Kas ir pusvadītājs

Kopā ar elektrības vadītājiem dabā ir daudz vielu, kurām ir ievērojami zemāka elektrovadītspēja nekā metāla vadītājiem. Šāda veida vielas sauc par pusvadītājiem.

Pusvadītāji ietver: noteiktus ķīmiskos elementus, piemēram, selēnu, silīciju un germānu, sēra savienojumus, piemēram, tallija sulfīdu, kadmija sulfīdu, sudraba sulfīdu, karbīdus, piemēram, karborundu, oglekli (dimantu), boru, alvu, fosforu, antimonu, arsēnu, telūru, jodu. , un vairāki savienojumi, kas ietver vismaz vienu no Mendeļejeva sistēmas 4–7 grupas elementiem. Ir arī organiskie pusvadītāji.

Pusvadītāja elektriskās vadītspējas raksturs ir atkarīgs no piemaisījumu veida, kas atrodas pusvadītāja pamatmateriālā, un no tā sastāvdaļu ražošanas tehnoloģijas.

Pusvadītājs — viela ar elektrovadītspēja 10-10 — 104 (ohm x cm)-1, kas atrodas pie šīm īpašībām starp vadītāju un izolatoru.Atšķirība starp vadītājiem, pusvadītājiem un izolatoriem saskaņā ar joslu teoriju ir šāda: tīros pusvadītājos un elektroniskajos izolatoros starp piepildīto (valences) joslu un vadītspējas joslu ir aizliegta enerģijas josla.

Kāpēc pusvadītāji vada strāvu

Pusvadītājam ir elektroniskā vadītspēja, ja ārējie elektroni tā piemaisījumu atomos ir salīdzinoši vāji saistīti ar šo atomu kodoliem. Ja šāda veida pusvadītājos tiek izveidots elektriskais lauks, tad šī lauka spēku ietekmē pusvadītāja piemaisījumu atomu ārējie elektroni atstās savu atomu robežas un kļūs par brīvajiem elektroniem.

Brīvie elektroni elektriskā lauka spēku ietekmē pusvadītājā radīs elektriskās vadīšanas strāvu. Tāpēc elektriskās strāvas raksturs elektriski vadošos pusvadītājos ir tāds pats kā metāliskajos vadītājos. Bet, tā kā pusvadītāja tilpuma vienībā ir daudz reižu mazāk brīvo elektronu nekā metāla vadītāja tilpuma vienībā, ir dabiski, ka, ja visi pārējie nosacījumi ir vienādi, strāva pusvadītājā būs daudzkārt mazāka nekā metāliskā. diriģents.

Pusvadītājam ir "caurumu" vadītspēja, ja tā piemaisījuma atomi ne tikai neatdod savus ārējos elektronus, bet, gluži pretēji, mēdz uztvert pusvadītāja galvenās vielas atomu elektronus. Ja piemaisījuma atoms atņem elektronu no galvenās vielas atoma, tad tajā veidojas sava veida brīva telpa elektronam - "caurums".

Pusvadītāju atomu, kas ir zaudējis elektronu, sauc par "elektronu caurumu" vai vienkārši "caurumu".Ja "caurums" ir piepildīts ar elektronu, kas pārnests no blakus esošā atoma, tad tas tiek likvidēts un atoms kļūst elektriski neitrāls, un "caurums" pārvietojas uz blakus atomu, kurš ir zaudējis elektronu. Tāpēc, ja pusvadītājam ar "caurumu" vadītspēju tiek piemērots elektriskais lauks, "elektronu caurumi" pārvietosies šī lauka virzienā.

«Elektronu caurumu» novirze elektriskā lauka darbības virzienā ir līdzīga pozitīvo elektrisko lādiņu kustībai laukā un tāpēc ir elektriskās strāvas parādība pusvadītājā.

Pusvadītājus nevar strikti nošķirt pēc to elektrovadītspējas mehānisma, jo līdz ar "Hole" vadītspēju šim pusvadītājam var būt elektroniskā vadītspēja vienā vai otrā pakāpē.

Pusvadītājus raksturo:

• vadītspējas veids (elektroniskais - n-tipa, caurums -p -tips);

• pretestība;

• lādiņa nesēja kalpošanas laiks (mazākā daļa) vai difūzijas garums, virsmas rekombinācijas ātrums;

• dislokācijas blīvums.

Skatīt arī: Pusvadītāju strāvas-sprieguma raksturlielumi Silīcijs ir visizplatītākais pusvadītāju materiāls

Temperatūrai ir būtnes, kas ietekmē pusvadītāju īpašības. Tā palielināšanās galvenokārt noved pie pretestības samazināšanās un otrādi, t.i. pusvadītājus raksturo negatīva klātbūtne pretestības temperatūras koeficients… Tuvojoties absolūtajai nullei, pusvadītājs kļūst par izolatoru.

Daudzas ierīces ir balstītas uz pusvadītājiem. Vairumā gadījumu tie jāiegūst monokristālu veidā.Lai iegūtu vēlamās īpašības, pusvadītāji tiek leģēti ar dažādiem piemaisījumiem. Paaugstinātas prasības tiek izvirzītas sākuma pusvadītāju materiālu tīrībai.

Pusvadītāju ierīces

Pusvadītāju termiskā apstrāde

Pusvadītāja termiskā apstrāde — pusvadītāja sildīšana un dzesēšana pēc noteiktas programmas, lai mainītu tā elektrofizikālās īpašības.

Izmaiņas: kristāla modifikācija, dislokācijas blīvums, vakanču koncentrācija vai strukturālie defekti, vadītspējas veids, koncentrācija, mobilitāte un lādiņnesēju kalpošanas laiks. Turklāt pēdējie četri var būt saistīti ar piemaisījumu un struktūras defektu mijiedarbību vai piemaisījumu difūziju lielākajā daļā kristālu.

Karsējot germānija paraugus līdz temperatūrai >550 °C, kam seko ātra dzesēšana, parādās termiskie akceptori tādā koncentrācijā, jo augstāka ir temperatūra. Turpmākā atkausēšana tajā pašā temperatūrā atjauno sākotnējo pretestību.

Šīs parādības iespējamais mehānisms ir vara izšķīšana germānijas režģī, kas izkliedējas no virsmas vai iepriekš nogulsnējās uz dislokācijām. Lēna atkausēšana izraisa vara nogulsnēšanos uz strukturālajiem defektiem un iziet no režģa. Iespējama arī jaunu strukturālu defektu parādīšanās ātras dzesēšanas laikā. Abi mehānismi var samazināt ekspluatācijas laiku, kas ir noteikts eksperimentāli.

Silīcijā 350–500 ° temperatūrā termisko donoru veidošanās notiek tādās koncentrācijās, jo augstāka ir silīcijā kristālu augšanas laikā izšķīdināts skābeklis. Augstākā temperatūrā siltuma donori tiek iznīcināti.

Karsēšana līdz temperatūrai diapazonā no 700 līdz 1300 ° krasi samazina mazākuma lādiņnesēju kalpošanas laiku (pie > 1000 ° izšķirošā loma ir piemaisījumu difūzijai no virsmas). Silīcija sildīšana 1000-1300 ° temperatūrā ietekmē gaismas optisko absorbciju un izkliedi.

Pusvadītāju pielietojums

Mūsdienu tehnoloģijās pusvadītāji ir atraduši visplašāko pielietojumu; tiem ir bijusi ļoti spēcīga ietekme uz tehnoloģisko progresu. Pateicoties tiem, ir iespējams ievērojami samazināt elektronisko ierīču svaru un izmērus. Visu elektronikas jomu attīstība noved pie liela skaita dažādu iekārtu, kuru pamatā ir pusvadītāju ierīces, izveide un uzlabošana. Pusvadītāju ierīces kalpo par pamatu mikrošūnām, mikromoduļiem, cietajām shēmām utt.

Elektroniskās ierīces, kuru pamatā ir pusvadītāju ierīces, ir praktiski bez inerces. Rūpīgi uzbūvēta un labi noslēgta pusvadītāju ierīce var kalpot desmitiem tūkstošu stundu. Tomēr dažiem pusvadītāju materiāliem ir mazs temperatūras ierobežojums (piemēram, germānija), taču ne īpaši sarežģīta temperatūras kompensācija vai ierīces pamatmateriāla aizstāšana ar citu (piemēram, silīciju, silīcija karbīdu) šo trūkumu lielā mērā novērš. pusvadītāju ierīču ražošanas tehnoloģijas rezultātā samazinās joprojām pastāvošā parametru izkliede un nestabilitāte.

Pusvadītāji elektronikā

Pusvadītājos izveidoto pusvadītāju-metāla kontaktu un elektronu caurumu savienojumu (n-p pāreju) izmanto pusvadītāju diožu ražošanā.Dubultie savienojumi (p-n-p vai n-R-n) - tranzistori un tiristori. Šīs ierīces galvenokārt izmanto elektrisko signālu labošanai, ģenerēšanai un pastiprināšanai.

Pusvadītāju fotoelektriskās īpašības tiek izmantotas, lai izveidotu fotorezistorus, fotodiodes un fototranzistorus. Pusvadītājs kalpo kā svārstību oscilatoru (pastiprinātāju) aktīvā daļa pusvadītāju lāzeri… Kad elektriskā strāva iet caur pn krustojumu virzienā uz priekšu, lādiņa nesēji — elektroni un caurumi — rekombinējas ar fotonu emisiju, ko izmanto gaismas diožu radīšanai.

Gaismas diodes

Pusvadītāju termoelektriskās īpašības ļāva izveidot pusvadītāju termoelektriskās pretestības, pusvadītāju termopārus, termopārus un termoelektriskos ģeneratorus un pusvadītāju termoelektrisko dzesēšanu, pamatojoties uz Peltjē efektu, — termoelektriskos ledusskapjus un termostabilizatorus.

Pusvadītājus izmanto mehāniskajos siltuma un saules enerģijas pārveidotājos elektriskajos — termoelektriskajos ģeneratoros un fotoelektriskajos pārveidotājos (saules elementos).

Mehāniskais spriegums, kas tiek pielikts pusvadītājam, maina tā elektrisko pretestību (efekts ir spēcīgāks nekā metāliem), kas ir pusvadītāju deformācijas mērītāja pamatā.

Pusvadītāju ierīces ir kļuvušas plaši izplatītas pasaules praksē, radot revolūciju elektronikā, un tās kalpo par pamatu, lai izstrādātu un ražotu:

• mēraparatūra, datori,

• visu veidu sakaru un transporta aprīkojums,

• rūpniecisko procesu automatizācijai,

• pētniecības ierīces,

• raķete,

• medicīniskais aprīkojums

• citas elektroniskās ierīces un ierīces.

Pusvadītāju ierīču izmantošana ļauj izveidot jaunas iekārtas un uzlabot veco, kas nozīmē, ka tas samazina tā izmēru, svaru, enerģijas patēriņu un līdz ar to, samazinot siltuma veidošanos ķēdē, palielinot izturību, tūlītēju gatavību darbībai, tas nodrošina jūs varat palielināt elektronisko ierīču kalpošanas laiku un uzticamību.