Типы полупроводников: ключевые характеристики и применение в современной электронике

Что такое полупроводники и чем они отличаются от проводников и изоляторов. Какие бывают основные типы полупроводников. Как используются полупроводники в электронных устройствах. Каковы перспективы развития полупроводниковых технологий.

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 их проводимость сильно зависит от внешних условий и может значительно меняться. Какие же основные свойства характерны для полупроводников?

• Увеличение электропроводности при повышении температуры (в отличие от металлов)
• Высокая чувствительность к примесям, которые могут кардинально изменить свойства
• Способность проводить ток как электронами, так и «дырками» (положительно заряженными квазичастицами)
• Изменение проводимости под действием света (фотопроводимость)
• Способность генерировать электрический ток при освещении (фотоэлектрический эффект)

Благодаря этим уникальным свойствам полупроводники нашли широчайшее применение в современной электронике и лежат в основе работы большинства электронных устройств.

Классификация полупроводников: основные типы и их характеристики

Полупроводники можно классифицировать по различным признакам. Какие же основные типы полупроводников выделяют?

По химическому составу:

• Элементарные полупроводники (кремний, германий)
• Полупроводниковые соединения (арсенид галлия, нитрид галлия)
• Органические полупроводники

По типу проводимости:

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

По ширине запрещенной зоны:

• Узкозонные (InSb, InAs)
• Среднезонные (Si, Ge, GaAs)
• Широкозонные (GaN, SiC, алмаз)

Каждый тип полупроводников имеет свои особенности и области применения. Например, широкозонные полупроводники используются для создания мощных высокочастотных транзисторов и светодиодов синего и ультрафиолетового диапазонов.

Собственные и примесные полупроводники: в чем разница?

Одним из ключевых различий между типами полупроводников является деление на собственные и примесные. В чем же заключается их принципиальное отличие?

Собственные (или чистые) полупроводники — это полупроводниковые материалы в максимально очищенном виде, без добавления каких-либо примесей. Их проводимость определяется только собственными свойствами материала. Типичными примерами являются сверхчистые кремний и германий.

Примесные полупроводники получают путем добавления в чистый полупроводник очень небольшого количества примесей (процесс называется легированием). Это позволяет кардинально изменить электрические свойства материала. Различают два основных типа примесных полупроводников:

• n-типа — с преобладанием электронной проводимости
• p-типа — с преобладанием дырочной проводимости

Примесные полупроводники обладают гораздо более высокой проводимостью по сравнению с собственными и широко используются в электронных компонентах.

Полупроводники n-типа и p-типа: принцип работы и применение

Полупроводники n-типа и p-типа являются основой современной полупроводниковой электроники. Как же они работают и где применяются?

Полупроводники n-типа:

Получаются путем добавления в чистый полупроводник примесей с большим числом валентных электронов (например, фосфор или мышьяк в кремний). Это приводит к появлению избыточных свободных электронов. Основные носители заряда — электроны.

Полупроводники p-типа:

Создаются легированием примесями с меньшим числом валентных электронов (например, бор или галлий в кремний). Это приводит к образованию «дырок» — положительно заряженных квазичастиц. Основные носители заряда — дырки.

Комбинация полупроводников n-типа и p-типа позволяет создавать p-n переходы — основу работы большинства полупроводниковых приборов:

• Диодов
• Транзисторов
• Солнечных элементов
• Светодиодов

Понимание принципов работы полупроводников n-типа и p-типа критически важно для развития современной электроники.

Ключевые полупроводниковые материалы в современной электронике

Хотя существует множество полупроводниковых материалов, некоторые из них играют особенно важную роль в современной электронике. Какие же полупроводники наиболее широко используются сегодня?

Кремний (Si):

Самый распространенный полупроводник, основа большинства интегральных схем. Преимущества:

• Дешевизна и доступность
• Хорошо изученные технологии производства
• Возможность создания высококачественного диэлектрика (оксида кремния)

Германий (Ge):

Исторически первый широко использовавшийся полупроводник. Сегодня применяется в специализированных областях:

• Высокочастотные транзисторы
• Инфракрасная оптика
• Детекторы ядерного излучения

Арсенид галлия (GaAs):

Широко используется в оптоэлектронике и высокочастотных устройствах:

• Светодиоды и лазерные диоды
• Солнечные элементы для космических аппаратов
• СВЧ-транзисторы

Нитрид галлия (GaN):

Перспективный широкозонный полупроводник:

• Мощные высокочастотные транзисторы
• Синие и ультрафиолетовые светодиоды
• Лазерные диоды для оптических накопителей

Каждый из этих материалов имеет свои уникальные свойства и области применения, что делает их незаменимыми в современной электронной промышленности.

Применение полупроводников в современных электронных устройствах

Полупроводники лежат в основе работы практически всех современных электронных устройств. Где же конкретно они находят применение?

Компьютерная техника:

• Процессоры
• Оперативная память
• Твердотельные накопители (SSD)

Мобильные устройства:

• Микропроцессоры для смартфонов и планшетов
• Модули беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth, сотовая связь)
• Дисплеи на органических светодиодах (OLED)

Энергетика:

• Солнечные панели
• Силовые полупроводниковые приборы в системах преобразования энергии

Автомобильная электроника:

• Системы управления двигателем
• Сенсоры различного назначения
• Светодиодное освещение

Бытовая техника:

• Системы управления в «умной» бытовой технике
• Инверторные системы в холодильниках и кондиционерах

Это лишь небольшая часть примеров применения полупроводников. Их роль в современном мире трудно переоценить — они стали неотъемлемой частью практически всех сфер нашей жизни.

Перспективы развития полупроводниковых технологий

Полупроводниковая промышленность продолжает активно развиваться. Какие же основные тенденции и перспективные направления можно выделить?

Уменьшение размеров транзисторов:

Продолжается миниатюризация полупроводниковых структур. Ведутся разработки технологий производства транзисторов размером менее 3 нм.

Трехмерные интегральные схемы:

Развитие технологий 3D-интеграции позволяет создавать более компактные и энергоэффективные микросхемы.

Новые полупроводниковые материалы:

• Графен и другие двумерные материалы
• Нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) для силовой электроники
• Перовскиты для солнечных элементов

Квантовые вычисления:

Разработка полупроводниковых квантовых битов (кубитов) для создания квантовых компьютеров.

Нейроморфные вычисления:

Создание полупроводниковых структур, имитирующих работу нейронов для эффективной обработки данных в системах искусственного интеллекта.

Гибкая электроника:

Развитие технологий производства гибких полупроводниковых устройств для носимой электроники и «умной» одежды.

Эти направления открывают новые горизонты для развития электроники и обещают революционные изменения в различных сферах — от мобильных устройств до медицины и энергетики.

Виды полупроводников и их использование

В промышленности и энергетической микроэлектронике широкое распространение получили различные виды полупроводников. С их помощью, одна энергия может превращаться в другую, без них не будут нормально работать многие электронные устройства. Существует большое количество типов данных элементов, в зависимости от принципа их работы, назначения, материала, конструктивных особенностей. Для того, чтобы понять порядок действия полупроводников, необходимо знать их основные физические свойства.

Содержание

Свойства и характеристики полупроводников

Основные электрические свойства полупроводников позволяют рассматривать их, как нечто среднее, между стандартными проводниками и материалами, не проводящими электрический ток. Полупроводниковая группа включает в себя значительно больше разных веществ, чем общее количество проводников и диэлектриков.

Широкое распространение в электронике получили полупроводники, изготовленные из кремния, германия, селена и прочих материалов. Их основной характеристикой считается ярко выраженная зависимость от воздействия температуры. При очень низких температурах, сравнимых с абсолютным нулем, полупроводники приобретают свойства изоляторов, а при повышении температуры, их сопротивление уменьшается с одновременным повышением проводимости. Свойства этих материалов могут изменяться и под действием света, когда происходит значительное увеличение фотопроводности.

Полупроводники преобразуют световую энергию в электричество, в отличие от проводников, не обладающих этим свойством. Кроме того, увеличению электропроводности способствует введение в полупроводник атомов определенных элементов. Все эти специфические свойства позволяют использовать полупроводниковые материалы в различных сферах электроники и электротехники.

Виды и применение полупроводников

Благодаря своим качествам, все виды полупроводников разделяются на несколько основных групп.

Диоды. Включают в себя два кристалла из полупроводников, имеющих разную проводимость. Между ними образуется электронно-дырочный переход. Они производятся в различном исполнении, в основном, точечного и плоского типа. В плоских элементах, кристалл германия сплавлен с индием. Точечные диоды состоят из кристалла кремния и металлической иглы.

Транзисторы. Состоят из кристаллических полупроводников в количестве трех штук. Два кристалла обладают одинаковой проводимостью, а в третьем, проводимость имеет противоположное значение. Они называются коллектором, базой и эмиттером. В электронике, транзистор усиливает электрические сигналы.

Тиристоры. Представляют собой элементы, преобразующие электричество. Они имеют три электронно-дырочных перехода с вентильными свойствами. Их свойства позволяют широко использовать тиристоры в автоматике, вычислительных машинах, приборах управления.

Чем полупроводник отличается от изоляторов и проводников

Типы проводимости полупроводников

По своей способности проводить электрический ток, полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. Проводимость этих материалов существенно меняется под влиянием внешних факторов. Такими факторами могут быть, например, температура или количество примесей. В данной статье мы будем рассматривать влияние примесей на проводимость кремния(Si), самого популярного полупроводника в производстве электронных компонентов.

Кристаллическая решетка кремния

В обычном состоянии, атомы кремния образуют кристаллическую решетку

. На внешней электронной оболочке атома находятся четыре электрона. С их помощью, устанавливается ковалентная связь с четырьмя соседними атомами. Каждый электрон в такой связи принадлежит двум атомам одновременно. Таким образом, у каждого атома на внешней электронной оболочке находиться восемь электронов. В результате, поскольку последний уровень электронной оболочки оказывается завершенным, у атома очень трудно забрать его электроны и материал ведет себя как диэлектрик (не проводит электрический ток).

Легирование полупроводников

Для того чтобы повысить проводимость полупроводников, их специально загрязняют примесями – атомами химических элементов с другим значением валентности. Примеси с меньшим количеством валентных электронов, чем у полупроводника, называются акцепторами. Примеси с большей валентностью – донорами. Сам этот процесс называется легированием полупроводников. Примерное соотношение — один атом примеси на миллион атомов полупроводника.

Типы проводимости полупроводников

1. Электронная проводимость

Добавим в полупроводник кремния пятивалентный атом мышьяка (As). Посредством четырех валентных электронов, мышьяк установит ковалентные связи c четырьмя соседними атомами кремния. Для пятого валентного электрона не останется пары, и он станет слабо связанным с атомом.

Под действием электромагнитного поля, такой электрон легко отрывается, и вовлекается в упорядоченное движение заряженных частиц (электрический ток). Атом, потерявший электрон, превращается в положительно заряженный ион с наличием свободной вакансии — дырки.

Несмотря на присутствие дырок в полупроводнике кремния с примесью мышьяка, основными носителями свободного заряда являются электроны. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник с электронной проводимостью — полупроводником N-типа.

2. Дырочная проводимость

Введем в кристалл кремния трехвалентный атом индия (In). Индий установит ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами кремния. Для четвертого «соседа», у индия не хватает одного электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов кремния.

Атом индия превратиться в негативно заряженный ион, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия (дырка). В свою очередь, на это место может перескочить электрон из соседней ковалентной связи. В результате получается хаотическое блуждание дырок по кристаллу.

Если поместить полупроводник в электромагнитное поле, движение дырок станет упорядоченным, т.е. возникнет электрический ток. Таким образом, обеспечивается дырочная проводимость. Полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником P-типа.

PN–переход

Соединив вместе материалы P-типа и N-типа, на их стыке мы получим область электронно-дырочного перехода (PN -перехода). Происходящие внутри PN-перехода физические процессы между электронами дырками, легли в основу принципа работы полупроводниковых приборов.

Полупроводник — определение, типы, примеры, использование

Что такое полупроводник?

Полупроводник Материал представляет собой вещество, обладающее электропроводностью между проводниками и непроводниками или изоляторами. Это чистые элементы, такие как кремний, германий, олово, или такие соединения, как арсенид галлия (GaAs), оксид меди (Cu ₂ O) и оксид железа (FeO). В отличие от проводников электрическая проводимость в полупроводниках увеличивается с повышением температуры.

В присутствии примесей изолятор проявляет полупроводниковые свойства. Когда очень чистый кремний или германий легируется небольшим количеством другого элемента таблицы Менделеева, такого как бор, алюминий, фосфор, мышьяк или сурьма, образуется полупроводник n- или p-типа.

Кремний, германий и арсенид галлия являются наиболее распространенными типами полупроводников. Эти полупроводники используются в большинстве типов электронных устройств, таких как лазерные диоды, солнечные элементы, интегральные схемы и т. д.

Примеры полупроводников

Отличными примерами полупроводников являются нестехиометрические соединения. Нестехиометрическое соединение – это соединение, в котором количество катионов и анионов различно. Кристаллическая решетка имеет общую электронейтральность.

При недостатке катионов некоторые из катионов, присутствующих в кристаллической решетке, должны иметь более высокий положительный заряд. Оксид железа (FeO), сульфид железа (FeS) и оксид меди (Cu ₂ O) являются примерами нестехиометрических соединений с дефицитом катионов, которые действуют как полупроводники.

При дефиците анионов из-за избытка ионов металлов потерянные электроны захватываются решеткой. Оксид цинка (ZnO) и оксид кадмия (CdO) относятся к нестехиометрическим анион-дефицитным полупроводникам.

Свойства

Свойства полупроводников находятся между проводниками и изоляторами. Его можно получить, следуя зонной диаграмме:

• Изолятор или непроводник имеет полностью заполненную энергетическую зону или валентную зону, отделенную от следующей энергетической зоны или зоны проводимости конечной энергетической щелью. В такой ситуации электроны из заполненной энергетической зоны не могут перейти в следующую энергетическую зону.
• В полупроводнике энергетическая щель между заполненной зоной и вакантной зоной или зоной проводимости очень мала. Для возбуждения электронов с заполненного уровня на нижние уровни вакантной зоны требуется очень небольшое количество энергии или электрического поля. Дело в том, что полупроводник проявляет проводящие свойства.

Не обязательно, что только нестехиометрические соединения проявляют полупроводниковые свойства. Очень чистые элементы могут быть преднамеренно легированы небольшим количеством других элементов, чтобы создать дефицит числа электронов в кристаллической решетке. Когда очень чистый германий или кремний легируют мышьяком, получается полупроводник n-типа. Если очень чистый германий или кремний легировать галлием, он образует полупроводник р-типа.

Типы полупроводников

Полупроводники можно разделить на два типа: собственные и внешние полупроводники.

Собственные полупроводники

Проводник, который проводит электричество в очень чистой форме, называется собственным полупроводниковым материалом. Чистый германий (Ge) или чистый кремний (Si) являются наиболее распространенным типом собственных полупроводников. Они являются изоляторами при температуре абсолютного нуля, но проявляют свойства проводимости при повышении температуры.

При повышении температуры некоторые электроны перемещаются через решетку из-за столкновения. Эти свободные электроны и дырки отвечают за проводимость электричества в этих типах полупроводников.

Внешние полупроводники

Внешний полупроводниковый материал получают путем легирования определенной примесью для проведения через него электричества. Процесс добавления примесей в полупроводник называется легированием. Обычно свойства проводимости собственных полупроводников очень плохие, и мы не можем использовать их в электронных устройствах. Поэтому мы добавляем некоторые примеси в собственные полупроводники, чтобы улучшить свойства проводимости.

В зависимости от типа примесей или легирования примесные полупроводники бывают двух типов:

• полупроводник n-типа
• Полупроводник р-типа

полупроводник n-типа

полупроводник n-типа представляет собой внешний полупроводник, образованный при добавлении очень чистого кремния или германия к элементу периодической таблицы 15, такому как фосфор (P), мышьяк (As) или сурьма (Sb).

Кремний имеет четыре электрона, а фосфор имеет пять электронов на соответствующих внешних электронных оболочках. Поэтому каждое замещение кремния фосфором дает дополнительные выборы в кристаллической решетке кремния. Такие дополнительные электроны уходят в незаполненную энергетическую зону кремния. При приложении электрического поля эти электроны переносят ток и движутся внутри кристалла.

Нестехиометрические соединения с дефицитом анионов имеют избыточные ионы металлов вместе с электронами, захваченными внутри решетки. Эти электроны присутствуют на самых нижних уровнях или вакантных зонах нестехиометрических соединений. При приложении электрического поля электроны движутся внутри вакантной зоны, неся ток. Следовательно, они демонстрируют полупроводимость n-типа, где n указывает на отрицательно заряженные электроны. Нестехиометрические ZnO и CdO являются примерами полупроводников n-типа.

полупроводники р-типа

Полупроводник p-типа представляет собой внешний полупроводник, образованный при добавлении очень чистого кремния или германия к элементу периодической таблицы 13, такому как бор (B), алюминий (Al) или галлий (Ga).

Кремний имеет четыре электрона, а бор имеет три электрона на соответствующих внешних электронных оболочках. Когда чистый кремний легирован бором, на каждое замещение атома бора не хватает одного электрона. Там создают дырку за счет легирования бором. Отверстие, образовавшееся в кристаллической решетке, несет положительный заряд. Эти дырки движутся по решетке, демонстрируя полупроводимость. Это полупроводник p-типа, потому что дырка-носитель заряжена положительно.

Соединения с нестехиометрическим дефицитом катионов, такие как FeO, CoO, Cu ₂ O, имеют некоторые катионы с более высокими положительными зарядами. Это примеры соединений, которые проявляют полупроводимость р-типа.

Использование полупроводников

Полупроводниковые устройства, такие как диоды, микрочипы и транзисторы, широко используются благодаря своим небольшим размерам, твердотельным устройствам, легко переносимым и имеют меньшую входную мощность для работы. Они используются в нашей повседневной жизни для следующих целей:

• Полупроводники являются обычным компонентом, который мы использовали во многих электронных устройствах, таких как калькуляторы, мобильные телефоны, ноутбуки, солнечные технологии, машины для 3D-печати, датчики температуры, автоматические автомобили и т. д. Сегодня мы использовали легированный кремний или германий в большинстве типов полупроводников.
Полупроводники типа
• n и p используются для изготовления диодов, микросхем и транзисторов, таких как транзистор с биполярным переходом (BJT) и полевой транзистор (FET).
• Он играет важную роль в коммуникационных системах нашей повседневной жизни, таких как банкоматы, поезда и интернет-связь.
• Физические и химические свойства полупроводникового материала делают их пригодными для разработки светодиодных дисплеев, солнечных элементов, космических аппаратов, роботов и т. д.

Сколько типов полупроводников с примерами?

Электроника

Типы полупроводников

Типы полупроводников Предоставляется здесь.
Если вы хотите узнать о полупроводниках и их типах, то вы в правильном месте.
Давайте перейдем к делу.

По своим электрическим свойствам материалы можно разделить на три группы:

• Проводники
• Изоляторы
• Полупроводники

Когда атомы объединяются, образуя твердые кристаллические материалы, они располагаются в симметричном порядке. Атомы внутри кристаллической структуры удерживаются вместе ковалентными связями, которые создаются взаимодействием валентных электронов атомов. Кремний является кристаллическим материалом. Все материалы состоят из атомов. Эти атомы вносят вклад в электрические свойства материала, включая его способность проводить электрический ток.

В чем разница между проводниками и изоляторами?

Изоляторы:

Изолятор — это материал, который не проводит электрический ток при нормальных условиях. Большинство хороших изоляторов представляют собой составные, а не одноэлементные материалы, и имеют очень высокое удельное сопротивление. Валентные электроны прочно связаны с атомами: поэтому в изоляторе очень мало свободных электронов. Примерами изоляторов являются резина, пластик, стекло, слюда и кварц.

С точки зрения энергетических зон это означает, что изоляторы имеют:

• Полная валентная зона.
• Пустая зона проводимости.
• Большая энергетическая щель (в несколько эВ) между ними.

Для проведения проводимости электронам необходимо придать достаточную энергию для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Повышение температуры позволяет части электронов перейти в зону проводимости, чем и объясняется отрицательный температурный коэффициент сопротивления диэлектриков.

Полупроводники могут быть классифицированы как:

• Собственные или чистые полупроводники
• Внешние или нечистые полупроводники

Собственные полупроводники

Собственный полупроводник – это тот, который изготовлен из полупроводникового материала в его исключительно чистой форме.

Типичными примерами таких полупроводников являются чистый германий и кремний, которые имеют запрещенные энергетические зоны 0,72 эВ и 1,1 эВ соответственно. Энергетическая щель настолько мала, что даже при обычной комнатной температуре имеется много электронов, обладающих достаточной энергией, чтобы перепрыгнуть через небольшую энергетическую щель из валентной зоны в зону проводимости. Однако стоит отметить, что на каждый электрон, освобождающийся в зону проводимости, в валентной зоне создается положительно заряженная дырка.

Когда электрическое поле прикладывается к собственному полупроводнику при температуре выше 0°К, электроны проводимости перемещаются к аноду, а дырки в валентной зоне — к катоду. Следовательно, полупроводниковый ток состоит из движения электронов и дырок в противоположных направлениях в зоне проводимости и валентной зоне соответственно.

В качестве альтернативы собственный полупроводник можно определить как полупроводник, в котором количество электронов проводимости равно количеству дырок.

См. также: Полупроводники против сверхпроводников

Внешние полупроводники

Те собственные полупроводники, к которым в очень малых количествах добавлена ​​подходящая примесь или легирующий агент, называются внешними или примесными полупроводниками.

Обычно легирующие агенты представляют собой пятивалентные атомы, имеющие пять валентных электронов (сурьма, мышьяк, фосфор, висмут) или трехвалентные атомы, имеющие три валентности (галлий, индий, алюминий, бор).