определение, свойства и классификация, сферы применения

Распространённость различных видов полупроводников (ПП) в природе велика, но не меньше материалов с уникальными свойствами создаётся посредством добавления одних химических элементов к другим. Новым веществам придаются дополнительные полезные качества, расширяющие сферу применения. Используются полупроводниковые материалы как в общестроительных отраслях, так и в электронной промышленности.

• Определение и свойства
• Виды и деление полупроводников
• Применение универсальных материалов

Определение и свойства

Полупроводниками считают вещества, которые обладают слабовыраженными свойствами электропроницаемости металлов и изоляторов одновременно, имеется зависимость движения тока от температуры, излучений и концентрации примесей. Группа полупроводников представляется большим количеством материалов, чем металлы и диэлектрики, вместе взятые. Имеющиеся свойства веществ уникальны:

1. Удельное электрическое сопротивление ПП с нагревом тела уменьшается, в отличие от металлов, где рост температуры вызывает увеличение противодействия. Вследствие этого токопроводимость растёт. При охлаждении до абсолютного нуля — минус 273 ºC, ПП обретают способность становиться изоляторами, диэлектриками.
2. Односторонняя проницаемость на контакте 2 полупроводников — это свойство послужило толчком к созданию выпрямительных приборов: тиристоров, диодов и транзисторов.
3. Возникновение электрической движущей силы в определённых условиях: при нагревании контактов полупроводников появляется термический ток, а освещение вызывает напряжение фотоэффекта. ПП преобразуют солнечную энергию в электроток, а металлический предмет такого свойства не имеет.
4. Увеличение проводимости достигается введением в чистую кристаллическую решётку ПП примеси — другого химического элемента. Такими веществами будут фосфор, бор и прочие добавки в кремний.

Благодаря специфическим свойствам, использование полупроводниковых материалов обширное: энергетическая микроэлектроника, промышленное изготовление машин, а некоторые виды ПП являются сырьём для строительных материалов. Существует несколько типов элементов, они имеют разное назначение и индивидуальные конструктивные особенности.

Виды и деление полупроводников

Наименований ПП много, и для удобства они классифицируются по различным признакам. Самое крупное размежевание видов полупроводников производят по составу:

1. Простые материалы: кристаллические химические элементы селен Se, кремний Si, германий Ge заняли собственную нишу использования и применяются самостоятельно, в отличие от других, которые чаще добавляют легирующими присадками для получения составных ПП. Это элементы сурьма Sb, углерод C, теллур Te, бор B, йод I, сера S.
2. Сложные полупроводниковые материалы — в них входят химические сочетания в количестве 2, 3 и более наименований. Состоящие из двух единиц ПП называют бинарными и выделяют компонент, металлические признаки которого проявляются слабее: сульфиды, если есть сера, теллуриды (Te), арсениды (As), карбиды ©, селениды (Se).
3. Оксиды металлов — вольфрама, кадмия, титана, меди, молибдена и иных. В эту группу входят композиции, сделанные на основе титаната бария, цинка и других соединений неживой природы с небольшими добавками.
4. Органические полупроводники — это красители или природные пигменты в виде порошков аморфных и кристаллических, плёнок.

По обладанию определёнными свойствами ПП разделяют на диоды, транзисторы и тиристоры. Первые включают 2 кристалла из полупроводников различной проницаемости. Исполнение делают точечным — из кремния и металлической иглы, и плоским — сплав германия и индия.

Транзисторы состоят из 3 ПП: 2 обладают равной способностью пропускать ток, а у третьего проводимость с противоположным значением. Элементы устройства называют базой, коллектором и эмиттером. Используются как усилители электрических сигналов.

Тиристоры — преобразователи движения тока. От транзисторов отличаются предназначением: изменить ток они не могут: их функция — переключать проводимость на высокую или низкую.

Применение универсальных материалов

Впервые ПП в электротехнике стали использовать для изготовления селеновых выпрямителей переменного тока. С тех пор прогресс шагнул далеко вперёд, и сегодня устройства с применением полупроводниковых материалов распространены повсюду. Вот некоторые из них:

• германиевые и кремниевые вентили в интегральных схемах радиоэлектронной промышленности — миниатюрные транзисторы, резисторы и диоды, высоковольтные выпрямители для ЛЭП постоянного тока;
• вариаторы — стабилизаторы различного напряжения и регуляторы скорости вращения высокочастотных электродвигателей;
• термисторы (терморезисторы) — они обладают высоким модулем температурного сопротивления и применяются в устройствах автоматики и радиоэлектроники;
• фотоэлементы и светодиоды на базе кремния и германия используют в солнечных батареях для преобразования природной энергии излучения в электрический ток, в том числе в условиях космоса;
• варисторы — нелинейные сопротивления, их применяют в качестве защиты от предельных значений напряжения, его стабилизации в телевизорах и дисплеях;
• органические полупроводники незаменимы в сложных физико-химических системах и биологических тканях: высокая стойкость к радиации позволяет использовать их в космическом пространстве, OLED-телевизорах, мониторах и дисплеях.

Электротехнические устройства — основное, но не единственное назначение полупроводниковых материалов. Кремний — содержание в земной коре 30%, поэтому применяется элемент и для прозаичных целей.

В металлургии Si используется для удаления из расплавов кислорода и придания композициям из железа и цветных металлов повышенной надёжности против коррозии, увеличения прочности. Избыточное количество кремния вызывает хрупкость.

Производство Si-органических соединений и силицидов, цементная, стекольная, керамическая и электротехническая промышленности также используют полупроводник. Всего насчитывается более 20 областей применения ПП, с их помощью решают вопросы выработки и передачи различных видов энергии, создания тепла и холода, осуществления других процессов.

объяснение, виды, примеры [полное руководство] — Asutpp

Полупроводники – это материалы, без которых не могла бы существовать современная электроника. Их использование определяется не способностью проводить электричество, а возможностью изменять их электрические свойства, в частности, электрическое сопротивление. Это, в свою очередь, позволяет использовать эти материалы в устройствах, обрабатывающих электрический ток и содержащуюся в нем информацию.

Определение

В связи с их электрическими свойствами и возможными применениями в электротехнике и электронике материалы делятся на три основных типа: проводники, полупроводники и изоляторы.

Полупроводники – это материалы, электрические свойства которых, в частности электрическое сопротивление, могут быть изменены в довольно широком диапазоне, в основном путем введения легирующих добавок, а также путем нагревания, освещения и т.д.

Возможность изменять свойства позволяет использовать полупроводники в очень широком спектре приложений для обработки электрических сигналов. Например: для “выпрямления” тока, для усиления электрических сигналов, для управления токами, для преобразования тока в свет и света в электричество. Также работа всех типов компьютерных процессоров, микропроцессоров, чипов, полупроводниковой памяти обусловлена свойствами полупроводников.

Строение полупроводников

Применение полупроводников связано с возможностью изменения их электрических свойств. В частности, электрическое сопротивление может быть изменено в довольно широком диапазоне, в основном путем введения легирующих добавок.

Наиболее часто используемыми полупроводниковыми материалами являются элементы четырнадцатой группы: кремний и германий. Соединения элементов тринадцатой и пятнадцатой групп – например, арсенид галлия, нитрид галлия, антимонид индия, или двенадцатой и шестнадцатой групп – например, теллурид кадмия – также являются полупроводниками. Как правило, полупроводниковые материалы производятся в монокристаллической, поликристаллической или порошковой форме. Монокристаллы используются для изготовления диодов, транзисторов и интегральных схем. Аморфный кремний используется в фотогальванических элементах, а также в ЖК-дисплеях. В настоящее время также производятся органические полупроводники, как правило, мультициклические ароматические соединения, включая поли(п-фенилен-винилен).

Для неорганических полупроводниковых материалов характерна так называемая ковалентная связь, при которой атом получает нужное число восьми электронов на последней оболочке, делясь электроном с атомом, с которым он связан. Атомы образуют пару связывающих электронов, каждый из которых исходит от другого связывающего атома. Пример такой связи показан на рис. 1.

Рис. 1. Ковалентная связь между атомами хлора

Находясь в четырнадцатой группе периодической таблицы, кремний и германий имеют четыре валентных электрона и получают желаемую восьмерку на последней оболочке, образуя ковалентную связь со своими четырьмя соседями. Пространственное расположение образующих атомов также характерно для атомов углерода в структуре алмаза. Такое расположение, типичное для полупроводников, можно представить себе на основе тетраэдра, в котором четыре атома кремния расположены в вершинах и один в центре тетраэдра, а каждый из атомов вершины тетраэдра является центром другого тетраэдра. Атомы, лежащие в вершинах тетраэдра, можно также разместить в вершинах куба, как на рис. 2.

Рис. 2. Распределение атомов в структуре алмаза

Система, подобная расположению атомов в алмазе, образуется в полупроводниковых соединениях между атомами тринадцатой и пятнадцатой групп (а также в соединениях атомов двенадцатой и шестнадцатой групп) с тем исключением, что атомы одного элемента соседствуют с четырьмя атомами другого, образуя между собой поляризованные ковалентные связи. В образовании ковалентных связей участвуют 3 валентных электрона элементов из тринадцатой группы и 5 электронов элемента из пятнадцатой группы периодической таблицы (2 и 6 соответственно в соединениях двенадцатой и шестнадцатой групп).

Рис. 3. Элементарная ячейка полупроводниковых соединений тринадцатой и пятнадцатой групп

Для органических полупроводников типично наличие углеродных колец, в которых между атомами углерода имеется двойная связь. Поскольку одна из этих связей намного слабее, она легко разрывается, высвобождая электрон.

Связь между атомами в структуре кремния легче представить на двумерной схеме – рис. 4.

Рис. 4. Модель связей в кремнии в двух измерениях

Для того чтобы материалы проводили электричество, они должны иметь так называемые свободные носители тока – то есть частицы, наделенные электрическим зарядом и способные свободно перемещаться по всему объему материала.

В полупроводниках электроны из ковалентных связей в результате получения энергии от колеблющихся атомов могут освобождаться и становиться свободными электронами. При температуре выше 0 K существует определенное равновесное количество высвобождаемых электронов, которое тем больше, чем выше температура. Например, в кремнии при температуре 300 К число свободных электронов составляет около 1,5 – 10¹⁰ / см³. Для сравнения, в металлах число свободных электронов порядка 10²² / см³.

Место, оставленное электроном, оторвавшимся от межатомной связи, может быть занято другим электроном из соседней связи. Этот электрон также оставит пробел, который, в свою очередь, может быть занят электроном из соседней связи. Это создает эффект перемещения пустого пространства вслед за освобожденными электронами. Для упрощения описания такого перемещения электронов вводится понятие дырки, т.е. отсутствия электрона в ковалентной связи. Дырка – это носитель положительного заряда с абсолютной величиной, равной заряду электрона. Дыра – это удобный способ описания движения зазора, оставленного освобожденным электроном, но она не является самостоятельной “частицей”, такой как электрон или протон – ее нельзя наблюдать; это модель для проведения электричества через полупроводники.

Рис. 5. Схема образования свободных электронов и дырок в полупроводниках

Без внешнего электрического поля движение дырок хаотично и неупорядочено, как и движение свободных электронов.

Таким образом, предполагается, что в полупроводниках существует два типа носителей тока: отрицательные электроны и положительные дырки. В “чистых”, нелегированных полупроводниках число электронов и дырок одинаково, и их количество зависит от температуры – чем выше температура, тем больше электронов и дырок и, следовательно, тем ниже электрическое сопротивление полупроводника.

Механизм электрической проводимости

Физическими величинами, позволяющими классифицировать материал как полупроводник, являются удельное электрическое сопротивление и ширина запрещенной зоны.

Удельное электрическое сопротивление – это мера способности материала сопротивляться протекающему электрическому току, оно обозначается буквой ρ, и мы можем описать его формулой:

ρ = R * S / l

где: R – электрическое сопротивление материала, S – площадь поперечного сечения элемента, l – длина элемента. Единицей удельного сопротивления является Ом∙м.

Разделение материалов по удельному электрическому сопротивлению:

Материалы	металлы	полупроводники	изоляторы
Типичное удельное сопротивление (Ом∙м)	10-6 – 10-8	1 ‑ 104	108 – 1023

Таблица 1. Удельное электрическое сопротивление металлов, полупроводников и изоляторов

Как видно (табл. 1.), удельное сопротивление материалов лежит в очень широком диапазоне – разница между металлами и изоляторами превышает 30 порядков. Даже удельное сопротивление данного материала может лежать в довольно широком диапазоне (например, для алмаза оно находится в диапазоне от 10¹¹ Ом∙м до 10¹⁸ Ом∙м). Эти различия обусловлены способом получения материала, возникающими дефектами в кристаллической структуре, степенью примесей и т.д.

В полупроводниках электрическое сопротивление изменяется в основном за счет введения легирующих веществ, которые увеличивают число носителей электричества. Введение легирующих добавок контролируемым образом изменяет электрическое сопротивление полупроводника на несколько порядков.

Энергетический зазор определяет энергию, которую должны получить электроны, связанные с атомом, чтобы превратиться в свободные электроны и стать носителями тока. Согласно зонной теории проводимости, это энергия, которую должны получить электроны, имеющие энергию, соответствующую валентной зоне, чтобы получить энергию, соответствующую зоне проводимости.

Примечание. Зонная теория проводимости (англ. electronic band structure, band structure) – это квантовая теория, используемая для описания электронной структуры в твердом теле. Модель зоны графически представляет диапазоны разрешенных и возбужденных состояний электронных энергетических зон в материале.

Это также минимальная энергия, которую электрон испускает, обычно в форме электромагнитного излучения, при переходе из энергетического состояния в зоне проводимости в энергетическое состояние в валентной зоне. Величина запрещенной зоны определяет количество свободных носителей и, следовательно, существенно влияет на удельное электрическое сопротивление.

Концентрация носителей в металлах составляет порядка 10²² в кубическом сантиметре, в собственных полупроводниках при комнатной температуре в зависимости от материала колеблется от 10⁶ до 10¹⁰ в одном кубическом сантиметре, в легированных – от 10¹² до 10²⁰ в кубическом сантиметре.

Примечание. Легированные полупроводники (англ. doped semiconductors) – это материалы, в которые введены атомы элементов, отличающихся по значению от значений, присущих собственному полупроводнику. Замена атома полупроводника соответствующим атомом допанта приводит к избытку или недостатку электронов, что в свою очередь приводит к увеличению числа носителей электрического тока (электронов или дырок) и, таким образом, к уменьшению удельного сопротивления полупроводника при заданной температуре. В полупроводниковых соединениях эффект легирования может быть достигнут за счет неравного количества атомов элементов связи.

Из зонной теории проводимости следует, что валентные электроны, которые приобрели энергию, соответствующую зоне проводимости – “перейдя” в зону проводимости – оставляют состояние со свободной энергией в валентной зоне. Это позволяет этому состоянию быть занятым другими электронами с энергией в зоне валентного уровня. Это явление можно описать как движение положительных носителей тока – т.е. дырок (рис. 1.). Таким образом, в полупроводниках существует два типа носителей тока: электроны и дырки, которые обладают свойствами положительно заряженных носителей.

Образование свободных электронно-дырочных пар в собственных полупроводниках

Примечание. Собственный полупроводник (от английского: intrinsic semiconductor) – это полупроводник, материал которого является абсолютно чистым, без каких-либо примесей в кристаллической структуре. В случае элементов существует только один тип атомов, а в случае полупроводниковых соединений число связывающих атомов двух элементов одинаково.

Разделение материалов в соответствии с энергетическим зазором:

Материалы	металлы	полупроводники	изоляторы
Типовая ширина запрещенной зоны (энергетического разрыва) (эВ)	нет	0,1‑3 эВ	более 3 эВ

Рис. 2. Разделение материалов в зависимости от ширины запрещенной зоны Eg

Для наиболее часто используемых полупроводников ширина запрещенной зоны составляет около 1 эВ:

• германий – 0,67 эВ,
• нитрид индия – 0,7 эВ,
• кремний – 1,12 эВ,
• арсенид галлия 1,43 эВ,
• селен – 1,74 эВ.

На практике в качестве полупроводников используются материалы с шириной запрещенной зоны от долей электронвольта до нескольких электронвольт.

В качестве полупроводников также используются материалы с шириной запрещенной зоны и удельным электрическим сопротивлением, выходящим за общепринятые пределы. Среди прочего, алмаз, имеющий ширину запрещенной зоны 5 эВ и удельное электрическое сопротивление около 10¹¹-10¹³ Ом∙м, используется в транзисторах, кристаллических счетчиках и тиристорах, работающих при высоких температурах – до 500°C – благодаря своей термо- и теплостойкости.

Нитрид алюминия, ширина запрещенной зоны которого составляет 6,2 эВ, а удельное сопротивление около 10¹¹-10¹³ Ом∙м, нашел применение в ультрафиолетовой оптоэлектронике.

Виды полупроводников

В полупроводниковых материалах существует два типа носителей тока: электроны, которые несут отрицательный заряд, и так называемые дырки, которые несут положительный заряд. Добавляя соответствующие легирующие добавки, можно регулировать количество отдельных носителей тока и, таким образом, режим проведения тока. Возможность регулировать режим проведения тока существенно влияет на применение полупроводников в обработке электрических сигналов.

Дырочные полупроводники (р-типа)

В полупроводниках p-типа преобладающими носителями тока являются так называемые дырки, то есть электронные вакансии в межатомной связи. Движущимся дыркам присваивается положительный электрический заряд.

Количество дырок в кремнии и германии увеличивается, когда в кристаллы этих элементов добавляются атомы других элементов – трехвалентных – из тринадцатой группы периодической таблицы. Наиболее распространенными являются атомы бора и алюминия, также это могут быть атомы галлия или индия. Эти атомы используют свои три валентных электрона для образования общих электронных пар с соседними атомами родительского элемента. В связи с одним из четырех соседей для образования пары не хватает одного электрона – естественно, образуется дырка (рис. 3а., рис. 3б.).

Рис. 3а. Модель легирования p-типа в германииРис. 3б. Модель легирования p-типа в кремнии

В полупроводниковых соединениях проводимость p-типа достигается различными способами. Это может происходить путем легирования двухвалентными элементами. Например, арсенид галлия может быть допирован бериллием или цинком. Проводимость p-типа в арсениде галлия также может быть получена путем замены кремнием или германием вместо мышьяка.

Теория зонной проводимости, объясняет эффекты, связанные с легированием p-типа, введением атомами легирующего элемента незанятых энергетических уровней с энергией немного выше (порядка 10^-2 эВ), чем у валентных электронов. Эти уровни называются акцепторными, поскольку они легко принимают электроны из валентной зоны. На рисунке 4 показана разница между энергетическими уровнями в кремнии, легированном алюминием.

Рис. 4. Уровни акцепторов, вводимых в кремний алюминием p-типа

На рисунке 4 показано, что энергетическое расстояние между валентной зоной и зоной проводимости, называемое шириной запрещенной зоны, в кремнии составляет 1,11 эВ. То есть, валентные электроны должны иметь энергию не менее 1,11 эВ, чтобы иметь энергию в зоне проводимости.

Запрещенная зона на рис. 4 обозначена как E_g. Когда электроны набирают энергию в зоне проводимости, они оставляют дырки в валентной зоне, между которыми могут перемещаться электроны с энергией в валентной зоне.

В собственных полупроводниках (без легирования) количество электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне одинаково – любой электрон, набирающий энергию в зоне проводимости, оставляет дырку в валентной зоне.

Добавление атомов алюминия к кремнию приводит к образованию незанятых энергетических уровней на расстоянии всего 0,072 эВ от валентной зоны. Электроны с энергией в диапазоне валентной зоны легко получают эту энергию от колеблющихся атомов кристаллической решетки и переходят в энергетический диапазон акцепторных уровней.

Электроны, которые достигают энергии акцепторного уровня, не могут двигаться в кристалле – они “пойманы” этим уровнем. Однако они оставляют незанятые энергетические состояния в валентной зоне – т.е. дырки, между которыми могут перемещаться электроны с энергией в валентной зоне. Поэтому дырки образуются без перехода электронов из области энергии валентной зоны в область энергии зоны проводимости. Поэтому дырки становятся доминирующими носителями тока в полупроводниках p-типа.

Добавление атомов алюминия в кремний работает аналогично добавлению атомов алюминия в германий. Также бор, индий или галлий могут быть очень хорошими легирующими элементами для кремния или германия. Например, бор вводит акцепторные уровни в германии с энергией на 0,011 эВ, а в кремнии на 0,045 эВ выше энергии валентной зоны. Энергия, необходимая валентным электронам для перехода в диапазон энергий зоны проводимости, в несколько десятков раз выше. В германии он составляет около 0,67 эВ, в кремнии – 1,11 эВ.

Электронные полупроводники (n-типа)

Если в чистый металл, который хорошо проводит электричество, ввести в небольших количествах дополнительные атомы другого металла, то полученные металлические сплавы практически всегда имеют более высокое электрическое сопротивление, чем чистые, однокомпонентные металлы. Такие же эффекты вызывают всевозможные примеси в металлах. В полупроводниках происходит обратное. Введение, особенно контролируемое, легирующих добавок может снизить электрическое сопротивление на несколько порядков. Одним из методов легирования является введение легирующих веществ, которые увеличивают количество свободных электронов. Так создаются полупроводники n-типа.

Полупроводники n-типа получают из кремния и германия путем добавления пятивалентных атомов – из пятнадцатой группы периодической таблицы. Чаще всего это фосфор и мышьяк, но могут быть также сурьма или висмут. Эти атомы используют четыре электрона для образования связей, делясь ими с четырьмя соседними атомами кремния, в то время как пятый, который не используется для связи, слабо связан и легко получает энергию от термически вибрирующих атомов кристаллической решетки, достаточную для того, чтобы стать свободным электроном. При комнатной температуре практически все “пятые” легирующие электроны являются свободными электронами, становясь так называемыми мажоритарными носителями.

Рис. 5. Примеси N-типа на примере германия

Обычно количество добавляемых атомов примеси составляет примерно 10¹⁵-10¹⁸ атомов на кубический сантиметр материнского материала.

Мы можем описать содержание примеси числом атомов примеси, введенных на единицу объема легированного материала, или числом атомов примеси на миллион родительских атомов.

Мы определим связь между этими величинами на примере германия.

Сформулируем задачу следующим образом:

Давайте введем около 10¹⁶ атомов фосфора в один кубический сантиметр германия. Давайте подсчитаем, сколько атомов фосфора приходится на миллион атомов германия.

Необходимые данные:

M = 72,6 г/моль – молярная масса германия,

d = 5,32 г/см³ – плотность германия,

N_A ≈ 6-10²³ моль^-1 – число Авогадро.

Рассчитаем количество молей n германия в кубическом сантиметре материала. Для этого нужно разделить массу единицы объема – то есть плотность d – на массу одного моля германия. Получаем:

n = d / M = 5.32 / 72.6 = 0.07 моль / см³

Мы рассчитываем количество атомов германия на единицу объема N путем умножения количества молей n на число Авогадро, то есть:

N = N_A * n = 6-10²³ * 0.07 = 4.2 * 10²² см^-3

Поэтому в одном кубическом сантиметре германия содержится приблизительно 4,2 * 10²² атомов.

Если добавить 10¹⁶ атомов примеси к одному кубическому сантиметру германия, который содержит около 4,2 – 10²² атомов, то на каждый атом примеси приходится около 4 миллионов атомов германия.

Таким образом, допированный германий, при количестве один атом допанта на каждые несколько миллионов родительских атомов, имеет удельное электрическое сопротивление примерно в 1000 раз ниже, чем у собственного германия. Электрическое сопротивление не уменьшается пропорционально количеству носителей тока, поскольку введенные легирующие добавки препятствуют движению носителей тока – подвижность носителей уменьшается по сравнению с собственным полупроводником.

В полупроводниковых соединениях атомов тринадцатой и пятнадцатой групп периодической таблицы проводимость n-типа достигается различными способами. Это может происходить путем легирования шестивалентными элементами. Например, арсенид галлия и фосфид галлия могут быть допированы теллуром или серой. Замена пятивалентного атома мышьяка на шестивалентный атом теллура или серы приводит к появлению лишнего электрона, как и замена пятивалентного фосфора на четырехвалентный кремний или германий.

Зонная теория проводимости объясняет эффекты, связанные с легированием n-типа, внедрением легирующими атомами энергетических уровней с энергиями немного ниже – порядка 10^-2 эВ – чем энергии электронов зоны проводимости. Электроны легирующих атомов на этих уровнях, называемые донорными электронами, легко получают эту небольшую энергию от колеблющихся атомов кристаллической решетки и переходят в диапазон энергий зоны проводимости. Например, фосфор вводит донорный уровень с энергией на 0,013 эВ в германии и на 0,045 эВ ниже в кремнии, чем энергия зоны проводимости. Энергия, необходимая для перехода валентных электронов в диапазон энергий зоны проводимости, должна быть примерно в 100 раз выше. В германии около 0,67 эВ, в кремнии 1,12 эВ.

Множество применений полупроводников

Большинство людей слышали о микрочипах, но что вы знаете о компонентах, которые делают их возможными? Здесь мы обсудим множество применений полупроводников.

Что такое полупроводниковый материал?

Полупроводник — это материал, обладающий свойствами проводимости между проводником, способным проводить электричество, и непроводником или изолятором, который не позволяет проходить через него электрическим зарядам.

Это означает, что при определенных условиях полупроводники могут действовать либо как проводник, либо как изолятор. Полупроводники могут быть чистыми элементами, такими как наиболее часто используемый кремний, или соединениями, такими как арсенид галлия.

Полупроводниковые устройства

Основное применение полупроводников заключается в создании полупроводниковых устройств, которые необходимы для множества электронных продуктов. Полупроводниковые устройства проводят электрический ток в твердом состоянии, а не в виде свободных электронов в вакууме, и почти во всех приложениях являются преемниками электронных ламп.

Одним из наиболее часто используемых полупроводниковых компонентов является диод, который действует как односторонний клапан в цепи, пропуская ток только в одном направлении. И наоборот, проводники позволяют току течь в обоих направлениях.

Полупроводники применяются также в конструкции транзисторов, которые используются как для быстрого переключения, так и для усиления тока.

МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) является наиболее распространенным полупроводниковым устройством в мире.

Полупроводники и микрочипы

Полупроводниковый кремний служит основным материалом для микрочипа, также известного как интегральная схема или монолитная интегральная схема, компонент, используемый почти во всех современных электронных устройствах.

При создании микросхем используется огромное количество крошечных МОП-транзисторов. Они состоят из набора электронных схем на маленьком плоском кусочке кремния с множеством транзисторов, которые могут включать и выключать ток.

Двумя основными типами микросхем являются логические микросхемы и микросхемы памяти. Логические чипы обрабатывают информацию, чтобы помочь электронным устройствам выполнять свои задачи. Одним из наиболее широко известных и часто используемых логических чипов является ЦП или центральный процессор.

Микросхемы памяти, с другой стороны, хранят информацию и бывают двух типов — флэш-память NAND и микросхемы «рабочей памяти», известные как DRAM.

Спрос на микрочипы настолько высок, что в настоящее время существует огромная проблема с поставками, вызывающая длительные сроки изготовления и проблемы с доступностью в электронной промышленности.

Применение полупроводников

Полупроводники используются почти во всех секторах электроники.

Бытовая электроника: Мобильные телефоны, ноутбуки, игровые приставки, микроволновые печи и холодильники работают с использованием полупроводниковых компонентов, таких как интегральные микросхемы, диоды и транзисторы. Высокий спрос на эти устройства является одной из причин того, что в настоящее время существует такое длительное время ожидания для многих бытовых электронных устройств.

Встроенные системы: Встроенные системы — это небольшие компьютеры, являющиеся частью более крупной машины. Они могут управлять устройством и разрешать взаимодействие с пользователем. Встроенные системы, которые мы обычно используем, включают системы центрального отопления, цифровые часы, системы GPS, фитнес-трекеры, телевизоры и системы управления двигателем в транспортных средствах.

Теплопроводность: Некоторые полупроводники обладают высокой теплопроводностью, поэтому их можно использовать в качестве хладагента в некоторых термоэлектрических устройствах.

Освещение и светодиодные дисплеи: Некоторые полупроводники, обычно доступные в жидкой или аморфной форме в виде тонкой пленки, могут излучать свет и используются в светодиодах и органических светодиодах.

Солнечные элементы: Кремний также является наиболее часто используемым полупроводником в производстве элементов солнечных панелей.

 На этом мы завершаем наше краткое руководство по применению полупроводников. Как видите, полупроводники являются неотъемлемой частью современного мира и играют важную роль в электронных устройствах, которые мы используем или с которыми соприкасаемся каждый день.

Что такое полупроводник и для чего он используется?

К

• Эндрю Золя

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это вещество, обладающее особыми электрическими свойствами, которые позволяют ему служить основой для компьютеров и других электронных устройств.

Обычно это твердый химический элемент или соединение, которое проводит электричество при определенных условиях, но не проводит электричество при других. Это делает его идеальной средой для управления электрическим током и повседневными электроприборами.

Вещество, которое может проводить электричество, называется проводником, а вещество, которое не может проводить электричество, называется изолятором. Полупроводники обладают свойствами, которые находятся между проводником и изолятором. Диод, интегральная схема (ИС) и транзистор сделаны из полупроводников.

Проводимость может варьироваться в зависимости от тока или напряжения, подаваемого на управляющий электрод, или от интенсивности облучения инфракрасным (ИК), видимым светом, ультрафиолетовым или рентгеновским излучением. Конкретные свойства полупроводника зависят от добавленных в него примесей, известных как примеси.

Как работают полупроводники?

Большинство полупроводников состоят из кристаллов, состоящих из нескольких материалов. Чтобы лучше понять, как работают полупроводники, пользователи должны понимать атомы и то, как электроны организуются внутри атома. Электроны располагаются в слоях, называемых оболочками внутри атома. Самая внешняя оболочка атома известна как валентная оболочка.

Электроны этой валентной оболочки образуют связи с соседними атомами. Такие связи называются ковалентными. Большинство проводников имеют только один электрон на валентной оболочке. Полупроводники, с другой стороны, обычно имеют четыре электрона в своей валентной оболочке.

Однако, если соседние атомы имеют одинаковую валентность, электроны могут связываться с валентными электронами других атомов. Всякий раз, когда это происходит, атомы организуются в кристаллические структуры. Мы делаем большинство полупроводников с такими кристаллами, в основном с кремниевыми кристаллами.

Интегральные схемы, такие как микросхемы, состоят из полупроводниковых материалов.

В чем разница между полупроводниками N-типа и P-типа?

Полупроводник N-типа проводит ток в основном в виде отрицательно заряженных электронов, подобно проводимости тока в проводе. Полупроводник P-типа переносит ток преимущественно в виде дефицита электронов, называемого дырками. Дырка имеет положительный электрический заряд, равный и противоположный заряду электрона. В полупроводниковом материале поток дырок происходит в направлении, противоположном потоку электронов.

Элементарные полупроводники включают сурьму, мышьяк, бор, углерод, германий, селен, кремний, серу и теллур. Кремний – наиболее известный из них, составляющий основу большинства интегральных схем.

Общие полупроводниковые соединения включают арсенид галлия, антимонид индия и оксиды большинства металлов. Мы также широко используем арсенид галлия (GaAs) в малошумящих устройствах с высоким коэффициентом усиления и слабого сигнала.

Полупроводниковое устройство может выполнять функцию оригинальной вакуумной лампы, но с объемом в сотни раз больше. Подобно микропроцессорному чипу, одна ИС может выполнять работу набора вакуумных ламп, которые заполнили бы большое здание и потребовали бы собственной электростанции.

Что такое полупроводниковый чип?

Между проводником и изолятором находится полупроводниковое вещество. Он контролирует и управляет потоком электрического тока в электронном оборудовании и устройствах. В результате это популярный компонент электронных микросхем, предназначенных для вычислительных компонентов и различных электронных устройств, включая твердотельные накопители.

Что такое радиочастотный полупроводник?

Радиочастотный (РЧ) полупроводник — это устройство, используемое для включения или выпрямления питания в электронных устройствах. Радиочастотные полупроводники работают в диапазоне радиочастот от 3 кГц до 300 ГГц.

К твердотельным относятся электронные компоненты, устройства и системы, полностью основанные на полупроводниковых материалах.

Что такое полупроводниковый оптический усилитель?

Полупроводниковый оптический усилитель (SOA) — это элемент, содержащийся в полупроводниках, который усиливает свет. Пользователи могут найти SOA в модулях оптических приемопередатчиков, используемых для обеспечения связи между центрами обработки данных.

В этом сценарии SOA усиливает оптический сигнал, используемый для связи Ethernet. Такой подход помогает компенсировать потери при передаче.

В чем разница между собственным и внешним полупроводником?

Основное различие между собственными и внешними полупроводниками заключается в их форме. Например, собственные полупроводники имеют чистую форму и состоят только из одного вида материала. К ним не добавляются какие-либо примеси.

Напротив, внешние полупроводники нечисты. Внешние полупроводники состоят из нескольких собственных полупроводников с добавлением других веществ для изменения их свойств. Эти вещества обычно являются легирующими трехвалентными или пятивалентными примесями.

Что такое сказочный полупроводник?

Термин «басня» — не путать с полупроводниковой фабрикой — описывает компании, которые разрабатывают, производят и продают аппаратное обеспечение и полупроводниковые микросхемы, но не производят свои собственные кремниевые пластины или микросхемы. Вместо этого они передают производство литейному цеху или другому производственному предприятию.

Двумя распространенными типами твердотельной памяти (построенной на полупроводниковых материалах) являются флэш-память NOR и NAND, как показано в видео выше.

См. также биполярный транзистор и полевой транзистор . Ознакомьтесь с этим руководством по архитектуре, типам и продуктам флэш-памяти .

Последнее обновление: ноябрь 2021 г.

Продолжить чтение о полупроводниках

• Новые процессоры Intel Ice Lake повышают производительность и безопасность

• Поставки ПК в США растут, несмотря на нехватку чипов

• Нехватка микросхем приводит к росту цен на ПК и времени ожидания

• ЦП и микропроцессор: в чем разница?

• 4 тенденции, стимулирующие эволюцию сетевого оборудования

словарь данных

Словарь данных — это набор описаний объектов данных или элементов модели данных, на которые могут ссылаться программисты и другие лица.

Сеть

• доступность сети

  Доступность сети — это время безотказной работы сетевой системы в течение определенного интервала времени.

• NFV MANO (управление и оркестрация виртуализации сетевых функций)

  NFV MANO (управление виртуализацией и оркестровкой сетевых функций), также называемый MANO, представляет собой архитектурную основу для …

• Сетевой коммутатор

  Сетевой коммутатор соединяет устройства в сети друг с другом, позволяя им общаться путем обмена пакетами данных.

Безопасность

• GPS-глушение

  Подавление сигналов GPS — это использование устройства, передающего частоту, для блокирования или создания помех радиосвязи.

• контрольная сумма

  Контрольная сумма — это значение, представляющее количество битов в передаваемом сообщении, которое используется ИТ-специалистами для обнаружения…

• информация о безопасности и управление событиями (SIEM)

  Управление информацией о безопасности и событиями (SIEM) — это подход к управлению безопасностью, который объединяет информацию о безопасности . ..

ИТ-директор

• доказательство концепции (POC)

  Доказательство концепции (POC) — это упражнение, в котором работа сосредоточена на определении того, можно ли превратить идею в реальность.

• зеленые ИТ (зеленые информационные технологии)

  Green IT (зеленые информационные технологии) — это практика создания и использования экологически устойчивых вычислений.

• ориентир

  Контрольный показатель — это стандарт или точка отсчета, которые люди могут использовать для измерения чего-либо еще.

HRSoftware

• самообслуживание сотрудников (ESS)

  Самообслуживание сотрудников (ESS) — это широко используемая технология управления персоналом, которая позволяет сотрудникам выполнять множество связанных с работой …

• платформа обучения (LXP)

  Платформа обучения (LXP) — это управляемая искусственным интеллектом платформа взаимного обучения, предоставляемая с использованием программного обеспечения как услуги (.