Co je to polovodič

Spolu s vodiči elektřiny existuje v přírodě mnoho látek, které mají výrazně nižší elektrickou vodivost než kovové vodiče. Látky tohoto typu se nazývají polovodiče.

Mezi polovodiče patří: určité chemické prvky, jako je selen, křemík a germanium, sloučeniny síry, jako je sulfid thallia, sulfid kademnatý, sulfid stříbrný, karbidy jako karborundum, uhlík (diamant), bor, cín, fosfor, antimon, arsen, telur, jód a řadu sloučenin, které obsahují alespoň jeden z prvků skupiny 4 — 7 Mendělejevova systému. Existují také organické polovodiče.

Povaha elektrické vodivosti polovodiče závisí na typu nečistot přítomných v základním materiálu polovodiče a na technologii výroby jeho součástí.

Polovodič — látka s elektrická vodivost 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 umístěný těmito vlastnostmi mezi vodičem a izolantem.Rozdíl mezi vodiči, polovodiči a izolanty podle teorie pásem je následující: u čistých polovodičů a elektronických izolantů je mezi naplněným (valenčním) pásem a pásmem vodivosti zakázané energetické pásmo.

Proč polovodiče vedou proud

Polovodič má elektronovou vodivost, pokud jsou vnější elektrony v atomech nečistot relativně slabě vázány na jádra těchto atomů. Pokud se v tomto typu polovodiče vytvoří elektrické pole, pak pod vlivem sil tohoto pole opustí vnější elektrony atomů nečistot polovodiče hranice svých atomů a stanou se volnými elektrony.

Volné elektrony vytvoří elektrický vodivý proud v polovodiči vlivem sil elektrického pole. Proto je povaha elektrického proudu v elektricky vodivých polovodičích stejná jako v kovových vodičích. Ale protože na jednotku objemu polovodiče je mnohonásobně méně volných elektronů než na jednotku objemu kovového vodiče, je přirozené, že za stejných podmínek bude proud v polovodiči mnohonásobně menší než v kovovém vodiči. dirigent.

Polovodič má „dírovou“ vodivost, pokud se atomy jeho nečistoty nejen nevzdají svých vnějších elektronů, ale naopak mají tendenci zachytit elektrony atomů hlavní látky polovodiče. Pokud atom nečistoty odebere elektron atomu hlavní látky, pak se v něm vytvoří jakýsi volný prostor pro elektron - "díra".

Polovodičový atom, který ztratil elektron, se nazývá „elektronová díra“ nebo jednoduše „díra“.Pokud je "díra" vyplněna elektronem přeneseným ze sousedního atomu, pak je eliminován a atom se stává elektricky neutrálním a "díra" se přesune k sousednímu atomu, který ztratil elektron. Pokud je tedy elektrické pole aplikováno na polovodič s „dírovým“ vedením, „elektronové díry“ se budou pohybovat ve směru tohoto pole.

Předpětí «elektronových děr» ve směru působení elektrického pole je podobné pohybu kladných elektrických nábojů v poli, a je tedy jevem elektrického proudu v polovodiči.

Polovodiče nelze striktně rozlišovat podle mechanismu jejich elektrické vodivosti, protože spolu s vodivostí "Díra" může mít tento polovodič v té či oné míře elektronovou vodivost.

Polovodiče se vyznačují:

• typ vodivosti (elektronický - typ n, otvor -p - typ);

• odpor;

• životnost nosiče náboje (menšina) nebo délka difúze, rychlost povrchové rekombinace;

• dislokační hustota.

Viz také: Proudově-napěťové charakteristiky polovodičů Křemík je nejběžnějším polovodičovým materiálem

Teplota má bytosti, které ovlivňují vlastnosti polovodičů. Jeho zvýšení vede především ke snížení odporu a naopak, tzn. polovodiče se vyznačují přítomností zápor teplotní koeficient odporu… Blízko absolutní nuly se polovodič stává izolantem.

Mnoho zařízení je založeno na polovodičích. Ve většině případů musí být získány ve formě monokrystalů.Pro dosažení požadovaných vlastností jsou polovodiče dopovány různými nečistotami. Na čistotu výchozích polovodičových materiálů jsou kladeny zvýšené požadavky.

Polovodičová zařízení

Tepelné zpracování polovodičů

Tepelné zpracování polovodiče — ohřev a chlazení polovodiče podle daného programu za účelem změny jeho elektrofyzikálních vlastností.

Změny: krystalová modifikace, dislokační hustota, koncentrace vakancí nebo strukturních defektů, typ vodivosti, koncentrace, pohyblivost a životnost nosičů náboje. Poslední čtyři mohou navíc souviset s interakcí nečistot a strukturálních defektů nebo s difúzí nečistot v objemu krystalů.

Zahřívání vzorků germania na teplotu >550 °C s následným rychlým ochlazením má za následek výskyt tepelných akceptorů v koncentracích, při nichž je teplota vyšší. Následné žíhání na stejnou teplotu obnoví původní odpor.

Pravděpodobným mechanismem tohoto jevu je rozpouštění mědi v germaniové mřížce, která difunduje z povrchu nebo byla dříve uložena na dislokacích. Pomalé žíhání způsobuje, že se měď ukládá na strukturálních defektech a vystupuje z mřížky. Je také možný výskyt nových strukturálních defektů při rychlém ochlazení. Oba mechanismy mohou zkrátit životnost, což bylo experimentálně zjištěno.

V křemíku při teplotách 350 — 500 ° dochází k tvorbě tepelných donorů v koncentracích tím vyšší, čím více kyslíku je rozpuštěno v křemíku během růstu krystalů. Při vyšších teplotách jsou donory tepla zničeny.

Ohřev na teploty v rozmezí 700 — 1300 ° výrazně snižuje životnost minoritních nosičů náboje (při > 1000 ° hraje rozhodující roli difúze nečistot z povrchu). Zahřívání křemíku na 1000-1300 ° ovlivňuje optickou absorpci a rozptyl světla.

Aplikace polovodičů

V moderních technologiích našly nejširší uplatnění polovodiče; měly velmi silný dopad na technologický pokrok. Díky nim je možné výrazně snížit hmotnost a rozměry elektronických zařízení. Rozvoj všech oblastí elektroniky vede k vytváření a zdokonalování velkého množství různorodých zařízení na bázi polovodičových součástek. Polovodičová zařízení slouží jako základ pro mikročlánky, mikromoduly, pevné obvody atd.

Elektronická zařízení založená na polovodičových součástkách jsou prakticky bez setrvačnosti. Pečlivě zkonstruované a dobře utěsněné polovodičové zařízení může vydržet desítky tisíc hodin. Některé polovodičové materiály však mají malý teplotní limit (například germanium), ale nepříliš obtížná teplotní kompenzace nebo výměna základního materiálu zařízení za jiný (například křemík, karbid křemíku) tento nedostatek do značné míry odstraňuje. Výsledkem technologie výroby polovodičových součástek je snížení dosud existující rozptylu parametrů a nestability.

Polovodiče v elektronice

Kontakt polovodič-kov a přechod elektron-díra (n-p přechod) vytvořený v polovodičích se používají při výrobě polovodičových diod.Dvojité přechody (p-n-p nebo n-R-n) — tranzistory a tyristory. Tato zařízení se používají hlavně k usměrňování, generování a zesilování elektrických signálů.

Fotoelektrické vlastnosti polovodičů se využívají k vytváření fotorezistorů, fotodiod a fototranzistorů. Polovodič slouží jako aktivní část oscilátorů (zesilovačů) kmitů polovodičové lasery… Když elektrický proud prochází pn přechodem v propustném směru, nosiče náboje – elektrony a díry – se rekombinují s emisí fotonů, která se používá k vytvoření LED.

LED diody

Termoelektrické vlastnosti polovodičů umožnily vytvářet polovodičové termoelektrické odpory, polovodičové termočlánky, termočlánky a termoelektrické generátory a termoelektrické chlazení polovodičů na základě Peltierova jevu, — termoelektrické chladničky a termostabilizátory.

Polovodiče se používají v mechanických měničích tepla a sluneční energie v elektrických — termoelektrických generátorech a fotoelektrických měničích (solární články).

Mechanické namáhání polovodiče mění jeho elektrický odpor (účinek je silnější než u kovů), což je základem polovodičového tenzometru.

Polovodičová zařízení se ve světové praxi rozšířila a způsobila revoluci v elektronice, slouží jako základ pro vývoj a výrobu:

• měřicí technika, počítače,

• zařízení pro všechny druhy komunikací a dopravy,

• pro automatizaci průmyslových procesů,

• výzkumná zařízení,

• raketa,

• lékařské vybavení

• další elektronická zařízení a zařízení.

Použití polovodičových součástek umožňuje vytvářet nové zařízení a vylepšovat staré, což znamená, že snižuje jeho velikost, hmotnost, spotřebu energie a tím snižuje tvorbu tepla v obvodu, zvyšuje pevnost, okamžitou připravenost k akci, dává vám umožní zvýšit životnost a spolehlivost elektronických zařízení.