полупроводники

Одно из первых устройств, использующих свойства полупроводимости, – это полупроводниковый диод. Конструкция заключается в соединении пары полупроводников с разными типами проводимости. Электроны веществ участвуют в переносе заряда при получении некоторой энергии. Работа энергии для полупроводников имеет значение порядка единиц электрон-вольт (эВ). У проводников это значение меньше, у диэлектриков, соответственно, больше. Группа PCC поставляет химикаты, используемые в процессах производства полупроводников, которые применяются для изготовления кремниевых пластин, легирования материалов и очистки поверхности полупроводников.

• Примесный атом превращается в ион, а на том месте, откуда ушел электрон появляется «дырка».
• Переходные металлы в свою очередь являются отличными проводниками тепла.
• Сильная зависимость собственной проводимости от значения температуры является основным физическим свойством полупроводников.
• Он возникает при наличии свободных носителей зарядов и электрического поля (или других факторов, которые приводят частицы в движение).
• Есть также несколько полупроводников с четырьмя выводами, таких как оптопара (оптопара) и датчик Холла.
• Каждая такая зона характеризуется максимальным и минимальным уровнем энергии, которые называются потолок и дно зоны.
• Она включает разработку и применение устройств, которые могут генерировать, обрабатывать, передавать и детектировать световые сигналы.
• Благодаря разработке таких интегральных схем созданы современные компьютеры и современные многофункциональные электронные приборы.
• Как и углерод, кремний имеет четыре электрона в своей внешней электронной оболочке, что позволяет ему формировать четыре соединения.

На внешней оболочке каждого атома Силиция находится 1 валентных электрона. Поэтому при образовании кристалла каждый атом получает от каждого «соседа» по одному валентному’ электрону, которые становятся общими для каждой пары атомов. В свою очередь данный атом совершает обмен «своими» электронами с соседними атомами. Таким образом, внешняя электронная оболочка становится заполненной, а между атомами устанавливаются ковалентные связи. 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.

Физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. В немалой степени этому способствует огромное количество физических эффектов, которые не наблюдаемы ни в тех, ни в других веществах и связаны с устройством зонной структуры полупроводников и с достаточно узкой запрещённой зоной. Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. К 1838 году Фарадей открыл ещё 5 веществ с подобными свойствами3.

На первом этапе получают кремний высокой чистоты, который затем формируют в так называемые монокристаллы кремния. Затем эти монокристаллы разрезают на тонкие пластины, называемые вафлями, которые служат основой для дальнейших этапов производства. На первом этапе происходит механическая обработка в основном кремниевых пластин.

Проводимость, обеспечиваемая трехвалетными примесями, называется акцепторной. Полупроводник, имеющий акцепторную проводимость, называется проводником p-типа. Если добавить в полупроводник трехвалентные атомы индия или галлия, то в одной из связей с этим атомом всегда будет незаполненное место — дырка. При добавлении пятивалентных атомов мышьяка или сурьмы один электрон в таких атомах окажется вне ковалентных связей.

Свободное место в электронной оболочке атома

Эти слитки формируются путём погружения затравочного кристалла в чистый расплавленный кремний. Внешние полупроводники (те, в которых используются легирующие примеси) также можно создавать путем осаждения из паровой фазы внутри электромагнитного поля. Хорошо известен еще один вид материалов, в которых содержание свободных носителей зарядов в нормальных условиях совсем невелико. Поскольку они все же имеются в наличии в этих элементах – их назвали полупроводниками. В первых всегда имеется достаточное количество свободных (оторвавшихся от своих атомов) электронов, а во вторых материалах их совсем мало.

• В микроволновых печах есть полупроводник, необходимый для создания тепла.
• Электронная и дырочная проводимость, появляющаяся в результате того, что электроны разрывают связи, называется собственной проводимостью проводника.
• История покорения полупроводников началась в 1833 году, когда физик Майкл Фарадей заметил, что электропроводность сульфида серебра повышается при нагревании.
• При добавлении донорной примеси с валентностью на единицу больше, чем у полупроводника, один электрон остается свободным.
• Совокупность этих явлений часто называют законом Мура (хотя сам Мур больше ориентировался на физический размер транзисторов, а частотные и тепловые/электрические свойства уменьшающихся схем описывались масштабированием Деннарда).
• Для того, чтобы использовать его особенности, инженеры разработали транзисторы — сложные миниатюрные устройства, управляющие током и преобразующие его.
• Когда температура повышается, ковалентные связи в кристаллической решётке чистого полупроводника разрушаются, что приводит к образованию электронно-дырочных пар.
• Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи.
• А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.
• Полупроводники играют ключевую роль в развитии современных технологий.

Поэтому для возникновения тока электрон должен переместиться в зону проводимости из стабильной валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем свойства материала приближаются к диэлектрикам. Для преобразования бытовой электроэнергии в постоянный ток в зарядных устройствах для телефона и ноутбука используют разные полупроводниковые устройства. Полупроводники имеют широкое применение в промышленности, в аналоговой и цифровой электронике.

Проводники, полупроводники

При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике возникают свободные носители заряда, а следовательно фотопроводимость. Прежде всего, следует сказать, что физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. Транзистор — полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Область кристалла между двумя переходами называют базой, а внешние области называют эмиттером и коллектором.

• Введение в полупроводник атомов соответствующей примеси способствует образованию дополнительных носителей тока, что приводит к повышению электропроводности иногда в десятки миллионов раз.
• Электрическая проводимость таких материалов меняется под влиянием температур.
• Каждый атом собственного полупроводника имеет 4 валентных электрона; то есть 4 электрона, вращающиеся во внешнем слое каждого атома.
• Основные свойства проводника – это высокий уровень проводимости и низкое удельное электрическое сопротивление.
• P-тип полупроводников содержит примеси, которые являются акцепторами электронов.
• Множество веществ, к которым можно отнести полупроводники, классифицируется по величине и характеру проводимости.
• Поскольку ширина запрещённой зоны измеряется энергией, её выражают в электронвольтах (эВ).

Применение полупроводников

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Каждый атом собственного полупроводника имеет 4 валентных электрона; то есть 4 электрона, вращающиеся во внешнем слое каждого атома. В свою очередь каждый из этих электронов образует связи со смежными электронами.

Какие свойства характеризуют полупроводник?

• Не имея валентного электрона для образования четырех ковалентных связей собственного полупроводника, полупроводник P-типа имеет зазор в недостающем звене.
• Полупроводник n-тип имеет примесные элементы, которые называются доноры.
• На их основе изготавливают диоды, транзисторы, симисторы, лазеры, тиристоры, датчики давления, магнитного поля, температуры, и т.
• «Одинаковые заряды отталкиваются» — это также правило, определяющее места, которые электроны выбирают для размещения вокруг своих атомов-хозяев.
• Наиболее распространенным полупроводниковым прибором является полупроводниковый диод.
• Но, в отличие от металлов, их сопротивление снижается при нагревании.
• Вместо этого они следуют законам квантовой механики, описывающим вероятность их нахождения в различных точках пространства.
• Легированный полупроводник называется несобственным или примесным.
• 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.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени. Здесь электрический ток циркулирует через материал благодаря избытку свободных электронов, обеспечиваемых легирующей добавкой. Следующий этап это легирование, то есть введение в структуру кремния таких легирующих элементов, как бор или фосфор, для изменения его проводящих свойств. Затем полупроводники формируются в конкретные компоненты, такие как транзисторы или диоды, с помощью точных фотолитографических технологий. В конечном итоге полупроводники собираются в более крупные электронные схемы, такие как процессоры или память, которые используются во многих электронных устройствах.

Но если к нему приложить прямое напряжение – оно вызовет перемещение электронных носителей в сторону р-области и такой же поток дырок в зону с избытком электронов. Широко используются и составные полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V). Кремний четырехвалентен, а энергетически устойчивое число внешних валентных электронов — восемь.

Те примеси, у которых валентность оказывается больше, чем у полупроводника, отдают свободные электроны. А вот те, у которых валентность меньше, чем у полупроводника, имеют свойство хватать и удерживать электроны. Для того чтобы получился полупроводник, который будет обладать лишь проводимостью электронного типа, в исходный материал достаточно ввести вещество, у которого валентность будет всего на единицу больше.

Атом бора (рис.2) имеет одно вакантное место для электрона или “дырку”, поэтому его можно назвать акцептором. Атомы состоят из ядра и электронной оболочки, в которой на разном расстоянии от ядра по замкнутым орбитам движутся электроны. Каждый электрон обладает некоторой энергией W, позволяющей ему находится на заданной орбите. Чем больше энергия, тем дальше от ядра атома находится орбита электрона, то есть выше его энергетический уровень. Между энергетическими уровнями существуют запрещённые зоны в которых не могут находиться электроны, а только их пересекать с одного разрешённого уровня на другой. Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их.

Их основной частью является цилиндрик или шири к из полупроводникового материала, к которому подведены металлические проводники для соединения с другими электрическими приборами. Если изменить полярность подключения источника тока (рис. 1.71-б), то при замыкании цепи ширина перехода увеличится, поскольку свободные носители заряда под действием электрического поля будут двигаться от перехода. Таким образом, р-n-переход будет проводить ток только в одном направлении (односторонняя проводимость).

Первый патент на концепцию полупроводникового транзистора, в котором использовался сульфид меди, еще в 1926 году подал польско-американский изобретатель Юлиус Лилиенфельд. Однако ему так и не удалось воплотить свое гипотетическое изобретение в жизнь — идея была реализована лишь 20 лет спустя. Кроме того, лампы потребляли гигантские объемы энергии и выделяли огромное количество тепла. Для того, чтобы электроника развивалась дальше, нужно было создать гораздо более экономичный электронный компонент — то есть транзистор. Первый диод – детектор, использовался еще в то время, когда теория полупроводников находилась в зачаточном состоянии.