Полупроводники: что это такое, p-типа, n-типа, область применения и физические свойства

Электрика
Содержание
  1. Механизм электрической проводимости
  2. Виды полупроводников
  3. По характеру электропроводности
  4. Собственная проводимость
  5. Примесная проводимость
  6. По виду проводимости
  7. Электронные полупроводники (n-типа)
  8. Дырочные полупроводники (р-типа)
  9. Использование в радиотехнике
  10. Термисторы
  11. Фотосопротивление
  12. Полупроводниковый диод
  13. Транзистор
  14. приложений
  15. Типы полупроводников в периодической системе элементов
  16. Определение
  17. Физические свойства и применение
  18. Подробнее о том, как устроен полупроводник (если вы ощущаете себя ботаником)
  19. Электронный и дырочный токи в полупроводниках
  20. Методы получения
  21. Создание p-n перехода
  22. Преодоление потенциального барьера
  23. Обратное включение
  24. Оптика полупроводников
  25. Собственная плотность
  26. примеров
  27. Сверхвысокочастотные приборы.
  28. Транзисторы.
  29. Список полупроводников
  30. Группа IV
  31. Группа III-V
  32. Группа II-VI
  33. Группа I-VII
  34. Группа IV-VI
  35. Группа V-VI
  36. Группа II-V
  37. Другие
  38. Органические полупроводники
  39. Как еще применяется обратное включение
  40. Основные виды полупроводниковых чипов
  41. Кристаллическая структура кремния
  42. ↑ Структура и энергетические диаграммы чистого полупроводника

Механизм электрической проводимости

Полупроводники, особенно электронные, вызывают сегодня наибольший интерес. Как металлы, они проводят электричество через электроны. Электропроводность металлических элементов, как и электронных полупроводников, зависит от концентрации текущих энергоносителей. В полупроводниковых элементах содержание электронных частиц в самостоятельном положении в 1000 раз меньше, чем в железе.

В полупроводниках все время происходят 2 совершенно противоположных процесса:

  • Высвобождение электронных частиц с одновременным потреблением света или внутренней энергии.
  • Воссоединение с ионом, потерявшим свой электрон.

Состояние равновесия между связанными и свободными электронами является чисто динамическим. Чтобы перейти из первой позиции во вторую, нужно дать им вспомогательную энергию. Металлический материал даже при низкой температуре имеет большую долю свободных электронов. Сил между взаимодействиями между молекулами в металлах достаточно, чтобы высвободить определенное их количество.

Относительно небольшое количество свободных полупроводниковых электронов отрывается от атомов. Последние становятся ионами. Каждый из них окружен большим количеством незаряженных атомов. Нейтральные атомные частицы отдают иону свой электрон, и он также становится незаряженным.

Таким образом, обмен элементарными частицами приводит к изменению расположения положительных атомов в полупроводнике, так как происходит смещение положительного заряда. Пока на полупроводниковом материале не появится внешнее поле, каждому электрону, движущемуся в одном направлении, будет противодействовать движение частиц в противоположном направлении. Аналогичное действие происходит с положительным зарядом.

Если используются внешние поля, приоритет отдается процессам. Освобожденные электроны движутся в противоположном направлении от поля, положительные — внутри него. Формируется однонаправленный ток, электропроводность создается этими двумя процессами.

Область, где вместо незаряженного атома находится положительный ион, называется «дыркой». На самом деле движутся только электроны, но при переходе связанных частиц от атомов к ионам возникает необычный эффект, как будто постоянно движутся положительно заряженные «дырки.

Виды полупроводников

Все полупроводники делятся на 3 категории:

  • Ядерный. Атом имеет кристаллическую решетку: кремний, бор, сера, фосфор, селен, германий, серое олово, цирконий. Такие элементы относятся к группам 4,5,6 в периодической системе Д.И.Менделеева. Они образуют компактную группировку, где слева размещены полупроводники с характерным свойством металла, а справа — металлоиды.
  • Элементы с ионной решеткой, состоящие из кристаллов. В таких компонентах атомы связаны между собой кулоновскими силами, например PbS, CdS.
  • Полупроводники с истинно нейтральными соединениями. В таких элементах атомы объединены в кристаллы одной огромной молекулы: антимонид индия, карбид кремния, арсенид галлия.

По характеру электропроводности

Полупроводниковые материалы выпускаются 2-х разновидностей: самостоятельные (собственные); добавляется из-за примеси в электропроводности.

Собственная проводимость

Когда при окислении атомов кристалла образуются «дырки» и самостоятельные электронные частицы, подобное поведение присуще полупроводникам первой разновидности. Концентрация «дырок» соответствует соотношению высвобожденных электронных частиц.

Примесная проводимость

При производстве в кристаллы добавляют примесь, вещество с молекулами 3-х или 5-ти валентного элемента из таблицы Менделеева.

По виду проводимости

Полупроводниковые материалы бывают 2-х разновидностей: электронные (n-типа), дырочные (p-типа).

Электронные полупроводники (n-типа)

Терминология «n-тип» происходит от английского названия «negative», что означает отрицательную энергию основных носителей тока. Этот тип полупроводникового материала характеризуется наличием примесей. Смесь 5-валентного мышьяка добавляют к 4-валентному полупроводниковому веществу (кремнию). При контакте каждая частица второй добавки образует ковалентную связь с атомарными компонентами кремния.

Между тем пятому электрону в мышьяке не хватает места для связи, поэтому он перемещается в самую дальнюю область, где для отделения от атома требуется очень небольшой заряд. В этой зоне электрон успевает вырваться на свободу, становится полностью свободным и самостоятельным. В такой ситуации энергия переносится не «дыркой», а электронной частицей. Этот тип полупроводника способен передавать электрический ток так же, как металл. Элемент, добавляемый к полупроводниковым материалам, называется донорным элементом.

Дырочные полупроводники (р-типа)

Терминология «р-тип» происходит от английского названия «positive», что означает положительную энергию основных носителей тока. Эта разновидность полупроводниковых материалов, кроме добавленной основы (примеси), характеризуется естественной электропроводностью за счет дырок. В 4-валентный полупроводниковый материал (кремний) в небольшом объеме добавляется 3-валентная примесь (индий.

Каждая частица добавляемого вещества образует ковалентную связь со своим соседом — 3 компонентами основного кремниевого элемента. Для связи с четвертой частицей кремния индий не имеет истинно нейтрального электрона. У него нет другого выбора, кроме как захватить частицу из пучка близко расположенных атомов кремния. В результате он превращается в заряженный (отрицательный) ион, благодаря чему появляется «дырка». Добавленные вещества (примеси) называются акцепторами.

Использование в радиотехнике

К категории полупроводников относятся материалы, способные проводить через себя электрический ток. По своим физическим свойствам такие вещества занимают промежуточное положение между металлами и диэлектрическими веществами. Что отличает его от железа, так это способность создавать электрический ток за счет света, тепла, потока электронов и других источников энергии. Без такого воздействия при температуре близкой к нулю они приобретают свойства диэлектриков. Полупроводники нашли применение в радиотехнических схемах в виде ряда деталей.

Термисторы

Электропроводность таких материалов изменяется под воздействием температуры. Это качество позволяет использовать их в устройствах, связанных с измерением температуры. Они гораздо более чувствительны, чем простые металлические термометры сопротивления. Их называют термисторами, они очень востребованы в технике.

Использование термометров помогает контролировать температуру в нескольких местах одновременно. Все данные передаются в центральный блок. Благодаря этому можно поддерживать необходимый уровень температуры, запуская и выключая отопительное оборудование. Термисторы регулируют величину сопротивления, изменяя температуру в любом направлении.

Фотосопротивление

Даже небольшое количество света может помочь высвободить электроны. Увеличивая ток, многократно усиленный специальными устройствами, получается добиться нужного сигнала. Аналогичным явлением является фотопроводимость. Устройства, изготовленные на этой основе, называются фоторезисторами. Применяются в электронике: в системах автоматики и сигнализации, где необходимо контролировать и управлять процессами извне. Благодаря устройствам предотвращается возникновение аварии и несчастных случаев за счет остановки машин и механизмов в автоматическом режиме.

Полупроводниковый диод

Диод — это прибор, состоящий из 2 слоев полупроводника: «p» — положительный, «n» — отрицательный. На границе 2-х уровней происходит переход «pn». Часть «p» становится анодом, а часть «n» становится катодом. Диод проводит ток исключительно от первого ко второму. На схемах расположение слоев обозначается следующим образом:

Транзистор

Транзистор — это полупроводниковый радиоэлемент, используемый для изменения свойств электрического тока с целью управления им. Простой триод имеет 3 вывода: база, откуда идут сигналы, коллектор, эмиттер. Одни большие транзисторы востребованы в промышленности и силовой технике, маленькие — в микросхемах.

приложений

Полупроводники широко используются в качестве сырья для сборки электронных компонентов, которые являются частью нашей повседневной жизни, например интегральных схем.

полупроводниковые-типо-приложения-y-ejemplos_2.jpg

Одним из основных элементов интегральной схемы являются транзисторы. Эти устройства имеют функцию обеспечения выходного сигнала (колебательного, усиленного или выпрямленного) в соответствии с определенным входным сигналом..

Кроме того, полупроводники также являются основным материалом в диодах, используемых в электронных схемах, чтобы обеспечить протекание электрического тока только в одном направлении..

полупроводники-типос-приложения-y-ejemplos.jpeg

Для построения диодов формируются внешние полупроводниковые связи типа Р и типа Н. С помощью чередующихся элементов носителя и доноров электронов включается механизм баланса между обеими зонами..

Таким образом, электроны и дырки в обеих зонах пересекаются и при необходимости дополняют друг друга. Это происходит двумя способами:

— Электроны переносятся из зоны N-типа в зону P. В зоне N-типа преобладает зона положительного заряда..

— Представлен переход электронно-несущих дырок из зоны P-типа в зону N-типа. Зона Р-типа получает преимущественно отрицательный заряд.

Наконец, создается электрическое поле, которое заставляет ток циркулировать только в одном направлении; то есть из зоны N в зону P.

Кроме того, используя комбинации внутренних и внешних полупроводников, можно получить устройства, выполняющие функции, аналогичные электронной лампе, объем которой в сотни раз превышает ее объем..

Этот тип приложений используется на интегральных схемах, таких как микросхемы микропроцессора, которые потребляют значительное количество электроэнергии.

Полупроводники присутствуют в электронных устройствах, которые мы используем в повседневной жизни, таких как оборудование коричневой линии, такое как телевизоры, видеомагнитофоны, аудиооборудование; компьютеры и мобильные телефоны.

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В таблице представлена ​​информация о полупроводниковых соединениях. Они делятся на следующие виды:

  • Один элемент 4 гр. Периодическая таблица.
  • Сложные: 2-х элементные А3БВ и А2В6 из 3 и 5 гр., из 2 и 6 гр.

У всех полупроводниковых элементов есть интересная особенность: с увеличением времени ширина запрещенной зоны уменьшается.

Определение

По своим электрическим свойствам и возможным применениям в электротехнике и электронной технике материалы делятся на три основных типа: проводники, полупроводники и изоляторы.

Полупроводники — это материалы, электрические свойства которых, особенно электрическое сопротивление, можно изменять в достаточно широких пределах, в основном путем введения легирующих добавок, а также путем нагревания, освещения и т д

Возможность изменять свойства позволяет использовать полупроводники в очень широком диапазоне приложений для обработки электрических сигналов. Например: «выпрямлять» ток, усиливать электрические сигналы, управлять токами, преобразовывать ток в свет, а свет в электричество. Также работа всех типов процессоров данных, микропроцессоров, микросхем, полупроводниковой памяти обусловлена ​​свойствами полупроводников.

Физические свойства и применение

Физические свойства полупроводниковых материалов:

  • Отличительная уникальность. Происходит увеличение электропроводности с повышением температуры, если она низкая, электропроводность низкая. При приближении t к нулю полупроводниковые элементы приобретают параметры диэлектриков.
  • Контакт двух полупроводников проводит ток только в одном направлении. Это качество используется в процессе производства различных полупроводниковых элементов: транзисторов, диодов, тиристоров.
  • Места контакта различных полупроводников при освещении или нагреве становятся источником фото- или термо-ЭДС. Устройства на основе полупроводников часто встречаются в приемниках радиосигналов, квантовых преобразователях энергии, лазерных системах, микрокомпьютерах и ядерных батареях. Переключатели, усилители, выпрямители выполнены из полупроводников.

Подробнее о том, как устроен полупроводник (если вы ощущаете себя ботаником)

Для начала напомним определение электрического тока – это поток электронов, переносимый от одного атома вещества к другому. Строение, например, металлов таково, что в оболочках их атомов всегда имеется пара свободных электронов, почти не связанных с ядром. Это означает, что они могут перемещаться внутри материала, что делает его очень проводящим электричество. В изоляторах, таких как каучук, электроны связаны с ядром атома очень прочно, поэтому они не проводят электричество.
Свободных электронов в полупроводниках тоже не очень много, но определенные атомы можно «посадить» с помощью легирования: трех- или пятивалентного:

  • Так, если к четырехвалентному кремнию добавить пятивалентный мышьяк, то атомы вещества вступят в ковалентную связь. Однако для одного электрона атома мышьяка не останется места — он станет свободным электроном, который будет переносить электрический ток (как в металлах). Полученный материал называют полупроводником n-типа, а саму примесь в виде мышьяка — донором.
  • Если к кремнию добавить трехвалентный бор или галлий, то, наоборот, у последнего будет недоставать одного электрона, поэтому в результате реакции появится положительно заряженный ион (в этом случае говорят, что образуется «дырка»). Он будет основным носителем заряда. Полученный материал называется полупроводником р-типа, а примесь — акцептором.

Из полупроводников «собираются» такие простые электронные компоненты, как диод и транзистор. В первом случае речь идет о соединении полупроводников n- и p-типа, во втором — о соединении трех полупроводников (npn или pnp). Транзистор, диод и другие компоненты обычно составляют более сложные микросхемы, т.е микросхемы (теперь должно быть понятнее логическая микросхема = полупроводник).

Электронный и дырочный токи в полупроводниках

При данной температуре полупроводник всегда имеет разорванные ковалентные связи, т.е определенное количество свободных электронов и соответствующее количество дырок. Если к такому полупроводнику подключить источник напряжения, свободные электроны под действием возникающего электрического поля будут двигаться к положительному полюсу, создавая электрический ток. Кроме того, электроны могут оставлять одни ковалентные связи и восстанавливать другие, которые были разорваны.

При этом в одном месте исчезает дырка, а в другом появляется дырка, из которой ушел электрон. Следовательно, в полупроводнике могут двигаться не только электроны, но и дырки, а электрический ток включает в себя две составляющие: электронную, образуемую движущимися свободными электронами, и дырочную, создаваемую движущимися дырками. Дырке условно соответствует положительный единичный заряд, равный заряду электрона.

Полупроводники, состоящие только из атомов германия или кремния, называются чистыми, или собственной, а электропроводность (способность проводить электрический ток), обусловленная наличием свободных электронов и дырок, называется собственной электропроводностью.

Читайте также: Как приклеить стекло к металлу: какой клей лучше выбрать, виды, свойства, инструкция по применению

Методы получения

Наиболее популярным методом очистки полупроводников является «зонная плавка». Другой распространенный вариант — «вытягивание монокристаллов из расплавленного материала», называемый методом Чохральского. В первом способе кусок «грязного» полупроводника помещают в лодочку из чистого графита, помещенную в кварцевую трубку, по которой постоянно протекает инертный газ аргон, препятствующий проникновению в нее различных примесей и воздуха.

С помощью небольшого кольцеобразного нагревателя удается расплавить небольшую часть слитка, затем расплавленный кусок движется с малой скоростью по нагревательному элементу. Если этот процесс повторяется много раз, чистый слиток становится чистым, так как грязный конец отламывается.

Во втором способе кусок кристалла медленно вытягивают из расплава в среде инертного газа. В процессе волочения для достижения однородной структуры полупроводника и равномерного перемешивания вводимых примесей создают круговое движение в разных направлениях с четким контролем температуры плавления. Затем кристалл охлаждают и отправляют в производство.

полупроводники-типос-приложения-y-ejemplos.png

Полупроводники характеризуются двойной функциональностью, энергоэффективностью, разнообразием применения и низкой стоимостью. Наиболее выдающиеся свойства полупроводников описаны ниже.

— Реакция (проводник или изолятор) может варьироваться в зависимости от чувствительности элемента к свету, электрическим полям и окружающим магнитным полям..

— Если полупроводник подвергается воздействию низкой температуры, электроны будут удерживаться вместе в валентной зоне, и, следовательно, не будет свободных электронов для циркуляции электрического тока..

Напротив, если полупроводник подвергается воздействию высоких температур, тепловая вибрация может повлиять на прочность ковалентных связей атомов элемента, оставляя свободные электроны для электропроводности..

— Проводимость полупроводников изменяется в зависимости от доли примесей или легирующих элементов во внутреннем полупроводнике..

Например, если в один миллион атомов кремния входит 10 миллионов атомов бора, это соотношение увеличивает проводимость соединения в тысячу раз по сравнению с чистым кремнием..

— Электропроводность полупроводников колеблется от 1 до 10-6 См.см-1 в зависимости от типа используемого химического элемента.

— Составные или внешние полупроводники могут иметь оптические и электрические свойства, намного превосходящие свойства собственных полупроводников. Примером этого аспекта является арсенид галлия (GaAs), используемый в основном в радиочастотных и других оптоэлектронных приложениях..

Создание p-n перехода

Что произойдет, если соединить вместе два куска кремния с примесями p-типа и n-типа? Вы получаете переход pn. Или, как его еще называют, электронно-дырочный переход.

Этот переход является пограничной зоной между p-областью и n-областью.

И особенность этого перехода в том, что этот переход состоит из ионизированных атомов примеси, которые не позволяют свободным зарядам из двух разных областей соединяться друг с другом. Он образовался из такого явления, как диффузионное течение.

Этот ток возникает при нагреве (производстве перехода). Носители заряда рекомбинируют друг с другом и уравновешивают баланс. Диффузионный ток под действием тепла хаотичен и не имеет упорядоченного направления, если на него не действует внешнее напряжение.

Например, электроны из n-области начинают скапливаться вблизи положительных примесей, но поскольку в n-области с другой стороны находятся отрицательные ионы, они не могут преодолеть этот барьер. Аналогичная ситуация с дырками.

Свободные электроны из n-области не могут перейти в p-область из-за барьера, создаваемого ионизированными донорными примесями. Это создает электрическое поле, которое действует как барьер для дырок и электронов. И из-за этого в p-n-переходе нет свободных носителей заряда. Переход просто отталкивает их с обеих сторон.

Кстати, другое название барьера — обедненная область.

В целом кристалл остается электрически нейтральным. Если бы этого барьера не существовало, свободные носители заряда уравновешивали бы друг друга.

Преодоление потенциального барьера

Чтобы свободные электроны и дырки прошли через этот барьер, необходимо приложить внешнее напряжение, превышающее напряжение, необходимое для пересечения барьера.

Подключитесь к региону n минус текущий источник и к региону p плюс текущий источник. Такое включение называется прямым. Другая n-область в устройствах называется катодом, а p-область — анодом.

Напряжение источника должно быть выше, чем требуется для открытия p-n перехода.

Допустим, потенциальный барьер равен 0,125 вольта. Чтобы преодолеть это, мы подключим источник с напряжением 5 В.

Чтобы не перегружать восприятие, на схеме не показаны второстепенные носители заряда.

А благодаря влиянию электрического поля внешнего источника свободные носители имеют достаточно энергии, чтобы пересечь этот потенциальный барьер и преодолеть его электрическое поле. Развязка связана с прямым смещением.

Свежий электрон приходит из источника, идет в n-область, затем преодолевает барьер и уходит в дырку, где происходит рекомбинация. А затем этот электрон идет навстречу дырке, которая исходит от положительного потенциала, связанного с р-областью. То есть через p-n переход проходит электрический ток. Этот ток также называют диффузионным током или постоянным током — когда основные носители заряда упорядоченно движутся к внешнему источнику тока.

Аналогичная ситуация с дырками. Положительный потенциал внешнего источника, который подключен к р-области, примет электрон, а на его месте появится дырка. Дырка, в свою очередь, будет двигаться к барьеру и далее к отрицательному потенциалу источника.

Ток, создаваемый дырками, называется дырочным током. Следовательно, ток, создаваемый электронами, является электронным.

А на этой схеме переход показан без барьера, но с обратным током.

Неосновные носители заряда, в свою очередь, действуют в обратном направлении, вызывая дополнительное сопротивление в p-n переходе.

Обратный ток может составлять всего несколько микроампер.

Обратное включение

Измените полярность внешнего источника на противоположную. Минус к p-региону, плюс к n-региону. Что произойдет с барьером и зарядным током?

Барьер увеличится, потому что основные носители заряда будут притягиваться внешним источником. Сопротивление потенциального барьера и напряжение открытия возрастут.

Однако, несмотря на все это, через p-n-переход будет протекать обратный ток.

Этот обратный ток очень мал, потому что он создается неосновными носителями заряда. Его также называют приводным током.

Оптика полупроводников

Полупроводники имеют блеск металла и очень похожи на них как по внешнему виду, так и по способности отражать и поглощать световую энергию. В видимой области спектра они поглощают сильный свет. Характерной особенностью достаточно чистых полупроводников является уменьшение поглощающей способности инфракрасного диапазона длин волн.

Собственная плотность

Наличие запрещенной зоны не препятствует образованию внутренних носителей заряда. Плотность электронов и дырок определяется сложной зависимостью, которая показывает, что внутренняя плотность заряженных частиц увеличивается с повышением температуры.

примеров

Наиболее распространенным полупроводником в электронной промышленности является кремний (Si). Этот материал присутствует в устройствах, из которых состоят интегральные схемы, являющиеся частью нашей повседневной жизни..

Сплавы германия и кремния (SiGe) используются в высокоскоростных интегральных схемах для радаров и усилителей для электрических инструментов, таких как электрогитары.

Другим примером полупроводника является арсенид галлия (GaAs), широко используемый в усилителях сигналов, особенно сигналов с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем шума..

Сверхвысокочастотные приборы.

Транзисторы широко используются в технике СВЧ. Кроме того, сверхвысокие частоты можно генерировать с помощью полупроводниковых компонентов, имеющих всего два провода, но имеющих отрицательное сопротивление, таких как туннельные диоды. К наиболее распространенным СВЧ-устройствам этого типа относятся лавинные транзитные диоды и диоды Ганна.

В лавинно-транзисторном диоде при лавинном пробое обратносмещенного p-n-перехода избыточные носители возникают в рабочей области, т.е в области движения носителей заряда под действием приложенного напряжения. При правильном выборе размера рабочей области через нее проходят избыточные носители в течение отрицательного полупериода переменного напряжения. Кроме того, ток увеличивается при снижении напряжения. В данном случае это своего рода отрицательная проводимость, которую можно использовать в объемном резонаторе для генерации СВЧ-колебаний.

Принцип работы диода Ганна основан на свойстве полупроводников, таких как GaAs и InP, замедлять электроны в материале при определенной критической напряженности электрического поля. По закону Ома ток в слабых полях пропорционален напряженности поля. Однако при очень сильных полях (силой порядка нескольких тысяч вольт на сантиметр) энергии электронов в GaAs или InP возрастают до значений, при которых свобода движения электронов в полупроводниковом кристалле ограничена.

Из-за их пониженной подвижности, когда напряженность электрического поля превышает некоторый критический уровень, электроны еще больше тормозятся. Как и в лавинно-транзисторном диоде, здесь возникает своего рода отрицательная проводимость, которую можно использовать для генерации СВЧ-колебаний. СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН См также

Транзисторы.

pn-переходы используются также в транзисторах и более сложных транзисторных структурах — интегральных микросхемах.

В биполярном транзисторе и электроны, и дырки действуют как носители заряда. Он имеет два близко расположенных и включенных перехода, образуя таким образом три отдельных слоя p-n-p или n-pn-структуры. В pnp-транзисторе p-область, действующая как входной слой, называется эмиттером; центральный русский регион является базой; Область P, которая действует как выход, называется коллектором.

В транзисторе npn области p и n меняются местами. В pnp-транзисторе дырки инжектируются через эмиттерный переход с прямым смещением и собираются на коллекторном переходе с обратным смещением; в устройстве npn то же самое происходит с электронами. Количество инжектируемых и собираемых носителей заряда можно изменять, изменяя малый ток, подаваемый в базовую область.

Полевой транзистор является униполярным устройством; это означает, что только основной тип носителей заряда, либо электроны в областях n-типа, либо дырки в областях p-типа, проходят через проводящий канал устройства. Ток в канале изменяется электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным к переходу (обратно смещенному) или к изолирующему слою на поверхности устройства.

Биполярный транзистор — это устройство, управляемое током, а полевой транзистор — устройство, управляемое напряжением. Оба типа транзисторов широко используются в микроэлектронных схемах. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ЦЕПЬ; См также ТРАНЗИСТОР.

Список полупроводников

Группа IV

Собственные: кремний, серое олово и германий. Композит: кремний-германий, кремний-карбид.

Группа III-V

2-компонентные: · арсенид, антимонид, фосфид, нитрид алюминия; нитрид бора, арсенид, фосфид; антимонид, нитрид, арсенид, фосфид галлия; арсенид, антимонид, фосфид, нитрид индия. 3, 4, 5 компонент.

Группа II-VI

2-компонентный: сульфид, селениды, оксид, теллурид-кадмий; сульфидно-цинковые и 3-х компонентные.

Группа I-VII

2-компонентный: хлоридно-медный.

Группа IV-VI

2-х компонентный: сульфид, селенид, теллурид свинца; селенид, теллурид, сульфид олова и 3-х комп.

Группа V-VI

2-компонентный — теллурид висмута.

Группа II-V

2-компонентные: арсенид, фосфид, антимонид кадмия; арсенид, фосфид, антимонид цинка.

Другие

Иодид висмута, медь, ртуть, силицид платины, бромид таллия, дисульфид молибдена, сульфид висмута, олово, селенид галлия, диоксид титана, уран, оксид меди.

Органические полупроводники

Пентацен, тетрацен, перинон, акридон, флавантрон, индол, индантрон.

Как еще применяется обратное включение

А еще обратное подключение очень похоже на конденсатор. Взгляните на диаграмму. Это две пластины конденсатора, посередине которых находится «диэлектрик». И электронно-дырочный переход имеет емкость. И это тоже используется на практике. Это название полупроводникового конденсатора.

В радиоприемниках вместо подстрочных конденсаторов используются варикапы. Варикапы просты в настройке. Вам нужно только подать напряжение, изменив определенное значение, чтобы увеличить или уменьшить емкость.

Конечно, это не основное применение p-n перехода. Переход используется во всех цифровых технологиях по-разному.

Выпрямители, усилители, генераторы, процессоры, солнечные батареи и многое другое. А то, что было описано выше о принципе работы p-n перехода, это принцип работы обычного диода.

Основные виды полупроводниковых чипов

Чипы памяти

Их задачей является хранение и передача данных в другие части компьютера. Различают два основных вида: оперативную (RAM, RAM) — для временного хранения — и постоянную память (ROM, ROM). Оба имеют вариации. Так, среди ПЗУ различают: одноразово программируемую (ППЗУ), перепрограммируемую с помощью специальных устройств (СППЗУ), электрически перепрограммируемую (ЭСППЗУ, к ней относится флэш-память) и другие. При этом основная потребность связана с четырьмя позициями: DRAM, Flash ROM, SRAM и MRAM.

Возможно, скоро появятся новые передовые чипы. В начале 2022 года исследователи из Ланкастерского университета объявили в статье, что они почти готовы к массовому производству собственной UltraRAM. Это, по мнению исследователей, позволит объединить энергонезависимость флэш-памяти со скоростью, энергоэффективностью и долговечностью DRAM (динамическая оперативная память).

Основными лидерами по производству микросхем памяти сейчас являются Toshiba, Samsung и NEC из Японии и Южной Кореи, пишет Investopedia. Что касается самой популярной DRAM, то к монополии Samsung (имеющей 43% рынка) присоединяются конкуренты в лице корейской SK hynix и американской Micron Technology. Из-за относительно низкой маржинальности бизнеса и высоких затрат (например, на строительство заводов) в нем могут жить только компании-гиганты.

Чтобы проиллюстрировать чипы памяти и их значение в современных технологиях, предлагаем вам посмотреть рекламный ролик Samsung о DDR5:
Микропроцессоры

Центральный процессор (ЦП, CPU) — блок, отвечающий за выполнение операций, записанных в машинном коде. Проще говоря, это то, что часто называют «сердцем» или «мозгом» компьютера, да и вообще любой сложной техники. Он может быть реализован в виде одного чипа или набора из нескольких чипов.

Первые процессоры появились более 50 лет назад, в 1968–1971 годах. За это время было создано несколько архитектур — принципов организации компонентов в процессорах. Сейчас в компьютерах в основном используются 32-битные и 64-битные чипы от Intel, AMD и IBM на архитектурах x86-64 и POWER, в мобильных устройствах используется ARM. А вот в автомобилях и менее требовательных чипах можно использовать 8, 16 и 24-битные микропроцессоры.

Как правило, графические процессоры (GPU) разделены между микропроцессорами, которые отвечают, например, за отображение графики на компьютерах. Они гораздо моложе, их массовая история началась где-то в 1999 году и позволила многократно увеличить производительность устройств, а также позволила решать уникальные задачи, такие как майнинг криптовалюты.

Основными производителями графических процессоров часто называют NVIDIA и AMD. В контексте high-end решений это верно, но в целом это скорее недоразумение — более 60% рынка GPU по-прежнему принадлежит Intel с их дискретной Intel HD Graphics.

Другие интегральные схемы
Обычно они используются для повторяющихся процедур в таких устройствах, как сканеры штрих-кода, или для автоматизации производства. Часто они заточены под конкретную задачу, в этом случае иногда говорят об ASIC — интегральных микросхемах специального назначения.

Например, есть ASIC для управления радиоканалом смартфона или чипы для майнинга биткойнов — других функций у них фактически нет. К простым схемам также относятся программируемые вентильные матрицы (FPGA) — они конфигурируются в соответствии со спецификациями производителя.

Отдельно можно выделить SoC — то есть «системы на кристалле». Все электронные компоненты SoC находятся на одном кристалле и способны выполнять функции целого устройства (например, целого ПК), а в смартфонах дополнительно содержат графический слой, камеру, слой обработки аудио и видео и так далее. Хорошим примером таких систем является серия Apple Silicon, которая используется в технике Apple.

Растет спрос на потребительские товары с широким функционалом и низкой ценой. В то же время рынок памяти и процессоров давно занят, можно сказать, что монополисты держатся за него. Поэтому сейчас сегмент «системы на кристалле» остался, пожалуй, единственно дружественным для новых компаний, считают некоторые эксперты.

Кристаллическая структура кремния

Теперь мы готовы поближе взглянуть на внутренности полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространенный в природе полупроводник — кремний. Второй по важности полупроводник, германий, имеет аналогичную структуру.

Пространственная структура кремния показана на рис. 3 (фото Бена Миллса). Атомы кремния изображаются в виде сфер, а соединяющие их трубки представляют собой каналы ковалентной связи между атомами.

Рис. 3. Кристаллическая структура кремния

Обратите внимание, что каждый атом кремния связан с четырьмя соседними атомами. Почему это так?

Дело в том, что кремний четырехвалентен – на внешней электронной оболочке атома кремния находится четыре валентных электрона. Каждый из этих четырех электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. И так бывает! В результате атом кремния окружен четырьмя состыкованными атомами, каждый из которых дает один валентный электрон. Следовательно, вокруг каждого атома восемь электронов (четыре собственных и четыре чужих).

Рассмотрим это подробнее на плоской кристаллической решетке кремния (рис. 4).

Рис. 4. Кристаллическая решетка кремния

Ковалентные связи показаны парами линий, соединяющих атомы; эти линии имеют общие электронные пары. Каждый валентный электрон, помещенный на такую ​​линию, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.

Однако валентные электроны никоим образом не «накрепко связаны» с соответствующими парами атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек всех соседних атомов, так что любой валентный электрон является общим свойством всех соседних атомов. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему атому 2, затем к соседнему атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла — говорят, что они принадлежат всему кристаллу (а не паре атомов).

Однако валентные электроны кремния не являются свободными (как в случае с металлом). В полупроводнике связь между валентными электронами и атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при низких температурах. Энергии электронов недостаточно, чтобы начать упорядоченное движение от более низкого потенциала к более высокому под действием внешнего электрического поля. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам — они не проводят электрический ток.

↑ Структура и энергетические диаграммы чистого полупроводника

Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от других веществ, является сильная зависимость их сопротивления от температуры и концентрации примесей.

В производстве полупроводниковых приборов наиболее часто используемыми материалами являются германий и кремний. Они имеют кристаллическую структуру и помещены в группу IV периодической таблицы.

Вся материя состоит из атомов. Атом включает в себя положительно заряженное ядро ​​и электроны, вращающиеся вокруг него по орбитам определенного радиуса.

Энергию электронов атома можно представить в виде диаграммы (рис. 3.1, а). Как видно из рисунка, электроны в атоме могут иметь энергии только равные W1, W2, W3, W4 и не могут иметь промежуточных уровней.

Электроны, вращающиеся на внешней оболочке, называются валентными электронами. Установлено, что одинаковую энергию в атоме любого вещества может иметь не более двух электронов. Другими словами, на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов.

Поскольку вещество содержит большое количество атомов, вследствие их взаимодействия энергетические уровни электронов, вращающихся по одним и тем же орбитам, смещаются относительно энергетических уровней тех же электронов в отдельном «изолированном» атоме. В результате образуются целые энергетические зоны, состоящие из близко расположенных энергетических уровней. Энергетические уровни, образованные валентными электронами, называются валентной зоной (рис. 3.1, б).

Оцените статью
Блог про технические приборы и материалы