Полупроводники виды. Полупроводники: виды, свойства и применение в современной электронике

Что такое полупроводники и какими свойствами они обладают. Основные типы и классификация полупроводниковых материалов. В каких отраслях и устройствах применяются полупроводники сегодня.

Что представляют собой полупроводники

Полупроводники — это особый класс материалов, электропроводность которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Ключевые свойства полупроводников:

• Электропроводность увеличивается при нагревании, в отличие от металлов
• Проводимость сильно зависит от наличия примесей
• Обладают односторонней проводимостью на контакте двух полупроводников
• Могут генерировать электрический ток под действием света (фотоэффект)

Благодаря этим уникальным свойствам полупроводники нашли широкое применение в современной электронике и других отраслях. Как же классифицируют различные виды полупроводниковых материалов?

Основные типы полупроводников

Существует несколько способов классификации полупроводников. По химическому составу их можно разделить на следующие группы:

Простые (элементарные) полупроводники

К ним относятся химические элементы, обладающие полупроводниковыми свойствами в чистом виде:

• Кремний (Si)
• Германий (Ge)
• Селен (Se)
• Теллур (Te)
• Бор (B)
• Углерод (C) в форме алмаза

Кремний и германий являются наиболее распространенными и важными простыми полупроводниками. Какие преимущества дает их использование в электронике?

Сложные (бинарные) полупроводники

Представляют собой химические соединения двух и более элементов. Основные типы:

• Соединения металлов с неметаллами: арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb)
• Оксиды металлов: оксид цинка (ZnO), оксид меди (Cu2O)
• Халькогениды: сульфид кадмия (CdS), селенид свинца (PbSe)

Бинарные полупроводники позволяют получать материалы с заданными характеристиками путем варьирования состава. Как это используется на практике?

Собственные и примесные полупроводники

По механизму проводимости полупроводники делятся на две большие группы:

Собственные полупроводники

Это химически чистые полупроводниковые материалы. Их проводимость обусловлена собственными носителями заряда — электронами и дырками, образующимися в результате теплового возбуждения. Какие ограничения есть у собственных полупроводников?

Примесные полупроводники

Получаются путем введения в кристаллическую решетку атомов других элементов (легирование). Различают:

• Полупроводники n-типа (с электронной проводимостью)
• Полупроводники p-типа (с дырочной проводимостью)

Легирование позволяет в широких пределах управлять свойствами полупроводников. Как это применяется при создании электронных компонентов?

Органические полупроводники

Особый класс полупроводниковых материалов на основе органических соединений:

• Полимерные полупроводники
• Молекулярные кристаллы
• Органические красители

Органические полупроводники обладают рядом уникальных свойств. В каких перспективных направлениях электроники они находят применение?

Применение полупроводников в современных технологиях

Полупроводниковые материалы являются основой современной электроники. Основные области их применения:

Микроэлектроника

Производство интегральных микросхем и процессоров на основе кремния. Как полупроводники обеспечили стремительное развитие вычислительной техники?

Оптоэлектроника

Создание светодиодов, лазерных диодов, фотодетекторов. Какие преимущества дает использование полупроводниковых источников света?

Солнечная энергетика

Производство фотоэлектрических преобразователей для солнечных батарей. Почему кремний стал основным материалом для солнечных элементов?

Силовая электроника

Изготовление мощных диодов, транзисторов, тиристоров для управления электрическими сетями. Как полупроводниковые приборы повышают эффективность передачи электроэнергии?

Перспективные направления развития полупроводниковых технологий

Полупроводниковая отрасль продолжает активно развиваться. Наиболее перспективные направления:

• Создание квантовых компьютеров на основе полупроводниковых кубитов
• Разработка гибких электронных устройств на органических полупроводниках
• Применение широкозонных полупроводников в силовой электронике
• Использование перовскитных материалов в солнечных элементах

Какие революционные изменения эти технологии могут принести в электронику будущего?

Заключение

Полупроводники стали фундаментом для развития современных электронных технологий. Их уникальные свойства позволяют создавать разнообразные устройства — от микропроцессоров до солнечных батарей. Дальнейшие исследования в области полупроводниковых материалов открывают широкие перспективы для инноваций в электронике и энергетике.

Типы полупроводников. Свойства, практическое применение.

Здравствуйте, дорогие друзья. В этой статье речь пойдет о полупроводниках. Мы рассмотрим типы полупроводников, их свойства и практическое применение.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка (ZnS), куприт (Cu2O), галенит (PbS) и многие другие. Семейство полупроводников, включая полупроводники, синтезированные в лабораториях, представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 – неметаллами, из которых 13 химических элементов обладают полупроводниковыми свойствами и 12 – диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие органические соединения, например полиацетилен (СН)n, – полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd1-xMnxTe) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO3). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La2CuO4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La1-xSrx)2CuO4.

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10-4 до 107 Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника — от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы – это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs – 1,5 эВ. GaN, материал для оптоэлектронных приборов в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Типы полупроводников, энергетический зазор

Валентные орбитали атомов в кристаллической решётке разделены на две группы энергетических уровней – свободную зону, расположенную на высшем уровне и определяющую электропроводность полупроводников, и валентную зону, расположенную ниже. Эти уровни, в зависимости от симметрии решётки кристалла и состава атомов, могут пересекаться или располагаться на расстоянии друг от друга. В последнем случае между зонами возникает энергетический разрыв или, другими словами, запрещённая зона.

Расположение и заполнение уровней определяет электропроводные свойства вещества. По этому признаку вещества делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Ширина запрещённой зоны полупроводника варьируется в пределах 0,01–3 эВ, энергетический зазор диэлектрика превышает 3 эВ. Металлы из-за перекрытия уровней энергетических разрывов не имеют.

Полупроводники и диэлектрики, в противовес металлам, имеют заполненную электронами валентную зону, а ближайшая свободная зона, или зона проводимости, отгорожена от валентной энергетическим разрывом – участком запрещённых энергий электронов.

  Типы полупроводников, ширина запрещенной зоны

В диэлектриках тепловой энергии либо незначительного электрического поля недостаточно для совершения скачка через этот промежуток, электроны в зону проводимости не попадают. Они не способны передвигаться по кристаллической решётке и становиться переносчиками электрического тока.

Чтобы возбудить электропроводимость, электрону на валентном уровне нужно придать энергию, которой бы хватило для преодоления энергетического разрыва. Лишь при поглощении количества энергии, не меньшего, чем величина энергетического зазора, электрон перейдёт из валентного уровня на уровень проводимости.

В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно – энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ), многие соли.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.

Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости.

Примесные полупроводники – это проводники, обладающие примесной проводимостью. Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут – это донорные примеси кремния.

Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.

  Типы полупроводников, собственная проводимость

Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь – основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий – акцепторные примеси для кремния.

Одноэлементные полупроводники

Самым распространённым полупроводником является, конечно, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников, обладающих подобными структурами кристалла.

Структура кристаллов Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова. В ней каждый атом окружают 4 ближайших атома, которые образуют тетраэдр. Такая координация называется четырехкратной. Кристаллы с тетрадрической связью стали базовыми для электронной промышленности и играют ключевую роль в современной технологии. Некоторые элементы V и VI группы таблицы Менделеева также являются полупроводниками. Примеры полупроводников этого типа – фосфор (Р), сера (S), селен (Se) и теллур (Те). В этих полупроводниках атомы могут иметь трехкратную (Р), двухкратную (S, Se, Те) или четырехкратную координацию. В результате подобные элементы могут существовать в нескольких различных кристаллических структурах, а также быть получены в виде стекла. Например, Se выращивался в моноклинной и тригональной кристаллических структурах или в виде стекла (которое можно также считать полимером).

  Типы полупроводников, кремний 

• Алмаз обладает отличной термической проводимостью, превосходными механическими и оптическими характеристиками, высокой механической прочностью. Ширина энергетического разрыва — dE = 5,47 эВ.
• Кремний – полупроводник, используемый в солнечных батареях, а в аморфной форме – в тонкоплёночных солнечных батареях. Является наиболее используемым полупроводником в фотоэлементах, прост в производстве, обладает хорошими электрическими и механическими качествами. dE = 1,12 эВ.
• Германий – полупроводник, используемый в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Использовался в первых диодах и транзисторах. Требует меньше очистки, чем кремний. dE = 0,67 эВ.
• Селен – полупроводник, который применяется в селеновых выпрямителях, обладающих высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.

Двухэлементные соединения

Свойства полупроводников, образуемых элементами 3 и 4 групп таблицы Менделеева, напоминают свойства веществ 4 группы. Переход от 4 группы элементов к соединениям 3–4 гр. делает связи частично ионными по причине переноса заряда электронов от атома 3 группы к атому 4 группы. Ионность меняет свойства полупроводников. Она является причиной увеличения кулоновского межионного взаимодействия и энергии энергетического разрыва зонной структуры электронов. Пример бинарного соединения этого типа – антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb, фосфид индия InP, антимонид алюминия AlSb, фосфид галлия GaP.

Ионность возрастает, а значение её еще больше растёт в соединениях веществ 2—6 групп, таких как селенид кадмия, сульфид цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид цинка. В итоге у большинства соединений 2—6 групп запрещённая зона шире 1 эВ, кроме соединений ртути. Теллурид ртути – полупроводник без энергетического зазора, полуметалл, подобно α-олову.

Полупроводники 2-6 групп с большим энергетическим зазором находят применение в производстве лазеров и дисплеев. Бинарные соединения 2– 6 групп со суженным энергетическим разрывом подходят для инфракрасных приемников. Бинарные соединения элементов 1–7 групп (бромид меди CuBr, иодид серебра AgI, хлорид меди CuCl) по причине высокой ионности обладают запрещённой зоной шире З эВ. Они фактически не полупроводники, а изоляторы. Нитрид галлия — соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в полупроводниковых лазерах и светодиодах, работающих в голубой части спектра.

  Типы полупроводников, полупроводниковые материалы

• GaAs, арсенид галлия – второй по востребованности после кремния полупроводник, обычно используемый в качестве подложки для других проводников, например, GaInNAs и InGaAs, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, высокоэффективных фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. dE = 1,43 эВ, что позволяет повысить мощность приборов по сравнению с кремнием. Хрупок, содержит больше примесей, сложен в изготовлении.
• ZnS, сульфид цинка – цинковая соль сероводородной кислоты с диапазоном запрещённой зоны 3,54 и 3,91 эВ, используется в лазерах и в качестве люминофора.
• SnS, сульфид олова – полупроводник, используемый в фоторезисторах и фотодиодах, dE= 1,3 и 10 эВ.

Типы полупроводников, оксиды

Оксиды металлов преимущественно являются прекрасными изоляторами, но есть и исключения. Примеры полупроводников этого типа – оксид никеля, оксид меди, оксид кобальта, двуокись меди, оксид железа, оксид европия, оксид цинка. Так как двуокись меди существует в виде минерала куприта, её свойства усиленно исследовались. Процедура выращивания полупроводников этого типа еще не совсем понятна, поэтому их применение пока ограничено. Исключение составляет оксид цинка (ZnO), соединение 2—6 групп, применяемый в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La2CuO4 с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La2CuO4 в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa2Cu3O8. При высоком давлении её значение составляет 134 К.

ZnO, оксид цинка, используется в варисторах, голубых светодиодах, датчиках газа, биологических сенсорах, покрытиях окон для отражения инфракрасного света, как проводник в ЖК-дисплеях и солнечных батареях. dE=3.37 эВ.

Слоистые кристаллы

Двойные соединения, подобные дииодиду свинца, селениду галлия и дисульфиду молибдена, отличаются слоистым строением кристалла. В слоях действуют ковалентные связи значительной силы, намного сильнее ван-дер-ваальсовских связей между самими слоями. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоёв изменяется введением сторонних атомов – интеркаляцией.

  Типы полупроводников, слоистые кристаллы

MoS2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений – нафталин, полиацетилен (Ch3)n, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида –С=С–С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки – тоже полупроводниками.

• Фуллерен имеет структуру в виде выпуклого замкнутого многогранника из чётного количества атомов углеорода. А легирование фуллерена С60 щелочным металлом превращает его в сверхпроводник.
• Графен образован одноатомным слоем углерода, соединённого в двумерную гексагональную решётку. Обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, высокой жёсткостью
• Нанотрубки представляют собой свернутые в трубку пластины графита, имеющие несколько нанометров в диаметре. Эти формы углерода имеют большую перспективу в наноэлектронике. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Магнитные полупроводники

Соединения с магнитными ионами европия и марганца обладают любопытными магнитными и полупроводниковыми свойствами. Примеры полупроводников этого типа – сульфид европия, селенид европия и твёрдые растворы, подобные Cd1-x­MnxTe. Содержание магнитных ионов влияет на то, как в веществах проявляются такие магнитные свойства, как антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Полумагнитные полупроводники – это твёрдые магнитные растворы полупроводников, которые содержат магнитные ионы в небольшой концентрации. Такие твёрдые растворы обращают на себя внимание своей перспективностью и большим потенциалом возможных применений. Например, в отличие от немагнитных полупроводников, в них можно достигнуть в миллион раз большего фарадеевского вращения.

Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Перовскиты, подобные Mn0,7Ca0,3O3, своими свойствами превосходят переход металл-полупроводник, прямая зависимость которого от магнитного поля имеет следствием явление гигантской магнето-резистивности. Применяются в радиотехнических, оптических приборах, которые управляются магнитным полем, в волноводах СВЧ-устройств.

Разнообразие полупроводниковых материалов

Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-52 (AgGaS2) и 2-4-52 (ZnSiP2) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3–5 и 2–6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As2Se3), – полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.

Видео, типы полупроводников

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

определение, свойства и классификация, сферы применения

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

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

Определение и свойства

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

Имеющиеся свойства веществ уникальны:

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

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

Виды и деление полупроводников

Наименований ПП много, и для удобства они классифицируются по различным признакам.

Самое крупное размежевание видов полупроводников производят по составу:

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

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

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

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

Применение универсальных материалов

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

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

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

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

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

Что такое полупроводники? определение, виды, отрасли.

star_borderПодписаться на статью

EmmaAshely 6 апр. 2021

4star_border 1вопрос_ответ 1thumb_up

Ваша следующая статья

 

Дэйв из DesignSpark

Как вы относитесь к этой статье? Помогите нам предоставить лучший контент для вас.

Дэйв из DesignSpark

Спасибо! Ваш отзыв получен.

Дэйв из DesignSpark

Не удалось отправить отзыв.

Повторите попытку позже.

Дэйв из DesignSpark

Что вы думаете об этой статье?

Тема, которую мы собираемся обсудить, — «полупроводник», простое, но важное и полезное вещество в области электроники.

Полупроводник — это материал, обычно твердый химический элемент или соединение, который может проводить электричество при определенных условиях, но не при других, что делает его превосходной средой для управления потоком электрического тока. Полупроводник — это тип кристаллического твердого тела, который находится на полпути между проводником и изолятором с точки зрения электропроводности.

Изоляторы, полупроводники и проводники — это три основных типа твердотельных материалов. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) Проводимости (и соответствующие удельные сопротивления = 1/σ), связанные с некоторыми основными материалами в каждой из трех групп, показаны на диаграмме, приведенной ниже. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют низкую проводимость от 10 ^-18 до 10 ^-10 Сименс на сантиметр, тогда как проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр. Электропроводность полупроводников находится где-то посередине между этими двумя крайностями и обычно зависит от температуры, света, магнитных полей и следовых количеств примесных атомов. Например, добавление около 10 атомов бора (известного как легирующая примесь) на миллион атомов кремния увеличит его электропроводность в тысячу раз (частично с учетом широкой изменчивости, показанной на рисунке).

Характеристики полупроводников:

Полупроводники обладают способностью проводить электричество при оптимальных условиях. Это отличает его как превосходный материал для контролируемого проведения электричества. В отличие от проводников носители заряда в полупроводниках генерируются исключительно внешней энергией (тепловым возбуждением).

Это позволяет определенному количеству валентных электронов прыгать в зону проводимости и пересекать энергетическую щель, оставляя равное количество незанятых энергетических состояний, то есть дырок. Важность электронной и дырочной проводимости одинакова.

1. Удельное сопротивление: от 10 ^-5 до 10 ⁶ Ом·м.
2. Проводимость: от 10 ⁵ до 10 ^-6 Ом/м.
3. Коэффициент термостойкости: отрицательный.
4. Электроны и дырки запускают ток.
5. Почему сопротивление полупроводников уменьшается при повышении температуры?

Разница в плотности носителей заряда между проводниками и полупроводниками вызывает разницу в удельном сопротивлении.

Удельное сопротивление полупроводников уменьшается с повышением температуры, потому что число носителей заряда быстро увеличивается, что приводит к частичному сдвигу удельного сопротивления.

Некоторые важные свойства:

Полупроводники обладают рядом важных свойств, в том числе:

1. При нуле Кельвина полупроводник служит изолятором. Он действует как проводник при повышении температуры.
2. Полупроводники могут быть легированы, чтобы сделать полупроводниковые устройства идеальными для преобразования энергии, переключателей и усилителей благодаря их исключительным электрическим свойствам.
3. Меньше потерь мощности.
4. Они имеют более высокое удельное сопротивление, чем проводники, но более низкое удельное сопротивление, чем изоляторы.
5. При повышении температуры сопротивление полупроводниковых материалов уменьшается, и наоборот.

Типы полупроводников:

Полупроводники бывают разных форм и размеров. Полупроводники делятся на две категории:

1. Внутренние полупроводники.
2. Внешний полупроводник.

1. Внутренний полупроводник:

С химической точки зрения внутренняя форма полупроводникового материала создается очень чистой. В нем есть только одна форма признака.

(а) В отсутствие электрического поля. (б) В присутствии электрического поля.

Наиболее распространенными собственными полупроводниковыми элементами являются германий (Ge) и кремний (Si). Они имеют четыре электрона в своей валентной оболочке (четырехвалентной). При температуре абсолютного нуля они образуют ковалентную связь с атомом. Из-за столкновений несколько электронов становятся неограниченными и могут свободно проходить через решетку при повышении температуры, что приводит к отсутствию в своем первоначальном месте (дырке). Электропроводность в полупроводнике поддерживается этими свободными электронами и дырками. Количество отрицательных и положительных носителей заряда одинаково. Тепловая энергия будет ионизировать только несколько атомов в решетке, что приведет к снижению проводимости.

Существующие течения в собственных полупроводниках из-за движения свободных электронов и дырок. Полный ток представляет собой сумму термоиндуцированного электронного тока Ie и дырочного тока Ih.

Ie + Ih = полный ток (I)

2.

Внешний полупроводник:

Это тип полупроводника, который не имеет внутренних свойств.

Путем добавления небольшого количества подходящих замещающих атомов, известных как ПРИМЕСИ, можно значительно улучшить проводимость полупроводников. ДОПИРОВАНИЕ — это метод введения примесных атомов в чистый полупроводник. В легированном полупроводнике только 1 из каждых 107 атомов замещен атомом легирующей примеси. Внешние полупроводники подразделяются на следующие категории:

1. Полупроводники N-типа.
2. Полупроводник Р-типа.

N-тип:

1. В основном из-за электронов.
2. Абсолютно без изменений.
3. I = Ih и nh >> ne
4. Электроны составляют большинство, а дырки — меньшинство.

Когда пятивалентная примесь (P, As, Sb, Bi) вводится в чистый полупроводник (кремний или германий), четыре из пяти валентных электронов связываются с четырьмя электронами Ge или Si.

Пятый электрон легирующей примеси освобождается. В результате примесный атом отдает свободный электрон решетке для проводимости и называется «донар».

Тип P:

1. В основном из-за отверстий.
2. Полностью нейтрален.
3. I = Ih и nh >> ne.
4. Дырки в большинстве, а электроны в меньшинстве.

Когда чистый полупроводник легируется трехвалентной примесью (B, Al, In, Ga), три валентных электрона примеси связываются с тремя из четырех валентных электронов полупроводника.

.

Серийный номер	Внутренний полупроводник	Внешний полупроводник
1.	Полупроводник в чистом виде называется собственным полупроводником	Полупроводник, легированный примесью, называется внешним полупроводником
2.	Здесь сменные носители производятся только за счет термического перемешивания	Здесь сменные носители производятся из-за примесей, а также могут производиться из-за термического перемешивания
3.	Имеют низкую электропроводность	Имеют высокую электропроводность
4.	Имеют низкую рабочую температуру	Имеют высокую рабочую температуру
5.	При 0K уровень Ферми точно лежит между зоной проводимости и валентной зоной	При 0K уровень Ферми находится ближе к зоне проводимости в полупроводнике n-типа и ближе к валентной зоне в полупроводнике p-типа
	Примеры: Si, Ge и т. д.	Примеры: Si и Ge, легированные Al, In, P, As и т. д.

Применение полупроводников:

1. Полупроводники используются в ряде приложений.
2. Давайте посмотрим, как полупроводники используются в повседневной жизни. Почти все электронные устройства содержат полупроводники. Наша жизнь была бы совсем другой, если бы их не было.
3. Их надежность, компактность, низкая стоимость и регулируемая проводимость являются преимуществами.

Применение полупроводников в повседневной жизни:

1. Полупроводниковые приборы используются для изготовления датчиков температуры.
2. Используются в 3D-принтерах.
3. Микрочипы и беспилотные автомобили используют его.
4. Калькуляторы, солнечные батареи, компьютеры и другие электронные устройства используют этот материал.
5. Полупроводники используются для производства транзисторов и МОП-транзисторов, которые используются в качестве переключателей в электрических цепях.

Полупроводники в промышленном применении:

1. Физические и химические свойства полупроводников позволяют создавать технологические чудеса, такие как микрочипы, транзисторы, светодиоды и солнечные элементы.
2. Транзисторы и другие управляющие устройства, изготовленные из полупроводниковых материалов, создают микропроцессор, используемый для питания космических кораблей, поездов, роботов и других устройств.

Хотите продолжить чтение статей от DesignSpark?

Станьте участником, чтобы бесплатно получить неограниченный доступ ко всему контенту DesignSpark!

Зарегистрируйтесь, чтобы стать участником

Уже являетесь участником DesignSpark? Логин

Поделиться этой записью

thumb_upМне нравится star_borderПодписаться на статью

Привет, я студент электротехнического факультета. Сейчас работаю в магазине электроники. Я работаю там на электрических компонентах. Там я узнаю много полезных практических концепций. С другой стороны, я даю онлайн-обучение некоторым старшеклассникам. Я люблю электрические и электронные устройства и планирую получить степень магистра в области электроники.

Рекомендуемые статьи

Ваша следующая статья

 

Различные типы полупроводниковых устройств

В этой статье мы немного расскажем о полупроводниковых устройствах в целом, о некоторых широко известных типах полупроводниковых устройств и многих других аспектах полупроводников.

Описание

Введение

За последние 70 лет полупроводники стали ключевым элементом в производстве электроники. С момента изобретения транзистора мир электроники всегда был на экспоненциальной кривой с точки зрения исследований, разработок, производства, появления новых устройств и технологий.

Электронные устройства предназначены для обработки информации, т. е. высокоскоростной передачи, сбора и обработки в областях промышленности и производства, связи, искусства, медицины и даже в военном деле.

Но все это можно отнести к сердцу современной электроники и ее производства: полупроводниковым приборам.

Несмотря на то, что электронная система изготавливается с помощью металлов, изоляторов и полупроводников (подробнее об этом позже), полупроводники считаются основой электроники.

[адсенс1]

Что такое полупроводник?

Прежде чем перейти к обсуждению различных типов полупроводниковых устройств, важно иметь представление о том, что такое полупроводник.

Проще говоря, полупроводники — это материалы, которые не являются ни проводниками, ни изоляторами. Немного расширив это, материалы классифицируются на проводники, изоляторы и полупроводники в зависимости от их способности проводить электричество.

Проводники представляют собой материалы с очень хорошей электрической пропускной способностью. Обычно металлы имеют хорошую электропроводность, и вы можете найти медь или алюминий в электропроводке вашего дома.

Изоляторы, напротив, представляют собой материалы с очень плохой электропроводностью. Стекло, дерево и бумага — хорошие примеры изоляторов.

Теперь давайте поговорим о важной категории материалов для нашего обсуждения, а именно о полупроводниках. При комнатной температуре полупроводники представляют собой материалы с более низкой электропроводностью, чем у проводников, но с более высокой электропроводностью, чем у изоляторов.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для более подробного понимания полупроводников вам придется углубиться в прекрасную сложную квантовую механику, которая «определенно» выходит за рамки этого обсуждения.

[адсенс2]

Полупроводниковые материалы

Говоря об электропроводности в единицах Ом ^-1 см ^-1 , полупроводниковыми материалами являются материалы с электропроводностью от 10 ^-9 Ом ^-1 см ^-1 до 10 ² Ом ^-1 см ^-1 .

Традиционно элементы группы IV, такие как кремний (Si) и германий (Ge), считаются элементарными полупроводниковыми материалами, т. е. полупроводниками только с одним видом атомов.

Существуют и другие типы полупроводниковых материалов, которые могут быть образованы путем объединения элементов группы III с элементами группы V, и они известны как составные полупроводники. Арсенид галлия (GaAs) является самым известным полупроводниковым материалом в этой категории и фактически уступает кремнию как наиболее часто используемый полупроводниковый материал.

Что такое полупроводниковые устройства?

Проще говоря, полупроводниковые устройства — это тип электронных компонентов, которые спроектированы, разработаны и изготовлены на основе полупроводниковых материалов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs).

С момента их использования в конце 1940-х (или начале 1950-х годов) полупроводники стали основным материалом в производстве электроники и ее вариантов, таких как оптоэлектроника и термоэлектроника.

До использования полупроводниковых материалов в электронных устройствах в электронных компонентах использовались электронные лампы. Основное различие между электронными лампами и полупроводниковыми устройствами заключается в том, что в электронных лампах проводимость электронов происходит в газообразном состоянии, а в случае полупроводниковых устройств это происходит в «твердом состоянии».

Полупроводниковые устройства могут быть представлены как в виде дискретных компонентов, так и в виде интегральных схем.

Почему полупроводники?

Основной причиной использования полупроводниковых устройств (и, следовательно, лежащих в их основе полупроводниковых материалов) при производстве электронных устройств и компонентов является возможность легко управлять проводимостью носителей заряда, т. е. электронов и дырок.

Как упоминалось ранее, электропроводность полупроводниковых материалов находится между проводниками и изоляторами. Даже эта проводимость может дополнительно контролироваться внешними или внутренними факторами, такими как электрическое поле, магнитное поле, свет, температура и механические искажения.

Пока игнорируя внешние факторы, такие как температура и свет, процесс, называемый легированием, обычно применяется к полупроводниковым материалам, когда в их структуру вводят примеси для изменения структурных, а также электрических свойств.

Чистый полупроводник известен как собственный полупроводник, а нечистый или легированный полупроводник известен как внешний полупроводник.

Когда число свободных электронов в полупроводниковой структуре увеличивается после легирования, полупроводник известен как полупроводник n-типа. Точно так же, если отверстия увеличены, он известен как полупроводник p-типа.

Различные типы полупроводниковых устройств

Ниже приводится небольшой список некоторых широко используемых полупроводниковых устройств. В зависимости от физической структуры устройства в следующем списке представлены устройства с двумя терминалами и устройства с тремя терминалами.

Двухконтактные полупроводниковые устройства

• Диод
• Диод Шоттки
• Светоизлучающий диод (LED)
• ДИАК
• Стабилитрон
• Фотодиод (фототранзистор)
• PIN-диод
• Лазерный диод
• Туннельный диод
• Фотоэлемент
• Солнечная батарея
• Диод Ганна
• ИМПАТ Диод
• Диод TVS (диод подавления переходных напряжений)
• VCSEL (вертикальный поверхностно-излучающий лазер)

Трехвыводные полупроводниковые приборы

• Биполярный транзистор
• Полевой транзистор
• Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
• Транзистор Дарлингтона
• Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)
• Триак
• Тиристор
• Однопереходный транзистор

Есть также несколько четырехконтактных полупроводников, таких как оптопара (фотопара) и датчик Холла.