Где используются полупроводники?

Полупроводниковые приборы и их классификация.

В современной электронике на основе полупроводников производят активные элементы. То есть те, которые способны менять свои электрические характеристики в зависимости от подаваемого на них напряжения. Скажем, тот же транзистор является активным элементом, поскольку его значение внутреннего сопротивления будет меняться в зависимости от разных условий в электронной цепи.

А вот, например обычный резистор относиться к категории пассивных элементов, так как его сопротивление будет всегда одинаковым. К пассивным электронным компонентам относятся также конденсаторы и катушки. Их создают из других материалов.

Фундаментальными активными элементами являются транзисторы и диоды. Другие полупроводниковые приборы, такие как варикапы, тиристоры и симисторы — это модификации и тех же транзисторов и диодов. Приборы с одним элементом называются дискретными. Соединив множество полупроводниковых элементов на одном кристалле, получают интегральную схему. Например, процессор и память компьютера являются интегральными схемами, состоящими из сотен миллионов транзисторов.

Полупроводники в процессорах. Закат эпохи кремния

В таких передовых областях, как разработка и производство процессоров, где размер и скорость полупроводниковых элементов играют решающую роль, развитие технологий использования кремния практически подошло к пределу своих возможностей. Улучшение производительности интегральных схем, достигающееся путем наращивания рабочей тактовой частоты и увеличения количества транзисторов, при дальнейшем использовании Si становиться все более сложной и дорогостоящей задачей.

По мере повышения скорости переключения транзисторов, их тепловыделение усиливается по экспоненте. Это остановило в 2005 году максимальную тактовую частоту процессоров где-то в районе 3 ГГц и заставило разработчиков перейти на стратегию «многоядерности».

Количество полупроводниковых элементов в одном чипе увеличивается путем уменьшения их физических размеров – переход на более тонкий технологический процесс.

Каждый такой шаг означает снижение линейных размеров транзистора примерно в 1,4 раза и площади примерно в 2 раза. Всем известный Intel на данный момент (2011 год) владеет технологией в 32 нм при которой длина канала транзистора составляет 20 нм. Переход на более тонкий тех. процесс осуществляется этой компанией примерно каждые 2 года.

Быстродействие транзисторов по мере их уменьшения растет, но уже не повышается тактовая частота ядра процессора, как было до 90 нм тех. процесса. Это оставляет дальнейшее развитие кремниевых технологий малоперспективным.

Применение полупроводников

Полупроводники широко применяются в технике. На различ­ной проводимости (р- и n-типа) основано действие полупровод­никового диода. При контакте полупроводников с р- и n-проводимостью при определенном направлении тока в цепи создается запорный слой (Рис.19.4) — двой­ной электрический слой, поле ко­торого препятствует переносу но­сителей заряда. На этом и основа­но действие полупроводникового диода, служащего для выпрямления переменного тока. Одними из пер­вых получили распространение се­леновые выпрямители.

Помимо диодов в радиотехнике широко применяются и полу­проводниковые триоды — транзисторы, в которых имеется два р-n перехода: либо р-n-р , либо n-р-n.

Сильная зависимость полупроводников от температуры используется в термисторах — высокочувствительных приборах для измерения температуры.

Среди многочисленных применений полупроводников является также солнечные батареи, действие которых основано на фотопроводимости полупроводников — способности изменять сопротивление под действием света (явление подобное фотоэффекту, происходящему целиком внутри твердого дела).

Лекция 27 Магнитное поле и его индукция. Закон Ампера. Закон Био-Савара-Лапласа.
Магнитное поле прямого проводника с током и кругового тока. Магнитный момент витка с током.

Магнитные силы

Магнитные свойства веществ были известны еще в глубокой древности. Описываемый древними учеными камень, притягивающий железо, представляет собой естественный магнит — минерал, до­вольно часто встречающийся в природе. Он состоит из соединений железа (FeO- 31% и Fe2O3- 69%). Уже в 1600 г. вышел труд В.Гильберта «О магните, магнитных телах и о великом магните Земли», в котором содержалось обобщение большого числа опытных фактов. Основные из них сводились к следующему:

1) магнит имеет два полюса — северный и южный, различные по своим свойствам,

2) разноименные полюсы притягиваются, одноименные отталкиваются;

3) магнитная стрелка располагается в пространстве определенным образом, указывая север к юг;

4) нельзя получить магнит с одним полюсом;

5) Земля — большой магнит.

Природа магнитных явлений была раскрыта лишь после уста­новления в 19 веке экспериментальных фактов, что электрический ток (движущиеся заряды) создают магнитное поле (Р.Эрстад,1820г.) Изучение взаимодействия проводников с токами, в результате чего было установлено, что параллельные токи одного направления притягиваются, а противоположного отталкиваются (Я.Ампер, I820г.), привело к выводу, что силы взаимодействия между движущимися электрическими зарядами отличаются от сил взаимодействия между неподвижными зарядами.

Дополнительные силы, возникающие между движущимися зарядами, назвали магнитными силами. Это связано о тем, что их об­наружили по воздействию тока на магнитную стрелку.

Т.о., все магнитные мления можно свести к электрическим, а магнитные силы, как показал Эйнштейн, есть релятивистская поправка к закону Кулона.

Пока в проводниках тока нет, между ними не возникают силы взаимодействия, т.к. положительный заряд ионов кристалличес­кой решетки металла и отрицательный заряд электронов распре­делены равномерно и суммарный заряд внутри проводника равен нулю. При наличии тока, вследствие движения электронов, среднее расстояние между ними сокращается в раз, где

V — дрейфовая скорость электронов. В результате плотность заряда электронов увеличится в раз и, следователь­но, результирующий заряд не будет равен нулю. Это и приводит к взаимодействию проводников.

Полупроводники — класс веществ, занимающих промежуточное положение между веществами, хорошо проводящими электрический ток (проводники, в основном металлы), и веществами, [фактически не проводящими электрического тока (изоляторы или диэлектрики).

Для полупроводников характерна сильная зависимость их свойств и характеристик от микроскопических количеств содержащихся в них примесей. Изменяя количество примеси в полупроводнике от десятимиллионных долей процента до 0,1—1%, можно изменить их проводимость в миллионы раз. Другое важнейшее свойство полупроводников состоит в том, что электрический ток переносится в них не только отрицательными зарядами — электронами, но и равными им по величине положительными зарядами — дырками.

Если рассматривать идеализированный полупроводниковый кристалл, абсолютно свободный от каких-нибудь примесей, то его способность проводить электрический ток будет определяться так называемой собственной электропроводностью.

Атомы в кристалле полупроводника связаны между собой с помощью электронов внешней электронной оболочки. При тепловых колебаниях атомов тепловая энергия распределяется между электронами, образующими связи, неравномерно. Отдельные электроны могут получать количество тепловой энергии, достаточное для того, чтобы «оторваться» от своего атома и получить возможность свободно перемещаться в кристалле, т. е. стать потенциальными носителями тока (по-другому можно сказать, что они переходят в зону проводимости). Такой уход электрона нарушает электрическую нейтральность атома, у него возникает положительный заряд, равный по величине заряду ушедшего электрона. Это вакантное место называют дыркой.

Так как вакантное место может быть занято электроном соседней связи, дырка также может перемещаться внутри кристалла и являться уже положительным носителем тока. Естественно, что электроны и дырки при этих условиях возникают в равных количествах, и электропроводность такого идеального кристалла будет в равной степени определяться как положительными, так и отрицательными зарядами.

Если на место атома основного полупроводника поместить атом примеси, во внешней электронной оболочке которого содержится на один электрон больше, чем у атома основного полупроводника, то такой электрон окажется как бы лишним, ненужным для образования межатомных связей в кристалле и слабо связанным со своим атомом. Достаточно в десятки раз меньше энергии, чтобы оторвать его от своего атома и превратить в свободный электрон. Такие примеси называют донорными, т. е. отдающими «лишний» электрон. Атом примеси заряжается, разумеется, положительно, но дырки при этом не появляется, так как дыркой может быть только вакансия электрона в незаполненной межатомной связи, а в данном случае все связи заполнены. Этот положительный заряд остается связанным со своим атомом, неподвижным и, следовательно, в процессе электропроводности участия принимать не может.

Введение в полупроводник примесей, внешняя электронная оболочка которых содержит меньшее количество электронов, чем в атомах основного вещества, приводит к появлению незаполненных связей, т. е. дырок. Как было сказано выше, эта вакансия может быть занята электроном из соседней связи, и дырка получает возможность свободного перемещения по кристаллу. Иными словами, движение дырки — это последовательный переход электронов из одной соседней связи в другую. Такие примеси, «принимающие» электрон, называют акцепторными.

С увеличением количества примесей того или иного типа электропроводность кристалла начинает приобретать все более ярко выраженный электронный или дырочный характер. В соответствии с первыми буквами латинских слов negativus и positivus электронную электропроводность называют электропроводностью я-типа, а дырочную — р-типа, отмечая этим, какой тип подвижных носителей заряда для данного полупроводника является основным, а какой — неосновным.

При электропроводности, обусловленной наличием примесей (т. е. примесной), в кристалле по-прежнему остается 2 типа носителей: основные, появляющиеся главным образом за счет введения в полупроводник примесей, и неосновные, обязанные своим появлением тепловому возбуждению. Содержание в 1 см3 (концентрация) электронов п и дырок р для данного полупроводника при данной температуре есть величина постоянная: n- p=const. Это значит, что, увеличивая за счет введения

Если приложить к структуре металл — диэлектрик полупроводник n-типа напряжения (указанной на рисунке полярности), то в приповерхностном слое полупроводника возникает электрическое поле, отталкивающее электроны. Этот слой оказывается обедненным электронами и будет обладать более высоким сопротивлением. При изменении полярности напряжения электроны будут притягиваться электрическим полем и у поверхности создастся обогащенный слой с пониженным сопротивлением.

В полупроводнике р-типа, где основными носителями являются положительные заряды — дырки, та полярность напряжения, которая отталкивала электроны, будет притягивать дырки и создавать обогащенный слой с пониженным сопротивлением. Схема полярности в этом случае приведет к отталкиванию дырок и образованию приповерхностного слоя с повышенным сопротивлением.

Следующее важное свойство полупроводников — их сильная чувствительность к температуре и облучению. С ростом температуры повышается средняя энергия колебания атомов в кристалле, и все большее количество связей будет подвергаться разрыву.

Будут появляться все новые и новые пары электронов и дырок. При достаточно высоких температурах собственная (тепловая) проводимость может сравняться с примесной или даже значительно превзойти ее. Чем выше концентрация примесей, тем при более высоких температурах будет наступать этот эффект.

Разрыв связей может осуществляться также за счет облучения полупроводника, например, светом, если энергия световых квантов достаточна для разрыва связей. Энергия разрыва связей у разных полупроводников различна, поэтому они по-разному реагируют на те или иные участки спектра облучения.

В качестве основных полупроводниковых материалов используют кристаллы кремния и германия, а в роли примесей — бор, фосфор, индий, мышьяк, сурьму и многие другие элементы, сообщающие полупроводникам необходимые свойства. Получение полупроводниковых кристаллов с заданным содержанием примесей — сложнейший технологический процесс, проводимый в особо чистых условиях с использованием оборудования высокой точности и сложности.

Все перечисленные важнейшие свойства полупроводников используются для создания самых различных по своему назначению и областям применения полупроводниковых приборов. В технике широко используются диоды, транзисторы, тиристоры и многие другие полупроводниковые приборы. Применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сегодня уже трудно перечислить все их «профессии». Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают теплоту и холод (см. Гелиоэнергетика). Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе — лазере, в крошечной атомной батарее и в миниатюрных блоках электронной вычислительной машины. Инженеры не могут сегодня обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.

Об этом можно прочесть в статье Микроэлектроника.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

1. Исторические сведения

Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность задолго до этого были обнаружены:

1. эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник

фотопроводимость.

Были построены первые приборы на их основе.

О. В. Лосев (1923) доказал возможность использования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 — х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике. Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей).

В СССР изучение полупроводников начались в конце 20 — х годов под руководством А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР.

Интерес к оптическим свойствам полупроводников возрос в связи с открытием вынужденного излучения в полупроводниках, что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на p — n — переходе, а затем на гетеропереходах.

В последнее время большее распространение получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки.

2. Свойства полупроводников

Полупроводники — широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности , лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов.

Полупроводники долгое время не привлекали особого внимания ученых и инженеров. Одним из первых начал систематические исследования физических свойств полупроводников выдающийся советский физик Абрам Федорович Иоффе. Он выяснил что полупроводники — особый класс кристаллов со многими замечательными свойствами:

1) С повышением температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается, в отличие от металлов, у которых удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается. Причем как правило в широком интервале температур возрастание это происходит экспоненционально:

= о exp. (-a / kT )

ток полупроводник электропроводность выпрямитель

где а — так называемая энергия активации проводимости,

о — коэффициент зависящий от температуры

Удельное сопротивление полупроводниковых кристаллов может также уменьшатся при воздействии света или сильных электронных полей.

2) Свойство односторонней проводимости контакта двух полупроводников. Именно это свойство используется при создании разнообразных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и др.

3) Контакты различных полупроводников в определенных условиях при освещении или нагревании являются источниками фото — э. д. с. или, соответственно, термо — э.

д. с.

3. Строение полупроводников и принцип их действия

Как было уже сказано, полупроводники представляют собой особый класс кристаллов. Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи, схематически представленные. Такой идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока (при отсутствии освещения и радиационного облучения)

Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении температуры ( T>0 K),освещении или облучении электронные связи могут разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома. Такой электрон является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации носителей тока в нем.

В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых веществах могут быть не только электроны, но и «дырки» . При потере электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое место-«дырка» при воздействии электрическим поле на кристалл «дырка » как положительный заряд перемещается в сторону вектора E, что фактически происходит благодаря разрыву одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать частицей, несущей положительный заряд.

Примесная проводимость.

Один и тот же полупроводник обладает либо электронной, либо дырочной проводимостью — это зависит от химического состава введенных примесей. Примеси оказывают сильное воздействие на электропроводимость полупроводников: так, например, тысячные доли процентов примесей могут в сотни тысяч раз уменьшить их сопротивление. Этот факт, с одной стороны, указывает на возможность изменение свойств полупроводников, с другой стороны, он свидетельствует о трудностях технологии при изготовлении полупроводниковых материалов с заданными характеристиками.

Рассматривая механизм влияния примесей на электропроводимость полупроводников, следует рассматривать два случая:

Электронная проводимость

Добавка в германий примесей, богатых электронами, например мышьяка или сурьмы, позволяет получить полупроводник с электронной проводимостью или полупроводник n — типа ( от латинского слова «негативус» — «отрицательный»).

Схематично показана картина электронных связей при 0 К. Один из валентных электронов мышьяка не участвует в связях с другими атомами. При повышении температуры электрон может быть оторван от атома и тем самым создает электронную проводимость.

Примеси создающие такую электропроводимость называют донорными.

Дырочная проводимость

Добавка в тот же германий алюминия, галлия или индия создает в кристалле избыток дырок. Тогда полупроводник будет обладать дырочной проводимостью — полупроводник p — типа.

Дырочная примесная электропроводимость создаётся атомами имеющими меньшее количество валентных электронов, чем основные атомы. Схематично показаны электронные связи германия с примесью бора. При 0 К все связи укомплектованы, только у бора не хватает одной связиОднако при повышении температуры бор может насытить свои связи за счет электронов соседних атомов

Подобные примеси называются акцепторными.

Жидкие полупроводники

Плавление многих кристаллических полупроводников сопровождается резким увеличением их электропроводности Q до значений типичных для металлов (см рис. 5а). Однако для ряда полупроводников (например HgSe, HgTe и. т. д.) характерно сохранение или уменьшение Q при плавлении и сохранение полупроводниками характера температурной зависимости Q (см рис. 5б). Некоторые Жидкие полупроводники при дальнейшем повышении температуры теряют полупроводниковые свойства и приобретают металлические (например сплавы Te — Se, ботатые Te). Сплавы же Te — Se, богатые Se ведут себя иначе, их электропроводность имеет чисто полупроводниковый характер.

В Жидких полупроводниках роль запрещенной зоны играет область энергии вблизи минимума плотности состояний в энергетическом спектре электронов.

При достаточно глубоком минимуме в его окрестности появляется зона почти локализованных состояний носителей зарядов с малой подвижностью (псевдощель). Если при повышении температуры происходит «схлопывание» псевдощелей, жидкий полупроводник превращается в металл.

Использование полупроводников.

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы — диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью.

Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе — лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.

Размещено на Allbest.ru

Добавить комментарий

Закрыть меню