Ce este un semiconductor

Alături de conductorii de electricitate, există multe substanțe în natură care au o conductivitate electrică semnificativ mai mică decât conductorii metalici. Substanțele de acest tip se numesc semiconductori.

Semiconductorii includ: anumite elemente chimice precum seleniu, siliciu și germaniu, compuși ai sulfului, cum ar fi sulfura de taliu, sulfura de cadmiu, sulfura de argint, carburi precum carborundum, carbon (diamant), bor, staniu, fosfor, antimoniu, arsen, telur, iod. , și un număr de compuși care includ cel puțin unul dintre elementele grupului 4 — 7 al sistemului Mendeleev. Există și semiconductori organici.

Natura conductibilității electrice a semiconductorului depinde de tipul de impurități prezente în materialul de bază al semiconductorului și de tehnologia de fabricație a părților sale constitutive.

Semiconductor — substanță cu conductivitate electrică 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 situat prin aceste proprietăți între conductor și izolator.Diferența dintre conductori, semiconductori și izolatori conform teoriei benzilor este următoarea: în semiconductori puri și izolatorii electronici există o bandă de energie interzisă între banda umplută (de valență) și banda de conducție.

De ce semiconductorii conduc curentul

Un semiconductor are conductivitate electronică dacă electronii exteriori din atomii săi de impurități sunt legați relativ slab de nucleele acelor atomi. Dacă în acest tip de semiconductor se creează un câmp electric, atunci sub influența forțelor acestui câmp, electronii exteriori ai atomilor de impurități ai semiconductorului vor părăsi granițele atomilor lor și vor deveni electroni liberi.

Electronii liberi vor crea un curent de conducere electrică în semiconductor sub influența forțelor câmpului electric. Prin urmare, natura curentului electric în semiconductori conducători electric este aceeași ca și în conductorii metalici. Dar, deoarece există de multe ori mai puțini electroni liberi pe unitate de volum a unui semiconductor decât pe unitate de volum a unui conductor metalic, este firesc ca, toate celelalte condiții fiind aceleași, curentul într-un semiconductor să fie de multe ori mai mic decât într-un conductor metalic. conductor.

Un semiconductor are conductivitate „găuri” dacă atomii impurității sale nu numai că nu renunță la electronii lor exteriori, ci, dimpotrivă, tind să capteze electronii atomilor substanței principale a semiconductorului. Dacă un atom de impuritate ia un electron dintr-un atom al substanței principale, atunci în aceasta din urmă se formează un fel de spațiu liber pentru un electron - o „gaură”.

Un atom semiconductor care a pierdut un electron se numește „gaură de electroni” sau pur și simplu „gaură”.Dacă „gaura” este umplută cu un electron transferat de la un atom vecin, atunci acesta este eliminat și atomul devine neutru din punct de vedere electric, iar „gaura” se deplasează la atomul vecin care a pierdut un electron. Prin urmare, dacă un câmp electric este aplicat unui semiconductor cu conducție „găuri”, „găurile de electroni” se vor deplasa în direcția acestui câmp.

Deviația „găurilor de electroni” în direcția de acțiune a unui câmp electric este similară cu mișcarea sarcinilor electrice pozitive într-un câmp și, prin urmare, este un fenomen de curent electric într-un semiconductor.

Semiconductorii nu pot fi diferențiați strict în funcție de mecanismul conductivității lor electrice, deoarece împreună cu conductivitatea „Hole”, acest semiconductor poate avea conductivitate electronică într-un grad sau altul.

Semiconductorii se caracterizează prin:

• tip de conductivitate (electronică - tip n, gaură -p -tip);

• rezistenţă;

• durata de viață a purtătorului de sarcină (minoritate) sau lungimea difuziei, rata de recombinare a suprafeței;

• densitatea de dislocare.

Vezi si: Caracteristicile curent-tensiune ale semiconductorilor Siliciul este cel mai comun material semiconductor

Temperatura are ființe care afectează caracteristicile semiconductorilor. Creșterea acestuia duce în principal la o scădere a rezistenței și invers, adică. semiconductorii se caracterizează prin prezența negativului coeficient de rezistență la temperatură… Aproape de zero absolut, semiconductorul devine un izolator.

Multe dispozitive se bazează pe semiconductori. În cele mai multe cazuri, acestea trebuie obținute sub formă de monocristale.Pentru a da proprietățile dorite, semiconductorii sunt dopați cu diverse impurități. Se impun cerințe sporite cu privire la puritatea materialelor semiconductoare de pornire.

Dispozitive semiconductoare

Tratament termic pe semiconductor

Tratamentul termic al unui semiconductor — încălzirea și răcirea unui semiconductor conform unui program dat pentru a-i modifica proprietățile electrofizice.

Modificări: modificarea cristalului, densitatea de dislocare, concentrarea golurilor sau defecte structurale, tipul de conductivitate, concentrarea, mobilitatea și durata de viață a purtătorilor de sarcină. Ultimele patru, în plus, pot fi legate de interacțiunea impurităților și defectelor structurale sau de difuzia impurităților în cea mai mare parte a cristalelor.

Încălzirea probelor de germaniu la o temperatură >550 °C urmată de răcire rapidă are ca rezultat apariția acceptoarelor termice în concentrații cu cât temperatura este mai mare. Recoacerea ulterioară la aceeași temperatură restabilește rezistența inițială.

Mecanismul probabil al acestui fenomen este dizolvarea cuprului în rețeaua de germaniu care difuzează de la suprafață sau a fost depus anterior pe dislocații. Recoacere lentă face ca cuprul să se depună pe defectele structurale și să iasă din rețea. Este posibilă și apariția de noi defecte structurale în timpul răcirii rapide. Ambele mecanisme pot reduce durata de viață, care a fost stabilită experimental.

În siliciu la temperaturi de 350 — 500 °, formarea donatorilor termici are loc în concentrații mai mari, cu atât mai mult oxigen este dizolvat în siliciu în timpul creșterii cristalelor. La temperaturi mai ridicate, donatorii de căldură sunt distruși.

Încălzirea la temperaturi în intervalul 700 - 1300 ° reduce brusc durata de viață a purtătorilor de sarcină minoritare (la > 1000 ° rolul decisiv este jucat de difuzia impurităților de la suprafață). Încălzirea siliciului la 1000-1300 ° afectează absorbția optică și împrăștierea luminii.

Aplicarea semiconductorilor

În tehnologiile moderne, semiconductorii au găsit cea mai largă aplicație; au avut un impact foarte puternic asupra progresului tehnologic. Datorită acestora, este posibilă reducerea semnificativă a greutății și dimensiunilor dispozitivelor electronice. Dezvoltarea tuturor domeniilor electronicii duce la crearea și îmbunătățirea unui număr mare de echipamente diverse bazate pe dispozitive semiconductoare. Dispozitivele semiconductoare servesc drept bază pentru microcelule, micromodule, circuite dure etc.

Dispozitivele electronice bazate pe dispozitive semiconductoare sunt practic lipsite de inerție. Un dispozitiv semiconductor construit cu grijă și bine etanșat poate dura zeci de mii de ore. Cu toate acestea, unele materiale semiconductoare au o limită de temperatură mică (de exemplu, germaniu), dar nu foarte dificilă compensarea temperaturii sau înlocuirea materialului de bază al dispozitivului cu altul (de exemplu, siliciu, carbură de siliciu) elimină în mare măsură acest dezavantaj. tehnologia de fabricație a dispozitivelor semiconductoare are ca rezultat o reducere a dispersiei și instabilității parametrilor încă existente.

Semiconductori în electronică

Contactul semiconductor-metal și joncțiunea electron-gaură (joncțiunea n-p) create în semiconductori sunt utilizate la fabricarea diodelor semiconductoare.Joncțiuni duble (p-n-p sau n-R-n) — tranzistoare și tiristoare. Aceste dispozitive sunt utilizate în principal pentru a rectifica, genera și amplifica semnale electrice.

Proprietățile fotoelectrice ale semiconductorilor sunt utilizate pentru a crea fotorezistoare, fotodiode și fototranzistoare. Semiconductorul servește ca parte activă a oscilatoarelor (amplificatoarelor) de oscilații lasere semiconductoare... Când un curent electric trece prin joncțiunea pn în direcția înainte, purtătorii de sarcină - electroni și găuri - se recombină cu emisia de fotoni, care este folosit pentru a crea LED-uri.

LED-uri

Proprietățile termoelectrice ale semiconductorilor au făcut posibilă crearea rezistențelor termoelectrice semiconductoare, termocuplurilor semiconductoare, termocuplurilor și generatoarelor termoelectrice și răcirea termoelectrică a semiconductorilor pe baza efectului Peltier, — frigidere termoelectrice și termostabilizatoare.

Semiconductorii sunt utilizați în convertoarele mecanice de căldură și energie solară în generatoare electrice — termoelectrice și convertoare fotoelectrice (celule solare).

Solicitarea mecanică aplicată unui semiconductor îi modifică rezistența electrică (efectul este mai puternic decât pentru metale), care stă la baza extensometrului semiconductorului.

Dispozitivele semiconductoare au devenit larg răspândite în practica mondială, revoluționând electronica, ele servesc drept bază pentru dezvoltarea și producerea:

• echipamente de masura, calculatoare,

• echipamente pentru toate tipurile de comunicații și transport,

• pentru automatizarea proceselor industriale,

• dispozitive de cercetare,

• racheta,

• Echipament medical

• alte dispozitive și dispozitive electronice.

Utilizarea dispozitivelor semiconductoare vă permite să creați echipamente noi și să îmbunătățiți vechiul, ceea ce înseamnă că își reduce dimensiunea, greutatea, consumul de energie și, prin urmare, reducerea generării de căldură în circuit, creșterea rezistenței, disponibilitatea imediată pentru acțiune, oferă vă permite să creșteți durata de viață și fiabilitatea dispozitivelor electronice.