Što je poluvodič

Uz vodiče električne struje, u prirodi postoje mnoge tvari koje imaju znatno nižu električnu vodljivost od metalnih vodiča. Tvari ove vrste nazivaju se poluvodiči.

Poluvodiči uključuju: određene kemijske elemente kao što su selen, silicij i germanij, spojeve sumpora kao što su talij sulfid, kadmij sulfid, srebrov sulfid, karbide kao što su karborund, ugljik (dijamant), bor, kositar, fosfor, antimon, arsen, telur, jod , te niz spojeva koji uključuju barem jedan od elemenata skupine 4—7 Mendeljejeva sustava. Postoje i organski poluvodiči.

Priroda električne vodljivosti poluvodiča ovisi o vrsti nečistoća prisutnih u osnovnom materijalu poluvodiča io tehnologiji proizvodnje njegovih sastavnih dijelova.

Poluvodič — tvar sa električna provodljivost 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 koji se nalazi ovim svojstvima između vodiča i izolatora.Razlika između vodiča, poluvodiča i izolatora prema teoriji pojasa je sljedeća: u čistim poluvodičima i elektroničkim izolatorima postoji zabranjeni energetski pojas između ispunjenog (valentnog) pojasa i vodljivog pojasa.

Zašto poluvodiči provode struju

Poluvodič ima elektronsku vodljivost ako su vanjski elektroni u njegovim atomima nečistoća relativno slabo vezani za jezgre tih atoma. Ako se u ovoj vrsti poluvodiča stvori električno polje, tada će pod utjecajem sila tog polja vanjski elektroni nečistoćih atoma poluvodiča napustiti granice svojih atoma i postati slobodni elektroni.

Slobodni elektroni će pod utjecajem sila električnog polja stvoriti električnu struju vodljivosti u poluvodiču. Stoga je priroda električne struje u elektrovodljivim poluvodičima ista kao i u metalnim vodičima. Ali budući da ima višestruko manje slobodnih elektrona po jedinici volumena poluvodiča nego po jedinici volumena metalnog vodiča, prirodno je da će, uz sve ostale uvjete, struja u poluvodiču biti mnogo puta manja nego u metalnom dirigent.

Poluvodič ima "rupnu" vodljivost ako atomi njegove nečistoće ne samo da ne odustaju od svojih vanjskih elektrona, već, naprotiv, teže uhvatiti elektrone atoma glavne supstance poluvodiča. Ako atom nečistoće oduzme elektron od atoma glavne tvari, tada se u potonjem formira neka vrsta slobodnog prostora za elektron - "rupa".

Atom poluvodiča koji je izgubio elektron naziva se "elektronska rupa" ili jednostavno "rupa".Ako je "rupa" ispunjena elektronom prenesenim sa susjednog atoma, tada se on eliminira i atom postaje električki neutralan, a "rupa" se pomiče na susjedni atom koji je izgubio elektron. Stoga, ako se električno polje primijeni na poluvodič s «rupičastom» vodljivošću, «elektronske šupljine» će se kretati u smjeru tog polja.

Pomak «elektronskih rupa» u smjeru djelovanja električnog polja sličan je kretanju pozitivnih električnih naboja u polju i stoga je pojava električne struje u poluvodiču.

Poluvodiči se ne mogu strogo razlikovati prema mehanizmu njihove električne vodljivosti, jer uz "Hole" vodljivost, ovaj poluvodič može imati elektronsku vodljivost u jednom ili drugom stupnju.

Za poluvodiče je karakteristično:

• tip vodljivosti (elektronički - n-tip, hole -p -tip);

• otpornost;

• životni vijek nositelja naboja (manjinski) ili duljina difuzije, brzina površinske rekombinacije;

• gustoća dislokacije.

Vidi također: Strujno-naponske karakteristike poluvodiča Silicij je najčešći poluvodički materijal

Temperatura ima bića koja utječu na karakteristike poluvodiča. Njegovo povećanje uglavnom dovodi do smanjenja otpora i obrnuto, tj. poluvodiče karakterizira prisutnost negativnih temperaturni koeficijent otpora… Blizu apsolutne nule, poluvodič postaje izolator.

Mnogi uređaji temelje se na poluvodičima. U većini slučajeva moraju se dobiti u obliku monokristala.Da bi se dobila željena svojstva, poluvodiči se dopiraju raznim nečistoćama. Na čistoću polaznih poluvodičkih materijala postavljaju se povećani zahtjevi.

Poluvodički uređaji

Toplinska obrada poluvodiča

Toplinska obrada poluvodiča — zagrijavanje i hlađenje poluvodiča prema zadanom programu radi promjene njegovih elektrofizičkih svojstava.

Promjene: modifikacija kristala, gustoća dislokacija, koncentracija praznina ili strukturnih defekata, vrsta vodljivosti, koncentracija, pokretljivost i životni vijek nositelja naboja. Posljednja četiri, osim toga, mogu se povezati s međudjelovanjem nečistoća i strukturnih nedostataka ili s difuzijom nečistoća u masi kristala.

Zagrijavanje uzoraka germanija na temperaturu >550 °C nakon čega slijedi brzo hlađenje dovodi do pojave toplinskih akceptora u koncentracijama što je temperatura viša. Naknadno žarenje na istoj temperaturi vraća početni otpor.

Vjerojatni mehanizam ove pojave je otapanje bakra u rešetki germanija koji difundira s površine ili je prethodno taložen na dislokacijama. Polagano žarenje uzrokuje taloženje bakra na strukturnim defektima i izlazak iz rešetke. Moguća je i pojava novih strukturnih defekata tijekom brzog hlađenja. Oba mehanizma mogu smanjiti životni vijek, što je eksperimentalno utvrđeno.

U siliciju na temperaturama od 350-500 °, stvaranje toplinskih donora događa se u koncentracijama što su veće, što je više kisika otopljeno u siliciju tijekom rasta kristala. Na višim temperaturama, donori topline se uništavaju.

Zagrijavanje na temperature u rasponu od 700 do 1300 ° naglo smanjuje životni vijek manjinskih nositelja naboja (pri > 1000 ° odlučujuću ulogu ima difuzija nečistoća s površine). Zagrijavanje silicija na 1000-1300 ° utječe na optičku apsorpciju i raspršenje svjetlosti.

Primjena poluvodiča

U suvremenim tehnologijama poluvodiči su našli najširu primjenu; imale su vrlo snažan utjecaj na tehnološki napredak. Zahvaljujući njima, moguće je značajno smanjiti težinu i dimenzije elektroničkih uređaja. Razvoj svih područja elektronike dovodi do stvaranja i usavršavanja velikog broja raznovrsne opreme temeljene na poluvodičkim elementima. Poluvodički uređaji služe kao osnova za mikroćelije, mikromodule, čvrste sklopove itd.

Elektronički uređaji temeljeni na poluvodičkim uređajima praktički su bez inercije. Pažljivo konstruiran i dobro zabrtvljen poluvodički uređaj može trajati desetke tisuća sati. Međutim, neki poluvodički materijali imaju malu temperaturnu granicu (na primjer, germanij), ali ne baš teška temperaturna kompenzacija ili zamjena osnovnog materijala uređaja drugim (na primjer, silicij, silicij karbid) uvelike eliminira ovaj nedostatak. tehnologije proizvodnje poluvodičkih elemenata rezultira smanjenjem još uvijek postojeće disperzije parametara i nestabilnosti.

Poluvodiči u elektronici

Kontakt poluvodič-metal i spoj elektron-rupa (n-p spoj) stvoren u poluvodičima koriste se u proizvodnji poluvodičkih dioda.Dvostruki spojevi (p-n-p ili n-R-n) — tranzistori i tiristori. Ovi se uređaji uglavnom koriste za ispravljanje, generiranje i pojačavanje električnih signala.

Fotoelektrična svojstva poluvodiča koriste se za stvaranje fotootpornika, fotodioda i fototranzistora. Poluvodič služi kao aktivni dio oscilatora (pojačala) oscilacija poluvodički laseri… Kada električna struja prolazi kroz pn spoj u smjeru prema naprijed, nositelji naboja — elektroni i rupe — rekombiniraju se s emisijom fotona, što se koristi za stvaranje LED dioda.

LED diode

Termoelektrična svojstva poluvodiča omogućila su stvaranje poluvodičkih termoelektričnih otpora, poluvodičkih termoparova, termoparova i termoelektričnih generatora i termoelektričnog hlađenja poluvodiča na temelju Peltierovog efekta, — termoelektričnih hladnjaka i termostabilizatora.

Poluvodiči se koriste u mehaničkim pretvaračima topline i sunčeve energije u električnim — termoelektričnim generatorima i fotoelektričnim pretvaračima (solarne ćelije).

Mehaničko naprezanje primijenjeno na poluvodič mijenja njegov električni otpor (efekt je jači nego kod metala), što je osnova poluvodičkog mjerača naprezanja.

Poluvodički uređaji postali su rašireni u svjetskoj praksi, revolucionirajući elektroniku, služe kao osnova za razvoj i proizvodnju:

• mjerna oprema, računala,

• oprema za sve vrste komunikacija i transporta,

• za automatizaciju industrijskih procesa,

• istraživački uređaji,

• raketa,

• medicinska oprema

• ostali elektronički uređaji i uređaji.

Korištenje poluvodičkih uređaja omogućuje vam stvaranje nove opreme i poboljšanje stare, što znači da smanjuje njegovu veličinu, težinu, potrošnju energije i, prema tome, smanjuje stvaranje topline u krugu, povećava snagu, trenutnu spremnost za djelovanje, daje vam omogućuje produljenje životnog vijeka i pouzdanosti elektroničkih uređaja.