Какие металлы используются в полупроводниках

Не кремнием единым: из каких материалов сегодня изготавливают полупроводники

Кризис производства кремния показал, как сильно мы зависим от полупроводников. Нехватка материала, вызванная сокращением производства в Китае, в конце 2021 года привела к росту цен на него на 300% менее чем за два месяца. Компании и исследователи по всему миру начали еще активнее искать альтернативу кремнию. «Хайтек» рассказывает о самых популярных полупроводниках, которые используются сейчас, и о тех, что придут им на смену.

Читайте «Хайтек» в

От «простых» домашних приборов и компьютеров до солнечных элементов, полевых транзисторов и беспилотных автомобильных цепей — вся техника требует для работы полупроводниковые материалы. Современный мир буквально обязан им своим существованием.

Очевидный лидер отрасли сейчас — кремний. Но он подходит не для всех приборов, кроме того, физические свойства полупроводника ограничивают возможности для дальнейшей миниатюризации и повышения мощности чипов и создание гибких устройств. К счастью, есть и другие альтернативные материалы.

Рассказываем, как работают полупроводники и какие существуют перспективные альтернативы кремнию для создания микроэлектроники. Подробнее про рынок в целом можно прочитать в июльском выпуске дайджеста по робототехнике «Микроэлектроника. Чем меньше, тем лучше», подготовленном Центром компетенций НТИ по направлению «Технологии компонентов робототехники и мехатроники» на базе Университета Иннополис.

Что такое полупроводник

Полупроводник — материал, который по удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Как правило, это кристаллическое твердое вещество. При определенных условиях оно проводит электричество, что делает его идеальным для управления потоком тока.

Полупроводники в нормальном состоянии проводят небольшое количество тока или не вообще блокируют его. Но с ростом температуры или под действием света они начинают лучше пропускать электрические заряды. Также проводимость полупроводников меняется при введении примеси — этот процесс называется легированием.

Важное отличие полупроводника от проводника заключается в том, что ток в нем переносится не только электронами, но и оставленными ими вакансиями — дырками. Дырки, оставшиеся в валентной зоне, могут быть заняты электронами из более низких энергетических состояний и тем самым вносить свой вклад в протекание тока.

Одна из ключевых характеристик полупроводника — это подвижность носителей заряда (электронов и дырок). Это коэффициент, который показывает зависимость между средней скоростью частиц и приложенным внешним электрическим полем. Подвижность электронов и дырок может быть разной, например, у кремния при комнатной температуре отрицательно заряженные частицы движутся почти в три раза быстрее положительных.

Кроме того, полупроводники различаются по ширине запрещенной зоны. Это минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. У металлов и других полупроводников она равна 0, а при достижении уровня в 4 эВ и больше материал становится диэлектриком.

Еще одна важная характеристика полупроводников — это теплопроводность. Она показывает насколько быстро и просто можно будет отводить от компонентов тепло, чтобы защитить устройство от перегрева.

Кремний

Кремний — второй после углерода по распространенности химический элемент на Земле. Его основным преимуществом является то, что его легко добывать, с кремниевыми кристаллами относительно просто работать, и он обеспечивает хорошие общие электрические и механические свойства. Даже несмотря на относительно низкую подвижность электронов и дырок, пока он остается оптимальным материалом для микроэлектронного производства.

Еще одним его преимуществом является то, что при использовании в интегральных схемах он образует высококачественный оксид кремния, который выступает в качестве изоляционных слоев между различными активными элементами.

Для увеличения плотности элементов и быстродействия интегральных схем используются комбинации элементов монокристаллического и поликристаллического кремния. А для увеличения проводимости поликристаллического кремния его легируют.

Полупроводники из кремния широко применяются для создания интегральных микросхем, биполярных и полевых транзисторов, приборов с зарядовой связью, быстродействующих фотодиодов и многих других устройств. А продукты на основе кремния, такие как MOSFET-или IGBT-транзисторы с суперпереходом, можно использовать в широком диапазоне напряжений (от единиц до нескольких сот вольт) и в различных классах мощности.

Факторы, влияющие на сложность производства. Изображение: Университет Иннополис

Германий

Мы живем в «кремниевую» эпоху, и может показаться, что микроэлектроника началась с этого материала, но первым был германий. Он использовался во многих ранних устройствах: от диодов для обнаружения радаров до первых транзисторов. Именно он до конца 1960-х годов был основным полупроводником, применяемым в электронных приборах, и только в начале 70-х его вытеснил кремний.

Новый «чемпион» гораздо более распространен, его производство дешевле и у него более широкая запрещенная зона и лучше теплопроводность. Но свое преимущество есть и у германия: носители заряда в этом материале гораздо более подвижны.

Например, при температуре 300 K (около 27°С) электроны в «первом» полупроводнике двигаются почти в три раза быстрее, чем у кремния, а дырки — почти в четыре раза.

Хотя германий и не подходит для современной микроэлектроники, благодаря этим свойствам он по-прежнему используется в некоторых радиочастотных приборах. Например, его применяют для создания СВЧ-устройств, аудиоаппаратуры, а также маломощном и прецизионном оборудовании.

Подвижность носителей заряда в различных полупроводниках. Изображение: Университет Иннополис

Арсенид галлия

Арсенид галлия является вторым наиболее распространенным полупроводником, используемым сегодня. В отличие от кремния и германия, арсенид галлия представляет собой соединение, а не элемент, и получается путем соединения трехвалентного галлия с мышьяком, имеющим пять валентных электронов.

Большая ширина запрещенной зоны и высокая подвижность электронов заставляют устройства на основе арсенида галлия быстро реагировать на электрические сигналы, что делает это соединение подходящим для усиления высокочастотных сигналов. Кроме того, этот материал показал свою эффективность при высоких температурах и хорошую устойчивость к радиационному излучению.

Арсенид галлия давно применяется в микроэлектронике, поэтому производство устройств на его основе отлажено. Благодаря особым свойствам, материал используется в основном для создания сверхвысокочастотных приборов микроэлектроники: цифровых и аналоговых интегральных схем, дискретных полевых транзисторов и диодов Ганна, которые работают без p-n-перехода за счет собственных средств материала. Кроме того, микросхемы на основе арсенида галлия применяются при изготовлении мобильных телефонов, микроволновых приборов, устройств спутниковой связи и некоторых радарных систем.

Однако это хрупкий материал с меньшей подвижностью дырок, чем у кремния, что делает невозможными создание таких устройств, как, например, КМОП-транзисторов, быстродействующих и энергосберегающих электронных схем. Его также относительно сложно изготовить, что увеличивает стоимость устройств из арсенида галлия. И у него достаточно низкая теплопроводность, что увеличивает риск перегрева устройств.

Материалы будущего

— Алмазы

Ширина запрещенной зоны алмаза превышает 3 эВ, поэтому по определению он диэлектрик. Однако при добавлении примесей драгоценный камень становится полупроводником.

Теоретически алмазные полупроводниковые устройства обладают превосходными физическими свойствами, включая высокие теплопроводность, напряженность поля пробоя и подвижность носителей. Это позволит существенно снизить потери, быстро рассеивать тепло и увеличить срок службы устройств. Кроме того, он может работать с выходной мощностью и энергоэффективностью в 50 тыс. раз выше, чем у кремниевых устройств, и в 1 200 раз с более высокой частотой.

Однако для промышленного применения в электронных полупроводниковых устройствах необходимы высококачественные алмазные пластины большого размера. Хотя попытки создания алмазных приборов проводятся в течение многих лет. До сих не решены проблемы, связанные с легированием и обработкой материала.

Теплопроводность различных полупроводников. Изображение: Университет Иннополис

— Графен

Графен — двумерная аллотропная модификация углерода. По прогнозу компании McKinsey, у графена есть потенциал превзойти кремний в качестве универсального полупроводникового материала, но до широкой коммерциализации может пройти до 25 лет.

Ключевая особенность этого материала — гибкость, поэтому из него можно производить различные сложные приборы. Этот материал считается многообещающим с точки зрения его дальнейшего использования, и по всему миру существуют целые институты, занимающиеся изучением и разработками в области графена.

Он может пригодиться в самых разных отраслях: от современных энергетических сетей и альтернативной энергетики до биомедицины. В микроэлектронике графен можно использовать в сверхчувствительных микропроцессорах, элементах квантовых компьютеров и датчиках с экстремальными параметрами.

— Арсенид бора

Совсем недавно, в июле 2022 года, исследователи из MIT заявили, что они нашли лучший из известных полупроводников. Им оказался кубический арсенид бора. Этот материал представляет собой соединение из мышьяка и бора.

Его теплопроводность в 10 раз больше, чем у кремния. При этом в отличие от последнего и арсенида галия полупроводник на основе бора демонстрирует высокую подвижность не только для электронов, но и для дырок.

Хотя ученые и говорят о том, что этот материал потенциально способен заменить кремний, но, как и с графеном, до этого еще очень далеко. Например, сначала нужно разработать дешевые способы качественного производства этого материала.

Несмотря на высокую популярность и эффективность кремниевых полупроводников, нужны аналоги. К этому производителей подталкивают сразу два фактора. Во-первых, технология почти достигла предела, за которым будет невозможно создавать все более миниатюрные и мощные устройства. А во-вторых, постоянный рост спроса на кремний приводит к его удорожанию.

Кризис производства, возникший во время пандемии коронавируса, показал, как опасно опираться на единственный источник. Поэтому компании и ученые по всему миру работают над созданием альтернативы. Тем не менее, можно предположить, что благодаря дешевизне, доступности и отлаженности производства кремниевых приборов еще какое-то время этот материал будет занимать лидирующую позицию в микроэлектронике.

Что такое полупроводники? [Полное руководство]

Полупроводники — это материалы, без которых не могла бы существовать современная электроника. Их использование определяется не способностью проводить электричество, а возможностью изменять их электрические свойства, в частности, электрическое сопротивление. Это, в свою очередь, позволяет использовать эти материалы в устройствах, обрабатывающих электрический ток и содержащуюся в нем информацию.

Определение

В связи с их электрическими свойствами и возможными применениями в электротехнике и электронике материалы делятся на три основных типа: проводники, полупроводники и изоляторы.

Полупроводники — это материалы, электрические свойства которых, в частности электрическое сопротивление, могут быть изменены в довольно широком диапазоне, в основном путем введения легирующих добавок, а также путем нагревания, освещения и т.д.

Возможность изменять свойства позволяет использовать полупроводники в очень широком спектре приложений для обработки электрических сигналов. Например: для «выпрямления» тока, для усиления электрических сигналов, для управления токами, для преобразования тока в свет и света в электричество. Также работа всех типов компьютерных процессоров, микропроцессоров, чипов, полупроводниковой памяти обусловлена свойствами полупроводников.

Строение полупроводников

Применение полупроводников связано с возможностью изменения их электрических свойств. В частности, электрическое сопротивление может быть изменено в довольно широком диапазоне, в основном путем введения легирующих добавок.

Наиболее часто используемыми полупроводниковыми материалами являются элементы четырнадцатой группы: кремний и германий. Соединения элементов тринадцатой и пятнадцатой групп — например, арсенид галлия, нитрид галлия, антимонид индия, или двенадцатой и шестнадцатой групп — например, теллурид кадмия — также являются полупроводниками. Как правило, полупроводниковые материалы производятся в монокристаллической, поликристаллической или порошковой форме. Монокристаллы используются для изготовления диодов, транзисторов и интегральных схем. Аморфный кремний используется в фотогальванических элементах, а также в ЖК-дисплеях. В настоящее время также производятся органические полупроводники, как правило, мультициклические ароматические соединения, включая поли(п-фенилен-винилен).

Для неорганических полупроводниковых материалов характерна так называемая ковалентная связь, при которой атом получает нужное число восьми электронов на последней оболочке, делясь электроном с атомом, с которым он связан. Атомы образуют пару связывающих электронов, каждый из которых исходит от другого связывающего атома. Пример такой связи показан на рис. 1.

Рис. 1. Ковалентная связь между атомами хлора

Находясь в четырнадцатой группе периодической таблицы, кремний и германий имеют четыре валентных электрона и получают желаемую восьмерку на последней оболочке, образуя ковалентную связь со своими четырьмя соседями. Пространственное расположение образующих атомов также характерно для атомов углерода в структуре алмаза. Такое расположение, типичное для полупроводников, можно представить себе на основе тетраэдра, в котором четыре атома кремния расположены в вершинах и один в центре тетраэдра, а каждый из атомов вершины тетраэдра является центром другого тетраэдра. Атомы, лежащие в вершинах тетраэдра, можно также разместить в вершинах куба, как на рис. 2.

Рис. 2. Распределение атомов в структуре алмаза

Система, подобная расположению атомов в алмазе, образуется в полупроводниковых соединениях между атомами тринадцатой и пятнадцатой групп (а также в соединениях атомов двенадцатой и шестнадцатой групп) с тем исключением, что атомы одного элемента соседствуют с четырьмя атомами другого, образуя между собой поляризованные ковалентные связи. В образовании ковалентных связей участвуют 3 валентных электрона элементов из тринадцатой группы и 5 электронов элемента из пятнадцатой группы периодической таблицы (2 и 6 соответственно в соединениях двенадцатой и шестнадцатой групп).

Рис. 3. Элементарная ячейка полупроводниковых соединений тринадцатой и пятнадцатой групп

Для органических полупроводников типично наличие углеродных колец, в которых между атомами углерода имеется двойная связь. Поскольку одна из этих связей намного слабее, она легко разрывается, высвобождая электрон.

Связь между атомами в структуре кремния легче представить на двумерной схеме — рис. 4.

Рис. 4. Модель связей в кремнии в двух измерениях

Для того чтобы материалы проводили электричество, они должны иметь так называемые свободные носители тока — то есть частицы, наделенные электрическим зарядом и способные свободно перемещаться по всему объему материала.

В полупроводниках электроны из ковалентных связей в результате получения энергии от колеблющихся атомов могут освобождаться и становиться свободными электронами. При температуре выше 0 K существует определенное равновесное количество высвобождаемых электронов, которое тем больше, чем выше температура. Например, в кремнии при температуре 300 К число свободных электронов составляет около 1,5 — 10 10 / см 3 . Для сравнения, в металлах число свободных электронов порядка 10 22 / см 3 .

Место, оставленное электроном, оторвавшимся от межатомной связи, может быть занято другим электроном из соседней связи. Этот электрон также оставит пробел, который, в свою очередь, может быть занят электроном из соседней связи. Это создает эффект перемещения пустого пространства вслед за освобожденными электронами. Для упрощения описания такого перемещения электронов вводится понятие дырки, т.е. отсутствия электрона в ковалентной связи. Дырка — это носитель положительного заряда с абсолютной величиной, равной заряду электрона. Дыра — это удобный способ описания движения зазора, оставленного освобожденным электроном, но она не является самостоятельной «частицей», такой как электрон или протон — ее нельзя наблюдать; это модель для проведения электричества через полупроводники.

Рис. 5. Схема образования свободных электронов и дырок в полупроводниках

Без внешнего электрического поля движение дырок хаотично и неупорядочено, как и движение свободных электронов.

Таким образом, предполагается, что в полупроводниках существует два типа носителей тока: отрицательные электроны и положительные дырки. В «чистых», нелегированных полупроводниках число электронов и дырок одинаково, и их количество зависит от температуры — чем выше температура, тем больше электронов и дырок и, следовательно, тем ниже электрическое сопротивление полупроводника.

Механизм электрической проводимости

Физическими величинами, позволяющими классифицировать материал как полупроводник, являются удельное электрическое сопротивление и ширина запрещенной зоны.

Удельное электрическое сопротивление — это мера способности материала сопротивляться протекающему электрическому току, оно обозначается буквой ρ, и мы можем описать его формулой:

ρ = R * S / l

где: R — электрическое сопротивление материала, S — площадь поперечного сечения элемента, l — длина элемента. Единицей удельного сопротивления является Ом∙м.

Разделение материалов по удельному электрическому сопротивлению:

Материалы	металлы	полупроводники	изоляторы
Типичное удельное сопротивление (Ом∙м)	10 -6 — 10 -8	1 ‑ 10 4	10 8 — 10 23

Таблица 1. Удельное электрическое сопротивление металлов, полупроводников и изоляторов

Как видно (табл. 1.), удельное сопротивление материалов лежит в очень широком диапазоне — разница между металлами и изоляторами превышает 30 порядков. Даже удельное сопротивление данного материала может лежать в довольно широком диапазоне (например, для алмаза оно находится в диапазоне от 10 11 Ом∙м до 10 18 Ом∙м). Эти различия обусловлены способом получения материала, возникающими дефектами в кристаллической структуре, степенью примесей и т.д.

В полупроводниках электрическое сопротивление изменяется в основном за счет введения легирующих веществ, которые увеличивают число носителей электричества. Введение легирующих добавок контролируемым образом изменяет электрическое сопротивление полупроводника на несколько порядков.

Энергетический зазор определяет энергию, которую должны получить электроны, связанные с атомом, чтобы превратиться в свободные электроны и стать носителями тока. Согласно зонной теории проводимости, это энергия, которую должны получить электроны, имеющие энергию, соответствующую валентной зоне, чтобы получить энергию, соответствующую зоне проводимости.

Примечание. Зонная теория проводимости (англ. electronic band structure, band structure) — это квантовая теория, используемая для описания электронной структуры в твердом теле. Модель зоны графически представляет диапазоны разрешенных и возбужденных состояний электронных энергетических зон в материале.

Это также минимальная энергия, которую электрон испускает, обычно в форме электромагнитного излучения, при переходе из энергетического состояния в зоне проводимости в энергетическое состояние в валентной зоне. Величина запрещенной зоны определяет количество свободных носителей и, следовательно, существенно влияет на удельное электрическое сопротивление.

Концентрация носителей в металлах составляет порядка 10 22 в кубическом сантиметре, в собственных полупроводниках при комнатной температуре в зависимости от материала колеблется от 10 6 до 10 10 в одном кубическом сантиметре, в легированных — от 10 12 до 10 20 в кубическом сантиметре.

Примечание. Легированные полупроводники (англ. doped semiconductors) — это материалы, в которые введены атомы элементов, отличающихся по значению от значений, присущих собственному полупроводнику. Замена атома полупроводника соответствующим атомом допанта приводит к избытку или недостатку электронов, что в свою очередь приводит к увеличению числа носителей электрического тока (электронов или дырок) и, таким образом, к уменьшению удельного сопротивления полупроводника при заданной температуре. В полупроводниковых соединениях эффект легирования может быть достигнут за счет неравного количества атомов элементов связи.

Из зонной теории проводимости следует, что валентные электроны, которые приобрели энергию, соответствующую зоне проводимости — «перейдя» в зону проводимости — оставляют состояние со свободной энергией в валентной зоне. Это позволяет этому состоянию быть занятым другими электронами с энергией в зоне валентного уровня. Это явление можно описать как движение положительных носителей тока — т.е. дырок (рис. 1.). Таким образом, в полупроводниках существует два типа носителей тока: электроны и дырки, которые обладают свойствами положительно заряженных носителей.

Образование свободных электронно-дырочных пар в собственных полупроводниках

Примечание. Собственный полупроводник (от английского: intrinsic semiconductor) — это полупроводник, материал которого является абсолютно чистым, без каких-либо примесей в кристаллической структуре. В случае элементов существует только один тип атомов, а в случае полупроводниковых соединений число связывающих атомов двух элементов одинаково.

Разделение материалов в соответствии с энергетическим зазором:

Материалы	металлы	полупроводники	изоляторы
Типовая ширина запрещенной зоны (энергетического разрыва) (эВ)	нет	0,1‑3 эВ	более 3 эВ

Рис. 2. Разделение материалов в зависимости от ширины запрещенной зоны Eg

Для наиболее часто используемых полупроводников ширина запрещенной зоны составляет около 1 эВ:

• германий — 0,67 эВ,
• нитрид индия — 0,7 эВ,
• кремний — 1,12 эВ,
• арсенид галлия 1,43 эВ,
• селен — 1,74 эВ.

На практике в качестве полупроводников используются материалы с шириной запрещенной зоны от долей электронвольта до нескольких электронвольт.

В качестве полупроводников также используются материалы с шириной запрещенной зоны и удельным электрическим сопротивлением, выходящим за общепринятые пределы. Среди прочего, алмаз, имеющий ширину запрещенной зоны 5 эВ и удельное электрическое сопротивление около 10 11 -10 13 Ом∙м, используется в транзисторах, кристаллических счетчиках и тиристорах, работающих при высоких температурах — до 500°C — благодаря своей термо- и теплостойкости.

Нитрид алюминия, ширина запрещенной зоны которого составляет 6,2 эВ, а удельное сопротивление около 10 11 -10 13 Ом∙м, нашел применение в ультрафиолетовой оптоэлектронике.

Виды полупроводников

В полупроводниковых материалах существует два типа носителей тока: электроны, которые несут отрицательный заряд, и так называемые дырки, которые несут положительный заряд. Добавляя соответствующие легирующие добавки, можно регулировать количество отдельных носителей тока и, таким образом, режим проведения тока. Возможность регулировать режим проведения тока существенно влияет на применение полупроводников в обработке электрических сигналов.

Дырочные полупроводники (р-типа)

В полупроводниках p-типа преобладающими носителями тока являются так называемые дырки, то есть электронные вакансии в межатомной связи. Движущимся дыркам присваивается положительный электрический заряд.

Количество дырок в кремнии и германии увеличивается, когда в кристаллы этих элементов добавляются атомы других элементов — трехвалентных — из тринадцатой группы периодической таблицы. Наиболее распространенными являются атомы бора и алюминия, также это могут быть атомы галлия или индия. Эти атомы используют свои три валентных электрона для образования общих электронных пар с соседними атомами родительского элемента. В связи с одним из четырех соседей для образования пары не хватает одного электрона — естественно, образуется дырка (рис. 3а., рис. 3б.).

Рис. 3а. Модель легирования p-типа в германии Рис. 3б. Модель легирования p-типа в кремнии

В полупроводниковых соединениях проводимость p-типа достигается различными способами. Это может происходить путем легирования двухвалентными элементами. Например, арсенид галлия может быть допирован бериллием или цинком. Проводимость p-типа в арсениде галлия также может быть получена путем замены кремнием или германием вместо мышьяка.

Теория зонной проводимости, объясняет эффекты, связанные с легированием p-типа, введением атомами легирующего элемента незанятых энергетических уровней с энергией немного выше (порядка 10 -2 эВ), чем у валентных электронов. Эти уровни называются акцепторными, поскольку они легко принимают электроны из валентной зоны. На рисунке 4 показана разница между энергетическими уровнями в кремнии, легированном алюминием.

Рис. 4. Уровни акцепторов, вводимых в кремний алюминием p-типа

На рисунке 4 показано, что энергетическое расстояние между валентной зоной и зоной проводимости, называемое шириной запрещенной зоны, в кремнии составляет 1,11 эВ. То есть, валентные электроны должны иметь энергию не менее 1,11 эВ, чтобы иметь энергию в зоне проводимости.

Запрещенная зона на рис. 4 обозначена как E_g. Когда электроны набирают энергию в зоне проводимости, они оставляют дырки в валентной зоне, между которыми могут перемещаться электроны с энергией в валентной зоне.

В собственных полупроводниках (без легирования) количество электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне одинаково — любой электрон, набирающий энергию в зоне проводимости, оставляет дырку в валентной зоне.

Добавление атомов алюминия к кремнию приводит к образованию незанятых энергетических уровней на расстоянии всего 0,072 эВ от валентной зоны. Электроны с энергией в диапазоне валентной зоны легко получают эту энергию от колеблющихся атомов кристаллической решетки и переходят в энергетический диапазон акцепторных уровней.

Электроны, которые достигают энергии акцепторного уровня, не могут двигаться в кристалле — они «пойманы» этим уровнем. Однако они оставляют незанятые энергетические состояния в валентной зоне — т.е. дырки, между которыми могут перемещаться электроны с энергией в валентной зоне. Поэтому дырки образуются без перехода электронов из области энергии валентной зоны в область энергии зоны проводимости. Поэтому дырки становятся доминирующими носителями тока в полупроводниках p-типа.

Добавление атомов алюминия в кремний работает аналогично добавлению атомов алюминия в германий. Также бор, индий или галлий могут быть очень хорошими легирующими элементами для кремния или германия. Например, бор вводит акцепторные уровни в германии с энергией на 0,011 эВ, а в кремнии на 0,045 эВ выше энергии валентной зоны. Энергия, необходимая валентным электронам для перехода в диапазон энергий зоны проводимости, в несколько десятков раз выше. В германии он составляет около 0,67 эВ, в кремнии — 1,11 эВ.

Электронные полупроводники (n-типа)

Если в чистый металл, который хорошо проводит электричество, ввести в небольших количествах дополнительные атомы другого металла, то полученные металлические сплавы практически всегда имеют более высокое электрическое сопротивление, чем чистые, однокомпонентные металлы. Такие же эффекты вызывают всевозможные примеси в металлах. В полупроводниках происходит обратное. Введение, особенно контролируемое, легирующих добавок может снизить электрическое сопротивление на несколько порядков. Одним из методов легирования является введение легирующих веществ, которые увеличивают количество свободных электронов. Так создаются полупроводники n-типа.

Полупроводники n-типа получают из кремния и германия путем добавления пятивалентных атомов — из пятнадцатой группы периодической таблицы. Чаще всего это фосфор и мышьяк, но могут быть также сурьма или висмут. Эти атомы используют четыре электрона для образования связей, делясь ими с четырьмя соседними атомами кремния, в то время как пятый, который не используется для связи, слабо связан и легко получает энергию от термически вибрирующих атомов кристаллической решетки, достаточную для того, чтобы стать свободным электроном. При комнатной температуре практически все «пятые» легирующие электроны являются свободными электронами, становясь так называемыми мажоритарными носителями.

Рис. 5. Примеси N-типа на примере германия

Обычно количество добавляемых атомов примеси составляет примерно 10 15 -10 18 атомов на кубический сантиметр материнского материала.

Мы можем описать содержание примеси числом атомов примеси, введенных на единицу объема легированного материала, или числом атомов примеси на миллион родительских атомов.

Мы определим связь между этими величинами на примере германия.

Сформулируем задачу следующим образом:

Давайте введем около 10 16 атомов фосфора в один кубический сантиметр германия. Давайте подсчитаем, сколько атомов фосфора приходится на миллион атомов германия.

M = 72,6 г/моль — молярная масса германия,

d = 5,32 г/см 3 — плотность германия,

N_A ≈ 6-10 23 моль -1 — число Авогадро.

Рассчитаем количество молей n германия в кубическом сантиметре материала. Для этого нужно разделить массу единицы объема — то есть плотность d — на массу одного моля германия. Получаем:

n = d / M = 5.32 / 72.6 = 0.07 моль / см 3

Мы рассчитываем количество атомов германия на единицу объема N путем умножения количества молей n на число Авогадро, то есть:

N = N_A * n = 6-10 23 * 0.07 = 4.2 * 10 22 см -3

Поэтому в одном кубическом сантиметре германия содержится приблизительно 4,2 * 10 22 атомов.

Если добавить 10 16 атомов примеси к одному кубическому сантиметру германия, который содержит около 4,2 — 10 22 атомов, то на каждый атом примеси приходится около 4 миллионов атомов германия.

Таким образом, допированный германий, при количестве один атом допанта на каждые несколько миллионов родительских атомов, имеет удельное электрическое сопротивление примерно в 1000 раз ниже, чем у собственного германия. Электрическое сопротивление не уменьшается пропорционально количеству носителей тока, поскольку введенные легирующие добавки препятствуют движению носителей тока — подвижность носителей уменьшается по сравнению с собственным полупроводником.

В полупроводниковых соединениях атомов тринадцатой и пятнадцатой групп периодической таблицы проводимость n-типа достигается различными способами. Это может происходить путем легирования шестивалентными элементами. Например, арсенид галлия и фосфид галлия могут быть допированы теллуром или серой. Замена пятивалентного атома мышьяка на шестивалентный атом теллура или серы приводит к появлению лишнего электрона, как и замена пятивалентного фосфора на четырехвалентный кремний или германий.

Зонная теория проводимости объясняет эффекты, связанные с легированием n-типа, внедрением легирующими атомами энергетических уровней с энергиями немного ниже — порядка 10 -2 эВ — чем энергии электронов зоны проводимости. Электроны легирующих атомов на этих уровнях, называемые донорными электронами, легко получают эту небольшую энергию от колеблющихся атомов кристаллической решетки и переходят в диапазон энергий зоны проводимости. Например, фосфор вводит донорный уровень с энергией на 0,013 эВ в германии и на 0,045 эВ ниже в кремнии, чем энергия зоны проводимости. Энергия, необходимая для перехода валентных электронов в диапазон энергий зоны проводимости, должна быть примерно в 100 раз выше. В германии около 0,67 эВ, в кремнии 1,12 эВ.

Полупроводниковая электроника

Полупроводниковая электроника существенно изменила мир. Многие вещи, которые долгое время не сходили со страниц произведений фантастов стали возможны. Чтобы знать, как работают и чем уникальны полупроводниковые приборы, необходимо понимание различных физических процессов, протекающих внутри.

В статье разобраны принципы работы основных полупроводниковых устройств. Описание функционирования изложено с позиции физики. Статья содержит вводное описание терминов, необходимых для понимания материала широкому кругу читателей.

Иллюстраций: 34, символов: 51 609.

На Хабре в последнее время появилось большое количество тематических статей по различным полупроводниковым устройствам и их параметрам. Не удивительно, что данный материал особенно интересен новичкам в области электроники, поскольку современное изобилие различных устройств обязано именно полупроводниковой электронике. Данный материал следует расценивать как некоторое дополнение к прекрасным статьям AveNat, Dooez и IIIa66uMEM6eP, опубликованным в этом блоге. Описание, приведённое в статье, изложено с целью рассказать больше о физической стороне вопроса, хотя некоторые технические особенности также указаны. Помимо всего прочего материал частично перекликается с уже опубликованными статьями, что также является плюсом для изучающих материал, поскольку информация об одном и том же из разных уст продвигает ближе к истине. Традиционно материал рассчитан на широкий круг читателей, поэтому изложение достаточно подробное. Быстро можно ознакомиться с содержанием по резюмирующим абзацам, которые находятся в конце каждого раздела. В конце статьи для интересующихся размещён список дополнительных источников знаний.

Современные электрические приборы являются очень сложными устройствами. Физические детали их функционирования не всегда легко поддаются пониманию. Для того, чтобы ясно представлять принцип работы того или иного устройства, необходимо знать базовые физические явления, лежащие в их основе. Поэтому, для того чтобы далее вести разговор на одном языке, ниже представлено краткое описание таких понятий как электрическое поле, электрический ток и диффузия.

Шаг 1. Электрическое поле

С позиции физики электрическое поле — это некоторая материя, которая существует «рядом» с заряженными телами. Следует отметить, что такие термины как материя, тело и заряд обсуждаться здесь не будут, т.к. это темы дискуссий на грани физики и философии. Следует лишь уяснить, что это всё связано с явлением электричества и соответственно под зарядом понимается электрический заряд. Для большей наглядности можно взглянуть на рисунок ниже.

На картинке размещено два объекта — шарики. Каждый шарик обладает особой характеристикой — зарядом. Данный заряд может быть либо положительным, либо отрицательным. Эти два шарика взаимодействуют друг с другом через электрическое поле, которое находится «вокруг» них. В этом и проявляется сущность электрического поля: оно обусловлено существованием определённых электрических сил между заряженными телами. Данные силы таковы, что если у шариков заряды одинакового знака, то они друг от друга будут отдаляться, если разного, то наоборот — приближаться. Более подробно вопрос можно изучить в физических учебниках по тематике закона Кулона и электростатического поля.

Для удобства, электрическое поле характеризуют специальной величиной — напряжённостью. Она нужна для того, чтобы сравнивать какое поле «сильнее», а какое «слабее». То, по каким формулами рассчитывается и в каких единицах измеряется в данном случае не важно. Главное то, что чем больше напряжённость электрического поля, тем «сильнее» оно действует на заряженное тело. Также данная характеристика поля имеет направление. В этом случае говорят, что напряжённость — векторная величина, поскольку вектор обычно имеет какое-то направление. Направление необходимо знать, чтобы определить в какую сторону будет поле «толкать» заряженное тело. Прояснить ситуацию можно с помощью рисунка и одной формулы.

На картинке один шарик, помещённый в электрическое поле. В данном случае не важно какими заряженными телами поле было образовано. Поле характеризуется напряжённостью, которая имеет определённое направление. Шарик имеет определённый заряд какого-то знака. Формула, приведённая на рисунке, говорит о том, что если заряд шарика положителен, то поле его «толкает» вперёд (говорят по полю), если отрицателен, то против поля.

Простейшим примером реальных заряженных тел является электрон. Который, являясь чисто квантовым объектом и «живя» по «волшебным» законам, в некотором приближении можно считать шариком, для которого справедливы все рассуждения выше. Заряд у электрона отрицательный, поэтому он «летит» против поля.

Помимо всего прочего, кроме напряжённости, которая описывает силовые характеристики электрического поля, вводят ещё одну характеристику — потенциал. Потенциал является энергетической характеристикой. Энергия в физике вообще штука интересная и её понимание тоже относится к разряду философско-физических дискуссий. Из-за своих свойств она очень удобна для математических расчётов. Останавливаться на этом вопросе здесь не будем.

Потенциал описывает энергетические свойства каждой точки, где есть поле и в общем случае для каждой точки он разный. Особый интерес представляет разность потенциалов. Между разностью потенциалов и напряжённостью поля есть связь. Суть данного понятия можно уяснить из рисунка ниже. Разность потенциалов обычно именуют напряжением (не путать с напряжённостью). Это не совсем то напряжение, которое меряют в электрических цепях с помощью вольтметра, хотя некоторая связь есть. Опять-таки все тонкости можно извлечь из учебников по физике.

В физике любое движение заряженных тел, имеющее чёткое направление, называют током. В данном случае — электрическим током. Очень важно, что движение заряженных тел может происходить не только из-за действия поля на них. По причине того, что существует выделенное направление, ток также имеет какое-то направление. Исторически сложилось, что для движения заряженных отрицательно частиц ток считают направленным в обратную сторону. Подробнее об этом на рисунке.

На практике, обычно используют величину — сила тока, которую просто называют ток, и которая измеряется в Амперах. Эта величина описывает то, как много заряженных тел «пролетает» в единицу времени через определённую область (сечение материала). Связь между током (силой тока) и напряжением определяется законом Ома (формула на картинке). Эти две величины связывает коэффициент, который называют сопротивлением. Данный коэффициент характеризует материал и различные физические явления, которые сопровождают течение тока в этом материале. Обычно сопротивление это просто какое-то число, хотя бывают и более сложные случаи. Об этом можно почитать в учебниках. Иногда для удобства используют вместо сопротивления другую величину — проводимость. Разница между ними ясна из названия: чем больше сопротивление у материала, тем у него хуже (меньше) проводимость.

Среди электрических явлений ещё одной очень интересной особенностью является то, что если имеются какие-либо скопления разноимённых зарядов, то между ними возникает электрическое поле (напряжение), это указывает на то, что такая система хранит энергию электрического поля. Данные системы численно характеризуются параметром — электрическая ёмкость. На данном принципе работают популярные электрические устройства — конденсаторы. Не будем вдаваться в нюансы.

Также нужно понимать, что электрические явления есть частный случай проявление электромагнетизма, о котором можно подробнее почитать в литературе, которая приведена в конце статьи.

Резюме

В основе электроники лежат различные физические явления электрической природы. Наиболее важными понятиями являются электрическое поле заряженных частиц и их электрический ток. Электрическое поле характеризуется напряжённостью и распределением потенциала. Наличие разности потенциалов говорит о наличии электрического поля и наоборот. Под действием каких-либо сил, в том числе и со стороны электрического поля, возникает электрический ток (упорядоченное движение зарядов). Скопления разноимённых зарядов хранят энергию электрического поля и характеризуются электрической ёмкостью (конденсаторы).

Шаг 2. Диффузия

У энергии, существует одна особенность, она всегда стремится быть минимально возможной в любой ситуации. Это закон природы. В некотором роде вообще всё, что происходит вокруг нас можно объяснить именно этим законом. Его иногда называют принципом наименьшей энергии. Собственно поэтому после прыжка мы всегда падаем вниз, кофе всегда остывает, дует куда-нибудь ветер и т.д. Этим же принципом объясняется явление диффузии. Для наглядного представления можно посмотреть, что будет, если кусочек сахара поместить в стакан с водой и не размешивать.

Растворившись, частички сахара будут находиться в одном месте, допустим на дне стакана. Через некоторое время можно будет заметить, что вся вода в стакане стала сладкая, т.е. частички сахара разместились полностью по всему объёму стакана. Это показано схематично на рисунке ниже.

Вот такое поведение частичек какого-нибудь вещества называют диффузией. Поэтому можно сказать, что раз все объекты состоят из молекул и атомов, то при наличии области, где частиц (молекул или атомов) больше, чем в других областях, то возникает перенос из области большей концентрации в меньшую. Другими словами природа стремится всё уровнять, чтобы минимизировать энергию, привести к состоянию равновесия (иногда говорят в равновесное состояние).

Резюме

Благодаря законам природы частички вещества, если их где-то много, всегда будут стремиться туда, где их мало. Это явление называется диффузией.

Шаг 3. Твёрдые тела

Представление о том, как устроены различные материалы очень и очень сложно. Существуют различные направления в физике, которые изучают те или иные вопросы, касающиеся веществ. Для понимания полупроводниковой электроники основной интерес представляют твёрдые тела. Различные тонкости этого вопроса можно изучить в учебниках по физике твёрдого тела или материаловедению. Основная (поверхностная) идея же заключается в том, что все твёрдые тела можно представить в виде решёток. Это определённые структуры, которые состоят из атомов. На картинке ниже представлены некоторые типы моделей решёток. Чёрные точки на рисунке — это атомы.

Свойства различных материалов определяются типами их решёток, видами атомов, а также рядом других факторов. Любое рассуждение о структуре вещества, в конечном счёте, приведёт к вопросам квантовой физики с её «волшебными» явлениями.

Для описания «внутренностей» материалов хорошо подходит зонная теория твёрдого тела. Данная теория неразрывно связана с понятием энергии. Выше уже говорилось о специфичности термина «энергия». Здесь и в дальнейшем не будем углублять данное понятие. Узнать о том, какую роль играет энергия, можно из обыкновенной модели атома, взглянув на рисунок ниже.

На картинке представлена грубая модель атома в виде слоёной структуры. В центре размещено ядро атома, которое окружено электронными облаками. Электронные облака — это и есть собственно электроны. Такое представление электрона больше похоже на правду, нежели представление в виде шариков с точки зрения квантовой физики. Электронный слой ещё именуют электронным уровнем. Дело в том, что на каждом уровне электроны обладают какой-то энергией. Чем «дальше» от ядра — тем больше энергия. Также такую структуру удобно изображать в виде энергетической диаграммы, которая также приведена на рисунке выше. Такую диаграмму часто можно встретить в учебниках по физике. Энергия обозначается буквой Е. Самый верхний энергетический уровень называют валентным.

Когда атомы «соединяются» друг с другом, образуя решётку, т.е. формируют некоторое тело (материал) энергетические уровни у них меняются из-за того, что атомы действуют друг на друга. И среди энергетических уровней наблюдается определённый порядок: энергетические уровни делятся на так называемые зоны. Отсюда и название — зонная теория. На рисунке ниже представлены возможные случаи распределения зон. Следует отметить, что это характеристики всего материала.

Нижняя зона называется валентной зоной. Электроны, которые находятся там, относятся к атомам. Электроны, которые находятся в верхней зоне, являются «общими». Эти электроны очень хорошо реагируют на электрическое поле и непосредственно отвечают за формирование электрического тока в веществе, т.е. за его электрические свойства. Такая зона называется зоной проводимости. Между ними находится запрещённая зона. На картинке также видно, как зависят от ширины запрещённой зоны свойства материалов и принадлежность к тому или иному классу веществ. Видно, что у металлов зоны перекрываются, поэтому у них электроны легко становятся «общими» и соответственно их в зоне проводимости много и течёт хороший заметный ток. У полупроводников зоны находятся на некотором расстояние, но не значительном. Это значит, что электрон может «перепрыгнуть» через эту зону, если получит извне достаточно энергии. У диэлектриков зона шире, поэтому «перекинуть» электроны в зону проводимости трудно, в результате чего токи там текут очень маленькие. И вообще говорят, что диэлектрики токи не проводят.

Есть ещё ряд не менее важных моментов, но здесь рассмотрение их будет опущено и для начального понимания сути физической природы, достаточно будет и этих данных.

Резюме

Для описания свойств твёрдых тел используется зонная теория. Суть теории заключается в том, что внутри материала существуют электроны, которые могут учувствовать в образование электрического тока, остальные же принадлежат атомам. Если подавать на материал энергию (свет, тепло, электрическое поле), то можно «отрывать» электроны от атома для того, чтобы они проводили ток. Есть материалы, где это легко сделать, а есть где сложно. «Золотую середину» занимает класс материалов — полупроводники. В действительности все свойства веществ описываются квантовой физикой.

Шаг 4. Полупроводники

Чем же так особенны полупроводниковые материалы, что они совершили революционный переворот в технике? Весь секрет кроется именно в достаточно узкой запрещённой зоне. Давая электронам какую-нибудь энергию, можно регулировать проводимость материала. Это может быть
электрическое поле, свет (электромагнитные волны), температура и т.д. Это и объясняет колоссально широкое применение полупроводниковых приборов.

Для более детального рассмотрения следует ввести некоторые термины, используемые в теории. В первую очередь «дырки». Дело вот в чём. Если из валентной зоны «улетит» электрон, то там останется свободное место. На это место может «прилететь» другой электрон. Т.к. электрон имеет отрицательный электрический заряд, то «улетая» от атома, он уносит собой этот кусочек общего заряда атома и атом становится чуть-чуть положительней. Конечно рассуждения грубы, но это наводит на мысль о том, что можно представить, что на месте электрона образовалась дырка, которая «несёт» положительный заряд. Это настолько удачная мысль, что в теории полупроводников эти «дырки» называют даже частицами. Хотя на самом деле это никакая не частица, а просто вот такой трюк. Этот трюк удобен для теории, поэтому останавливаться подробно не будем на этом, но терминологию такую использовать будем. Также «дырки» и электроны в теории полупроводников называют p и n частицами от positive и negativе соответственно.

Теперь уже с новой терминологией можно говорить, что когда подаётся на полупроводник энергия, которой хватает для «перескока» электрона, то образуется пара p и n. При температуре больше 0 Кельвина (это в человеческих единицах -273 по Цельсию) всегда есть какое-то количество энергии, которое подаётся на полупроводник из-за температуры. Поэтому если взять какой-нибудь кусок полупроводника, то можно с полной уверенностью говорить, что в нём постоянно генерируются и исчезают (рекомбинируют) пары p и n частиц. Этот процесс идёт постоянно и в таком материале есть всегда какое-то количество электронов и дырок, которые уже создались, но не успели ещё рекомбинировать. Их количество одинаковое, раз они образуются парами. Но этого мало. Для того, чтобы полупроводники применять в практических целях, создают специальные материалы с заведомо установленными параметрами. В данном случае вносят в чистый полупроводник какое-нибудь дополнительное вещество, которое увеличивает или количество электронов или «дырок». Такие полупроводники называют примесными (потому что в них примешали что-то). Одни называют полупроводниками n-типа, другие p-типа. Физические тонкости трогать не будем, об этом можно почитать в дополнительной литературе.

Раз в полупроводниках существует два типа частиц с зарядом, способных упорядоченно двигаться, то существует в полупроводниках два типа тока: электронный и дырочный. Кроме того, двигаться частицы эти могут либо из-за электрического поля, либо из-за диффузии. Соответственно токи ещё могут быть или диффузионными или дрейфовыми.

Наиболее популярными полупроводниковыми материалами на данный момент являются кремний, германий и соединение арсенид галлия.

Сложной и самой важной конструкцией в полупроводниковых приложениях является контакт полупроводников p-типа и n-типа, так называемый pn-переход.

Резюме

Полупроводниковые материалы обладают относительно узкой запрещённой зоной, что делает их гибкими в электрических применениях. В терминологии теории применяется понятие «дырка», которая интерпретируется как частица и может создавать электрической ток. «Дырка» является свободным местом под электрон и «имеет» положительный заряд. В чистом полупроводнике равное количество электронов и «дырок». Для технических применений создают специальные материалы с большим количеством или «дырок» (p-тип) или электронов (n-тип).

Шаг 5. PN-переход

Если взять два полупроводниковых материала и соединить их так, как показано на рисунке ниже, то можно получить pn-переход. На самом деле так не делают, потому что невозможно получить общую кристаллическую решётку просто приложив два материала, но для общих представлений достаточно и такой модели.

Напомню, что в чистый полупроводник добавили примесь, благодаря которой, материал стал обладать повышенной концентрацией зарядов, в одном случае «дырок», в другом — электронов.

Как только два материала «соединили», образовав единый кусок вещества, возникает явление диффузии, которое стремится уровнять концентрации частиц по всему объёму. Самое интересное здесь будет происходить на границе, где рекомбинируют (уничтожаются) электроны и «дырки». В конечном счёте около границы двух материалов возникнет тонкий слой без «дырок» и электронов, т.е. весь заряд скомпенсировался. Однако, примеси, которые были добавлены в материалы, здесь вносят свой вклад. Эти примеси представляют собой ионы (атомы), которые имеют также какой-то заряд. Этот слой показан на рисунке.

Тот факт, что имеются заряженные ионы, и предотвращает дальнейший рост слоя рекомбинированных пар электронов и «дырок». Дело в том, что между двумя противоположно заряженными областями образуется электрическое поле, напряжённость которого направлена от положительной области к отрицательной. В итоге возникает равновесие в материале: при определённой толщине слоя, поле будет на столько сильным, чтобы отправлять обратно заряженные частицы (p и n), которые будут стремиться перетекать под действие диффузии в другую область. Противоборство электрического поля и диффузии и образуют pn-переход. На рисунке ниже это представлено более наглядно.

На рисунке квадратиками обозначены ионы, а кружочками частицы (p и n). Следует отметить, что если проводник n-типа — это ещё не значит что там только электроны, там также есть и дырки, но их очень мало. Это видно по диаграмме, которая нарисована на листочке. Можно догадаться, что для тех частиц, которых мало в той или иной области поле будет их ускорять, т.е. пропускать. Это так называемый ток неосновных носителей заряда. Если pn-переход никак не трогать, то данные токи равны и соответственно общий ток равен нулю.

Самые интересные свойства pn-перехода проявляются если на него воздействовать какой-нибудь энергией, например, электрической.

Ситуация №1. На концы куска материала, где присутствует pn-переход, подключены провода, которые создают разность потенциалов, в результате чего можно говорить о том, что внешним источником энергии создаётся некоторое поле с напряжённостью E. Его обычно так и называют — внешним полем. Конструкция показана на рисунке ниже.

В области контакта отсутствуют основные носители заряда, т.к. они все рекомбинировали. Соответственно это можно интерпретировать, как участок с большим сопротивлением. По крайней мере большим, чем остальной объём полупроводника. Также в виду того, что там присутствует поле, можно говорить, что имеется некоторая разность потенциалов, которую обычно называют контактной. Также говорят, что эта разность потенциалов формирует потенциальный барьер. Углубляться в этот вопрос не будем. Однако с этим связаны не менее интересные вещи, к примеру, именно этот потенциальный барьер определяет то, какое напряжение будет на переходе, если рассматривать pn-переход включённым в некоторую электрическую цепь. Вообще величина данного барьера зависит от типа материала. Поэтому различные полупроводниковые приборы, сделанные из разных материалов, отличаются рядом параметров, в том числе и падающим напряжением на переходе.

В инженерной и научной практике обычно, для наглядности отображения свойств каких-нибудь сложных физических структур, используют специальные диаграммы зависимостей различных величин от других. В электротехнике часто это бывают зависимости тока и напряжения друг от друга. Для pn-перехода, где определяющим является ток, протекающий через переход, очень удобны зависимости тока от напряжения. Такая зависимость приведена на рисунке ниже. Её также называют вольт-амперной характеристикой или сокращённо ВАХ.

Знание ВАХ позволяет не держать в голове все физические процессы в материале, а опираясь на такие зависимости проектировать устройства. На рисунке эта зависимость нарисована оранжевым фломастером. Можно заметить, что если увеличивать напряжение в обратном смещение, то после некоторого значения резко растёт ток. Физически это своеобразное поведение электронов, похожее на лавину. Говорят, что происходит лавинный пробой. Обычно после такого pn-переход своими свойствами больше не походит на pn-переход. Подробно не будем рассматривать эту тему. Отметим, лишь, что иногда, но в меру лавинный пробой бывает полезным.

Ещё одной особенностью pn-перехода является то, что тот обеднённый слой на месте контакта двух проводников, который создаёт внутреннее поле, очень похож на конденсатор. Поэтому говорят, что внутри перехода имеет ёмкость. Её именуют барьерной, чтобы подчеркнуть способ её образования. Также существует ещё одна ёмкость, которая наблюдается при прямом включение перехода и она объясняется динамическими процессами в полупроводниках. Её называют диффузионной. Подробно касаться этого тоже не будем. Ёмкости нужно время для того, чтобы зарядится и разрядится, поэтому если возникает желание быстро менять местами напряжение на концах pn-перехода, то из одного режима в другой переход перейдёт не мгновенно. Для того, чтобы подчеркнуть, что ёмкость очень важна даже рисуют вот такие эквивалентные схемы для pn-перехода.

Ёмкость pn-перехода также интересна для использования на практике. Дело в том, что при обратном смещении от напряжения зависит толщина обеднённого слоя, а соответственно и количество заряда, которое находится по обе стороны перехода. В таком случае можно говорить, что напряжение изменяет ёмкость перехода.

Резюме

Самой популярной конструкцией в полупроводниковой электронике является pn-переход, который представляет собой соединение двух полупроводников разного типа (p и n). Данный переход обладает уникальными свойствами, что определяет его широкое применение. Основной особенностью данного контакта можно считать пропускание электрического тока только в одну сторону. Кроме того, pn-переход может генерировать свет и реагировать на него.

Шаг 6. Переход полупроводник-металл

Кратко можно упомянуть ещё об одном виде контактных явлений: между металлом и полупроводником. При определённых условиях в таком контакте может появиться также потенциальный барьер. Очень часто можно встретить название — барьер Шоттки. По имени изобретателя. Для наглядности посмотрим как это происходит, если соединить металл с полупроводником n-типа. Рассуждения для полупроводника p-типа похожи.

При таком контакте основные носители заряда (электроны) из полупроводника будут перетекать в металл. Что приведёт к схожей ситуации с pn-переходом. Возникнет область с полем, которое будет тормозить дальнейшее увеличение объёма необогащённого слоя. Процессы внутри материала отличаются, конечно, от pn-перехода, но в некоторой степени схожи. ВАХ имеет похожую структуру.

Основным отличием от pn-перехода является то, что данный переход является более быстрым в виду того, что за ток отвечают только электроны (подвижность электронов выше, чем у «дырок»). Также ёмкость перехода намного меньше. Также следует отметить, что на переходе падает меньше напряжение, чем при контакте двух полупроводников.

Резюме

Помимо pn-перехода существуют другие типы соединений. Интересным с практической точки зрения является контакт металл-полупроводник, который обладает схожими свойствами с pn-переходом.

Шаг 7. Диод

Простейшим среди полупроводниковых устройств является диод. Название такое от того, что у него два вывода (вход и выход). В основе всех диодов лежат свойства pn-перехода, обыгрывая какой-нибудь из параметров, получаются разные диоды. Простейший диод, на основе pn-перехода выглядит и обозначается вот так:

Ниже приведено краткое описание других типов диодов. Диоды Шоттки основаны на использовании барьера Шоттки; варикапы используют ёмкостные эффекты pn-перехода; стабилитроны используют особенности обратной ветки ВАХ диода (показано на рисунке) для стабилизации напряжения; туннельные диоды используются при проектировании генераторов; фотодиоды и светодиоды применяются для детектирования и излучения света (возможна модификации для излучения когерентного света — лазеры).

Также существует класс устройств с тремя выводами, но по функциональности они ближе к диодам. Это так называемые тиристоры. Они часто применяются для электрических приложений с большими мощностями. В каком-то отдалённом смысле принцип работы можно сравнить с ещё одним сложным устройством, но более популярным — транзистором. В тиристорах также один pn-переход управляет другим. Более подробно можно почитать о тиристорах, динисторах и других устройствах из этого класса в дополнительной литературе. Кроме всего прочего, существует большое разнообразие других видов, таких как лавинные фотодиоды (очень чувствительные, используются в экспериментах с квантовыми компьютерами и криптографией), pin-диоды, оптроны, импульсные диоды и т.д.

Широкое разнообразие разновидностей диодов говорит об очень больших областях применения. Более популярными (с академической позиции) являются использование диодов для выпрямления сигнала (из переменного в постоянный), для стабилизации напряжения, для подстройки частоты (через изменение ёмкости) колебательного контуры. И многое другое. Необходимо отметить, что полупроводниковая электроника развивается большими темпами и сейчас диод именно как чистый pn-переход внедрён повсеместно. Подробности будут сказаны ниже.

Резюме

Полупроводниковый диод является простейшим конечным устройством, использующим pn-переход. Существуют различные модификации диодов, которые используют те или иные параметры pn-перехода. Полупроводниковые диоды очень широко распространены.

Шаг 8. Транзистор

Не менее популярными и значимыми устройствами в классе полупроводниковых приборов являются транзисторы. Это устройства обычно с тремя выводами, которые можно разделить на два больших класса: биполярные и полевые.

Полевой транзистор представляет собой некоторую полупроводниковую структуру, в которой имеется чётко выраженная область либо p, либо n-типа. Такую область называют каналом. Данный канал имеет какую-то определённую проводимость (сопротивление). Суть работы полевого транзистора состоит в том, что дополнительные полупроводниковые конструкции в виде pn-переходов в нём позволяют управлять проводимостью (сопротивлением) этого канала. Другими словами, полевой транзистор — это переменное сопротивление, которое полезно использовать в различных схемах. Само слово транзистор, в принципе, расшифровывается как переменное сопротивление. На рисунке ниже показана структура типичного полевого транзистора.

Как видно канал имеет два вывода, обладающие особой терминологией: исток и сток. Эти выводы подключают к участку цепи, где нужно переменное сопротивление. Третий вывод транзистора являет управляющим. На него подаётся сигнал, который изменяет проводимость (сопротивление) канала. Этот вывод именуют затвором. Существуют различные способы организации данного эффекта управления, по которым полевые транзисторы ещё делятся на несколько подклассов.

На рисунке выше изображён полевой транзистор с управляющим pn-переходом. Принцип его работы основан на рассмотренных выше свойствах pn-перехода. В данном случае pn-переход включают в обратном направлении и под действие внешнего электрического поля переход либо увеличивается (в размере) или уменьшается. Таким образом, регулируется площадь канала. Чем меньше площадь (поперечного сечения) материала, по которому течёт ток, тем меньше его сила (при прочих равных условиях). Дальнейшие тонкости рассматривать не будем. Имеет место аналогия с вентилями на трубах, работа которых аналогична. Как уже выше отмечалось, удобно перейти к различным зависимостям, которые будут отражать суть эффекта для технической реализации. На картинке представлены такие зависимости для изображённого транзистора. Это два совмещённых графика: выходная характеристика (правый) и характеристика прямой передачи (левый). Через pn-переход в обратном включении течёт маленький ток, поэтому неудобно говорить об управляющем токе. В основном рассматривают управляющее напряжение, поэтому на характеристике прямой передачи (зависимости выходного тока) рассматривается зависимость от напряжения. Видно, что с увеличением напряжения, уменьшается выходной ток (растёт переход и перекрывается канал). На правом графике приведено несколько зависимостей. Они отличаются друг от друга только входным напряжением. По данному графику тоже хорошо видно, что чем больше сопротивление, тем меньше ток на выходе.

На следующем рисунке представлен другой подкласс полевых транзисторов — транзисторы с изолированным затвором. По их структуре их ещё называют МДП (метал-диэлектрик-полупроводник), чтобы подчеркнуть изолированность металлического затвора диэлектриком от полупроводникового канала. Также встречается название МОП (вместо слово диэлектрик подставляют более конкретно — оксид). Изоляция тут нужна для того, чтобы не создавать сложных контактных структур, потому, что нужно только электрическое поле, которое и создаётся затвором (между затвором и другим контактом-подложкой, как в конденсаторе).

На рисунке схематично изображена конструкция такого полевого транзистора. Когда на затвор подают потенциал больше, чем на подложке, то напряжённость поля будет направлена в сторону подложки и все те немногочисленные электроны, что есть в p-полупроводнике будут «примагничиваться» к затвору. Через некоторое время образуется тонкий слой электронов, который создаёт «мостик» между стоком и истоком и выступает в качестве канала. Говорят, что канал индуцировался (образовался). Поэтому такие транзисторы называют «с индуцированным каналом». Существует также немного другая модификация, когда принцип тот же самый, но изначально делают очень тонкий канал, для того, чтобы можно было что-нибудь проводить и без подачи потенциала на затвор. Такой полевой транзистор называют со встроенным каналом.

Как можно заметить, сила тока варьируется от двух параметров: от площади поперечного сечения проводника и от количества зарядов, «протекающих» через это сечение. Полевые транзисторы для управления током используют оба эти параметра, регулируя в одном случае концентрацию зарядов (изолированный затвор), а в другом случае площадь поперечного сечения (управляющий pn-переход).

Другим классом транзисторов, являются биполярные транзисторы, которые в отличии от полевых (поле), состоят из двух pn-переходов и управление током через один переход производится с помощью другого. На рисунке показано обозначение биполярных транзисторов и их принцип работы.

Можно выделить основные части биполярного транзистора: база, эмиттер и коллектор. На рисунке они изображены одинакового размера, хотя на самом деле базу стараются сделать уже. Дальше будет понятно почему.

Если подключить провода к двум концам такого транзистора (эмиттеру и коллектору) и подать напряжение, то через него не будет течь ток вообще ни в каком направлении. Это объясняется структурой. Можно заметить, что в любом случае какой-нибудь из pn-переходов будет в обратном смещении. Однако, если на базовый контакт подать соответствующее напряжение, то можно заметить увеличение тока. Секрет кроется в том, что при подаче напряжения, например как на рисунке, один переход будет в прямом смещении, в другой в обратном. Прямое смещение первого перехода создаёт хороший поток «дырок» из эмиттера в базу, где они, конечно же, рекомбинируют с огромным количеством электронов. Если величина тока достаточная, то часть «дырок» не будет успевать рекомбинировать и их количество будет накапливаться. По действием диффузии они потекут к коллекторному переходу, а там уже переход в обратном смещении, который для неосновных носителей является ускоряющим, т.е. поле перехода «выкинет» «подлетевшую» к нему «дырку», что и создаёт ток коллектора. Заметим, что «дырок» в этом случае в n-полупроводнике больше, чем обычно, поэтому будет течь существенный ток. такой режим работы биполярного транзистора называют активным (один переход открыт, другой закрыт). Также существуют и другие режимы, в зависимости от направления смещения pn-переходов. Особенности эти трогать не будем, о них можно почитать в дополнительной литературе.

Для биполярных транзисторов также используют описание с помощью всевозможных характеристик, обычно это входные (входной ток) и выходные (выходной ток). На рисунке ниже представлены наиболее популярные способы использования биполярных транзисторов и их характеристики.

Дело в том, что и полевые и биполярные транзисторы можно подключать к электрической цепи по-разному, основное отличие состоит в том, куда подавать управляющий сигнал (по правде немного по-другому: какой выход будет общим для управляющей цепи и для управляемой). Для полевых транзисторов данное описание было опущено, а вот для биполярных в виду существенной разницы приведено для двух более популярных случаев (бывает ещё с общим коллектором).

Для того, чтобы не запутаться где рисовать и какие стрелки на обозначениях транзисторов, запомните, что стрелка как у компаса указывает на N (n-тип полупроводника).

Это актуально и для биполярных и для полевых транзисторов (там бывает канал разного типа). У одних она всегда рисуется на эмиттере, у других на затворе.

В радиотехнике существует много разных подходов для описания устройств и их параметров. Один из них — это представление устройства в виде чёрного ящика с несколькими выводами. Каждый вывод соответствует физическому выводу устройства. Такой подход позволяет также абстрагироваться от физики и использовать лишь непосредственно свойства устройства. Для транзисторов типична схема включения, когда один из её выводов является общим для управляющей и для управляемой цепи. В итоге получается, что транзистор как бы имеет 4 вывода. В этом случае называют чёрный ящик четырёхполюсником. Между входом и выходом устройства есть очевидно связь и эту связь можно описать разными коэффициентами, которые называют параметрами. Для транзисторов наибольший интерес представляют h-параметры (H-параметры). Значения их приведено на рисунке ниже.

Среди них наиболее интересный это h₂₁ параметр, который часто можно встретить в документации на транзисторы, что он значит будет сказано ниже.

Вопросы работы с транзисторами достаточно сложны, как и с любыми полупроводниковыми устройствами, поскольку включают в себя также различные зависимости от температуры, от частоты сигнала, различные шумы и т.д. Касаться всего этого не будем, ниже лишь немного рассмотрим два наверно наиболее популярных применения транзисторов, в качестве усилителей сигналов и в качестве ключей.

Резюме

Самым интересным устройством среди полупроводниковых приборов является транзистор. Транзисторы позволяют реализовывать различные цифровые и аналоговые устройства. Различают два класса: биполярные (ток) и полевые (поле) транзисторы.

Шаг 9. Транзистор-усилитель

Когда говорят об усилительных свойствах какого-нибудь устройства, обычно рисуют графики, как на рисунке ниже. На графиках показывается как меняется выходной сигнал в зависимости от входного.

Взглянув на рисунок, можно заметить схему, это самая простая схема включения транзистора (в данном случае биполярного), которая позволяет ему усиливать сигнал. Самое сложное тут, это «передвинуть» входной сигнал так (по входной характеристике), чтобы он начал усиливаться, да ещё и без искажений. Для этого, нужно, чтобы «центр» сигнала был в такой точке, от которой по обе стороны одинаково меняется кривая. Это нужно, чтобы не было искажений. Такую точку называют рабочей. Для этого на схеме есть специальный резистор, который к входному сигналу даёт постоянное смещение. По графикам можно проследить, что сигнал усилился. Видно, что усиление происходит по току, ну и как следствие по напряжению тоже. Поэтому для характеристики усилительных свойств транзисторов вводят специальные коэффициенты, которые показывают во сколько раз выходной ток, напряжение или мощность больше входного. Параметр h₂₁, о котором говорилось выше, является приблизительно равным коэффициенту усиления по току. На этом следует остановиться, ибо вопросы, касаемые усилителей и усилительных каскадов сложны и являются вообще отдельной веткой электроники. Поэтому об этом или говорить всё или лучше ничего или почти ничего, здесь рассмотрены лишь основы. Вершиной совершенства полупроводниковых усилителей являются специальные каскады, которые называются операционные усилители, которые сейчас представляют целое полупроводниковое аналоговое устройство с наисложнейшей архитектурой

Резюме

В аналоговой электроники самое популярное применение транзисторов — это усилительные каскады. Усиление происходит за счёт особенностей работы транзистора. Для того, чтобы сигнал усиливался без искажений нужно правильно подбирать напряжение смещения.

Шаг 10. Транзистор-ключ

Другим направлением развития применения транзисторов, которое стало также очень популярным и положило начало всей современной цифровой электронике, является применение транзисторов в качестве ключей. Ключом называют обычный переключатель между двумя состояниями. На рисунке представлен пример такого обычного переключателя.

Для того, чтобы сделать из транзистора ключ, необходимо также выбрать два состояния транзистора, между которыми производить переключение. Обычно это когда транзистор проводит большой ток и когда маленький, говорят транзистор «открыт» или «закрыт». С позиции цифровых применений, это соответствует «1» и «0». Проектирование цифровых ключей тоже имеет много подводных камней и схемы во много раз сложнее тех, что изображены на рисунке, но основа та же. Дело в том, что для ключей критическим является скорость переключения, а также различимость двух состояний. Поэтому требуются расчёты и модернизации, чтобы оптимальным образом работать с характеристиками транзистора.

Основная идея заключается в том, что имеется некоторая электрическая цепь с одним постоянным сопротивлением и одним переменным, в качестве которого выступает транзистор. Если сопротивление транзистора намного больше постоянного сопротивления, то всё напряжение падает на нём, а на резисторе оставшееся. Если же, у транзистора на много меньше сопротивление постоянного, то ситуация противоположная. Суммарно напряжение на транзисторе и постоянном сопротивление всегда равно напряжению питания. Это закон, который ещё называют законом Кирхгофа №2. Отсюда становится понятна идея, что при подаче сигнала (тока, напряжения) на вход транзистора, он открывается и всё падает на постоянном сопротивлении, если убрать сигнал, то он «закрыт» и всё падает на транзисторе. Если мерить напряжение на транзисторе, то зависимость между входом и выходом будет похожа на логическую операцию инверсия: когда на входе «1», на выходе «0» и т.д.

Большую популярность сейчас имеют схемы, на подобие той что приведена в правом верхнем углу рисунка. Это так называемая комплементарная пара. Тут всё просто: подавая один и тот же сигнал на транзисторы с разным типом канала, всегда будет открыт только один из транзисторов. Это позволяет уменьшить энергетическое потребление схемы.

Цифровые транзисторные ключи позволяют создавать сложные логические схемы, которые уже способны производить наисложнейшие вычисления.

Резюме

В цифровой электроники самое популярное применение транзисторов — это ключи. Транзисторы переключаются между двумя состояниями, за счёт чего и проявляется эффект «ключа». Реальные ключи являются сложными каскадами с дополнительными элементами для улучшения параметров. На транзисторных ключах формируются логические элементы.

Шаг 11. Логические элементы

Рассмотренные в предыдущем разделе транзисторные ключи в первую очередь нашли своё применение в цифровой электроники. Можно даже говорить, что они её сформировали. При помощи только одного ключа можно сформировать все нужные конструкции, чтобы рассчитывать логические функции. В математике доказывается, что для это не нужно реализовывать все возможные функции, достаточно того, чтобы можно было сделать только несколько основных (базис), через которые уже можно выразить все остальные. Например, это может быть операция инверсии и конъюнкция (2И-Не), а может быть исключающее или и инверсия. Простой ключ уже сам по себе реализует инверсию. А конструкции, которые показаны ниже на рисунке, позволяют реализовать операцию 2И-Не (такой каскад называют вентиль).

На картинке изображены две схемы, одна для биполярного транзистора, другая для полевого, причём полевой транзистор использует комплементарные пары. Существует огромное количество различных модификаций данных типов соединений. Но эти являются самыми основными. Причём КМДП логика на данный момент является самой популярной, правда, не в чистом виде. Все технологические новинки являются коммерческой тайной производителей электроники.

Рассмотрим для примера работу ТТЛ (транзистор-транзисторная логика). Тот интересный транзистор, который расположен на входе, на самом деле не является конкретным устройством, это всё реализуется интегральными методами, но об этом позже. Пусть, к примеру, напряжение питания 5 вольт, а на входах A и B сигналы «0», т.е. примерно 0.1 вольт. Это говорит о том, что эмиттерные переходы смещены в прямом направлении. Если устройство делается из кремния, то на таком переходе будет примерно 0.7 вольт (это факт, связанный с потенциальным барьером). Тогда, опираясь на закон Кирхгофа №2, можно говорить, что между базой входного транзистора и землёй, которая у выходного транзистора падает примерно около 0.8 вольт. Точность тут не важна, главное понимать, что этого мало, поскольку для того, чтобы по этой цепи протекал электрический ток, нужно как минимум 0.7 + 0.7, поскольку в цепи два pn-перехода (один коллекторный — от первого транзистора, второй эмиттерный — от второго). Тогда транзистор на выходе закрыт, и на выходе ключа «1». Ситуация, когда A и B «1» и «0» (или «0» и «1») ничего не меняет, поскольку разные потенциалы на входе будут замыкаться, и pn-переход также будет в прямом смещении. Однако, если подать на вход «1» и «1» т.е. по 5 вольт, тогда между базой и эмиттерами переходы будут в обратном смещении. Т.е. на них будут маленькие напряжения, что говорит о том, что на базе почти 5 вольт. Тут тоже точность не нужна. Важно то, что этого напряжения уже достаточно и спокойно открываются оба pn-перехода. Это приводит к тому, что начинает течь ток и открывается выходной транзистор, на выходе которого «0». Вот такая зависимость между A, B и Y называется 2И-Не, поскольку это операция логическое умножение и затем инверсия.

Также очень интересной является И2Л (интегрально-инжекционная логика), которая тут не представлена на картинке, т.к. не очень популярна, однако в СССР были значительные успехи в её применении. Уникальность её заключается в сверхмалой потребляемой мощности (можно работать с напряжениями до 1 вольта), устойчивости к шуму и очень компактные размеры (связано с планарной технологией). О принципах её работы также здесь не будет сказано, поскольку говорить нужно о многом.

Резюме

Транзисторные ключи позволяют формировать универсальные логические каскады — вентили, которые могут формировать путём каскадных соединений более сложные логические функции. Все современные цифровые устройства состоят из такого рода вентилей. Сейчас при проектировании микросхем (о них в следующем разделе) редко пользуются транзисторным масштабом, всё сводится к описанию соединений между уже готовыми логическими модулями (часто для это применяют языки HDL).

Шаг 12. Где в процессоре транзисторы?

Яркими представителями современных полупроводниковых устройств являются процессоры и иные микросхемы. Все эти устройства построены на pn-переходах. Миллионы транзисторов образуют ключи, которые в свою очередь образуют логические элементы, реализующие разнообразные операции: сложение, вычитание, умножение, деление и т.д. О том, как на элементе 2И-Не всё это можно реализовать следует почитать в дополнительной литературе по алгебре логики.

Современные сложные машины могут «засунуть» такое огромное количество транзисторов в такие маленькие размеры при помощи так называемой планарной технологии. Суть её состоит в том, что берётся чистый кусок полупроводника (тонкая пластинка) и на него наслаивают различные уровни примесей через специальную маску, чтобы разместить примесь в нужном месте. И так поочерёдно образовывая сложные соединения. Это действительно высокие технологии, которые не стоят на месте. Конечно, сейчас операции намного сложнее, чем тут описано, однако принцип остаётся тем же. Более подробно о производстве полупроводниковых микросхем можно почитать в литературе, а также посмотреть интересные статьи от компании Intel.

Резюме

В данной статье сжато (где это возможно) рассказано об очень важной области электроники. Рассмотренные темы действительно можно считать наиболее ключевыми для общего понимания принципов функционирования полупроводниковых устройств. Найти ответы на появившиеся вопросы поможет список книг и статей ниже. Безусловно отрасль полупроводниковой электроники ещё долгое время будет задавать темп научно-технического развития общества. Недаром процессоры, как представители этого направления, включили в тренды технологий 2012 года по версии EE Times.

Полупроводники

Кабель

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это материальный продукт, обычно сделанный из кремния, который проводит больше электричества, чем изолятор, такой как стекло, но меньше, чем чистый проводник, такой как медь или алюминий.

Их проводимость и другие свойства могут быть изменены путем введения примесей, называемых легированием, для удовлетворения конкретных потребностей электронного компонента, в котором они находятся.

Полупроводники, также известные как микросхемы, используются в тысячах продуктов, таких как компьютеры, смартфоны, бытовая техника, игровое оборудование и медицинское оборудование.

Полупроводниковые материалы: примеры полупроводников

В нашей статье будут рассмотрены примеры полупроводников, их свойства и применение. Эти материалы находят свое место в радиотехнике и электронике. Они нечто среднее между диэлектриком и проводником.

Кстати, простое стекло тоже можно считать полупроводником — в обычном состоянии оно не проводит электричество. Но при сильном нагреве (практически до жидкого состояния) происходит изменение свойств и стекло становится проводником. Но это исключительный пример; другие материалы немного отличаются.

Определение и свойства

Полупроводниками считаются вещества, у которых слабо выражены свойства электрической проницаемости металлов и диэлектриков, в то же время существует зависимость протекания тока от температуры, излучения и концентрации примесей. Группа полупроводников кажется более материальной, чем металлы и диэлектрики вместе взятые. Имеющиеся свойства веществ уникальны:

• Удельное электрическое сопротивление полипропилена уменьшается при нагреве тела, в отличие от металлов, у которых повышение температуры вызывает увеличение сопротивления.

В результате увеличивается проводимость. При охлаждении до абсолютного нуля – минус 273 ºC ПП приобретает способность становиться изоляторами, диэлектриками.

• Односторонняя проницаемость при контакте 2-х полупроводников — это свойство послужило движущей силой для создания выпрямительных устройств: тиристоров, диодов и транзисторов.
• Возникновение электрической движущей силы при определенных условиях: при нагреве контактов полупроводников возникает тепловой ток, а освещение вызывает напряжение фотоэффекта. ПП преобразуют солнечную энергию в электрический ток, а металлический предмет таким свойством не обладает.
• Повышение проводимости достигается введением в чистую кристаллическую решетку ПП примеси — другого химического элемента. Такими веществами будут фосфор, бор и другие добавки к кремнию.

Благодаря своим специфическим свойствам применение полупроводниковых материалов обширно: силовая микроэлектроника, промышленное машиностроение, некоторые виды ПП являются сырьем для строительных материалов. Существует несколько типов элементов, они имеют разное назначение и индивидуальные конструктивные особенности.

Виды и деление полупроводников

Названий программного обеспечения много, и для удобства они классифицируются по разным критериям. Наибольшее разделение типов полупроводников осуществляется по их составу:

• Простые материалы: кристаллические химические элементы селен Se, кремний Si, германий Ge заняли свою нишу применения и используются самостоятельно, в отличие от других, в которые чаще добавляют легирующие добавки для получения композиционных печатных плат.

Этими элементами являются сурьма Sb, углерод C, теллур Te, бор B, йод I, сера S.

• Сложные полупроводниковые материалы – в них входят химические соединения в количестве 2, 3 и более элементов. ПП, состоящие из двух звеньев, называются бинарными и выделяют компонент, металлические свойства которого менее выражены: сульфиды, при наличии серы, теллуриды (Te), арсениды (As), карбиды ©, селениды (Se).
• Оксиды металлов — вольфрама, кадмия, титана, меди, молибдена и др. к этой группе относятся составы, изготовленные на основе титаната бария, цинка и других неживых соединений с небольшими добавками.
• Органические полупроводники представляют собой красители или природные пигменты в виде аморфных и кристаллических порошков, пленок.

По обладанию определенными свойствами ПП подразделяют на диоды, транзисторы и тиристоры. К первым относятся 2 кристалла полупроводников с разной проницаемостью. Конструкция выполнена остроконечной — из кремния и металлической иглы, и плоской — из сплава германия и индия.

Транзисторы состоят из 3 ПП: 2 имеют одинаковую способность пропускать ток, а третий имеет проводимость с противоположным значением. Элементы устройства называются базой, коллектором и эмиттером. Они используются в качестве усилителей электрических сигналов.

Тиристоры являются преобразователями тока движения. Они отличаются от транзисторов своим назначением: они не могут изменять ток: их функция заключается в переключении проводимости на высокую или низкую.

Типы полупроводников

Вообще говоря, полупроводники делятся на четыре основные категории продуктов:

Микросхемы памяти действуют как временное хранилище данных и передают информацию в мозг и обратно на компьютерные устройства. Консолидация на рынке памяти продолжается, в результате чего цены на память настолько низки, что лишь немногие гиганты, такие как Toshiba, Samsung и NEC, могут позволить себе оставаться в игре.

Это центральные процессоры, содержащие основную логику 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 другие сегменты в целом.

Иногда их называют «стандартными чипсами», они производятся большими партиями для ежедневной обработки. Этот сегмент, в котором доминируют очень крупные азиатские производители микросхем, предлагает скудную маржу, с которой могут конкурировать только крупнейшие полупроводниковые компании.

«Система на чипе» (SOC) — это на самом деле создание микросхемы интегральной схемы с возможностью использования всей системы. Рынок вращается вокруг растущего спроса на потребительские товары, которые сочетают в себе новые функции и более низкие цены.

Поскольку двери на рынок памяти, микропроцессоров и товарных интегральных схем плотно закрыты, сегмент SOC может быть единственным, в котором достаточно места для привлечения широкого круга компаний.

Основные особенности полупроводников

Показатель проводимости составляет примерно 1000 Ом*м (при температуре 180 градусов). По сравнению с металлами полупроводники имеют снижение проводимости с повышением температуры. Этим же свойством обладают и диэлектрики. Полупроводниковые материалы имеют достаточно сильную зависимость показателя проводимости от количества и вида примесей.

Например, если в чистый германий ввести только одну тысячную часть мышьяка, проводимость увеличится примерно в 10 раз. Все без исключения полупроводники чувствительны к внешним воздействиям — ядерному излучению, свету, электромагнитным полям, давлению и т д.

Примерами полупроводниковых материалов являются сурьма, кремний, германий, теллур, фосфор, углерод, мышьяк, йод, бор, а также в виде различных соединений этих веществ.

Особенности применения полупроводников

Благодаря тому, что полупроводниковые материалы обладают такими специфическими свойствами, они получили достаточно широкое распространение. На их основе изготавливают диоды, транзисторы, симисторы, лазеры, тиристоры, датчики давления, магнитного поля, датчики температуры и так далее

После разработки полупроводников произошли коренные преобразования в автоматике, радиотехнике, кибернетике и электротехнике. Именно за счет использования полупроводников удалось добиться таких малых габаритов оборудования — не нужно использовать массивные блоки питания и радиолампы размером с полуторалитровую банку.

Полупроводниковые приборы

Можно сразу привести примеры полупроводниковых приборов — это транзисторы, тиристоры, диоды и даже микросхемы. Конечно, это не полный список. Чтобы сделать полупроводниковый прибор, нужно использовать материалы, обладающие дырочной или электронной проводимостью.

Для получения такого материала необходимо в идеально чистый полупроводник ввести добавку с концентрацией примеси менее 10-11% (она называется легирующей примесью).

Эти примеси, у которых валентность больше, чем у полупроводника, отдают свободные электроны. Эти примеси называются донорами. Но те, валентность которых меньше, чем у полупроводника, склонны захватывать и удерживать электроны. Их называют акцепторами.

Для получения полупроводника, который будет иметь только электронную проводимость, достаточно ввести в исходный материал вещество, валентность которого будет только на единицу больше.

Для примера полупроводников в физике школьного курса рассматривается германий — его валентность равна 4. К нему добавляют донор — фосфор или сурьму, их валентность равна пяти. Полупроводниковых металлов мало, в технике они практически не используются.

При этом 4 электрона в каждом атоме осуществляют установку четырех пар (ковалентных) связей с германием. Пятый электрон такой связи не имеет, а значит, находится в свободном состоянии. И если подать на него напряжение, то он сформирует электронный ток.

Термисторы

Как известно, проводимость полупроводников увеличивается с повышением температуры, так как увеличивается число носителей заряда. Грубо зависимость проводимости полупроводников от температуры можно представить в виде:

где $E$ — энергия активации (энергия, необходимая для перевода электрона в зону проводимости), $k$ — постоянная Больцмана. Вблизи абсолютного нуля все полупроводники становятся изоляторами. Сильная зависимость сопротивления полупроводников от температуры позволяет использовать их в различных областях техники.

Устройства, зависящие от зависимости сопротивления от температуры, называются термисторами.

Для изготовления терморезисторов применяют полупроводники, имеющие значительную величину отрицательного сопротивления (обычно это оксидные полупроводники). Термисторы выполнены в виде цилиндрических стержней, шариков или нитей, заключенных в изолированные стеклянные, керамические или металлические коробки.

Фотосопротивления

Как известно, электроны в полупроводниках могут переходить в зону проводимости не только при повышении температуры, но и при поглощении фотона (внутренний фотоэффект).

Есть полупроводники, энергия перехода электронов, которая составляет десятые доли электрона — один вольт, то есть на сопротивление таких проводников влияет не только видимый свет, но даже инфракрасное излучение.

Единица, основанная на изменении сопротивления полупроводников под действием света, называется фотосопротивлением. Для видимой части спектра чаще всего используют полупроводники из селена, германия, сульфида кадмия и таллия. Для инфракрасной части спектра используются полупроводники из сульфида, селенида и теллурида свинца.

Основной характеристикой таких фоторезисторов является зависимость фототока (I) от величины светового потока (F). Вольт-амперные характеристики фоторезисторов линейны. Фоторезисторы инерционные, а это значит, что фототок не сразу достигает своего максимума, он уменьшается при прекращении освещения, даже через некоторое время.

Фоторезисторы используются в автоматизации, сортировке товаров по цвету или размеру.

Варисторы

Эмпирически доказано, что в малых полях закон Ома для полупроводников можно считать справедливым.

Для разных веществ величина критического поля (напряженность поля, при которой начинается отклонение от закона Ома) сильно различается. Величина критического поля зависит от природы полупроводника, температуры и концентрации примесей.

Опытным путем установлено, что электропроводность полупроводника от напряженности поля определяется законом Булля:

где $alpha$ — температурно-зависимый коэффициент, $E_k$ — критическая напряженность поля.

Полупроводники, проводимость которых значительно возрастает с увеличением напряженности электрического поля, называются варисторами (ограничителями перенапряжений). Карбидокремниевые варисторы используются в качестве шайб в разрядниках для защиты высоковольтных линий.

Полупроводниковые выпрямители

При соприкосновении некоторых полупроводников иногда возникает явление, когда ток хорошо течет в одном направлении и с трудом течет в противоположном. Этот эффект особенно часто возникает, если полупроводники имеют разные типы проводимости.

Односторонняя проводимость контакта различных полупроводников используется в диодах, триодах. Для производства обычно используются германий и кремний. Такие диоды и триоды имеют достаточно большой срок службы, малые габаритные размеры, потребляют мало энергии, высокий коэффициент выпрямления.

В вентильных элементах используется однополярный провод между проводником и металлом.

Термоэлементы

Термопары сделаны из полупроводников. Они состоят из двух полупроводников, соединенных металлической пластиной. Полупроводники нагреваются в месте соединения, а противоположные концы охлаждаются (воздухом или другими способами).

Свободные концы являются полюсами термопары; к ним подключается внешняя цепь. Термоэлектрические батареи состоят из термопар. Величина термоэдс ($mathcal E$) определяется по формуле:

где $_1 и _2$ — термоЭДС в каждом полупроводнике при разности температур на концах, равной 1°C. КПД термобатареи составляет около 6-7%.

Если через термопару пропустить электрический ток, возникает эффект Пельтье, один спай нагревается, другой охлаждается. Это явление используется в холодильниках.

Задание: В чем причина отклонения от закона Ома, происходящего в полупроводниках в сильных электрических полях?

Запишем закон Ома в дифференциальной форме:

I=сигма E слева (1,1 справа),

где $I$ — сила тока, $sigma$ — коэффициент проводимости, $E$ — напряженность электрического поля.

Сила тока может быть определена как:

I=q_env слева (1,2 справа),

где $q_e$ — заряд электрона, $n$ — концентрация заряженных частиц, $v$ — скорость электронов. Используя выражения (1.1) и (1.2) получаем, $sigma$ равна:

[sigma = frac =q_enuft(1.3right),]

где $u$ — подвижность электрона. Из выражения (1.3) следует, что закон Ома соблюдается, если подвижность и концентрация не меняются при изменении напряженности поля.

При увеличении Е выше определенного значения увеличивается подвижность электронов и увеличивается их концентрация, так как сильное поле изменяет энергетическое состояние электронов в атомах (уменьшается энергия, необходимая для входа в зону проводимости).

В сильных полях свободный электрон получает достаточно энергии, чтобы ионизировать атом решетки или атом примеси, увеличивая концентрацию электронов проводимости.

Ответ: Отклонение от закона Ома связано с влиянием сильных полей на подвижность электронов и их концентрацию.

Задание: Описать процесс возникновения термоЭДС в полупроводниках (термоэлектрогенератор).

В полупроводниках кинетическая энергия теплового движения свободных электронов возрастает пропорционально абсолютной температуре. Это означает, что если в полупроводнике создать разность температур, то концентрация электронов будет увеличиваться в конце с более высокой температурой.

Следовательно, диффузия свободных электронов в полупроводнике начнется в направлении от горячего конца к холодному.

Холодный конец полупроводника будет иметь отрицательный заряд, горячий — положительный (он потеряет часть своих электронов). Диффузия будет продолжаться до того момента, пока возникающая разность потенциалов не компенсирует диффузионный поток электрического тока, возникший в обратном направлении. Это равновесие будет определять результирующую термо-ЭДС.

Использование в радиотехнике

Любой специалист, техник со знаниями в области электроники знает, что абсолютно вся современная электроника основана на использовании полупроводниковых элементов. Любое аналоговое или цифровое (дискретное) устройство основано на схемах, построенных с использованием диодов и транзисторов.

Полупроводниковый диод

Одним из первых устройств, использующих свойства полупроводников, является полупроводниковый диод. Конструкция состоит из соединения пары полупроводников с разным типом проводимости.

В результате физических процессов движения электронов и дырок на границе веществ возникает электрическое поле и образуется так называемый p-n переход.

P-n-переход имеет свойство однонаправленной проводимости, то есть ток через диод возникает только при подключении p-области (анода) к полюсу источника напряжения, а n-области (катода) к минусу.

Вольт-амперная характеристика диода

В обратной полярности тоже есть ток, но его величина, по сравнению с прямой полярностью, значительно меньше. Стабилитрон — это разновидность диода, основная область разрядной работы находится на противоположной ветви характеристики.

Параметр pn перехода выбирается таким образом, чтобы напряжение на стабилитроне практически не менялось в узком диапазоне обратного тока.

Первый диод, детектор, использовался еще во времена, когда теория полупроводников находилась в зачаточном состоянии.

Транзистор

Транзистор, или, как его раньше называли, триод, имеет два участка материала одинаковой проводимости и тонкий участок полупроводника на другом. Принцип транзистора заключается в том, что небольшой ток в тонкой области, называемой базой, может пропускать гораздо больший ток через другие области, коллектор и эмиттер соответственно.

В зависимости от схемы включения транзистор может иметь различное назначение: как усилительный, генерирующий и преобразующий полупроводниковый элемент.

Применение полупроводников не ограничивается вышеперечисленными областями. Есть изделия с тремя и более p-n переходами или вообще без них. Варистор — это резистор, сопротивление которого зависит от величины протекающего тока, а также полупроводниковый элемент.

Механизм электрической проводимости

Проводимость таких материалов, как полупроводники, отличается от проводимости обычных проводников. Основным условием возникновения тока в материалах является наличие достаточного количества свободных электронов.

Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон в ядре связан с двумя соседними атомами.

Электроны веществ участвуют в переносе заряда, когда получают некоторую энергию. Энергетическая работа для полупроводников составляет порядка единиц электрон-вольт (эВ). Для проводников эта величина меньше, для диэлектриков соответственно больше.

Дырка

Важной особенностью рассматриваемых материалов является то, что они могут иметь особый тип проводимости — дырочный. В электронной оболочке атома в момент отрыва и вылета электрона образуется свободное место, которое принято называть дыркой. Следовательно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.

Энергетические зоны

Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов в оболочке атома. Таких зон три:

• Кабельные стяжки;
• Запретная зона;
• Зона Валанса.

Название запретной зоны говорит о том, что в ней не может находиться электрон. Следовательно, для возникновения тока электрон должен перейти в зону проводимости из устойчивой валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем ближе свойства материала к диэлектрикам.

Подвижность

При воздействии электрического поля начинается движение носителей заряда в материалах. В данном случае это электроны и дырки. Связь между скоростью движения и величиной электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Увеличение числа взаимных столкновений является причиной уменьшения подвижности с ростом концентрации.

Электронно-дырочный переход

Полупроводник имеет два вида электропроводности — электронную и дырочную. В чистых полупроводниках (без примесей) концентрация дырок и электронов (ND и NE соответственно) одинакова. По этой причине такая электропроводность называется собственной. Суммарное значение тока будет равно:

Однако если принять во внимание тот факт, что электроны имеют большую величину подвижности, чем дырки, то можно прийти к следующему неравенству:

Подвижность заряда обозначается буквой М, это одно из основных свойств полупроводников. Мобильность – это взаимосвязь между двумя параметрами. Первая — скорость движения носителя заряда (обозначается буквой В с индексом «Е» или «Д» в зависимости от типа носителя), вторая — напряженность электрического поля (обозначается буквой Е) . Его можно выразить в виде формул:

Подвижность позволяет определить путь, который проходит дырка или электрон за одну секунду, при значении напряжения 1 В/см теперь можно рассчитать собственный ток полупроводникового материала:

Но следует отметить, что у нас есть сходство:

Буква ei в формуле указывает на заряд электрона (это постоянная величина).

Риски цикличности

Удивительно, но цикличность отрасли может утешить инвесторов. В некоторых других технологических секторах, таких как телекоммуникационное оборудование, никогда нельзя быть полностью уверенным, является ли состояние циклическим или постоянным. Напротив, инвесторы могут быть почти уверены, что в какой-то момент в не столь отдаленном будущем рынок изменится.

Цикличность обеспечивает определенный комфорт, но также создает риски для инвесторов. Производители чипов должны регулярно участвовать в азартных играх с высокими ставками.

Большой риск заключается в том, что после крупного проекта разработки компаниям может потребоваться много месяцев или даже лет, чтобы выяснить, сорвали ли они джекпот или сорвали все подряд. Одной из причин задержки является переплетенная, но фрагментированная структура отрасли, в которой различные сектора достигают своего пика и достигают дна в разное время.

Например, нижняя точка для литейных заводов часто наступает гораздо раньше, чем для разработчиков микросхем. Другая причина — длительные сроки выполнения заказов в отрасли: на разработку чипа или создание литейного цеха уходят годы, и еще больше времени уходит на то, чтобы продукты принесли прибыль.

Компании, производящие полупроводники, сталкиваются с классической загадкой: технология движет рынком или технология движет рынком? Инвесторы должны понимать, что оба случая применимы к полупроводниковой промышленности.

Поскольку компании тратят значительную часть своих доходов на исследования и разработки, на окупаемость которых могут уйти месяцы или даже годы, а иногда и никогда, если технология несовершенна, инвесторам следует с осторожностью относиться к заявлениям компаний, утверждающих, что они обладают самыми последними и новейшими разработками лучшие технологии в индустрии полупроводников.