проводник — поэтому он называется полупроводником. ^[3] Для получения дополнительной информации о легировании полупроводников щелкните здесь.

Наряду с этими свойствами полупроводники имеют тенденцию иметь большое количество атомов в единице объема.

использует

Рис. 2. Микропроцессорный чип содержит множество транзисторов, состоящих из полупроводниковых материалов. ^[4]

Диоды — это простейшие устройства, которые можно сделать из полупроводников.В диодах ток может течь в одном направлении, но не в другом. Это устройство образуется при соединении полупроводников P-типа и N-типа. Комбинация этих полупроводников сама по себе не проводит электричество. Вместо этого отрицательные электроны с одной стороны притягиваются к положительной клемме батареи, и ток может течь, когда батарея подключена. Однако, если аккумулятор перевернуть и подключить в противоположном направлении, ток не будет протекать, потому что нет движения электронов через переход P-N, потому что электроны движутся прямо через провод к аккумулятору, а не пересекают зазор. ^[3] Для получения более подробной информации о работе диодов щелкните здесь.

Диоды используются во многих схемах, а также являются компонентом светодиодов, которые все чаще используются в освещении жилых помещений. Еще одно важное применение P-N перехода и полупроводников — это фотоэлектрические элементы, основной компонент солнечных панелей. Эти солнечные элементы позволяют преобразовывать солнечную энергию Солнца в электричество.

Транзисторы — еще одно устройство, в котором используются полупроводники.В транзисторах есть три слоя полупроводникового материала, которые создают «сэндвич» с двумя подобными типами полупроводников (N-типа или P-типа), окружающими полупроводниковый материал другого типа. В цепи через транзистор не протекает ток, поскольку два диода, соединенных задними сторонами друг к другу, блокируют ток в обоих направлениях. Однако, когда к центру транзистора подается небольшой ток, ток может течь через весь сэндвич. Таким образом, транзисторы действуют как «переключатель». ^[3]

Транзисторы широко используются в микропроцессорных микросхемах, а также в сотовых телефонах и компьютерах.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

I. Полупроводники P-типа, N-типа — Разработка LibreTexts

Диоды с p-n переходом состоят из двух смежных частей полупроводниковых материалов p-типа и n-типа. Материалы p-типа и n-типа — это просто полупроводники, такие как кремний (Si) или германий (Ge), с атомными примесями; тип присутствующей примеси определяет тип полупроводника.Процесс целенаправленного добавления примесей в материалы называется легированием; Полупроводники с примесями называют «легированными полупроводниками».

р-тип

В чистом (собственном) полупроводнике Si или Ge каждое ядро ​​использует свои четыре валентных электрона для образования четырех ковалентных связей со своими соседями (см. Рисунок ниже). Каждое ионное ядро, состоящее из ядра и невалентных электронов, имеет общий заряд +4 и окружено 4 валентными электронами. Поскольку нет лишних электронов или дырок. В этом случае количество электронов и дырок, присутствующих в любой момент времени, всегда будет равным.

Собственный полупроводник. Обратите внимание, что каждый ион +4 окружен четырьмя электронами.

Теперь, если один из атомов в решетке полупроводника заменить элементом с тремя валентными электронами, например элементом группы 3, например бором (B) или галлием (Ga), электронно-дырочный баланс изменится. Эта примесь сможет внести в решетку только три валентных электрона, в результате чего останется одна избыточная дырка (см. Рисунок ниже). Поскольку дырки «принимают» свободные электроны, примесь группы 3 также называется акцептором.

Полупроводник, легированный акцептором. Теперь имеется лишнее отверстие.

Поскольку акцептор отдает избыточные дырки, которые считаются положительно заряженными, полупроводник, легированный акцептором, называется полупроводником p-типа; «p» означает положительный. Обратите внимание, что материал в целом остается электрически нейтральным. В полупроводнике p-типа ток в основном переносится дырками, которых больше, чем свободных электронов.В этом случае дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными.

n-типа

В дополнение к замене одного из атомов решетки атомом 3-й группы, мы также можем заменить его атомом с пятью валентными электронами, например, атомами мышьяка 5-й группы (As) или фосфора (P). В этом случае примесь добавляет пять валентных электронов к решетке, где она может удерживать только четыре. Это означает, что теперь в решетке есть один лишний электрон (см. Рисунок ниже).Поскольку примесь 5-й группы отдает электрон, она называется донором. Обратите внимание, что материал остается электрически нейтральным.

Полупроводник, легированный донором. Свободный электрон теперь присутствует.

Донорные примеси отдают решетке отрицательно заряженные электроны, поэтому полупроводник, легированный донором, называется полупроводником n-типа; «n» означает «отрицательный». Свободных электронов больше, чем дырок в материале n-типа, поэтому электроны являются основными носителями, а дырки — неосновными носителями.

Список литературы

1. «Глава 6: Диоды». Основы электротехники. 2-е изд. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Oxford UP, 1996. 352-54. Распечатать.

Скромный минерал, который изменил мир

Чтобы превратить кремниевый порошок в стружку, материал плавится в печи при 1400 ° C и формируется в цилиндрические слитки. Затем их нарезают дисками, называемыми вафлями, как нарезанный огурец. Наконец, несколько десятков прямоугольных схем — сами микросхемы — печатаются на каждой пластине на заводах, таких как предприятие Global Foundries в штате Нью-Йорк.Отсюда фишки попадают во все уголки планеты.

«По сути, мы являемся печатным станком для любого [электронного] устройства, которое любая компания захочет сделать», — говорит Крис Белфи, инженер по чистым помещениям в Global Foundries.

Чипы настолько малы, что частицы пыли или волоски могут испортить их сложные схемы. Чтобы избежать загрязнения микроэлектроники, обширный производственный цех должен быть стерильным. Площадь размером с шесть футбольных полей поддерживается в тысячи раз чище, чем операционная, и освещается тусклым желтым светом, чтобы ультрафиолетовое излучение не повредило некоторые химические вещества, используемые в производственном процессе.Рабочие лаборатории и заводские техники ведут свои дела в жутком сиянии, с головы до ног облачены в белые защитные костюмы с масками и очками.

Внутри чистого помещения большинство операций выполняется автоматически герметизированными роботами, при этом детали перемещаются между ними по монорельсовым дорогам, установленным на потолке. В зависимости от конструкции для изготовления каждого чипа может потребоваться от 1000 до 2000 шагов.

Пустые вафли, поступающие в цех, стоят пару сотен долларов за штуку.Когда они уходят, напечатанные на миллиардах транзисторов, они стоят в сто раз дороже. Большинство микросхем, которые производит Global Foundries, в конечном итоге устанавливаются в телефонах или специализированном оборудовании, называемом графическими процессорами, которые используются в видеоиграх, искусственном интеллекте и майнинге криптовалют. Подключенные устройства от фитнес-трекеров до умных холодильников и умных динамиков — все вместе известные как Интернет вещей — являются еще одним растущим семейством конечных устройств. «Люди хотят, чтобы больше вещей всегда было на связи, — говорит Белфи.

Следующий этап пути — доставка производителям электроники, часто за границу.«Я очень горжусь тем, что являюсь частью отрасли, которая способствовала повышению уровня взаимодействия между людьми по всему миру», — говорит Изабель Ферен, директор по центральному проектированию Global Foundries. «Когда я смотрю на электронные устройства, которыми мы пользуемся каждый день, я вижу технологию, над которой мы работали».

После самолетов, автомобилей и нефти полупроводники являются четвертым по величине экспортом США. Большая часть доходов возвращается на разработку новых продуктов, что ставит полупроводниковую промышленность в один ряд с фармацевтикой как ведущую отрасль, основанную на исследованиях.«Мы меняем отрасль, которая меняет мир», — говорит Ферен.

Неудивительно, что производители микросхем тщательно охраняют свои коммерческие секреты. «Интеллектуальная собственность — это источник жизненной силы полупроводниковой промышленности», — говорит Джон Нойффер из Ассоциации полупроводниковой промышленности.

Но другие страны прилагают все усилия, чтобы наверстать упущенное. Китай является крупнейшим в мире потребителем полупроводников, но лишь небольшая часть используемых в нем микросхем является самодельным. В 2017 году Китай импортировал на сумму 260 миллиардов долларов (1800 миллиардов иен; 210 миллиардов фунтов стерлингов), что стало крупнейшим импортом в страну.