Полупроводник: свойства, виды и применение

Полупроводник — это материал, который по удельной электрической проводимости занимает промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (изоляторами). Главной отличительной особенностью полупроводников является сильная зависимость их проводимости от внешних факторов: температуры, освещённости, электрического поля, степени легирования (введения примесей) и других воздействий. В отличие от металлов, проводимость которых уменьшается с ростом температуры, у полупроводников она, как правило, возрастает.

К классу полупроводников относится множество химических элементов и соединений. Наиболее известными и широко применяемыми являются кремний (Si), германий (Ge), селен (Se), а также сложные соединения, такие как арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP), карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Самым распространённым полупроводниковым материалом в современной электронике является кремний, что обусловлено его доступностью, технологичностью и хорошими электрическими характеристиками.

Физическая природа проводимости

Электрические свойства полупроводников определяются их зонной структурой. В твёрдом теле энергетические уровни электронов образуют разрешённые зоны, разделённые запрещённой зоной. У проводников валентная зона и зона проводимости перекрываются, у диэлектриков запрещённая зона очень широкая (более 3–4 эВ), а у полупроводников она занимает промежуточное положение — обычно от 0,1 до 3 эВ. При абсолютном нуле температуры полупроводник ведёт себя как изолятор, так как электроны не могут преодолеть запрещённую зону. При нагревании или освещении электроны получают энергию, достаточную для перехода в зону проводимости, и материал начинает проводить электрический ток.

Механизм проводимости в полупроводниках описывается двумя типами носителей заряда: электронами и дырками. Дырка — это квазичастица, представляющая собой отсутствие электрона в кристаллической решётке, которая ведёт себя как положительный заряд. Перемещение дырок в направлении, противоположном движению электронов, также создаёт электрический ток. Различают собственную и примесную проводимость. Собственная проводимость возникает в чистом материале за счёт тепловой генерации пар «электрон—дырка». Примесная проводимость (донорная или акцепторная) создаётся введением в кристалл атомов других элементов, которые либо отдают лишние электроны (доноры), либо захватывают их, создавая дырки (акцепторы).

Классификация и основные виды

Полупроводники классифицируются по нескольким признакам. По химическому составу выделяют элементарные полупроводники (кремний, германий, бор, теллур) и сложные соединения. Среди сложных соединений различают бинарные (арсенид галлия, антимонид индия), тройные и более сложные системы, а также оксиды (оксид цинка, оксид меди) и органические полупроводники.

По типу проводимости различают полупроводники n-типа (с электронной проводимостью, где основными носителями являются электроны) и p-типа (с дырочной проводимостью). Легирование — контролируемое введение примесей — является ключевым технологическим процессом, позволяющим создавать области с разным типом проводимости в одном кристалле. Например, добавление в кремний фосфора или мышьяка создаёт n-тип, а добавление бора или алюминия — p-тип.

Свойства полупроводников

Помимо температурной зависимости проводимости, полупроводники обладают рядом других важных свойств. К ним относятся:

• Фотопроводимость — увеличение электропроводности под действием света, что используется в фоторезисторах и фотодиодах.
• Термоэлектрические эффекты — возникновение разности потенциалов при перепаде температур (эффект Зеебека) и обратный эффект Пельтье, применяемые в термопарах и термоэлектрических охладителях.
• Выпрямление тока — способность p-n-перехода пропускать ток преимущественно в одном направлении, что лежит в основе работы диодов.
• Эффект Холла — возникновение поперечной разности потенциалов в полупроводнике, помещённом в магнитное поле, используемое в датчиках магнитного поля.
• Инжекция носителей — явление, на котором основана работа транзисторов и тиристоров.

Применение

Полупроводники являются основой современной электронной промышленности. Без них невозможно существование компьютеров, смартфонов, телевизоров, систем связи и практически всей бытовой электроники. Основные области применения включают:

• Дискретные приборы: диоды, транзисторы, тиристоры, стабилитроны. Они используются в выпрямителях, усилителях, генераторах сигналов, блоках питания.
• Интегральные микросхемы: процессоры, микроконтроллеры, чипы памяти. Миллионы и миллиарды транзисторов, размещённые на одном кристалле кремния, образуют вычислительные ядра современных устройств.
• Оптоэлектроника: светодиоды, лазерные диоды, фотоприёмники, солнечные батареи. Полупроводниковые источники света отличаются высокой эффективностью и долговечностью, а фотоэлектрические преобразователи позволяют генерировать электроэнергию из солнечного света.
• Силовая электроника: силовые транзисторы и тиристоры на основе карбида кремния и нитрида галлия используются в преобразователях напряжения, электроприводах, зарядных станциях для электромобилей.
• Датчики и сенсоры: полупроводниковые датчики температуры, давления, газа, магнитного поля, освещённости применяются в промышленности, медицине и автомобилестроении.

История развития

История полупроводников началась в XIX веке с наблюдений за выпрямляющими свойствами некоторых кристаллов, таких как сернистый свинец и селен. В 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун обнаружил выпрямляющий эффект на контакте металла с кристаллом, что привело к созданию первых кристаллических детекторов для радиоприёмников. В 1947 году в лаборатории Bell Labs американские физики Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли создали первый работающий транзистор, за что в 1956 году были удостоены Нобелевской премии по физике. Это изобретение положило начало эпохе твердотельной электроники, которая пришла на смену громоздким и энергоёмким вакуумным лампам. В 1958 году Джек Килби и Роберт Нойс независимо друг от друга разработали интегральные схемы, объединив несколько транзисторов на одной подложке. Дальнейшее развитие технологии привело к закону Мура, согласно которому количество транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые два года, что обеспечивало экспоненциальный рост производительности компьютеров на протяжении десятилетий. В России исследования в области полупроводников активно велись с середины XX века в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе, где были разработаны основы теории и технологии полупроводниковых приборов.

Перспективные направления

Современные исследования в области полупроводников направлены на создание материалов с улучшенными характеристиками. К перспективным направлениям относятся широкозонные полупроводники (карбид кремния, нитрид галлия), позволяющие создавать приборы для работы при высоких температурах и напряжениях; двумерные материалы, такие как графен и дисульфид молибдена, обладающие уникальными электронными свойствами; а также органические полупроводники, применяемые в гибкой электронике и светодиодах. Развитие нанотехнологий открывает возможности для создания квантовых точек и нанопроводов, которые могут стать основой для квантовых компьютеров и сверхчувствительных датчиков.