для чего нужны полупроводники

В ту эпоху полупроводники еще не нашли своего применения в электронной технике, и считались бесполезными. Действительно, если требуется проводник, то лучше взять медь, алюминий, а если требуется диэлектрик то, фарфор, слюду или стекло.

Электрические свойства материалов

Полупроводники, по своим свойствам, это и плохие диэлектрики и плохие проводники. Но без полупроводников не было бы современной электронной техники. Из полупроводников широко используются Кремний, Галлий, Германий и Селен. Все атомы, как известно, соединяются в молекулы.

Рисунок объединения атомов в молекулу

Только с изобретением полупроводников стало возможным значительно уменьшить размеры электронной техники. Вся современная электронная техника, будь то диод, транзистор, микросхема или новейший микропроцессор создана благодаря открытию полупроводников. Для примера, простейшая ламповая ЭВМ, далеко не сравнимая по мощности с современными компьютерами, занимала несколько комнат, причем надежность её была низкой.

Электропроводность полупроводника сильно зависит от температуры и излучения (например светового).

Атомы с кристаллической решеткой

Германий и кремний имеют по четыре валентных электрона, они находятся во внешних слоях оболочек атома. И кремний и германий являются алмазоподобными кристаллами. Их валентные электроны имеют единые орбиты.

Рисунок единые орбиты электронов

Если в расплавленный кремний ввести атомы мышьяка (или фосфора) имеющего валентность пять, то есть 5 электронов на внешних слоях атома, 4 электрона атома мышьяка займут свое место в кристаллической решетке.

Донорные и акцепторные примеси

Если концентрация электронов в полупроводнике значительно превышает концентрацию дырок, то основные носители заряда электроны, если же в полупроводнике преобладают дырки, то основные носители дырки. Те же электроны, которые не смогли занять место в кристаллической решетке, им просто не хватило места, становятся свободными. Говорят, что в таком случае кремний стал полупроводником n – типа. Атом Мышьяка выступил в роли «донорной” примеси.

Рисунок с электроном и дыркой

Как двигаются электроны и дырки в полупроводнике

В освободившиеся дырки у отрицательного полюса «впрыгивают” электроны и начинают свое движение к положительному полюсу. В полупроводнике, пока к нему не подключен источник тока, дырки и электроны блуждают хаотически и только с подачей напряжения начинают двигаться упорядоченно. Проводимость бывает собственная и примесная. В полупроводниках с собственной проводимостью количество дырок примерно равно количеству свободных электронов. Примесная проводимость, как и было рассказано выше появляется путем введения в кристалл полупроводника трех или пяти валентной примеси. Используются при создании электронных приборов полупроводники с примесной проводимостью. На следующем рисунке изображено добавление фосфора, пятивалентного элемента в атомы германия:

Свободный электрон германий

Чем больше в атом кремния введено атомов мышьяка, тем больше в нем становится свободных электронов способных создавать ток. Такой проводник становится проводником n – типа. Соответственно, чем больше в атом кремния введено атомов индия, тем больше будет в нем количество «дырок”, электроны в этих полупроводниках двигаются от дырки к дырке. Такие полупроводники, как писалось выше, становятся полупроводниками p –типа. Электропроводность полупроводников с введенными в них примесями, становится выше в несколько раз, по сравнению с чистыми полупроводниками. Полупроводники позволяют преобразовывать тепловую энергию и энергию света в электрическую. Они могут работать и как охлаждающие элементы:

Полупроводниковые охлаждающие батареи

И как преобразущие в электроэнергию тепло.

Для питания устройства на лампах необходимо питание от сети либо громоздкий аккумулятор, для питания же устройства на транзисторах достаточно небольшой батареи питания. Появление полупроводниковых транзисторов позволило значительно уменьшить размеры радиоприемников:

Если бы в свое время не были открыты полупроводники, а позднее транзисторы, которые входят в состав любой микросхемы, не было бы очень многих технических достижений, полётов в космос, компьютеров, не говоря уже о таких устройствах как мобильный телефон и планшетный компьютер. Изобретение транзистора в 1948 году учеными Браттейн, Бардин и Шокли означало новую эру в электронной технике, эру полупроводников. Так выглядел первый транзистор:

Фото первый транзистор

А вот так выглядит выпущенный позднее советский транзистор МП39-МП42 со спиленным корпусом.

Транзистор с открытым корпусом

С тех пор полупроводниковые приборы и в частности транзисторы сильно эволюционировали:

Фото современных транзисторов

На фото изображены сверху вниз: транзистор большой мощности, средней мощности, малой мощности и транзистор в SMD исполнении. В общем можно смело утверждать, что не будь в природе полупроводниковых материалов, мы бы до сих пор пользовались ламповыми приёмниками и усилителями, а про смартфоны и планшеты никто бы и не мечтал. Материал подготовил AKV.

Форум по обсуждению материала ПОЛУПРОВОДНИКИ

Делаем цифровой TLIA-тестер Li-Ion аккумуляторов (измеритель емкости) на Atmega8 и дисплее WH1602.

Схема и сборка самодельного усилителя НЧ на TDA7379, TDA7375, TDA7377 или STA540.

Источник

Технологии полупроводников. Часть 1

Большинство из вас наверняка прекрасно представляют и понимают, как устроен транзистор и как он работает. Но более глубокими познаниями могут похвастать немногие. Это неудивительно, поскольку данная тематика достаточно сложная для понимания, и описать максимально простым языком все процессы создания и работы транзисторов и чипов очень тяжело. Тем не менее, мы попытались это сделать. О том, что из себя представляет кремний, о транзисторах и их производстве — читайте далее.

Как это работает. Технологии полупроводников. Часть 1

Кремний — главный полупроводник

Так располагается запрещенная зона (bandgap) в кристалле полупроводника – между зоной валентности (valence band) и зоной проводимости (conduction band)

Наш рассказ мы начнем с самого важного материала для компьютерной индустрии — кремния. Его отличительной особенностью, как и у любого другого полупроводника, считается его зонная структура (band structure), которая представляет собой совокупность энергетических уровней, которые образуются большим числом орбитальных положений, на которых могут располагаться электроны. При этом каждый из уровней отделен друг от друга. Тем не менее, можно заметить, что между уровнями постоянно происходит распределение энергии. Происходит это как раз из-за очень большого количества орбитальных положений и их близкого расположения. Тут же стоит отметить, в структуре присутствуют и большие «зазоры», известные как запрещенные зоны (band gaps). По своей сути, запрещенные зоны — это те энергетические уровни, на которых электроны располагаться не могут.

Уровень Ферми для различных материалов: металлов, полуметаллов, полупроводников и изоляторов

В зонной структуре полупроводников существует такой показатель, как уровень Ферми, который на скриншоте выше обозначен как E_F. Он отражает полное количество химической потенциальной энергии для электронов при абсолютном нуле, то есть при температуре 0 градусов по Кельвину. Поэтому если зона располагается над уровнем Ферми, то ее электроны могут отделяться от атомов. Следовательно, они также могут проводить ток. Такая зона называется зоной проводимости. Если же зона располагается ниже уровня Ферми, то ее электроны уже не могут покидать атом. Эта зона носит название зоны валентности.

Стоит сказать, что в идеальном кристалле полупроводника при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, уровень Ферми располагается ровно посередине запрещенной зоны. Такое утверждение справедливо также и для изоляторов. Однако, в отличие от изоляторов у полупроводников, запрещенная зона, как правило, довольно узкая, что можно увидеть на скриншоте вверху. В действительности она настолько малая, что электроны даже могут «перепрыгивать» ее. Это происходит потому, что в реальных условиях всегда присутствует еще и тепловая энергия, которая оказывает дополнительное влияние на поведение электронов. Это свойство полупроводников не столь полезно для цифровой логики, как процесс легирования, который может оказывать реальное влияние на структуру каждой зоны. Другими словами, легирование позволяет изменять распределение электронов в зоне валентности и зоне проводимости.

В зависимости от того, как меняется распределение электронов, полупроводники могут быть двух типов: p и n. Если зонная структура изменяется таким образом, что свободные электроны генерируются легче и их становится больше, то такой материал становится полупроводником n-типа. Ну а если создаются электронные «дырки», то это уже полупроводник p-типа. Сама «дырка» представляет собой место, где мог бы располагаться электрон, но его там нет. Несмотря на отсутствие электрона в этом месте, «дырка» все равно может проводить ток. Если еще раз взглянуть на диаграмму полупроводника p-типа, то становится ясно, что его зона валентности находится в непосредственной близости от уровня Ферми. Из-за этого электроны, как правило, остаются в зоне валентности на низших орбиталях. Это означает, что на месте «дырок» могли быть электроны, что делает их носителями заряда. При этом нужно сказать, что приведенная диаграмма зон не совсем корректна. Объясним, почему. Обычно в процессе легирования зоны не только меняют свое расположение. Кроме этого, создаются и новые зоны, что не показано на диаграмме.

Положение равновесия в pn-соединении

Самые интересные процессы начинаются, когда полупроводники p- и n-типов располагаются друг с другом. Поскольку у полупроводников p-типа имеются «дырки», а у материалов n-типа — избыток электронов, то между ними начинается движение (диффузия) электронов, которое пытается уравнять заряд в соединении. Из-за диффузии область соединения полупроводником n-типа становится положительно заряженной, а p-типа — отрицательно заряженной. Это происходит потому, что в процессе диффузии часть соединения n-типа теряет электроны, то есть становится положительно заряженной. Область p-типа, наоборот, получает их и становится отрицательно заряженной. В результате образуется электрическое поле, препятствующее диффузии, и достигается положение равновесия. Та область, где происходит этот процесс, называется слоем обеднения. Такое название этот слой получил по той причине, что в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда, из-за чего он не умеет проводить ток.

P-n-соединения чрезвычайно важны в микроэлектронике. Вообще описанная выше система может быть использована как диод, который представляет собой устройство, позволяющее протекать току только в одном направлении. Если подключить аккумулятор положительным полюсом к полупроводнику p-типа, а отрицательным — к полупроводнику n-типа, то электроны и «дырки» обоих полупроводников устремятся к соединению, и слой обеднения значительно уменьшится. И уже это приведет к тому, что через соединение начнет протекать ток.

Транзисторы: MOSFET

Кремний используется в производстве самой главной части любого процессора — транзистора. Существует множество различных методов их изготовления, однако мы остановимся на самой распространенной на сегодня технологии MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, или полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник).

MOSFET-транзистор имеет относительно простой дизайн, однако в то же время существуют некоторые сложности в его имплементации. Такой транзистор состоит из четырех основных частей: истока (source), затвора (gate), стока (drain) и базы (body). Остановимся подробнее на взаимодействии первых трех компонентов.

По большому счету, названия этих частей говорят сами за себя. Исток — это место входа тока, а сток — точка его выхода. Что касается затвора, то он отвечает за протекание тока. Это означает, что в зависимости от приложенного к затвору напряжения (смещения) он может находиться в двух состояниях: включенном (ток протекает) и выключенном (ток не протекает). Здесь также важно отметить, что в зависимости от типа MOSFET-транзистора ток может протекать в обоих направлениях — как из истока в сток, так и наоборот.

Схема MOSFET-транзистора: исток (source), затвор (gate), сток (drain), подложка p-типа (p substrate)

Конечно, транзистор — это не только исток, сток и затвор. В случае с МОП-транзистором n-типа исток и сток — это выводы из области n-типа. Их окружает полупроводниковая подложка p-типа. Ну а в небольшом промежутке между истоком и стоком располагается непосредственно МОП-затвор.

Архитектура затвора в традиционном MOSFET-транзисторе довольно проста. На кремниевую подложку наносится слой диоксида кремния (SiO2), а уже на него накладывается поликремниевый или металлический затвор. Такая структура делает затвор конденсатором, в котором диоксид кремния выступает в роли диэлектрика.

Из курса физики известно, что конденсатор создает электрическое поле в том случае, если между его пластинами существует разница потенциалов. При этом из-за плотности электронов и «дырок» линии электрического поля не могут проходить сквозь проводники. Однако для полупроводников это правило не выполняется.

Источник

• ← для чего нужны полупальцы
• для чего нужны получешки →