К полупроводникам относятся. Полупроводники: свойства, типы и применение в электронике

Что такое полупроводники и как они работают. Какие бывают типы полупроводников. Где применяются полупроводниковые материалы в современной электронике. Как полупроводники изменили мир технологий.

Что такое полупроводники и их основные свойства

Полупроводники — это материалы, электропроводность которых имеет промежуточное значение между проводниками и диэлектриками. Их главная особенность заключается в том, что их проводимость сильно зависит от внешних условий и может изменяться в широких пределах.

Основные свойства полупроводников:

• Проводимость увеличивается с ростом температуры
• Высокая чувствительность к примесям
• Наличие электронной и дырочной проводимости
• Способность генерировать и поглощать электромагнитное излучение
• Выраженные фотоэлектрические и термоэлектрические свойства

Эти уникальные свойства полупроводников определяют их широкое применение в современной электронике. Какие же материалы относятся к полупроводникам.

Основные полупроводниковые материалы

К наиболее распространенным полупроводникам относятся:

• Кремний (Si) — основной материал современной микроэлектроники
• Германий (Ge) — применялся в первых транзисторах
• Арсенид галлия (GaAs) — используется в сверхвысокочастотной технике
• Карбид кремния (SiC) — для силовой электроники
• Селен (Se) и теллур (Te) — в фотоэлементах
• Оксид цинка (ZnO) — в варисторах

Также к полупроводникам относятся многие соединения элементов III и V групп периодической системы, например InP, GaN, AlN и др. Выбор материала зависит от конкретного применения.

Типы проводимости полупроводников

По типу основных носителей заряда различают два вида полупроводников:

Полупроводники n-типа

В полупроводниках n-типа основными носителями заряда являются электроны. Они образуются при легировании полупроводника донорными примесями, например, фосфором или мышьяком в случае кремния. Избыточные электроны обеспечивают электронную проводимость материала.

Полупроводники p-типа

В полупроводниках p-типа основные носители — это положительно заряженные дырки. Они возникают при добавлении акцепторных примесей, таких как бор или галлий. Дырки обеспечивают дырочную проводимость.

Сочетание областей с различным типом проводимости позволяет создавать p-n переходы — основу полупроводниковых приборов.

Применение полупроводников в электронике

Полупроводниковые материалы нашли широчайшее применение в современной электронике и других областях техники:

• Транзисторы — основа всех электронных устройств
• Интегральные микросхемы — кремниевые чипы для компьютеров
• Светодиоды — источники света в дисплеях и освещении
• Фотоэлементы — преобразование света в электричество
• Термисторы — датчики температуры
• Варисторы — защита от перенапряжений
• Тензорезисторы — измерение деформаций

Развитие полупроводниковых технологий привело к появлению мощных процессоров, емких модулей памяти, ярких дисплеев и множества других устройств, без которых невозможно представить современный мир.

Как производят полупроводниковые приборы

Производство полупроводниковых приборов — сложный многостадийный процесс:

1. Выращивание монокристалла полупроводника
2. Резка кристалла на тонкие пластины
3. Очистка и полировка пластин
4. Легирование примесями для создания проводимости
5. Нанесение фоторезиста и экспонирование через маску
6. Травление для создания структуры прибора
7. Нанесение металлических контактов
8. Разделение пластины на отдельные кристаллы
9. Корпусирование и тестирование

Современное производство требует «чистых комнат» и прецизионного оборудования. Это позволяет создавать транзисторы размером менее 10 нанометров.

Перспективы развития полупроводниковых технологий

Полупроводниковая отрасль продолжает стремительно развиваться. Основные тенденции:

• Уменьшение размеров элементов до единиц нанометров
• Переход на новые полупроводниковые материалы (GaN, SiC)
• 3D-интеграция кристаллов
• Гибкая и печатная электроника
• Оптические межсоединения в чипах
• Квантовые вычисления на основе полупроводников

Это позволит создавать еще более мощные, энергоэффективные и функциональные электронные устройства. Полупроводники останутся ключевой технологией в обозримом будущем.

Свойства полупроводников. Устройство и работа. Применение

Свойства полупроводников — свойство янтаря после натирания шерстью притягивать к себе мелкие предметы, было подмечено очень давно. Но электрические явления, непостоянные и преходящие, долго находились в тени магнитных явлений, более стабильных во времени.

В 17-18 веках электрические опыты оказались широко доступными, и был сделан ряд новых открытий. В 1729 году англичанин Стефан Грей обнаружил, что все вещества делятся на 2 класса: неспособные переносить электрический заряд изоляторы (называемые «электрическими телами», поскольку их можно было электризовать трением), и способные переносить заряд проводники (называемые «неэлектрическими телами»).

С развитием дальнейших представлений свойства веществ проводить электрический ток стали характеризовать количественно – значением удельной электрической проводимости, измеряемой в сименсах на метр (См/м). При комнатной температуре проводимость проводников лежит в диапазоне от 10⁶ до 10⁸ См/м, а у диэлектриков (изоляторов) меньше 10^-8 См/м.

Вещества, по проводимости занимающие промежуточное положение, логично назвать полупроводниками или полуизоляторами. Исторически закрепилось первое название. Проводимость полупроводников лежит в пределах от 10

^-8 до 10⁶ См/м. Между этими 3 видами веществ не существует резких границ, качественные отличия определяются разницей количественных свойств.

Из физики известно, что электрон в твердом теле не может обладать произвольной энергией, эта энергия может принимать лишь определенные значения, называемые энергетическими уровнями. Чем ближе электрон в атоме к ядру, тем ниже его энергия. Наибольшей энергией обладает удаленный электрон. В электрических и химических процессах участвуют лишь электроны внешней оболочки атома (электроны т.н. валентной зоны).

Электроны с более высокой энергией, чем электроны валентной зоны, относятся к электронам зоны проводимости. Эти электроны не связаны с отдельными атомами, и они беспорядочно движутся внутри тела, обеспечивая проводимость.

Атомы вещества, отдавшего электрон в зону проводимости, рассматриваются как заряженные положительно ионы, они неподвижны и образуют кристаллическую решетку вещества, внутри которой движутся электроны проводимости. У проводников (металлов) зона проводимости примыкает к валентной зоне, и каждый атом металла без помех отдает в зону проводимости один или большее число электронов, что и обеспечивает металлам свойство электропроводности.

Свойства полупроводников определяются шириной запрещенной зоны

У полупроводников и диэлектриков между валентной зоной и зоной проводимости существует т.н. запрещенная зона. Электроны не могут обладать энергией, соответствующей энергии уровней этой зоны. Деление веществ на диэлектрики и полупроводники производится в зависимости от ширины запрещенной зоны. При ширине запрещенной зоны в несколько электрон-вольт (эВ), у электронов валентной зоны мало шансов попасть в зону проводимости, что и делает эти вещества непроводящими. Так, у алмаза ширина запрещенной зоны 5,6 эВ. Однако, с повышением температуры, электроны валентной зоны увеличивают свою энергию, и некоторая часть попадает в зону проводимости, что ухудшает изолирующие свойства диэлектриков.

Если же ширина запрещенной зоны порядка одного электрон-вольта, вещество приобретает заметную проводимость уже при комнатной температуре, становясь еще более проводящим с повышением температуры. Подобные вещества мы и относим к полупроводникам, и свойства полупроводников определяются шириной запрещенной зоны.

При комнатной температуре ширина запрещенной зоны у полупроводников менее 2,5-3 эВ. В качестве примера, ширина запрещенной зоны германия 0,72 эВ, а кремния 1,12 эВ. К широкозонным полупроводникам относятся полупроводники с шириной запрещенной зоны более 2 эВ. Обычно, чем выше у полупроводника ширина запрещенной зоны, тем выше его температура плавления. Так, у германия температура плавления 936 °С, а у кремния 1414 °С.

Два вида проводимости полупроводников – электронная и дырочная

При температуре абсолютного нуля (-273 °С), в чистом полупроводнике (собственном полупроводнике, или полупроводнике i-типа) все электроны находятся в составе атомов, и полупроводник является диэлектриком. При повышении температуры часть электронов валентной зоны попадает в зону проводимости, и возникает электронная проводимость. Но когда атом теряет электрон, он становится заряженным положительно.

Перемещаться под действием электрического поля атом, занимающий место в кристаллической решетке, не может, но он способен притянуть электрон из соседнего атома, заполнив «дырку» в своей валентной зоне. Потерявший электрон атом, в свою очередь, также будет искать возможность заполнить образовавшуюся во внешней оболочке «дырку». Дырка обладает всем и свойствами положительного заряда, и можно считать, что в полупроводнике существуют 2 вида носителей – отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дырки.

Электроны проводимости могут занимать свободные места в валентной зоне, т.е. объединяться с дырками. Такой процесс называется рекомбинацией, и, поскольку генерация и рекомбинация носителей происходит одновременно, при данной температуре количество пар носителей находится в состоянии динамического равновесия – количество возникающих пар сравнивается с количеством рекомбинирующих.

Собственная проводимость полупроводника i-типа складывается из электронной и дырочной проводимости, при этом преобладает электронная проводимость, поскольку электроны подвижнее дырок. Удельная электрическая проводимость металлов или полупроводников зависит от числа носителей заряда в 1 куб. см, или от концентрации электронов и дырок.

Если число атомов в 1 куб. см вещества порядка 10²², то при комнатной температуре в металлах число электронов проводимости не меньше числа атомов, т.е. также порядка 10²², при этом в чистом германии концентрация носителей заряда порядка 10¹³ см^-3, а в кремнии 10¹⁰ см^-3, что значительно меньше, чем у металла, оттого проводимость полупроводников в миллионы и миллиарды раз хуже, чем у металлов.

Все дело в примесях

При приложении к полупроводнику напряжения возникающее в нем электрическое поле ускоряет электроны и дырки, их движение становится упорядоченным, и возникает электрический ток – ток проводимости. Помимо собственной проводимости, в полупроводниках существует еще и примесная проводимость, обязанная, как можно догадаться по названию, наличию в полупроводнике примесей.

Если к 4-валентному германию добавить ничтожное количество 5-валентной сурьмы, мышьяка или фосфора, на связь с атомами германия атомы примеси задействуют 4 электрона, а пятый окажется в зоне проводимости, что резко улучшает проводимость полупроводника. Такие примеси, атомы которых отдают электроны, называются донорами. Поскольку в таких полупроводниках преобладает электронная проводимость, они называются полупроводниками n-типа (от английского слова negative — отрицательный). Чтобы все атомы донора отдавали по электрону в зону проводимости, энергетическая зона атомов донора должна располагаться как можно ближе к зоне проводимости полупроводника, несколько ниже ее.

При добавлении к 4-валентному германию примеси 3-валентного бора, индия или алюминия, атомы примеси отнимают электроны от атомов германия, и германий приобретает дырочную проводимость, становится полупроводником p-типа (от английского слова positive – положительный). Примеси, создающие дырочную проводимость, называются акцепторами.

Чтобы акцепторы могли легко захватывать электроны, энергетические уровни атомов акцептора должны примыкать к уровням валентной зоны полупроводника, располагаясь чуть выше ее.

Примесная проводимость обычно значительно превышает собственную, поскольку концентрация атомов донора или акцептора значительно превышает концентрацию собственных носителей. Получить полупроводник со строго дозированным количеством примеси очень сложно, при этом и исходный полупроводник должен быть очень чистым. Так, для германия допускается не более одного атома посторонней примеси (т.е. не донора и не акцептора) на 10 миллиардов атомов германия, а для кремния требования по чистоте еще в 1000 раз выше.

Переход металл-полупроводник

В полупроводниковых приборах возникает необходимость применения контактов полупроводника с металлом. Вещество (металл или полупроводник) характеризуется энергией, требуемой электрону для выхода из вещества – работой выхода. Обозначим работу выхода из металла A_м, а из полупроводника A_п.

Омические контакты

При необходимости создания омического контакта (т.е. невыпрямляющего, когда сопротивление контакта мало при любой полярности приложенного напряжения) достаточно обеспечить контакт металла с полупроводником при создании следующих условий:

• При контакте с n-полупроводником: A_м < A_п;
• При контакте с p-полупроводником: A_м > A_п.

Подобные свойства полупроводников объясняется тем, что в приграничном слое полупроводника накапливаются основные носители, что и обеспечивает его малое сопротивление. Накопление основных носителей обеспечивается тем, что электроны всегда переходят из вещества с меньшей работой выхода в вещество с большей работой выхода.

Выпрямляющие контакты

А вот если с полупроводником n-типа в контакте находится металл с A_м > A_п, то электроны перейдут из полупроводника в металл, и в приграничном слое образуется обедненная основными носителями область, обладающая малой проводимостью. Для того, чтобы преодолеть создавшийся барьер, к контакту необходимо приложить напряжение определенной полярности и достаточной величины. При приложении обратной полярности проводимость контакта еще более ухудшится – такой контакт обладает выпрямляющими свойствами. Нетрудно видеть, что аналогичные свойства полупроводников односторонней проводимости обладает контакт металла с полупроводником p-типа при A_м < A_п.

История полупроводникового детектора

Подобные свойства полупроводников металл-полупроводник были открыты еще немецким физиком Фердинандом Брауном в 1874 году. Самые первые диоды на основе контакта металл-полупроводник появились около 1900 года, когда в радиоприемниках стали использоваться детекторы, состоящие из вольфрамовой проволоки, прижатой к поверхности кристалла галенита (сульфида свинца). Радиолюбители делали детекторы самостоятельно, сплавляя свинец с серой.

В 1906 году французский ученый Г. Пикар сконструировал детектор из кремниевого кристалла и спиральной контактной пружины с острием, и получил на него патент. Электронные приборы на основе контакта металл-полупроводник называют диодами Шоттки по имени исследовавших подобные контакты немецкого физика Вальтера Шоттки.

В 1926 году появились мощные купроксные выпрямительные элементы, представляющие собой медную пластину с нанесенным слоем закиси меди, получившие широкое применение в силовых блоках.

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход, или n-p-переход – это область на границе двух полупроводников разного типа проводимости, и работа полупроводниковых приборов основывается на использовании свойств подобных переходов. При отсутствии приложенного к переходу напряжения носители заряда перемещаются из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией — из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа перемещаются электроны, а в обратном направлении дырки.

В результате этих перемещений по обе стороны границы раздела возникают области с объемным зарядом, а между этими областями возникает контактная разность потенциалов. Эта разность потенциалов образует потенциальный барьер, что препятствует дальнейшему переходу носителей через барьер. Высота барьера (контактная разность потенциалов) зависит от концентрации примесей, и для германия составляет обычно 0,3-0.4 В, доходя до 0,7 В. В установившемся режиме ток через переход отсутствует, поскольку p-n-переход обладает большим сопротивлением в сравнении с остальными областями полупроводников, и образовавшийся слой называют запирающим.

Если к n-p-переходу приложить внешнее напряжение, то, в зависимости от его полярности, переход поведет себя по-разному.

Протекание через переход прямого тока

Если к полупроводнику p-типа приложить «плюс» источника напряжения, то создаваемое источником поле действует противоположно полю контактной разности потенциалов, суммарное поле уменьшается, снижается высота потенциального барьера, и его преодолевает большее число носителей. Через переход начинает протекать ток, называемый прямым. Одновременно уменьшается толщина защитного слоя и его электрическое сопротивление.

Для возникновения существенного прямого тока к переходу достаточно приложить напряжение, сравнимое с высотой барьера в отсутствие приложенного напряжения, т.е. в десятые доли вольта, а при еще большем напряжении сопротивление запирающего слоя станет близким к нулю.

Протекание через переход обратного тока

Если же внешнее напряжение «переполюсовать», т.е. приложить к p-полупроводнику «минус» источника напряжения, поле внешнего напряжения будет складываться с полем контактной разности потенциалов. Высота потенциального барьера увеличивается, что затруднит диффузию основных носителей через переход, и ток через переход, называемый «обратным», окажется небольшим. Запирающий слой становится толще, его электрическое сопротивление возрастает.

Выпрямляющие свойства электронно-дырочных переходов используются в диодах разной мощности и назначения — для выпрямления переменного тока в силовых блоках питания и слабых сигналов в устройствах различного назначения.

Другие применения свойства полупроводников

Электронно-дырочный переход при обратном напряжении ведет себя аналогично заряженному электрическому конденсатору емкостью от единиц до сотен пикофарад. Эта емкость зависит от приложенного к переходу напряжения, что позволяет использовать некоторые виды полупроводниковых приборов в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых приложенным напряжением.

Свойства n-p-перехода также значительно зависят от температуры среды, что позволяет применять отдельные виды полупроводниковых приборов в качестве датчиков температуры. Приборы с тремя областями различной проводимости, как, например, n-p-n, позволяют создавать устройства, обладающие свойствами усиления электрических сигналов, а также их генерации.

Похожие темы:

• Метаматериалы. Виды и устройство. Работа и применение
• Графен. Устройство и применение. Особенности и перспективы
• Углеродные нанотрубки. Устройство и применение. Особенности
• Диэлектрики. Виды и работа. Свойства и применение. Особенности
• Пьезоэлектрики. Виды и применения. Особенности

энциклопедия киповца

Теория и практика электроники	(собственная, n-типа, p-типа) Как известно из теории — все вещества состоят из атомов. Атомы, в свою очередь, состоят из ядер и электронов. Сила, связывающая электроны с ядром атома определяет такое свойство веществ, как проводимость. В металлах электроны, расположенные на внешнем слое электронной оболочки (валентные) — слабо связаны с ядром. В результате этого при обычной температуре в металле много оторвавшихся от своих ядер электронов, которые образуют электронный газ и обеспечивают проводимость. В диэлектрике электроны сильно связаны со своими ядрами и свободные носители зарядов (а следовательно и проводимость) отсутствуют. К полупроводникам относят кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия порядка 1-2 эВ. Это меньше, чем у диэлектриков, но больше, чем у металлов. При обычной температуре у некоторой части атомов полупроводника электроны отрываются от своих ядер (за счет энергии теплового движения) и становятся свободными. Эти электроны не могут быть захвачены соседними ядрами, т.к. у тех все валентные связи насыщены. С другой стороны образовавшийся положительный ион может захватить электрон у соседнего атома и стать нейтральным, а соседний атом станет положительным ионом. Таким образом происходит как бы перемещение положительных зарядов (называемых дырками) по кристаллу. Под действием электрического поля движение электронов и дырок упорядочивается — возникает электрический ток. Т.е. в чистом полупроводнике электрический ток обеспечивается движением равного количества электронов и дырок. Такой тип проводимости полупроводников называется собственной проводимостью. В чистом виде полупроводники обычно не используются. Образование используемых в промышленности, всем известных полупроводников n- и p- типов происходит при введении в чистые полупроводники различных примесей. Рассмотрим как это происходит на примере введения примесей в кристалл кремния. Как известно кремний является четырехвалентным и в чистом кристалле вступает в ковалентные связи с четырьмя такими же атомами, образуя структуру, изображенную на рисунке. Если в узлах кристаллической решетки кремния часть атомов четырехвалентного кремния заменить на атомы пятивалентного мышьяка, то мышьяк так же образует ковалентные связи только с четырьмя атомами кремния (т. к. с ним соседствуют только четыре атома кремния, а остальные атомы расположены далеко), а его пятый валентный электрон остается не задействованным в связях. Для перевода этого электрона в свободное состояние требуется совсем мало энергии, поэтому при обычной температуре почти все атомы мышьяка в кристалле кремния под действием теплового движения теряют один из своих электронов (который становится свободным) и становятся положительными ионами. В то же время энергия связи электронов с атомами кремния значительно выше энергии связи пятого (несвязанного) валентного атома мышьяка, поэтому положительный ион мышьяка не может захватить недостающий электрон у соседей и переноса положительного заряда не происходит. Примеси, введение которых приводит к образованию свободных электронов, называются донорными. Проводимость за счет свободных электронов, образованных введением примесей называется примесной электронной проводимостью. В полупроводниках с донорными примесями перемещаться (и обеспечивать прохождение тока) могут в основном электроны, а дырки - в основном неподвижны,- такие полупроводники называются полупроводниками n-типа. Здесь написано «в основном электроны», а не «только электроны», потому что любой полупроводник кроме примесной имеет еще и собственную проводимость, которая обеспечивается как электронами, так и дырками, однако собственная проводимость во много раз меньше примесной. Аналогично, если в узлах кристаллической решетки кремния часть атомов четырехвалентного кремния заменить на атомы трехвалентного индия, то индий, чтобы образовать ковалентные связи с четырьмя атомами кремния, захватывает электрон у одного из соседних атомов кремния. В результате этого атом индия становится отрицательным ионом, а атом кремния, у которого индий забрал электрон становится положительным ионом. Т.е. образуется свободно перемещающаяся между атомами кремния «дырка». Здесь отрицательные ионы неподвижны, т.к. оторвать электрон от индия сложнее, чем от кремния. Примеси, введение которых приводит к образованию свободных дырок, называются акцепторными. Проводимость за счет свободных «дырок», образованных введением примесей называется примесной дырочной проводимостью. В полупроводниках с акцепторными примесями перемещаться (и обеспечивать прохождение тока) могут в основном дырки, а электроны — в основном неподвижны,- такие полупроводники называются полупроводниками p-типа. Так как с увеличением температуры в полупроводниках увеличивается количество свободных электронов и дырок (большее количество электронов может разорвать ковалентные связи), то проводимость полупроводников с ростом температуры увеличивается (в отличие от металлов).
Теория информации и автоматического управления
Метрология
Программирование
Заметки инженера
Решебник
Как самому сделать ИК-пульт? Как работает протокол RC-5? Это и многое другое ты узнаешь на сайте radiohlam.ru
О сайте
	Решим для вас задачи по математике, физике, тау, программированию. .. Совершенно бесплатно. Подробности в разделе Решебник
	© 2007 Материалы сайта охраняются законом об авторском праве

Что такое полупроводник и как он используется?

28 января 2022 г.

Что такое полупроводник и как он используется?

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

Что такое полупроводник?

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

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

Как работает полупроводник?

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

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

Легирование и полупроводники

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

Типы полупроводников

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

Полупроводники N-типа

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

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

Полупроводники P-типа

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

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

Что такое полупроводниковое устройство B-TRANTM?

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

Как используются полупроводники?

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

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

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

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

Все, что вы хотели знать о полупроводниках

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

Мы намерены это изменить.

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

 

Что такое полупроводник?

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

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

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

Существует два основных типа полупроводников. Полупроводник N-типа используется, когда его проводимость выше или имеется большое количество свободных электронов. Полупроводник Р-типа используется, когда его индуктивность выше, а свободных электронов меньше.

Обычные устройства и компоненты, построенные с использованием полупроводников, включают компьютерную память, интегральные схемы, диоды и транзисторы.

Если вы хотите подробно изучить, как производятся полупроводники, вот полезное видео:

 

Элементы, используемые для создания полупроводников

Давайте подробнее рассмотрим два элемента, которые используются для создания полупроводников. создают большинство полупроводников.

 

Кремний

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

Что касается крупных производителей кремния для пластин, то существует множество поставщиков в США и по всему миру, прежде всего в Калифорнии, Орегоне, Флориде, Азиатско-Тихоокеанском регионе, Китае и Европе. Считается, что Китай является крупнейшим производителем кремния, за ним следуют США.

 

Германий

Германий — это химический элемент, похожий по внешнему виду на кремний, который не встречается в природе как свободный элемент из-за его реактивности. Доступный в земной коре, он добывается из сфалеритовых цинковых руд, а также может быть извлечен из золы-уноса, угольных и медных руд.

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

 

Поиск новых полупроводников

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

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

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

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

Чтобы найти материалы, работающие со светом, вам нужно посмотреть по обе стороны столбца IVA периодической таблицы. Комбинирование элементов из групп IIIA и VA приводит к материалам с полупроводниковыми свойствами. Эти материалы, в том числе арсенид галлия, используются для создания лазеров, светодиодов и фотодетекторов. Они могут то, что кремний не может.

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

 

План Китая по увеличению производства полупроводников

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

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

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

 

Почему этот план улучшит возможности Китая по разработке и производству передовых микропроцессоров?

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

Согласно отчету Wall Street Journal, последний Китайский инвестиционный фонд промышленности интегральных схем последует за аналогичным фондом, созданным в 2014 году, который привлек около 22 миллиардов долларов.

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

 

Китай предлагает купить больше полупроводников в США

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

Чтобы предотвратить надвигающуюся торговую войну с США, китайские официальные лица также спешат завершить разработку новых правил, которые позволят иностранным финансовым группам приобретать контрольный пакет акций их компаний, занимающихся ценными бумагами, сообщает Financial Times со ссылкой на источники, проинформированные об обсуждениях.

 

Еще больше напряженности в отношениях между Китаем и США

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

Компания Huawei и ее подразделение FutureWei подали в суд на Хуанга и его стартап CNEX Labs в декабре прошлого года, обвинив Хуанга в краже конфиденциальных коммерческих секретов, связанных с полупроводниковой технологией, которая использует интегральные схемы в качестве памяти для хранения данных.

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

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

Документ включает обвинения в корпоративном шпионаже, поданные другими американскими компаниями, и отчет Конгресса, в котором говорится, что использование оборудования Huawei «может подорвать основные интересы национальной безопасности США».

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

 

Новые металло-воздушные транзисторы

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

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

Устройство ACT устраняет необходимость в полупроводниках. Вместо этого в нем используются два плоскостных симметричных металлических электрода (исток и сток), разделенных воздушным зазором менее 35 нанометров, и нижний металлический затвор для настройки полевой эмиссии. Воздушный зазор в наномасштабе меньше, чем длина свободного пробега электронов в воздухе; следовательно, электроны могут путешествовать по воздуху при комнатной температуре без рассеяния.

В отличие от обычных транзисторов, которые должны размещаться в кремниевой массе, их устройство представляет собой подход к изготовлению снизу вверх, начиная с подложки. Это позволяет им создавать полностью трехмерные транзисторные сети, если они могут определить оптимальные воздушные зазоры. По сути, это означает, что они могут перестать стремиться к миниатюризации и вместо этого сосредоточиться на компактной трехмерной архитектуре, позволяющей использовать больше транзисторов на единицу объема.

Использование металла и воздуха вместо полупроводников для основных компонентов транзистора также имеет много других преимуществ. Изготовление становится, по сути, одноэтапным процессом укладки эмиттера и коллектора и определения воздушного зазора. Хотя при производстве ACT используются стандартные процессы изготовления кремния, количество этапов обработки намного меньше, учитывая, что нет необходимости в легировании, термической обработке, окислении и формировании силицидов. Следовательно, затраты на производство должны быть значительно сокращены.

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

 

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

Испытания нагревателей

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

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

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

Нагреватели с микрокартриджами от Backer Hotwatt

 

Испытание на пригорание

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

Возможны три возможных отказа нагревателя:

• Ошибки раннего отказа могут быть следующими:
  • Недостатки конструкции
  • Несоответствие спецификации
  • Ошибки изготовления
• Неисправность материала 2
• 0
• Неисправность материала 2
  9 1 Эксплуатационные отклонения
  • Неправильное использование
  • Скачки напряжения
• Исчерпание жизненного цикла из-за износа

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

Спиральный нагреватель от Backer Hotwatt

 

Нагреватели для производства полупроводников

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

Полиимидный нагреватель

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

Керамические нагреватели

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

Трубчатые нагреватели

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

Паяные нагревательные пластины

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

Резюме

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

 

Технологии постоянно меняются

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

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

 

Ресурсы

• https://electronics.howstuffworks.com/diode.htm
• https://www.wsj.com/articles/china-plans-47-billion-fund-to-boost-its- полупроводниковая промышленность-1525434907
• https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/devices/new-metalair-transistor-replaces-semiconductors
• https://techcrunch.com/2016/10/27/qualcomm- to-acquire-nxp-semiconductor-for-47-billion/
• http://theconversation.com/beyond-silicon-the-search-for-new-semiconductors-55795
• https://www.cnbc.com/2018/03/26/china-offers-to-buy-more-us-semiconductors-to-cut-trade-surplus-ft.html
• https:// techcrunch.com/2018/05/07/china-chip-fund/
• https://www.ccn.com/blockchain-adoption-levels-highest-in-the-semiconductor-industry-accenture/
• https: //newsroom.intel.com/news-releases/intel-supports-american-innovation-7-billion-investment-next-generation-semiconductor-factory-arizona/#gs.