Полупроводниковые приборы

Действие полупроводниковых приборов основано на электронных процессах, протекающих в кристаллах полупроводников. Основным полупроводниковым материалом в настоящее время является кристаллический кремний.

Кристаллы кремния в обычных условиях являются диэлектриками. Однако, если в них ввести небольшое количество пятивалентных элементов (сурьма, мышьяк), в их кристаллической решетке образуются свободные электроны и кристаллы становятся проводниками. Такая проводимость кристаллов называется электронной, или отрицательной, или негативной (negative), или проводимостью n-типа.

Введение в кристалл кремния трехвалентных примесей (индий, бор) приводит к тому, что в кристалле возникает дефицит электронов — так называемые дырки, которые также могут переносить электрические заряды. Такая проводимость называется дырочной, или положительной (positive), или проводимостью р-типа.

Полупроводниковые приборы подразделяются по своей структуре на дискретные и интегральные. К дискретным полупроводниковым приборам относятся диоды, транзисторы, фотоэлементы, а также полупроводниковые приборы, управляемые внешними факторами, — фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, терморезисторы, варисторы, варикапы, которые используются в качестве датчиков физических параметров. К интегральным приборам относятся интегральные микросхемы и микропроцессоры.

Диоды. Различают выпрямительные и излучающие диоды, фотодиоды.

Выпрямительные диоды представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие из двух слоев полупроводникового материала с электропроводностью типа n и p. Граница между этими слоями обладает способностью пропускать электрический ток только в одном направлении. Такие диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Излучающие диоды представляют собой диоды, способные излучать свет определенного спектрального состава при прохождении через них тока. Излучающие диоды применяют в качестве индикаторов режимов работы аппаратуры, часов, микрокалькуляторов.

Фотодиоды обладают свойством пропускать или не пропускать электрический ток в зависимости от уровня освещения. Используются для автоматического отключения уличного освещения, для подсчета деталей на конвейере, а также в турникетах.

Транзисторы — это полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Транзисторы в отличие от диодов состоят из трех кристаллов типа р-n-р или n-р-n и имеют три вывода.

Интегральные микросхемы представляют собой изделия электронной техники, содержащие совокупность резисторов, конденсаторов, диодов и транзисторов, электрически связанных по определенной схеме. Интегральные микросхемы являются элементной базой современной электронной аппаратуры третьего поколения и предназначены для преобразования, обработки и хранения информации.

В зависимости от количества входящих в их состав элементов, интегральные микросхемы условно подразделяются на малые интегральные схемы (МИС — до 10² элементов на полупроводниковый кристалл), средние (СИС — до 10

3), большие (БИС — до 10⁴), сверхбольшие (СБИС — до 10⁶), гига-большие (ГБИС — более 10⁹ элементов на кристалл).

По функциональному назначению выделяют аналоговые, цифровые и преобразовательные интегральные микросхемы.

Аналоговая интегральная схема — это микросхема, в которой прием, преобразование и выдача сигналов осуществляется посредством плавного (непрерывного) изменения напряжения. Эти микросхемы широко применяются в аудиоаппаратуре.

Цифровая интегральная схема — это микросхема, в которой происходит преобразование дискретных сигналов («О», «1»). Цифровые интегральные схемы применяются в микропроцессорах, в ЭВМ, аппаратуре с цифровым программным управлением (пульты дистанционного управления).

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) представляют собой устройства, осуществляющие автоматическое преобразование непрерывно изменяющейся аналоговой величины в цифровой код и наоборот. АЦП и ЦАП широко применяются в аппаратуре цифровой записи и воспроизведения информации (CD-плееры, компьютеры).

Микропроцессоры представляют собой самостоятельные устройства, выполненные, как правило, в виде одной интегральной микросхемы, осуществляющие обработку информации по хранимой в их памяти программе. Микропроцессор может осуществлять включение и выключение аппаратуры в определенное время, автоматический поиск радиостанций, запоминать значения выбранных параметров и выводить их на экран.

Микропроцессор в компьютере предназначен для управления работой всех устройств ЭВМ и для выполнения всех арифметических и логических операций над информацией, т. е. — это мозг компьютера.

Полупроводниковые приборы

К простейшим полупроводниковым приборам относятся те, которые состоят из одного полупроводника с собственной проводимостью (см. § 8-к). Это терморезисторы и фоторезисторы – устройства, изменяющие своё сопротивление в зависимости от температуры и/или освещённости. Чуть более сложно устроены термоэлементы и фотоэлементы, а также диоды, так как состоят из нескольких полупроводников и уже не с собственной, а с примесной проводимостью. Рассмотрим их подробнее.

Термо- и фоторезисторы не создают электрический ток, а лишь меняют своё сопротивление току, идущему через них. Под влиянием тепла или света увеличивается число свободных электронов и дырок, в результате чего возрастает электропроводность (или, что то же самое, уменьшается сопротивление). Напротив, термо- и фотоэлементы способны создавать электрический ток, то есть быть источниками электроэнергии.

Полупроводниковый фотоэлемент состоит из кремниевого кристалла n-типа, в котором путём добавления примесей создана p-область (см. рисунок). В § 8-к мы отметили, что на концах p-n–перехода самостоятельно возникают разноимённые заряды. То есть его можно рассматривать как источник кратковременного тока. Если же к p-n–переходу постоянно подводить световую энергию (то есть вызывать образование всё новых и новых пар электрон–дырка), получится постоянно действующий источник с напряжением около 1 В.

Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводников p-типа и n-типа, не образующих p-n–переход (см. рисунок). Они соединены металлической пластиной, к которой подводится тепло от нагревателя (показана жёлтым цветом). Другие концы полупроводников касаются отдельных металлических контактов, которые охлаждают воздухом или другим способом (показаны зелёным цветом). В более холодных частях полупроводников уменьшается количество свободных электронов и дырок, так как при более низкой температуре «примесные» электроны реже покидают атомы, значит, и реже образуются дырки.

Под действием теплоты в верхних концах полупроводников, наоборот, увеличивается количество свободных электронов и дырок. Они, отталкиваясь от своих «братьев» или «сестёр», перемещаются в нижние части своих кристаллов, заряжая их разноимённо. Строго говоря, наличие двух полупроводников не обязательно, так как они не касаются друг друга. Полупроводниковую пару используют, чтобы создать встречные потоки электронов и дырок, то есть более высокое напряжение. Наряду с этим, теплота, получаемая от источника энергии, используется полнее, что ведёт и к значительному росту КПД термоэлемента.

Термо- и фоторезисторы применяются в качестве датчиков температуры и освещённости, позволяя измерять эти характеристики электронными приборами. Это даёт возможность автоматизировать измерения и, как следствие, технологические процессы. Термо- и фотоэлементы применяются в качестве основных источников электрической энергии в труднодоступных местах земной поверхности и в космосе, а также в качестве альтернативных экологически чистых источников электроэнергии.

Полупроводниковый диод (см. рисунок) – прибор с одним p-n–переходом и двумя контактами для включения в цепь. Диоды применяют для пропускания тока только в одном направлении, что необходимо для преобразования переменного тока в постоянный (см. § 9-й), а также для детектирования радиосигналов (см. § 11-й).

Как правило, диоды изготавливают из кристалла германия или кремния, с проводимостью n-типа. В одну из поверхностей кристалла вплавляют каплю индия. Вследствие диффузии атомов индия в глубь основного кристалла, в нём образуется область p-типа. Остальная часть кристалла по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между ними и возникает p-n–переход, способный пропускать постоянный электрический ток только в одном направлении. О применении этого – в следующем параграфе.

Четырехслойный полупроводниковый прибор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Четырехслойный полупроводниковый прибор

Cтраница 1

Четырехслойные полупроводниковые приборы, так же как и газоразрядные приборы с холодным катодом, имеют два устойчивых состояния, что позволяет упростить и более экономично построить устройства управления. В многозвеньевых схемах при соединении входов и выходов коммутационных матриц трансформаторы не используются.  [2]

Тиристор представляет собой четырехслойный полупроводниковый прибор, в котором чередуются слои с электронной и дырочной проводимостью. Структура полупроводникового элемента показана на рис. 2 — 27, где также приведено обозначение прибора в схемах.  [3]

Тиристор является четырехслойным полупроводниковым прибором р-п-р-п — типа.  [4]

Тиристор — это четырехслойный полупроводниковый прибор, имеющий р-п-р-л — структуру с тремя р — — переходами, на вольт-амперной характеристике которого имеется участок с отрицательным сопротивлением. Тиристоры бывают неуправляемые и управляемые. Неуправляемые — это двухэлектродные тиристоры, называемые динисторами или диод-тиристорами. Управляемые — это трехэлектродные тиристоры, называемые три-нисторами или триод-тиристорами.  [5]

Тиристоры относятся к классу четырехслойных полупроводниковых приборов, состоящих из четырех последовательно чередующихся областей с проводимостью р — и п-типа.  [6]

Тиристоры относятся к классу четырехслойных полупроводниковых приборов.  [7]

Включает в себя фототиристор — четырехслойный полупроводниковый прибор с тремя p — n — переходами, работающий как ключ, управляемый светом. Принцип действия фототиристора и его вольт-амперные характеристики такие же, как у обычного тиристора, только роль управляющего тока играет световой поток. Быстродействие фототиристора определяется временем выключения, в течение которого прибор переходит из открытого состояния в закрытое, оно составляет десятки микросекунд.  [9]

В качестве Ж могут использоваться четырехслойные полупроводниковые приборы, а также трехслойные транзисторы 1C разными типами переходов р-п — р и п-р — п, которые по ювоим свойствам эквивалентны четырехслойным приборам.  [11]

В этой же главе будут рассмотрены четырехслойные полупроводниковые приборы ( с тремя р-п переходами), получившие название тиристоров. Различают двухвыводные ( диодные) и трехвывод-ные ( триодные) тиристоры. Строго говоря, диодные тиристоры, или, как их часто называют, динисторы, не могут быть отнесены к классу транзисторов. Однако по принципу действия такой прибор, как будет показано ниже, имеет много общего с транзисторами и поэтому можно в данном случае отступить от формального признака — числа выводов.  [12]

Такой вольт-амперной характеристикой с участком отрицательного сопротивления АВ обладают четырехслойные полупроводниковые приборы ( рис. 6.20, в), называемые тиристорами.  [14]

Страницы:      1    2

Полупроводниковые приборы и элементы | Учебные материалы

В электронике, к наиболее типичным полупроводниковым приборам и элементам относятся: полупроводниковый диод, транзистор и тиристор.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p-n- переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода. Он состоит из двух частей: полупроводника с дырочной проводимостью (р) и полупроводника с электронной проводимостью (n).

Полупроводниковый диод обладает свойством односторонней проводимости и служит для выпрямления переменного тока.

Различают прямую и обратную полярности включения диода. При прямой полярности включения диода (+) источника подключен к полупроводнику с дырочной проводимостью (р), а (-) источника – к полупроводнику с электронной проводимостью (n). При этом через диод протекает прямой ток (диод открыт). При подключении (-) источника к полупроводнику с (р) проводимостью, а (+) источника к полупроводнику с (n) проводимостью (обратная полярность включения), диод закрыт (прямой ток не течет).

Небольшой обратный ток, протекающий через диод, обусловлен движением неосновных носителей заряда. Для выпрямления переменного тока с помощью полупроводниковых диодов применяют однофазные и трехфазные выпрямители.

Рассмотрим простейшую схему однополупериодного выпрямления, в которой один диод включен последовательно с приемником постоянного тока в сеть переменного тока (рис.26).

В этой схеме диод (вентиль) пропускает ток только в одном направлении в положительные полупериоды входного напряжения (рис.27). Тогда соблюдаются условия прямой полярности включения, то есть (+) подключен к (р), а (-) к (n).

рис. 26

рис. 27

Выпрямленное данной схемой напряжение является пульсирующим с высоким коэффициентом пульсации (К_n=1,57).

Снижение коэффициента пульсации может быть получено за счет применения более совершенных схем выпрямления или сглаживающих фильтров (рис.28, а, б, в).

Рис. 28. Варианты схем сглаживающих фильтров.

В качестве сглаживающих фильтров используют конденсаторы, включаемые параллельно нагрузке, или индуктивные катушки, включаемые последовательно нагрузке. Более сложные фильтры представляют собой сочетания перечисленных схем.

При использовании в качестве фильтра конденсатора, он сначала накапливает электрическую энергию, заряжаясь до амплитудного значения напряжения сети, а при снижении напряжения отдает энергию в нагрузку, поддерживая величину выпрямленного напряжения.

Уменьшить коэффициент пульсации можно также с помощью однофазной мостовой схемы выпрямителя (рис.29).

Рис. 29

Данная схема позволяет выпрямить обе полуволны синусоиды, при этом в каждом полупериоде диоды, включенные в мост, работают попарно (В₁-В₂; В₃-В₄). На нагрузке образуются полуволны напряжения одного и того же знака.

Биполярный транзистор

Биполярным транзистором называют электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности.

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок. В соответствии с чередованием участков с различной электропроводностью биполярные транзисторы подразделяются на два типа: p-n-p и n-p-n (см. рис.30).

Рис. 30 Структура биполярных транзисторов типов p-n-p (а) и n-p-n (б)

Обозначение биполярного транзистора приведено в разделе 2. У транзисторов средний слой называют базой (Б), наружный слой, являющийся источником носителей заряда – эмиттером (Э).

Другой наружный слой называют коллектором (К). Он принимает носители заряда, поступающие от эмиттера.

На p-n переход эмиттер-база напряжение подается в прямом направлении (прямая полярность), на переход коллектор-база — в обратном направлении (обратная полярность).

Биполярные транзисторы широко применяются в различных типах усилителей, генераторов в логических и импульсных устройствах.

Полевой транзистор

Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком. Каналом называют центральную область транзистора.

Исток (И) это электрод, из которого в канал входят основные носители заряда. Сток (С) это электрод, через который основные носители уходят из канала. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором (З).

Условное обозначение полевого транзистора

Тиристор это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n переходами. Он подобен бесконтактному выключателю, включаемому с помощью небольшого управляющего тока. Условное обозначение тиристора в схемах

(УЭ – управляющий электрод).

Современная промышленность выпускает тиристоры на токи от нескольких ампер до нескольких сотен ампер. Их широко используют в управляемых выпрямителях, инверторах (преобразователях постоянного тока в переменный) преобразователях частоты, бесконтактных схемах управления электроприводами.

Усилителем называют устройство, которое позволяет увеличивать без искажения мощность слабого сигнала за счет дополнительного источника энергии, питающего усилитель.

Свойства усилителя характеризуются коэффициентами усиления по напряжению, току и мощности. Коэффициентом усиления по напряжению К_u называют отношение напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе:

Генератором называют автоколебательную систему, в которой энергия источника питания преобразуется в энергию колебаний. Форма колебаний определяется спектром генерируемых частот.

Генераторы синусоидальных колебаний выполняют двух типов:
LC – генератор или RC – генератор. В основе LC — генератора лежит колебательный контур, с его помощью получают синусоидальные колебания в диапазоне частот от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц.

Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации — вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие операции над цифровой информацией, а запоминающие элементы служат для ее хранения.

Логические элементы

Логические элементы обычно строят на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. Цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа.

В современной электронике процесс миниатюризации электронных устройств, повышение их сложности и надежности осуществляется посредством применения полупроводниковых интегральных микросхем.

В отличие от гибридных интегральных микросхем, которые состоят из различных элементов – тонкопленочных резисторов, конденсаторов, транзисторов – полупроводниковые интегральные микросхемы состоят обычно из отдельных областей кристалла, каждая из которых выполняет функцию транзистора, диода, резистора или конденсатора. Полупроводниковые интегральные микросхемы помещают в металлический или пластмассовый корпус.

Полупроводниковые приборы — Справочник химика 21

    Особо чистые вещества находят применение в производстве полупроводниковых приборов, в измерительной и вычислительной технике, атомно энергетике, волоконной оптике и других областях. [c.11]

    Германий обладает полупроводниковыми свойствами и с этим связано его основное применение. Германий, идущий для изготовления полупроводниковых приборов, подвергается очень тщательной очистке. Она осуществляется различными способами. Один из важнейших методов получения высокочистого германия — это зонная плавка (см. разд. 11.3.4). Для придания очищенному германию необходимых электрических свойств в него вводят очень небольшие количества определенных примесей. Такими примесями служат элементы пятой и третьей групп периодической системы, например, мышьяк, сурьма, алюминий, галлий. Полупроводниковые приборы из германия (выпрямители, усилители) широко применяются в радио- и телевизионной технике, в радиолокации, в счетно-решающих устройствах. Из германия изготовляют также термометры сопротивления. [c.421]

    Кремний применяется главным образом в металлургии и в полупроводниковой технике. В металлургии он используется для удаления кислорода из расплавленных металлов и служит составной частью многих сплавов. Важнейшие из них — это сплавы на основе железа, меди и алюминия. В полупроводниковой технике кремний используют для изготовления фотоэлементов, усилителей, выпрямителей. Полупроводниковые приборы на основе кремния выдерживают нагрев до 250 °С, что расширяет область их применения. [c.415]

    Выделение металлов и реакции восстановления растворенных веществ на катоде, которым является капающая ртуть, лежат в основе полярографии — широко применяемого метода химического анализа (предложен Я. Гейровским в Чехословакии в 1922 г.). Ионизированный пар ртути используют в различных ионных приборах — люминесцентных лампах дневного света, ртутных кварцевых лампах и др. Ряд соединений ртути применяют в полупроводниковых приборах. Широко используются ртутные термометры. [c.600]

    Германий особой чистоты, пригодный для использования в полупроводниковых приборах, получают специальными методами. Сначала его подвергают фракционной перекристаллизации, при которой используются различия в растворимости примесей в твердой и жидкой фазах и малая скорость диффузии в твердой фазе. Затем вытягиванием из расплава слитков чистейшего германия [c.365]

    Кремний как полупроводник применяется в многочисленных полупроводниковых приборах термосопротивлениях (термисторах), выпрямителях, транзисторах, детекторах, термометрах сопротивления для самых низких температур, модуляторах света и т. д. в таких областях, как радиоэлектроника, телемеханика, фотоэлементы, счетно-решающие и управляющие устройства. [c.9]

    Исследование полупроводниковых приборов. [c.256]

    Германий Ое принадлежит к рассеянным элементам. Для него не характерно образование рудных скоплений. Между тем свободный германий — основа целого класса современных полупроводниковых приборов и потребности в нем постоянно возрастают. Главнейший источник германия — некоторые цинковые руды, при переработке которых его получают в качестве побочного продукта. [c.140]

    Надежно работающие полупроводниковые приборы возможно создать, если присутствие примесей не превышает 10″ —10″ %, а в отдельных случаях — 10 —10 %. [c.102]

    Широкое применение получил кремний высокой чистоты в производстве полупроводниковых приборов. [c.8]

    Трудно перечислить применение и переоценить значение полупроводниковых материалов в науке и новейшей технике. Благодари созданию новых полупроводниковых приборов в последние десятилетия получила бурное развитие радиотехника. Полупроводниковые фотосопротивления и фотоэлементы используются в различных автоматических устройствах, а ферритовые полупроводники и сегнетоэлектрики — в электронно-счетных машинах, радиолокации, многоканальной телефонии, электроакустике. Развивающиеся атомная энергетика и космическая техника также используют полупроводниковые материалы. Многие полупроводниковые приборы поступают на вооружение сельского хозяйства. Многочисленны и другие области применения полупроводников. [c.141]

    Германий особой чистоты, используемый в полупроводниковых приборах, получают специальными методами, при этом широко применяется зонная плавка. [c.286]

    Применение. Применяют кремний главным образом для получения сплавов, восстановления металлов из оксидов, в радиотехнической и электротехнической промышленности для изготовления полупроводниковых приборов. [c.250]

    Анодное травление кристаллов электронных полупроводников происходит чрезвычайно медленно и поэтому редко применяется на практике. Возможно, однако, электролитическое травление п области полупроводникового прибора. Последнее связано с выделением атомарного кислорода на подведенном к п области металлическом выводе. Выделяющийся атомарный кислород окисляет близлежащие участки поверхности прибора, которые затем растворяются в электролите. [c.203]

    Германий особой чистоты, пригодный для использования в полупроводниковых приборах, получают специальными методами. Сначала германий подвергают фракционной перекристаллизации, при которой используются различия в растворимости примесей в твердой и жидкой фазах и малая скорость диффузии в твердой фазе. Затем вытягиванием из расплава полученных слитков чистейшего германия изготовляют монокристаллы. В процессе образования монокристаллов в германий вводят строго определенные дозы примесей для придания ему нужного вида проводимости (электронной или дырочной) и определенного значения удельной электропроводности. [c.206]

    Такое расположение материала будет способствовать лучшей его систематизации и позволит излагать различные разделы физики и химии полупроводников с единой точки зрения. Это существенно поможет учащимся при изучении не только данного курса, но и специальных дисциплин, относящихся к технологии изготовления и принципам работы полупроводниковых приборов. [c.5]

    Кристаллы окружают нас повсюду. Камни, металлы, сахар, соль, лекарства, снег и т. д. — все это кристаллы. Всякое кристаллическое вещество состоит из зерен, которые имеют различную форму и размеры от долей миллиметра до одного метра. Большинство окружающих нас тел имеет поликристаллическое строение и состоит из многих мелких кристалликов. Однако для изготовления полупроводниковых приборов обычно используют только монокристаллы, т. е. материапы, весь объем которых состоит из одного кристалла. [c.83]

    При создании полупроводниковых приборов обычно используются грани (П1) или (100), показанные на рис. 23. Грань (111) отсекает по осям X, V, X одинаковые отрезки О А, ОВ, ОС, а грань (100) отсекает по оси X отрезок ОА и не пересекается с осями У и 2. [c.89]

    Р—п переход является эффективным выпрямляющим и инжектирующим контактом и используется при создании многих современных полупроводниковых приборов. [c.178]

    С точки зрения параметров полупроводниковых приборов весьма существенно отношение кремния и германия к воде и кислороду. Это обстоятельство вызвано тем, что в воздухе и в водных средах проводятся обычно последние стадии обработки полупроводниковых приборов, а также тем, что из всех соединений германия и кремния при комнатной температуре наиболее устойчивы гидратированные окислы этих элементов. [c.92]

    Для технологии полупроводников и в первую очередь для решения задач, связанных со стабилизацией параметров полупроводниковых приборов, чрезвычайно важным является вопрос об устойчивости различных соединений германия и кремния. [c.101]

    ПОЛУПРОВОДНИКИ — вещества с электронной проводимостью, величина электропроводности которых лежит между электропроводностью металлов и изоляторов. Характерной особенностью П. является положительный температурный коэффициент электропроводности (в отличие от металлов). Электропроводность П. зависит от температуры, количества и природы примесей, влияния электрического поля, света и других внешних факторов. К П. относятся простые вещества — бор, углерод (алмаз), кремний, германий, олово (серое), селен, теллур, а также соединения — карбид кремния, соединения типа filmen (инднй — сурьма, индий — мышьяк, галлий — сурьма, алюминий — сурьма), соединения двух или трех элементов, в состав которых входит хотя бы один элемент IV—VII групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева, некоторые органические вещества — полицены, азоаромати-ческие соединения, фталоцианин, некоторые свободные радикалы и др. К чистоте полупроводниковых материалов предъявляют повышенные требования, например, в германии контролируют примеси 40 элементов, в кремнии — 27 элементов и т. д. Тем не менее некоторые примеси придают П. определенные свойства и тип проводимости, а потому и являются необходимыми. Содержание примесей не должно превышать 10 —Ш %. П. применяются в приборах в виде монокристаллов с точно определенным содержанием примесей. Применение П. в различных отраслях техники, в радиотехнике, автоматике необычайно возросло в связи с большими преимуществами полупроводниковых приборов — они экономичны, надежны, имеют высокий КПД, малые размеры и др. [c.200]

    При создании полупроводниковых приборов многие технологические операции производятся в печах с восстановительной средой. Температура в таких печах 600—900° К, а в качестве восстановительной среды обычно используется водород. Приведенный выше расчет определяет максимальный допустимый процент находящейся в водороде воды. При температуре 600—700° К эта величина составляет 0,01% (что соответствует точке росы —40° С). [c.103]

    Операции химического травления широко применяются при изготовлении любых полупроводниковых приборов. Возможность употребления того или иного травителя связана со скоростью его взаимодействия с кристаллом. Травление, протекающее с чрезвычайно малой, или очень большой скоростью крайне неудобно и практически в производстве не применимо. [c.106]

    В технологии полупроводниковых приборов весьма широкое применение получил травитель, состоящий из смеси азотной и [c.112]

    При изготовлении полупроводниковых приборов химическое травление применяется для  [c.114]

    Предположим далее, что степень отклонения от термодинамического равновесия невелика, и величины Сд и Сд в формуле (117) близки к своим равновесным значениям. Заметим, что этот случай также является весьма распространенным и соответствует обычным режимам работы многих полупроводниковых приборов. [c.142]

    Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является контакт двух полупроводников с различной работой выхода электронов. При этом возможно использование одинаковых или различных по своей химической природе полупроводниковых материалов. Ниже мы рассматриваем только первый из указанных случаев. [c.171]

    С другой стороны, уровень обратных токов, вплоть до пробивных напряжений, определяется формулой (146) и тем меньше, чем больше концентрация основных носителей. Таким образом, условия, способствующие уменьшению обратных токов р—п перехода, уменьшают также значения пробивных напряжений и наоборот. Учитывая этот факт и вспоминая о влиянии скорости рекомбинации на свойства выпрямляющих контактов, можно сказать, что выбор материала для данного полупроводникового прибора зависит от предъявляемых к этому прибору требований. Так, например, для создания выпрямителей, работающих при высоких напряжениях, необходимо использовать высокоомный (т. е. с малой концентрацией основных носителей) материал. Наоборот, для обеспечения низких значений обратных токов выпрямителя следует использовать низкоомный материал с малой концентрацией неосновных носителей. [c.177]

    Поверхностный потенциал. Параметры большинства полупроводниковых приборов весьма существенно зависят от концентрации носителей заряда вблизи поверхности кристалла. Из сказанного ранее следует, что эта величина однозначно определяется величиной контактной разности потенциалов в слое пространственного заряда полупроводника и концентрацией носителей в объеме кристалла [см. формулу (149)]. Заметим теперь, что поверхностная концентрация носителей заряда может быть выражена только через один параметр [c.207]

    Быстрые состояния и скорость поверхностной рекомбинации. Принцип работы большинства полупроводниковых приборов основан на нарушении равновесия между концентрациями свободных электронов и дырок в объеме кристалла. Многие параметры этих приборов зависят от скорости восстановления равновесия, т. е. от скорости процессов генерации — рекомбинации или обратной [c.209]

    МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ [c.212]

    Полученный по этому способу кремний содержит 2—5% примесей. Необходимый для изготовления полупроводниковых приборов кремний высокой чистоты получают более сложным путем. Природный кремнезем переводят в такое соединение кремния, которое поддается глубокой очистке. Затем кремний выделяют из полученного чистого вещества термическим разложением илн действием восстановителя. Один из таких методов состоит в превращении кремнезема в хлорид кремния Si I4, очистке этого продукта и носстаповлении нз него кремния высокочистым цинком. Весьма чистый кремний можно получить также термическим разложением иодида кремния SII4 или силана SiH . Получающийся кремний содержит весьма мало примесей и пригоден для изготовления некоторых полупроводниковых приборов. Для получения еще более чистого продукта его подвергают дополнительной очистке, например, зонной плавке (см. 193). [c.508]

    Кадмий входит в состав некоторых сплавов, в частности подшипниковых. Небольшая добавка С(5 к меди сильно увеличивает ее прочность, а электропроводность при этом изменяется мало. Кадмиевые покрытия металлов применяют для защиты от коррозии. Сульфид Сё5 и селенид Сс15е (ярко-красный) — пигменты в лаках и красках. Кроме того, эти соединения и теллурид кадмия используют в полупроводниковых приборах. [c.599]

    Широко используют кадмий-никелевые аккумуляторы. Кадмий входит в состав некоторых сплавов, в частности полшмпниковьи. Небольшая добавка d к меди увеличивает ее прочность, а электропроводность при этом изменяется мало. Кадмиевые покрытия металлов обеспечивают защиту от коррозии. Сульфид dS и селенид dSe (ярко-красный) — пигментны в лаках и красках. Краме того, эти соединенна и теллурнд кадмия используют в полупроводниковых приборах. [c.566]

    С помощью метода МНПВО стало возможным изучение свойств тонких и сверхтонких диэлектрических слоев, выполняющих различные функции в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем (маска при диффуз ии, пассивация пове зхности, прослойка в МДП-структурах и т. д.). [c.147]

    Тенденция замены металла керамикой становилась все более ощутимой. Появились указания на возмг)Жность ее использования в качестве основного материала штамповочного и режущего инструмента, деталей газовых турбин, нагревателей электропечей и даже полупроводниковых приборов. В этой связи произошло естественное отграничение классической керамики (кирпич, черепица, фарфор, фаянс) от той керамики, которую назвали технической и которая становилась экономически выгодной альтернативой металлу в машино- и приборостроении. [c.242]

    В годы второй мировой войны в связи с потребностями радиолокационной техники были разработаны детекторы из германия и кремния. Исследование этих полупроводниковых материалов привело американских ученых Бардина и Браттейна в 1948 г. к созданию транзистора, теория которого была разработана В. Шокли. С этого времени начинается промышленный выпуск многих типов полупроводниковых приборов и, в первую очередь, диодов,, усилительных триодов, мощных выпрямителей, индикаторов излучения, а также преобразователей световой и тепловой энергии в электрическую. За последние годы на основе полупроводников созданы магниточувствительные приборы, измерители механических деформаций, излучатели света и в том числе квантовые генераторы — лазеры, позволяющие получать направленный луч света высокой интенсивности. Одним из весьма перспективных направлений является использование полупроводников в качестве управляемых катализаторов химических реакций. [c.10]

    Если под полупроводниками подразумевать вещества, электропроводность которых существенно зависит от воздействия внешних факторов (температура, свет и т. д.), то можно считать, что большинство твердых тел, жидкостей и даже газов обладает свойствами полупроводников. Однако в производстве полупроводниковых приборов используется пока что ограниченное число материалов. Все они являются твердыми телами с электронной электропроводностью и имеют, как правило, кристаллическое строение. Поэтому в дальнейшем под понятием полупроводник будут подразумеваться только твердые тела, обладающие электронной электропроводностью, величина удельной проводимости ко-торых находится в пределах 10 —10  [c.11]

    Электролитическое травление кристаллов полупроводников. В технологии изготовления полупроводниковых приборов часто применяется электролитическое анодное травление. Смысл этого процесса заключается в электрохимическом окислении поверхности полупроводника, которое протекает по следующей реакции 40Н- — 4э = 40Н = 2Н2О + 20  [c.202]

---

полупроводниковые приборы

главная основы элементы примеры расчетов любительская технология общая схемотехника радиоприем конструкции для дома и быта связная аппаратура телевидение справочные данные измерения обзор радиолюбительских схем в журналах обратная связь          реклама

резисторы и конденсаторы     полупроводниковые приборы    акустические приборы     микросхемы     солнечные фотоэлементы    SMD компоненты   реле электромагнитные  полупроводниковые оптоприборы             ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ Их составляет целая группа деталей: диоды, стабилитроны, транзисторы. В каждой детали использован полупроводниковый материал, или проще полупроводник. Что это такое? Все существующие вещества можно условно разделить на три большие группы. Одни из них — медь, железо, алюминий и другие металлы - хорошо проводят электрический ток — это проводники. Древесина, фарфор, пластмасса совсем не проводят ток. Они непроводники, изоляторы (диэлектрики). Полупроводники же занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Такие материалы проводят ток только при определенных условиях.   Диоды. У диода два вывода: анод и катод. Если подключить к ним батарею полюсами: плюс — к аноду, минус — к катоду, в направлении от анода к катоду потечет ток. Сопротивление диода в этом направлении небольшое. Если же попытаться переменить полюсы батарей, то есть включить диод «наоборот», то ток через диод не пойдет. В этом направлении диод обладает большим сопротивлением.   Стабилитроны. Эти полупроводниковые приборы также имеют два вывода: анод и катод. В прямом направлении (от анода к катоду) стабилитрон работает как диод, беспрепятственно пропуская ток. А вот в обратном направлении он вначале не пропускает ток (как и диод), а при увеличении подаваемого на него напряжения вдруг «пробивается» и начинает пропускать ток. Напряжение «пробоя» называют напряжением стабилизации. Оно будет оставаться неизменным даже при значительном увеличении входного напряжения. Благодаря этому свойству стабилитрон находит применение во всех случаях, когда нужно получить стабильное напряжение питания какого-то устройства при колебаниях, например сетевого напряжения. Как различать выводы диодов и стабилитрона? На корпусе малогабаритных диодов типа Д9 ставят цветные точки — метки вблизи анода. Диоды Д2 больших, чем Д9, размеров с широкими выводами-ленточками. На одном из выводов ставят условное обозначение диода — это и есть вывод анода. Аналогично условный знак ставят на корпусе диодов Д7, Д226 и стабилитронов, причем короткая черточка знака обращена в сторону вывода катода.   Транзисторы. Из полупроводниковых приборов транзистор наиболее часто применяется в радиоэлектронике. У него три вывода: база (б), эмиттер (э) и коллектор (к). Транзистор — усилительный прибор. Его условно можно сравнить с таким известным вам устройством, как рупор. Достаточно произнести что-нибудь перед узким отверстием рупора, направив широкое в сторону друга, стоящего в нескольких десятках метров, и голос, усиленный рупором, будет хорошо слышен вдалеке. Если принять узкое отверстие за вход рупора-усилителя, а широкое — за выход, то можно сказать, что выходной сигнал в несколько раз больше входного. Это и есть показатель усилительных способностей рупора, его коэффициент усиления. Но вернемся к транзистору. Если пропустить через участок база — эмиттер слабый ток, он будет усилен транзистором в десятки и даже сотни раз. Усиленный ток потечет через участок коллектор — эмиттер. В зависимости от наибольшего тока, который можно пропускать через коллектор, транзисторы делятся на маломощные, средней и большой мощности.   Кроме того, эти полупроводниковые приборы могут быть структуры р-n-р или n-р-n. Так различаются транзисторы с разным чередованием слоев полупроводниковых материалов (если в диоде два слоя материала, здесь их три). Но не думайте, что транзисторы разной структуры имеют и разное усиление. Это совсем не обязательно. Усилительные способности транзистора определяются его так называемым статическим коэффициентом передачи тока. Для некоторых конструкций этот коэффициент важен, и он оговаривается в описании. О том, как его измерить, вы узнаете позже. Чтобы при подключении того или иного транзистора к деталям самоделки не перепутать выводы, нужно четко знать их расположение — цоколевку.  На схемах диод обозначается буквами VD, а транзистор — VT. Существует еще один тип диодов — Лямбда — диод: Лямбда — диод не является представителем нового класса полупроводниковых приборов — он получается путем включения двух комплементарных (взаимодополняющих) полевых транзисторов. Наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением позволяет строить на его основе очень простые генераторы РЧ колебаний. На рисунке в качестве примера приведена схема простейшего высокочастотного генератора всего из трех деталей. Генераторы, собранные на основе Лямбда — диода обладают очень хорошей температурной стабильностью, большой и стабильной амплитудой выходного сигнала. Такой диод можно изготовить, например, из полевых транзисторов типов КП103 и КП303. Максимальная граничная частота  Лямбда-диода может достигать десятков мегагерц. отдельный класс полупроводниковых приборов представляют собой так называемые полупроводниковые оптоприборы К этому классу относятся, например, свето и фотодиоды. Промышленностью выпускаются также фототранзисторы и фоторезисторы. Существуют полупроводниковые лазеры. Спектр рабочих волн таких приборов простирается от инфракрасного до ультрафиолетового диапазонов. Позже мы обязательно поговорим об этом…                                                                                  вверх

Урок 25. приборы, преобразующие электрические сигналы — Естествознание — 11 класс

Естествознание, 11 класс

Урок 25. Приборы, преобразующие электрические сигналы

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• Чем отличаются полупроводниковые приборы от других элементов электронных схем?
• Каков принцип действия полупроводниковых приборов?

Глоссарий по теме:

Диод – электронный прибор, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока.

Интегральная схема – это микроэлектронная схема, сформированная на крошечной пластинке (кристаллике, или «чипе») полупроводникового материала, обычно кремния, которая используется для преобразования электрического сигнала.

Полупроводниковые приборы – приборы, принцип действия которых основан на явлениях, происходящих на границах между веществами с различной проводимостью (различными металлами, полупроводниками и диэлектриками).

Транзистор – это активный полупроводниковый прибор, который необходим для генерирования, преобразования и усиления электрического сигнала (его частоты и силы).

Триод — электронная лампа, позволяющая входным сигналом управлять током в электрической цепи, состоит из анода, катода и сетки

Электроника – прикладная наука, изучающая приборы, преобразующие электрические сигналы.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

• Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – §40, С. 119-122
• Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Развитие электроники и соответствующих технологий было обусловлено использованием полупроводниковых материалов.

Принцип действия полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на границах между веществами с различной проводимостью (различными металлами, полупроводниками и диэлектриками).

Знакомство с полупроводниковыми приборами начнём с диода.

Диод – электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока.

В основе принципа действия полупроводникового диода — свойства электронно-дырочного перехода.

При контакте двух проводников или полупроводников в области контакта наблюдается тепловое движение электронов. Поскольку вещества различны, то электроны переходят из вещества 1 на вещество 2. Таким образов во втором проводнике на границе раздела двух сред возникает избыток электронов.

Различают прямое и обратное включение.

Если приложить электрическое поле, как показано на рисунке, то оно будет действовать на электроны облака с некоторой силой (на рисунке она направлена вверх), и пойдет электрический ток. Такое включение называют прямым.

Если же электрическое поле приложить наоборот, то чтобы заставить электроны двигаться в обратном направлении необходимо создать дополнительную силу, способную «загнать» электроны облака обратно в проводник 1. Это означает, что такой же по величине ток пойдет при большем напряжении. Если же напряжение оставить тем же, то ток идти не будет.

Полупроводниковый прибор, способный усиливать сигнал подобно вакуумной лампе с управляющими электродами называется транзистором. Транзисторы бывают различных типов и конструкций

Понять работу транзистора проще всего на основе рассмотрения так называемого полевого транзистора.

В полупроводнике (например, полупроводнике p-типа) создается проводящий канал из полупроводника противоположного типа. Этот канал соединяет два металлических электрода исток – аналог катода и сток – аналог анода. На третий управляющий электрод – затвор подается напряжение, которое может изменять ток через канал.

Полупроводниковые транзисторы играют большую роль в электронике: с их помощью можно усилить электрический сигнал, создать сигнал нужной формы и т.д.

Особенно эффективной работа полупроводниковых приборов стала после того, как на одной пластине полупроводника научились создавать множество диодов, транзисторов, сопротивлений и конденсаторов. Такой прибор эквивалентен целой электронной схеме из различных элементов и называется интегральной микросхемой. Современные интегральные микросхемы, например процессоры компьютеров, содержат несколько миллионов транзисторов на одной кремниевой пластине.

Помимо полупроводниковых приборов для усиления и преобразования электрических сигналов используют электровакуумные приборы.

Любой электровакуумный прибор представляет собой герметичный баллон, из которого откачен воздух, и в который помещены металлические электроды с выводами за пределы баллона. Один из электродов – катод подогревается при помощи электрического тока. В результате теплового движения часть электронов вылетает из катода, образуя вблизи него электронное облако. Электрические силы, связывающие вылетевшие электроны с «покинутыми» ядрами, не дают электронному облаку далеко удалиться от катода

Если на второй электрод – анод подать положительное относительно катода напряжение, то электроны начнут притягиваться к аноду и пойдет электрический ток. При смене полярности напряжения ток прекратиться, поскольку анод не может поставлять электронов для создания тока. Диод, таким образом, обладает односторонней проводимостью, что и обеспечивает его нелинейные свойства.

Если в промежутке между катодом и анодом поместить другие электроды, то потоком электронов можно управлять, подавая на эти электроды то, или иное напряжение. Соответствующие электроды называются управляющими электродами. Некоторые из электродов делаются в виде сетки, охватывающей катод, они так и называются сетками. А прибор называется триодом. Управляя потоком электронов, сетки позволяют усиливать электрический сигнал.

Таким образом, электронные схемы могут содержать линейные и пассивные элементы (сопротивления, конденсаторы, трансформаторы) и элементы нелинейные и активные, усиливающие электрический сигнал (электровакуумные лампы и полупроводниковые приборы). В электровакуумных приборах ток переносится электронами от катода к аноду, а его сила регулируется управляющими электродами. Действие полупроводниковых приборов обусловлено явлениями, происходящими на границе полупроводников различных типов.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

1. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

Варианты ответов: Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):

2. Вставьте пропущенные слова:

Диод – электронный элемент, обладающий различной ______________ в зависимости от __________ электрического тока.

Правильный вариант:

Проводимостью, направления.

Полупроводниковый прибор | электроника | Britannica

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно делятся на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке 1 показаны удельные проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), которые связаны с некоторыми важными материалами каждого из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка от 10 ⁻¹⁸ до 10 ⁻¹⁰ сименс на сантиметр; а проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр.Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями.

Проводимость полупроводника обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление менее 0,01 процента примеси определенного типа может увеличить электрическую проводимость полупроводника на четыре или более порядков (, то есть в 10000 раз). Диапазоны проводимости полупроводников за счет примесных атомов для пяти распространенных полупроводников приведены на рисунке 1.

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. За прошедшие годы было исследовано множество полупроводников. В таблице показана часть периодической таблицы, относящаяся к полупроводникам. Элементарные полупроводники состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и серое олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI. Однако существует множество сложных полупроводников, состоящих из двух или более элементов.Например, арсенид галлия (GaAs) представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из колонки III и мышьяка (As) из колонки V.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Часть периодической таблицы элементов, относящихся к полупроводникам

период	столбец
	II	III	IV	V	VI
2		бор B	углерод C	азот N
3	магний мг	алюминий Al	кремний Si	фосфор P	сера S
4	цинк Zn	галлий Ga	германий Ge	мышьяк As	селен Se
5	кадмий Cd	индий В	олово Sn	сурьма Sb	теллур Te
6	ртуть Hg		свинец Pb

Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных колонок, как, например, теллурид ртути и индия (HgIn ₂ Te ₄ ), соединение II-III-VI.Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 — x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где как Al, так и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100 процентов Al ( x = 1) до 100 процентов Ga ( x = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V являются наиболее важными для излучения света.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только как двухполюсные устройства, такие как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х годов германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрируют высокие токи утечки только при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал практическим заменителем, фактически вытеснив германий в качестве материала для производства полупроводников.Для этого есть две основные причины: (1) кремниевые устройства демонстрируют гораздо более низкие токи утечки и (2) высококачественный диоксид кремния (SiO ₂ ), который является изолятором, легко производить. Кремниевая технология в настоящее время является самой передовой среди всех полупроводниковых технологий, а устройства на основе кремния составляют более 95 процентов всего полупроводникового оборудования, продаваемого во всем мире.

Многие сложные полупроводники обладают электрическими и оптическими свойствами, отсутствующими в кремнии.Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для высокоскоростных и оптоэлектронных приложений.

Электронные свойства

Полупроводниковые материалы, рассматриваемые здесь, представляют собой монокристаллы — т. Е. атомов расположены в трехмерном периодическом порядке. На рис. 2А показано упрощенное двумерное представление собственного кристалла кремния, который очень чистый и содержит пренебрежимо малое количество примесей. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями.Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения электронов обоими ядрами удерживает два атома вместе.

При низких температурах электроны связаны в своих соответствующих положениях в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разрушить некоторые ковалентные связи. Разрыв связи дает свободный электрон, который может участвовать в проводимости тока.Как только электрон удаляется от ковалентной связи, в этой связи возникает недостаток электронов. Этот недостаток может быть восполнен одним из соседних электронов, что приводит к смещению местоположения недостатка с одного сайта на другой. Таким образом, этот недостаток можно рассматривать как частицу, подобную электрону. Эта фиктивная частица, названная дыркой, несет положительный заряд и движется под действием приложенного электрического поля в направлении, противоположном направлению движения электрона.

Для изолированного атома электроны атома могут иметь только дискретные уровни энергии.Когда большое количество атомов объединяется, чтобы сформировать кристалл, взаимодействие между атомами заставляет дискретные уровни энергии расширяться в энергетические зоны. Когда нет тепловой вибрации (, то есть при низкой температуре), электроны в полупроводнике полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Полоса с самым высоким заполнением называется валентной полосой. Следующая более высокая зона — это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны запрещенной зоной.Эта запрещенная зона, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми электроны в полупроводнике не могут обладать. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны от 0,25 до 2,5 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а ширина запрещенной зоны арсенида галлия — 1,42 эВ.

Как обсуждалось выше, при конечных температурах тепловые колебания разрывают некоторые связи. Когда связь разрывается, свободный электрон вместе со свободной дыркой приводит к , то есть : электрон обладает достаточной тепловой энергией, чтобы пересечь запрещенную зону в зону проводимости, оставляя дырку в валентной зоне.Когда к полупроводнику прикладывают электрическое поле, как электроны в зоне проводимости, так и дырки в валентной зоне получают кинетическую энергию и проводят электричество. Электропроводность материала зависит от количества носителей заряда ( т.е. свободных электронов и свободных дырок) в единице объема и от скорости, с которой эти носители перемещаются под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и свободных дырок.Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью, то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров на вольт-секунду (см ² / В · с) — , то есть электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под электрическим током. поле в один вольт на сантиметр — при подвижности дырок 500 см ² / В · с. Подвижности данного полупроводника обычно уменьшаются с повышением температуры или с увеличением концентрации примесей.

Электрическая проводимость в собственных полупроводниках довольно низкая при комнатной температуре. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одной части на миллион атомов хозяина). Это так называемый процесс допинга. Например, когда атом кремния заменяется атомом с пятью внешними электронами, такими как мышьяк (рис. 2C), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, который «дарится» зоне проводимости.Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона. Атом мышьяка является донором. Точно так же на рисунке 2C показано, что, когда атом с тремя внешними электронами, такими как бор, заменяется атомом кремния, дополнительный электрон «принимается» для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, и в атоме бора создается положительно заряженная дырка. валентная полоса. Это полупроводник типа p , в котором бор является акцептором.

Основы полупроводников и Учебное пособие по физике полупроводников

Однако, в отличие от резистора, диод не ведет себя линейно по отношению к приложенному напряжению, поскольку он имеет экспоненциальную зависимость I-V и, следовательно, не может быть описан просто с помощью закона Ома, как мы это делаем для резисторов.

Диоды — это основные однонаправленные полупроводниковые устройства, которые позволяют току течь через них только в одном направлении, действуя больше как односторонний электрический клапан (состояние прямого смещения). Но прежде чем мы посмотрим, как работают сигнальные или силовые диоды, нам сначала нужно понять основную конструкцию и концепцию полупроводников.

Диоды

изготовлены из цельного куска материала Semiconductor , который имеет положительную «P-область» на одном конце и отрицательную «N-область» на другом, а также значение удельного сопротивления где-то между сопротивлением проводника и изолятор.Но что такое «полупроводниковый» материал? Сначала давайте посмотрим, что делает что-то либо проводником , либо изолятором .

Удельное сопротивление

Электрическое Сопротивление электрического или электронного компонента или устройства обычно определяется как отношение разности напряжений на нем к току, протекающему через него, в соответствии с основными принципами Закона Ома. Проблема с использованием сопротивления в качестве измерения заключается в том, что оно во многом зависит от физического размера измеряемого материала, а также от материала, из которого он изготовлен.Например, если бы мы увеличили длину материала (сделав его длиннее), его сопротивление также увеличилось бы пропорционально.

Точно так же, если мы увеличим его диаметр или размер (сделав его толще), его значение сопротивления уменьшится. Итак, мы хотим иметь возможность определять материал таким образом, чтобы указывать на его способность проводить или противодействовать прохождению электрического тока через него, независимо от его размера или формы.

Величина, которая используется для обозначения этого удельного сопротивления, называется Удельное сопротивление и обозначается греческим символом ρ (Rho).Удельное сопротивление измеряется в Ом-метрах (Ом · м). Сопротивление обратно пропорционально проводимости.

Если сравнить удельное сопротивление различных материалов, их можно разделить на три основные группы: проводники, изоляторы и полупроводники, как показано ниже.

Таблица удельного сопротивления

Обратите внимание, что существует очень маленький запас между удельным сопротивлением проводников, таких как серебро и золото, по сравнению с гораздо большим запасом удельного сопротивления изоляторов между стеклом и кварцем. Эта разница в удельном сопротивлении частично связана с температурой окружающей среды, поскольку металлы гораздо лучше проводят тепло, чем изоляторы.

Проводники

Теперь мы знаем, что Проводники — это материалы с очень низкими значениями удельного сопротивления, обычно в микроомах на метр. Это низкое значение позволяет им легко пропускать электрический ток из-за наличия большого количества свободных электронов, плавающих внутри их основной атомной структуры.Но эти электроны будут проходить через проводник только в том случае, если есть что-то, что стимулирует их движение, и это что-то представляет собой электрическое напряжение.

Когда к материалу прикладывается положительный потенциал напряжения, эти «свободные электроны» покидают свой родительский атом и вместе проходят через материал, образуя дрейф электронов, более известный как ток. Насколько «свободно» эти электроны могут перемещаться по проводнику, зависит от того, насколько легко они могут освободиться от составляющих их атомов при приложении напряжения.Тогда количество протекающих электронов зависит от величины удельного сопротивления проводника.

Примерами хороших проводников обычно являются металлы, такие как медь, алюминий, серебро или неметаллы, такие как углерод, потому что эти материалы имеют очень мало электронов во внешней «валентной оболочке» или кольце, в результате чего они легко выбиваются с орбиты атома.

В электрическом кабеле
используются проводники
и изоляторы

Это позволяет им свободно течь через материал, пока они не соединятся с другими атомами, создавая «эффект домино» через материал, создавая электрический ток.Как показано на рисунке, в электрических кабелях используются медь и алюминий.

Вообще говоря, большинство металлов являются хорошими проводниками электричества, так как они имеют очень малые значения сопротивления, обычно в районе микроомов на метр (мкОм · м).

Хотя металлы, такие как медь и алюминий, очень хорошо проводят электричество, они все же обладают некоторым сопротивлением потоку электронов и, следовательно, не проводят идеально.

Энергия, которая теряется в процессе прохождения электрического тока, проявляется в виде тепла, поэтому проводники и особенно резисторы нагреваются, поскольку удельное сопротивление проводников увеличивается с увеличением температуры окружающей среды.

Изоляторы

Изоляторы , напротив, являются полной противоположностью проводников. Они сделаны из материалов, как правило, неметаллов, у которых очень мало или совсем нет «свободных электронов», плавающих внутри их основной атомной структуры, потому что электроны во внешней валентной оболочке сильно притягиваются положительно заряженным внутренним ядром.

Другими словами, электроны прикреплены к родительскому атому и не могут свободно перемещаться, поэтому, если к материалу приложено потенциальное напряжение, ток не будет течь, поскольку нет доступных для движения «свободных электронов», что дает этим материалам их изоляционные свойства.

Изоляторы

также имеют очень высокое сопротивление, миллионы Ом на метр, и обычно не подвержены влиянию обычных температурных изменений (хотя при очень высоких температурах древесина превращается в древесный уголь и превращается из изолятора в проводник). Примеры хороших изоляторов: мрамор, плавленый кварц, ПВХ-пластик, резина и т. Д.

Изоляторы

играют очень важную роль в электрических и электронных цепях, потому что без них электрические цепи могли бы закоротить вместе и не работали бы.Например, изоляторы из стекла или фарфора используются для изоляции и поддержки воздушных кабелей передачи, в то время как материалы из эпоксидно-стеклянной смолы используются для изготовления печатных плат, печатных плат и т. Д., А ПВХ используется для изоляции электрических кабелей, как показано.

Основы полупроводников

Полупроводники Материалы, такие как кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs), имеют электрические свойства где-то посередине, между свойствами «проводника» и «изолятора».Они не являются хорошими проводниками или хорошими изоляторами (отсюда их название «полупроводники»). У них очень мало «свободных электронов», потому что их атомы тесно сгруппированы в кристаллический узор, называемый «кристаллической решеткой», но электроны все еще могут течь, но только при определенных условиях.

Способность полупроводников проводить электричество может быть значительно улучшена путем замены или добавления определенных донорных или акцепторных атомов в эту кристаллическую структуру, тем самым производя больше свободных электронов, чем дырок, или наоборот.То есть добавлением небольшого процента другого элемента к основному материалу, кремния или германия.

Сами по себе кремний и германий классифицируются как собственные полупроводники, то есть они химически чисты и не содержат ничего, кроме полупроводящего материала. Но, контролируя количество примесей, добавленных к этому собственному полупроводниковому материалу, можно контролировать его проводимость. К этому собственному материалу могут быть добавлены различные примеси, называемые донорами или акцепторами, для образования свободных электронов или дырок соответственно.

Этот процесс добавления донорных или акцепторных атомов к атомам полупроводника (порядка 1 примесного атома на 10 миллионов (или более) атомов полупроводника) называется Doping . Поскольку легированный кремний больше не является чистым, эти донорные и акцепторные атомы вместе называются «примесями», и, допируя этот кремний достаточным количеством примесей, мы можем превратить его в кремний N-типа или P-типа. полупроводниковый материал.

Наиболее часто используемым основным полупроводниковым материалом на сегодняшний день является кремний .Кремний имеет четыре валентных электрона во внешней оболочке, которые он разделяет с соседними атомами кремния, образуя полные орбитали из восьми электронов. Структура связи между двумя атомами кремния такова, что каждый атом имеет один электрон со своим соседом, что делает связь очень стабильной.

Поскольку существует очень мало свободных электронов, которые могут перемещаться вокруг кристалла кремния, кристаллы чистого кремния (или германия), следовательно, являются хорошими изоляторами или, по крайней мере, очень дорогостоящими резисторами.

Атомы кремния расположены определенным симметричным узором, образуя твердую кристаллическую структуру. Кристалл чистого кремнезема (диоксида кремния или стекла) обычно называют внутренним кристаллом (он не имеет примесей) и, следовательно, не имеет свободных электронов.

Но простого подключения кристалла кремния к источнику питания от батареи недостаточно, чтобы извлечь из него электрический ток. Для этого нам нужно создать «положительный» и «отрицательный» полюсы внутри кремния, позволяя электронам и, следовательно, электрическому току вытекать из кремния.Эти полюса создаются путем легирования кремния определенными примесями.

Структура атома кремния

Схема выше показывает структуру и решетку «нормального» чистого кристалла кремния.

Основы полупроводников N-типа

Чтобы наш кристалл кремния проводил электричество, нам нужно ввести примесный атом, такой как мышьяк, сурьма или фосфор, в кристаллическую структуру, сделав ее внешней (примеси добавляются). Эти атомы имеют пять внешних электронов на своей внешней орбитали, чтобы делиться с соседними атомами и обычно называются «пятивалентными» примесями.

Это позволяет четырем из пяти орбитальных электронов связываться с соседними атомами кремния, оставляя один «свободный электрон» подвижным при приложении электрического напряжения (поток электронов). Поскольку каждый примесный атом «жертвует» один электрон, пятивалентные атомы обычно известны как «доноры».

Сурьма (символ Sb), а также фосфор (символ P), часто используются в качестве пятивалентной добавки к кремнию. Сурьма имеет 51 электрон, расположенный в пяти оболочках вокруг ее ядра, причем крайняя орбиталь имеет пять электронов.Получаемый в результате основной полупроводниковый материал имеет избыток токонесущих электронов, каждый с отрицательным зарядом, поэтому его называют материалом типа N с электронами, называемыми «основные носители», а образующиеся дырки — «второстепенными носителями». ».

При стимуляции внешним источником энергии электроны, освобожденные от атомов кремния в результате этой стимуляции, быстро заменяются свободными электронами, доступными от легированных атомов сурьмы. Но это действие по-прежнему оставляет дополнительный электрон (освобожденный электрон), плавающий вокруг легированного кристалла, делая его заряженным отрицательно.

Тогда полупроводниковый материал классифицируется как материал N-типа, если его донорная плотность больше, чем его акцепторная плотность, другими словами, он имеет больше электронов, чем дырок, тем самым создавая отрицательный полюс, как показано.

Атом сурьмы и допинг

На диаграмме выше показаны структура и решетка донорного примесного атома сурьмы.

Основы полупроводников P-типа

Если мы пойдем другим путем и введем «трехвалентную» (3-электронную) примесь в кристаллическую структуру, такую ​​как алюминий, бор или индий, у которых есть только три валентных электрона на их внешней орбитали, четвертая замкнутая связь не сможет быть сформированным.Следовательно, полное соединение невозможно, что дает полупроводниковому материалу изобилие положительно заряженных носителей, известных как дырки в структуре кристалла, где электроны фактически отсутствуют.

Поскольку теперь в кристалле кремния есть дыра, соседний электрон притягивается к ней и будет пытаться переместиться в дырку, чтобы заполнить ее. Однако электрон, заполняющий дыру, при движении оставляет за собой другую дыру. Это, в свою очередь, притягивает другой электрон, который, в свою очередь, создает за собой еще одно отверстие, и так далее, создавая впечатление, что отверстия движутся как положительный заряд через кристаллическую структуру (обычный ток).

Это движение дырок приводит к нехватке электронов в кремнии, превращая весь легированный кристалл в положительный полюс. Поскольку каждый примесный атом генерирует дырку, трехвалентные примеси обычно известны как «акцепторы , », поскольку они постоянно «принимают» лишние или свободные электроны.

Бор (символ B) обычно используется в качестве трехвалентной добавки, поскольку он имеет только пять электронов, расположенных в трех оболочках вокруг его ядра, причем крайняя орбиталь имеет только три электрона.Легирование атомов бора приводит к тому, что проводимость состоит в основном из положительных носителей заряда, в результате чего получается материал P-типа , в котором положительные дырки называются «основными носителями», а свободные электроны называются «второстепенными носителями».

Тогда основной полупроводниковый материал классифицируется как P-тип, если его акцепторная плотность больше, чем его донорная плотность. Следовательно, в полупроводнике P-типа дырок больше, чем электронов.

Атом бора и допинг

На диаграмме выше показаны структура и решетка акцепторного примесного атома бора.

Основные сведения о полупроводниках

Тип N (например, с добавлением сурьмы)

Это материалы, в которые добавлено пятивалентных примесных атомов (доноров), которые проводят за счет движения «электронов», и поэтому называются полупроводниками N-типа .

В полупроводниках N-типа насчитывается:

• 1. Доноры заряжены положительно.
• 2. Есть большое количество свободных электронов.
• 3. Небольшое количество дырок по отношению к количеству свободных электронов.
• 4. Допинг дает:
  • положительно заряженных доноров.
  • отрицательно заряженных свободных электронов.
• 5. Энергоснабжение дает:
  • отрицательно заряженных свободных электронов.
  • положительно заряженных дырок.

P-типа (например, с примесью бора)

Это материалы, в которые добавлено трехвалентных атомов примесей (акцепторов), которые проводят за счет движения «дырки», и поэтому называются полупроводниками P-типа .

В этих типах материалов есть:

• 1. Акцепторы заряжены отрицательно.
• 2. Имеется большое количество отверстий.
• 3. Небольшое количество свободных электронов по отношению к количеству дырок.
• 4. Допинг дает:
  • отрицательно заряженных акцепторов.
  • положительно заряженных дырок.
• 5. Энергоснабжение дает:
  • положительно заряженных дырок.
  • отрицательно заряженных свободных электронов.

и оба типа P и N в целом электрически нейтральны сами по себе.

Сурьма (Sb) и бор (B) — два наиболее часто используемых допинга, поскольку они более доступны по сравнению с другими типами материалов. Их также относят к «металлоидам». Тем не менее, периодическая таблица объединяет ряд других различных химических элементов с тремя или пятью электронами на внешней орбитальной оболочке, что делает их пригодными в качестве легирующего материала.

Эти другие химические элементы также могут использоваться в качестве легирующих добавок к основному материалу кремния (Si) или германия (Ge) для производства различных типов основных полупроводниковых материалов для использования в электронных полупроводниковых компонентах, микропроцессорах и солнечных элементах. Эти дополнительные полупроводниковые материалы приведены ниже.

Периодическая таблица полупроводников

Группа элементов 13	Группа элементов 14	Группа элементов 15
3-электроны во внешней оболочке (положительно заряженные)	4-электроны во внешней оболочке (нейтрально заряженные)	5-электроны во внешней оболочке (отрицательно заряженные)
(5) Бор (B)	(6) Углерод (C)
(13) Алюминий (Al)	(14) Кремний (Si)	(15) Фосфор (P)
(31) Галлий (Ga)	(32) Германий (Ge)	(33) Мышьяк (As)
		(51) Сурьма (Sb)

В следующем уроке о полупроводниках и диодах мы рассмотрим соединение двух основных полупроводниковых материалов, материалов P-типа и N-типа, для образования PN-перехода PN , который можно использовать для производства диодов.

О полупроводниках | SIA | Ассоциация полупроводниковой промышленности

Сильная полупроводниковая промышленность жизненно важна для экономической мощи Америки, национальной безопасности и глобальной конкурентоспособности.

Полупроводники — это основополагающая технология практически для всех сфер нашей экономики. Полупроводники были изобретены в Америке, и США.S. по-прежнему является мировым лидером в области производства и дизайна.

В полупроводниковой промышленности напрямую занято около 250 000 работников в Соединенных Штатах, и на каждую прямую работу приходится 4,89 рабочих мест, поддерживаемых в других частях экономики США. Это равняется более чем 1 миллиону дополнительных рабочих мест в результате процветающей полупроводниковой промышленности США. Еще более впечатляющим является то, что за работу в полупроводниковой промышленности платят в среднем в 2,5 раза больше, чем средняя зарплата всех рабочих в США.

Полупроводники являются четвертым по величине экспортом Америки после самолетов, рафинированного масла и автомобилей. Вопреки распространенному мнению, что большая часть высокотехнологичного производства была перенесена в Азию, передовое производство полупроводников остается сильным в США. Фактически, около половины производственной базы американских полупроводниковых компаний находится в Соединенных Штатах.

Ключом к поддержанию достижений, которые питают нашу промышленность и экономику США, являются исследования. К сожалению, доля инвестиций США в НИОКР в ВВП за последние десятилетия снизилась.Например, доля валовых внутренних расходов США на НИОКР, финансируемых государством, снизилась с 47,1 процента в 1981 году до 33,4 процента в 2011 году. (Источник: ОЭСР) За последние десять лет расходы на НИОКР как доля от экономического производства оставались почти постоянна в США, но увеличилась почти на 50 процентов в Южной Корее и почти на 90 процентов в Китае. (Источник: NSF S&E Indicators 2012)

компаний-членов SIA продолжают инвестировать и расширяться в США, строя новые и расширенные современные производственные мощности по всей стране.В целом американские полупроводниковые компании сохраняют около 50 процентов доли мирового рынка на высококонкурентном рынке. (Источник: SIA / iSuppli / WSTS)

Процветающая полупроводниковая промышленность США означает сильную американскую экономику, высокооплачиваемые рабочие места и огромное влияние на страну. Проще говоря, полупроводники укрепляют нашу страну.

Что такое полупроводниковые приборы? | Универсальный класс

Ключевые термины

o Полупроводник

o Диод

o Транзистор

o Биполярный переходной транзистор

o База

o Коллектор

o Излучатель

o Интегральные схемы

Цели

o Признать роль полупроводников в электронных устройствах

o Изучить основы работы диодов и транзисторов

Обратите внимание: не пытайтесь воспроизвести схемы, иллюстрации или инструкции из этой статьи в реальной жизни.Это может привести к поражению электрическим током, травме или смерти. Эти примеры предназначены только для теоретического обсуждения, а не для фактического / физического использования.

Вы, наверное, слышали о диодах или транзисторах: это устройства, которые лежат в основе практически всех электронных устройств, которые вы используете. Оба этих устройства построены с использованием полупроводников, материалов, которые имеют электрические характеристики где-то между резисторами и проводниками. Самый узнаваемый полупроводник — кремний.Фактический полупроводник обычно окружен корпусом, который защищает устройство; Если вы посмотрите на типичную печатную плату, корпуса полупроводниковых устройств часто выглядят как черные многоногие жучки. Каждая «ножка» представляет собой проводящий штырь, который выполняет определенную функцию для полупроводникового устройства: например, это может быть вход источника питания, соединение с «землей» или это может быть какое-то другое назначение.

Хотя мы можем понять основы электричества — например, в простых схемах резисторов и конденсаторов — используя простые физические принципы и метафоры (гравитация), понимание того, как работают полупроводники, намного сложнее.Фактически, физика полупроводников в значительной степени опирается на квантовую теорию, которая выходит далеко за рамки данной статьи! Тем не менее, мы все еще можем посмотреть, как работает пара обычных полупроводниковых устройств.

Полупроводниковые приборы и закон Ома

Рассмотрим простую схему резистора, подобную показанной ниже.

Закон

Ома говорит нам, что ток в цепи I пропорционален напряжению В, сопротивлением Р. Предполагая (как мы неявно сделали), что R является постоянным для всех напряжений, тогда мы можем построить график, показывающий ток через R как функцию напряжения В, на нем. Обратите внимание, что наклон линии — это сопротивление R, , которое в этом примере составляет 10 Ом.

Поскольку сопротивление постоянно, зависимость между напряжением и током линейная. Но что, если устройство (которое мы назовем X на схеме ниже) имеет сопротивление, которое изменяется с приложенным напряжением В?

В этом случае график зависимости тока I от напряжения В, может иметь практически любую форму! Но давайте посмотрим на конкретном примере.Диод — это полупроводниковое устройство, которое не допускает протекания тока, когда падение напряжения на нем ниже определенного порога (разные диоды имеют разные характеристики, но мы рассмотрим один гипотетический пример). Но когда падение напряжения превышает этот порог, ток резко возрастает. Ниже приведен примерный график этой взаимосвязи.

Обратите внимание, что поскольку кривая нелинейная, сопротивление изменяется в зависимости от напряжения.Диоды служат для различных целей, например, для защиты компонентов схемы, чувствительных к скачкам напряжения или другим событиям, связанным с питанием. Диоды обычно показаны на большинстве принципиальных схем как некоторые вариации (в зависимости от ряда факторов, таких как тип диода) представленного ниже.

Еще одно полупроводниковое устройство, но более сложное и имеющее более широкий спектр применения, — это транзистор . Первая конструкция транзистора (так называемый биполярный транзистор , или BJT) вместо двух «выводов», как в случае источников питания или резисторов, имеет три.Эти три клеммы называются базой , коллектором , и эмиттером . Схема (с обычно используемым обозначением цепи) для одного типа BJT показана ниже.

Несколько простое представление о транзисторе в одном приложении состоит в том, что он может действовать как «переключатель»: небольшой ток (или напряжение) на базе может управлять гораздо большим током (или напряжением) от коллектора к эмиттеру. Фактически, база включает или выключает ток от коллектора к эмиттеру.Этот эффект критичен для компьютеров и аналогичных электронных устройств, которые используют двоичные (единицы и нули, или состояния «включено» и «выключено») для выполнения своих задач. Таким образом, напряжение на базе управляет сопротивлением от коллектора к эмиттеру, что также позволяет использовать транзисторы для усиления электрических сигналов. Поскольку изучение механики транзистора или того, как транзисторы работают в схеме, может представлять собой отдельное исследование, мы не будем рассматривать эти устройства дальше, а отметим, что они являются основой современной электроники.

Интегральные схемы

Первый транзистор был довольно громоздким и не особенно эстетически привлекательным, но он продемонстрировал, как полупроводники можно использовать для создания устройств, которые могут динамически управлять потоком тока. С момента создания первого прототипа технология производства полупроводников прошла долгий путь; Теперь компании могут устанавливать миллиарды транзисторов на отдельные полупроводниковые микросхемы размером всего сантиметр.Очевидно, что эти устройства слишком малы, чтобы их можно было увидеть по отдельности, но именно они питают многие устройства, которые вы используете в повседневной жизни. Полупроводниковые микросхемы, содержащие ряд соединенных между собой транзисторов и другие кремниевые устройства, называются интегральными схемами .

К сожалению, эта статья не оставляет места для исследования многих интересных аспектов полупроводников, интегральных схем и производства полупроводниковых устройств. Тем не менее, менее чем за столетие в этих областях произошел ошеломляющий прогресс, и они продолжают развиваться впечатляющими темпами.

В качестве заключительного примечания, уместно некоторое различие слов электрическое и электронное . Хотя мы считали их взаимозаменяемыми (обычно они одинаковы для непрофессионалов), иногда они имеют несколько иное значение. Электрический код часто применяется к устройствам (или схемам, содержащим устройства), таким как резисторы и конденсаторы, характеристики которых фиксированы; electronic часто применяется к устройствам (или схемам, содержащим устройства), таким как транзисторы и диоды, характеристики которых (например, сопротивление) могут изменяться в зависимости от приложенных напряжений и токов.

Практическая задача : Определите, имеет ли устройство с кривой напряжения-тока, показанной ниже, постоянное или переменное сопротивление, и подтвердите свои соображения.

Решение : Как мы уже обсуждали, если устройство имеет постоянное сопротивление, его график напряжение-ток будет построен в виде линии. Поскольку указанное выше не является линейным, соответствующее устройство не имеет постоянного сопротивления. Один из способов увидеть это более четко — применить закон Ома к паре разных точек на графике.Мы знаем, что

Рассмотрим две точки, показанные ниже на графике.

Для точки A ток составляет около 1 А при напряжении около 0,2 В. Сопротивление в этом случае составляет около 0,2 Ом. Для точки B ток составляет около 3 А при напряжении около 1 В при сопротивлении 0,33 Ом.

Полупроводниковое устройство

— обзор

2.1 Введение

В этой главе мы рассмотрим схемы преобразователя мощности, которые широко используются с моторными приводами, обеспечивая либо d.c. или переменного тока выходы и работающие от постоянного тока. (например, от батареи) или от обычной (50 или 60 Гц) электросети. Представлены все основные типы преобразователей, но охват не является исчерпывающим, при этом внимание сосредоточено на наиболее важных топологиях, их особенностях и аспектах поведения, которые повторяются во многих типах преобразователей привода.

Все преобразователи, кроме очень маломощных, сегодня основаны на силовой электронной коммутации. Необходимость принятия стратегии переключения подчеркивается в первом примере, где последствия исследуются достаточно глубоко.Мы увидим, что переключение необходимо для достижения высокоэффективного преобразования мощности, но результирующие формы сигналов неизбежно не идеальны с точки зрения как двигателя, так и источника питания.

Примеры были выбраны для иллюстрации типичной практики, поэтому показаны наиболее часто используемые переключающие устройства (например, тиристоры, MOSFET и IGBT). Во многих случаях могут быть подходящими несколько различных коммутационных устройств (см. Ниже), поэтому мы не должны идентифицировать конкретную схему как исключительную собственность конкретного устройства.

Силовые полупроводниковые устройства являются предметом непрерывных инноваций, с более быстрым переключением, более низким сопротивлением в открытом состоянии, более высокими рабочими температурами, более высокой способностью к блокирующему напряжению, повышенной устойчивостью к условиям сбоя и, конечно, экономическим / конкурентным преимуществом, которые являются основными драйверами. Эти разработки редко влияют ни на топологию силовых преобразователей, ни на их основные характеристики, поэтому подробный обзор силовых полупроводниковых переключателей выходит за рамки этой книги. ¹

В этой главе рассматриваются все наиболее важные типы цепей преобразователей мощности, используемых в постоянном токе. и переменного тока диски. Существует небольшое количество дополнительных топологий, которые относятся к управлению конкретным типом двигателя, и они будут обсуждаться, когда мы перейдем к рассмотрению этих двигателей.

Перед обсуждением конкретных схем будет полезно взглянуть на типичную приводную систему в целом, чтобы можно было увидеть роль преобразователя в надлежащем контексте.

2.1.1 Общее устройство привода

Полная приводная система показана в виде блок-схемы на Рис. 2.1.

Рис. 2.1. Общее устройство скоростного привода.

Преобразователь мощности предназначен для получения электроэнергии из электросети (при постоянном напряжении и частоте) и подачи электроэнергии на двигатель с любым напряжением и частотой, которые необходимы для достижения желаемой механической мощности. На рис. 2.1 «требуемый» выходной сигнал — это скорость двигателя, но в равной степени это может быть крутящий момент, положение вала двигателя или некоторые другие системные переменные.

За исключением простейшего преобразователя (такого как базовый диодный выпрямитель), преобразователь обычно состоит из двух отдельных частей. Первый — это силовой каскад, через который энергия поступает к двигателю, а второй — это секция управления, которая регулирует поток мощности. Управляющие сигналы с низким энергопотреблением сообщают преобразователю, что он должен делать, в то время как другие сигналы обратной связи с низким энергопотреблением используются для измерения того, что на самом деле происходит. Путем сравнения сигналов запроса и обратной связи и соответствующей регулировки выхода целевой выход сохраняется.

Базовая конструкция, показанная на рис. 2.1, явно представляет собой систему управления скоростью, потому что сигнал, представляющий требуемую или контрольную величину, является скоростью, и мы отмечаем, что это система «замкнутого контура», потому что количество, которое должно контролироваться измеряется и передается обратно в контроллер, чтобы можно было принять меры, если они не соответствуют. Все приводы используют ту или иную форму управления с обратной связью, поэтому читателям, не знакомым с основными принципами, вероятно, будет полезно ознакомиться с дополнительными сведениями. ²

В следующих главах мы рассмотрим внутреннюю работу и механизмы управления более подробно, но стоит упомянуть, что почти все приводы используют обратную связь по току не только для облегчения схем защиты от сверхтоков, но и для управления крутящий момент двигателя, и что во всех приводах, кроме высокопроизводительных, нет ничего необычного в том, чтобы найти внешние преобразователи, которые могут составлять значительную часть общей стоимости приводной системы. Вместо измерения фактической скорости с помощью, например, установленного на валу тахогенератора, как показано на рис.2.1 скорость, скорее всего, будет получена из выборочных измерений напряжений, токов и частоты двигателя, используемых в сочетании с сохраненной математической моделью двигателя.

Характерной чертой силовых электронных преобразователей, которая характерна для большинства электрических систем, является то, что они обычно имеют очень небольшую емкость для хранения энергии. Это означает, что любое резкое изменение мощности, подаваемой преобразователем на двигатель, должно отражаться во внезапном увеличении мощности, потребляемой от источника питания.В большинстве случаев это не серьезная проблема, но у нее есть два недостатка. Во-первых, резкое увеличение тока, потребляемого от источника питания, вызовет кратковременные падения напряжения питания из-за влияния импеданса источника питания. Эти «провалы» напряжения будут восприниматься другими пользователями того же источника как нежелательное искажение. А во-вторых, может произойти вынужденная задержка, прежде чем источник сможет предоставить дополнительную мощность. Например, при однофазной электросети не может быть внезапного увеличения мощности в момент, когда напряжение в электросети равно нулю, потому что мгновенная мощность обязательно равна нулю в этой точке цикла, потому что само напряжение равно нулю.

Было бы идеально, если бы преобразователь мог накапливать, по крайней мере, достаточно энергии для питания двигателя в течение нескольких циклов питания 50/60 Гц, чтобы краткосрочные потребности в энергии могли быть удовлетворены мгновенно, тем самым уменьшая быстрые колебания потребляемой мощности. от электросети. Но, к сожалению, это редко бывает экономически выгодным: у большинства преобразователей действительно есть небольшой запас энергии в сглаживающих индукторах и конденсаторах, но этого количества недостаточно для достаточной буферизации источника питания, чтобы защитить его от чего-либо, кроме очень кратковременных колебаний.

Полупроводниковые материалы — IEEE IRDS ™

Полупроводниковые материалы варьируются по цене и доступности от кремния в большом количестве до дорогих редкоземельных элементов (РЗЭ). Солнечные элементы, полевые транзисторы, датчики Интернета вещей и схемы беспилотных автомобилей требуют для работы полупроводниковых материалов. Современный мир буквально обязан своим существованием полупроводникам и материалам, используемым при их производстве.

По мере того, как существующие полупроводниковые материалы достигают своих физических ограничений, новые материалы готовы занять их место.Рынок этих материалов в сочетании с новыми полупроводниковыми приложениями меняет производство и закупку материалов во всей отрасли.

Виды полупроводниковых материалов

Чтобы понять меняющийся характер производства полупроводников, необходимо понять существующие полупроводниковые материалы и то, как их состав влияет на электронные устройства. Новости отрасли содержат последние сведения о ценах на материалы и исследованиях, но, как правило, предполагают осведомленность о текущих свойствах и ограничениях материалов.

Какие полупроводниковые материалы используются чаще всего?

Наиболее часто используемые полупроводниковые материалы — это кремний, германий и арсенид галлия. Из этих трех германий был одним из первых используемых полупроводниковых материалов. Германий имеет четыре валентных электрона, которые представляют собой электроны, расположенные на внешней оболочке атома.

Количество валентных электронов в полупроводниковом материале определяет его проводимость. Несмотря на то, что германий стал важным шагом в эволюции полупроводниковых материалов, он в значительной степени вышел из употребления в пользу нынешнего короля полупроводниковых материалов — кремния.

Кремний широко используется в качестве полупроводникового материала с 1950-х годов. Самый распространенный элемент на Земле после углерода, кремний имеет четыре валентных электрона и плавится при более высокой температуре, чем германий (1414 градусов по Цельсию по сравнению с германием 938,3 градуса по Цельсию).

Кремний в большом количестве присутствует в кварците. Процессы экстракции, очистки и кристаллизации кремния эффективны и экономичны. Элемент кристаллизуется в форме алмаза для относительно прочной связи, придавая кристаллам кремния сильные механические свойства.

Арсенид галлия — второй наиболее распространенный полупроводник, используемый сегодня. В отличие от кремния и германия, арсенид галлия представляет собой соединение, а не элемент, и образуется путем объединения галлия с его тремя валентными электронами и мышьяком, который имеет пять валентных электронов.

Восемь валентных электронов заставляют устройства на основе арсенида галлия быстро реагировать на электрические сигналы, что делает соединение хорошо подходящим для усиления высокочастотных сигналов, видимых на телевизионных спутниках. Однако у арсенида галлия есть некоторые ограничения: это соединение труднее производить в массовом порядке, чем кремний, а химические вещества, используемые при производстве арсенида галлия, довольно токсичны.

Какие полупроводниковые материалы самые эффективные?

В дополнение к арсениду галлия состав диоксида кремния имеет характеристики, превосходящие кремний, что позволяет использовать его в качестве изолятора, пассивирующего слоя и строительного слоя в металлооксидных кремниевых (МОП) устройствах, тип поля с изолированным затвором. -эффект транзистор. Диоксид кремния имеет высокую диэлектрическую прочность и более широкую запрещенную зону, чем кремний, что делает его эффективным изолятором, а соединение легко осаждается на других материалах.

Какие из последних инноваций в полупроводниковых материалах?

Хотя кремний был самым важным материалом в производстве полупроводников на протяжении большей части конца двадцатого и начала двадцать первого веков, его полезность приближается к пределу. Спрос на все более компактные и быстрые интегральные схемы повысили эффективность материала до предела, и отраслевые эксперты опасаются, что кремний скоро достигнет пределов закона Мура. Исследования новых материалов продолжаются, и некоторые материалы имеют большие перспективы на будущее:

• Нитрид галлия высокой мощности может быть использован для более эффективного и быстрого преобразования энергии в электрических сетях из-за его высокого критического энергетического поля.
• Полупроводники на основе антимонида и висмута находят применение в улучшенных инфракрасных датчиках для медицинского и военного секторов.
• Графен обладает потенциалом превзойти кремний как универсальный полупроводниковый материал, но широкое коммерческое использование может произойти через двадцать пять лет.
• Пирит может быть использован для замены теллурида кадмия из редкоземельного элемента, который широко используется в солнечных элементах, но имеет ограниченное количество. Пирит является обильным, недорогим и нетоксичным.

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS ™

Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

Свойства полупроводниковых материалов

Полупроводниковые материалы обладают определенными характеристиками, связанными с электропроводностью. Будущее полупроводников зависит от того, смогут ли новые материалы с такими характеристиками производиться массово по цене, аналогичной стоимости кремния.

Каковы отличительные характеристики полупроводниковых материалов?

Материалы, обеспечивающие электрическую проводимость, естественно, называются проводниками.Примеры включают золото, серебро и медь. С другой стороны, изоляторы обладают высоким сопротивлением и препятствуют электропроводности. Резина, стекло и керамика — изоляторы.

Полупроводники, как следует из названия, обладают характеристиками как проводников, так и изоляторов. Полупроводники обычно имеют кристаллическую форму и имеют небольшое количество свободных электронов, необходимых для обеспечения проводимости. Вместо этого их атомы группируются вместе, образуя кристаллическую решетку, через которую возможна электрическая проводимость, но только при правильных условиях.

При низких температурах полупроводники обладают низкой проводимостью или вообще не имеют проводимости и действуют как изоляторы. Однако при комнатной температуре или под воздействием света, напряжения или тепла они могут проводить электричество. Именно это квазисостояние между проводниками и изоляторами делает полупроводники настолько важными для электронных устройств, поскольку они определяют, как, когда и где течет электричество.

Как работают полупроводники?

Металлы проводят электричество, потому что их свободные электроны могут свободно перемещаться между атомами, поскольку электричество требует потока электронов от одного атома к другому.Полупроводники, такие как чистый кремний, имеют мало свободных электронов и действуют больше как изоляторы.

Поведение кремния можно изменить в сторону проводимости с помощью процесса, называемого легированием. Легирование приводит к смешиванию крошечных примесей с полупроводниковыми материалами. Примеси добавляют к основному материалу «донорные атомы», повышая проводимость. Количество примесей, добавленных к полупроводниковым материалам, ничтожно — всего один донорный атом на десять миллионов атомов полупроводника, — но достаточно, чтобы обеспечить электрическую проводимость.

Используются две категории примесей, N-тип и P-тип:

• Полупроводники N-типа содержат фосфор или мышьяк. Оба вещества имеют по пять валентных электронов. При добавлении к решетке кремния одному из легирующих электронов не с чем связываться, поэтому он может пропускать электрический ток. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому эти полупроводники называют полупроводниками N-типа.
• Полупроводники P-типа «легированы» бором или галлием. Два легирующих элемента имеют только три валентных электрона.Когда они смешиваются с решеткой кремния, нескольким электронам кремния не с чем связываться, обеспечивая электрическую проводимость. Отсутствие электрона создает положительный заряд, поэтому кремний, легированный бором или галлием, называется полупроводником P-типа.

Как производятся полупроводниковые материалы?

При производстве интегральных схем компоненты схемы, такие как транзисторы и проводка, осаждаются на поверхности тонкой кремниевой кристаллической пластины.Затем тонкая пленка компонента покрывается фотостойким веществом, на которое с помощью технологии фотолитографии проецируется рисунок схемы.

В результате получается один слой схемы с транзисторами на самом нижнем уровне. Затем процесс повторяется со многими схемами, сформированными друг над другом и на полупроводниковой основе.

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS ™

Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

Применение полупроводниковых материалов

Производство полупроводников обеспечивает базовое оборудование почти для всех электронных устройств.Он используется для усиления энергии, переключения, преобразования энергии, датчиков и многого другого.

Какие изделия обычно изготавливают из полупроводниковых материалов?

Общие продукты и компоненты, изготовленные из полупроводниковых материалов, включают следующее:

• транзисторы биполярные
• диодов
• Транзисторы полевые
• микросхемы
• переходный полевой транзистор
• Светодиоды (LED)
• Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы)
• Выпрямители с кремниевым управлением

Какие отрасли промышленности используют полупроводниковые материалы больше всего?

Полупроводниковые материалы являются важным компонентом электронных устройств, что делает их жизненно важными практически для всех основных отраслей промышленности.Во всем мире ежедневно используется более ста миллиардов полупроводников.

Секторы, которые особенно зависят от полупроводниковых материалов, включают следующее:

• искусственный интеллект
• чистая энергия
• связь
• вычисления
• энергия
• здравоохранение
• Интернет вещей
• военный

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS ™

Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

Рынок полупроводниковых материалов

Поскольку почти все промышленные секторы зависят от электронных устройств, рынок полупроводников относительно стабилен.Расходы на материалы, необходимые для первоначального производства полупроводниковых корпусов, варьируются от доступного кремния и керамики до дорогих редкоземельных металлов.

Как обстоят дела на мировом рынке полупроводниковых материалов?

Рынок полупроводниковых материалов достиг более 50 миллиардов долларов в 2018 году и, по прогнозам, достигнет стоимости более 70 миллиардов долларов к концу 2025 года. Прогнозируемый среднегодовой темп роста в период с 2018 по 2025 год оценивается в 4,32 процента.

Что делает полупроводниковые материалы такими ценными?

Хотя некоторые полупроводниковые материалы и дешевы, и доступны в большом количестве (кремний является наиболее очевидным примером), РЗЭ, используемые в производстве диэлектриков с высоким κ и химико-механической полировке, могут быть дорогостоящими.

На величину РЗЭ влияют несколько факторов. Процессы, необходимые для отделения РЗЭ от породы, в которой они обнаружены, сложны и дороги, требуя тысяч стадий для извлечения и очистки готового материала.

Сложность извлечения РЗЭ из сырья заставила многие горнодобывающие компании отказаться от получения прибыли от РЗЭ. Китай — одна из немногих стран, которые сосредоточились на добыче и переработке РЗЭ, в результате чего страна производит 85 процентов мировых запасов вольфрама и молибдена.

Жесткая хватка Китая над производством РЗЭ позволяет ему не только устанавливать цены, но и использовать ценный полупроводниковый материал в качестве политического оружия. В 2010 году Китай прекратил все продажи РЗЭ в Японию из-за спора по поводу задержания Японией китайского рыболовного капитана. Решит ли Китай использовать экспорт РЗЭ во время продолжающейся торговой войны между США и Китаем, вызывает озабоченность.

Как перерабатываются и утилизируются полупроводниковые материалы?

Учитывая ценность некоторых полупроводниковых материалов, возможны вторичная переработка и утилизация ценных РЗЭ и других веществ.В настоящее время переработка РЗЭ наиболее успешна при работе с крупномасштабными полупроводниковыми продуктами, такими как солнечные элементы, автомобильные катализаторы и магниты ветряных турбин. РЗЭ также извлекают из аккумуляторных батарей.

Переработка более мелких полупроводниковых материалов проблематична с финансовой точки зрения, учитывая небольшое количество материала, утилизируемого из отдельных продуктов, таких как смартфоны. Переработка полупроводниковых материалов также связана с собственными экологическими издержками: процесс приводит к значительным отходам и выбросам множества токсичных загрязнителей.Этические соображения также вызывают озабоченность, поскольку многие использованные полупроводниковые продукты попадают на предприятия по переработке электронных отходов в странах третьего мира, известные тем, что эксплуатируют детский труд.

Наиболее очевидный способ снизить затраты на РЗЭ — это начать добычу и переработку собственных месторождений РЗЭ в других странах, кроме Китая (несмотря на свое название, РЗЭ равномерно распределены по земле, хотя это затрудняет поиск крупных залежей в одном месте) . Однако, как отмечает Communications из ACM , для этого требуется готовность инвестировать в разработку рентабельных процессов добычи, добычи и переработки.

Хотите узнать больше о полупроводниковых материалах? Рекомендуем прочитать Международный план развития устройств и систем (IRDS ™). IRDS ™ — это набор прогнозов, которые исследуют будущее электроники, полупроводников и компьютерной индустрии на пятнадцатилетний горизонт. Он охватывает ряд критических областей и технологий, от приложений до устройств и производства. Присоединяйтесь к техническому сообществу IRDS ™, чтобы загрузить дорожную карту и быть в курсе наших последних мероприятий.

Как загрузить IRDS ™

Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

Как работают полупроводники | HowStuffWorks

Устройство, которое блокирует ток в одном направлении, позволяя току течь в другом направлении, называется диодом . Диоды можно использовать по-разному. Например, устройство, которое использует батареи, часто содержит диод, который защищает устройство, если вы вставляете батареи задом наперед. Диод просто блокирует выход любого тока из батареи, если он перевернут — это защищает чувствительную электронику в устройстве.

Поведение полупроводникового диода не идеально, как показано на этом графике:

Когда смещает в обратном направлении, идеальный диод блокирует весь ток. Настоящий диод пропускает около 10 микроампер — немного, но все же не идеально. А если вы приложите достаточное обратное напряжение (В), соединение разорвется и пропустит ток. Обычно напряжение пробоя намного больше напряжения, чем когда-либо увидит схема, поэтому это не имеет значения.

Когда смещен в прямом направлении , для работы диода требуется небольшое напряжение.В кремнии это напряжение составляет около 0,7 вольт. Это напряжение необходимо для запуска процесса комбинации дырка-электрон на переходе.

Другой важной технологией, связанной с диодом, является транзистор. У транзисторов и диодов много общего.

Транзисторы

Транзистор создается с использованием трех слоев , а не двух слоев, используемых в диоде. Вы можете создать сэндвич NPN или PNP. Транзистор может действовать как переключатель или усилитель.

Транзистор выглядит как два последовательно соединенных диода. Можно представить, что через транзистор не может протекать ток, потому что диоды, соединенные спиной к спине, блокируют ток в обоих направлениях. И это правда. Однако, когда вы прикладываете небольшой ток к центральному слою сэндвича, через сэндвич в целом может протекать гораздо больший ток. Это дает транзистору поведение при переключении . Небольшой ток может включать и выключать больший ток.

Кремниевый чип — это кусок кремния, который может содержать тысячи транзисторов.С транзисторами, действующими как переключатели, вы можете создавать логические вентили, а с логическими вентилями вы можете создавать микропроцессорные микросхемы.

Естественный переход от кремния к легированному кремнию, транзисторам и микросхемам — вот что сделало микропроцессоры и другие электронные устройства такими недорогими и повсеместными в современном обществе. Основные принципы удивительно просты. Чудо — это постоянное совершенствование этих принципов до такой степени, что сегодня десятки миллионов транзисторов можно без больших затрат собрать на одном кристалле.

Для получения дополнительной информации о полупроводниках, диодах, микросхемах и многом другом перейдите по ссылкам на следующей странице.

Первоначально опубликовано: 25 апреля 2001 г.