Kas yra puslaidininkis

Kartu su elektros laidininkais gamtoje yra daug medžiagų, kurių elektros laidumas yra žymiai mažesnis nei metalinių laidininkų. Tokio tipo medžiagos vadinamos puslaidininkiais.

Puslaidininkius sudaro: tam tikri cheminiai elementai, tokie kaip selenas, silicis ir germanis, sieros junginiai, tokie kaip talio sulfidas, kadmio sulfidas, sidabro sulfidas, karbidai, tokie kaip karborundas, anglis (deimantas), boras, alavas, fosforas, stibis, arsenas, telūras, jodas. , ir daugybė junginių, kuriuose yra bent vienas iš Mendelejevo sistemos 4–7 grupės elementų. Taip pat yra organinių puslaidininkių.

Puslaidininkio elektrinio laidumo pobūdis priklauso nuo priemaišų, esančių puslaidininkio pagrindinėje medžiagoje, tipo ir nuo jo sudedamųjų dalių gamybos technologijos.

Puslaidininkis – medžiaga su elektrinis laidumas 10-10 — 104 (omų x cm)-1, esantis pagal šias savybes tarp laidininko ir izoliatoriaus.Skirtumas tarp laidininkų, puslaidininkių ir izoliatorių pagal juostų teoriją yra toks: grynuose puslaidininkiuose ir elektroniniuose izoliatoriuose tarp užpildytos (valentinės) juostos ir laidumo juostos yra draudžiama energijos juosta.

Kodėl puslaidininkiai praleidžia srovę

Puslaidininkis turi elektroninį laidumą, jei jo priemaišų atomų išoriniai elektronai yra palyginti silpnai susieti su tų atomų branduoliais. Jei tokio tipo puslaidininkiuose sukuriamas elektrinis laukas, tada, veikiami šio lauko jėgų, išoriniai puslaidininkio priemaišų atomų elektronai paliks savo atomų ribas ir taps laisvais elektronais.

Laisvieji elektronai, veikiami elektrinio lauko jėgų, puslaidininkyje sukurs elektros laidumo srovę. Todėl elektros srovės pobūdis elektrai laidžiuose puslaidininkiuose yra toks pat kaip ir metaliniuose. Tačiau kadangi laisvųjų elektronų puslaidininkio tūrio vienete yra daug kartų mažiau nei metalinio laidininko tūrio vienete, natūralu, kad esant visoms kitoms sąlygoms, srovė puslaidininkyje bus daug kartų mažesnė nei metaliniame. dirigentas.

Puslaidininkis turi „skylinį“ laidumą, jei jo priemaišos atomai ne tik neatsisako savo išorinių elektronų, bet, priešingai, yra linkę užfiksuoti puslaidininkio pagrindinės medžiagos atomų elektronus. Jei priemaišos atomas atima elektroną iš pagrindinės medžiagos atomo, tai pastarojoje susidaro tam tikra laisva erdvė elektronui – „skylė“.

Puslaidininkio atomas, praradęs elektroną, vadinamas „elektronų skyle“ arba tiesiog „skyle“.Jei „skylė“ užpildyta elektronu, perkeltu iš gretimo atomo, tada jis pašalinamas ir atomas tampa elektriškai neutralus, o „skylė“ persikelia į kaimyninį atomą, kuris prarado elektroną. Todėl, jei elektrinis laukas yra nukreiptas į puslaidininkį su „skyliniu“ laidumu, „elektronų skylės“ judės šio lauko kryptimi.

„Elektroninių skylių“ poslinkis elektrinio lauko veikimo kryptimi yra panašus į teigiamų elektros krūvių judėjimą lauke, todėl yra elektros srovės reiškinys puslaidininkyje.

Puslaidininkių negalima griežtai diferencijuoti pagal jų elektrinio laidumo mechanizmą, nes kartu su „skylės“ laidumu šis puslaidininkis gali turėti vienokį ar kitokį elektroninį laidumą.

Puslaidininkiams būdingos šios savybės:

• laidumo tipas (elektroninis - n tipo, skylė -p -tipas);

• atsparumas;

• krūvininkų gyvavimo laikas (mažumas) arba difuzijos ilgis, paviršiaus rekombinacijos greitis;

• dislokacijos tankis.

Taip pat žiūrėkite: Puslaidininkių srovės-įtampos charakteristikos Silicis yra labiausiai paplitusi puslaidininkinė medžiaga

Temperatūra turi būtybių, kurios turi įtakos puslaidininkių savybėms. Jo padidėjimas daugiausia lemia pasipriešinimo mažėjimą ir atvirkščiai, t.y. puslaidininkiams būdingas negatyvo buvimas atsparumo temperatūros koeficientas… Netoli absoliutaus nulio puslaidininkis tampa izoliatoriumi.

Daugelis prietaisų yra pagrįsti puslaidininkiais. Daugeliu atvejų jie turi būti gauti pavienių kristalų pavidalu.Norint suteikti norimas savybes, puslaidininkiai yra legiruojami įvairiomis priemaišomis. Didesni reikalavimai keliami pradinių puslaidininkinių medžiagų grynumui.

Puslaidininkiniai įtaisai

Puslaidininkinis terminis apdorojimas

Puslaidininkio terminis apdorojimas – puslaidininkio kaitinimas ir aušinimas pagal nurodytą programą, siekiant pakeisti jo elektrofizines savybes.

Pokyčiai: kristalų modifikacija, dislokacijos tankis, laisvų darbo vietų koncentracija arba struktūriniai defektai, laidumo tipas, koncentracija, mobilumas ir krūvininkų tarnavimo laikas. Be to, paskutiniai keturi gali būti susiję su priemaišų sąveika ir struktūriniais defektais arba su priemaišų difuzija didžiojoje kristalų dalyje.

Kaitinant germanio mėginius iki > 550 °C temperatūros, po to greitai atvėsinant, atsiranda šiluminių akceptorių, kurių koncentracija yra aukštesnė. Vėlesnis atkaitinimas toje pačioje temperatūroje atkuria pradinį atsparumą.

Tikėtinas šio reiškinio mechanizmas – vario ištirpimas germanio gardelėje, kuri difunduoja nuo paviršiaus arba anksčiau buvo nusėdusi ant dislokacijų. Dėl lėto atkaitinimo varis nusėda ant struktūrinių defektų ir išeina iš grotelių. Greito aušinimo metu taip pat gali atsirasti naujų konstrukcinių defektų. Abu mechanizmai gali sutrumpinti naudojimo trukmę, kuri buvo nustatyta eksperimentiškai.

Silicyje esant 350–500 ° temperatūrai šiluminiai donorai susidaro kuo didesnėmis koncentracijomis, tuo daugiau deguonies ištirpsta silicyje kristalų augimo metu. Esant aukštesnei temperatūrai, šilumos donorai sunaikinami.

Kaitinimas iki 700–1300 ° temperatūrų smarkiai sumažina mažumos krūvininkų tarnavimo laiką (esant > 1000 ° lemiamą vaidmenį atlieka priemaišų difuzija iš paviršiaus). Silicio kaitinimas 1000–1300 ° temperatūroje turi įtakos optinei šviesos sugerčiai ir sklaidai.

Puslaidininkių taikymas

Šiuolaikinėse technologijose puslaidininkiai rado plačiausią pritaikymą; jie labai stipriai paveikė technologijų pažangą. Jų dėka galima gerokai sumažinti elektroninių prietaisų svorį ir matmenis. Visų elektronikos sričių plėtra leidžia sukurti ir tobulinti daugybę įvairios įrangos, pagrįstos puslaidininkiniais įtaisais. Puslaidininkiniai įtaisai yra mikroelementų, mikromodulių, kietųjų grandinių ir kt.

Elektroniniai prietaisai, pagrįsti puslaidininkiniais įtaisais, yra praktiškai be inercijos. Kruopščiai sukonstruotas ir gerai užsandarintas puslaidininkinis įtaisas gali tarnauti dešimtis tūkstančių valandų. Tačiau kai kurios puslaidininkinės medžiagos turi nedidelę temperatūros ribą (pavyzdžiui, germanis), tačiau ne itin sudėtinga temperatūros kompensacija arba prietaiso pagrindinės medžiagos pakeitimas kita (pavyzdžiui, siliciu, silicio karbidu) šį trūkumą iš esmės pašalina. Puslaidininkinių įtaisų gamybos technologija sumažina vis dar egzistuojančią parametrų sklaidą ir nestabilumą.

Puslaidininkiai elektronikoje

Puslaidininkių diodų gamyboje naudojamas puslaidininkių-metalo kontaktas ir elektronų skylės sandūra (n-p sandūra), sukurta puslaidininkiuose.Dvigubos jungtys (p-n-p arba n-R-n) - tranzistoriai ir tiristoriai. Šie įrenginiai daugiausia naudojami elektros signalams ištaisyti, generuoti ir stiprinti.

Puslaidininkių fotoelektrinės savybės naudojamos fotorezistoriams, fotodiodams ir fototranzistoriams kurti. Puslaidininkis yra aktyvioji osciliatorių (stiprintuvų) dalis. puslaidininkiniai lazeriai… Kai elektros srovė teka per pn sandūrą į priekį, krūvininkai – elektronai ir skylės – rekombinuojasi su fotonų emisija, kuri naudojama šviesos diodams kurti.

šviesos diodai

Puslaidininkių termoelektrinės savybės leido sukurti puslaidininkių termoelektrines varžas, puslaidininkines termoporas, termoporas ir termoelektrinius generatorius bei termoelektrinį puslaidininkių aušinimą pagal Peltier efektą, — termoelektrinius šaldytuvus ir termostabilizatorius.

Puslaidininkiai naudojami mechaniniuose šilumos ir saulės energijos keitikliuose elektros — termoelektriniuose generatoriuose ir fotoelektriniuose keitikliuose (saulės elementuose).

Puslaidininkiui taikomas mechaninis įtempis keičia jo elektrinę varžą (poveikis stipresnis nei metalų), kuris yra puslaidininkio deformacijos matuoklio pagrindas.

Puslaidininkiniai įtaisai tapo plačiai paplitę pasaulinėje praktikoje, sukėlę revoliuciją elektronikoje, jie yra pagrindas kuriant ir gaminant:

• matavimo įranga, kompiuteriai,

• visų tipų ryšių ir transporto įranga,

• pramoninių procesų automatizavimui,

• tyrimo prietaisai,

• raketa,

• Medicininė įranga

• kiti elektroniniai prietaisai ir prietaisai.

Puslaidininkinių įtaisų naudojimas leidžia sukurti naują įrangą ir patobulinti seną, o tai reiškia, kad sumažėja jos dydis, svoris, energijos suvartojimas, todėl sumažėja šilumos susidarymas grandinėje, padidėja stiprumas, greitas pasirengimas veikti. leidžia pailginti elektroninių prietaisų tarnavimo laiką ir patikimumą.