Какие вещества называют полупроводниками. Полупроводники: свойства, типы и применение в современной электронике

Что такое полупроводники и почему они так важны для электроники. Какими уникальными свойствами обладают полупроводниковые материалы. Как классифицируются полупроводники и где они применяются. Почему кремний стал основным полупроводниковым материалом.

Что такое полупроводники и их основные свойства

Полупроводники — это материалы, электропроводность которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их главная особенность заключается в том, что они могут как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению в зависимости от внешних условий.

Основные свойства полупроводников:

• Отрицательный температурный коэффициент сопротивления — при нагревании электропроводность полупроводников возрастает
• Высокая чувствительность электрических свойств к примесям
• Способность генерировать электрический ток под действием света (фотоэффект)
• Нелинейная вольт-амперная характеристика
• Возможность управлять типом проводимости с помощью легирования

Благодаря этим уникальным свойствам полупроводники стали основой современной электроники и широко применяются в различных электронных компонентах и устройствах.

Классификация полупроводниковых материалов

Полупроводниковые материалы можно разделить на несколько категорий:

По химическому составу:

• Элементарные полупроводники (кремний, германий)
• Полупроводниковые соединения (арсенид галлия, фосфид индия)
• Органические полупроводники (полиацетилен, фуллерены)

По типу проводимости:

• Собственные полупроводники (без примесей)
• Примесные полупроводники:
  • n-типа (с электронной проводимостью)
  • p-типа (с дырочной проводимостью)

По структуре:

• Кристаллические
• Аморфные
• Поликристаллические

Такая классификация позволяет подбирать оптимальные материалы для конкретных применений в электронике.

Наиболее распространенные полупроводниковые материалы

Хотя существует множество полупроводниковых материалов, лишь некоторые из них получили широкое промышленное применение:

• Кремний (Si) — самый распространенный полупроводник, используется в большинстве интегральных схем
• Германий (Ge) — первый материал, из которого изготавливали транзисторы
• Арсенид галлия (GaAs) — применяется в высокочастотных и оптоэлектронных устройствах
• Карбид кремния (SiC) — используется в силовой электронике
• Нитрид галлия (GaN) — перспективный материал для светодиодов и силовых компонентов

Каждый из этих материалов обладает уникальным набором свойств, определяющим сферу его применения в электронике.

Почему кремний стал основным полупроводниковым материалом

Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом в электронной промышленности. Этому способствовал ряд факторов:

• Высокая распространенность в природе (второй по распространенности элемент в земной коре после кислорода)
• Относительная простота получения высокочистого материала
• Стабильность электрических характеристик при нагреве
• Возможность создания качественного диэлектрика (оксида кремния) на поверхности
• Хорошая совместимость с планарной технологией производства интегральных схем

Благодаря этим преимуществам кремний стал основой микроэлектронной промышленности и до сих пор остается главным материалом для производства большинства полупроводниковых устройств.

Применение полупроводников в электронике

Полупроводниковые материалы нашли широчайшее применение в различных областях электроники:

• Интегральные схемы (микропроцессоры, микроконтроллеры, память)
• Дискретные полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, тиристоры)
• Оптоэлектронные устройства (светодиоды, фотодиоды, солнечные элементы)
• Силовые полупроводниковые приборы (MOSFET, IGBT)
• Датчики различных физических величин

Практически все современные электронные устройства — от простейших бытовых приборов до суперкомпьютеров — содержат полупроводниковые компоненты.

Перспективы развития полупроводниковых технологий

Несмотря на долгую историю развития, полупроводниковые технологии продолжают активно совершенствоваться. Основные направления развития включают:

• Уменьшение размеров транзисторов и повышение степени интеграции микросхем
• Разработку новых полупроводниковых материалов с улучшенными характеристиками
• Создание трехмерных интегральных схем
• Развитие технологий «более чем Мур» (More than Moore) для интеграции разнородных функций на одном кристалле
• Исследования в области квантовых вычислений на основе полупроводниковых структур

Эти инновации позволят создавать еще более мощные, энергоэффективные и функциональные электронные устройства в будущем.

Заключение: роль полупроводников в современном мире

Полупроводниковые материалы и технологии стали неотъемлемой частью современной цивилизации. Они лежат в основе всей электронной промышленности, обеспечивая работу компьютеров, смартфонов, бытовой техники, систем связи и множества других устройств, без которых невозможно представить нашу повседневную жизнь.

Развитие полупроводниковых технологий продолжает оказывать огромное влияние на прогресс в различных областях — от медицины и энергетики до космических исследований и искусственного интеллекта. Можно с уверенностью сказать, что полупроводники останутся ключевым элементом технологического развития человечества на долгие годы вперед.

вещества и электрический ток, примеры / Справочник :: Бингоскул

Проводники и диэлектрики: вещества и электрический ток, примеры

добавить в закладки удалить из закладок

Содержание:

До открытия полупроводников физики различали два типа веществ по способности служить средой для распространения электромагнитного поля: проводники и диэлектрики. Рассмотрим, какие вещества относятся к диэлектрикам и проводникам. Разберёмся, чем они отличаются. Приведём примеры обеих категорий материалов, которые встречаются в быту.

Какие вещества называют проводниками

Хорошо пропускающие электрический ток вещества называются проводниками. По ним электрический заряд перетекает от заряженного тела к незаряженному благодаря большому количеству свободных носителей заряда, преимущественно электронов. Условно к проводникам электрического тока относятся вещества с удельным сопротивлением менее 10⁻⁶ Ом. Это:

• все металлы и их сплавы;
• растворы солей, щелочей, кислот – электролиты;
• ионизированные газы, в том числе атмосферный воздух;
• живые организмы – тела людей, животных, стволы деревьев;
• вода, в состав которой входят минералы;
• различные формы углерода, например, графит – применяется для изготовления скользящих контактов.

Основные характеристики проводников – их сопротивление и удельное сопротивление. В электротехнике приходится учитывать температурные коэффициенты удельного сопротивления, линейного и объёмного расширения материалов при выборе проводников.

В кристаллической решетке металлов полно свободных электронов – носителей электричества. При создании растворов молекулы растворяемого вещества становятся ионами. Электрическое поле будет перемещать отрицательно заряженные ионы к положительному катоду и наоборот. Вследствие, на электродах оседают вещества, входящие в состав раствора. Ток вызывает необратимые процессы в электролите и со временем проводимость вещества снижается.

Что такое диэлектрик

К непроводникам или изоляторам относят вещества с очень высоким сопротивлением – низкой или нулевой проводимостью. В таких материалах практически отсутствуют свободные носители электрического тока – электроны или они имеют высокую энергию выхода из электронных оболочек. Удельное сопротивление изоляторов условно принимают за 10⁶ – 10⁸ Ом. Диэлектрики для высоких токов и трёхфазных сетей должны обладать сопротивлением 10¹³ – 10¹⁶ Ом.

К непроводникам относятся: сухая древесина, практически все минералы, масла, смолы, не ионизированные газы, полимерные материалы: резина, пластик, плёнка, пластмасса, стекло, керамика. Из них изготавливаются корпуса электронных и электрических устройств, их компоненты (рукоятки), изоляция кабелей. Диэлектрики входят в состав конденсаторов. Бывают жидкими, полужидкими, твёрдыми, газообразными.

Чёткую границу между проводниками, полупроводниками и непроводниками провести сложно.

Приведите примеры диэлектриков и проводников электричества, которые есть у вас дома.

Поделитесь в социальных сетях:

5 апреля 2022, 09:23

Физика

Could not load xLike class!

Урок №6. Что такое полупроводники и их свойства.

В предыдущих уроках мы рассказывали о проводниках и диэлектриках и вскользь упомянули о том, что есть промежуточная форма проводимости, которая при определенных условиях может принимать свойства проводника или диэлектрика. Этот тип веществ называют полупроводниками.

Напомню: по электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками тока.
Наиболее часто для производства полупроводников используют германий, кремний, реже — селен, закись меди и другие вещества.

Содержание

• 1 Свойства полупроводников.
• 2 Электропроводность полупроводников
  • 2.1 Электронная проводимость
  • 2.2 Дырочная проводимость

Свойства полупроводников.

Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При температуре, близкой к абсолютному нулю (- 273С), они ведут себя по отношению к электрическому току как изоляторы. Большинство же проводников, наоборот, при такой температуре становятся сверхпроводящими, т. е. почти не оказывают току никакого сопротивления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. Электропроводность проводников не изменяется при действии на них света. Электропроводность же полупроводников под действием света, так называемая фотопроводность, повышается.

 

Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический ток. Проводникам же это совершенно не свойственно. Электропроводность полупроводников резко увеличивается при введении в них атомов некоторых других элементов. Электропроводность же проводников при введении в них примесей понижается.

Германий и кремний, являющиеся исходными материалами многих современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона. Всего же в атоме германия 32 электрона, а в атоме кремния 14. Но 28 электронов германия и 10 электронов кремния, находящиеся во внутренних слоях их оболочек, прочно удерживаются ядрами и ни при каких обстоятельствах не отрываются от них. Только четыре валентных электрона атомов этих полупроводников могут, да и то не всегда, стать свободными. Атом же полупроводника, потерявший хотя бы один электрон, становится положительным ионом. В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый из них окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое вещество.

Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно представить себе в виде плоской схемы, как показано на рис. 1, а. Здесь большие шарики со знаком « + » условно изображают ядра атомов с внутренними слоями электронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики — валентные электроны. Каждый атом, окружен четырьмя точно такими же. Любой из них связан с каждым соседним двумя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован у «соседа».

Это двухэлектронная, или валентная, связь. Самая прочная связь! В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих и по одному от четырех соседних атомов. Здесь уже невозможно различить, какой из валентных электронов «свой», а какой «чужой», поскольку они стали общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упростить, изобразив ее так, как это сделано на рис. 1, 6. Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочками показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи — двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

Электропроводность полупроводников

При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведет себя как абсолютный непроводник, потому что в нем нет свободных электронов.

Если повышения температуры нет, связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплового движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным (на рис. 1, б — черная точка), а там, где он был до этого, образуется пустое место. Это пустое место в межатомной связи полупроводника условно называют дыркой (на рис. 1 ,б — разорвавшаяся линия). Чем выше температура, тем больше появляется свободных электронов и дырок. Таким образом, образование в массе полупроводника дырки связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а возникновение дырки соответствует появлению положительного электрического заряда, равного отрицательному электрона.

Рис 1. Схема взаимосвязи атомов в кристале полупроводника (а) и упрощенная схема его структуры (б).

А теперь рассмотри рис. 2. На нем схематично изображено явление возникновения тока в полупроводнике. Причиной возникновения тока служит напряжение, приложенное к полюсам (на рис. 2 источник напряжения символизируют знаки « + » и « — »). Вследствие тепловых явлений во всей массе полупроводника высвобождается из межатомных связей некоторое количество электронов (на рис. 2 они обозначены точками со стрелками). Электроны, освобождавшиеся вблизи положительного полюса источника напряжения, притягиваются этим полюсом и уходят из массы полупроводника, оставляя после себя дырки. Электроны, ушедшие из межатомных связей на некотором удалении от положительного полюса, тоже притягиваются им и движутся в его сторону. Но, встретив на своем пути дырки, электроны как бы «впрыгивают» в них (рис. 2, а), происходит заполнение межатомных связей. А ближние к отрицательному полюсу дырки заполняются другими электронами, вырвавшимися из атомов, расположенных еще ближе к отрицательному полюсу (рис. 2, б). Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс продолжается: нарушаются одни межатомные связи — из них уходят валентные электроны, возникают дырки — и заполняются другие межатомные связи — в дырки «впрыгивают» электроны, освободившиеся из каких — то других межатомных связей (рис. 2, б-в).

Рис 2. Схема движения электронов и дырок.

При температуре выше абсолютного нуля в полупроводнике непрерывно возникают и исчезают свободные электроны и дырки даже тогда, когда нет внешних электрических полей. Но электроны и дырки движутся хаотически в разные стороны и не уходят за пределы полупроводника. В чистом полупроводнике число высвободившихся в каждый момент времени электронов равно числу образующихся при этом дырок. Общее же их число при комнатной температуре относительно невелико. Поэтому электропроводность такого полупроводника, (называемая собственной), мала, он оказывает электрическому току довольно большое сопротивление. Но если в чистый полупроводник добавить даже ничтожное количество примеси в виде атомов других элементов, электропроводность его резко повысится. При этом в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость

Если какой-либо атом в кристалле полупроводника заменить атомом сурьмы, имеющим во внешнем слое электронной оболочки пять валентных электронов, этот атом — «пришелец» четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника. Пятый же валентный электрон атома сурьмы окажется «лишним» и станет свободным. Чем больше в полупроводник будет введено атомов сурьмы, тем больше в его массе окажется свободных электронов. Следовательно, полупроводник с примесью сурьмы приближается по своим свойствам к металлу: для того чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи. Их называют полупроводниками с электропроводностью или типа (n). Здесь латинская буква n — начальная буква латинского слова negativ (негатив), что значит «отрицательный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что в полупроводнике типа n основными носителями тока являются отрицательные заряды, т. е. электроны.

Дырочная проводимость

Совсем иная картина получится, если в полупроводник ввести атомы с тремя валентными электронами, например индия. Каждый атом металла индия своими тремя электронами заполнит связи только с тремя соседними атомами полупроводника, а для заполнения связи с четвертым у него не хватает одного электрона. Образуется дырка. Она, конечно, может заполниться каким — либо электроном, вырвавшимся из валентной связи с другими атомами полупроводника. Однако независимо от того, где будут дырки, в массе полупроводника с примесью индия не будет хватать электронов для их заполнения. И чем больше будет введено в полупроводник примесных атомов индия, тем больше в нем образуется дырок. Чтобы в таком полупроводнике электроны могли перемещаться, совершенно обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Вырвавшиеся из них электроны или же электроны, поступившие в полупроводник извне, движутся от дырки к дырке. А во всей массе полупроводника в любой момент времени число дырок будет больше общего числа свободных электронов. Их называют полупроводниками с дырочной электропроводностью или тип (р). Латинская буква р — первая буква латинского слова positiv (позитив), что значит «положительный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что явление электрического тока в массе полупроводника типа (р) сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов — дырок. Перемещаясь в массе полупроводника, дырки как бы являются носителями тока. Полупроводники типа р, так же как и типа n, обладают во много раз лучшей электропроводностью по сравнению с чистыми.
Надо сказать, что практически не существует как совершенно чистых полупроводников, так и абсолютно электропроводимых типов n и р. В полупроводнике с примесью индия обязательно есть небольшое количество атомов некоторых других элементов, придающих ему электронную проводимость, а с примесью сурьмы есть атомы элементов, создающих в нем дырочную электропроводность. Например, в полупроводнике, имеющем в целом электропроводность типа n, есть дырки, которые могут заполняться свободными электронами примесных атомов сурьмы. Вследствие этого электропроводность несколько ухудшится, но в целом он сохранит электронную проводимость. Аналогичное явление будет наблюдаться и в том случае, если в полупроводник с дырочным характером попадут свободные электроны.

Поэтому в полупроводниках типа n — основными носителями тока являются электроны (преобладает электронная электропроводность), а к полупроводниках типа р — основными носителями тока являются дырки (преобладает дырочная электропроводность).

Какие материалы относятся к полупроводникам? — Compound Semiconductor News

Обратите внимание, что графит был классифицирован как полупроводник , но только в сверхбыстрых временных масштабах (в фемтосекундном масштабе (10–15 с)), в которых было обнаружено, что он проявляет свойства, подобные полупроводникам, при которых он может найти подходящее применение в будущих электронных устройствах на основе углерода.

Каковы 3 свойства полупроводников?

4 важных свойства полупроводников На эту же тему: Что из нижеперечисленного является неорганическим полупроводником? .

• Свойство 1: Удельное сопротивление полупроводника ниже, чем у изолятора, но выше, чем у проводника.
• Свойство 2: Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. …
• Свойство 3: При нуле Кельвина полупроводники ведут себя как изоляторы.

Каков состав полупроводников? Элементарные полупроводники состоят из одного вида атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI периодической таблицы.

Что определяет промежуточные свойства полупроводников?

Свойства полупроводников определяются энергетической щелью между валентной зоной и зоной проводимости. Это может вас заинтересовать: Какое самое простое полупроводниковое устройство? .

Что вы понимаете под полупроводником и каковы его свойства?

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

По этой же теме:

Что такое полупроводник р-типа?

Где находится полупроводник р-типа? Полупроводники P-типа изготавливаются путем легирования…

Что лучше всего описывает полупроводник?

Лучшее описание полупроводника Полупроводники обладают большей проводимостью, чем неметаллы, и меньшей проводимостью, чем металлы. См. также: Какой элемент является полупроводником? .

Какое из следующих утверждений лучше всего описывает полупроводники? В. Что лучше всего описывает полупроводник? Полупроводники обладают большей проводимостью, чем неметаллы, и меньшей проводимостью, чем металл.

Почему называется полупроводником?

Полупроводник называется полупроводником, потому что это тип материала, электрическое сопротивление которого находится между типичным сопротивлением металлов и типичным сопротивлением изоляторов, поэтому он является своего рода или «полу» проводником электричества.

Кто придумал термин «полупроводник»?

Busch [1], термин «полупроводник» впервые употребил Алессандро Вольта в 1782 году.

Что называют полупроводником?

Полупроводник — это вещество, обладающее особыми электрическими свойствами, которые позволяют ему служить основой для компьютеров и других электронных устройств. Обычно это твердый химический элемент или соединение, которое в одних условиях проводит электричество, а в других нет.

Как вы описываете полупроводник?

Полупроводник — это вещество, обладающее особыми электрическими свойствами, которые позволяют ему служить основой для компьютеров и других электронных устройств. Обычно это твердый химический элемент или соединение, которое в одних условиях проводит электричество, а в других нет.

Какие полупроводники простые слова?

Полупроводник — это кристаллический материал, способность которого проводить электричество увеличивается с повышением его температуры. То есть он иногда действует как проводник, а иногда как изолятор. Его проводящая способность может быть значительно увеличена химической обработкой.

Как вы объясните полупроводник?

Полупроводниковое вещество находится между проводником и изолятором. Он контролирует и управляет потоком электрического тока в электронном оборудовании и устройствах. В результате он является популярным компонентом микрочипов, предназначенных для компьютерных компонентов и различных электронных устройств, включая твердотельные накопители.

Это может вас заинтересовать:

Какие существуют два типа полупроводников?

Что такое полупроводник простыми словами? Что такое полупроводник? Полупроводники. Полупроводники…

Являются ли полупроводники металлами?

Что такое полупроводник? Полупроводники — это материалы, которые имеют проводимость между проводниками (обычно металлами) и непроводниками или изоляторами (например, большинство керамики). Полупроводники могут быть чистыми элементами, такими как кремний или германий, или соединениями, такими как арсенид галлия или селенид кадмия.

Является ли полупроводник металлом или неметаллом? Все металлоиды твердые при комнатной температуре. Они могут образовывать сплавы с другими металлами. Некоторые металлоиды, такие как кремний и германий, при определенных условиях могут вести себя как электрические проводники, поэтому их называют полупроводниками.

В чем разница между полупроводником и металлом?

Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент (они имеют тенденцию увеличивать свою проводимость при более высоких температурах), в то время как металлы имеют положительный температурный коэффициент (их проводимость уменьшается при более высоких температурах).

Является ли золото полупроводником?

Ответ и объяснение: Золото не является полупроводником. На самом деле это один из лучших проводников электричества. Серебро и медь также являются очень хорошими проводниками электричества.

Какие существуют два типа полупроводников?

Related Posts

Полупроводники делятся на две категории: Внутренние полупроводники. Внешний полупроводник.

Из чего состоит полупроводник?

Полупроводники, иногда называемые интегральными схемами (ИС) или микрочипами, изготавливаются из чистых элементов, обычно кремния или германия, или соединений, таких как арсенид галлия.

Откуда берутся материалы для полупроводников?

Доступен в земной коре, добывается из сфалеритных цинковых руд, а также может быть добыт из летучей золы, угля 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.

Как создаются полупроводники?

Полупроводник состоит из ковалентных связей. Полупроводники, такие как кремний, состоят из отдельных атомов, связанных друг с другом регулярной периодической структурой, в которой каждый атом окружен 8 электронами. Электроны, окружающие каждый атом в полупроводнике, являются частью ковалентной связи.

Являются ли полупроводники неметаллами?

Эти элементы, называемые металлоидами или иногда полуметаллами, обладают свойствами, характерными как для металлов, так и для неметаллов. Структуры этих элементов во многом аналогичны структурам неметаллов, но эти элементы являются электрическими полупроводниками.

Полуметаллы являются полупроводниками?

Из полуметаллов получаются превосходные полупроводники, хотя большинство элементов сами по себе технически полупроводниками не являются. Исключениями являются кремний и германий, которые являются настоящими полупроводниками, поскольку при определенных условиях они могут проводить электричество.

Полупроводники состоят из металлоидов?

Некоторые металлоиды (кремний и германий) являются полупроводниками, поэтому их можно использовать в микросхемах для полупроводниковой промышленности. Другие металлоиды часто используются в качестве легирующих примесей при производстве полупроводников. Из-за разного числа валентных электронов химический состав этих элементов может быть очень разным.

Примеры полупроводниковых материалов?

Некоторыми примерами полупроводников являются кремний, германий, арсенид галлия и элементы, близкие к так называемой «металлоидной лестнице» периодической таблицы. Арсенид галлия является вторым по распространенности полупроводником после кремния и используется в лазерных диодах, солнечных элементах, микроволновых интегральных схемах и многом другом.

Какой наиболее распространенный полупроводниковый материал сегодня? Кремний (Si) сегодня является наиболее часто используемым полупроводниковым материалом; однако доступны и другие типы полупроводниковых материалов. Количество электронов в валентной оболочке полупроводникового материала ставит эту категорию материалов между изоляторами (плохими электрическими проводниками) и металлами (хорошими полупроводниками).

Какой полупроводниковый материал используется чаще всего?

В полупроводниках наиболее часто используется кремний (химический символ = Si). Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода.

Какие 2 наиболее часто используемых полупроводника?

Германий (Ge) и кремний (Si) являются наиболее распространенными типами собственных полупроводниковых элементов.

Какой полупроводник используется чаще всего Почему?

Кремний является наиболее широко используемым типом полупроводникового материала. Его основным преимуществом является то, что он прост в изготовлении и обладает хорошими общими электрическими и механическими свойствами.

В каких 5 продуктах используются полупроводники?

Процессоры, на которых работают персональные компьютеры, также изготавливаются из полупроводников. Многие повседневные цифровые потребительские товары, такие как мобильные телефоны/смартфоны, цифровые камеры, телевизоры, стиральные машины, холодильники и светодиодные лампы, также используют полупроводники.

Какие объекты относятся к полупроводникам?

Элементарные полупроводники включают сурьму, мышьяк, бор, углерод, германий, селен, кремний, серу и теллур. Кремний является наиболее известным из них, составляющим основу большинства интегральных схем. Обычные полупроводниковые соединения включают арсенид галлия, антимонид индия и оксиды большинства металлов.

Каковы некоторые примеры полупроводников?

Примеры полупроводников: арсенид галлия, германий и кремний являются одними из наиболее часто используемых полупроводников. Кремний используется в производстве электронных схем, а арсенид галлия — в солнечных элементах, лазерных диодах и т. д.

Что такое полупроводниковый материал?

Полупроводники — это материалы, проводимость которых находится между проводниками (обычно металлами) и непроводниками или изоляторами (например, большинство керамики). Полупроводники могут быть чистыми элементами, такими как кремний или германий, или соединениями, такими как арсенид галлия или селенид кадмия.

Что еще называют полупроводниками?

Широко известным полупроводником является кремний. Электронные компоненты, использующие полупроводники, называются полупроводниковыми устройствами, в том числе ИС, представляющие собой интегральную схему транзисторов. Полупроводниковые устройства, установленные во многих электронных устройствах, являются важными электронными компонентами, которые поддерживают нашу повседневную жизнь.

Какие есть примеры полупроводников?

Примеры полупроводников: арсенид галлия, германий и кремний являются одними из наиболее часто используемых полупроводников. Кремний используется в производстве электронных схем, а арсенид галлия — в солнечных элементах, лазерных диодах и т. д.

Полупроводниковые материалы — IEEE IRDS™

Полупроводниковые материалы варьируются по цене и доступности: от кремния в изобилии до дорогих редкоземельных элементов ( РЗЭ). Солнечные элементы, полевые транзисторы, датчики IoT и схемы беспилотных автомобилей — все они требуют для работы полупроводниковых материалов. Современный мир буквально обязан своим существованием полупроводникам и материалам, используемым при их производстве.

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

 

Типы полупроводниковых материалов

Доступ к дорожной карте IRDS™

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

Какие полупроводниковые материалы используются чаще всего?

Наиболее часто используемыми полупроводниковыми материалами являются кремний, германий и арсенид галлия. Из этих трех материалов германий был одним из первых используемых полупроводниковых материалов. Германий имеет четыре валентных электрона, то есть электроны, расположенные на внешней оболочке атома.

Количество валентных электронов в полупроводниковом материале определяет его проводимость. Несмотря на важный шаг в эволюции полупроводниковых материалов, германий в значительной степени вышел из употребления в пользу нынешнего короля полупроводниковых материалов — кремния.

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

Кремний широко доступен в кварците. Процессы экстракции, очистки и кристаллизации кремния эффективны и экономичны. Этот элемент кристаллизуется в алмазной форме для относительно прочной связи, придавая кристаллам кремния сильные механические свойства.

Арсенид галлия является вторым наиболее распространенным полупроводником, используемым сегодня. В отличие от кремния и германия, арсенид галлия представляет собой соединение, а не элемент, и получается путем соединения галлия с его тремя валентными электронами с мышьяком, имеющим пять валентных электронов.

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

Какие полупроводниковые материалы наиболее эффективны?

В дополнение к арсениду галлия составной диоксид кремния имеет характеристики, превосходящие характеристики кремния, что позволяет использовать его в качестве изолятора, пассивирующего слоя и строительного слоя в устройствах на основе металл-оксид-кремния (МОП), тип изолированных затворный полевой транзистор. Диоксид кремния обладает высокой диэлектрической прочностью и более широкой запрещенной зоной, чем кремний, что делает его эффективным изолятором, а соединение легко наносится на другие материалы.

Каковы некоторые из новейших инноваций в области полупроводниковых материалов?

В то время как кремний был самым важным материалом в производстве полупроводников на протяжении большей части конца двадцатого и начала двадцать первого веков, кремний достигает предела своей полезности. Потребность в все более компактных и быстрых интегральных схемах довела эффективность материала до предела, и отраслевые эксперты опасаются, что кремний скоро достигнет пределов закона Мура. Исследования новых материалов продолжаются, и некоторые материалы имеют большие перспективы в будущем:

• Мощный нитрид галлия может использоваться для более эффективного и быстрого преобразования энергии в системах электросетей из-за его высокого критического энергетического поля.
• Полупроводники на основе антимонида и висмутида находят применение в улучшенных инфракрасных датчиках для медицинского и военного секторов.
• У графена есть потенциал превзойти кремний в качестве универсального полупроводникового материала, но до широкой коммерциализации может пройти целых двадцать пять лет.
• Пирит можно использовать для замены редкоземельного элемента теллурида кадмия, который широко используется в солнечных элементах, но запасы которого ограничены. Пирит широко распространен, недорог и нетоксичен.

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS™

Получите доступ к дорожной карте IRDS™

 

Свойства полупроводниковых материалов

Полупроводниковые материалы обладают особыми характеристиками, связанными с электропроводностью. Будущее полупроводников зависит от того, удастся ли массово производить новые материалы с такими характеристиками по цене, аналогичной стоимости кремния.

Каковы отличительные характеристики полупроводниковых материалов?

Материалы, обладающие электропроводностью, естественно, называются проводниками. Примеры включают золото, серебро и медь. Изоляторы, с другой стороны, имеют высокое сопротивление и препятствуют электропроводности. Резина, стекло и керамика являются изоляторами.

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

При низких температурах полупроводники обладают малой или нулевой проводимостью и действуют как изоляторы. Однако при комнатной температуре или при воздействии света, напряжения или тепла они могут проводить электричество. Именно это квазисостояние между проводниками и изоляторами делает полупроводники столь важными для электронных устройств, поскольку они контролируют, как, когда и куда течет электричество.

Как работают полупроводники?

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

Поведение кремния можно подтолкнуть к проводимости с помощью процесса, называемого легированием. Легирование смешивает крошечные примеси с полупроводниковыми материалами. Примеси добавляют «донорные атомы» к основному материалу, способствуя проводимости. Количество примесей, добавляемых к полупроводниковым материалам, ничтожно мало — всего один донорный атом на десять миллионов полупроводниковых атомов — но достаточно, чтобы обеспечить электрическую проводимость.

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

• Полупроводники N-типа включают фосфор или мышьяк. Оба вещества имеют пять валентных электронов. При добавлении в решетку кремния одному из легирующих электронов не с чем связываться, поэтому он доступен для обеспечения электрического тока. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому такие полупроводники называют полупроводниками N-типа.
Полупроводники
• P-типа «легированы» бором или галлием. Два легирующих элемента имеют только три валентных электрона. Когда они смешиваются с решеткой кремния, нескольким электронам кремния не с чем связываться, что обеспечивает электропроводность. Отсутствие электрона создает положительный заряд, поэтому кремний, легированный бором или галлием, называется полупроводником P-типа.

Как производятся полупроводниковые материалы?

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

В результате получается один слой схемы с транзисторами на самом нижнем уровне. Затем процесс повторяется со множеством схем, сформированных друг над другом и полупроводниковой основой.

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS™

Получите доступ к дорожной карте IRDS™

 

Применение полупроводниковых материалов

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

Какие изделия обычно изготавливаются из полупроводниковых материалов?

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

• биполярные транзисторы
• диоды
• полевые транзисторы
• интегральные схемы
• переход полевого транзистора
• Светодиоды (LED)
• Металл-оксид-полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы)
• кремниевые выпрямители

В каких отраслях полупроводниковые материалы используются чаще всего?

Полупроводниковые материалы являются важным компонентом электронных устройств, что делает их незаменимыми практически во всех основных отраслях промышленности. Во всем мире ежедневно используется более ста миллиардов полупроводников.

Отрасли, которые особенно зависят от полупроводниковых материалов, включают следующие:

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

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS™

Получите доступ к дорожной карте IRDS™

 

Рынок полупроводниковых материалов

Поскольку почти все отрасли промышленности зависят от электронных устройств, рынок полупроводников относительно стабилен. Стоимость материалов, необходимых для начального производства полупроводниковой упаковки, варьируется от легкодоступного кремния и керамики до дорогостоящих редкоземельных металлов.

Как обстоят дела на мировом рынке полупроводниковых материалов?

Объем рынка полупроводниковых материалов в 2018 году превысил 50 миллиардов долларов, а к концу 2025 года, по прогнозам, он превысит 70 миллиардов долларов. Прогнозируемый среднегодовой темп роста в период с 2018 по 2025 год оценивается в 4,32 процента.

Что делает полупроводниковые материалы такими ценными?

В то время как некоторые полупроводниковые материалы дешевы и распространены (наиболее очевидным примером является кремний), РЗЭ, используемые в производстве диэлектриков с высоким значением κ и химико-механической полировке, могут быть дорогостоящими.

На ценность РЗЭ влияют несколько факторов. Процессы, необходимые для выделения РЗЭ из породы, в которой они находятся, сложны и дорогостоящи, требуя тысяч стадий для извлечения и очистки готового материала.

Сложность извлечения РЗЭ из сырья побудила многие горнодобывающие компании отказаться от получения прибыли от РЗЭ. Китай является одной из немногих стран, которые сосредоточены на добыче и переработке РЗЭ, в результате чего страна производит 85 процентов мировых поставок вольфрама и молибдена.

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

Как перерабатываются и регенерируются полупроводниковые материалы?

Учитывая ценность некоторых полупроводниковых материалов, переработка и регенерация ценных РЗЭ и других веществ являются вариантами. В настоящее время переработка РЗЭ наиболее успешна при работе с крупными полупроводниковыми продуктами, такими как солнечные элементы, автомобильные катализаторы и магниты для ветряных турбин. РЗЭ также восстанавливаются из аккумуляторов.

Переработка мелких полупроводниковых материалов проблематична с финансовой точки зрения, учитывая небольшое количество материалов, утилизированных из отдельных продуктов, таких как смартфоны. Переработка полупроводниковых материалов также не обходится без экологических издержек: процесс приводит к значительным отходам и выбросу многочисленных токсичных загрязнителей. Этические соображения также вызывают озабоченность, поскольку многие бывшие в употреблении полупроводниковые изделия оказываются на предприятиях по переработке электронных отходов в странах третьего мира, известных эксплуатацией детского труда.

Наиболее очевидный способ снизить затраты на РЗЭ для других стран, кроме Китая, начать добычу и переработку собственных месторождений РЗЭ (несмотря на свое название, РЗЭ распределены по земле равномерно, хотя это затрудняет поиск крупных месторождений в одном месте ). Однако, как отмечается в сообщении ACM , для этого требуется готовность инвестировать в разработку рентабельных процессов добычи, добычи и переработки.