Полупроводники и их свойства

Электроника – это область науки и техники, занимающаяся созданием и практическим использованием различных устройств и приборов.

Миниатюризация – уменьшение объема, массы элемента, которое позволяет создать сверхминиатюрные изделия, в основе которых заложены новые физические явления.

Микроминиатюризация – позволяет создать сверх миниатюрные изделия, в составе работы которых заложены новые физические явления.

Микроэлектроника – это область электроники, занимающаяся созданием электронных функциональных устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении.

Полупроводниками называется обширная группа химических элементов и их соединений, у которых удельное сопротивление занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками.

К полупроводникам относятся элементы 4 группы таблицы Менделеева: германий, кремний, соединения: арсенид галлия, карбид кремния, сульфид кадмия. Кристаллы кремния и галлия имеют кристаллическую структуру, в которых атомы фиксированы в узлах кристаллической решетки. Кристаллы кремния и германия имеют кристаллическую решетку алмазного типа: каждый атом взаимосвязан с соседним ковалентными связями.

Каждый атом окружен электронами: 4 собственных и по одному от каждого соседнего атома.

Проводники имеют удельное сопротивление от 10^-6 до 10^-8 Ом/м. Диэлектрики от 10⁸ до 10¹³. Полупроводники от 10^-5 до 10⁷ Ом/м.

Собственная проводимость полупроводников – когда проводник не содержит примесей. Отрыв валентных электронов от атомов осуществляется при повышении температуры. Появляется свободный электрон, на его месте дырка. При отсутствии внешнего электрического поля: эл. дырки движутся хаотично, кристалл в целом остается нейтральным.

Примесная проводимость – проводимость, которая определяется примесями. Примесь с валентностью больше 4 дает избыток свободных электронов и называется «n» типа электронной, отрицательной, донорной и основными носителями. Примесь с валентностью меньше 4 увеличивает количество дырок и называется «р» типа положительной, акцепторной и дырочной.

Электронно-дырочный переход p–n типа

Является рабочим элементом полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. После слияния «p» и «n» происходит диффузия дырок из «р», а электронов из «n».В результате около границы раздела областей образуется запирающий слой, обладающий малой удельной проводимостью. Через переход создается дрейфовый ток, направление которого противоположно диффузионному, и его называют тепловым током или обратным током.

Прямое включение полупроводника

Эл. поле при этом внешнего источника Е внешнее не совпадает по направлению с напряженностью p-n перехода, что вызовет уменьшение ширины запирающего слоя, высоты потенциального барьера (сопротивление), это приведет к росту тока диффузии основных носителей заряда, ток дрейфа уменьшится. В результате через p-n переход будет протекать ток, который называется прямым током.

Обратное включение полупроводника

При этом напряженность внешнего источника увеличивает ток внутреннего p-n перехода, а так же ширину запирающего слоя и высоту потенциального барьера. Ток диффузии уменьшается, ток дрейфа сохраняет прежнее значение, т.к. p-n переход находится в равновесном состоянии. В отличие от прямого тока, ток дрейфа протекает через p-n переход и называется обратным током.

Поскольку обратный ток меньше прямого на несколько порядков, можно считать, что полупроводник обладает вентильным свойством, то есть односторонней проводимостью.

Вольт-амперная характеристика проводника (ВАХ)

Это зависимость тока от напряжения.

При достижении обратного достижения некоторого значения обратный ток увеличивается, и этот режим называется пробоем p-n перехода.

Существует 2 пробоя:

1). Эл. пробой – не опасен для p-n перехода. При отключении источника обратного напряжения электронно-дырочный переход восстанавливается.

2). Тепловой пробой – разрушение кристалла; является аварийным.

Полупроводниковым диодом называется электронный прибор с одним p-n переходом и с двумя выводами анодом «–» и катодом «+».

По технологии изготовления полупроводниковые диоды подразделяются:

1. Точечные (точечный диод образуется вместо контакта небольшой пластины полупроводника, и острие медной проволоки (пружиночка) или линейные размеры p n меньше его ширины).

2. Плоскостные (сплавные) – имеют плоский эл. переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше ширины p n перехода.

3. Диффузионный диод. Изготавливают посредством диффузии в полупроводниковой пластине примесей, находящихся в газообразном, жидком и твердом состоянии. Если диффузия примесей производится через отверстие в защитном слое, нанесенном на поверхность полупроводника, переход называется планарный.