Увеличение проводимости полупроводников происходит с повышением температуры, так как этому способствует рост количества носителей заряда. Зависимость проводимости полупроводников представляется как:
Где E является энергией активации, k – постоянной Больцмана. Около абсолютного нуля все полупроводники становятся изоляторами. Зависимость их сопротивления от температуры позволяет применять в различных областях техники.
Термисторы
Определение 1
Приборы, которые основываются на зависимости величины сопротивления от температуры, называются термисторами.
Для их производства применяют полупроводники, обладающие существенной величиной отрицательного сопротивления. Их изготавливают в форме цилиндрических стержней, бусин, нитей, располагаемых в баллончиках из стекла, керамики или металла с изоляцией.
Параметры, характеризующие термисторы:
- наличие сопротивления с t = 20 ° C ;
- температурный коэффициент сопротивления при t = 20 ° C ;
- время тепловой инерции – временной промежуток, за который сопротивление термистора изменяется до определенной величины;
- максимальная температура эксплуатации;
- теплоемкость.
По предназначению термисторы классифицируют на:
- Измерительные. Применяют для получения данных о температуре и влажности воздуха. Ток, пропускаемый через него, имеет малую величину, поэтому не способен вызвать заметный разогрев термистора. Температура меняется вместе с температурой окружающей среды.
- Прямого подогрева. Изменение сопротивления происходит за счет джоулева тепла. Его использование способствует стабилизировать напряжение при существенных колебаниях и небольших токах, как в телефонных линиях. Применение позволяет поддерживать постоянство сопротивления электросетей. (Термисторы обладают отрицательным температурным коэффициентом, а остальные металлические элементы – положительным). Они способны заменить движковые реостаты. Данный тип термисторов способен производить нарастание тока в цепи.
- Косвенного подогрева. Нагревание производится за счет внешнего источника. Применяются в качестве сигнализации о перегреве отдельных частей машины.
Добро пожаловать на лекцию о полупроводниках! В этой лекции мы рассмотрим основные свойства полупроводников, их применение в электронике, солнечных батареях, лазерах, транзисторах и светодиодах. Полупроводники играют важную роль в современных технологиях и являются основой для создания различных электронных устройств. Давайте начнем и изучим все эти интересные аспекты полупроводников вместе!
Нужна помощь в написании работы?
Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Основные свойства полупроводников
Полупроводники – это материалы, которые обладают промежуточными свойствами между проводниками и диэлектриками. Они имеют способность проводить электрический ток, но при этом их проводимость не настолько высока, как у металлов.
Зачем нужны полупроводники?
Основные свойства полупроводников:
Проводимость
Полупроводники могут проводить электрический ток, но их проводимость зависит от различных факторов, таких как температура и примеси. При низкой температуре полупроводники могут быть практически непроводящими, но при повышении температуры и добавлении примесей их проводимость увеличивается.
Полупроводниковый зазор
У полупроводников есть особенность – у них есть запрещенная зона энергии, называемая полупроводниковым зазором. Это энергетическая область, в которой нет свободных электронов и дырок, и поэтому электрический ток не может свободно протекать. Чтобы полупроводник стал проводником, необходимо преодолеть этот зазор, например, путем нагревания или добавления примесей.
Дырки и электроны
В полупроводниках могут существовать два типа носителей заряда: электроны и дырки. Электроны – это отрицательно заряженные частицы, которые могут свободно двигаться по полупроводнику. Дырки – это положительно заряженные “отсутствия” электронов, которые также могут двигаться по полупроводнику. Дырки играют важную роль в проводимости полупроводников.
Примеси
Добавление примесей в полупроводники позволяет изменять их проводимость. Примеси могут быть либо донорными, добавляющими свободные электроны, либо акцепторными, создающими дырки. Это позволяет создавать полупроводники с различными электрическими свойствами и использовать их в различных электронных устройствах.
Суть полупроводников
Полупроводниковые устройства могут демонстрировать ряд полезных свойств, таких как показывать переменное сопротивление, легче пропускать ток в одном направлении, чем в другом, и реагировать на свет и тепло. Их фактическая функция включает усиление сигналов, переключение и преобразование энергии. Таким образом, они находят широкое применение почти во всех отраслях промышленности, а компании, производящие и тестирующие их, считаются отличными индикаторами состояния экономики в целом.
Вообще говоря, полупроводники делятся на четыре основные категории продукции:
Память
Микросхемы памяти служат временным хранилищем данных и передают информацию в мозг компьютерных устройств и из него. Консолидация рынка памяти продолжается, в результате чего цены на память настолько низки, что лишь несколько гигантов, таких как Toshiba, Samsung и NEC, могут позволить себе остаться в игре.
Микропроцессоры
Это центральные процессоры, которые содержат базовую логику для выполнения задач. Доминирование Intel в сегменте микропроцессоров вытеснило почти всех конкурентов (за исключением Advanced Micro Devices — AMD) с основного рынка в более мелкие ниши или разные сегменты в целом.
Товарная интегральная схема
Иногда их называют «стандартными чипами», они производятся огромными партиями для повседневной обработки. Этот сегмент, в котором доминируют очень крупные азиатские производители микросхем, предлагает мизерную прибыль, с которой могут конкурировать только крупнейшие полупроводниковые компании.
Комплекс SOC
«Система на кристалле» («System on a Chip» — SOC) — это, по сути, создание микросхемы интегральной схемы с возможностью использования всей системы. Рынок вращается вокруг растущего спроса на потребительские товары, сочетающие в себе новые функции и более низкие цены. Поскольку двери на рынки памяти, микропроцессоров и товарных интегральных схем плотно закрыты, сегмент SOC, пожалуй, единственный, у кого осталось достаточно возможностей для привлечения широкого круга компаний.
Полупроводниковая промышленность
Успех в полупроводниковой промышленности зависит от создания более компактных, быстрых и дешевых продуктов. Преимущество малого размера заключается в том, что на один и тот же чип можно поместить больше энергии. Чем больше транзисторов на микросхеме, тем быстрее она выполняет свою работу. Это создает жесткую конкуренцию в отрасли, а новые технологии снижают стоимость производства одного чипа, так что в течение нескольких месяцев цена нового чипа может упасть на 50%.
Это привело к закономерности, названной законом Мура, который гласит, что количество транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года. Это наблюдение названо в честь Гордона Мура, соучредителя Fairchild Semiconductor и Intel, который написал статью с описанием этого в 1965 году. В настоящее время период удвоения часто составляет 18 месяцев — цифру, которую приводит исполнительный директор Intel Дэвид Хаус.
В результате на производителей микросхем постоянно оказывается давление, чтобы они изобрели что-то лучше и даже дешевле, чем то, что определяло современное состояние всего несколько месяцев назад. Поэтому полупроводниковым компаниям необходимо поддерживать большие бюджеты на исследования и разработки. Ассоциация исследования рынка полупроводников IC Insights сообщила, что 10 крупнейших полупроводниковых компаний потратили в среднем 13,0% продаж на НИОКР в 2017 году, в диапазоне от 5,2% до 24,0% для отдельных компаний.
Традиционно полупроводниковые компании контролировали весь производственный процесс, от проектирования до производства. Тем не менее, многие производители микросхем теперь делегируют все больше и больше продукции другим представителям отрасли. Литейные компании, единственной сферой деятельности которых является производство, в последнее время вышли на передний план, предлагая привлекательные варианты аутсорсинга. Помимо литейных заводов, ряды дизайнеров, специализирующихся на производстве, и тестировщиков микросхем начинают пополняться. Компании по производству микросхем становятся все более экономичными и эффективными. Производство чипов теперь напоминает кухню ресторана изысканной кухни, где повара выстраиваются в очередь, чтобы добавить в смесь нужные специи.
В 1980-е производители микросхем жили с доходностью (количество работающих устройств от всего произведенного) 10-30%. Сегодня некоторые производители микросхем стремятся к доходности 80–90%. Это требует очень дорогих производственных процессов. В результате многие компании, производящие полупроводники, занимаются проектированием и маркетингом, но предпочитают отдать часть или все производство на аутсорсинг. Известные как производители микросхем без фабрики, эти компании имеют высокий потенциал роста, поскольку они не обременены накладными расходами, связанными с производством или «изготовлением».
Что такое полупроводники. Объясняем простыми словами
Полупроводники — кристаллические вещества (химические элементы, соединения и сплавы), которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (изоляторами).
Полупроводники в нормальном состоянии проводят небольшое количество тока или не проводят вообще. Но с ростом температуры или под действием света начинают лучше пропускать электрические заряды. Также проводимость полупроводников меняется при введении примеси — этот процесс называется «легирование».
Самый известным полупроводник — кремний (Si).
Ключевые современные полупроводниковые устройства — процессоры и иные микросхемы.
Полупроводники есть как почти во всех девайсах, которыми мы ежедневно пользуемся, так и в крупной промышленной, медицинской и другой технике: смартфонах, компьютерах, телевизорах, автомобилях, аппаратах ИВЛ, космических спутниках и т. п.
Пример употребления на «Секрете»
«Из-за дефицита полупроводников Минпромторг хочет организовать в России собственное производство кристаллов для радиоэлектронной аппаратуры. Тендер на проведение опытно-конструкторских работ (ОКР) для выращивания монокристаллов арсенида галлия и германия (GaAs и GeAs) диаметром 100 и 150 мм объявили в конце сентября. На работы выделяют 1,2 млрд рублей в течение четырёх лет».
Вскоре после того как весной 2020 года на фоне пандемии коронавируса автопроизводители сократили заказы, во всём мире возникла нехватка чипов для электроники. Как [объяснил] (https://secretmag.ru/news/deficit-mikroskhem-dobralsya-do-rossiiskogo-avtoproma.htm) генеральный директор научно-производственного предприятия ИТЭЛМА Евгений Горелик, цикл производства микросхем превышает шесть месяцев и предусматривает выращивание кремниевых кристаллов. Из-за специфики производства кристаллов производители запускают процесс выращивания раз в квартал, а некоторые и вовсе раз в год. При этом обычно их производят в большом количестве, а затем отправляют одну часть в корпусы, а вторую часть — на склад. За первый год пандемии запасы производителей кристаллов сократились до нуля.
Кроме коронавируса, повлиял рост спроса со стороны производителей других товаров, особенно бытовой электроники. Затем на поставках сказались [ледяной шторм в Техасе] (https://secretmag.ru/news/v-ssha-krupnye-zavody-priostanovili-rabotu-iz-za-anomalnykh-kholodov-i-snegopadov.htm), который остановил работу некоторых производителей микросхем из-за сбоев в подаче электроэнергии, и пожар на фабрике чипов компании Renesas в Японии.
Дефицит полупроводников заставил сразу несколько крупных производителей отказаться от полноценного выпуска автомобилей. Например, по этой причине General Motors пришлось на неделю приостановить производство электромобилей Chevrolet Bolt и Bolt EUV. О нехватке сообщали Ford, Honda и другие компании. В результате в России [очереди] (https://secretmag.ru/news/ocheredi-za-avtomobilyami-v-rossii-dostigli-kolossalnykh-razmerov-15-09-2021.htm) на новые иномарки достигли колоссальных размеров.
Мировой дефицит добрался и до российского автопрома. Некоторое время автозаводы покрывали нехватку чипов из складских запасов, но к лету нехватка стала заметной проблемой. Завод Volkswagen в России неоднократно [приостанавливал] (https://secretmag.ru/news/volkswagen-snova-priostanovit-zavod-v-rossii-iz-za-nekhvatki-chipov-02-09-2021.htm) работу. АвтоВАЗ также в течение лета несколько раз прекращал производство некоторых моделей.
Из-за дефицита пришлось [отложить] (https://secretmag.ru/news/obyazatelnuyu-ustanovku-glonass-otlozhili-iz-za-deficita-mikroskhem-24-08-2021.htm) обязательную установку системы ГЛОНАСС на выпускаемых на территории Европейского экономического союза (ЕАЭС) автомобилях.
В компании Boston Consulting Group (BCG) ожидают, что стабилизация наступит не раньше второго полугодия 2022-го.
Военные требуют кремния
Германиевые транзисторы стали огромным прорывом. Тем не менее, у них было как минимум два существенных недостатка — они сильно нагревались и не могли работать на высоких температурах. Забегая вперед, отметим, что и для современных интегральных микросхем германий не подходит. Физики знали, что гораздо более удобным полупроводником является кремний. Об этом было известно и военным, которые требовали разработать универсальные и жаропрочные кремниевые транзисторы.
Квалифицированных ученых в США в те годы было очень мало — с 1946 по 1948 год американские университеты выпустили всего 416 физиков и 378 математиков. Фундаментальная наука в стране как отрасль только зарождалась — до Второй Мировой государство почти не финансировало ученых, и им приходилось заниматься сугубо практическими и быстро коммерциализируемыми исследованиями для нужд промышленности, а почти все прорывные теоретические открытия совершались в Европе. Именно Вторая Мировая война, в начале которой Америка заметно отставала в технологиях от Германии, побудила Вашингтон создать первые федеральные программы поддержки фундаментальных исследований.
Количество ученых в США вскоре возросло во много раз, что быстро сделало их мировым лидером во многих отраслях науки. Однако этот эффект проявился лишь через десятилетие. А в 1950-х инновационными исследованиями могли заниматься всего несколько сотен человек на всю огромную страну. Потеряв группу специалистов, компания могла утратить инновацию Поэтому главным механизмом конкуренции стало переманивание ученых.
В 1952 году компания Texas Instruments «схантила» у Bell химика Гордона Тила. В 1954 году он помог техасским инженерам создать первый кремниевый транзистор. Это открытие стало большим сюрпризом. Тил произвел огромный фурор на одной из научных конференций по радиоэлектронике сухой репликой: «несмотря на то, что коллеги рассказывали вам о безрадостных перспективах кремниевых транзисторов, у меня в кармане лежит несколько таких». А затем показал преимущества своего изобретения, обмокнув усилитель работающего музыкального проигрывателя в масло — при этом музыка не остановилась. Именно этот транзистор можно считать прямым предком подавляющего большинства микросхем, окружающих нас.
Эти новые кремниевые транзисторы от Texas Instruments были адаптированы для использования в военной аппаратуре: бортовых радарах, средствах связи и навигационном оборудовании. К концу 1950-х они сделали Texas Instruments лидером отрасли и главным получателем военных госзаказов в сфере электроники. Очень вовремя — из-за Холодной войны в ВПК потекли огромные деньги. Их продажи выросли с нескольких сотен тысяч долларов в 1954 году до более чем 80 миллионов долларов в 1960 году.
В следующей статье мы расскажем о создании микрочипа, рождении современной Кремниевой долины, а также о состоянии полупроводниковой индустрии сегодня.
О сервисе Онлайн Патент
Онлайн Патент — цифровая система № 1 в рейтинге Роспатента. С 2013 года мы создаем уникальные LegalTech‑решения для защиты и управления интеллектуальной собственностью. Зарегистрируйтесь в сервисе Онлайн‑Патент и получите доступ к следующим услугам:
- Онлайн‑регистрация программ, патентов на изобретение, товарных знаков, промышленного дизайна;
- Подача заявки на внесение в реестр отечественного ПО;
- Опции ускоренного оформления услуг;
- Бесплатный поиск по базам патентов, программ, товарных знаков;
- Мониторинги новых заявок по критериям;
- Онлайн‑поддержку специалистов.
Больше статей, аналитики от экспертов и полезной информации о интеллектуальной собственности в России и мире ищите в нашем Телеграм‑канале.
Получите скидку в 1000 рублей на первый заказ. Подробнее в закрепленном посте
Полупроводниковые приборы
Полупроводнико́вые прибо́ры, электронные приборы, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках (ПП). В электронике полупроводниковые приборы используются в устройствах для обработки электрических сигналов, а также для преобразования одних видов энергии в другие.
Полупроводниковые приборы разделяют на два больших класса: дискретные полупроводниковые приборы, конструктивно оформленные в виде отдельных самостоятельных устройств, и интегральные полупроводниковые приборы – активные элементы интегральных схем (преимущественно полевые транзисторы со структурой металл–оксид–полупроводник, или МОП-транзисторы, и биполярные транзисторы).
Дискретные полупроводниковые приборы различают по назначению, принципу действия, типу основного полупроводникового материала, конструкции и технологии, виду характеристик, областям применения. К основным классам таких полупроводниковых приборов относят:
- электропреобразовательные приборы;
- оптоэлектронные приборы;
- полупроводниковые СВЧ-приборы ( диоды Ганна , туннельные диоды , лавинно-пролётные диоды и др.);
- полупроводниковые детекторы ядерных излучений, термоэлектрические приборы, магнитоэлектрические приборы (например, преобразователи Холла);
- тензометрические приборы и др.
Электропреобразовательные приборы служат для преобразования электрических сигналов ( полупроводниковые диоды , в том числе варикапы , стабилитроны , диоды Шоттки , транзисторы, тиристоры и др.). Оптоэлектронные приборы преобразуют световые сигналы в электрические и наоборот ( фоторезисторы , фотодиоды , фототранзисторы, фототиристоры, солнечные элементы, полупроводниковые лазеры , светоизлучающие диоды , приборы с зарядовой связью ). Термоэлектрические приборы преобразуют тепловую энергию в электрическую и наоборот ( термоэлемент , термоэлектрический генератор , терморезистор и т. п.). Тензометрические приборы изменяют своё электрическое сопротивление вследствие деформации, вызываемой приложенными к нему механическими напряжениями.
В зависимости от применяемого полупроводникового материала различают германиевые , кремниевые , арсенид-галлиевые и другие приборы.
По конструктивным и технологическим признакам полупроводниковые приборы разделяют на точечные и плоскостные. Плоскостные, в свою очередь, делят на сплавные, диффузионные, мезапланарные, планарные, эпипланарные и т. п. В основе технологии большей части полупроводниковых приборов лежат такие основные процессы, как защита поверхности полупроводника тонкой плёнкой диэлектрика , фотолитография , диффузия примесей и ионное легирование , нанесение тонких плёнок. Полупроводниковые приборы выпускают в металлокерамических или пластмассовых корпусах, защищающих приборы от внешних воздействий (исключение составляют бескорпусные ПП приборы).
Малые габаритные размеры, масса и потребляемая мощность, высокая надёжность и механическая прочность способствовали распространению полупроводниковых приборов и быстрому развитию полупроводниковой электроники .
К началу 2010-х гг. номенклатура полупроводниковых приборов, выпускаемых промышленностью во всех странах мира, насчитывала свыше 100 тыс. типов приборов различного назначения, работающих как на самых низких частотах (порядка долей Гц), так и в миллиметровом диапазоне (до нескольких ТГц и более), в диапазоне рабочих мощностей от мкВт до нескольких кВт. В 2020 г. объём производства продукции полупроводниковой промышленности в денежном выражении составлял $440,4 млрд.
Редакция технологий и техники
Опубликовано 29 сентября 2022 г. в 10:05 (GMT+3). Последнее обновление 29 сентября 2022 г. в 10:05 (GMT+3). Связаться с редакцией
Будущее за графеном?
Основной претендент на смену кремнию, по мнению многих экспертов, это графен. Этот новый полупроводниковый материал, открытый в 2004 году, является особой формой углерода (C).
Сейчас разрабатывается транзистор на базе графена, который может работать в трех различных режимах. Для аналогичной задачи в кремниевом чипе, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их кремниевые аналоги.
Еще одним важным преимуществом графеновых транзисторов является их способность работать на высоких частотах. Как заявляют некоторые ученые специалисты, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.
Однако многообещающие технологии на базе графена пока еще находятся на стадии исследований и разработок. Время покажет, сколько они еще таят в себе подводных камней. Ну, а кремний все еще остается рабочей лошадкой в современной электронике, и не спешит сдавать позиции.
Автору данного ресурса огромная благодарность за содержательный и наглядный материал статей. Думаю многие, посещавшие ваш сайт, со мной согласятся — неопытному человеку намного проще и понятнее постигать знания имея под рукой подробные и понятные иллюстрации. Сайт мне очень понравился и был весьма полезен!
Поддерживаю предыдущего автора. Благодарю за доступное изложение материала.
Все гениальное — просто.
Спасибо за теплые слова. Буду стараться дальше )
ну ребят как мок нах@й
Автор, исправь текст и нагни раком своего учителя по русскому языку!
1) На заре полупроводниковой техники применяли жёлтый цинкит — природый полупроводник, а не германий. Потом пришли на смену окись меди и селен. Так что германий — это не заря — так как им занялись уже имея в багаже развитую зонную теорию и общие представления о роли примесей.
2) В далёком 1928 году Лосев припаял «хороший» кристалл прироного цинкита к монете и прижал к нему две стальные иглы — и получил первый «трёхэлектродный кристадин», первый на планете транзистор. Тогдаже он изучил многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, но в своей публикации через год упомянул лишь двух- и трёхэлектродные кристадины. Потом в ходе исследования цинкитных кристадинов впервые сформулировал зонную теорию, и пришёл к выводу что технологически доступный полупроводник с воспроизводимыми свойствами должен быть кристаллическим, элементарным, легкоплавким, узкозонным — чем и инициировал исследование серого селена и серого олова — ближайшего родственника германия. А в компании Белл создали лишь первый на планете транзистор с воспроизводимыми параметрами.
3) Полупроводниковая технология графена похоже вряд ли будет реализована вообще, ввиду его крайней нетехнологичности, роднящей его с цинкитом. Скорее всего кремний будет вытеснен арсенидом галлия, и этот процесс идёт уже сегодня.
очень хорошо написано спосибо огромное
спасибо всем я хочу чтобы вы тоже делали ставки на футбол-на вершине победы
Замечательный материал, все понятно и доступно, спасибо!
