Полупроводники что это простыми словами

Статья рассматривает основные свойства и применение полупроводников, а также описывает процесс изготовления этих материалов.

Полупроводники: ключевые компоненты современной электроники обновлено: 8 октября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Добро пожаловать на лекцию по материаловедению! Сегодня мы будем говорить о полупроводниках – уникальных материалах, которые играют важную роль в современной электронике. Полупроводники обладают особыми свойствами, которые позволяют им проводить электрический ток только в определенных условиях. В этой лекции мы рассмотрим определение полупроводников, их основные свойства, различные типы полупроводников, а также их применение в различных областях. Также мы кратко рассмотрим процесс изготовления полупроводников. Давайте начнем!

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.

Что такое полупроводник

Полупроводниками называются материалы, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Отсюда и название — полупроводник.

К современным полупроводниковым материалам относятся: германий Ge, кремний Si, арсенид галлия GaAs и др. Однако полупроводниковые приборы, широко распространенные в электронике, изготавливают в основном из кремния и германия, которые относятся к IV группе периодической таблицы Д.И. Менделеева, с примесями третьей (III) и пятой (V) групп: алюминия Al (III), бора B (III), индия In (III), мышьяка As (V), сурьмы Sb (V), фосфора P (V).

Производство полупроводников

Электрические свойства твердых тел весьма разнообразны. Вначале такие свойства определялись только по их способности пропускать электрический ток.

Твердые вещества разделялись на две группы — проводники и изоляторы. Затем было замечено, что многие твердые вещества не могут относиться ни к проводникам (металлам), ни к изоляторам (диэлектрикам), занимая между ними промежуточное положение.

По количественной оценке электропроводности такие вещества назвали полупроводниками, то есть плохими проводниками. Хотя впоследствии выяснилось, что полупроводники отличаются от проводников и изоляторов не только электропроводностью, это название сохранилось за ними и стало общепринятым.

Итак, так как наряду с проводниками электричества в природе существует много веществ, обладающих значительно меньшей электропроводимостью, чем металлические проводники. Вещества подобного рода называются полупроводниками.

Полупроводниковые материалы как класс веществ находятся между диэлектриками и металлами. В 1 см 3 полупроводника обычно содержится в 10 6 — 10 9 раз меньше электронов, чем в таком же объеме металла, и во столько же раз больше, чем в равнозначном объеме диэлектрика. Поэтому сопротивление полупроводника, хотя оно и намного меньше сопротивления диэлектрика, одновременно гораздо больше, чем сопротивление металла .

ПОЧЕМУ ПОЛУПРОВОДНИКИ КРУТЫЕ [РадиолюбительTV 34 ]

Существует еще одна особенность полупроводника, которую заметил в свое время Фарадей: с ростом температуры сопротивление полупроводника не растет, как это происходит в металлах, а уменьшается.

Несмотря на то что при росте температуры электроны чаще претерпевают соударения с другими электронами или с атомами решетки и скорость их движения в электрическом поле падает, наблюдается резкое увеличение концентрации свободных электронов (или электронов проводимости), так что плотность электрического тока в полупроводнике возрастает .

К полупроводникам относятся: некоторые химические элементы, например селен, кремний и германий, сернистые соединения, например сернистый таллий, сернистый кадмий, сернистое серебро, карбиды, например карборунд, углерод (алмаз), бор, серое олово, фосфор, сурьму, мышьяк, теллур, йод и ряд соединений, в состав которых входит хотя бы один из элементов 4 — 7-й групп системы Менделеева. Существуют также органические полупроводники.

Природа электрической проводимости полупроводника зависит от рода примесей, имеющихся в основном материале полупроводника, и от технологии изготовления его составных частей.

Полупроводник — вещество с электропроводностью 10 -10 — 10 4 (ом х см) -1 , находящееся по этим свойствам между проводником и изолятором. Различие между проводниками, полупроводниками и изоляторами по зонной теории заключается в следующем: в чистых полупроводниках и электронных изоляторах между заполненной зоной (валентной) и зоной проводимости находится запрещенная зона энергий.

Полупроводниковые приборы

История открытия и исследования полупроводников

Первые попытки применить полупроводники для выделения (детектирования, демодуляции) сигналов в радиотелеграфии и радиотелефонии были сделаны А. С. Поповым.

В 1900 — 1905 гг. ученые обратили внимание на детектирующие способности точечного контакта между кончиком металлической пружинки и кристаллами свинцового блеска (галенита), карбида кремния, кремния и теллура.

В 1926 г. Грондалем был создан медно-закисный (полупроводниковый) выпрямитель. В 30-х годах А. Ф. Иоффе начал широкие исследования свойств полупроводников, Я. И. Френкель объяснил механизм возбуждения в полупроводнике парных зарядов («электрон» и «дырка»).

В 1937 г. немецкие ученые Р. Хильш и Р. Поль обнаружили возможность управления током щелочно-галлоидных кристаллов, а в 1948 г. был создан первый точечный кристаллический триод для усиления колебании (Бардин и Браттейн). В 1949 г. Шокли заложил основы теории электронно-дырочного р— n -перехода. К концу 1952 г. были разработаны основные типы точечных и плоскостных транзисторов.

В течение последующих лет выполнено огромное количество исследований свойств полупроводников и достигнуты большие успехи в их практическом применении.

Почему полупроводники проводят ток

Полупроводник обладает электронной проводимостью, если в атомах его примеси внешние электроны относительно слабо связаны с ядрами этих атомов. Если в подобного рода полупроводнике создать электрическое поле, то под влиянием сил этого поля внешние электроны атомов примеси полупроводника покинут пределы своих атомов и превратятся в свободные электроны.

Свободные электроны создадут в полупроводнике электрический ток проводимости под влиянием сил электрического поля. Следовательно, природа электрического тока в полупрооводниках с электронной проводимостью та что и в металлических проводниках. Но так как свободных электронов в единице объема полупроводника во много раз меньше, чем в единице объема металлического проводника, то естественно, что при всех прочих одинаковых условиях ток в полупроводнике будет во много раз меньше, чем в металлическом проводнике.

Полупроводник обладает «дырочной» проводимостью, если атомы его примеси не только не отдают своих внешних электронов, но, наоборот, стремятся захватить электроны атомов основного вещества полупроводника. Если атом примеси отберет электрон у атома основного вещества, то в последнем образуется нечто вроде свободного места для электрона — «дырка».

Атом полупроводника, потерявший электрон, называют «электронной дыркой», или просто «дыркой». Если «дырка» заполняется электроном, перешедшим с соседнего атома, то она ликвидируется и атом становится нейтральным в электрическом отношении, а «дырка» смещается на соседний атом, потерявший электрон. Следовательно, если на полупроводник, обладающий «дырочной» проводимостью, воздействовать электрическим полем, то «электронные дырки» будут смещаться в направлении этого поля.

Смещение «электронных дырок» в направлении действия электрического поля аналогично перемещению положительных электрических зарядов в поле и, следовательно, представляет собой явление электрического тока в полупроводнике.

Полупроводники нельзя строго разграничивать по механизму их электрической проводимости, так как наряду с «дырочной» проводимостью данный полупроводник может в той или иной степени обладать и электронной проводимостью.

  • типом проводимости (электронный — n -тип, дырочный — р-тип);
  • удельным сопротивлением;
  • временем жизни носителей заряда (неосновных) или диффузионной длиной, скоростью поверхностной рекомбинации;
  • плотностью дислокаций.

Смотрите также: Вольт-амперные характеристики полупроводников

Кремний - наиболее распространенный полупроводниковый материал

Кремний — наиболее распространенный полупроводниковый материал

Температура оказывает существ, влияние на характеристики полупроводников. Повышение ее преимущественно приводит к уменьшению удельного сопротивления и наоборот, т. е. для полупроводников характерно наличие отрицательного температурного коэффициента сопротивления . Вблизи абсолютного нуля полупроводник становится изолятором.

Основой многих приборов служат полупроводники. В большинстве случаев они должны быть получены в виде монокристаллов. Для придания заданных свойств полупроводники легируют различными примесями. К чистоте исходных полупроводниковых материалов предъявляются повышенные требования.

Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые приборы

Термообработка полупроводников

Термообработка полупроводника — нагревание и охлаждение полупроводника по заданной программе с целью изменения его электрофизических свойств.

Изменяются: кристаллическая модификация, плотность дислокаций, концентрация вакансий или дефектов структуры, тип проводимости, концентрация, подвижность и время жизни носителей заряда. Последние четыре, кроме того, могут быть связаны с взаимодействием примесей и дефектов структуры или с диффузией примесей в объеме кристаллов.

Нагревание образцов германия до температуры >550°С последующим быстрым охлаждением приводит к появлению термоакцепторов в концентрациях тем больших, чем выше температуpa. Последующий отжиг при той же температуре восстанавливает первоначальное удельное сопротивление.

Вероятный механизм этого явления: растворение в решетке германия меди, диффундирующей с поверхности или ранее осажденной на дислокациях. Медленный отжиг приводит к осаждению меди на структурных дефектах и уходу ее из решетки. Возможно также и возникновение новых дефектов структуры при быстром охлаждении. Оба эти механизма могут уменьшать время жизни, что и устанавливается экспериментально.

В кремнии при температурах 350 — 500° происходит образование термодоноров в концентрациях тем больших, чем больше кислорода растворено в кремнии при выращивании кристалла. При более высоких температурах термодоноры уничтожаются.

Нагревание до температурр в пределах 700 — 1300° резко уменьшает время жизни неосновных носителей заряда (при > 1000° определяющую роль играет диффузия примесей с поверхности). Нагрев кремния при 1000—1300° оказывает влияние на оптическое поглощение и рассеяние света.

Применение полупроводников

В современной технике полупроводники нашли самое широкое применение, они оказали очень сильное влияние на технический прогресс. Благодаря им удается значительно уменьшить вес и габариты электронных устройств. Развитие всех направлений электроники приводит к созданию и совершенствованию большого количества разнообразной аппаратуры на полупроводниковых приборах. Полупроводниковые приборы служат основой микроэлементов, микромодулей, твердых схем и т. д.

Электронные устройства на полупроводниковых приборах практически безинерционны. Тщательно выполненный и хорошо герметизированный полупроводниковый прибор может служить десятки тыс. часов. Однако некоторые полупроводниковые материалы имеют малый температурный предел (например, германий), но не очень сложная температурная компенсация или замена основного материала прибора другим (например, кремнием, карбидом кремния) в значительной, степени устраняет и этот недостаток. Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых приборов приводит к уменьшению имеющихся еще разброса и нестабильности параметров.

Полупроводники в электронике

Полупроводники в электронике

Контакт полупроводник — металл и электронно-дырочный переход ( n -р-переход), созданный в полупроводниках, используются при изготовлении полупроводниковых диодов. Двойные переходы (р- n -р или n -р- n ) — транзисторов и тиристоров. Эти приборы в основном применяются для выпрямления, генерации и усиления электрических сигналов.

На основе фотоэлектрических свойств полупроводников создают фотосопротивления, фотодиоды и фототранзисторы. Полупроводник служит активной частью генераторов (усилителей) колебаний полупроводниковых лазеров. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов, что используется при создании светодиодов.

Светодиоды

Светодиоды

Термоэлектрические свойства полупроводников позволили создать термосопротивления полупроводниковые, термоэлементы полупроводниковые, термобатареи и термоэлектрические генераторы, а термоэлектрическое охлаждение полупроводников, на основе эффекта Пельтье, — термоэлектрические холодильники и термостабилизаторы.

Полупроводники используются в безмашинных преобразователях тепловой и солнечной энергии в электрическую — термоэлектрических генераторах, и фотоэлектрических преобразователях (солнечных батареях).

Механическое напряжение, приложенное к полупроводнику, изменяет его электрическое сопротивление (эффект сильнее, чем в металлах), что явилось основой тензометра полупроводникового.

Полупроводниковый диод - основы электроники

Полупроводниковые приборы получили широкое распространение в мировой практике, революционно преобразуя электронику, они служат основой при разработке и производстве:

  • измерительной техники, компьютеров,
  • аппаратуры для всех видов связи и транспорта,
  • для автоматизации процессов в промышленности,
  • устройств для научных исследований,
  • ракетной техники,
  • медицинской аппаратуры
  • других электронных устройств и приборов.

Применение полупроводниковых приборов позволяет создавать новую аппаратуру и совершенствовать старую, приводит к значит, уменьшению ее габаритов, веса, потребляемых мощностей, а значит, уменьшению выделения тепла в схеме, к увеличению прочности, к немедленной готовности к действию, позволяет увеличить срок службы и надежность электронных устройств.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Полупроводники что это простыми словами

Полупроводник — особый тип материала, который является основой для микрочипов. В статье разбираемся, как он устроен, и почему эта отрасль имеет решающее значение для всего мира.

Главной технологией 2021 года были далеко не метавселенные, блокчейн или танцующие (псевдо)роботы Илона Маска, недавно писал Wired. Ей оказалось то, что десятилетиями было скрыто от глаз, но продолжало двигать вперед целые индустрии — обычные кремниевые полупроводники. Те, что дали название Кремниевой долине, даже если сейчас она ассоциируется в основном с интернет-гигантами типа Amazon или Google, а не с производителями компьютеров вроде Intel.

Такой фокус на полупроводниках, которые существуют по меньшей мере полвека, связан с кризисом. Не успев оправиться после пандемии COVID-19 и карантинов, мир столкнулся с нехваткой этих полупроводников. Сыграли два фактора: во-первых, спрос на электронику при переходе на удаленку заметно вырос, во-вторых, на заводах по производству полупроводников работа временно останавливалась из-за аварий. Бум майнинга тоже размывал баланс спроса и предложения.

От кризиса пострадали буквально все отрасли. Хрестоматийный пример — автопром, ведь даже простые бензиновые машины содержат более 100 компонентов на основе этого материала, а продвинутые — свыше 1000.

Дефицит полупроводников, как ожидается, сохранится до 2023−2024 года. Их производство сейчас в основном сосредоточено в Азии, в «большой четверке» стран: Китае, Японии, Южной Корее и на Тайване. Однако заводы начинают строить по всему миру, потому что правительство осознало важность локализации технологии, которая раньше казалась сама собой разумеющейся.

При этом в бытовом плане понимание того, что такое полупроводники, для некоторых остается загадкой. В этой статье объясняем значение слова «полупроводник» и саму технологию.

Полупроводник — это особый материал

Самый популярный пример такого материала — кремний, а также химические элементы германий, селен, теллур, мышьяк и другие. В определенных условиях они могут проводить больше электричества, чем изоляторы (например, стекло, резина), но меньше, чем чистые проводники (медь или алюминий). Свойства полупроводников, в том числе кремния, можно усилить путем легирования — добавления различных примесей в исходный материал.

Процесс их изготовления и подготовки для дальнейшей работы сложный, включает много этапов. Кристаллы сверхчистого монокристаллического кремния выращиваются по методу Чохральского из расплавленного поликристаллического кремния (который, в свою очередь, получают из мелкого белого песка или кварцевого песка, очищенного от 99,9% других элементов). Уже после этого кристалл режется на тонкие пластины.

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.

Вывод.

На этом можно и заканчивать. Я постарался вкратце рассказать что есть полупроводник, а что — микросхема, а также немного покопаться и порассуждать на тему кризиса микросхем. И почему именно автомобильная промышленность об этом кризисе кричит больше всех. А вы, пожалуйста пишите в комментариях что думаете на эту тему, и сможет ли мир нарастить производство чтобы покрыть спрос. Не забываем подписываться на канал и поставить лайк, ссылки на все площадки в описании. Всем пока и до новых встреч!

Что такое полупроводник, транзистор, микросхема? И что такое кризис полупроводников? Разбираемся.

Редактор: Богомолов М.М.

Что такое полупроводники и почему они наше всё

Для начала немного физики. Полупроводники — это вещества с особыми свойствами проводимости электричества. На этих свойствах основана вся современная электроника — именно они позволяют модулировать, усиливать и направлять ток и обмениваться электросигналами.

Но сам по себе полупроводник — это всего лишь материал. Для того, чтобы использовать его особенности, инженеры разработали транзисторы — сложные миниатюрные устройства, управляющие током и преобразующие его. Главный элемент транзистора — p-n-переход (positive-negative), в одном монокристалле сформированы две области, отличающиеся механизмом электропроводности. А из комбинаций транзисторов состоят микросхемы, которые используют обмен сигналами между ними для вычислений.

Чаще всего в качестве полупроводников для транзисторов используют кремний — это самый удобный, дешевый и универсальный материал. Кремний для изготовления полупроводника должен быть очень чистым и состоять из одного кристалла. Поэтому материал для полупроводников выращивают в лабораториях, «вытягивая» расплавленное вещество.

Свойствами полупроводников обладают многие другие элементы и вещества, например германий, но в подавляющем большинстве случаев сегодня используется кремний. Для того, чтобы усилить особые свойства полупроводников, они обогащаются добавками — например, мышьяком. Добавление примесей — отдельная непростая задача, которую можно решить множеством способов.

Первые догадки

История покорения полупроводников началась в 1833 году, когда физик Майкл Фарадей заметил, что электропроводность сульфида серебра повышается при нагревании. Другие соли и металлы реагируют обратным образом — чем выше температура, тем хуже через них проходит ток. Через много лет Антуан Анри Беккерель заметил, что некоторые материалы меняют электропроводность под воздействием света.

В 1874 году Карл Фердинанд Браун обнаружил, что некоторые вещества изменяют электрическое сопротивление в зависимости от направления, величины и продолжительности тока. Это открытие привело к разработке технологии «выпрямления», то есть преобразования переменного тока в постоянный — именно такой механизм лежит в основании радиотехники. Примерно в то же время Артур Шустер сообщил о схожих результатах исследований контакта между проводами из чистой и окисленной меди — последняя здесь действует как полупроводник.

По сути, четыре эти открытия описывают основные свойства полупроводников. Но сущность этих свойств осталась для физиков XIX века загадкой — тогдашняя наука была не способна объяснить их. Исследовать полупроводники удалось лишь в 1920-1940-х годах, когда ученые смогли объяснить их устройство материалов на атомарном уровне.

Фундаментальные аспекты работы полупроводниковых электронных устройств

Устройство и принцип функционирования

Основы и рабочие особенности ПП-приборов будем рассматривать на примере простейшего из них – полупроводникового диода:

полупроводниковые диоды устройство

Конструктивно он состоит из двух зон с отличающейся проводимостью: n- (negative) и p- (positive) областей .

Проводимость n-области электронная – носители электрического заряда отрицательно заряженные электроны. Проводимость p-области дырочная – здесь носители электрозаряда дырки – атомы полупроводника, у которых отсутствует один электрон, имеющие такие образом положительный заряд. Место, где соприкасаются области p- и n-типа, называется p-n-переходом.

Обе области делают из ПП-материала (кремния, германия и других), а различная проводимость задаётся дополнительными примесями в составе (легированием):

  • для достижения электронной n-проводимости кристаллическая решетка легируется донорами – веществами, чьи атомы будут отдавать ей электрон;
  • для обеспечения p-проводимости осуществляется её легирование акцепторами, придающими ПП-кристаллу дырочный тип проводимости.
Доноры Акцепторы
Фосфор (P),
Мышьяк (As),
Сурьма (Sb),
реже медь (Cu),
Золото (Au)
Бор (B),
Индий (In),
Галлий (Ga),
Алюминий (Al)

Высокочистый ПП, лишенный примесей в составе, называется собственным полупроводником. Его электропроводимость невысока, ввиду одинакового количества носителей отрицательного (электронов) и положительного (дырок) заряда. Чтобы придать ему конкретный и ярко выраженный тип проводимости, его легируют донорами или акцепторами. Легированный полупроводник называется несобственным или примесным.

Место соприкосновения областей p- и n-типа называется p-n-переходом. Электрические процессы в p-n-переходе – основа работы множества полупроводников, включая диоды, биполярные транзисторы и прочие.

На p-n-переходе свободные электроны из богатой ими n-области переходят в p-область, где имеется недостаток электронов, а дырки из богатой ими p-области переходят в n-область. Этот процесс называется диффузией.

В тонком слое между областями с различной проводимостью образуется тонкий слой, имеющий запирающее электрическое поле E, отталкивающее от себя электроны в n-области и дырки в p-области. При подведении прямого напряжения (положительного потенциала к аноду и отрицательного к катоду), создающим внешнее электрополе E′, ширина запирающего внутреннего поля E уменьшится, и у носителей заряда появится возможность начать движение – в диоде возникнет электроток. При подведении обратного напряжения (когда «минус» подаётся на анод, а «плюс» – на катод) ширина внутреннего запирающего электрополя E, наоборот, увеличится, и проходящий ток практически будет отсутствовать (до момента электрического пробоя при превышении предельного обратного напряжения, после чего начнёт увеличиваться лавинообразно). Именно так и реализуется односторонняя проводимость диода и его выпрямительные свойства.

Вариативность полупроводниковых материалов

Здесь будут рассмотрены основные практически используемые в массовой электронике виды ПП-материалов и дано их сравнительное описание. Их архаичные представители, такие как закись меди, сульфат свинца, а также перспективные, но не использующие на практике, допустим, графен, рассматриваться не будут.

Кремний

Он самый широко используемый ПП-элемент. Незаменим при изготовлении практически любых электронных компонентов: диодов, транзисторов и микросхем. Является вторым по распространённости в земной коре элементом. Наиболее распространён в виде минерала кварца, являющегося одной из аллотропных модификаций оксида кремния. Почти по всем характеристикам превосходит другие материалы; полупроводниковые приборы на нём могут работать на частотах вплоть до десятков гигагерц, имея при этом низкую чувствительность к температуре и другим видам внешнего воздействия.

Германий

До 1970-х годов его применяли повсеместно для изготовления диодов и транзисторов. Для выпуска микросхем используется крайне ограниченно и, как правило, совместно с кремнием.

Германий имеет некоторые преимущества перед кремнием. Так, способность реагировать на внешнее электрическое поле, то есть коэффициент подвижности носителей заряда электронов и дырок в германии выше, чем в кремнии, приблизительно в три раза. Падение напряжение на p-n-переходе германиевого диода или транзистора составляет около 0.1÷0.3 вольта, тогда как в случае кремниевых элементов этот показатель равен 0.6÷0.7 вольт.

Основными минусами германия стали его относительная редкость и высокая стоимость, но, что главное, низкая теплопроводность, препятствующая эффективному отводу тепла от кристалла германиевого ПП-прибора и серьёзное ухудшение его параметров с ростом температуры. Сейчас он используется только для изготовления некоторых электронных приборов, работающих на сверхвысоких частотах, а также специальной оптики, стёкол и линз.

Арсенид галлия

Третий по объёму применения полупроводник. Изначально на его основе производили ПП-оптические приборы: светодиоды и твердотельные лазеры, но позже из него также стали изготавливать диоды, транзисторы и микросхемы. Электроника на основе арсенида галлия может работать на частотах до нескольких сотен гигагерц, имеет лучшую радиационную стойкость, чем её разновидности из кремния, что делает его незаменимыми в аэрокосмической отрасли.

Карбид кремния

Он имеет отличную теплопроводность, превышающую аналогичную характеристику кремния в несколько раз, высокую максимальную рабочую температуру (порядка 600 градусов по Цельсию), а также высокую электрическую прочность. В совокупности это делает его востребованным при выпуске электронных приборов ограничения перенапряжения, варисторов, разрядников, тиристоров и иных коммутационных устройств, а также для высоковольтных диодов.

Применяется и для изготовления светодиодов некоторых цветов свечения, а сам эффект светоизлучения кристаллом карбида кремния был открыт ещё на заре полупроводниковой техники – в начале XX столетия.

Нитрид галлия

ПП-свойства этого элемента, так же как и карбида кремния, открыли в начале XX века. Именно многократно большая светимость кристалла карбида кремния поставила крест на развитии оптических приборов на основе «несовершенного» нитрида галлия. Но в конце века учёные вновь обратили на него внимание, и на его основе удалось разработать довольно много ПП-компонентов, преимущественно мощных и высокочастотных полевых транзисторов. Также на его основе производят солнечные батареи. Современные технологии легирования позволили нитриду галлия стать недорогим и эффективным материалом для производства синих и УФ-светодиодов.

Основные ПП-приборы: схемы, назначение

В этом разделе будут описаны некоторые основные ПП-приборы, показаны их условные графические изображения и описано назначение.

Диод

применение полупроводников диода

Это простейший двухэлектродный полупроводник. Он предназначен для выпрямления переменного тока промышленной частоты в сетевых блоках питания, для детектирования высокочастотного переменного тока в радиоприёмной аппаратуре, а также устанавливается в цепях защиты и гашения ЭДС самоиндукции нагрузок с большой индуктивностью (электродвигатели, электромагниты, электромагнитные реле и т. п.)

Стабилитрон

стабилитрон принцип

Это разновидность диода предназначена для стабилизации напряжения. Принцип работы очень прост. Режим электрического пробоя, возникающего, когда превышается предельное обратное напряжение, для диода является недопустимым режимом работы. Однако относительно стабилитрона – самым что ни на есть рабочим: стабилитроны изготавливаются с чётко заданным напряжением пробоя при обратном включении, которое с высокой степенью стабильности поддерживается этим прибором при широком диапазоне обратного тока. Применяется он в цепях стабилизации напряжения различных источников питания.

Светоизлучающий диод

области применения светодиодов

Светодиод, в зависимости от применяемого полупроводника и примесей в его составе, может испускать свет как видимого спектра, так и более длинноволнового ИК-излучения, или высокочастотного УФ-излучения.

ИК-светодиоды применяются в системах дистанционного управления, ночного видения; светодиоды видимого спектра используются в составе различных индикаторов и дисплеев; УФ-светодиоды находят применение в медицине и промышленности. Особый тип светоизлучающего диода – лазерный – применяется в оптоволоконных линиях связи в качестве управляемого источника световых импульсов, а также в устройствах чтения и записи компакт-дисков.

Варикап

варикап принцип работы

Он тоже относится к одному из типов ПП-диодов. Принцип его работы основан на изменении электрической ёмкости p-n-перехода в зависимости от приложенного обратного напряжения. Служит конденсатором переменной ёмкости в различных частотозадающих цепях.

Транзистор

виды транзисторов

Это трёхэлектродный полупроводник, который усиливает, генерирует и коммутирует электросигналы. В зависимости от структурных и эксплуатационных особенностей существует два типа транзисторных устройств:

  • Биполярный транзистор оборудован тремя выводами: база (Б), эммитер (Э) и коллектор (К). Он состоит из двух близко расположенных p-n-переходов и управляется током базы.
  • Выводы полевого транзистора называются исток (И), сток (С) и затвор (З). Он состоит из ПП-материала одного типа проводимости, который расположен в виде тонкого канала между истоком и стоком, а управление происходит посредством изменения напряжения (то есть меняющегося электрического поля, отсюда и название – «полевой») на изолированном от канала затворе.

Существует также гидрид обоих типов устройств. Это биполярный транзистор с изолированным затвором – IGBT-транзистор.

Q1 – биполярный транзистор структуры n-p-n;
Q2 – биполярный транзистор структуры p-n-p;
Q3 – полевой транзистор с каналом p-типа;
Q4 – полевой транзистор с каналом n-типа.

Тиристор

тиристор принцип

Это полупроводниковый элемент с тремя или более p-n-переходами, находящийся в двух устойчивых состояниях: открыт (включен) или закрыт (выключен).

Подача небольшого напряжения на управляющий электрод (УЭ) открывает его. Если напряжение между анодом (А) и катодом (К) будет выше определённого напряжения удержания, то тиристор останется открытым, даже если прекратить подачу управляющего питания. Следовательно, для его закрытия оно должно оказаться ниже напряжения удержания. Устройство пропускает ток только в одном направлении. То есть в случае с переменным током тиристор каждый раз будет закрываться при отрицательной полуволне. Его разновидность, пропускающая ток в обоих направлениях, называется симистором:

симистор принцип работы

А тиристор, не имеющий УЭ, и который открывается при достижении определенного напряжения между анодом и катодом, называется динистором:

динистор принцип

Тиристор, симистор и динистор применяются в силовой электронике в качестве мощных бесконтактных коммутационных приборов.

Варистор

варистор принцип

Это полупроводниковый прибор, сопротивление которого нелинейно зависит от приложенного напряжения: оно скачкообразно падает до незначительных величин при достижении определенного порога. Применяется в цепях защиты от перенапряжения.

Фоторезистор

область применения фоторезистора

Это ещё один полупроводниковый прибор без p-n-переходов, изменяющий своё сопротивление при воздействии на него света. Увеличение интенсивности воздействующего светового потока приводит к его снижению. Применим фоторезистор в качестве разных датчиков.

Кроме него, существуют фотоэлектронные виды буквально всех приборов: фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и другие.

Безо всяких сомнений, полупроводники — основа современной электроники, и останутся таковыми по крайней мере еще многие столетия.

Полупроводниковые приборы вытеснили электронные лампы и другие классические радиокомпоненты почти из всех видов техники. Но, самое главное, развитие ПП-микроэлектроники дало нам микросхемы – устройства, содержащие внутри себя сотни, тысячи, миллионы сверхминиатюрных транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов. Именно ПП-микросхемы сделали наш мир таким, каким мы его знаем. Без этих «кусочков кремния» мы бы так и не смогли иметь ни персональный компьютер, ни мобильный телефон, ни все те достижения науки и техники, которые так привычны для нас.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий