Полупроводниковые материалы свойства: Полупроводники. Физические и химические свойства вещества.

Полупроводники. Физические и химические свойства вещества.

Разнообразие электронной техники пополняется изо дня в день, чем и упрощает жизнь людей. Во всех этих приборах, да и вообще в электротехнике в целом применяются различные материалы — проводники, диэлектрики, полупроводники и т.п. Сегодня поговорим о полупроводниках, наука о которых, появилась совсем недавно и сейчас во всем мире исследуются их свойства.

Полупроводники широко и многообразно применяются в современной технике. К ним относится много веществ:

• кристаллы германия, кремния, селена, углерода
• разнообразные сплавы и окислы
• есть полупроводники стекловид­ные и даже жидкие

Электрические свойства веществ определяются количеством электронов на внешней валентной орбите. Чем меньше электронов находится на этой орбите, тем слабее они связаны с ядром, тем легче могут отправиться путешествовать. Под воздействием температурных колебаний электроны отрываются от атома и перемещаются в межатомном пространстве. Такие электроны называют свободными, именно они и создают в проводниках электрический ток.

   Полупроводники, строение атома

Структура твердых тел и жидкостей кажется непрерывной и плотной, напоминающей по структуре клубок ниток. Но на самом деле даже твердые тела больше похожи на рыболовную или волейбольную сеть. На бытовом уровне этого конечно не разглядеть, но точными научными исследованиями установлено, что расстояния между электронами и ядром атомов намного превышают их собственные размеры.

Если размер ядра атома представить в виде шара размером с футбольный мяч, то электроны в такой модели будут размером с горошину, а каждая такая горошина расположена от «ядра» на расстоянии в несколько сотен и даже тысяч метров. А между ядром и электроном пустота – просто ничего нет! Если в таком же масштабе представить расстояния между атомами вещества, размеры получатся вообще фантастические, — десятки и сотни километров!

Хорошими проводниками электричества являются металлы. Например, атомы золота и серебра имеют на внешней орбите всего по одному электрону, поэтому именно они являются наилучшими проводниками. Железо тоже электричество проводит, но несколько хуже.

Еще хуже проводят электричество сплавы с высоким сопротивлением. Это нихром, манганин, константан, фехраль и другие. Такое многообразие высокоомных сплавов связано с тем, что они предназначены для решения различных задач: нагревательные элементы, тензодатчики, образцовые резисторы для измерительных приборов и многое другое.

   Диэлектрики, полупроводники, проводники. В чём отличие?

Для того, чтобы оценить способность материала проводить электричество было введено понятие «удельная электропроводность». Обратное значение – удельное сопротивление. В механике этим понятиям соответствует удельный вес.

Изоляторы, в отличие от проводников, не склонны терять электроны. В них связь электрона с ядром очень прочная, и свободных электронов почти нет. Точнее есть, но очень мало. При этом в некоторых изоляторах их больше, а качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и бумагу. Поэтому изоляторы условно можно разделить на хорошие и плохие.

Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры изоляционные свойства ухудшаются, некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра.

И лишь при температуре абсолютного нуля (-273,2C°) тепловые колебания полностью прекращаются, а самый плохой изолятор становится достаточно хорошим. Для того, чтобы определить численно «это» плохой – хороший пользуются понятием удельного сопротивления. Это сопротивление в Омах кубика с длиной ребра в 1 см, размерность удельного сопротивления при этом получается в Ом/см. Удельное сопротивление некоторых веществ показано ниже. Проводимость это величина обратная удельному сопротивлению, — единица измерения Сименс, — 1См = 1 / Ом.

Хорошую проводимость или малое удельное сопротивление имеют: серебро 1,5*10^(-6), читать, как (полтора на десять в степени минус шесть), медь 1,78*10^(-6), алюминий 2,8*10^(-6).(-4). Эти сплавы можно назвать плохими проводниками. После всех этих сложных цифр следует подставить Ом/см.

Далее в отдельную группу можно выделить полупроводники: германий 60 Ом/см, кремний 5000 Ом/см, селен 100 000 Ом/см. Удельное сопротивление этой группы больше, чем у плохих проводников, но меньше, чем у плохих изоляторов, не говоря уже о хороших. Наверное, с тем же успехом полупроводники можно было назвать полуизоляторами.

После такого короткого знакомства со строением и свойствами атома следует рассмотреть, как атомы взаимодействуют между собой, как из них получаются молекулы, из которых состоят различные вещества. Для этого снова придется вспомнить об электронах на внешней орбите атома. Ведь именно они участвуют в связи атомов в молекулы и определяют физические и химические свойства вещества.

Как из атомов получаются молекулы

Любой атом находится в стабильном состоянии, если на его внешней орбите находится 8 электронов. Он не стремится забрать электроны у соседних атомов, но не отдает и свои. Чтобы убедиться в справедливости этого достаточно в таблице Менделеева посмотреть на инертные газы: неон, аргон, криптон, ксенон. Каждый из них на внешней орбите имеет 8 электронов, чем и объясняется нежелание этих газов вступать в какие – либо отношения (химические реакции) с другими атомами, строить молекулы химических веществ.

Совсем по-другому обстоит дело у тех атомов, у которых на внешней орбите нет заветных 8 электронов. Такие атомы предпочитают объединиться с другими, чтобы за счет них дополнить свою внешнюю орбиту до 8 электронов и обрести спокойное стабильное состояние.

Вот, например, всем известная молекула воды h3O. Она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, как показано на рис. 1.

   Как создается молекула воды (рис. 1)

В верхней части рисунка показаны отдельно два атома водорода и один атом кислорода. На внешней орбите кислорода находятся 6 электронов и тут же поблизости два электрона у двух атомов водорода. Кислороду до заветного числа 8 не хватает как раз двух электронов на внешней орбите, которые он и получит, присоединив к себе два атома водорода.

Каждому атому водорода для полного счастья не хватает 7 электронов на внешней орбите. Первый атом водорода получает на свою внешнюю орбиту 6 электронов от кислорода и еще один электрон от своего близнеца – второго атома водорода. На его внешней орбите вместе со своим электроном теперь 8 электронов. Второй атом водорода тоже комплектует свою внешнюю орбиту до заветного числа 8. Этот процесс показан в нижней части рис. 1.

На рис. 2 показан процесс соединения атомов натрия и хлора. В результате чего получается хлористый натрий, который продается в магазинах под названием поваренная соль.

   Процесс соединения атомов натрия и хлора (рис. 2)

Здесь тоже каждый из участников получает от другого недостающее количество электронов: хлор к своим собственным семи электронам присоединяет единственный электрон натрия, в то время, как свои отдает в распоряжение атома натрия. У обоих атомов на внешней орбите по 8 электронов, чем достигнуто полное согласие и благополучие.

Валентность атомов

Атомы, у которых на внешней орбите содержится 6 или 7 электронов, стремятся присоединить к себе 1 или 2 электрона. Про такие атомы говорят, что они одно или двухвалентны. А вот если на внешней орбите атома 1, 2 или 3 электрона, то такой атом стремится их отдать. В этом случае атом считается одно, двух или трехвалентным.

Если на внешней орбите атома содержится 4 электрона, то такой атом предпочитает объединиться с таким же, у которого тоже 4 электрона. Именно так объединяются атомы германия и кремния, использующиеся в производстве транзисторов. В этом случае атомы называются четырехвалентными. (Атомы германия или кремния могут объединяться и с другими элементами, например, кислородом или водородом, но эти соединения в плане нашего рассказа неинтересны.)

   Атом германия (кремния) (рис. 3)

На рис. 3 показан атом германия или кремния, желающий объединиться с таким же атомом. Маленькие черные кружочки — это собственные электроны атома, а светлые кружки обозначают места, куда попадут электроны четырех атомов – соседей. 

Кристаллическая структура полупроводников

Атомы германия и кремния в периодической таблице находятся в одной группе с углеродом (химическая формула алмаза C,- это просто большие кристаллы углерода, полученные при определенных условиях), и поэтому при объединении образуют алмазоподобную кристаллическую структуру. Образование подобной структуры показано, в упрощенном, конечно, виде на рис. 4.

   Кристаллическая структура полупроводников (рис. 4)

В центре куба находится атом германия, а по углам расположены еще 4 атома. Атом, изображенный в центре куба, своими валентными электронами связан с ближайшими соседями. В свою очередь угловые атомы отдают свои валентные электроны атому, расположенному в центре куба и соседям, – атомам на рисунке не показанным. Таким образом, внешние орбиты дополняются до восьми электронов. Конечно, никакого куба в кристаллической решетке нет, просто он показан на рисунке, чтобы было понятно взаимное, объемное расположение атомов.

Но для того, чтобы максимально упростить рассказ о полупроводниках, кристаллическую решетку можно изобразить в виде плоского схематического рисунка, несмотря на то, что межатомные связи все-таки расположены в пространстве. Такая схема показана на рис. 5.

   Кристаллическая решетка германия в плоском виде (рис. 5)

В таком кристалле все электроны крепко привязаны к атомам своими валентными связями, поэтому свободных электронов здесь, видимо, просто нет.18 (шесть миллиардов миллиардов) электронов в секунду. На этом фоне две тысячи миллиардов свободных электронов, да еще разбросанных по огромному кристаллу, вряд ли могут обеспечить прохождение больших токов. Хотя, благодаря тепловому движению, небольшая проводимость у германия существует. Это так называемая собственная проводимость.

Электронная и дырочная проводимость

При повышении температуры электронам сообщается дополнительная энергия, их тепловые колебания становятся более энергичными, в результате чего некоторым электронам удается оторваться от своих атомов. Эти электроны становятся свободными и при отсутствии внешнего электрического поля совершают хаотические движения, перемещаются в свободном пространстве.

Атомы, потерявшие электроны, беспорядочных движений совершать не могут, а только слегка колеблются относительно своего нормального положения в кристаллической решетке. Такие атомы, потерявшие электроны, называется положительными ионами. Можно считать, что на месте электронов, вырванных из своих атомов, получаются свободные места, которые принято называть дырками.

В целом количество электронов и дырок одинаково, поэтому дырка может захватить электрон, оказавшийся поблизости. В результате атом из положительного иона вновь становится нейтральным. Процесс соединения электронов с дырками называется рекомбинацией.

С такой же частотой происходит и отрыв электронов от атомов, поэтому в среднем количество электронов и дырок для конкретного полупроводника равно, является величиной постоянной и зависимой от внешних условий, прежде всего температуры.

Если к кристаллу полупроводника приложить напряжение, то движение электронов станет упорядоченным, через кристалл потечет ток, обусловленный его электронной и дырочной проводимостью. Эта проводимость называется собственной, о ней уже было упомянуто чуть выше.

   P-n переход

Но полупроводники в чистом виде, обладающие электронной и дырочной проводимостью, для изготовления диодов, транзисторов и прочих деталей непригодны, поскольку основой этих приборов является p-n (читается «пэ-эн») переход.

Чтобы получить такой переход, необходимы полупроводники двух видов, двух типов проводимости (p — positive — положительный, дырочный) и (n — negative — отрицательный, электронный). Такие типы полупроводников получаются путем легирования, добавления примесей в чистые кристаллы германия или кремния.

Хотя количество примесей очень мало, их присутствие в немалой степени изменяет свойства полупроводника, позволяет получить полупроводники разной проводимости. Об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Видео

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Список полупроводниковых материалов — List of semiconductor materials

Сложные полупроводники — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

К двойным полупроводниковым фазам относятся двойные полупроводниковые соединения и твердые растворы на их основе. Химические связи в этих фазах смешанные с преобладанием ковалентной, иногда это ковалентно-ионно-металлические связи, реже — ковалентно-ионные. Двойные алмазоподобные полупроводниковые фазы возникают при образовании sp³-гибридных химических связей и для них характерно тетраэдрическое расположение атомов в первой координационной сфере. К двойным алмазоподобным фазам относятся многие соединения классов A^IIIB^V, A^IIB^VI, A^IB^VII, A^III2B^VI3, твердые растворы на основе этих соединений, а также карбид кремния, который является единственным бинарным соединением, образованным полупроводниковыми элементами IV группы. Широкое применение в полупроводниковом приборостроении имеют двойные полупроводниковые соединения A^IIIB^V, A^IIB^VI, A^IVB^VI.Являются ближайшими электронными аналогами кремния и германия, относятся к алмазоподобным полупроводникам. Образуются в результате взаимодействия элементов IIIА подгруппы Периодической системы (бора, алюминия, галлия, индия) с элементами VА подгруппы (азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой). Висмут и таллий не образуют соединений рассматриваемого ряда. За счет частичного перераспределения электронов атомы A^III и B^V в такой структуре оказываются разноименно заряженными. Поэтому связи в кристаллах A^IIIB^V не полностью ковалентные, а частично ионные. Соединения A^IIIB^V принято классифицировать по металлоидному ряду: нитриды, фосфиды, арсениды, антимониды. Фосфиды, арсениды и антимониды имеют кристаллическую кубическую решетку типа сфалерита. Для нитридов характерна гексагональная решетка типа вюрцита. В решетке того и другого типов каждый атом элемента III группы находится в тетраэдрическом окружении четырех атомов элемента V группы и наоборот. Структура сфалерита не имеет центра симметрии.

В кристаллах A^IIIB^Vреализуется донорно-акцепторная связь. Из четырех ковалентных связей, которыми каждый атом встраивается в решетку, три образуются обобществлением валентный электронов атомов A^III и B^V, а четвертая связь осуществляется неподеленной парой валентных электронов атомов B^V.

За исключение антимонидов все соединения разлагаются при нагревании. Температура плавления соединений лежит выше температуры плавления образующих его компонентов (исключение — антимонид индия).

Полупроводниковые соединения образуют гомологический ряд, в котором наблюдается закономерное изменение многих свойств при изменении атомных номеров компонентов. Внутри каждой группы соединений аналогов (фосфидов, арсенидов и антимонидов) наблюдается уменьшение температуры плавления, твердости и ширины запрещенной зоны с ростом суммарного атомного номера и атомных масс входящих в соединение элементов и возрастание подвижности носителей заряда, особенно электронов. Подвижность носителей заряда в полупроводниках A^IIIB^V определяется в основном рассеянием электронов и дырок на оптических тепловых колебаниях решетки.

Основным методом промышленного получения монокристаллов соединений A^IIIB^V является метод Чохральского, для разлагающихся соединений в варианте с жидкостной герметизацией расплава (см. методы выращивания кристаллов). Используются также методы направленной кристаллизации. Легирование кристаллов с целью получения необходимых электрофизических свойств осуществляется в процессе выращивания.

Соединения A^IIIB^Vиспользуются в производстве полупроводниковых приборов различного назначения: СВЧ-интегральные схемы, светодиоды, фоторезисторы, лазеры, приемники ИК-излучения, туннельные диоды и др.

На основе соединений A^IIIB^V образуются твердые растворы замещения. При изменении состава твердого раствора можно управлять шириной запрещенной зоны соединений. Изменение ширины запрещенной зоны сопровождается соответствующим смещением спектров оптического поглощения и пропускания, люминесценции и фоточувствительности. С изменением состава твердого раствора изменяются значения диэлектрической проницаемости и показателя преломления в ряде систем при определенных соотношениях между компонентами можно получить качественно новое сочетание свойств. Например, в твердых растворах GaAs_1-yP_y и Al_xGa_1-xAs сочетаются достаточно широкая запрещенная зона и высокий квантовый выход межзонной излучательной рекомбинации. На основе тройных и четверных твердых растворов соединений A^IIIB^Vсоздаются гетеропереходы и приборы на их основе.К соединениям A^IIB^VI относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них выделяют сульфиды, селениды и теллуриды. Оксиды указанных металлов в эту группу полупроводниковых соединений не входят (см. Оксидные полупроводники). Соединения A^IIB^VIявляются алмазоподобными полупроводниками и кристаллизуются в структуре сфалерита или вюрцита. CdS, CdSe, CdTe, ZnS могут существовать как в кубической структуре сфалерита, так и в гексагональной структуре вюрцита.Химическая связь носит смешанный ковалентно-ионный характер. Ионная составляющая связи в этих соединениях достигает 45-70%. Большая доля ионной составляющей связи в соединениях A^IIB^VI по сравнению с полупроводниками A^IIIB^V обусловлена большими различиями в электроотрицательности элементов, образующих соединение. Это приводит к большим значениям ширины запрещенной зоны и более низким значениям подвижности носителей заряда в рядах изоэлектронных аналогов. С ростом средней атомной массы во всех трех гомологичных рядах закономерно уменьшается ширина запрещенной зоны и температура плавления соединений. В ряду халькогенидов сульфиды — селениды — теллуриды уменьшается температура плавления, ширина запрещенной зоны, удельное сопротивление, подвижность носителей заряда возрастает.Один из основных механизмов образования фаз переменного состава на основе этих соединений (особенно в случае соединений с большой шириной запрещенной зоны) состоит в том, что избыточные атомы компонентов располагаются в узлах своей подрешетки, а в другой подрешетке возникают вакансии, образуются растворы вычитания (см. твердые растворы). Удельное сопротивление и тип проводимости в этих соединениях определяются не столько легирующими примесями, сколько характерными для них структурными дефектами, связанными с отклонением их состава от стехиометрического. Избыток металлической составляющей обуславливает электронную проводимость, избыток халькогенов — дырочную.

Большинство соединений A^IIB^VI относится к технологически трудным материалам. Высокие температуры плавления и большие значения упругости пара составляющих компонентов затрудняют получение совершенных монокристаллов. Поликристаллические халькогениды обычно получают путем их осаждения из растворов (ZnS, CdS, CdSe) или сплавлением исходных компонентов (ZnSe, ZnTe, CdTe), монокристаллические — направленной кристаллизацией, сплавлением компонентов или выращиванием из расплава или с помощью химических реакций в газовой фазе.

Халькогениды обладают высокой чувствительностью к излучению в области от инфракрасной до рентгеновской. У них достаточно сильно проявляются фоторезистивные и люминесцентные свойства, некоторые их них обладают пьезоэлектрическим эффектом.

Монокристаллы ZnS и спеченные поликристаллические блоки обладают высокой прозрачностью в области ИК-спектра, и используются в качестве входных окон и линз в оптико-электронных устройствах. Наличие пьезоэлектрического эффекта у пленок ZnS позволило применять их в некоторых акустических устройствах. Сульфид цинка (ZnS) и сульфид цинка-кадмия Zn_XCd_1-XS используются для изготовления квантоскопов голубого и синего цвета излучения, квантоскопов и приемников УФ-излучения.

Селенид цинка ZnSe проявляет фоторезистивные, фото- и электролюминесцентные свойства, имеет высокую прозрачность в ИК-области. Оптическую керамику на основе ZnSe применяют для изготовления входных окон и линз в оптико-электронных устройствах. Теллурид цинка ZnTe обладает электролюминесцентными и фоторезистивными свойствами.

Наилучшие солнечные элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. p-i-n-структуры с гетеропереходом CdTe/ZnTe обладают высокой подвижностью носителей заряда, а солнечные элементы на их основе — высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

Теллурид кадмия (CdTe) и теллурид цинка-кадмия (CdZnTe) используются для изготовления электрооптических модуляторов, приемников радиационного и ИК-излучения и других оптических элементов ИК-оптических систем. Селенид кадмия, сульфид и сульфоселенид кадмия используются для изготовления преобразователей длин волн лазерного излучения, квантоскопов красного, оранжевого, желтого и зеленого цвета излучения.

Соединения этого класса кристаллизуются либо в кубической структуре типа NaCl (PbS, PbSe, PbTe, SnTe, высокотемпературная модификация GeTe), либо в орторомбической структуре, которую можно рассматривать как деформированную решетку типа NaCl (GeS, GeSe, низкотемпературная модификация GeTe, SnS, SnSe). Связи между атомами в соединениях этого типа смешанные ионно-ковалентные.

Основное применение в полупроводниковом приборостроении имеют кристаллы халькогенидов свинца PbS, PbSe, PbTe. Это узкозонные полупроводники, ширина запрещенной зоны составляет, соответственно для PbS, PbSe, PbTe — 0, 39, 0, 27 и 0, 32 эВ. Электрофизические свойства халькогенидов свинца сильно зависят от степени отклонения от стехиометрии: при избытке атомов свинца кристаллы имеют n-тип проводимости, при избытке халькогена — р-тип проводимости. Атомы элементов I группы (Na, Cu, Ag), замещают свинец и являются акцепторами, атомы трехвалентных металлов, заменяя свинец, являются донорами, донорами в этих материалах являются атомы галогенов.

Энергетические уровни большинства примесей в халькогенидах свинца сливаются с краем соответствующей зоны, поэтому концентрация носителей заряда в них практически не зависит от температуры, вплоть до наступления собственной электропроводности.

Тонкие пленки и поликристаллические слои халькогенидов свинца обладают высокой фоточувствительностью в далекой ИК-области спектра. Благодаря хорошим фотоэлектрическим свойствам халькогениды свинца используются для изготовления фоторезисторов и применяются в качестве детекторов ИК-излучения. Тонкопленочные детекторы на основе сульфида свинца работают в спектральном интервале 0, 6-3 мкм и интервале температур 77-350 К в зависимости от предъявляемых требований и особенностей их применения. В список наиболее распространенных областей применения ИК-фотоприемников на основе сульфида свинца (PbS) входят звездные, спектрографические датчики, медицинские, исследовательские инструменты, сортирующие, счетные, контролирующие приборы, регистраторы пламени, системы определения положения тепловых источников, управление ракетами, следящие системы, исследования в области летательных аппаратов, измерение мощности в лазерных системах.

При низких температурах в халькогенидах свинца возможна эффективная излучательная рекомбинация, что позволяет создавать на их основе лазеры инжекционного типа. Халькогениды свинца широко используются в инфракрасной оптоэлектронике, в основном для изготовления лазеров и светодиодов, работающих в среднем и дальнем ИК-диапазонах. Кроме этого, халькогениды свинца обладают благоприятным сочетанием свойств для изготовления термоэлектрических генераторов. Твердые растворы на основе халькогенида свинца используются для изготовления фотоприемников с высокой спектральной чувствительностью в диапазоне 8-14 мкм. Халькогениды свинца относятся к числу хорошо известных перспективных термоэлектрических материалов, работающих в области средних температур (600 — 900 К). В последние годы интерес к этим материалам возрос в связи с возможностью значительного увеличения термоэлектрической добротности в тонкопленочных структурах на основе халькогенидов свинца.

Химические связи в тройных полупроводниковых соединениях, так же как и в двойных, носят смешанный коваленто-ионный или ковалентно-ионно-металлический характер. Специфика связей обусловлена наличием атомов трех сортов. Тройные полупроводниковые соединения могут быть разделены на одноанионные (двухкатионные) и двуханионные (однокатионные). Примером одноанионных соединений могут служить соединения типа A^IIB^IVC^V2, A^IB^IV2C^V3 .двуханионных — A^II2B^VC^VII, A^III2B^IVC^IV.

Тройные полупроводниковые соединения образуются при возникновении sp³-гибридных связей и характеризуются тетраэдрическим расположением атомов в пространстве. Кристаллизуются в структуру сфалерита, вюрцита, халькопирита, но в одной из подрешеток содержатся атомы двух сортов, размещенные либо упорядоченно, либо неупорядоченно. В случае неупорядоченного размещения атомов двух сортов в соответствующей решетке возникает структура сфалерита или вюрцита, в случае упорядоченного размещения кубическая решетка испытывает тетрагональное искажение и возникает структура халькопирита (антихалькопирита), которую можно рассматривать как удвоенную вдоль оси с в направлении ячейку сфалерита.

Однако в полупроводниковом приборостроении лишь ограниченное количество тройных полупроводниковых соединений находит применение.

• Сложные полупроводники. Получение, свойства, применение. — Ужгород: Ужгород. ун-т, 1981.
• Бабанлы Магомед Баба оглы. Метод электродвижущих сил в термодинамике сложных полупроводниковых веществ. — Баку: Азерб. РП СНИО, 1992.
• Получение и свойства сложных полупроводников. — Киев: УМКВО, 1991.
• Сложные полупроводники. — Кишинев: Штиинца, 1988.
• Коэффициенты распределения в сложных полупроводниковых системах. — Ташкент: Фан, 1987.

Полупроводниковые материалы

13

ЛЕКЦИИ 12, 13

Полупроводники
занимают особое место в электро- и
радиотехнических материалах, занимая
промежуточное положение по электрической
проводимости и ряду других свойств
между проводниками и диэлектриками.

Их проводимость
находится в пределах 1000 — 1000 0м×м
при 180 С. B отличие от металлов удельная
проводимость полупроводников, также
как и диэлектриков, с увеличением
температуры уменьшается.

Для полупроводников
характерна сильная зависимость r
от вида и количества содержащихся
примесей. Например, при введении в
химически чистый германий (Gе)
0,001%
мышьяка его удельная проводимость
увеличивается в 10 раз.

Полупроводники
чувствительны к различного рода внешним
воздействиям — свету, облучению ядерными
частицами, электромагнитным полем,
давлению и др.

Известно много
веществ, обладающих полупроводниковыми
свойствами. Наиболее известны германий,
кремний, селен, теллур, бор, углерод,
фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое олово,
йод и другие многоэлементные соединения.

Специфичность
свойств полупроводниковых материалов
обусловила широкое применение их при
изготовлении самых различных
полупроводниковых приборов — диодов,
транзисторов, тиристоров, фотодиодов,
светодиодов, полупроводниковых лазеров,
датчиков давлений, магнитных полей,
температур, излучений и т.п. Использование
полупроводников вызвало коренные
преобразования в радиотехнике,
кибернетике, автоматике, электротехнике,
телемеханике. Полупроводниковая
электроника открыла новые пути
микроминиатюризации электронного
оборудования.

Ток проводимости
в проводниках определяется направленным
движением огромного количества свободных
электронов. В полупроводниках свободных
электронов много. Это объясняется тем,
что валентные электроны в полупроводниках
связаны со своими атомами, т.е. не являются
свободными. Ток в полупроводниках может
возникать и изменяться в широких пределах
только под влиянием внешних воздействий
—
нагревания,
облучения или введением некоторых
примесей. Это увеличивает энергию
валентных электронов, позволяет им
отрываться от своих атомов и под действием
приложенного напряжения направленно
перемещаться, т.е. становиться носителями
тока. Чем выше температура полупроводника
или интенсивнее внешнее облучение, тем
больше в нем свободных электронов и тем
больше ток. Атомы полупроводника,
потерявшие электроны, превращаются в
положительные ионы, которые не могут
перемещаться.

Место на внешней
оболочке атома, покинутое электроном,
называют «дыркой». Эту дырку может
занять другой электрон, покинувший свое
место в соседнем атоме. В результате на
внешней оболочке соседнего атома
появится дырка, т.е. он превратится в
положительный ион. При приложении к
полупроводнику электрического напряжения
электроны будут перемещаться от одних
атомов к другим в одном направлении, а
дырки в другом (противоположном).

Дырку принято
считать положительно заряженной частицей
с зарядом, равным заряду электрона.
Такое представление упрощает, в
большинстве случаев, анализ процессов,
происходящих в кристалле полупроводника.
Кажущееся перемещение дырок в направлении,
противоположном движению электронов,
называют дырочным током Iд.

Электропроводимости
полупроводника, обусловленные движением
электронов и дырок, называют соответственно
электронной и дырочной.

В чистом полупроводнике
концентрация электронов Nэ
и дырок Nд
одинаковы, и электропроводность такого
полупроводника называют собственной.
Общий ток I такого полупроводника равен

I=Iэ+Iд..

Но т.к. подвижность
электронов больше, чем дырок, то

Iэ>Iэ.

Под подвижностью
заряда М понимают отношение скорости
перемещения носителя V к напряженности
электрического поля Е в полупроводнике
т.е.

Мэ=Vэ/Е
; Мд=Vд/Е.

Таким образом,
подвижность показывает, какой путь
проходит за 1с электрон или дырка при
напряженности Е=1В/см.

Учитывая это,
собственный ток полупроводника равен

I=N
e
(Mэ+Мд)
Е,

Т.к. Vэ=Мэ
Е; N=Nэ=Nд;
е-заряд электрона.

Для создания
полупроводниковых приборов требуются
полупроводниковые материалы, обладающие
преимущественно электронной или дырочной
проводимостью. Для получения таких
материалов в тщательно очищенный
полупроводник (концентрация примесей
<10^-11%)
вводят соответствующую добавку —
легирующую примесь.

Легирующие примеси,
валентность которых выше валентности
полупроводника, снабжают его свободными
электронами и называются донорами, от
латинского «донаре» — дарить, отдавать.

Примеси, имеющие
меньшую валентность чем полупроводник,
обладают способностью захватывать и
удерживать его электроны, от латинского
«акцептарэ» — получать, брать.

Чтобы получить
полупроводник, обладающий только
электронной проводимостью, в него вводят
атомы вещества, имеющего валентность
на единицу больше валентности
полупроводника. Например, в германий,
валентность которого 4, вводят донорскую
примесь – сурьму (Sb) или фосфор (Р),
валентность которых равна 5 (рис.40).

Рис.40. Образование
п/проводника с электронной проводимостью.

Четыре электрона
каждого из атомов введенной примеси
устанавливают четыре ковалентные
(парные) связи с соответствующими атомами
германия. Пятый остается без такой
связи, следовательно, переходит в
свободное состояние и под действием
приложенного напряжения принимает
участие в образовании электронного
тока.

Если в полупроводнике
электронный ток больше дырочного, такой
полупроводник называют электронным,
или полупроводником n-типа (от латинского
«негативус» — отрицательный).

При введении в
германий акцепторной примеси, например,
бора, каждый из ее атомов установит три
ковалентные связи с соседними атомами
германия, а для связи с четвертым атомом
германия атом бора электрона не имеет.
Таким образом, несколько атомов германия
будут иметь по одному электрону без
ковалентной связи. При этом достаточно
небольших внешних электрических
воздействий, чтобы эти электроны покинули
свои места, образовав дырки у атомов
германия (рис. 41).

Рис. 41. Образование
п/проводника с дырочной проводимостью.

Освободившиеся
электроны 2, 4, 6 атомов германия
присоединяются к атомам бора и поэтому
не могут создать ток в полупроводнике.
Образовавшиеся у атомов германия дырки
1, 3, 5 позволяют перейти на них электронам
от соседних атомов, где, в свою очередь,
образуются дырки.

Т.о. каждая
возникающая дырка будет переходить от
одного атома германия к другому, от него
к следующему и т.д. Под действием
приложенного напряжения это движение
дырок упорядочивается, т.е. в полупроводнике
возникает примесный дырочный ток. Такой
полупроводник называется дырочным, или
р-типа (от латинского «позитивус» –
положительный).

Под действием
приложенного напряжения электроны и
дырки перемещаются в полупроводнике,
встречая различного рода препятствия,
теряют часть энергии и отклоняются от
своего пути, т.е. происходит рассеяние
носителей заряда, вызываемое, главным
образом, различными загрязняющими
примесями. Чем чище полупроводник, тем
меньше рассеяние носителей заряда и
выше подвижность электронов и дырок,
следовательно, полупроводник обладает
большей удельной проводимостью.

Ранее отмечалось,
что полупроводники обладают рядом
специфических свойств. Одним из таких
свойств является нелинейность вольт —
амперной характеристики, т.е. при
увеличении U, приложенного к образцу
полупроводника, ток через него растет
быстрее (рис.42).

Рис. 42. Вольт —
амперная

характеристика
полупроводника

Одновременно с
ростом тока резко уменьшается электрическое
сопротивление образца. Это свойство
используется в вентильных полупроводниковых
разрядниках в линиях электропередач
высокого напряжения. При номинальном
напряжении разрядник имеет очень высокое
сопротивление и не пропускает ток с ЛЭП
на землю. При ударе молнии провода
оказываются под очень большим напряжением,
электрическое сопротивление разрядника
резко уменьшается, и он отводит ток с
линии на землю. В результате напряжение
снижается до нормы, большое сопротивление
разрядника восстанавливается и он не
пропускает ток с линии на землю.

При изменении
полярности напряжения ток в полупроводнике
протекает в обратном направлении и
изменяется по такому же закону. Это
означает, что полупроводник имеет
симметричную вольт — амперную характеристику
(рис.43). Если же одна часть полупроводника
имеет электронную проводимость, а другая
– дырочную, то на границе между ними
образуется специфическая область –
электронно-дырочный переход (р-n переход),
имеющий несимметричную вольт — амперную
характеристику (рис. 44).

Рис.43. ВАХ
полупроводника. Рис.44. ВАХ р-n
перехода.

При плотном контакте
электронного и дырочного полупроводников
образуется система двух областей, одна
из которых будет иметь электронную, а
другая – дырочную проводимость. При
этом электроны из n-областибудут
диффундировать в р-область, где их
концентрация мала. Одновременно дырки
из р-области будут диффундировать в
n-область, где их концентрация также
мала. Взаимная диффузия дырок и электронов
уменьшит концентрацию электронов в
n-области и дырок в р-области (рис 45).

Рис.45. Образование
р-n перехода.

Таким образом, еще
до подключения к электродам источника
внешнего напряжения на границе между
р- и n-областями полупроводника образуется
двойной электрический слой. В результате
этого появится местное электрическое
поле напряженностью Ео,
направленное в сторону отрицательных
зарядов в двойном электрическом слое.

При приложении к
такой системе внешнего напряжения, если
Евн совпадает
с напряженностью Ео
местного электрического поля, электроны
в n-области и дырки в р-области будут
перемещаться от границы раздела к
электродам (рис.46а).

Рис.46. Процессы в
р-n переходе при различной полярности
внешнего
напряжения.

При этом расширяются
зоны, занятые электронами в полупроводнике
р-типа и дырками в полупроводнике n-типа.
Электрическое сопротивление перехода
значительно возрастает, т.к. образуется
запирающий слой и р-n переход не будет
пропускать ток. Фактически через переход
будет проходить очень малый ток,
обусловленный перемещением не основных
носителей зарядов и называемый обратным
током Iобр.

В случае, когда
Евн направлена
навстречу Ео
(рис.46б), местное электрическое поле
заметно ослабляется, и электроны из
n-области полупроводника и дырки из
р-области начинают перемещаться к р-n
переходу; вследствие этого запирающий
слой сужается, его электрическое
сопротивление резко уменьшается. В этом
случае р-n переход пропускает ток, который
называют прямым Iпр,
а его направление – прямым или пропускным.
Следует иметь в виду что, Iпр>Iобр,
и что сопротивление р-n перехода,
смещенного в прямом направлении меньше,
чем смещенного в обратном. При увеличении
прямого напряжения ток через переход
резко возрастает по линейному закону.
Когда приложено обратное напряжение,
то вначале ток через переход практически
отсутствует; при повышении напряжения
появляется обратный ток, который вначале
растет линейно, затем увеличивается
практически по закону Ома, а начиная с
некоторого Uобр
резко возрастает, в результате чего
происходит электрический пробой перехода
и его разрушение вследствие теплового
пробоя.

Свойство р-n перехода
пропускать ток только в одном направлении
используют в полупроводниковых
выпрямителях.

Полупроводниковые
материалы обладают и рядом других
специфических свойств:

1.Под действием
света удельная проводимость некоторых
полупроводников (селена) может резко
изменяться. Это объясняется тем, что
световое излучение определенной длины
волны (400-700 нм) сообщает электронам
полупроводника энергию, достаточную
для того, чтобы они стали свободными.
Электрическое сопротивление полупроводника
при этом резко уменьшается. Это свойство
используют в фоторезисторах.

2.При частичном
освящении полупроводника светом, когда
на его поверхности имеются освещенная
и неосвещенная зоны между ними, возникает
фото-ЭДС. Этот эффект используется при
создании солнечных батарей и других
источников энергии.

3.Некоторые
полупроводники (Si) резко изменяют
электрическое сопротивление под
действием оказываемого на них давления
(тензорезистивный эффект). Это явление
используют при изготовлении чувствительных
измерителей давления – тензорезисторов.

4.Наличие в
полупроводниках двух участков с разными
температурами вызывает перемещение
свободных зарядов от нагретого участка
к холодному. Так, если носителями зарядов
являются электроны, они, перемещаясь к
холодному участку заряжают его
отрицательно. Нагретый участок, потеряв
электроны, заряжается положительно. В
результате между нагретым и холодным
участком полупроводника возникает
термо-ЭДС. Этот эффект используется при
создании термоэлементов и термогенераторов,
способных превращать тепловую энергию
в электрическую.

Полупроводники — Википедия

Монокристаллический кремний — полупроводниковый материал, наиболее широко используемый в промышленности сегодня.

Полупроводники́ — материалы, по удельной проводимости занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающиеся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры^[1].

Полупроводниками являются кристаллические вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка электрон-вольта (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам (около 7 эВ), а арсенид индия — к узкозонным (0,35 эВ). К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.).

Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решётке (например, атом фосфора, бора и т. д. в кристалле кремния) называется примесью. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон в кристалл (в вышеприведённом примере – фосфор) или захватывает его (бор), примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

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

Механизм электрической проводимости

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10⁻¹⁹ Дж против 11,2·10⁻¹⁹ Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,04·10⁻¹⁹ 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. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Дырка

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

Энергетические зоны

Между зоной проводимости Е_п и валентной зоной Е_в расположена зона запрещённых значений энергии электронов Е_з. Разность Е_п−Е_в равна ширине запрещенной зоны Е_з. С ростом ширины Е_з число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает.

Подвижность

Подвижность электронов (верхняя кривая) и дырок (нижняя кривая) в кремнии в зависимости от концентрации атомов легирующих примесей

Подвижностью μ{\displaystyle \mu } называют коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью v→{\displaystyle {\vec {v}}} носителей тока и величиной приложенного электрического поля E→{\displaystyle {\vec {E}}}:

v→=μE→.{\displaystyle {\vec {v}}=\mu {\vec {E}}.}

При этом, вообще говоря, подвижность является тензором:

 vα=μαβEβ.{\displaystyle \ v_{\alpha }=\mu _{\alpha \beta }E_{\beta }.}

Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике (см. рисунок). При большой концентрации носителей заряда вероятность столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности и проводимости.{2}}

Виды полуп

Технологии полупроводников. Часть 1 — Ferra.ru

В результате для полупроводников возникает ситуация, когда электроны кремния, расположенного рядом с диоксидом кремния, имеют больше шансов быть делокализованным. Это проявляется в изгибе зон, который можно увидеть на картинке выше. Это приводит к повышению вероятности того, что электроны смогут преодолеть расстояние между зонами валентности и проводимости.

С ростом плотности электронов изгиб зон уменьшается. Эффект изгиба зон уменьшается до тех пор, пока не исчезает совсем. В точке, где эффект прекращает действовать, заканчивается и созданный канал. При этом из-за большого количества свободных электронов создается инверсионный слой. В случае с NMOS-транзистором в инверсионном слое подложка p-типа становится подложкой n-типа. Теперь, если к затвору приложить положительное напряжение, то он позволит пропустить ток от стока к истоку. PMOS-транзистор работает ровным счетом наоборот: если приложить к затвору отрицательное напряжение, то он начнет пропускать ток от истока к стоку.

CMOS логика

Разобравшись с принципом работы транзистора, переходим к следующему вопросу: как же имплементировать логические операции с помощью таких затворов? На самом деле, трудно представить связь между протеканием тока и теми инструкциями, которые можно увидеть в программном коде. Существует далеко не один метод для реализации логики, однако сегодня мы остановимся на самом распространенном из них — CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor), или КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник).

Почему же CMOS стал столь популярным? Причина кроется в энергоэффективности метода. CMOS затрачивает значительное количество энергии только во время переключений, в то время как другие методы имплементации логики потребляют достаточно много энергии вне зависимости от состояния.

Однако прежде чем перейти к рассказу о CMOS, необходимо сказать несколько слов о булевой логике. Если не углубляться в подробности, то ее суть заключается в том, что любое выражение можно свести к последовательности простейших логических операций. Этими операциями являются «И» (конъюнкция), «ИЛИ» (дизъюнкция) и «НЕ» (отрицание). Именно они составляют основу всех функций, которые поддерживаются современными вычислительными устройствами.

Нужно отметить, что CMOS состоит исключительно из MOSFET-транзисторов p- и n-типа и не имеют в своей архитектуре резисторов. Поэтому существуют определенные требования, которые позволяют заимплементировать всевозможные логические вентили. Таких требований всего два:

• Все PMOS-транзисторы должны иметь на входе источник напряжения или другой PMOS-транзистор.
• Все NMOS-транзисторы должны иметь на входе землю или другой NMOS-транзистор

Рассмотрим эти требования на примере логического вентиля отрицания. Для его реализации требуется один NMOS- и один PMOS-транзистор. В такой конструкции PMOS-транзистор подсоединен к источнику напряжения, а NMOS — к земле. Схему вентиля отрицания можно увидеть ниже.

Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы

Электронные лампы
широко использовались для различных целей в электронике, в основном напряжения
и усиление мощности, до изобретения твердотельных полупроводников
устройства в 1940-х гг. С тех пор полупроводниковые приборы постепенно заменили
вакуумные лампы в большинстве таких применений из-за их благоприятных
такие свойства, как небольшой размер, легкий вес, низкое энергопотребление, высокое
частотная способность и высокая надежность.Однако электронные лампы все еще могут
найти некоторые приложения даже сегодня, например, радиочастотные передатчики большой мощности
и микроволновые печи. Хотя физика электронных ламп и полупроводников
устройства очень разные, основные функции схожи, например, управление
ток через небольшое напряжение.

• Проводники и изоляторы:

  Хорошие проводники, такие как медь (Cu
  ), серебро (Ag
  ),
  и золото (Au
  ) может проводить электричество с небольшим сопротивлением
  потому что атомы имеют только один электрон на крайнем слое или оболочке, называемом
  валентный электрон (VE) , который только слабо связан
  к атому и легко может стать свободным электроном, свободно перемещающимся под действием приложенного
  напряжение для проведения электричества.

  С другой стороны, изоляторы не проводят электричество, так как нет свободных электронов.
  существуют в материале.

  Вот таблица, показывающая максимальное количество электронов в каждой оболочке.
  В общем, в n-й оболочке есть электроны. Однако каждый
  уровень не обязательно полностью заполнен, и самый внешний слой,
  валентная оболочка, может иметь не более 8 валентных электронов.

  (1)

• Полупроводники:

  Проводимость элементов с четырьмя валентными электронами в углероде
  группа не так хороша, как проводники, но все же лучше, чем изоляторы,
  и они получили название полупроводники.Два полупроводника великих
  важны кремний (Si) и германий (Ge
  ), и то и другое
  из которых имеют четыре валентных электрона. Их кристаллическая структура решетка
  имеет тетраэдрический узор с каждым атомом, разделяющим один валентный электрон с
  каждый из четырех своих соседей образует ковалентных связей .

  Если электрон набирает достаточно тепловой энергии (1,1 эВ для Si или 0,7 эВ для
  Ge), он может разорвать ковалентную связь и стать свободным электроном отрицательного
  заряд, при этом оставляя вакансию или лунку положительного заряда.В
  электрическое поле, свободный электрон может переместиться в новое место, чтобы заполнить дыру
  там, т.е. как такие электроны, так и дырки вносят вклад в электрическую проводимость.
  Такой кристалл называется собственным полупроводником .

  При комнатной температуре относительно небольшое количество электронов набирает достаточно энергии, чтобы стать
  свободных электронов, общая проводимость таких материалов мала, тем самым
  их называют полупроводниками, и этот материал не является ни хорошим проводником, ни
  хороший изолятор.

• Легированные полупроводники:

  Проводимость полупроводникового материала можно улучшить легированием, т.е.е.,
  добавлением примесного элемента с тремя или пятью валентными электронами,
  называются, соответственно, трехвалентными и пятивалентными элементами. Полупроводник
  называется внутренним или внешним, в зависимости от того, содержит ли он
  любые легированные примеси.

  • Полупроводник N-типа:

    Когда небольшое количество пятивалентных донорных атомов (например, фосфора (P) и
    Мышьяк (As)), атом кремния в решетке может быть заменен на
    донорный атом с четырьмя валентными электронами, образующими ковалентные связи
    и один лишний свободный электрон.Это полупроводник N-типа , который
    проводимость значительно улучшена по сравнению с собственными полупроводниками, благодаря
    лишним свободным электронам в решетке, которые называются преобладающими
    или большинство текущих операторов . Также существует небольшое количество отверстий
    назвал миноритарных перевозчиков .

  • Полупроводник P-типа:

    Когда небольшое количество трехвалентных акцепторных атомов (например, бора (B) и алюминия
    (Al)) атом кремния в решетке может быть заменен акцептором
    атом только с тремя валентными электронами, образующими три ковалентные связи и
    дырка в решетке.Это полупроводник P-типа , проводимость которого
    также значительно улучшен по сравнению с собственными полупроводниками из-за
    дыры в решетке, которые называются преобладающими или мажоритарными токами
    Перевозчики . Также существует небольшое количество свободных электронов, называемых
    неосновных перевозчиков .

• PN-переход

  Когда материалы P-типа и N-типа контактируют друг с другом,
  PN-переход образуется за счет этих двух эффектов:

  • Распространение:

    Хотя обе стороны электрически нейтральны, у них разные
    концентрация электронов (N-тип) и дырок (P-тип), и
    диффузионный ток образуется за счет диффузии высших
    концентрация свободно движущихся электронов в материале N-типа
    которые перемещаются через PN-переход от стороны N к стороне P из-за
    тепловое движение.Они прибывают на сторону P, чтобы заполнить некоторые дыры
    там. Точно так же мы можем рассматривать отверстия как рассеивающие
    со стороны P на сторону N.

  • Электрическое поле

    Если бы никакие другие силы не были задействованы, диффузия осуществила бы
    непрерывно, пока свободные электроны и дырки не будут равномерно распределены
    через оба материала. Однако в результате диффузионного процесса
    постепенно устанавливается электрическое поле, отрицательное на стороне P-типа
    материал из-за лишних электронов, положительный на стороне N-типа
    материал из-за потери свободных электронов.Это электрическое поле предотвращает
    дальнейшая диффузия, поскольку электроны на стороне N-типа вытесняются из
    сторона P-типа электрическим полем.

  Эффекты диффузии и электрического поля в конечном итоге приводят к
  равновесие, при котором два эффекта уравновешивают друг друга, так что есть
  больше никаких носителей заряда (свободных электронов или дырок), пересекающих PN-переход.
  Эта область вокруг PN-перехода, названная областью истощения как
  больше не существует свободно движущихся носителей заряда, становится преградой
  между двумя концами материала, препятствующего прохождению тока.

  Дополнительные примечания можно найти полупроводниковые материалы
  Вот
  а также
  Вот.

  Солнечная батарея

  Солнечный элемент преобразует световую энергию в электрическую и представляет собой ток.
  источник. Когда фотон света попадает в кусок полупроводникового материала
  (PN-переход), он либо проходит через материал, если его энергия
  ниже, чем энергия запрещенной зоны кремниевого полупроводника, или поглощается
  кремнием, если его энергия больше, чем энергия запрещенной зоны.в
  В последнем случае образуется электронно-дырочная пара, а электрон и дырка
  разделены внутренним электрическим полем около PN-перехода. в
  электроны притягиваются положительным потенциалом на стороне N и
  отверстия притягиваются отрицательным потенциалом на стороне P, тем самым образуя
  ток через внешнюю цепь. Солнечный элемент — это источник тока,
  поскольку входящий поток фотонов вызывает ток (не напряжение).

Дополнительные сведения о фотодиодах, солнечных элементах и ​​светодиодах можно найти
Вот.

Более подробное обсуждение физики полупроводников можно найти
Вот

Semiconductor Primer, полупроводники 101

(Или не настолько, чтобы вы заметили)

Полупроводниковые материалы

Известно более 600 полупроводниковых материалов.Они могут быть элементами или соединениями, и их удельное сопротивление находится где-то между изоляторами и проводниками. Хорошие проводники имеют удельное сопротивление от 10 ^-7 Ом · м до 10 ^-8 Ом · м при комнатной температуре, в то время как удельное сопротивление изоляторов находится в диапазоне от 10 ^{· 10} Ом · м до 10 ¹⁴ Ом · м. Полупроводники занимают промежуточное положение с удельным сопротивлением от 10 ^-6 Ом · м до 10 ⁷ Ом · м, в диапазоне 14 порядков величины.

Чистые полупроводники ведут себя как изоляторы при 0 ° Кельвина, однако при нормальных температурах, в отличие от металлов, полупроводники имеют отрицательный коэффициент сопротивления из-за увеличения концентрации носителей заряда при повышении температуры, как описано ниже.

Свойства, которые делают полупроводники интересными:

• Контролируемые количества других элементов, ошибочно называемых «примесями», могут быть введены в кристаллическую решетку полупроводника в процессе, известном как «легирование», для изменения его электрических свойств путем создания положительных или отрицательных носителей заряда, выборочно увеличивая его проводимость в допированная область.
• Электрическое поведение легированного полупроводника может изменяться под воздействием различных внешних раздражителей, таких как тепло, свет и электрические или магнитные поля.
• Путем легирования точными количествами различных примесей в определенных местах могут быть построены очень маленькие структуры, в которых могут взаимодействовать положительные и отрицательные носители заряда, что позволяет создавать широкий спектр пассивных и активных электронных устройств, которые, в свою очередь, могут использоваться в качестве строительных блоков для создания еще более сложных компонентов.

Энергетические диапазоны

Атомные орбитали

Модель атома Бора говорит нам, что электроны могут иметь только определенные дискретные количества энергии, соответствующие определенным электронным орбитам вокруг ядра атома.Представление об отдельных планетных электронных орбитах вокруг атомного ядра — удобный сокращенный способ объяснения некоторого поведения атома. К сожалению, это неверно. Электроны не следуют определенным траекториям или орбитам вокруг ядра. Принцип неопределенности Гейзенберга говорит нам, что «невозможно определить одновременно с абсолютной точностью и положение, и импульс электрона» . Другими словами, вы не можете с уверенностью знать, где находится электрон и где он будет дальше.

Электроны, расположенные близко к ядру, могут быть найдены где угодно в концентрических сферических областях пространства, также известных как орбиталей, или иногда оболочек , окружающих ядро ​​атома и центрированных на нем. Сферические орбитали ближе к ядру известны как орбитали s . Те, что находятся на втором уровне энергии и выше, p , d и f орбитали, могут быть разделены на две или более долей, как воздушные шары, привязанные к ядру, чем дальше от ядра, тем выше уровень энергии. .

σ (сигма) связи — самый прочный тип ковалентной химической связи. Они образуются за счет прямого лобового перекрытия атомных орбиталей, удерживающих вместе молекулу или кристалл.

π (пи) орбитали — это слабые ковалентные связи, где только две шаровидные доли одной вовлеченной атомной орбитали перекрывают две доли другой вовлеченной атомной орбитали. См. Диаграмму связей σ и π .

См. Дополнительную информацию о ковалентном, нековалентном и π-π-связывании.

Электроны имеют состояние с минимальной энергией, и разрешены только определенные дискретные состояния с более высокой энергией в зависимости от того, на какой орбитали они обитают. Фиксированное количество энергии необходимо для перекачки электрона в более высокое энергетическое состояние или орбиталь, и когда электрон возвращается в более низкое энергетическое состояние, эта энергия выделяется в виде электромагнитного излучения.Наивысшая занимаемая полоса называется валентной полосой или иногда валентной оболочкой . Это самая внешняя оболочка атома в несоединенном или основном состоянии, и она содержит электроны с наивысшей энергией, то есть те, которые, скорее всего, объясняют природу любых реакций с участием атома и связывающих взаимодействий, которые он имеет с другими атомами.

Следующая более высокая полоса — это зона проводимости , которая обычно пуста и может быть определена как самая низкая незаполненная полоса энергии.Он отделен от валентной зоны запрещенной зоной , также называемой запрещенной зоной . Эта запрещенная зона представляет собой энергию, необходимую для выбивания электронов из валентной зоны атома в зону проводимости. Электроны в зоне проводимости не связаны с атомом, из которого они произошли, и могут свободно перемещаться между другими атомами. В любом материале, чтобы возникла проводимость, должны быть доступны электроны в самой высокой энергетической зоне.

Подробнее о Valency

Полупроводник ведет себя либо как проводник, либо как изолятор, в зависимости от того, есть ли в зоне проводимости свободные электроны.Когда электрон попадает в зону проводимости, он не связывается с ядром и может свободно перемещаться в кристаллической структуре полупроводникового материала под действием электрического поля. Энергия, необходимая электрону для перехода через запрещенную зону, может быть получена за счет тепла или какой-либо формы излучения или электрического поля и обычно выражается в электрон-вольтах (эВ), где 1 эВ эквивалентно 1,6 · 10 ^-19 джоулей. (Дж).

В металле минимальная энергия, необходимая для высвобождения электрона с поверхности металла, называется «работой выхода ».Работа выхода — это константа, уникальная для каждого элемента.

(Обратите внимание, что запрещенная зона — это разница между двумя уровнями энергии, а не физическим пространством.)

Молекулярные орбитали

Фукуи показал, что электроны, связанные с органических молекул , точно так же, как и в атомах, также расположены в энергетических полосах или так называемых «орбиталях» в виде облаков, от простых сфер до ромбовидных форм до сложных многолепестковых форм в зависимости от количество и природа атомов, составляющих молекулу, и сложность модуля..

Подобно атомам, уровни энергии молекулы определяются расположением и природой ее орбиталей. Это « самая высокая занятая молекулярная орбиталь» или HOMO и «самая низкая незанятая молекулярная орбиталь» или LUMO .

HOMO аналогичен валентной зоне в полупроводниках, тогда как LUMO аналогичен зоне проводимости, а размер запрещенной зоны между HOMO и LUMO позволяет некоторым органическим молекулам действовать как полупроводники.

Хорошие проводники уже имеют свободные электроны в зоне проводимости, которые могут переносить ток, и небольшую ширину запрещенной зоны, которая позволяет легко накачивать больше электронов в зону проводимости. Металлы имеют положительный коэффициент сопротивления, поскольку тепловое возбуждение электронов увеличивается с температурой и препятствует потоку электронов.

Изоляторы , с другой стороны, имеют широкую запрещенную зону, обычно выше 5 эВ (электрон-вольт), при этом в зоне проводимости отсутствуют электроны.Проводимость может возникать, если используется достаточно сильное поле, чтобы заставить электроны проникнуть в зону проводимости, но это обычно приводит к разрушению изоляционного материала.

Чистые полупроводники имеют мало электронов в зоне проводимости, что делает их плохими проводниками, но их относительно малая запрещенная зона (0,67 эВ для германия и 1,12 эВ для кремния) позволяет повысить их проводимость с помощью внешнего стимула для повышения уровня энергии электроны.Когда это происходит, электрон с более высокой энергией разрывает ковалентную связь между атомами полупроводника, создавая электронно-дырочную пару новых носителей заряда, тем самым увеличивая проводимость полупроводникового материала.

Добавление небольшого количества новых носителей тока путем легирования позволяет резко изменить проводимость полупроводника.

Примеры полупроводниковых материалов

Уникальные физические свойства определенных материалов, которые мы теперь называем полупроводниками, известны уже более ста лет, но только в 1940-х годах материалы были классифицированы как таковые и были объяснены их свойства.Ниже приведены некоторые примеры полупроводников, часто используемых в электронике.

• Кристаллы сульфида свинца (галенит) были известны своими выпрямляющими свойствами.
• Селен впервые был использован в 1870-х годах для создания фотоэлементов.
• Кристаллы карбида кремния (карборунд) были кристаллами, которые использовались с «кошачьим усом» для обнаружения сигналов в ранних радиоприемниках.
• Германий был материалом, на котором были основаны первые транзисторы. Он имеет низкую температуру плавления, с ним легко работать, а также низкое удельное сопротивление, что помогает в достижении высокой частотной характеристики. К сожалению, он также имеет низкую максимальную рабочую температуру 75 ° C и страдает от присущих ему высоких токов утечки из-за малой ширины запрещенной зоны, составляющей всего 0,67 эВ.
• Кремний — это материал, который сегодня используется в подавляющем большинстве полупроводниковых устройств.Производственные процессы сложнее, но он может работать при гораздо более высоких рабочих температурах и меньше страдает от токов утечки. Кремний легко окисляется с образованием диоксида кремния (SiO ₂ ), который представляет собой изолятор, необходимый для процесса производства планарной конструкции.
  (Оксид германия растворим в воде, что делает его непригодным для этой цели). Диоксид кремния — это соединение, из которого получают кремний. Это наиболее распространенное соединение в земной коре, которое обычно принимает форму обычного песка, но также существует в виде кварца, горного хрусталя, аметиста, агата, кремня, яшмы и опала.

• Арсенид галлия обладает высокой подвижностью электронов, что дает ему гораздо лучшие характеристики высокоскоростного переключения, чем у кремния. Он также имеет лучшие характеристики при высоких температурах, но с ним сложно работать и, следовательно, он дороже. Арсенид галлия также используется в производстве светодиодов. Между прочим, галлий — это трехвалентный элемент, а мышьяк — пятивалентный элемент. В то время как большинство полупроводников представляют собой четыре валентных элемента или соединения, арсенид галлия известен как валентный полупроводник III-V.Однако его кристаллическая структура допускает легирование так же, как полупроводник с IV валентностью. Арсенид галлия считается высокотоксичным и канцерогенным веществом.

• Графен представляет собой кристаллическую решетку углерода толщиной в один атом. Обычно его можно сделать полупроводником с помощью легирования и других средств. Его крошечные размеры и высокая проводимость делают его пригодным для приложений с очень высокими частотами.

Полупроводниковые приборы

Было идентифицировано более 200 структур устройств, и принципы работы могут быть проиллюстрированы на основе некоторых основных типов, показанных здесь.Список не является исчерпывающим, и возможно множество вариаций на эти темы.

Примечание: Следует подчеркнуть, что следующие пояснения являются лишь сокращенным способом представления основных характеристик полупроводников, достаточным для понимания функций устройства, а также компромиссов и ограничений производительности, связанных с конструкциями полупроводниковых устройств. Некоторые второстепенные эффекты были опущены. Кроме того, фактические механизмы, задействованные в функционировании полупроводниковых устройств, намного сложнее и основаны на квантовой физике, учитывающей уровни энергии носителей заряда, их концентрации и распределения в кристаллической решетке полупроводника.

Электроны и дырки

Полупроводниковые материалы, такие как германий или кремний, характеризуются валентной оболочкой, содержащей четыре электрона. Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения электронов обоими ядрами удерживает два атома вместе, образуя плотные кристаллические структуры без свободных электронов, способных проводить ток.Таким образом, кристаллы чистого кремния являются изоляторами. Однако эти материалы могут быть легированы для создания избытка или недостатка электронов, превращая полупроводник в проводник. Чистый полупроводниковый материал без легирования называется собственным полупроводником. Сильное легирование обеспечивает материалы с низким удельным сопротивлением. Легкое легирование используется для контролируемого высокого удельного сопротивления. См. Диаграмму ниже.

Материалы типа N

Если небольшие количества другого элемента, такого как фосфор или мышьяк, который имеет пять валентных электронов во внешнем кольце, вводятся в кристаллическую решетку полупроводника, такого как кремний, четыре из пяти электронов связываются с атомами кремния, оставляя один электрон несвязанным. и свободно двигаться.Полупроводники, легированные таким образом, имеют избыток свободных электронов или отрицательных носителей заряда, доступных для переноса тока, и поэтому называются материалами N-типа. В материалах N-типа электроны называются основными носителями, а дырки — неосновными.

Материалы типа P

Аналогичным образом полупроводники можно легировать такими элементами, как бор или индий, только с тремя валентными электронами во внешнем кольце.В этом случае будет нехватка электронов для связи с решеткой кремния, оставляя незаполненные пространства, известные как «дырки». Электроны могут распространяться через кристалл как пузырь, заполняя соседнее свободное отверстие, оставляя отверстие в том месте, которое он только что оставил. Это эквивалентно распространению дыры в обратном направлении. Поскольку дырка — это, по сути, отсутствие электрона в нейтральном материале, она должна иметь чистый положительный заряд. Материалы с такими положительными носителями заряда называются материалами P-типа.В материалах P-типа дырки считаются основными носителями, а электроны — неосновными.

История

P-N переход

В приведенном выше примере атомы фосфора создают избыток электронов в материале N-типа, а атомы бора создают избыток дырок или положительных носителей в материале P-типа. Каждый из этих материалов в отдельности электрически нейтрален.Однако, когда монокристалл легирован в форме перехода, с материалом N-типа с одной стороны и материалом P-типа с другой стороны, электроны притягиваются дырками на другой стороне перехода и мигрируют поперек, чтобы соединиться с их. Это оставляет материал типа N с чистым положительным зарядом, а материал типа P — с чистым отрицательным зарядом. В результате на стыке создается постоянное собственное электрическое поле или «sweeper» . (Эта область, где электроны диффундировали через переход, называется «обедненной областью», потому что она больше не содержит никаких мобильных носителей заряда.Его также называют «областью пространственного заряда».)

Практически все полупроводниковые устройства так или иначе зависят от работы P-N перехода. Самым простым из этих устройств является диод, и мы можем использовать диод, чтобы проиллюстрировать, что происходит на P-N переходе.

История

Диод

Однако всегда будет небольшой, проблемный, зависящий от температуры ток утечки через переход из-за высвобождения новых носителей заряда, вызванного тепловым воздействием на полупроводниковый материал, независимо от того, каким образом смещается диод.

светодиода, солнечные элементы, лазеры и туннельные диоды являются одними из многих версий P-N перехода.

Варакторный диод

Варакторный диод — это устройство с регулируемым реактивным сопротивлением. Увеличение напряжения обратного смещения на P-N-переходе заставляет заряды по обе стороны от слоя обеднения или пространственного заряда дальше друг от друга, эффективно увеличивая его емкость. И наоборот, уменьшение смещения снижает емкость. Это свойство делает варакторный диод идеальным для использования в качестве переменного конденсатора в настроенных схемах. При обратном смещении ток не течет.

История

Диод Шоттки

В диодах Шоттки

используется переход металл-полупроводник вместо P-N перехода, как в обычных диодах.Он электрически подобен PN-переходу, но ток в диоде обусловлен в первую очередь «основными носителями», что означает, что если полупроводниковый корпус легирован N-типом, то ток переносится только носителями N-типа ( подвижные электроны). Здесь нет медленной случайной рекомбинации электронов и дырок. Это приводит как к очень короткому времени переключения, так и к низкому прямому падению напряжения.

Однако тот же эффект приводит к плохим характеристикам напряжения обратного смещения и высоким токам обратной утечки.

Металлические полупроводниковые контакты

Шоттки также могут использоваться для создания не выпрямляющих омических контактов с незначительным сопротивлением, независимо от полярности приложенного напряжения, для подключения к другим устройствам в электронной системе.

История

PIN диод

История

Лавинный диод

Эффект лавины вызван пробоем P-N перехода из-за высокого поля обратного напряжения на обедненном слое.По мере увеличения обратного напряжения очень сильное поле на обедненном слое ускоряет любые носители заряда, случайно генерируемые теплом в слое. При этом носители заряда набирают достаточно энергии, чтобы поднять уровни энергии большего количества электронов, когда они сталкиваются с кристаллической решеткой, что приводит к появлению еще большего количества электронно-дырочных пар, создавая эффект самоподдерживающейся лавины и низкий импеданс через диод. Снятие напряжения отключает ток.

Стабилитрон

История

Туннельный диод

Подобно лавинным диодам и стабилитронам, туннельные диоды сильно легированы и имеют чрезвычайно узкий слой обеднения или пространственного заряда толщиной менее 5-10 нанометров — всего несколько атомов в глубину. Точно так же они выходят из строя при обратном смещении, однако, в отличие от двух других устройств, они остаются в пробое в течение небольшой начальной области прямого смещения, при этом ток пробоя накладывается на нормальный прямой ток диода.

По мере увеличения прямого напряжения диод медленно выходит из пробоя, и, следовательно, общий ток уменьшается до тех пор, пока пробой не прекратится, и течет только нормальный прямой ток диода, после чего ток снова начинает расти.

Обычно мы не ожидаем, что ток пробоя протекает в положительной области, потому что электрического поля недостаточно для преодоления энергетической щели, необходимой для высвобождения электронов в зону проводимости, однако это явление объясняется тем, что электроны действуют как волны, а не как частицы.См. Hund (1927), где показано, как определенное количество электронов будет обладать более чем достаточной энергией, чтобы перепрыгнуть через энергетический зазор, который обычно был бы слишком широким, эффективно туннелируя через барьер, за исключением которого мы обычно ожидаем.

Возможность необычных применений и очень высокие скорости переключения вызвали большие надежды на туннельный диод, но трудности в производстве и развитие других полупроводниковых технологий сделали его практически устаревшим.

История

Диод Ганна — Устройство с переносом электронов (TED)

Диод Ганна имеет вольт-амперную характеристику, аналогичную туннельному диоду (см. Выше), но зависит от совершенно другого принципа. Он не имеет P-N-перехода, а состоит только из полупроводникового материала N-типа с разной концентрацией легирования в трех различных областях. Две внешние области, подключенные к клеммам, сильно легированы азотом, а между ними расположен тонкий слой слаболегированного материала.

Когда на устройство подается напряжение, электрический градиент будет самым большим в тонком среднем слое, потому что он менее легирован и, следовательно, имеет самое высокое сопротивление. В конце концов, этот слой начнет проводить из-за носителей заряда, создаваемых сильным электрическим полем. Однако присутствие носителей заряда снижает его сопротивление и, следовательно, градиент на нем, тем самым предотвращая дальнейшую проводимость. На практике это означает, что диод Ганна имеет область отрицательного дифференциального сопротивления.Как только импульс тока проходит через средний слой, его сопротивление слоя и, следовательно, градиент напряжения на нем снова повышается, позволяя снова возникать проводимость.

Отрицательное сопротивление в сочетании со временем прохождения через промежуточный слой позволяет создать генератор релаксации ВЧ, просто приложив подходящий постоянный ток через устройство. Частота колебаний частично определяется физическими свойствами тонкого среднего слоя, но может контролироваться путем соединения устройства с резонансным контуром или полостью.Из диодов Ганна можно строить генераторы с частотами до терагерцевого диапазона.

История

Диод IMPATT

IMPact Avalanche Transit Time (IMPATT) диоды — это двухконтактные полупроводниковые устройства, которые генерируют ВЧ-мощность, вводя фазовый сдвиг на 180 ° между сигналами тока и напряжения на микроволновых частотах.

На основе вариантов базового соединения P-N или P-I-N,
его функции выполняются двумя рабочими областями, областью лавины или областью инжекции, которая создает носители, которые могут быть либо дырками электронов, и областью дрейфа, где носители перемещаются через диод, занимая определенное время в зависимости от его толщины и вольтаж.

IMPATT-диод, таким образом, работает в условиях обратного смещения, близких к порогу лавинного пробоя. Напряжение переменного тока, накладываемое на смещение постоянного тока, вызывает лавинный пробой устройства в течение первой половины каждого цикла переменного тока. Генерация носителей заряда посредством ударной ионизации в течение первого полупериода отстает от приложения входного напряжения, поскольку генерация носителей заряда зависит не только от электрического поля, но и от количества присутствующих носителей.Количество носителей увеличивается по мере увеличения электрического поля и продолжает расти после того, как поле достигнет своего пика, из-за воздействия количества уже существующих носителей. Это продолжается до тех пор, пока поле не упадет ниже критического значения, когда количество несущих начнет падать. В результате этих эффектов генерируемый ток отстает от напряжения примерно на 90 градусов. Это известно как задержка фазы впрыска. Дрейф носителей через область истощения во время второго полупериода подвергает носители дополнительной задержке, создавая во внешней цепи импульс тока смещения, который на 180 ° не совпадает по фазе с напряжением.Когда ток и напряжение сдвинуты по фазе на 180 °, устройство выдает максимальную мощность переменного тока во внешнюю цепь, а поскольку положительное напряжение создает отрицательный ток, устройство можно рассматривать как отрицательное сопротивление. Этого временного эффекта отрицательного сопротивления достаточно, чтобы на мгновение вывести диод из строя и он используется для генерации и поддержания колебаний.

Диоды

IMPATT могут производить очень высокую мощность на микроволновых частотах, но поскольку они зависят от лавинообразного процесса, им мешает высокий уровень фазового шума, который они генерируют.

История

Светоизлучающий диод (LED)

Светодиоды

зависят от их влияния на рекомбинацию электронно-дырочных пар и преобразование ковалентных связей в диоде с прямым смещением. Когда электрон возвращается на свой невозбужденный энергетический уровень, он теряет свою избыточную энергию, которая излучается как фотон света. Энергия фотона и, следовательно, цвет света зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника. Для получения разных цветов необходимы разные материалы с разной шириной полосы.Эта световая энергия передается от устройства через стороны области перехода. Интенсивность света зависит от скорости рекомбинации носителей заряда и, следовательно, от прямого тока.

Не все полупроводники подходят для изготовления светодиодов — зона проводимости должна находиться непосредственно над валентной зоной для излучения фотонов. По этой причине подходящим кандидатом является арсенид галлия, но не кремний.

История

Органический светоизлучающий диод (OLED)

OLED

работают так же, как обычные диоды и светодиоды, но вместо использования слоев полупроводников n-типа и p-типа для создания электронно-дырочных пар они используют пластиковые пленки, состоящие из органических молекул, для производства носителей заряда.На схеме напротив показаны активные компоненты устройства, которое обычно устанавливается на подложке.

При работе источник питания подключается к устройству, заставляя ток течь через устройство от анода к катоду. Таким образом, излучающий слой принимает электроны от катода, в то время как проводящий слой теряет их (или принимает дырки от) анода. Это вызывает накопление отрицательного заряда на излучающем слое, в то время как положительный заряд накапливается на проводящем слое.

Так как положительно заряженные «дырки» более подвижны, чем электроны, они перепрыгивают через границу из проводящего в излучающий слой, где из-за электростатических сил рекомбинируют с отрицательно заряженными электронами. Когда заряды пары электрон-дырка нейтрализуются, их энергия высвобождается в виде импульса излучения с частотой в видимом спектре (другими словами, в виде фотонов или частиц света).

Цвет излучаемого света зависит от величины запрещенной зоны и, следовательно, от типа органических молекул, используемых в приборе.В качестве альтернативы можно сделать так, чтобы светодиоды излучали цветной свет, добавив цветной фильтр между электродами.

Интенсивность излучаемого света напрямую связана со скоростью, с которой фотоны попадают в решетку полупроводника, и, таким образом, пропорциональна току.

Подробнее об OLED — История и приложения.

Лазерный диод

Сердцевиной лазерного диода является P-N переход, создающий спонтанное излучение фотонов из-за рекомбинации электронно-дырочных пар так же, как в светодиодах, описанных выше.Спонтанное излучение необходимо для инициирования лазерной генерации, но оно создает свет со случайной фазой и поляризацией и является источником неэффективности, когда лазер колеблется.

Работа лазера зависит от вынужденного излучения фотонов, а не от спонтанного излучения, которое происходит, когда атом в состоянии высокой энергии или возбужденном состоянии может самопроизвольно вернуться в нижнее состояние.

Вынужденное излучение происходит, когда фотон света взаимодействует с возбужденным атомом, заставляя его вернуться в свое более низкое состояние.Один фотон, взаимодействующий таким образом с возбужденным атомом, приводит к испусканию двух фотонов, что приводит к оптическому усилению. Кроме того, два излучаемых фотона находятся в фазе, что приводит к фиксированному фазовому соотношению между светом, излучаемым разными атомами, что позволяет получать монохроматический и когерентный световой поток. Выходной сигнал дополнительно усиливается за счет подключения лазера к некоторой форме оптического резонатора, обычно с помощью пары оптически плоских и параллельных зеркал на концах перехода, созданных путем скалывания и полировки кристалла полупроводника.Фотоны отражаются назад и вперед между зеркалами, стимулируя дальнейшее излучение во время прохождения, таким образом увеличивая световой поток. Если расстояние между зеркалами в оба конца является целым числом длин волн, оптическая волна будет усилена.

История

Фотоэлектрический диод — солнечный элемент

Фотодиоды, также известные как фотоэлементы или солнечные элементы, генерируют электрический ток, когда световая энергия достаточной величины попадает на решетку полупроводника рядом с P-N переходом.Если энергия фотонов в световом пучке меньше ширины запрещенной зоны, энергия просто рассеивается в виде тепла, и электроны не выделяются в зону проводимости, и ток не течет. Однако, если уровень энергии фотонов равен ширине запрещенной зоны полупроводникового материала или превышает ее, это приведет к разрыву ковалентных связей в полупроводнике, поскольку электроны перескакивают через запрещенную зону в зону проводимости. И электрон, и свободный узел, оставленный электроном в валентной зоне (дырке), затем действуют как свободные носители заряда и вносят свой вклад в возможный ток.Как только фотон вызвал высвобождение электрона, любая энергия фотона, превышающая энергию запрещенной зоны, будет рассеиваться в виде тепла. Таким образом, фотоны будут проходить через кристаллическую решетку до тех пор, пока они не будут поглощены в виде тепла или пока они не отдадут свою энергию, вызывая генерацию электронно-дырочных пар и высвобождение электрона через запрещенную зону.

В отсутствие электрического поля и электроны, и дырки перемещаются, пока не найдут друг друга и не рекомбинируют.Важным требованием для функционирования фотоэлемента является наличие внутреннего электрического поля, которое будет направлять фотовозбужденные носители заряда во внешнюю цепь перед их рекомбинацией. Вышеупомянутое «чистящее поле» в PN-переходе обеспечивает необходимое поле, которое заставляет носители заряда течь через переход, вызывая ток, если через переход подключена внешняя цепь. Электроны будут течь во внешней цепи до тех пор, пока носители заряда, вызывающие поле, не истощатся.Если носители заряда пополняются из-за постоянного освещения, как в фотоэлектрической ячейке, то будет течь непрерывный ток. Протекающий ток напрямую связан со скоростью, с которой фотоны поглощаются решеткой полупроводника, и, таким образом, пропорционален интенсивности света. Выходное напряжение ячейки соответствует напряжению запрещенной зоны и обычно составляет около 0,5 В.

Электроды коллектора тока, используемые в солнечных элементах, являются источником потери эффективности. Чтобы свести к минимуму эти потери, они должны обладать высокими оптическими характеристиками передачи, а также очень высокой электропроводностью.В настоящее время оксид индия и олова (ITO) является наиболее широко используемым материалом для создания этого прозрачного проводящего слоя. Однако среди новых разрабатываемых альтернатив графен с его уменьшенными оптическими потерями при передаче и более высокой проводимостью предлагает наибольший потенциал.

История

• Практические устройства

Наиболее очевидное применение фотоэлементов — улавливание солнечной энергии, но солнечное излучение происходит в широком спектре частот.Следовательно, клетка должна реагировать на диапазон уровней энергии от инфракрасного излучения (1,1 эВ) до ультрафиолетового излучения (3,5 эВ).

Кроме того, каждый из полупроводниковых материалов, используемых для создания фотоэлементов, имеет характерную ширину запрещенной зоны. Для кремния, наиболее распространенного полупроводникового материала, оно составляет 1,1 эВ, а для арсенида галлия — 1,42 эВ с некоторыми вариантами до 1,6 эВ или более.

Эффективность и компромиссы

• Теоретический предел эффективности (ширина запрещенной зоны)

Построив фотоэлементы из полупроводниковых материалов с очень малой шириной запрещенной зоны, можно будет уловить полный спектр солнечной энергии.К сожалению, напряжение ячейки также будет очень низким, поскольку оно зависит от ширины запрещенной зоны. Кроме того, материалы с малой шириной запрещенной зоны могут использовать только часть энергии падающих фотонов, которая соответствует ширине запрещенной зоны, для высвобождения электронов в зону проводимости, а избыточная энергия фотонов с более высокой энергией в солнечном спектре расходуется в виде тепла.

Если вместо этого фотоэлемент сконструирован из материала с большой шириной запрещенной зоны, тогда будет захвачена только энергия фотонов высокой энергии, а вся энергия фотонов низкой энергии будет потрачена впустую.Напряжение элемента будет немного выше, но ток будет намного меньше.

Таким образом, невозможно охватить весь спектр солнечной энергии с помощью одного полупроводникового материала, а максимальная теоретическая эффективность преобразования для преобразования солнечной энергии в электрическую для конструкций с гомопереходом ограничена примерно 30% независимо от используемых материалов.

Однако эффективность более 30% возможна, если устройства сконструированы из более чем одного полупроводникового материала, что позволяет использовать материалы с разной шириной запрещенной зоны для захвата различных частей спектра солнечной энергии.(См. «Устройства с гетеропереходом» ниже)

• Проникновение

Производительность также зависит от глубины проникновения фотонов в кристаллическую решетку.

Эффективность солнечного элемента ограничена, так как свет не может проникать очень далеко в кристалл полупроводника, что ограничивает его способность достигать потенциальных мест столкновения электронов. Чем дальше стык от поверхности кристалла, тем меньше света он получит.

Поскольку энергия фотонов пропорциональна частоте излучения, высокочастотный синий свет имеет больше энергии (3,1 эВ), чем низкочастотный красный свет (1,8 эВ), поэтому он должен проникать дальше в кристаллическую решетку, чем красный свет. С другой стороны, затухание в кремнии, полупроводниковом материале, наиболее часто используемом в фотоэлектрических элементах, выше для высокочастотного излучения, чем для более низких частот, что благоприятствует красному излучению. Таким образом, способность света проникать в кристаллическую решетку зависит от частоты, а спектральный отклик также зависит от глубины перехода.

• Отражения

Некоторая энергия, падающая на фотоэлемент, также теряется из-за отражений от самого материала и прикрепленных к нему проводников с током.

• Рекомбинация

Фотоэлектрическое действие зависит от использования энергии солнечного излучения для создания электронных дырочных пар в качестве носителей тока, приводимых в действие электрическим полем через диодный переход. К сожалению, не все эти носители тока выходят из полупроводникового прибора.Некоторые электроны сталкиваются с дырами на своем пути через кристаллическую решетку и, таким образом, рекомбинируют, устраняя и то, и другое, уменьшая пропускную способность устройства по току. Вероятно, это происходит на дефектах, границах или стыках кристалла.

Сочетание всех этих факторов означает, что КПД типичных коммерческих устройств может быть менее 20%.

Устройства с гетеропереходом

Нет необходимости создавать фотоэлектрический диодный переход из монокристалла, легированного на противоположных сторонах перехода легирующими добавками P или N типа, как в обычном диодном устройстве.Диодный переход может быть изготовлен из двух различных полупроводниковых материалов или полупроводника и металла, как в диоде Шоттки. Для работы в качестве солнечного элемента важным элементом является наличие поля свипера на переходе. Использование двух разных материалов обеспечивает большую гибкость дизайна за счет использования уникальных свойств каждого материала.

Эффективность может быть повышена за счет объединения многослойных ячеек в так называемые каскадные или тандемные устройства. Верхний слой состоит из тонкого слоя материала с большой шириной запрещенной зоны, а под ним находится слой материала с малой шириной запрещенной зоны.Таким образом, верхний слой будет захватывать фотоны с высокой энергией из ультрафиолетового конца спектра, в то время как инфракрасные фотоны с низкой энергией будут проходить прямо через них, чтобы улавливаться материалом с низкой запрещенной зоной ниже. Однако выбор материалов ограничен необходимостью того, чтобы слои образовывали однородную кристаллическую решетку.

Напряжение холостого хода батареи представляет собой сумму напряжений холостого хода отдельных ячеек.

Точно так же верхний слой, сделанный из материала с большой шириной запрещенной зоны, который пропускает большую часть падающих фотонов, может быть оптимизирован для проводимости, что упрощает отвод тока от устройства, в то время как нижний слой, сделанный из материала с малой шириной запрещенной зоны, может быть оптимизирован для поглощения энергии.

Многопереходные устройства, использующие кремний и арсенид галлия, являются наиболее эффективными солнечными элементами на сегодняшний день, достигая КПД 39%. К тому же они самые дорогие.

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC)

Ячейки

DSSC, также известные как ячейки Гретцеля, являются недорогой альтернативой полупроводниковым солнечным элементам. Их работа зависит от электрохимической реакции в активной жидкости, а не от электронной эмиссии в твердотельных светопоглощающих слоях, которые используются в обычных кристаллических и тонкопленочных солнечных элементах.

Активный светочувствительный материал представляет собой краситель, обычно на основе рутения, который наносится очень тонким монослоем на пористый слой наночастиц диоксида титана (TiO ₂ ), площадь поверхности которых в 20-30 раз больше поверхность монокристалла TiO ₂ эквивалентного размера. Слой TiO ₂ погружен в йодидный окислительно-восстановительный электролит, который действует как транспортная среда для положительных ионов.Активные материалы помещены между прозрачным стеклянным листом с покрытием Induim Tin Oxide (ITO) (переднее окно ячейки) и задним углеродным контактным слоем со стеклянной или фольгированной подложкой.

Электронные дырочные пары образуются, когда свет падает на сенсибилизированный краситель. Освободившиеся электроны быстро диффундируют по пленке TiO ₂ , прежде чем может произойти рекомбинация, чтобы достичь проводящего стеклянного электрода, где может накапливаться отрицательный заряд.Таким образом, молекулы красителя окисляются, теряя электрон на TiO ₂ . Молекулы красителя, за вычетом их внешних электронов и, следовательно, положительно заряженные, затем восстанавливаются путем реакции с ионами йодида в электролите, восстанавливая свое исходное состояние, получая электрон от иодид-иона, в свою очередь окисляя иодид до йода. Затем положительно заряженный йод диффундирует к противоположному электроду. Таким образом, электроны и дырки разделяются, так что заряды могут собираться на разных электродах.Назначение электролита — обеспечить быстрое восстановление молекул красителя, препятствуя рекомбинации электронно-дырочных пар. Этот процесс создает электрическое поле, эквивалентное тому, что есть в полупроводниковом диоде, и называется расщеплением заряда. Если электроды подключены через внешнюю цепь, ток будет течь, чтобы восстановить электролит в исходное состояние.

Электрическое поле в ячейке Гретцеля прямо пропорционально напряжению ячейки и обратно пропорционально толщине ячейки.Достигнут КПД этих устройств от 7% до 10%. Они предлагают более низкую стоимость, простоту изготовления с использованием процессов шелкографии и другие потенциальные преимущества, такие как гибкие листы солнечных элементов, однако красители в этих элементах также страдают от деградации под воздействием тепла и УФ-излучения.

Термопары на эффекте Зеебека и Пельтье

Полупроводниковые материалы используются для изготовления термопар, которые могут использоваться для выработки электричества с использованием эффекта Зеебека или в качестве охлаждающих устройств с использованием эффекта Пельтье.

В приведенном выше примере использовались полупроводниковые материалы, чтобы проиллюстрировать принципы действия термоэлектричества. Однако те же принципы применимы к любым проводникам. Различаются только масштабы эффектов.

Эффект Томсона

Хотя явления эффектов Зеебека и Пельтье были впервые обнаружены в контурах цепи с использованием двух разнородных металлов, фундаментальное явление на самом деле существует в одном проводнике, на что позже указал Кельвин и назвал эффект Томсона в его честь.Таким образом, не разнородные металлы генерируют напряжение, а температурный градиент, просто так получилось, что использование разнородных металлов с разными тепловыми свойствами в схемах позволило обнаружить явление.

Транзисторы

Транзистор NPN

В транзисторе NPN внешние слои, которые образуют эмиттер и коллектор, представляют собой полупроводники N-типа, легированные примесью для подачи дополнительных электронов, в то время как тонкий базовый слой, обычно толщиной всего 1 микрон, представляет собой полупроводник P-типа, легированный другой примесью, которая обеспечивает отверстия.

Типичный транзистор NPN питается от положительного напряжения батареи на коллекторе, в то время как эмиттер удерживается под потенциалом земли.

При отсутствии напряжения или отрицательном напряжении на базе между эмиттером и коллектором не может протекать никакой ток, кроме тока утечки, поскольку переход база-коллектор имеет обратное смещение.

Если к базе приложено положительное напряжение, переход эмиттер-база становится смещенным в прямом направлении, и электроны перетекают из эмиттера в базу, но поскольку база очень тонкая и слегка легированная, только несколько электронов рекомбинируют с дырками, а поскольку обратное смещение Переход база-коллектор обеднен носителями заряда, большая часть электронов, попадающих в базу, уносится к положительному выводу коллектора, протекая через обратносмещенный переход.

Важно, чтобы базовая область была как можно более тонкой и как можно более свободной от дефектов, чтобы минимизировать рекомбинационные потери неосновных носителей (в данном случае электронов). Ток, связанный с перемещением электронов, течет в противоположном направлении между коллектором и эмиттером. Таким образом, небольшой ток I _(вход) , входящий в базу, может вызвать гораздо больший ток I _(выход) , протекающий между коллектором и эмиттером.Другими словами транзистор действует как усилитель .

Транзистор PNP

Биполярный переходный транзистор (BJT) теоретически является симметричным устройством и должен работать так же, если бы эмиттерный и коллекторный выводы были поменяны местами, однако на практике коллектор делают намного больше, чем эмиттер, чтобы улавливать как можно больше носители заряда, обеспечиваемые эмиттером, а также действуют как теплоотвод.

BJT традиционно был предпочтительным транзистором для аналоговых разработчиков, в основном из-за его высокой крутизны (отношение между изменением выходного тока и вызвавшим его изменением напряжения: г _м = ΔI _out / ΔV _in ).

Соединительный транзистор — это устройство с управлением по току, в отличие от устройства, управляемого напряжением, и поскольку диод база-эмиттер смещен в прямом направлении, переходный транзистор имеет недостаток в виде низкого входного сопротивления, которое нагружает источник сигнала, подключенный к базе транзистора.Напротив, полевой транзистор представляет собой устройство, управляемое напряжением, и не имеет этой проблемы с нагрузкой, поскольку входной диодный переход имеет обратное смещение, обеспечивая очень высокий входной импеданс и потребляя только очень небольшие токи.

Транзистор как переключатель

История

Полевые транзисторы

Биполярные транзисторы — это нормально отключенных устройства : без тока базы они блокируют прохождение любого тока на коллектор.Полевые транзисторы , обычно подключенные к устройствам : при нулевом приложенном напряжении затвор-исток они допускают максимальный ток стока. Это униполярные устройства, в которых ток полностью переносится только основными носителями, и контролируемый ток не должен пересекать переход P-N. Внутри полевого транзистора есть P-N-переход, но его единственная цель — обеспечить непроводящую область обеднения, которая используется для ограничения тока через канал.

В полевом МОП-транзисторе током затвора можно пренебречь, и несущие в канале — единственные типы, ответственные за прохождение тока.

Соединительный полевой транзистор (JFET)

Полевой транзистор с N-канальным переходом выполнен из цельного куска материала N-типа, суженного в середине материалом P-типа, образующего затвор. Между истоком и стоком материал n-типа действует как резистор. Ток состоит из основных носителей (электроны для материала n-типа).

Поскольку затворный переход смещен в обратном направлении и поскольку нет вклада неосновных несущих в поток, проходящий через устройство, входной импеданс чрезвычайно высок.Когда напряжение затвора становится более отрицательным, оно истощает большинство носителей из суженного пути тока в области затвора, увеличивая его сопротивление и уменьшая ток. Изменение напряжения затвора модулирует ток, протекающий через устройство. Элемент управления для JFET исходит от истощения носителей заряда из N-канала.

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) — IGFET
МОП-транзисторы — это транзисторы с изолированным затвором (IGFET), в которых вывод затвора представляет собой металлический слой, расположенный над каналом, но отделенный от него тонким слоем изолирующего диоксида кремния.Этот изолирующий барьер действует как диэлектрический слой конденсатора и позволяет обратному смещенному напряжению затвор-исток влиять на область обеднения электростатически, а не путем прямого соединения. Как и в JFET, изменение напряжения на затворе модулирует проводимость канала, позволяя контролировать ток между стоком и истоком. Изолирующий оксид между затвором и каналом эффективно изолирует полевой МОП-транзистор в одном логическом каскаде от предыдущих и последующих каскадов.

Полевой транзистор с каналом P работает аналогично устройству с каналом N с обратным напряжением и с дырками, а не с электронами в качестве основных носителей.

MOSFET используются в подавляющем большинстве цифровых схем. См. Также CMOS

Технология

MOSFET также широко используется для реализации высокомощных переключающих устройств из-за ее высокого входного сопротивления, высокой скорости переключения и термической стабильности.

История

F Транзистор затвора с запаздыванием

MOSFET-транзистор с плавающим затвором и лавинной инжекцией (FAMOS) является основным строительным блоком, используемым для создания ячеек памяти в энергонезависимых хранилищах данных, таких как флэш-память, EPROM и EEPROM.

В дополнение к нормальному входу или управляющему затвору эти полевые МОП-транзисторы имеют второй «плавающий» затвор, расположенный между управляющим затвором и полупроводниковой подложкой, встроенный в изолирующий слой и электрически изолированный как от затвора доступа, так и от подложки.

Поскольку плавающий затвор полностью окружен SiO ₂ , высококачественным изолятором, он ведет себя как конденсатор, и любой заряд, размещенный на плавающем затворе, предотвращается от утечки, тем самым обеспечивая отличное долгосрочное удержание заряда 10 лет или больше.

Устройство программируется путем подачи импульса высокого напряжения 12 В или более между стоком и управляющим затвором. Поскольку слой SiO ₂ очень тонкий, это вызывает лавинообразный пробой изолирующего слоя затвора, позволяя электронам проходить через этот слой SiO ₂ к плавающему затвору, придавая плавающему электроду затвора электрический заряд.

Когда плавающий затвор заряжается, он изменяет пороговое напряжение управляющего затвора, запрещая его работу.Таким образом, можно настроить блокировку транзистора в выключенном состоянии, чтобы отличить его от аналогичных транзисторов, которые не были заряжены (запрограммированы). Это свойство можно использовать для обеспечения функции постоянной памяти (ПЗУ). Плавающий затвор может быть восстановлен до незаряженного состояния под воздействием сильного ультрафиолетового света, который вызывает утечку заряда.

Матрицы транзисторов с плавающим затвором в интегральных схемах используются для создания стираемой программируемой постоянной памяти (EPROM). На практике запрограммированный СППЗУ хранит свои данные от десяти до двадцати лет и может быть прочитан неограниченное количество раз.

История

Органический тонкопленочный транзистор

История

Тиристор или выпрямитель с кремниевым управлением (SCR)

Тиристор представляет собой четырехслойное устройство типа P-N-P-N с разным уровнем легирования для каждого слоя. Катод является наиболее легированным, а затвор и анод менее легированы.Центральный слой N-типа лишь слегка легирован, а также толще других слоев, что позволяет ему поддерживать высокое напряжение блокировки.

При работе тиристор можно рассматривать как транзистор NPN и PNP, соединенные спина к спине, образуя петлю положительной обратной связи внутри устройства. Выход одного транзистора подается на вход второго, а выход второго транзистора, в свою очередь, возвращается на вход первого. Небольшой пусковой импульс на затворе включает тиристор, и как только начинает течь ток, он быстро нарастает, пока оба транзистора не будут полностью включены или насыщены, и единственный способ его выключить — это снять напряжение питания.

Устройство предназначено для работы в качестве переключателя и может выдерживать очень высокие токи.

История

Тиристор выключения ворот (GTO)

Базовая конструкция тиристора страдала тем недостатком, что после включения его нельзя было выключить, пока не было снято напряжение питания, так как очень высокий ток очень затруднял триггерное отключение. Изменяя структуру устройства, можно было использовать один и тот же управляющий вентиль для включения и выключения потока тока.Однако ток затвора, необходимый для выключения устройства, может составлять до 20% анодного тока (нагрузки).

Как и тиристоры, эти устройства могут выдерживать очень высокие токи нагрузки.

Диод Шокли или четырехслойный диод

Диод Шокли — это, по сути, тиристор без затвора. Обычно он обычно непроводящий при подключении к низкому анодному напряжению, но фиксируется, когда подается импульс напряжения, превышающий «переключающее» или «зажигающее» напряжение, и будет продолжать проводить после того, как импульс будет удален, пока анодное напряжение не станет равным. удалено.Первоначально он предназначался для использования в качестве замены реле в приложениях коммутации электросвязи.

История

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

IGBT — это четырехслойное (N-P-N-P) устройство, подобное тиристору, но с каналом с МОП-синхронизацией, соединяющим две области n-типа. Он сочетает в себе низкие потери проводимости BJT со скоростью переключения силового MOSFET. IGBT имеет высокое входное сопротивление и быструю скорость включения, как MOSFET, и демонстрирует напряжение, плотность тока и низкие потери проводимости, сравнимые с биполярным транзистором, но с гораздо более быстрым переключением.В то время как некоторые тиристоры, такие как GTO (выключение затвора), могут отключаться на затворе, требуется значительный обратный ток затвора, тогда как для отключения IGBT требуется только разрядить емкость затвора и обеспечивает более надежное отключение. Хотя скорость включения очень высокая, отключение IGBT
работает медленнее, чем MOSFET.

IGBT в настоящее время является предпочтительным компонентом для цепей переключения большой мощности и контроллеров двигателей.

История

Интегрированные Схемы

Интегральные схемы обычно классифицируются по функциям схемы, которых много тысяч, или по технологии устройства.Продукция варьируется от относительно простых устройств, состоящих из комбинаций упомянутых выше полупроводниковых структур, до законченных схем, в которых используются буквально миллионы компонентов, встроенных в один кристалл. Далее следуют несколько простых примеров дополнительных возможностей проектирования, которые стали возможными благодаря технологии производства интегральных схем:

Межсоединения и пассивные компоненты

Используя методы легирования, разработанные для диодов и транзисторов, легко создать на полупроводниковой подложке металлические межсоединения, резисторы и конденсаторы, которые можно использовать для соединения активных компонентов в более крупных схемах.

Конденсаторы образованы обратно смещенными PN переходами. Резисторы зависят от омических свойств объема полупроводника, которые могут быть определены путем контролируемого легирования примесями, однако транзисторы с постоянным смещением используются для реализации резисторов с высокой номинальной стоимостью.

Межсоединения зависят от использования планарной конструкции устройства и выполняются с использованием фотолитографии для нанесения металлизированных дорожек поверх изоляционного слоя из диоксида кремния.

История

Сложные конструкции

Устройства смешанной техники

Можно объединить полевые МОП-транзисторы и биполярные транзисторы на одном кристалле, чтобы получить преимущества обеих технологий в одном компоненте.В этом случае обработка цифровых сигналов с низким энергопотреблением может осуществляться с помощью полевых МОП-транзисторов, в то время как транзисторы BJT обеспечивают высокоскоростной интерфейс с высоким током нагрузки. BiCMOS (Bipolar-CMOS) и IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) являются примерами смешанных транзисторных схем.

Сложные схемы

Очевидное назначение интегральных схем — соединение дискретных компонентов или ячеек с целью формирования сложных схем, реализованных на одном кристалле.Микропроцессор, вероятно, является наиболее знакомым примером этого, но возможные комбинации бесконечны.

Рабочие характеристики полупроводниковых материалов

• Полупроводниковые материалы высокой чистоты — Отсутствие нежелательных или неконтролируемых проводящих свойств.
• Бездефектные кристаллы — Дислокации нарушают структуру прибора.
• Чрезвычайно тонкие базовые слои транзистора — помогают перемещению неосновных носителей по базе, уменьшают емкость устройства и увеличивают верхний предел частоты.
• Очень маленькие конструкции — Минимизируйте занимаемое устройство.
• Короткие соединения — сокращение времени прохождения электронов, увеличение частотного диапазона, уменьшение размера кристалла.
• Большая площадь и масса коллектора — повышенная управляемость
• Возможность работы при высоких температурах
• Хороший проводник тепла — легкий отвод тепла
• Низкие токи утечки — переключатели, которые действительно выключены, когда они должны быть выключены.
• С готовностью принимает допинг
• Простота работы — Отсутствие дорогих технологий производства
• Недорогой материал

Производство

Методы проектирования и создания этих умных полупроводниковых структур требуют инженеров, обладающих знаниями в широком спектре вопросов, от электронных схем и программного обеспечения до оптики, рентгеновской кристаллографии и квантовой теории, и требуют разработки инновационных прецизионных технологий производства и управления процессами.

Ниже приведены некоторые из физических (механических) структур, которые были использованы для реализации электрических структур, упомянутых выше, и производственных процессов, использованных для их достижения:

Польский перевод Наташа Сингх

3.Материаловедение и инженерия как многопрофильная дисциплина | Материалы и потребности человека: материаловедение и инженерия — Том I, История, масштабы и природа материаловедения и инженерии

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И ТЕХНИКИ

Многие факторы сформировали междисциплинарную область, известную как материаловедение и инженерия.

Во-первых, MSE стала рассматриваться как центральная часть промышленных материалов, используемых для машин, устройств и конструкций.

Во-вторых, растет осознание той неотъемлемой роли, которую материалы играют в общей структуре общества, и все более изощренные требования, предъявляемые к материалам со стороны сложных технологий.

В-третьих, это растущее признание важности материалов сочетается с растущим пониманием того, каким образом общественные потребности в материалах часто отрицательно сказываются на качестве окружающей среды.

В-четвертых, появилась новая обеспокоенность тем, что темпы добычи полезных ископаемых приведут к серьезной нехватке некоторых ключевых материалов в ближайшем будущем, и что промышленные процессы для минералов и материалов являются значительными потребителями энергии.

В-пятых, помимо этих внешних давлений, существуют важные силы, действующие внутри самого поля. Растет осознание того, что основные концепции и вопросы пронизывают различные классы материалов. Эти интеллектуальные стимулы служат для того, чтобы сблизить людей из самых разных дисциплин для достижения, объединив свои знания и навыки, того, чего никто не может достичь в одиночку.

Таким образом, благодаря этой комбинации внешнего и внутреннего давления, мы видим, что мультидисциплинарная область МСЭ развивается, продвигая поиски более глубокого понимания материалов, с одной стороны, и, с другой стороны, приближая эти научные усилия к потребностям технологий и общество в целом.Поэтому мы вынуждены предложить следующее определение:

Материаловедение и инженерия связаны с генерированием и применением знаний, касающихся состава, структуры и обработки материалов с их свойствами, и использует .

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И ТЕХНИКИ

Материалы

Что подразумевается под «материалами» в MSE, ясно любому, пока его не попросят дать определение.Пищевые материалы? Топливо? Наркотики? Кости и мышцы? В более широком смысле ответ — «да».

Однако в MSE сложилась традиция, которая фокусируется на промышленных или инженерных материалах. Таким образом, продукты питания, топливо, используемое в их естественном состоянии, и некоторые другие категории обычно исключаются.