ПОЛУПРОВОДНИКИ

Полупроводники были известны как класс еще с 19 века, задолго до изобретения первого транзистора и даже диода. Так выглядит кристалл кремния, из которого путем глубокой очистки получается основа для производства полупроводниковых приборов. Очистка должна быть настолько тщательной, что на десять миллиардов атомов кремния допустимо не более одного (!) атома примеси. Кристалл кремния    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. Ламповая ЭВМ    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    Ток в полупроводниках, может осуществляться, не только за счет электронов, но и за счет «дырок”. Что же такое «дырка”? Если в расплавленный кремний или германий ввести немного Индия, который имеет валентность три электрона на внешних слоях атома, то он также займет свое место в кристаллической решетке, правда у него имеются только 3 электрона, и он будет вынужден забрать 1 электрон у атома кремния. Таким образом образовалась «дырка” или положительный заряд. Такая примесь называется «акцепторной” и создает в атоме дырочную проводимость. Принято говорить, что такой полупроводник становится р – типа. Если к выводам такого полупроводника приложить напряжение, то он начинает проводить ток ! При этом электроны начинают притягиваться положительным полюсом источника тока, (как мы помним разноименные заряды притягиваются) они уходят из полупроводника в источник тока и оставляют позади себя дырки и при этом создается такая картина, что электроны двигаются к плюсу, а дырки к минусу, что и видно на приведенном ниже рисунке. 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. Термоэлектрогенератор    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:    На фото ламповый радиоприемник. Ниже изображен транзисторный радиоприемник, разница в размерах, как все знают, существенная — в 10-100 раз.    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 теоретическим вопросам    Обсудить статью ПОЛУПРОВОДНИКИ

определение, свойства и классификация, сферы применения

Распространённость различных видов полупроводников (ПП) в природе велика, но не меньше материалов с уникальными свойствами создаётся посредством добавления одних химических элементов к другим. Новым веществам придаются дополнительные полезные качества, расширяющие сферу применения. Используются полупроводниковые материалы как в общестроительных отраслях, так и в электронной промышленности.

Определение и свойства

Полупроводниками считают вещества, которые обладают слабовыраженными свойствами электропроницаемости металлов и изоляторов одновременно, имеется зависимость движения тока от температуры, излучений и концентрации примесей. Группа полупроводников представляется большим количеством материалов, чем металлы и диэлектрики, вместе взятые. Имеющиеся свойства веществ уникальны:

1. Удельное электрическое сопротивление ПП с нагревом тела уменьшается, в отличие от металлов, где рост температуры вызывает увеличение противодействия. Вследствие этого токопроводимость растёт. При охлаждении до абсолютного нуля — минус 273 ºC, ПП обретают способность становиться изоляторами, диэлектриками.
2. Односторонняя проницаемость на контакте 2 полупроводников — это свойство послужило толчком к созданию выпрямительных приборов: тиристоров, диодов и транзисторов.
3. Возникновение электрической движущей силы в определённых условиях: при нагревании контактов полупроводников появляется термический ток, а освещение вызывает напряжение фотоэффекта. ПП преобразуют солнечную энергию в электроток, а металлический предмет такого свойства не имеет.
4. Увеличение проводимости достигается введением в чистую кристаллическую решётку ПП примеси — другого химического элемента. Такими веществами будут фосфор, бор и прочие добавки в кремний.

Благодаря специфическим свойствам, использование полупроводниковых материалов обширное: энергетическая микроэлектроника, промышленное изготовление машин, а некоторые виды ПП являются сырьём для строительных материалов. Существует несколько типов элементов, они имеют разное назначение и индивидуальные конструктивные особенности.

Виды и деление полупроводников

Наименований ПП много, и для удобства они классифицируются по различным признакам. Самое крупное размежевание видов полупроводников производят по составу:

1. Простые материалы: кристаллические химические элементы селен Se, кремний Si, германий Ge заняли собственную нишу использования и применяются самостоятельно, в отличие от других, которые чаще добавляют легирующими присадками для получения составных ПП. Это элементы сурьма Sb, углерод C, теллур Te, бор B, йод I, сера S.
2. Сложные полупроводниковые материалы — в них входят химические сочетания в количестве 2, 3 и более наименований. Состоящие из двух единиц ПП называют бинарными и выделяют компонент, металлические признаки которого проявляются слабее: сульфиды, если есть сера, теллуриды (Te), арсениды (As), карбиды ©, селениды (Se).
3. Оксиды металлов — вольфрама, кадмия, титана, меди, молибдена и иных. В эту группу входят композиции, сделанные на основе титаната бария, цинка и других соединений неживой природы с небольшими добавками.
4. Органические полупроводники — это красители или природные пигменты в виде порошков аморфных и кристаллических, плёнок.

По обладанию определёнными свойствами ПП разделяют на диоды, транзисторы и тиристоры. Первые включают 2 кристалла из полупроводников различной проницаемости. Исполнение делают точечным — из кремния и металлической иглы, и плоским — сплав германия и индия.

Транзисторы состоят из 3 ПП: 2 обладают равной способностью пропускать ток, а у третьего проводимость с противоположным значением. Элементы устройства называют базой, коллектором и эмиттером. Используются как усилители электрических сигналов.

Тиристоры — преобразователи движения тока. От транзисторов отличаются предназначением: изменить ток они не могут: их функция — переключать проводимость на высокую или низкую.

Применение универсальных материалов

Впервые ПП в электротехнике стали использовать для изготовления селеновых выпрямителей переменного тока. С тех пор прогресс шагнул далеко вперёд, и сегодня устройства с применением полупроводниковых материалов распространены повсюду. Вот некоторые из них:

• германиевые и кремниевые вентили в интегральных схемах радиоэлектронной промышленности — миниатюрные транзисторы, резисторы и диоды, высоковольтные выпрямители для ЛЭП постоянного тока;
• вариаторы — стабилизаторы различного напряжения и регуляторы скорости вращения высокочастотных электродвигателей;
• термисторы (терморезисторы) — они обладают высоким модулем температурного сопротивления и применяются в устройствах автоматики и радиоэлектроники;
• фотоэлементы и светодиоды на базе кремния и германия используют в солнечных батареях для преобразования природной энергии излучения в электрический ток, в том числе в условиях космоса;
• варисторы — нелинейные сопротивления, их применяют в качестве защиты от предельных значений напряжения, его стабилизации в телевизорах и дисплеях;
• органические полупроводники незаменимы в сложных физико-химических системах и биологических тканях: высокая стойкость к радиации позволяет использовать их в космическом пространстве, OLED-телевизорах, мониторах и дисплеях.

Электротехнические устройства — основное, но не единственное назначение полупроводниковых материалов. Кремний — содержание в земной коре 30%, поэтому применяется элемент и для прозаичных целей.

В металлургии Si используется для удаления из расплавов кислорода и придания композициям из железа и цветных металлов повышенной надёжности против коррозии, увеличения прочности. Избыточное количество кремния вызывает хрупкость.

Производство Si-органических соединений и силицидов, цементная, стекольная, керамическая и электротехническая промышленности также используют полупроводник. Всего насчитывается более 20 областей применения ПП, с их помощью решают вопросы выработки и передачи различных видов энергии, создания тепла и холода, осуществления других процессов.

Полупроводниковые материалы: примеры полупроводников :: SYL.ru

В нашей статье будут рассмотрены примеры полупроводников, их свойства и сферы применения. Эти материалы имеют свое место в радиотехнике и электронике. Они являются чем-то средним между диэлектриком и проводником. Кстати, простое стекло тоже можно считать полупроводником – в обычном состоянии оно ток не проводит. Зато при сильном нагреве (практически до жидкого состояния) происходит изменение свойств и стекло становится проводником. Но это исключительный пример, у других материалов все обстоит немного иначе.

Основные особенности полупроводников

Показатель проводимости составляет около 1000 Ом*м (при температуре 180 градусов). Если сравнивать с металлами, то у полупроводников происходит уменьшение удельной проводимости при возрастании температуры. Такое же свойство имеется у диэлектриков. У полупроводниковых материалов имеется достаточно сильная зависимость показателя удельной проводимости от количества и типа примесей.

Допустим, если ввести в чистый германий всего тысячную долю мышьяка, произойдет увеличение проводимости примерно в 10 раз. Все без исключения полупроводники чувствительны к воздействиям извне – ядерному облучению, свету, электромагнитным полям, давлению и т. д. Можно привести примеры полупроводниковых материалов – это сурьма, кремний, германий, теллур, фосфор, углерод, мышьяк, йод, бор, а также различные соединения этих веществ.

Особенности применения полупроводников

Благодаря тому, что у полупроводниковых материалов такие специфические свойства, они получили довольно широкое распространение. На их основе изготавливают диоды, транзисторы, симисторы, лазеры, тиристоры, датчики давления, магнитного поля, температуры, и т. д. После освоения полупроводников произошло коренное преобразование в автоматике, радиотехнике, кибернетике и электротехнике. Именно при помощи использования полупроводников удалось достичь таких маленьких габаритов техники – нет нужды использовать массивные блоки питания и радиолампы размером с полуторалитровую банку.

Ток в полупроводниках

В проводниках ток определяется тем, куда двигаются свободные электроны. В полупроводниковых материалах свободных электронов очень много, на это есть причины. Все валентные электроны, которые имеются в полупроводнике, не свободны, так как они связываются со своими атомами.

В полупроводниках ток может появляться и меняться в достаточно широких пределах, но только при наличии воздействия извне. Ток меняется при нагреве, облучении, введении примесей. Все воздействия способны значительно увеличить у валентных электронов энергию, что способствует их отрыву от атомов. А приложенное напряжение заставляет эти электроны перемещаться в определенном направлении. Другими словами, эти электроны становятся носителями тока.

Дырки в полупроводниках

При повышении температуры или интенсивности внешнего облучения происходит увеличение количества свободных электронов. Следовательно, увеличивается ток. Те атомы в веществе, которые потеряли электроны, становятся положительными ионами, они не перемещаются. С внешней стороны атома, с которого ушел электрон, остается дырка. В нее может встать другой электрон, который покинул свое место в атоме поблизости. В результате этого на внешней части у соседнего атома образуется дырка – он превращается в ион (положительный).

Если к полупроводнику приложить напряжение, то электроны начнут двигаться от одних атомов к соседним в определенном направлении. Дырки же начнут перемещаться во встречном направлении. Дырка – это положительно заряженная частица. Причем заряд у нее по модулю такой же, как у электрона. С помощью такого определения можно существенно упростить анализ всех процессов, которые протекают в полупроводниковом кристалле. Ток дырок (обозначается I _Д) – это перемещение частиц в направлении, обратном движению электронов.

Электронно-дырочный переход

У полупроводника имеется два типа электропроводимости – электронная и дырочная. В чистых полупроводниках (без примесей) у дырок и электронов концентрация (N _Д и N _Э соответственно) одинаковая. По этой причине такая электропроводность называется собственной. Суммарное значение тока будет равно:

I = I _Э+I _Д.

Но если учесть тот факт, что у электронов значение подвижности больше, чем у дырок, можно прийти к такому неравенству:

I _Э > I _Д.

Подвижность заряда обозначается буквой М, это одно из главных свойств полупроводников. Подвижность – это отношение двух параметров. Первый – скорость перемещения носителя заряда (обозначается буквой V с индексом «Э» или «Д», в зависимости от типа носителя), второй – это напряженность электрического поля (обозначается буквой Е). Можно выразить в виде формул:

М _Э = (V _Э / Е).

М _Д = (V _Д / Е).

Подвижность позволяет определить путь, который проходит дырка или электрон за одну секунду при значении напряженность 1 В/см. можно теперь вычислить собственный ток полупроводникового материала:

I = N * e * (М _Э + М _Д) * E.

Но нужно отметить, что у нас есть равенства:

V _Э =М _Э.

N = N _Э = N _Д.

Буквой е в формуле обозначается заряд электрона (это постоянная величина).

Полупроводниковые приборы

Сразу можно привести примеры полупроводниковых приборов – это транзисторы, тиристоры, диоды, и даже микросхемы. Конечно, это далеко не полный список. Чтобы изготовить полупроводниковый прибор, нужно использовать материалы, у которых проводимость дырочная или электронная. Чтобы получить такой материал, необходимо в идеально чистый полупроводник с концентрацией примесей менее 10^-11% ввести добавку (ее называют легирующей примесью).

Те примеси, у которых валентность оказывается больше, чем у полупроводника, отдают свободные электроны. Эти примеси называются донорами. А вот те, у которых валентность меньше, чем у полупроводника, имеют свойство хватать и удерживать электроны. Их называют акцепторами. Для того чтобы получился полупроводник, который будет обладать лишь проводимостью электронного типа, в исходный материал достаточно ввести вещество, у которого валентность будет всего на единицу больше. Для примера полупроводников в физике школьного курса рассматривается германий – его валентность равна 4. В него добавляется донор – фосфор или сурьма, у них валентность равна пяти. Металлов-полупроводников немного, они практически не используются в технике.

При этом 4 электрона в каждом атоме осуществляют установку четырех парных (ковалентных) связей с германием. Пятый электрон не имеет такой связи, а значит, он в свободном состоянии. И если приложить к нему напряжение, он будет образовывать электронный ток.

Токи в полупроводниках

Когда ток электронов больше, чем дырок, полупроводник называют n-типа (отрицательного). Рассмотрим пример – в идеально чистый германий вводят немного примеси акцептора (допустим, бор). При этом каждый атом акцептора начнет устанавливать ковалентные связи с германием. Но вот четвертый атом германия не имеет связи с бором. Следовательно, у определенного количества атомов германия будет иметься только один электрон без связи ковалентного типа.

Но достаточно незначительного воздействия извне, чтобы электроны начали покидать свои места. При этом у германия образовываются дырки.

По рисунку видно, что на 2, 4 и 6 атомах свободные электроны начинают присоединяться к бору. По этой причине не создается ток в полупроводнике. На поверхности атомов германия образуются дырки с номерами 1, 3 и 5 – с их помощью происходит переход на них электронов от расположенных рядом атомов. На последних же начинают появляться дырки, так как электроны с них улетают.

Каждая дырка, которая возникает, начнет переходить между атомами германия. При воздействии напряжения дырки начинают двигаться упорядоченно. Другими словами, в веществе появляется ток дырок. Такой тип полупроводников называется дырочным или p-типа. При воздействии напряжения двигаются не только электроны, но и дырки – они встречают на своем пути разнообразные препятствия. При этом происходит потеря энергии, отклонение от изначальной траектории. Иными словами, заряд носителей рассеивается. Все это происходит из-за того, что в полупроводнике содержатся загрязняющие примеси.

Вольт-амперная характеристика

Чуть выше были рассмотрены примеры веществ-полупроводников, которые используются в современной технике. У всех материалов имеются свои особенности. В частности, одно из ключевых свойств – это нелинейность вольт-амперной характеристики.

Иными словами, когда происходит увеличение напряжения, которое прикладывается к полупроводнику, происходит быстрое возрастание тока. Сопротивление при этом резко уменьшается. Такое свойство нашло применение в разнообразных вентильных разрядниках. Примеры неупорядоченных полупроводников можно более детально рассмотреть в специализированной литературе, их применение строго ограничено.

Хороший пример: при рабочем значении напряжения у разрядника сопротивление высокое, поэтому от ЛЭП ток не уходит в землю. Но как только в провод или опору ударяет молния, сопротивление очень быстро уменьшается практически до нуля, весь ток уходит в землю. И напряжение снижается до нормального значения.

Симметричная ВАХ

Когда происходит смена полярности напряжения, в полупроводнике ток начинает протекать в обратном направлении. И меняется он по тому же закону. Это говорит о том, что полупроводниковый элемент обладает симметричной вольт-амперной характеристикой. В том случае, если одна часть элемента имеет дырочный тип, а вторая – электронный, то на границе их соприкосновения появляется p-n-переход (электронно-дырочный). Именно такие переходы имеются во всех элементах – транзисторах, диодах, микросхемах. Но только в микросхемах на одном кристалле собирается сразу несколько транзисторов – иногда их количество более десятка.

Как происходит образование перехода

А теперь давайте рассмотрим, как происходит образование p-n-перехода. Если контакт дырочного и электронного полупроводников не очень качественный, то происходит образование системы, состоящей из двух областей. Одна будет иметь дырочную проводимость, а вторая – электронную.

И электроны, которые находятся в n-области, начнут диффундировать туда, где их концентрация меньше – то есть, в р-область. Одновременно с электронами дырки двигаются, но направление у них обратное. При взаимной диффузии происходит уменьшение концентрации в n-области электронов и в р-области дырок.

Основное свойство p-n-перехода

Рассмотрев примеры проводников, полупроводников и диэлектриков, можно понять, что свойства у них различные. Например, основное качество полупроводников – это возможность пропускания тока только лишь в одном направлении. По этой причине приборы, изготовленные с использованием полупроводников, получили широкое распространение в выпрямителях. На практике, используя несколько измерительных приборов, можно увидеть работу полупроводников и оценить массу параметров – как в режиме покоя, так и при воздействии внешних «раздражителей».

Полупроводники в нашей жизни (применение полупроводников, кратко) | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Тема:

Физика полупроводников‎

Полупро­водники при­меняются в различных областях науки и тех­ники. Очевидно, что важнейшим для раз­вития радиоэлектроники было изучение и использование свойств p-n-переходов.

Основное свойство p-n-перехода — его односторонняя проводимость — использует­ся для выпрямления переменных токов. Сегодня выпрямители изготавливаются преиму­щественно на основе силиция. Их исполь­зуют в радиотехнике, автоматике, электро­транспорте и электрометаллургии. Полупро­водниковые выпрямители чрезвычайно эко­номные и надежные. Особое значение разви­тие полупроводниковой техники имеет для создания современных электронно-вычис­лительных машин.

При освещении p-n-переходов они могут быть источниками тока. Сначала это были небольшие фотоэлемен­ты, а потом — солнечные батареи, обеспечи­вающие деятельность космических станций. Такие батареи практически можно изгото­вить любой мощности. И хотя условия в космосе довольно жесткие, батареи успеш­но выполняют свои функции. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Считается, что транзистор сделал рево­люцию в радиоэлектронике, но в совре­менной аппаратуре их уже можно и не увидеть. Во многих установках используются интегральные схемы разных уровней, в ко­торых в небольших кристаллах полупро­водниковых веществ создают сотни и ты­сячи транзисторов, диодов и других эле­ментов.

На этой странице материал по темам:

• Полупроводники ядерная физика

• Полупроводники и жизнь

• Где применяются полупроводники кратко

• Применение и использование полупроводников различнах сфера

• Применение полупроводников в жизни.

Применение полупроводников в электронике

Начало кремниевого века

В далеком 1947 году, в недрах лабораторий телефонной компании Bell «родился» первый в мире транзистор – полупроводниковый усилительный элемент. Событие ознаменовало собой переход электроники из громоздких вакуумных труб на более компактные и экономичные полупроводники. Начался новый виток цивилизации, получивший название «кремниевый век».

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.

Германий VS Кремний

Самыми распространенными полупроводниками в производстве электронных компонентов являются германий (Ge) и кремний (Si). На заре полупроводниковой эпохи предпочитали использовать германий. По сравнению с кремнием, у него более низкое напряжение отпирания pn-перехода (0.1V — 0.3V против 0.6V — 0.7V). Это делает германий более экономичным в плане энергозатрат.

Кремний лучше сохраняет стабильность работы на высоких температурах и превосходит германий по частотным характеристикам. К тому же запасы Si на планете практически безграничны, а технология его получения и очистки значительно дешевле, чем Ge, довольно редкого в природе элемента. Все это привело к неизбежной и быстрой замене германиевых полупроводников на кремниевые. Первый транзистор на основе этого материала появился уже в 1954 году.

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.

Будущее за графеном?

Основной претендент на смену кремнию, по мнению многих экспертов, это графен. Этот новый полупроводниковый материал, открытый в 2004 году, является особой формой углерода (C).

Сейчас разрабатывается транзистор на базе графена, который может работать в трех различных режимах. Для аналогичной задачи в кремниевом чипе, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их кремниевые аналоги.

Еще одним важным преимуществом графеновых транзисторов является их способность работать на высоких частотах. Как заявляют некоторые ученые специалисты, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.

Однако многообещающие технологии на базе графена пока еще находятся на стадии исследований и разработок. Время покажет, сколько они еще таят в себе подводных камней. Ну, а кремний все еще остается рабочей лошадкой в современной электронике, и не спешит сдавать позиции.

Полупроводники

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

2. 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 всвязи 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.

Свойства полупроводников

Полупроводники — широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности d, 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:

d = dо ∙ exp. (-ea / kT )

где eа — так называемая энергия активации проводимости,

dо — 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.

Строение полупроводников и принцип их действия.

Как было уже сказано, полупроводники представляют собой особый класс кристаллов. Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи, схематически представленные на рис.1 . 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 (рис. 2). 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»).

На рис. 3а схематично показана картина электронных связец при 0 К. Один из валентных электронов мышьяка не участвует в связях с другими атомами. При повышении температуры электрон может быть оторван от атома (см рис. 3б) и тем самым создает электронную проводимость.

Примеси создающие такую электропроводимсть называют донорнями.

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 создется атомами имеющими меньшее количество валентных электронов, чем основные атомы. На рис. 4 схематично показаны электронные связи германия с примесью бора. При 0 К все связи укомплектованны, только у бора не хватает одной связи (см рис. 4а). Однако при повышении температуры бор может насытить свои связи за счет электронов соседних атомов (см рис. 4б).

Подобные примеси называются акцепторными.

Жидкие полупроводники

Плавление многих кристалических полупроводников сопроводается резким увеличением их электропроводности Q до значений типичныхдля 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 появляеся 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 свтовую 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 полупровдниковых 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.