Vad är en halvledare

Tillsammans med elektricitetens ledare finns det många ämnen i naturen som har betydligt lägre elektrisk ledningsförmåga än metallledare. Ämnen av denna typ kallas halvledare.

Halvledare inkluderar: vissa kemiska element som selen, kisel och germanium, svavelföreningar som talliumsulfid, kadmiumsulfid, silversulfid, karbider som karborundum, kol (diamant), bor, tenn, fosfor, antimon, arsenik, tellur, jod , och ett antal föreningar som inkluderar minst ett av elementen i gruppen 4-7 i Mendelejev-systemet. Det finns även organiska halvledare.

Typen av den elektriska ledningsförmågan hos halvledaren beror på typen av föroreningar som finns i halvledarens basmaterial och på tillverkningstekniken för dess beståndsdelar.

Halvledare — substans med elektrisk konduktivitet 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 ligger vid dessa egenskaper mellan ledare och isolator.Skillnaden mellan ledare, halvledare och isolatorer enligt bandteorin är följande: i rena halvledare och elektroniska isolatorer finns ett förbjudet energiband mellan det fyllda (valens) bandet och ledningsbandet.

Varför halvledare leder ström

En halvledare har elektronisk konduktivitet om de yttre elektronerna i dess föroreningsatomer är relativt svagt bundna till kärnorna i dessa atomer. Om ett elektriskt fält skapas i denna typ av halvledare, kommer de yttre elektronerna i halvledarens föroreningsatomer att lämna gränserna för sina atomer och bli fria elektroner under påverkan av krafterna i detta fält.

De fria elektronerna kommer att skapa en elektrisk ledningsström i halvledaren under påverkan av de elektriska fältkrafterna. Därför är den elektriska strömmens natur i elektriskt ledande halvledare densamma som i metalliska ledare. Men eftersom det finns många gånger färre fria elektroner per volymenhet av en halvledare än per volymenhet av en metallisk ledare, är det naturligt att, alla andra förhållanden är desamma, kommer strömmen i en halvledare att vara många gånger mindre än i en metallisk ledare. dirigent.

En halvledare har "hål" ledningsförmåga om atomerna i dess förorening inte bara inte ger upp sina yttre elektroner, utan tvärtom tenderar att fånga elektronerna i atomerna i halvledarens huvudämne. Om en föroreningsatom tar bort en elektron från en atom av huvudämnet, bildas i den senare ett slags fritt utrymme för en elektron - ett "hål".

En halvledaratom som har förlorat en elektron kallas ett "elektronhål" eller helt enkelt ett "hål".Om "hålet" är fyllt med en elektron som överförts från en angränsande atom, så elimineras den och atomen blir elektriskt neutral, och "hålet" flyttar till den närliggande atomen som har förlorat en elektron. Därför, om ett elektriskt fält appliceras på en halvledare med «hål»-ledning, kommer «elektronhålen» att röra sig i riktning mot detta fält.

Förspänningen hos «elektronhål» i ett elektriskt fälts verkningsriktning liknar rörelsen av positiva elektriska laddningar i ett fält och är därför ett fenomen av elektrisk ström i en halvledare.

Halvledare kan inte strikt differentieras beroende på mekanismen för deras elektriska ledningsförmåga, för tillsammans med "hål"-konduktivitet kan denna halvledare ha elektronisk ledningsförmåga i en eller annan grad.

Halvledare kännetecknas av:

• typ av konduktivitet (elektronisk - n-typ, hål -p -typ);

• motstånd;

• laddningsbärarens livslängd (minoritet) eller diffusionslängd, ytrekombinationshastighet;

• dislokationstäthet.

Se även: Strömspänningsegenskaper hos halvledare Kisel är det vanligaste halvledarmaterialet

Temperaturen har varelser som påverkar egenskaperna hos halvledare. Dess ökning leder främst till en minskning av motståndet och vice versa, d.v.s. halvledare kännetecknas av närvaron av negativa temperaturkoefficient för motstånd… Nära den absoluta nollpunkten blir halvledaren en isolator.

Många enheter är baserade på halvledare. I de flesta fall måste de erhållas i form av enkristaller.För att ge de önskade egenskaperna dopas halvledare med olika föroreningar. Ökade krav ställs på renheten hos utgångshalvledarmaterialen.

Halvledarenheter

Halvledarvärmebehandling

Värmebehandling av en halvledare — uppvärmning och kylning av en halvledare enligt ett givet program för att ändra dess elektrofysiska egenskaper.

Förändringar: kristallmodifiering, dislokationsdensitet, koncentration av vakanser eller strukturella defekter, typ av konduktivitet, koncentration, rörlighet och livslängd för laddningsbärare. De fyra sista kan dessutom relateras till växelverkan mellan föroreningar och strukturella defekter eller till diffusionen av föroreningar i huvuddelen av kristallerna.

Uppvärmning av germaniumproverna till en temperatur >550 °C följt av snabb kylning resulterar i uppkomsten av termiska acceptorer i koncentrationer ju högre temperatur. Efterföljande glödgning vid samma temperatur återställer det initiala motståndet.

Den troliga mekanismen för detta fenomen är upplösningen av koppar i germaniumgittret som diffunderar från ytan eller tidigare avsatts på dislokationer. Långsam glödgning gör att koppar avsätts på strukturella defekter och lämnar gallret. Uppkomsten av nya strukturella defekter under snabb kylning är också möjlig. Båda mekanismerna kan minska livslängden, vilket har fastställts experimentellt.

I kisel vid temperaturer på 350 - 500 ° sker bildningen av termiska donatorer i koncentrationer ju högre, desto mer syre löses i kisel under kristalltillväxt. Vid högre temperaturer förstörs värmegivarna.

Uppvärmning till temperaturer i intervallet 700 - 1300 ° minskar kraftigt livslängden för minoritetsladdningsbärare (vid > 1000 ° spelas den avgörande rollen av diffusionen av föroreningar från ytan). Uppvärmning av kisel vid 1000-1300° påverkar den optiska absorptionen och spridningen av ljus.

Tillämpning av halvledare

I modern teknik har halvledare hittat den bredaste tillämpningen; de har haft en mycket stark inverkan på den tekniska utvecklingen. Tack vare dem är det möjligt att avsevärt minska vikten och dimensionerna på elektroniska enheter. Utvecklingen av alla områden inom elektronik leder till skapandet och förbättringen av ett stort antal olika utrustningar baserade på halvledarenheter. Halvledarenheter fungerar som grund för mikroceller, mikromoduler, hårda kretsar, etc.

Elektroniska enheter baserade på halvledarenheter är praktiskt taget tröghetslösa. En noggrant konstruerad och väl förseglad halvledarenhet kan hålla i tiotusentals timmar. Vissa halvledarmaterial har dock en liten temperaturgräns (till exempel germanium), men inte särskilt svår temperaturkompensation eller utbyte av basmaterialet i enheten med ett annat (till exempel kisel, kiselkarbid) eliminerar till stor del denna nackdel. av halvledarenhetstillverkningsteknologi resulterar i en minskning av den fortfarande existerande parameterspridningen och instabiliteten.

Halvledare inom elektronik

Halvledar-metallkontakten och elektronhålövergången (n-p-övergången) som skapas i halvledare används vid tillverkning av halvledardioder.Dubbla korsningar (p-n-p eller n-R-n) — transistorer och tyristorer. Dessa enheter används främst för att likrikta, generera och förstärka elektriska signaler.

De fotoelektriska egenskaperna hos halvledare används för att skapa fotoresistorer, fotodioder och fototransistorer. Halvledaren fungerar som den aktiva delen av oscillatorerna (förstärkarna) av svängningar halvledarlasrar… När en elektrisk ström passerar genom pn-övergången i riktning framåt, kombineras laddningsbärarna – elektroner och hål – med emissionen av fotoner, som används för att skapa lysdioder.

lysdioder

De termoelektriska egenskaperna hos halvledare gjorde det möjligt att skapa termoelektriska halvledarresistanser, halvledartermoelement, termoelement och termoelektriska generatorer och termoelektrisk kylning av halvledare baserad på Peltier-effekten. — Termoelektriska kylskåp och termostabilisatorer.

Halvledare används i mekaniska värme- och solenergiomvandlare i elektriska — termoelektriska generatorer och fotoelektriska omvandlare (solceller).

Mekanisk spänning som appliceras på en halvledare ändrar dess elektriska resistans (effekten är starkare än för metaller), vilket är grunden för halvledartöjningsmätaren.

Halvledarenheter har blivit utbredda i världens praxis, revolutionerar elektroniken, de fungerar som grunden för utveckling och produktion av:

• mätutrustning, datorer,

• utrustning för alla typer av kommunikationer och transporter,

• för industriell processautomation,

• forskningsutrustning,

• raket,

• medicinsk utrustning

• andra elektroniska enheter och enheter.

Användningen av halvledarenheter låter dig skapa ny utrustning och förbättra gammal, vilket innebär att den minskar dess storlek, vikt, strömförbrukning och därför minskar värmegenereringen i kretsen, ökar styrkan, omedelbar handlingsberedskap, det ger du kan öka livslängden och tillförlitligheten för elektroniska enheter.