Что такое Полупроводник?

 

Полупроводниковый материал имеет значение электропроводности, находящееся между значениями проводника, такого как металлическая медь, и изолятора, такого как стекло. Его удельное сопротивление падает с повышением температуры; металлы ведут себя наоборот. Его проводящие свойства можно изменить полезным образом, вводя примеси («легирование») в кристаллическую структуру. Когда в одном и том же кристалле существуют две области с различным легированием, создается полупроводниковый переход. Поведение носителей заряда, к которым относятся электроны, ионы и электронные дырки, в этих соединениях лежит в основе диодов, транзисторов и большинства современных электронных устройств. Некоторыми примерами полупроводников являются кремний, германий, арсенид галлия и элементы, близкие к так называемой «металлоидной лестнице» в периодической таблице. Арсенид галлия является вторым по распространенности полупроводником после кремния и используется в лазерных диодах, солнечных элементах, интегральных схемах СВЧ и других устройствах. Кремний является важным элементом для изготовления большинства электронных схем.

 

Полупроводниковые устройства могут проявлять ряд полезных свойств, таких как более легкое прохождение тока в одном направлении, чем в другом, переменное сопротивление и чувствительность к свету или теплу. Поскольку электрические свойства полупроводникового материала могут быть изменены легированием и применением электрических полей или света, устройства, изготовленные из полупроводников, можно использовать для усиления, переключения и преобразования энергии.

 

 

Большое количество элементов и соединений обладают полупроводниковыми свойствами, в том числе:

 

 

 

• l Некоторые чистые элементы находятся в группе 14 периодической таблицы; наиболее коммерчески важными из этих элементов являются кремний и германий. Кремний и германий используются здесь эффективно, потому что у них есть 4 валентных электрона в самой внешней оболочке, что дает им возможность получать или терять электроны в равной степени в одно и то же время.

 

• l Бинарные соединения, особенно между элементами групп 13 и 15, такими как арсенид галлия, группы 12 и 16, группы 14 и 16, а также между различными элементами группы 14, например Карбид кремния.

 

• l Некоторые тройные соединения, оксиды и сплавы.

 

• l Органические полупроводники, изготовленные из органических соединений.

 

• l Полупроводниковые металлоорганические каркасы.

 

 

 

Полупроводниковые материалы

 

Твердотельные материалы обычно делят на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке показаны проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1/σ), связанные с некоторыми важными материалами в каждом из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую электропроводность, порядка 10–18–10–10 Сименс на сантиметр; и проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 104 до 106 Сименс на сантиметр. Проводимость полупроводников находится между этими крайними значениями и обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительному количеству примесных атомов. Например, добавление около 10 атомов бора (известного как легирующая примесь) на миллион атомов кремния может увеличить его электропроводность в тысячу раз (частично объясняя широкий разброс, показанный на предыдущем рисунке).

 

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. Элементарные полупроводники состоят из атомов одного вида, таких как кремний (Si), германий (Ge) и олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI периодической таблицы. Однако существует множество составных полупроводников, состоящих из двух или более элементов. Арсенид галлия (GaAs), например, представляет собой бинарное соединение III-V, представляющее собой комбинацию галлия (Ga) из столбца III и мышьяка (As) из столбца V. Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных столбцов: например, теллурид ртути-индия (HgIn2Te4), соединение II-III-VI. Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (AlxGa1-xAs), который представляет собой тройное соединение III-V, где и Al, и Ga относятся к столбцу III, а индекс x относится к составу два элемента от 100% Al (x = 1) до 100% Ga (x = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для приложений интегральных схем, а бинарные и тройные соединения III-V наиболее важны для излучения света.

 

 

 

 

Как работают полупроводники

 

 

Сегодня большинство полупроводниковых микросхем и транзисторов создаются из кремния. Возможно, вы слышали такие выражения, как «Кремниевая долина» и «кремниевая экономика», и вот почему — кремний является сердцем любого электронного устройства.

Диод — это простейшее полупроводниковое устройство, и поэтому он является отличной отправной точкой, если вы хотите понять, как работают полупроводники. В этой статье вы узнаете, что такое полупроводник, как работает легирование и как из полупроводников можно создать диод. Но сначала давайте внимательно посмотрим на кремний.

Кремний — очень распространенный элемент, например, он является основным элементом в песке и кварце. Если вы посмотрите на «кремний» в периодической таблице, вы обнаружите, что он находится рядом с алюминием, ниже углерода и выше германия.

Углерод, кремний и германий (германий, как и кремний, также является полупроводником) обладают уникальным свойством электронной структуры — каждый имеет четыре электрона на внешней орбитали. Это позволяет им образовывать красивые кристаллы. Четыре электрона образуют идеальные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами, создавая решетку. В углероде мы знаем кристаллическую форму как алмаз. В кремнии кристаллическая форма представляет собой серебристое металлическое вещество.

В кремниевой решетке все атомы кремния идеально связаны с четырьмя соседями, не оставляя свободных электронов для проведения электрического тока. Это делает кристалл кремния скорее изолятором, чем проводником.

Металлы, как правило, являются хорошими проводниками электричества, потому что у них обычно есть «свободные электроны», которые могут легко перемещаться между атомами, а электричество связано с потоком электронов. Хотя кристаллы кремния выглядят металлическими, на самом деле это не металлы. Все внешние электроны в кристалле кремния связаны идеальными ковалентными связями, поэтому они не могут перемещаться. Чистый кристалл кремния является почти изолятором — через него проходит очень мало электричества.

Но вы можете изменить все это с помощью процесса, называемого допингом.