XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Полупроводниковые устройства могут отображать ряд полезных свойств, таких как пропускание тока в одном направлении легче, чем в другом, показывая переменное сопротивление и чувствительность к свету или теплу. Поскольку электрические свойства полупроводникового материала могут быть изменены путем легирования или применения электрических полей или света, устройства, изготовленные из полупроводников, могут использоваться для усиления, переключения и преобразования энергии.

Проводимость кремния увеличивается путем добавления небольшого количества (порядка 1 на 108) пятивалентных (сурьма, фосфор или мышьяк) или трехвалентных (бор, галлий, индий) атомов. Этот процесс известен как легирование, и получающиеся в результате полупроводники известны как легированные или внешние полупроводники. Помимо легирования, проводимость полупроводника может быть в равной степени улучшена путем повышения его температуры. Это противоречит поведению металла, в котором проводимость уменьшается с ростом температуры.

Современное понимание свойств полупроводника опирается на квантовую физику для объяснения движения носителей заряда в кристаллической решетке. [1] Легирование значительно увеличивает количество носителей заряда в кристалле. Когда легированный полупроводник содержит в основном свободные дырки, его называют «р-типом», а когда он содержит в основном свободные электроны, его называют «n-типом». Полупроводниковые материалы, используемые в электронных устройствах, легируются в точных условиях для контроля концентрации и областей легирующих примесей p- и n-типа. Один полупроводниковый кристалл может иметь много областей p- и n-типа; p − n-переходы между этими областями ответственны за полезное электронное поведение.

Некоторые свойства полупроводниковых материалов наблюдались в течение середины XIX и первых десятилетий XX века. Первым практическим применением полупроводников в электронике была разработка в 1904 году детектора кошачьих усов, примитивного полупроводникового диода, использовавшегося в ранних радиоприемниках. Развитие квантовой физики, в свою очередь, привело к созданию транзистора в 1947 году, [2] интегральной схемы в 1958 году и MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) в 1959 году.

Диод:

Полупроводниковый диод - это устройство, обычно изготавливаемое из одного p − n-перехода. На стыке полупроводника p-типа и n-типа образуется область обеднения, в которой проводимость по току тормозится отсутствием подвижных носителей заряда. Когда устройство смещено в прямом направлении (соединено с p-стороной с более высоким электрическим потенциалом, чем n-стороной), эта область истощения уменьшается, что обеспечивает значительную проводимость, в то время как только очень маленький ток может быть достигнут, когда диод имеет обратное смещение и таким образом область истощения расширилась.

Воздействие полупроводника на свет может привести к образованию электронно-дырочных пар, что увеличивает количество свободных носителей и, следовательно, проводимость. Диоды, оптимизированные для использования этого явления, известны как фотодиоды. Составные полупроводниковые диоды также могут быть использованы для генерации света, как в светодиодах и лазерных диодах.

Транзистор:

Транзисторы с биполярным переходом (BJT) формируются из двух p-n-переходов в конфигурации n-p-n или p-n-p. Средняя или базовая область между соединениями обычно очень узкая. Другие области и связанные с ними терминалы известны как эмиттер и коллектор. Небольшой ток, вводимый через соединение между основанием и эмиттером, изменяет свойства соединения база-коллектор, так что он может проводить ток, даже если он имеет обратное смещение. Это создает гораздо больший ток между коллектором и эмиттером, управляемый током базового эмиттера.

Другой тип транзистора, полевой транзистор (FET), работает по принципу, согласно которому проводимость полупроводника может увеличиваться или уменьшаться при наличии электрического поля. Электрическое поле может увеличивать количество свободных электронов и дырок в полупроводнике, тем самым изменяя его проводимость. Поле может быть приложено p-n-переходом с обратным смещением, образующим полевой транзистор с переходом (JFET), или электродом, изолированным от объемного материала оксидным слоем, образующим полевой транзистор металл-оксид-полупроводник. (МОП-транзистор).

Полупроводниковое устройство типа металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор или МОП-транзистор), твердотельное устройство, безусловно, является сегодня наиболее широко используемым полупроводниковым устройством. На его долю приходится не менее 99,9% всех транзисторов, и в период с 1960 по 2018 год было изготовлено 13 полистиллионных МОП-транзисторов.

Электрод затвора заряжается для создания электрического поля, которое контролирует проводимость «канала» между двумя выводами, называемого истоком и стоком. В зависимости от типа носителя в канале, устройство может быть n-канальным (для электронов) или p-канальным (для дырок) MOSFET. Хотя MOSFET частично назван для его «металлического» затвора, в современных устройствах вместо него обычно используется поликремний.

Полупроводниковые материалы:

На сегодняшний день кремний (Si) является наиболее широко используемым материалом в полупроводниковых приборах. Его сочетание низкой стоимости сырья, относительно простой обработки и полезного температурного диапазона делает его в настоящее время лучшим компромиссом среди различных конкурирующих материалов. Кремний, используемый в производстве полупроводниковых приборов, в настоящее время изготавливается в були, диаметр которых достаточно велик, чтобы можно было изготавливать пластины толщиной 300 мм (12 дюймов).

Германий (Ge) был широко используемым ранним полупроводниковым материалом, но его термическая чувствительность делает его менее полезным, чем кремний. Сегодня германий часто легируют кремнием для использования в высокоскоростных устройствах SiGe; IBM является крупным производителем таких устройств.

Арсенид галлия (GaAs) также широко используется в высокоскоростных устройствах, но до сих пор было трудно формировать були большого диаметра из этого материала, ограничивая диаметр пластин до размеров, значительно меньших, чем у кремниевых пластин, что делает массовое производство устройств GaAs значительно дороже, чем кремний.

Другие менее распространенные материалы также используются или расследуются.

Карбид кремния (SiC) нашел некоторое применение в качестве сырья для синих светодиодов (LED) и в настоящее время исследуется для использования в полупроводниковых приборах, которые могут выдерживать очень высокие рабочие температуры и среды при наличии значительных уровней ионизирующего излучения. ИМПАТТ диоды также были изготовлены из SiC.

Различные соединения индия (арсенид индия, антимонид индия и фосфид индия) также используются в светодиодах и твердотельных лазерных диодах. Сульфид селена изучается при изготовлении фотоэлектрических солнечных элементов.

Наиболее распространенным применением органических полупроводников являются органические светодиоды.

Список использованных источников :

Neamen, D.A.Semiconductor physics and devices / Donald A. Neamen. - Irwin: 1992. – 746 c. - ISBN: 0-07-1 19862-8. - Текст: непосредственный.

Каганов, В.И. Прикладная электроника / В.И.Каганов. – Москва: Академия, 2015. – 240 c. - ISBN 978-5-4468-0933-2. - Текст: непосредственный.

Новиков, Н. Ю. Теория шкал. Принципы построения эталонных процедур измерения, кодирования и управления / Н.Ю Новиков. - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 504 с. – ISBN 978-5-9221-1115-7. -  Текст: непосредственный.

Код для цитирования: Скопировать