Всё о полупроводниках

Полупроводники – это вещества, находящиеся по своей удельной проводимости между проводниками и диэлектриками. В определенных условиях они приобретают свойства проводника и переносят в кристаллической решетке электрические заряды, в иных случаях – блокируют заряженные частицы предельно высоким сопротивлением. Что нужно для протекания этих процессов – рассмотрим далее.

Примеры и особенности материалов

Полупроводники - это особый класс веществ, которые при низкой температуре выступают как диэлектрики, а при высокой - как проводники. Только 13 из 25 неметаллов таблицы Менделеева имеют полупроводниковые свойства. В настоящее время человек использует множество природных полупроводников. Кремний и германий стали самыми распространёнными материалами такого типа, используемыми в промышленности. Кроме кремния в качестве полупроводников используют селен, серое олово, мышьяк, бор, фосфор, серу, теллур, органические вещества и некоторые химические соединения.

Полупроводник сочетает в себе свойства проводников и непроводников. В нормальном состоянии или при перепаде температур он пропускает или блокирует электрический ток. Поведение материала зависит от температуры среды, в которую он помещён. В нормальном состоянии он имеет сопротивление от 10^-6 до 10⁸ Ом·м.

Влияют и сторонние факторы – например, под воздействием света его сопротивление падает, повышается электропроводность. Даже при добавлении в состав небольшого количества примеси электропроводимость полупроводника меняется.

Полупроводники обладают различными свойствами. Кремний, арсенид галлия имеющие оптические свойства, их используют при производстве солнечных батарей и светодиодов. Стекло тоже можно считать полупроводником. В обычном состоянии оно не проводит ток, но при сильном нагреве оно приобретает проводящие свойства. Селен обладает температурной зависимостью. Концентрация свободных носителей заряда уменьшается с ростом температуры, а подвижность носителей заряда увеличивается. Иначе говоря, при увеличении температуры ток начинается протекать быстро и беспрепятственно в кристаллической решетке материала, селен становится проводником.

Механизм электрической проводимости

В полупроводниках, так же как и в металлах, носителями тока становятся электроны. В металлах концентрация электронов в свободном состоянии во много раз больше, чем в полупроводниках. Поэтому в полупроводнике происходят постоянно два противоположных процесса: процесс освобождения электронов и процесс воссоединения с ионом. Дополнительная энергия переводит электрон в свободное состояние.

Немногочисленные свободные электроны отрываются от атома, а они, в свою очередь, становятся ионами. Каждый ион окружается незаряженными атомами. Нейтральные атомы отдают свой электрон иону и превращаются в положительный ион. Другой ион соответственно становится нейтральным. Обмен электронами изменяет нахождение положительных ионов: положительный заряд передвигается. При отсутствии внешнего поля каждому электрону, движущемуся в одном направлении, соответствует движение электрона в противоположном направлении. Похожий процесс происходит с положительным зарядом. При появлении внешнего воздействия проводимость вызывается двумя процессами.

Чем отличаются проводники от полупроводников?

Основные свойства проводника - это высокий уровень проводимости и низкое удельное электрическое сопротивление. Его особенность в наличии свободных электронов, которые способствуют прохождению электрического тока. У проводника, таким образом, проводимость выше.

Полупроводник же от него отличается сильной зависимостью удельной проводимости от температуры, разных типов излучения, электрического поля и от концентрации примесей. Поэтому в полупроводниках образование свободных электронов происходит только при определённых условиях. При повышении температуры проводимость полупроводника возрастает, у проводника при этих условиях падает. Наличие примесей играет обратную роль. Полупроводнику даёт повышенный уровень проводимости, а для проводника - пониженный. Чистый металл обладает большей проводимостью. Эти свойства эффективно применяются в производстве электронных приборов.

Дырка

Полупроводники, в отличие от проводников, имеют «дырки» в своей структуре. «Дырки» – это вакантное электронное состояние в кристаллической решётке, имеющее избыточный положительный заряд. «Дырки» и электроны проводят ток. Важную роль в появлении «дыр» и электронов играют вид и количество примесей в полупроводнике. Определённое число примесей позволяет получать полупроводник с нужными свойствами.

Появление «дырок» связано с температурой внешней среды. При низкой температуре электрон не способен разорвать связь с атомом. Повышение температуры даёт возможность электрону оторваться от ядра. В результате разрыва появляется свободное место, то есть «дырка» с положительным зарядом. Заполняя свободные «дырки», оторвавшиеся электроны восстанавливают связь с другими атомами.

Энергетические зоны

В полупроводниках под воздействием атомов энергетические уровни расщепляются, образуя энергетические зоны. Они состоят из близкорасположенных энергетических уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в теле.

Энергетические зоны, которые образовались при расщеплении одного или нескольких уровней атома, называют разрешённой зоной. В ней верхний энергетический уровень называют потолком, а нижний - дном. Валентная зона и зона проводимости составляют уровни разрешённой зоны. Валентная зона является верхней заполненной зоной. Это энергетическая область разрешённых электронных состояний, которая заполняется валентными электронами. Зона проводимости это область, где находятся электроны валентной зоны, перешедшие запрещённую зону – то есть зону, где отсутствуют энергетические уровни.

Наличие запрещённой зоны означает, что для передвижения в зону проводимости электрону необходима большая энергия, чем ширина запрещённой зоны. Она характеризуется разностью энергий дна зоны проводимости и потолка валентной зоны, или шириной запрещённой зоны. Ширина запрещённой зоны меняется в зависимости от температурных показателей среды. Чаще с повышением температуры ширина запрещённой зоны сокращается.

Подвижность

В полупроводнике подвижными являются электроны и «дырки». Подвижностью носителей заряда называют пропорциональность между дрейфовой скоростью носителей заряда и величиной электрического тока. Этот показатель зависит от массы свободных носителей (электронов). Важно, что у электрических зарядов он выше, чем у «дырок».

Все материалы имеют разную подвижность электронов. Она изменяется при температурном воздействии на тело или при добавлении примесей.

С увеличением температуры подвижность сначала увеличивается. Дойдя до максимального уровня, она сокращается.

Увеличение концентрации примесей влечёт уменьшение подвижности, потому что носители заряда рассеиваются на ионах примеси. При малой концентрации примеси происходит обратное, но проводимость может быть невысокой. Это объясняется малым количеством заряженных частиц.

Увеличение напряжённости электрического поля увеличивает дрейфовую скорость заряженных частиц. Она будет увеличиваться, пока не станет тепловой. После подвижность носителей заряда уменьшается.

Какие свойства характеризует полупроводник?

Полупроводники характеризуются: типом проводимости (электронный и дырочный), удельным сопротивлением, временем существования носителей заряда и плотностью дислокации. Основное свойство полупроводника это увеличение проводимости электрического тока при условии внешнего воздействия.

Электропроводность

В полупроводнике валентные электроны связаны кристаллической решёткой. Проводимость материала обусловлена разрывом связей при помощи внешней энергии. Она должна превышать энергию запрещённой зоны.

Электропроводность зависит от наличия свободных электронов. Они обладают ещё и дырочной электропроводностью, что не наблюдается у металлов.

В полупроводниках между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещённая зона. Под воздействием внешних факторов происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне появляются свободные энергетические уровни. В зоне проводимости образуются свободные электроны, которые называются электронами проводимости.

Электрические характеристики

К электрофизическим характеристикам полупроводников относят время существования, ширину запрещённой зоны, температуру, подвижность электронов, удельное сопротивление и энергию ионизации примесей.

Виды полупроводников

По строению различают аморфные, жидкие, кристаллические и стеклообразные полупроводники. Аморфные сильнее подвержены изменениям при термическом воздействии и относительно упорядочены в своей кристаллической структуре: между собой наиболее устойчивые связи имеют только ближайшие атомы. Жидкие полупроводники это вещества, электропроводность которых увеличивается при плавлении. Кристаллический тип характеризуется устойчивыми крепкими связями между частицами материала, которые при нагревании разрушаются, снижая сопротивление при прохождении тока. Стеклообразные проводники сходны с кристаллическими по механизму работы, однако, из-за меньшего объема примесей их электропроводность выше.

По характеру проводимости

По характеру проводимости полупроводники делят на n-тип и р-тип. Полупроводник n-тип имеет примесные элементы, которые называются доноры. Полупроводники и р-тип в основе содержат примеси и характеризуются дырочной проводимостью.

Также существуют простые и сложные полупроводники. Состав первых образован преимущественно атомами одного вещества, примером тому бор, углерод, германий, кремний. Другие состоят их сложной атомарной композиции. Например, халькогениды – это соединения серы, селена и теллура.

Собственная проводимость

Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением одинакового количества электронов и дырок, которые образуются в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном полупроводнике количество электронов и «дырок» одинаково. Ток создаётся равным движением «дырок» и отрицательно заряженных электронов. Электропроводность чистого полупроводника больше при достаточной концентрации электронов и «дырок».

Примесная проводимость

Содержание примесей влияет на свойства полупроводников. Примесная проводимость обычно выше собственной, поэтому легирующие примеси, внедренные в структуру материала, существенно меняют проводимость. Примесным центром может стать:

- атом или ион химического элемента, входящего в состав полупроводника;

- избыточные атомы или электроны, входящие в междоузлие кристаллической решетки;

- дефекты кристаллической решетки: трещины, сдвиги, пустые узлы.

Примеси бывают донорные и акцепторные. Небольшое количество примеси может сильно изменить электропроводность. Это объясняется способностью примесных атомов поставлять в кристаллическую решётку электроны или поглощать электроны, образуя большое количество «дырок». Донорные примеси поставляют электроны проводимости без образования такого же количества «дырок». Акцепторные примеси захватывают валентные электроны и создают подвижные дырки, но число электронов проводимости не увеличивают.

По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)

Электронный полупроводник типа n (от латинского negative - отрицательный) содержит в кристаллической решетке основные четырёхвалентные атомы, примесные донорные пятивалентные атомы. В электронном полупроводнике основными носителями заряда являются электроны, а дырки – второстепенными.

Дырочные полупроводники (р-типа)

Дырочный полупроводник или р-тип (от латинского positive - положительный) содержит в структуре примесные трёхвалентные атомы, акцепторы. Свободную связь примесного атома заполняет электрон, который покидает соседнюю связь. Примесный атом превращается в ион, а на том месте, откуда ушел электрон появляется «дырка». В дырочном полупроводнике основными носителями заряда являются «дырки».

Группы полупроводников

Все полупроводники делятся на три группы: атомные, полупроводники с валентными связями и полупроводники с ионной кристаллической решёткой.

Атомные полупроводники имеют атомную кристаллическую решётку. К ним относятся кремний, бор, сера, фосфор, селен.

В полупроводниках с ионной кристаллической решёткой атомы связаны кулоновскими силами, например, сульфид свинца.

В полупроводниках с валентными связями атомы образуют кристаллы в виде большой молекулы. Например, антимонид индия, арсенид галия.

Также полупроводники разделяют на органические и неорганические. Неорганические полупроводники имеют координационную структуру, молекулы в их структуре отсутствуют. Органические состоят из атомов водорода и углерода, иногда – гетероатомов (серы, кислорода, азота).

Также полупроводники делятся на магнитные и немагнитные. Учитывая их свойства, можно менять проводимость материалов, воздействуя на них магнитными силами (полем). Магнитные полупроводники представляют собой ферромагнетики с собственной магнитной подрешёткой, а немагнитные – диамагнитную кристаллическую матрицу. Немагнитные включают в себя элементы, химические соединения, твёрдые растворы.

Практическое применение полупроводников

Полупроводники имеют широкое применение в промышленности, в аналоговой и цифровой электронике. Особенно активно их используют в электронных приложениях для изготовления транзисторов, интегральных схем, тиристоров, симисторов, лазеров, датчиков давления и диодов. Они также играют роль аксессуаров для оптических датчиков и силовых устройств систем передачи электроэнергии. Полупроводники подходят для технологических разработок в области телекоммуникации, систем управления, обработки сигналов в быту и промышленности.

Кремний, благодаря своим оптическим свойствам активно используется для производства солнечных батарей и фотодиодов, но быть источником света не может.

При производстве холодильников, кондиционеров полупроводниковые устройства применяют в системе охлаждения для контроля и поддержания температуры. В микроволновых печах есть полупроводник, необходимый для создания тепла.

Для преобразования бытовой электроэнергии в постоянный ток в зарядных устройствах для телефона и ноутбука используют разные полупроводниковые устройства.

Широкий спектр полупроводников берется для создания электронной связи.

Современные космические технологии не обходятся без полупроводников. Они участвуют в запуске двигателей и поддерживании скорости.

Полупроводниковые устройства применяются в машиностроении для производства устройств контроля, мониторинга местоположения, направления и скорости.

Современные процессоры содержат миллионы полупроводников, которые позволяют обрабатывать большой объём данных и быстро запускать в работу. Поэтому компьютерные системы – она из ключевых сфер, куда внедряется этот тип материалов.

Производство полупроводников

С середины XX века полупроводниковая промышленность стала процветающей отраслью. Вопреки постоянным кризисам, она сейчас стремительно развивается. Основными мировыми производителями являются Южная Корея, Тайвань, Сингапур, Япония, Швейцария, США.

Процесс создания полупроводников состоит из пяти этапов. На первом этапе происходит механическая обработка в основном кремниевых пластин. Затем, чтобы полупроводниковый материал начал проявлять свои способности, пластины очищают жидкостным или газовым травлением и наращивают слой полупроводника. Следующий этап заключается в фотолитографии рельефа на пластине и добавлении примесей. Затем на пластине формируют контакты и пассивные элементы. Дорожки создают из тончайшего металла путём вакуумного напыления.

Из-за сложности производства и себестоимости ни одна страна не производит полупроводники от начала до конца. Процесс производства разделен между заводами нескольких стран. Производство станков и комплектующих, программное обеспечение находятся в разных государствах.

В настоящее время в производители нацелены на создание сверхтонких полупроводников. Уменьшение нанометров влечёт увеличение стоимости, а скорость не изменяется.