Čo je to polovodič

Spolu s vodičmi elektriny existuje v prírode veľa látok, ktoré majú výrazne nižšiu elektrickú vodivosť ako kovové vodiče. Látky tohto typu sa nazývajú polovodiče.

Polovodiče zahŕňajú: určité chemické prvky, ako je selén, kremík a germánium, zlúčeniny síry, ako je sulfid tália, sulfid kademnatý, sulfid strieborný, karbidy ako karborundum, uhlík (diamant), bór, cín, fosfor, antimón, arzén, telúr, jód a množstvo zlúčenín, ktoré obsahujú aspoň jeden z prvkov skupiny 4-7 Mendelejevovho systému. Existujú aj organické polovodiče.

Charakter elektrickej vodivosti polovodiča závisí od typu nečistôt prítomných v základnom materiáli polovodiča a od technológie výroby jeho súčastí.

Polovodič — látka s elektrická vodivosť 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 umiestnený týmito vlastnosťami medzi vodičom a izolantom.Rozdiel medzi vodičmi, polovodičmi a izolantmi podľa teórie pásiem je nasledovný: v čistých polovodičoch a elektronických izolantoch je medzi naplneným (valenčným) pásom a pásom vodivosti zakázané energetické pásmo.

Prečo polovodiče vedú prúd

Polovodič má elektrónovú vodivosť, ak sú vonkajšie elektróny v jeho atómoch nečistôt relatívne slabo viazané na jadrá týchto atómov. Ak sa v tomto type polovodiča vytvorí elektrické pole, potom pod vplyvom síl tohto poľa vonkajšie elektróny atómov nečistôt polovodiča opustia hranice svojich atómov a stanú sa voľnými elektrónmi.

Voľné elektróny vytvoria elektrický vodivý prúd v polovodiči pod vplyvom síl elektrického poľa. Preto je povaha elektrického prúdu v elektricky vodivých polovodičoch rovnaká ako v kovových vodičoch. Ale keďže na jednotku objemu polovodiča je mnohonásobne menej voľných elektrónov ako na jednotku objemu kovového vodiča, je prirodzené, že za rovnakých všetkých ostatných podmienok bude prúd v polovodiči mnohonásobne menší ako v kovovom vodiči. vodič.

Polovodič má „dierovú“ vodivosť, ak sa atómy jeho nečistoty nielenže nevzdajú svojich vonkajších elektrónov, ale naopak majú tendenciu zachytávať elektróny atómov hlavnej látky polovodiča. Ak atóm nečistoty odoberie elektrón z atómu hlavnej látky, potom sa v nej vytvorí akýsi voľný priestor pre elektrón - "diera".

Polovodičový atóm, ktorý stratil elektrón, sa nazýva „elektrónová diera“ alebo jednoducho „diera“.Ak je "diera" vyplnená elektrónom preneseným zo susedného atómu, potom je eliminovaný a atóm sa stane elektricky neutrálnym a "diera" sa presunie k susednému atómu, ktorý stratil elektrón. Preto, ak je elektrické pole aplikované na polovodič s "dierovým" vedením, "elektrónové diery" sa budú pohybovať v smere tohto poľa.

Zaujatosť «elektrónových dier» v smere pôsobenia elektrického poľa je podobná pohybu kladných elektrických nábojov v poli, a preto je javom elektrického prúdu v polovodiči.

Polovodiče nemožno striktne rozlišovať podľa mechanizmu ich elektrickej vodivosti, pretože spolu s vodivosťou "Diera" môže mať tento polovodič v tej či onej miere elektronickú vodivosť.

Polovodiče sa vyznačujú:

• typ vodivosti (elektronický - typ n, otvor -p - typ);

• odpor;

• životnosť nosiča náboja (menšina) alebo dĺžka difúzie, rýchlosť povrchovej rekombinácie;

• hustota dislokácie.

Pozri tiež: Prúdovo-napäťové charakteristiky polovodičov Kremík je najbežnejším polovodičovým materiálom

Teplota má bytosti, ktoré ovplyvňujú vlastnosti polovodičov. Jeho zvýšenie vedie najmä k zníženiu odporu a naopak, t.j. polovodiče sa vyznačujú prítomnosťou záporu teplotný koeficient odporu... V blízkosti absolútnej nuly sa polovodič stáva izolantom.

Mnoho zariadení je založených na polovodičoch. Vo väčšine prípadov sa musia získať vo forme monokryštálov.Aby sa dosiahli požadované vlastnosti, sú polovodiče dopované rôznymi nečistotami. Na čistotu východiskových polovodičových materiálov sú kladené zvýšené požiadavky.

Polovodičové zariadenia

Tepelné spracovanie polovodičov

Tepelné spracovanie polovodiča — ohrev a ochladzovanie polovodiča podľa daného programu za účelom zmeny jeho elektrofyzikálnych vlastností.

Zmeny: modifikácia kryštálov, hustota dislokácií, koncentrácia vakancií alebo štruktúrnych defektov, typ vodivosti, koncentrácia, pohyblivosť a životnosť nosičov náboja. Posledné štyri môžu navyše súvisieť s interakciou nečistôt a štrukturálnych defektov alebo s difúziou nečistôt v objeme kryštálov.

Zahriatie vzoriek germánia na teplotu >550 °C s následným rýchlym ochladením vedie k objaveniu sa tepelných akceptorov v koncentráciách, čím je teplota vyššia. Následným žíhaním pri rovnakej teplote sa obnoví počiatočný odpor.

Pravdepodobným mechanizmom tohto javu je rozpúšťanie medi v mriežke germánia, ktorá difunduje z povrchu alebo bola predtým uložená na dislokáciách. Pomalé žíhanie spôsobuje, že sa meď ukladá na štrukturálnych defektoch a vystupuje z mriežky. Je tiež možný výskyt nových štrukturálnych defektov počas rýchleho ochladzovania. Oba mechanizmy môžu skrátiť životnosť, čo bolo experimentálne stanovené.

V kremíku pri teplotách 350 — 500 °C dochádza k tvorbe tepelných donorov v koncentráciách, čím sú vyššie, čím viac kyslíka je rozpustených v kremíku počas rastu kryštálov. Pri vyšších teplotách sú donory tepla zničené.

Zahriatie na teploty v rozsahu 700 — 1300 ° výrazne znižuje životnosť minoritných nosičov náboja (pri > 1000 ° hrá rozhodujúcu úlohu difúzia nečistôt z povrchu). Zahrievanie kremíka pri 1000-1300 ° ovplyvňuje optickú absorpciu a rozptyl svetla.

Aplikácia polovodičov

V moderných technológiách našli polovodiče najširšie uplatnenie; mali veľmi silný vplyv na technologický pokrok. Vďaka nim je možné výrazne znížiť hmotnosť a rozmery elektronických zariadení. Rozvoj všetkých oblastí elektroniky vedie k vytvoreniu a zdokonaľovaniu veľkého množstva rôznorodých zariadení založených na polovodičových zariadeniach. Polovodičové súčiastky slúžia ako základ pre mikročlánky, mikromoduly, pevné obvody atď.

Elektronické zariadenia založené na polovodičových zariadeniach sú prakticky bez zotrvačnosti. Starostlivo skonštruované a dobre utesnené polovodičové zariadenie môže vydržať desiatky tisíc hodín. Niektoré polovodičové materiály však majú malý teplotný limit (napríklad germánium), avšak nie veľmi náročná teplotná kompenzácia alebo výmena základného materiálu zariadenia za iný (napríklad kremík, karbid kremíka) tento nedostatok do značnej miery odstraňuje. Výsledkom technológie výroby polovodičových súčiastok je zníženie stále existujúceho rozptylu parametrov a nestability.

Polovodiče v elektronike

Polovodičový kovový kontakt a prechod elektrón-diera (n-p prechod) vytvorený v polovodičoch sa používa pri výrobe polovodičových diód.Dvojité prechody (p-n-p alebo n-R-n) — tranzistory a tyristory. Tieto zariadenia sa používajú hlavne na usmerňovanie, generovanie a zosilňovanie elektrických signálov.

Fotoelektrické vlastnosti polovodičov sa využívajú na vytváranie fotorezistorov, fotodiód a fototranzistorov. Polovodič slúži ako aktívna časť oscilátorov (zosilňovačov) kmitov polovodičové lasery… Keď elektrický prúd prechádza cez pn prechod v doprednom smere, nosiče náboja – elektróny a diery – sa rekombinujú s emisiou fotónov, čo sa používa na vytvorenie LED.

LED diódy

Termoelektrické vlastnosti polovodičov umožnili vytvárať polovodičové termoelektrické odpory, polovodičové termočlánky, termočlánky a termoelektrické generátory a termoelektrické chladenie polovodičov na základe Peltierovho javu, — termoelektrické chladničky a termostabilizátory.

Polovodiče sa používajú v mechanických konvertoroch tepla a slnečnej energie v elektrických — termoelektrických generátoroch a fotoelektrických konvertoroch (solárne články).

Mechanické napätie aplikované na polovodič mení jeho elektrický odpor (účinok je silnejší ako u kovov), čo je základom polovodičového tenzometra.

Polovodičové zariadenia sa vo svetovej praxi rozšírili, spôsobili revolúciu v elektronike a slúžia ako základ pre vývoj a výrobu:

• meracie zariadenia, počítače,

• zariadenia pre všetky druhy komunikácií a dopravy,

• pre automatizáciu priemyselných procesov,

• výskumné zariadenia,

• raketa,

• medicínske vybavenie

• iné elektronické zariadenia a zariadenia.

Použitie polovodičových zariadení umožňuje vytvárať nové zariadenia a vylepšovať staré, čo znamená, že znižuje ich veľkosť, hmotnosť, spotrebu energie a tým znižuje tvorbu tepla v obvode, zvyšuje pevnosť, okamžitú pripravenosť na akciu, dáva vám umožňuje zvýšiť životnosť a spoľahlivosť elektronických zariadení.