Kaj je polprevodnik

Poleg prevodnikov električnega toka je v naravi veliko snovi, ki imajo bistveno nižjo električno prevodnost od kovinskih prevodnikov. Snovi te vrste se imenujejo polprevodniki.

Polprevodniki vključujejo: nekatere kemične elemente, kot so selen, silicij in germanij, žveplove spojine, kot so talijev sulfid, kadmijev sulfid, srebrov sulfid, karbide, kot so karborund, ogljik (diamant), bor, kositer, fosfor, antimon, arzen, telur, jod , in številne spojine, ki vključujejo vsaj enega od elementov skupine 4-7 Mendelejevega sistema. Obstajajo tudi organski polprevodniki.

Narava električne prevodnosti polprevodnika je odvisna od vrste nečistoč, ki so prisotne v osnovnem materialu polprevodnika, in od tehnologije izdelave njegovih sestavnih delov.

Polprevodnik - snov s električna prevodnost 10-10 — 104 (ohm x cm)-1, ki se s temi lastnostmi nahaja med prevodnikom in izolatorjem.Razlika med prevodniki, polprevodniki in izolatorji po pasovni teoriji je naslednja: v čistih polprevodnikih in elektronskih izolatorjih je med zapolnjenim (valenčnim) pasom in prevodnim pasom prepovedan energijski pas.

Zakaj polprevodniki prevajajo tok

Polprevodnik ima elektronsko prevodnost, če so zunanji elektroni v njegovih nečistočih atomih relativno šibko vezani na jedra teh atomov. Če se v tej vrsti polprevodnika ustvari električno polje, bodo pod vplivom sil tega polja zunanji elektroni nečistoč polprevodniških atomov zapustili meje svojih atomov in postali prosti elektroni.

Prosti elektroni bodo pod vplivom sil električnega polja ustvarili električni prevodni tok v polprevodniku. Zato je narava električnega toka v električno prevodnih polprevodnikih enaka kot v kovinskih prevodnikih. Ker pa je na prostorninsko enoto polprevodnika mnogokrat manj prostih elektronov kot na prostorninsko enoto kovinskega prevodnika, je naravno, da bo ob enakih drugih pogojih tok v polprevodniku mnogokrat manjši kot v kovinskem dirigent.

Polprevodnik ima "luknjo" prevodnost, če atomi njegove nečistoče ne samo, da ne oddajo svojih zunanjih elektronov, ampak, nasprotno, težijo k ujetju elektronov atomov glavne snovi polprevodnika. Če atom nečistoče odvzame elektron atomu glavne snovi, se v slednjem oblikuje nekakšen prosti prostor za elektron - "luknja".

Polprevodniški atom, ki je izgubil elektron, se imenuje "elektronska luknja" ali preprosto "luknja".Če je "luknja" napolnjena z elektronom, prenesenim iz sosednjega atoma, se ta izloči in atom postane električno nevtralen, "luknja" pa se premakne k sosednjemu atomu, ki je izgubil elektron. Če torej na polprevodnik z "luknjasto" prevodnostjo uporabimo električno polje, se bodo "elektronske luknje" premikale v smeri tega polja.

Pristranskost "elektronskih lukenj" v smeri delovanja električnega polja je podobna gibanju pozitivnih električnih nabojev v polju in je torej pojav električnega toka v polprevodniku.

Polprevodnikov ni mogoče strogo razlikovati glede na mehanizem njihove električne prevodnosti, saj ima ta polprevodnik poleg "luknjaste" prevodnosti lahko v eni ali drugi meri elektronsko prevodnost.

Za polprevodnike je značilno:

• vrsta prevodnosti (elektronska - n-tipa, luknja -p -tipa);

• odpornost;

• življenjska doba nosilca naboja (manjšina) ali difuzijska dolžina, hitrost površinske rekombinacije;

• gostota dislokacije.

Poglej tudi: Tokovno-napetostne karakteristike polprevodnikov Silicij je najpogostejši polprevodniški material

Temperatura ima bitja, ki vplivajo na lastnosti polprevodnikov. Njegovo povečanje vodi predvsem do zmanjšanja odpornosti in obratno, tj. za polprevodnike je značilna prisotnost negativnega temperaturni koeficient upora… Blizu absolutne ničle postane polprevodnik izolator.

Številne naprave temeljijo na polprevodnikih. V večini primerov jih je treba pridobiti v obliki monokristalov.Da bi dobili želene lastnosti, so polprevodniki dopirani z različnimi nečistočami. Povečane so zahteve glede čistosti izhodnih polprevodniških materialov.

Polprevodniške naprave

Toplotna obdelava polprevodnikov

Toplotna obdelava polprevodnika — segrevanje in ohlajanje polprevodnika po danem programu, da se spremenijo njegove elektrofizikalne lastnosti.

Spremembe: kristalna modifikacija, gostota dislokacij, koncentracija prostih mest ali strukturnih napak, vrsta prevodnosti, koncentracija, mobilnost in življenjska doba nosilcev naboja. Zadnji štirje so poleg tega lahko povezani z medsebojnim delovanjem nečistoč in strukturnih napak ali z difuzijo nečistoč v masi kristalov.

Segrevanje vzorcev germanija na temperaturo >550 °C, ki mu sledi hitro ohlajanje, povzroči pojav toplotnih akceptorjev v koncentracijah, kolikor višja je temperatura. Naknadno žarjenje pri isti temperaturi obnovi prvotno odpornost.

Verjeten mehanizem tega pojava je raztapljanje bakra v mreži germanija, ki difundira s površine ali je bil predhodno naložen na dislokacijah. Počasno žarjenje povzroči, da se baker nanese na strukturne napake in izstopi iz mreže. Možen je tudi pojav novih strukturnih napak med hitrim ohlajanjem. Oba mehanizma lahko zmanjšata življenjsko dobo, kar je bilo eksperimentalno ugotovljeno.

V siliciju pri temperaturah 350-500 ° se tvorba toplotnih donorjev pojavi v koncentracijah, ki so višje, več kisika se raztopi v siliciju med rastjo kristalov. Pri višjih temperaturah se donorji toplote uničijo.

Ogrevanje do temperatur v območju 700-1300 ° močno skrajša življenjsko dobo manjšinskih nosilcev naboja (pri > 1000 ° ima odločilno vlogo difuzija nečistoč s površine). Ogrevanje silicija pri 1000-1300 ° vpliva na optično absorpcijo in sipanje svetlobe.

Uporaba polprevodnikov

V sodobnih tehnologijah so polprevodniki našli najširšo uporabo; zelo močno so vplivale na tehnološki napredek. Zahvaljujoč njim je mogoče bistveno zmanjšati težo in dimenzije elektronskih naprav. Razvoj vseh področij elektronike vodi v ustvarjanje in izboljšanje velikega števila raznolike opreme, ki temelji na polprevodniških napravah. Polprevodniške naprave služijo kot osnova za mikrocelice, mikromodule, trda vezja itd.

Elektronske naprave, ki temeljijo na polprevodniških napravah, so praktično brez vztrajnosti. Skrbno izdelana in dobro zaprta polprevodniška naprava lahko zdrži več deset tisoč ur. Vendar imajo nekateri polprevodniški materiali majhno temperaturno mejo (na primer germanij), vendar ne zelo težka temperaturna kompenzacija ali zamenjava osnovnega materiala naprave z drugim (na primer silicij, silicijev karbid) v veliki meri odpravi to pomanjkljivost. tehnologije izdelave polprevodniških naprav ima za posledico zmanjšanje še obstoječe disperzije parametrov in nestabilnosti.

Polprevodniki v elektroniki

Stik polprevodnik-kovina in spoj elektron-luknja (n-p spoj), ustvarjen v polprevodnikih, se uporabljata pri izdelavi polprevodniških diod.Dvojni spoji (p-n-p ali n-R-n) — tranzistorji in tiristorji. Te naprave se uporabljajo predvsem za popravljanje, ustvarjanje in ojačanje električnih signalov.

Fotoelektrične lastnosti polprevodnikov se uporabljajo za izdelavo fotouporov, fotodiod in fototranzistorjev. Polprevodnik služi kot aktivni del oscilatorjev (ojačevalcev) nihanj. polprevodniški laserji… Ko gre električni tok skozi pn-spoj v smeri naprej, se nosilci naboja – elektroni in luknje – rekombinirajo z emisijo fotonov, ki se uporabljajo za ustvarjanje LED.

LED diode

Termoelektrične lastnosti polprevodnikov so omogočile ustvarjanje polprevodniških termoelektričnih uporov, polprevodniških termočlenov, termočlenov in termoelektričnih generatorjev ter termoelektrično hlajenje polprevodnikov na podlagi Peltierjevega učinka, — termoelektrične hladilnike in termostabilizatorje.

Polprevodniki se uporabljajo v mehanskih pretvornikih toplote in sončne energije v električnih — termoelektričnih generatorjih in fotoelektričnih pretvornikih (sončne celice).

Mehanska obremenitev polprevodnika spremeni njegov električni upor (učinek je močnejši kot pri kovinah), kar je osnova polprevodniškega merilnika napetosti.

Polprevodniške naprave so postale razširjene v svetovni praksi in revolucionirale elektroniko, služijo kot osnova za razvoj in proizvodnjo:

• merilna oprema, računalniki,

• oprema za vse vrste komunikacij in transporta,

• za avtomatizacijo industrijskih procesov,

• raziskovalne naprave,

• raketa,

• medicinska oprema

• druge elektronske naprave in naprave.

Uporaba polprevodniških naprav vam omogoča, da ustvarite novo opremo in izboljšate staro, kar pomeni, da zmanjša njeno velikost, težo, porabo energije in s tem zmanjša nastajanje toplote v vezju, poveča moč, takojšnjo pripravljenost za delovanje, daje omogoča podaljšanje življenjske dobe in zanesljivosti elektronskih naprav.