Свойства полупроводников: особенности, виды и применение

Каковы основные свойства полупроводников. Какие виды полупроводников существуют. Как работают полупроводниковые приборы. Где применяются полупроводники в современной электронике.

Что такое полупроводники и их основные свойства

Полупроводники — это материалы, электропроводность которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их основные свойства:

• Проводимость зависит от температуры — при нагревании она увеличивается
• Наличие двух типов проводимости — электронной и дырочной
• Сильная зависимость проводимости от примесей
• Способность образовывать p-n переходы
• Фотопроводимость — изменение проводимости под действием света

Эти уникальные свойства полупроводников делают их незаменимыми материалами для создания различных электронных приборов и устройств.

Виды полупроводниковых материалов

Существует несколько основных видов полупроводников:

• Элементарные полупроводники — кремний, германий
• Полупроводниковые соединения — арсенид галлия, антимонид индия
• Органические полупроводники — полиацетилен, фуллерены
• Оксидные полупроводники — оксид цинка, диоксид титана

Наиболее широко в электронике применяются кремний и германий, а также соединения типа AIIIBV (арсенид галлия, фосфид индия и др.).

Зонная теория полупроводников

Свойства полупроводников объясняются с помощью зонной теории твердого тела. Согласно этой теории:

• В полупроводниках существует запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости
• Ширина запрещенной зоны определяет электрические свойства
• При 0 К полупроводник является диэлектриком
• С ростом температуры электроны переходят в зону проводимости

Ширина запрещенной зоны для кремния составляет 1,12 эВ, для германия — 0,67 эВ. Это позволяет электронам относительно легко переходить в зону проводимости.

Собственная и примесная проводимость полупроводников

Различают два основных типа проводимости полупроводников:

1. Собственная проводимость — обусловлена тепловой генерацией носителей заряда в чистом полупроводнике
2. Примесная проводимость — возникает при добавлении примесей и бывает:
• Электронная (n-тип) — при добавлении донорных примесей
• Дырочная (p-тип) — при добавлении акцепторных примесей

Примесная проводимость значительно выше собственной и широко используется в полупроводниковых приборах.

P-n переход и его свойства

P-n переход — это область контакта полупроводников с разным типом проводимости. Его основные свойства:

• Односторонняя проводимость тока
• Нелинейность вольт-амперной характеристики
• Наличие потенциального барьера
• Зависимость емкости перехода от напряжения
• Температурная зависимость параметров

P-n переходы лежат в основе работы большинства полупроводниковых приборов — диодов, транзисторов, тиристоров и др.

Основные полупроводниковые приборы

На основе полупроводников созданы различные электронные приборы:

• Диоды — выпрямители, стабилитроны, варикапы
• Транзисторы — биполярные, полевые
• Тиристоры
• Фотоэлементы и светодиоды
• Термисторы и варисторы
• Интегральные микросхемы

Эти приборы нашли широчайшее применение в современной электронике, вычислительной технике, энергетике и других областях.

Применение полупроводников в электронике

Основные области применения полупроводниковых приборов:

• Компьютерная техника — процессоры, память, видеокарты
• Мобильные устройства — смартфоны, планшеты
• Бытовая электроника — телевизоры, аудиотехника
• Системы связи — мобильная связь, спутниковые системы
• Солнечная энергетика — фотоэлектрические преобразователи
• Светотехника — светодиодные источники света

Полупроводники стали основой современной электроники и во многом определили ее бурное развитие в последние десятилетия.

Перспективы развития полупроводниковых технологий

Основные направления развития полупроводниковой электроники:

• Дальнейшая миниатюризация элементов
• Освоение новых полупроводниковых материалов
• Создание гибридных и органических полупроводников
• Развитие оптоэлектроники и фотоники
• Квантовые вычисления на основе полупроводников

Полупроводниковые технологии продолжают стремительно развиваться, открывая новые возможности для электроники будущего.

Получение и свойства полупроводников

Способов получения чистых и примесных полупроводниковых материалов очень много: наиболее совершенный и широко применяемый способ очистки полупроводниковых материалов — способ «зонной плавки». При зонном плавлении слиток «грязного» полупроводника, полученный тем или иным способом, помещается в чистую графитовую лодочку, заключенную в кварцевую трубу; по этой трубе непрерывно проходит инертный газ, например аргон, который препятствует попаданию в трубу извне нежелательных примесей и воздуха. При помощи узкого кольцевого нагревателя добиваются плавления небольшой части слитка и медленно перемещают расплавленную зону вдоль него. На границе твердой и жидкой фаз большинство примесей диффундирует из твердой фазы в жидкую за счет большей растворимости в жидкой фазе и уносится расплавленной зоной к концу слитка. При повторении этого процесса несколько раз получается очень чистый слиток, у которого отламывается грязный конец. После зонной плавки слиток поступает в дальнейшую плавку, где в него вводят необходимые примеси в нужных количествах. Наиболее распространенный метод «вытягивания монокристаллов из расплава», именуемый методом Чохральского, заключается в следующем. При медленном вытягивании затравки (кусочек монокристалла данного полупроводника) из расплава, который также находится в инертном газе, расплавленный полупроводник постепенно выкристаллизовывается на ее поверхности, образуя при этом монокристалл. В процессе вытягивания кристалла из расплава для достижения однородности растущего кристалла и равномерного перемешивания введенных в расплав примесей часто дают затравке и тиглю с расплавом вращательное движение в разные стороны, причем устанавливается очень точный контроль температуры расплава. После того как монокристалл вытянут из расплава, ему дают постепенно остыть, затем проверяют его электрические параметры и пускают в производство,

Свойства полупроводников

Под действием внешних факторов, таких, как тепло, свет, электрическое и магнитное поля, проводимость полупроводников может резко изменяться. Выше было указано, как изменяется электропроводность полупроводников под действием тепла. Это свойство используется для создания полупроводниковых термосопротивлений (терморезисторов), которые очень чувствительны к изменению температуры и используются для измерения и стабилизации температуры с большой точностью.
Большинство полупроводниковых материалов изменяют свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения, т. е. имеют нелинейную вольт-амперную характеристику, и при определенных напряжениях могут становиться проводниками. Это свойство используется для создания нелинейных полупроводниковых сопротивлений — варисторов, а также вилитовых сопротивлений, которые используются в вентильных разрядниках.
Наличие градиента температуры в полупроводнике вьвдвает перемещение свободных зарядов из горячего участка полупроводников, где концентрация их и скорость движения больше, в холодный участок.
Если носителями тока являются электроны, то они переносят свой заряд в холодный участок, заряжая его отрицательным электричеством, тогда как горячий участок полупроводника, потерявший часть своих электронов, окажется заряженным положительно, что создает между горячим и холодным участками термо-э. д. с. В полупроводниках же с дырочной проводимостью горячий участок окажется заряженным отрицательно, а холодный — положительно. Этот эффект называется термоэлектричеством и используется для создания термоэлементов и термогенераторов, которые превращают тепловую энергию в электрическую.
В замкнутой цепи из двух различных полупроводников при прохождении тока один спай полупроводников будет нагреваться, а другой — охлаждаться. Один и тот же спай двух полупроводников при одном направлении тока нагревается, при другом — охлаждается. Это явление — явление Пельтье — используется для создания холодильников, термостатов и т. п.
Под влиянием света проводимость полупроводника также может резко изменяться. Это вызывается тем, что свет определенной длины волны сообщает электронам, находящимся в запрещенной зоне, энергию, достаточную, чтобы перевести электрон из валентной зоны, в зону проводимости (или с валентных уровней в зону проводимости) в зависимости от длины волны света; при этом образуется пара электрон — дырка. Свойство полупроводника изменять проводимость под действием света, или фотопроводимость, применяется для создания фоторезисторов, чувствительных не только к видимому участку спектра, но и к инфракрасным лучам.
При частичном освещении полупроводника между освещенным и неосвещенным участками возникает фото-э. д. с, причем разность потенциалов зависит от интенсивности освещения. Фото-э. д. с. используется для создания фотоэлементов без источников питания, а также солнечных батарей, которые превращают солнечную энергию непосредственно в электрическую.
Полупроводник при данной внешней температуре находится в состоянии термодинамического равновесия. В простейшем случае при воздействии света в кристалле образуются неравновесные пары элек трон — дырка (или неосновные носители тока). После прекращения действия света неравновесные пары электрон — дырка рекомбинируют. Среднее время, в течение которого в кристалле существует неравновесная пара, называется «временем жизни» неравновесных носителей. Величина эта очень чувствительна к структурным дефектам кристалла: чем выше время жизни, тем совершеннее кристалл. Эта величина определяется по скорости затухания во времени добавочной проводимости, созданной освещением кристалла:

где

— начальная электрическая проводимость; — проводимость после прекращения освещения; t — время; — время жизни неосновных носителей тока.
Если поместить однородный прямоугольный образец полупроводника в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, протекающему по образцу, то на боковых гранях возникает поперечная разность потенциала, называемая э. д. с. Холла (рис. 5-25), равная:

где

-холловская разность потенциалов; R -коэффициент Холла; I-ток через образец; В-магнитная индукция; d — толщина пластинки в направлении магнитного поля.
В общем виде коэффициент Холла определяется выражением

где b — отношение подвижностей.
В частных случаях для резко выраженных типов полупроводников коэффициент Холла равен:

Эффект Холла позволяет определять тип проводимости полупроводника (по знаку возникающей между точками А к В разности потенциалов) и концентрацию носителей. Кроме того, можно определять величину подвижности носителей тока. Для этой цели нужно знать величину электропроводности данного полупроводника. Для полупроводника резко выраженного типа подвижность равна:

Эффект Холла используется для измерения магнитной индукции постоянных и переменных полей, тока и мощности в электрических цепях, преобразования постоянного тока в переменный, модуляции сигналов переменного тока, детектирования и усиления сигналов, генерирования электрических колебаний и т. п.
Наиболее важной особенностью некоторых полупроводников является выпрямляющее свойство контакта между двумя полупроводниками, имеющими разнородную проводимость (электронную и дырочную), или полупроводника с металлом. Сущность этого явления сводится к тому, что на границе соприкосновения двух полупроводников (или на границе полупроводника с металлом) образуется тонкий слой, обладающий свойством пропускать электроны в одном направлении и препятствовать прохождению их в обратном направлении. Этот слой называют запирающим. Это свойство используется для изготовления полупроводниковых вентилей, фотоэлементов с запирающим слоем и фотодиодов. Более сложные сочетания между разнотипными полупроводниками дают возможность получить полупроводниковые триоды и тетроды для генерирования и усиления электрических колебаний.
Ряд полупроводников обладает специфическими свойствами, позволяющими использовать их для создания различных полупроводниковых приборов. К таким свойствам относятся пьезоэлектрический и тензорезистивный эффекты, ферромагнитные и люминесцентные свойства и др.

Рис. 5-25. Поперечное поле, обусловленное эффектом Холла (полупроводник n-типа).

 

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

1. Свойства полупроводников : Hitachi High-Tech Corporation

Название «полупроводник» широко известно, но что такое полупроводники?
Полупроводники обладают особыми электрическими свойствами. Вещество, которое проводит электричество, называется проводником, а вещество, которое не проводит электричество, называется изолятором.

Полупроводники — это вещества со свойствами где-то между ними.
Электрические свойства могут быть обозначены удельным сопротивлением. Такие проводники, как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Такие изоляторы, как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и через них плохо проходит электричество. Полупроводники имеют свойства где-то между этими двумя. Например, их удельное сопротивление может меняться в зависимости от температуры. При низкой температуре через них практически не проходит электричество. Но при повышении температуры через них легко проходит электричество.
Полупроводники, почти не содержащие примесей, почти не проводят электричество. Но когда к полупроводникам добавляют какие-то элементы, через них легко проходит электричество.
Полупроводники, состоящие из одного элемента, называются элементарными полупроводниками, включая знаменитый полупроводниковый материал кремний. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах и т. д.

Группа энергии

Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.
Электроны не могут вращаться вокруг ядра на любом расстоянии в атомном пространстве, окружающем ядро, но разрешены только определенные, очень специфические орбиты, и они существуют только на определенных дискретных уровнях. Эти энергии называются энергетическими уровнями. Большое количество атомов собирается, образуя кристалл, и взаимодействует в твердом материале, тогда энергетические уровни становятся настолько близко расположенными, что образуют полосы. Это энергетический диапазон.

Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своей зонной структурой. Их полосовые структуры показаны на рисунке ниже.

В металлах зона проводимости и валентная зона расположены очень близко друг к другу и могут даже перекрываться с энергией Ферми （Eｆ） где-то внутри. Это означает, что в металле всегда есть электроны, которые могут свободно двигаться и, следовательно, всегда могут переносить ток. Такие электроны известны как свободные электроны. Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.

В полупроводниках и изоляторах валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной энергетической щелью (Eg) достаточной ширины, а энергия Ферми (Eｆ) находится между валентной зоной и зоной проводимости. Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен набрать достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть через запрещенную зону. Как только это будет сделано, он может проводить.

В полупроводниках при комнатной температуре ширина запрещенной зоны меньше, тепловой энергии достаточно, чтобы позволить электронам довольно легко перепрыгивать через щель и совершать переходы в зоне проводимости, учитывая ограниченную проводимость полупроводника. При низкой температуре ни один электрон не обладает достаточной энергией, чтобы занять зону проводимости, и, следовательно, движение заряда невозможно. При абсолютном нуле полупроводники являются идеальными изоляторами. Плотность электронов в зоне проводимости при комнатной температуре не так высока, как в металлах, поэтому они не могут проводить ток так же хорошо, как металл. Электропроводность полупроводника не такая высокая, как у металла, но и не такая плохая, как у электрического изолятора. Вот почему этот тип материала называется полупроводником, что означает полупроводник.

Ширина запрещенной зоны для изоляторов велика, поэтому очень немногие электроны могут перепрыгнуть через нее. Следовательно, ток в изоляторах протекает с трудом. Разница между изоляторами и полупроводниками заключается в размере энергии запрещенной зоны. В изоляторе, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электропроводность изолятора очень плохая.

Полупроводниковый кристалл, используемый для ИС и т. д., представляет собой монокристаллический кремний высокой чистоты 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для контроля электрических свойств.

В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и p-типа.

Пятивалентный фосфор (P) или мышьяк (As) добавляют к кремнию высокой чистоты для полупроводников n-типа. Эти примеси называются донорами. Энергетический уровень донора расположен близко к зоне проводимости, то есть энергетическая щель мала. Затем электроны на этом энергетическом уровне легко возбуждаются в зону проводимости и вносят свой вклад в проводимость.

С другой стороны, трехвалентный бор (B) и т. д. добавляют в полупроводник р-типа. Это называется акцептор. Энергетический уровень акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны в валентной зоне. В результате в валентной зоне образуются дырки, что способствует проводимости.

Страница 1 из 6

• Следующая Страница
• Последняя страница

1. Свойства полупроводников
2. Полупроводники в повседневной жизни
3. Кремний полупроводниковый материал
4. История полупроводников
5. Интегральная схема (ИС)
6. Semiconductor
   Силовые устройства и МЭМС

1. Процесс производства полупроводников
2. Semiconductor
   — Метрология и контроль
3. Полупроводник
   — Точность и прецизионность
4. CD-SEM — Что такое критический размер SEM?
5. Система контроля дефектов пластин
6. Обзор SEM
   — Что такое Обзор SEM?
7. Система травления
   — Что такое система травления?

1. Глоссарий

Ссылки по теме

Оборудование для производства полупроводников

Индекс по устройствам: Hitachi High-Tech

Полевое решение

Полупроводниковая комната

Связанная информация

Свяжитесь с нами: Оборудование для производства полупроводников

Свяжитесь с нами

Предыдущая страница

Наверх

Полупроводник — свойства, типы и использование

Распространяйте любовь

Мы все могли бы услышать это слово «полупроводники» правильно!!! Здесь мы собираемся в подробной статье, посвященной свойствам, типам и использованию полупроводников. Чтобы понять свойства полупроводникового материала , мы должны знать некоторые основные принципы, связанные с полупроводниковым материалом. Мы также знаем типы полупроводников и используют полупроводники.

Итак, мы будем учиться шаг за шагом для лучшего понимания.

Содержание

• 1 Что такое полупроводниковый материал?
• 2 Каковы свойства полупроводников?
  • 2.1 Энергетическая зона полупроводника
  • 2.2 Влияние температуры на полупроводник
• 3 Обычно используемые полупроводниковые материалы
• 4 Типы полупроводников 9(-4) до 0,5 Ом·м.

  После изобретения транзистора, использующего полупроводниковые материалы, он заменил почти все электронные лампы. Из-за некоторых полезных свойств полупроводниковых материалов создаются многие электронные устройства, которые чрезвычайно полезны в электрических цепях. Диод, транзистор, MOSFET, TRIAC, DIAC и некоторые другие устройства являются примерами, где используются полупроводники.

  Обратите внимание, что полупроводник определяется не только удельным сопротивлением. Полупроводники обладают некоторыми свойствами, которые мы сейчас изучим.

  Каковы свойства полупроводников?

  Все основные свойства полупроводникового материала перечислены ниже:

  ⇒ Удельное сопротивление полупроводникового материала больше, чем у изолятора, и меньше, чем у проводника.

  ⇒ Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления т.е. сопротивление полупроводника уменьшается с повышением температуры и наоборот . Например, германий на самом деле является изолятором при низких температурах, но становится хорошим проводником при высоких температурах.

  ⇒ Когда в полупроводник добавляется подходящая металлическая примесь (, например, мышьяк, галлий и т. д.), его токопроводящие свойства заметно изменяются.

  ⇒ Электрические свойства полупроводника : полупроводники в нейтральном состоянии ведут себя как плохие проводники, но есть некоторые способы пропускания тока через полупроводники. Легируя полупроводник, он ведет себя как проводящий материал и позволяет току проходить через него.

  ⇒ В некоторых полупроводниках возбужденные электроны могут расслабляться, излучая свет, а не выделяя тепло. Эти полупроводники используются при изготовлении светодиодов. что является оптическим свойством полупроводника.

  Мы можем лучше понять свойства полупроводника по энергетическому диапазону.

  Энергетическая зона для полупроводников

  Полупроводники – это материалы, проводимость которых находится между проводником и изолятором. Мы можем понять это с помощью теории энергетических зон. В полупроводниках энергетическая зона почти заполнена, а зона проводимости почти пуста. Нам требуется некоторая энергия для перемещения электронов из валентной зоны в зону проводимости.

  В полупроводнике энергетическая щель очень мала, как показано на рисунке. [В изоляторе энергетическая щель настолько велика, что электрон не может пройти через эту щель. В проводниках валентная зона и зона проводимости перекрывают друг друга, что означает, что между ними нет промежутка. ] Короче говоря, полупроводник имеет

  • Лента с наполнителем
  • Пустая лента проводимости
  • Небольшая энергетическая щель (около 1 эВ)

  При низкой температуре валентная зона полупроводника полностью заполнена, а зона проводимости пуста, поэтому он ведет себя как изолятор или плохой проводник. При высокой температуре или даже при комнатной температуре часть электронов переходит в зону проводимости с образованием валентной зоны. Они увеличивают проводимость полупроводника. С повышением температуры проводимость полупроводника увеличивается.

  Влияние температуры на полупроводник

  Проводимость полупроводникового материала изменяется при изменении температуры. Это может быть важным моментом для полупроводникового материала. Здесь мы подробно видим о влиянии температуры на полупроводник. Мы увидим влияние на полупроводник двух температур.

  1. При температуре абсолютного нуля : При температуре абсолютного нуля все электроны прочно удерживаются атомами полупроводника. При этой температуре ковалентные связи настолько сильны, что свободных электронов нет. Поэтому при этой температуре полупроводниковый кристалл ведет себя как изолятор.

  2. При температуре выше абсолютного нуля : При повышении температуры некоторые ковалентные связи разрываются из-за тепловой энергии. Разрыв связей создает свободные электроны. Таким образом, в полупроводнике существует несколько электронов, которые могут пропускать через него ток. Это также называется «с повышением температуры сопротивление полупроводника уменьшается».

  Обычно используемые полупроводниковые материалы

  Существует много полупроводников, но некоторые из них имеют практическое применение в электронике. Кремний (Se) и германий (Ge) широко используются в качестве полупроводников. Эти полупроводники широко используются, потому что энергия, необходимая этим двум материалам для высвобождения электрона из их валентной зоны, слишком мала. Кремнию требуется 1,1 эВ, а германию требуется 0,7 эВ для высвобождения электрона из их зоны проводимости. Кремний и германий являются основными образцами полупроводников.

  Вы также можете обратиться к этой книге по энергосистеме в формате pdf для дальнейшего изучения. Скачать – vk Mehta book pdf

  Типы полупроводников

  Полупроводники обычно делятся на два типа:

  • Собственные полупроводники
  • Внешний полупроводник

  Теперь подробно пройдемся по типам полупроводников.

  Собственный полупроводник

  Полупроводник в чрезвычайно чистой форме называется собственным полупроводником.

  В собственном полупроводнике электронно-дырочная пара создается даже при комнатной температуре. В этом типе полупроводника, когда напряжение приложено между этим материалом, ток проходит через материал из-за свободных электронов и дырок. Вы можете обратиться к этому рисунку.

  Свободные электроны образуются в результате разрыва ковалентной связи под действием тепловой энергии. В то же время в ковалентной полосе образуются отверстия. Следовательно, полный ток, проходящий через полупроводник, представляет собой сумму тока электронов и дырок.

  Ток, проходящий через внешний провод, зависит только от электрона. Так что вы можете подумать, что насчет дыр? Верно!!!. Для этого обратитесь к рисунку выше, дырки, будучи положительно заряженными, движутся к отрицательной клемме B. Когда дырки достигают отрицательной клеммы, электроны входят в дырки, тем самым нейтрализуя их. В то же время на клемме А электроны притягиваются от атома к клемме батареи. Следовательно, новые отверстия создаются на терминале А и повторяют этот процесс. Таким образом, основным свойством собственного полупроводника является то, что ток проходит через этот тип полупроводника как дырками, так и электронами.

  Внешние полупроводники

  Внутренние полупроводники имеют плохую проводимость при комнатной температуре. Для увеличения их проводимости в полупроводниковый материал добавляют примеси. Этот тип полупроводника, имеющий некоторые примеси, называется внешним полупроводником.

  Процесс добавления примесей в полупроводник называется легированием. Основная цель этого состоит в том, чтобы увеличить количество электронов или дырок в полупроводниковом кристалле. В зависимости от добавленных примесей можно выбрать полупроводник р-типа или n-типа.

  При добавлении пятивалентной примеси в полупроводниковый материал в полупроводнике образуется большое количество свободных электронов. Этот тип полупроводников называется полупроводниками n-типа. Вы также можете указать разницу между полупроводниковым материалом p-типа и n-типа.

  При добавлении трехвалентной примеси в полупроводниковый материал в полупроводнике образуются дыры. Этот тип полупроводника называется полупроводником n-типа.

  Итак, здесь свойство внешнего полупроводника состоит в том, что ток проходит через полупроводник только электронами.

  Использование полупроводников

  Полупроводники чрезвычайно полезны при изготовлении электронных устройств. Полупроводники используются для изготовления диодов, BJT, MOSFET, фотоэлементов, UJT, JFET, TRIAC, DIAC и многих других. Транзистор, изготовленный из полупроводника, широко используется в качестве электрического переключателя в цепях. Он также используется в схеме усилителя. Полупроводники используются в солнечных технологиях. Датчик температуры, используемый в кондиционерах, выполнен на полупроводниковых приборах. Вы должны проверить это подробное применение полупроводника

  Заключение

  Надеюсь, вы знаете все об основных свойствах и типах полупроводников. Мы видели, что полупроводник — это материал, проводимость которого находится между проводником и изолятором. Полупроводники имеют плохую проводимость при низких температурах. С повышением температуры электропроводность материала увеличивается. Кремний и германий (Ge) — распространенные полупроводники, которые широко используются в электронике.

  Мы можем легко контролировать проводимость полупроводникового материала, что полезно для изготовления из него таких устройств. Диод, транзистор, полевой МОП-транзистор, фотоэлемент и другие устройства изготовлены из полупроводниковых материалов.