Если говорить об электропроводности в единицах Ом -1 см -1 , то полупроводниковые материалы – это материалы с удельной электропроводностью от Ом -1 см -1 до 10 2 Ом -1 см -1 . Теперь давайте поговорим о важной категории материалов для нашего обсуждения, то есть о полупроводниках. При комнатной температуре полупроводники представляют собой материалы с более низкой электропроводностью, чем проводники, но с более высокой электропроводностью, чем изоляторы. В больших полях свободный электрон получает энергию, которой хватает для ионизации атома решетки или атома примеси, что увеличивает концентрацию электронов проводимости. Где $I$ — сила тока, $sigma $ — коэффициент проводимости, $E$ — напряжённость электрического поля. Прибор, основывающийся на изменении сопротивления полупроводников под воздействием освещенности, называют фотосопротивлением.
Их главными преимуществами являются низкая стоимость, возможность производства на гибких и прозрачных подложках, а также потенциальная экологическая совместимость. Однако, органические полупроводники обладают низкой термической стабильностью и устойчивостью к воздействию окружающей среды, что ограничивает их применение в некоторых областях электроники. Полупроводники являются основой современной электроники, так как они позволяют создавать компактные и эффективные устройства.
Более яркие области соответствуют более высокой вероятности нахождения электрона. Поскольку интегральные схемы тонкие и хрупкие, их часто помещают в корпус из пластика или металла, который затем соединяется с печатной платой с помощью металлических проводов. Такую форму “корпусирования” применяют в поверхностно-монтируемых компонентах для производителей (SMT), а также для потребительских компьютерных чипов, таких как процессоры компаний Intel и AMD. Однако в суперкомпьютерах используют процессоры, сделанные из целой пластины, для обеспечения огромной пропускной способности при очень низкой задержке.
Проводимость металлических элементов так же, как и электронных полупроводников зависит от концентрации токовых энергоносителей. В полупроводниковых элементах содержание электронных частиц, находящихся в независимом положении, в 1000 раз ниже, чем в железе. Интегральные схемы (IC) представляют собой комплекс полупроводниковых компонентов, таких как транзисторы, диоды и резисторы, объединенных на одном кристалле полупроводника. Они выполняют арифметические, логические и управляющие операции на основе входных данных и программного обеспечения. Микропроцессоры состоят из миллионов или даже миллиардов транзисторов, интегрированных на одном кристалле полупроводника.
Полупроводники характеризуются свойствами как проводников, так и диэлектриков. Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,04⋅10−19 Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей, чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников.
Дефицит полупроводников
Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением одинакового количества электронов и дырок, которые образуются в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном полупроводнике количество электронов и «дырок» одинаково. Ток создаётся равным движением «дырок» и отрицательно заряженных электронов.
Кремний, благодаря своим оптическим свойствам активно используется для производства солнечных батарей и фотодиодов, но быть источником света не может. Миллиардер Илон Маск сравнил дефицит микрочипов, с которым столкнулся мир в 2021 году, с нехваткой туалетной бумаги, которую пережили многие страны в начале пандемии коронавируса. Несмотря на столь несерьёзную аналогию, проблема с поставками полупроводников, по признанию миллиардера, стала «самым большим вызовом для Tesla». В связи с тем, что технологи могут получать очень чистые вещества, встаёт вопрос о новом эталоне для числа Авогадро.
Затем, чтобы полупроводниковый материал начал проявлять свои способности, пластины очищают жидкостным или газовым травлением и наращивают слой полупроводника. Следующий этап заключается в фотолитографии рельефа на пластине и добавлении примесей. Дорожки создают из тончайшего металла путём вакуумного напыления. Широкий спектр полупроводников берется для создания электронной связи. В полупроводниках с валентными связями атомы образуют кристаллы в виде большой молекулы.
Полупроводники – что это? Какие бывают, как работают
Вот такие типы полупроводников существуют и используются на данный момент. Полупроводники же содержат и определённое количество свободных электронов, и пропуски с позитивным зарядом, которые готовы принять освободившиеся частицы. If you cherished this posting and you would like to get a lot more facts pertaining to https://ebvnews.ru/ kindly go to the internet site. Рассмотренный ранее тип NPN-транзистора – не единый возможный полупроводниковый элемент.
Влияют и сторонние факторы – например, под воздействием света его сопротивление падает, повышается электропроводность. Даже при добавлении в состав небольшого количества примеси электропроводимость полупроводника меняется. Поскольку кремний способен формировать четыре соединения, лишний пятый электрон фосфора действует как отрицательный заряд, поэтому полупроводники такого типа еще называют отрицательными. Движение электронов в кристаллических структурах (металлах, полупроводниках, диэлектриках) описывается с помощью квантовой теории твёрдых сред. Этот спектр состоит из отдельных разрешённых энергетических зон, разделённых зонами запрещённых энергий.
Их проводимость сильно зависит от температуры, различных видов излучения и концентрации примесей. На немецком языке этот термин произносится как halbleiter, а на английском — semicoductor. Ключевое отличие полупроводников от металлов заключается в том, что повышение температуры вызывает увеличение их электропроводности. Ещё одним уникальным свойством является высокая чувствительность к воздействию внешнего излучения. Современная электронная промышленность (от простейших диодов и транзисторов до тиражирования больших интегральных схем) полностью базируется на структурах, использующих электрофизические свойства полупроводников. Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой зоны от периода, а именно — с увеличением периода ширина запрещённой зоны уменьшается.
Примеси и дефекты в полупроводниках
В 1950 году Шокли получил патент на оригинальный транзистор, а Браттейн и Бардин — на его трехэлектродную версию. В 1956 году все трое были награждены Нобелевской премией по физике. Бардин стал единственным человеком, получившим эту премию дважды — в 1972 году он вместе с двумя другими физиками был награжден ей за разработку теории сверхпроводимости. Они начали изучать потенциал p-n перехода полупроводников еще в середине 1930-х. Однако из-за Второй Мировой войны почти всем передовым американским физикам пришлось пойти работать на армейские проекты, где разрабатывали радары и ядерное оружие. Исследования остановились на несколько лет, и возобновились после разгрома стран Оси.
- Данная статья познакомит вас с историей возникновения полупроводников, описанием материалов для их получения, принципом их работы и многообразием.
- При этом движение электронов создает электронную проводимость, а движение дырок – дырочную проводимость.
- Некоторые аморфные полупроводники могут изменять свои электронные свойства под воздействием легирования.
- В свою очередь каждый из этих электронов образует связи со смежными электронами.
- Все без исключения полупроводники чувствительны к воздействиям извне – ядерному облучению, свету, электромагнитным полям, давлению и т.
- При небольших температурах, близких к абсолютному нулю, в описанном выше идеальном кристалле, который состоит из одинаковых атомов, ист дефектов кристаллической решетки, свободные носители заряда отсутствуют.
- Помимо элементарных полупроводников, существует множество полупроводниковых соединений, которые имеют различные свойства и применения.
- Полупроводники такого типа принимают электроны, а значит создают больше вакантных мест для проводимости.
- Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон ядра связан с двумя рядом стоящими атомами.
Особый тип светоизлучающего диода – лазерный – применяется в оптоволоконных линиях связи в качестве управляемого источника световых импульсов, а также в устройствах чтения и записи компакт-дисков. ПП-свойства этого элемента, так же как и карбида кремния, открыли в начале XX века. Именно многократно большая светимость кристалла карбида кремния поставила крест на развитии оптических приборов на основе «несовершенного» нитрида галлия. Но в конце века учёные вновь обратили на него внимание, и на его основе удалось разработать довольно много ПП-компонентов, преимущественно мощных и высокочастотных полевых транзисторов. Современные технологии легирования позволили нитриду галлия стать недорогим и эффективным материалом для производства синих и УФ-светодиодов. Он имеет отличную теплопроводность, превышающую аналогичную характеристику кремния в несколько раз, высокую максимальную рабочую температуру (порядка 600 градусов по Цельсию), а также высокую электрическую прочность.
Несовершенство технологий того времени, изобретение и бурное развитие ламповой электроники на несколько десятилетий поставили крест на подобном виде техники. Даже сама научная деятельность в этом направлении считалась неприемлемой. Полупроводниками называют материалы (химические элементы или соединения), которые нельзя однозначно отнести к диэлектрикам. То есть к веществам, не проводящим (ну или почти) электрический ток, так и к металлам, через которые он достаточно хорошо проходит, а при некоторых условиях вообще не оказывающим сопротивления его протеканию. В целом, полупроводниковая технология продолжит развиваться и вносить свой вклад в создание новых и инновационных решений, которые способствуют прогрессу науки, техники и общества. Большой потенциал полупроводниковых материалов и их применение в разнообразных областях обеспечивает возможности для дальнейшего исследования и разработки, которые будут определять наше технологическое будущее…
В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.
- Такую проводимость можно создать, если ввести в кристалл четырехвалентного полупроводника пяти- или трехвалентные атомы.
- Эти свойства эффективно применяются в производстве электронных приборов.
- Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ).
- Для полупроводников, которые зачастую применяются в электронике (кремний, германий, арсенид галлия) она лежит в инфракрасной области спектра.
- Этот показатель зависит от массы свободных носителей (электронов).
- Тем самым он становится переносчиком отрицательного заряда и превращается в электрон проводимости.
- Чтобы повысить их способность проводить электричество, используется процесс легирования, то есть введения в полупроводниковую структуру небольшого количества других химических элементов.
- Это делает прохождение электронов, которые не принадлежат к кристаллической сети через эту дырку с носителем положительного заряда.
- Так как в полупроводниках с примесями один из носителей зарядов преобладает над другим, то те носители, которых большинство, называются основными, а те, которых меньшинство – неосновными.
- Количество и тип этих связей влияют на свойства получаемого материала — проводимость электричества и так далее.
- Проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов и дырок.
Отсутствие электрона провоцирует соседние электроны заполнить эту вакансию. Если подключить электрическое поле, электроны в валентной зоне начнут двигаться против его направления. Это приведёт к тому, что “дырки” будут перемещаться в сторону поля и создадут ток.
