Hvad er en halvleder

Sammen med elektricitetens ledere er der mange stoffer i naturen, som har væsentlig lavere elektrisk ledningsevne end metalledere. Stoffer af denne type kaldes halvledere.

Halvledere omfatter: visse kemiske grundstoffer såsom selen, silicium og germanium, svovlforbindelser såsom thalliumsulfid, cadmiumsulfid, sølvsulfid, carbider såsom carborundum, kulstof (diamant), bor, tin, fosfor, antimon, arsen, tellur, jod , og et antal forbindelser, der omfatter mindst et af grundstofferne i 4-7-gruppen i Mendeleev-systemet. Der er også organiske halvledere.

Arten af ​​den elektriske ledningsevne af halvlederen afhænger af typen af ​​urenheder, der er til stede i halvlederens basismateriale, og af fremstillingsteknologien af ​​dens bestanddele.

Halvleder — stof med elektrisk ledningsevne 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 placeret ved disse egenskaber mellem lederen og isolatoren.Forskellen mellem ledere, halvledere og isolatorer ifølge båndteori er som følger: I rene halvledere og elektroniske isolatorer er der et forbudt energibånd mellem det fyldte (valens) bånd og ledningsbåndet.

Hvorfor halvledere leder strøm

En halvleder har elektronisk ledningsevne, hvis de ydre elektroner i dens urenhedsatomer er relativt svagt bundet til kernerne i disse atomer. Hvis der skabes et elektrisk felt i denne type halvleder, vil de ydre elektroner af halvlederens urenhedsatomer under påvirkning af dette felts kræfter forlade grænserne for deres atomer og blive frie elektroner.

De frie elektroner vil skabe en elektrisk ledningsstrøm i halvlederen under påvirkning af de elektriske feltkræfter. Derfor er karakteren af ​​elektrisk strøm i elektrisk ledende halvledere den samme som i metalliske ledere. Men da der er mange gange færre frie elektroner pr. volumenenhed af en halvleder end pr. volumenhed af en metallisk leder, er det naturligt, at alle andre forhold er ens, vil strømmen i en halvleder være mange gange mindre end i en metallisk leder. leder.

En halvleder har "hul" ledningsevne, hvis atomerne af dens urenhed ikke blot ikke giver afkald på deres ydre elektroner, men tværtimod har en tendens til at fange elektronerne i atomerne i halvlederens hovedstof. Hvis et urenhedsatom fjerner en elektron fra et atom af hovedstoffet, dannes der i sidstnævnte en slags fri plads til en elektron - et "hul".

Et halvlederatom, der har mistet en elektron, kaldes et "elektronhul" eller blot et "hul".Hvis "hullet" er fyldt med en elektron overført fra et naboatom, så elimineres det, og atomet bliver elektrisk neutralt, og "hullet" flytter til naboatomet, der har mistet en elektron. Derfor, hvis et elektrisk felt påføres en halvleder med «hul»-ledning, vil «elektronhullerne» bevæge sig i retning af dette felt.

Forspændingen af ​​«Elektronhuller» i et elektrisk felts virkningsretning svarer til bevægelsen af ​​positive elektriske ladninger i et felt og er derfor et fænomen af ​​elektrisk strøm i en halvleder.

Halvledere kan ikke strengt differentieres i henhold til mekanismen for deres elektriske ledningsevne, fordi sammen med "Hole" ledningsevne kan denne halvleder have elektronisk ledningsevne i en eller anden grad.

Halvledere er kendetegnet ved:

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

• modstand;

• ladningsbærerens levetid (minoritet) eller diffusionslængde, overfladerekombinationshastighed;

• dislokationstæthed.

Se også: Strømspændingskarakteristika for halvledere Silicium er det mest almindelige halvledermateriale

Temperaturen har væsener, der påvirker egenskaberne af halvledere. Dens stigning fører hovedsageligt til et fald i modstand og omvendt, dvs. halvledere er karakteriseret ved tilstedeværelsen af ​​negative temperaturkoefficient for modstand… Nær det absolutte nul bliver halvlederen til en isolator.

Mange enheder er baseret på halvledere. I de fleste tilfælde skal de opnås i form af enkeltkrystaller.For at give de ønskede egenskaber er halvledere doteret med forskellige urenheder. Der stilles øgede krav til renheden af ​​udgangshalvledermaterialerne.

Halvlederenheder

Halvleder varmebehandling

Varmebehandling af en halvleder — opvarmning og afkøling af en halvleder i henhold til et givet program for at ændre dens elektrofysiske egenskaber.

Ændringer: krystalmodifikation, dislokationstæthed, koncentration af ledige pladser eller strukturelle defekter, type ledningsevne, koncentration, mobilitet og levetid for ladningsbærere. De sidste fire kan desuden relateres til interaktionen mellem urenheder og strukturelle defekter eller til diffusionen af ​​urenheder i hovedparten af ​​krystallerne.

Opvarmning af germaniumprøverne til en temperatur >550 °C efterfulgt af hurtig afkøling resulterer i fremkomsten af ​​termiske acceptorer i koncentrationer, jo højere temperaturen er. Efterfølgende udglødning ved samme temperatur genopretter den oprindelige modstand.

Den sandsynlige mekanisme for dette fænomen er opløsningen af ​​kobber i germaniumgitteret, der diffunderer fra overfladen eller tidligere blev aflejret på dislokationer. Langsom udglødning får kobber til at aflejre sig på strukturelle defekter og forlade gitteret. Forekomsten af ​​nye strukturelle defekter under hurtig afkøling er også mulig. Begge mekanismer kan reducere levetiden, hvilket er blevet etableret eksperimentelt.

I silicium ved temperaturer på 350 - 500 ° sker dannelsen af ​​termiske donorer i koncentrationer, jo højere, jo mere ilt er opløst i silicium under krystalvækst. Ved højere temperaturer ødelægges varmedonorerne.

Opvarmning til temperaturer i intervallet 700 — 1300 ° reducerer markant levetiden for minoritetsladningsbærere (ved > 1000 ° spilles den afgørende rolle af diffusionen af ​​urenheder fra overfladen). Opvarmning af silicium ved 1000-1300 ° påvirker den optiske absorption og spredning af lys.

Anvendelse af halvledere

I moderne teknologier har halvledere fundet den bredeste anvendelse; de har haft en meget stærk indflydelse på den teknologiske udvikling. Takket være dem er det muligt at reducere vægten og dimensionerne af elektroniske enheder betydeligt. Udviklingen af ​​alle områder inden for elektronik fører til skabelse og forbedring af et stort antal forskelligartet udstyr baseret på halvlederenheder. Halvlederenheder tjener som grundlag for mikroceller, mikromoduler, hårde kredsløb osv.

Elektroniske enheder baseret på halvlederenheder er praktisk talt uden inerti. En omhyggeligt konstrueret og godt forseglet halvlederenhed kan holde i titusindvis af timer. Nogle halvledermaterialer har dog en lille temperaturgrænse (f.eks. germanium), men ikke særlig vanskelig temperaturkompensation eller udskiftning af enhedens basismateriale med et andet (f.eks. silicium, siliciumcarbid) eliminerer stort set denne ulempe. af halvlederenhedsfremstillingsteknologi resulterer i en reduktion af den stadig eksisterende parameterspredning og ustabilitet.

Halvledere i elektronik

Halvleder-metal-kontakten og elektron-hul-forbindelsen (n-p-forbindelsen) skabt i halvledere bruges til fremstilling af halvlederdioder.Dobbeltforbindelser (p-n-p eller n-R-n) - transistorer og tyristorer. Disse enheder bruges hovedsageligt til at rette op, generere og forstærke elektriske signaler.

De fotoelektriske egenskaber af halvledere bruges til at skabe fotomodstande, fotodioder og fototransistorer. Halvlederen fungerer som den aktive del af oscillatorerne (forstærkerne) af svingninger halvlederlasere… Når en elektrisk strøm passerer gennem pn-krydset i fremadgående retning, rekombinerer ladningsbærerne – elektroner og huller – med emissionen af ​​fotoner, som bruges til at skabe LED'er.

LED'er

De termoelektriske egenskaber af halvledere gjorde det muligt at skabe termoelektriske halvledermodstande, halvledertermoelementer, termoelementer og termoelektriske generatorer og termoelektrisk køling af halvledere baseret på Peltier-effekten — termoelektriske køleskabe og termostabilisatorer.

Halvledere bruges i mekaniske varme- og solenergikonvertere i elektriske - termoelektriske generatorer og fotoelektriske omformere (solceller).

Mekanisk stress påført en halvleder ændrer dens elektriske modstand (effekten er stærkere end for metaller), som er grundlaget for halvleders strain gauge.

Halvlederenheder er blevet udbredt i verdenspraksis, revolutionerer elektronik, de tjener som grundlag for udvikling og produktion af:

• måleudstyr, computere,

• udstyr til alle former for kommunikation og transport,

• til industriel procesautomatisering,

• forskningsudstyr,

• raket,

• medicinsk udstyr

• andre elektroniske enheder og enheder.

Brugen af ​​halvlederenheder giver dig mulighed for at skabe nyt udstyr og forbedre gammelt, hvilket betyder, at det reducerer dets størrelse, vægt, strømforbrug og derfor reducerer varmeudviklingen i kredsløbet, øger styrke, øjeblikkelig parathed til handling, det giver du giver dig mulighed for at øge levetiden og pålideligheden af ​​elektroniske enheder.