Hva er en halvleder

Sammen med lederne av elektrisitet er det mange stoffer i naturen som har betydelig lavere elektrisk ledningsevne enn metallledere. Stoffer av denne typen kalles halvledere.

Halvledere inkluderer: visse kjemiske elementer som selen, silisium og germanium, svovelforbindelser som talliumsulfid, kadmiumsulfid, sølvsulfid, karbider som karborundum, karbon (diamant), bor, tinn, fosfor, antimon, arsen, tellur, jod , og et antall forbindelser som inkluderer minst ett av elementene i 4-7-gruppen i Mendeleev-systemet. Det finnes også organiske halvledere.

Naturen til den elektriske ledningsevnen til halvlederen avhenger av typen urenheter som er tilstede i basismaterialet til halvlederen og av produksjonsteknologien til dens bestanddeler.

Halvleder — substans med elektrisk Strømføringsevne 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 plassert ved disse egenskapene mellom leder og isolator.Forskjellen mellom ledere, halvledere og isolatorer i henhold til båndteori er som følger: i rene halvledere og elektroniske isolatorer er det et forbudt energibånd mellom det fylte (valens) båndet og ledningsbåndet.

Hvorfor halvledere leder strøm

En halvleder har elektronisk ledningsevne hvis de ytre elektronene i urenhetsatomene er relativt svakt bundet til kjernene til disse atomene. Hvis det dannes et elektrisk felt i denne typen halvledere, vil de ytre elektronene til urenhetsatomene til halvlederen under påvirkning av kreftene i dette feltet forlate grensene til atomene og bli frie elektroner.

De frie elektronene vil skape en elektrisk ledningsstrøm i halvlederen under påvirkning av de elektriske feltkreftene. Derfor er naturen til elektrisk strøm i elektrisk ledende halvledere den samme som i metalliske ledere. Men siden det er mange ganger færre frie elektroner per volumenhet av en halvleder enn per volumenhet av en metallisk leder, er det naturlig at når alle andre forhold er de samme, vil strømmen i en halvleder være mange ganger mindre enn i en metallisk leder. dirigent.

En halvleder har "hull" ledningsevne hvis atomene i dens urenhet ikke bare ikke gir fra seg sine ytre elektroner, men tvert imot har en tendens til å fange elektronene til atomene til halvlederens hovedstoff. Hvis et urenhetsatom tar bort et elektron fra et atom av hovedstoffet, dannes i sistnevnte et slags ledig plass for et elektron - et "hull".

Et halvlederatom som har mistet et elektron kalles et "elektronhull" eller rett og slett et "hull".Hvis "hullet" er fylt med et elektron overført fra et naboatom, blir det eliminert og atomet blir elektrisk nøytralt, og "hullet" beveger seg til naboatomet som har mistet et elektron. Derfor, hvis et elektrisk felt påføres en halvleder med «hull»-ledning, vil «elektronhullene» bevege seg i retning av dette feltet.

Forspenningen til «elektronhull» i virkningsretningen til et elektrisk felt ligner på bevegelsen av positive elektriske ladninger i et felt og er derfor et fenomen med elektrisk strøm i en halvleder.

Halvledere kan ikke strengt differensieres i henhold til mekanismen for deres elektriske ledningsevne, fordi sammen med "Hole" ledningsevne kan denne halvlederen ha elektronisk ledningsevne i en eller annen grad.

Halvledere er preget av:

• type ledningsevne (elektronisk - n-type, hull -p -type);

• motstand;

• ladningsbærers levetid (minoritet) eller diffusjonslengde, overflaterekombinasjonshastighet;

• dislokasjonstetthet.

Se også: Strømspenningsegenskaper til halvledere Silisium er det vanligste halvledermaterialet

Temperaturen har vesener som påvirker egenskapene til halvledere. Økningen fører hovedsakelig til en reduksjon i motstand og omvendt, dvs. halvledere er preget av tilstedeværelsen av negative temperaturkoeffisient for motstand… Nær absolutt null blir halvlederen en isolator.

Mange enheter er basert på halvledere. I de fleste tilfeller må de oppnås i form av enkeltkrystaller.For å gi de ønskede egenskapene dopes halvledere med ulike urenheter. Det stilles økte krav til renheten til utgangshalvledermaterialene.

Halvlederenheter

Halvleder varmebehandling

Varmebehandling av en halvleder - oppvarming og avkjøling av en halvleder i henhold til et gitt program for å endre dens elektrofysiske egenskaper.

Endringer: krystallmodifikasjon, dislokasjonstetthet, konsentrasjon av ledige plasser eller strukturelle defekter, type ledningsevne, konsentrasjon, mobilitet og levetid for ladningsbærere. De fire siste kan i tillegg relateres til samspillet mellom urenheter og strukturelle defekter eller til diffusjon av urenheter i hoveddelen av krystallene.

Oppvarming av germaniumprøvene til en temperatur >550 °C etterfulgt av rask avkjøling resulterer i utseendet av termiske akseptorer i konsentrasjoner jo høyere temperatur. Etterfølgende gløding ved samme temperatur gjenoppretter den opprinnelige motstanden.

Den sannsynlige mekanismen for dette fenomenet er oppløsningen av kobber i germaniumgitteret som diffunderer fra overflaten eller tidligere ble avsatt på dislokasjoner. Langsom gløding fører til at kobber avsettes på strukturelle defekter og går ut av gitteret. Utseendet til nye strukturelle defekter under rask avkjøling er også mulig. Begge mekanismene kan redusere levetiden, noe som er etablert eksperimentelt.

I silisium ved temperaturer på 350 - 500 ° skjer dannelsen av termiske donorer i konsentrasjoner jo høyere, jo mer oksygen er oppløst i silisium under krystallvekst. Ved høyere temperaturer blir varmegiverne ødelagt.

Oppvarming til temperaturer i området 700 - 1300 ° reduserer levetiden til minoritetsladningsbærere kraftig (ved > 1000 ° spilles den avgjørende rollen av diffusjon av urenheter fra overflaten). Oppvarming av silisium ved 1000-1300 ° påvirker den optiske absorpsjonen og spredningen av lys.

Anvendelse av halvledere

I moderne teknologier har halvledere funnet den bredeste anvendelsen; de har hatt en veldig sterk innvirkning på teknologisk fremgang. Takket være dem er det mulig å redusere vekten og dimensjonene til elektroniske enheter betydelig. Utviklingen av alle områder innen elektronikk fører til opprettelse og forbedring av et stort antall mangfoldig utstyr basert på halvlederenheter. Halvlederenheter tjener som grunnlag for mikroceller, mikromoduler, harde kretser, etc.

Elektroniske enheter basert på halvlederenheter er praktisk talt treghetsløse. En nøye konstruert og godt forseglet halvlederenhet kan vare i titusenvis av timer. Noen halvledermaterialer har imidlertid en liten temperaturgrense (for eksempel germanium), men ikke veldig vanskelig temperaturkompensasjon eller erstatning av basismaterialet til enheten med et annet (for eksempel silisium, silisiumkarbid) eliminerer i stor grad denne ulempen. av halvlederenhets produksjonsteknologi resulterer i en reduksjon av den fortsatt eksisterende parameterspredningen og ustabiliteten.

Halvledere i elektronikk

Halvleder-metall-kontakten og elektron-hull-krysset (n-p-krysset) opprettet i halvledere brukes til fremstilling av halvlederdioder.Doble kryss (p-n-p eller n-R-n) - transistorer og tyristorer. Disse enhetene brukes hovedsakelig til å rette opp, generere og forsterke elektriske signaler.

De fotoelektriske egenskapene til halvledere brukes til å lage fotomotstander, fotodioder og fototransistorer. Halvlederen fungerer som den aktive delen av oscillatorene (forsterkerne) av svingninger halvlederlasere… Når en elektrisk strøm passerer gjennom pn-krysset i foroverretningen, rekombinerer ladningsbærerne – elektroner og hull – med emisjonen av fotoner, som brukes til å lage lysdioder.

LED-er

De termoelektriske egenskapene til halvledere gjorde det mulig å lage termoelektriske halvledermotstander, halvledertermoelementer, termoelementer og termoelektriske generatorer og termoelektrisk kjøling av halvledere basert på Peltier-effekten, - termoelektriske kjøleskap og termostabilisatorer.

Halvledere brukes i mekaniske varme- og solenergiomformere i elektriske - termoelektriske generatorer og fotoelektriske omformere (solceller).

Mekanisk spenning påført en halvleder endrer dens elektriske motstand (effekten er sterkere enn for metaller), som er grunnlaget for halvleders strain gauge.

Halvlederenheter har blitt utbredt i verdenspraksis, revolusjonerende elektronikk, de tjener som grunnlag for utvikling og produksjon av:

• måleutstyr, datamaskiner,

• utstyr for alle typer kommunikasjon og transport,

• for industriell prosessautomatisering,

• forskningsenheter,

• rakett,

• medisinsk utstyr

• andre elektroniske enheter og enheter.

Bruken av halvlederenheter lar deg lage nytt utstyr og forbedre gammelt, noe som betyr at det reduserer størrelsen, vekten, strømforbruket og derfor reduserer varmegenereringen i kretsen, øker styrken, umiddelbar handlingsberedskap, det gir du lar deg øke levetiden og påliteligheten til elektroniske enheter.