Полупроводники: свойства и применение¶
Полупроводник — это материал, электропроводность которого находится между проводимостью проводников и диэлектриков и существенно зависит от температуры, примесей и внешних воздействий. При понижении температуры к абсолютному нулю полупроводник ведёт себя как диэлектрик, а при нагреве или под действии света его сопротивление уменьшается — в отличие от металлов, где сопротивление с ростом температуры растёт.
¶Физические свойства
Электрическая проводимость полупроводников определяется концентрацией носителей заряда — электронов и дырок. В чистом (собственном) полупроводнике при низкой температуре все валентные электроны связаны в кристаллической решётке, свободных носителей почти нет. При нагреве часть электронов получает достаточно энергии, чтобы преодолеть запрещённую зону, и переходит в зону проводимости, оставляя после себя «дырку» — положительно заряженный дефект решётки. Такой процесс называется электронно-дырочной парной генерацией.
Ключевые характеристики полупроводников:
- ширина запрещённой зоны — обычно от 0,1 до 3,5 эВ (у диэлектриков — более 3,5 эВ, у металлов зона проводимости перекрыта с зоной валентности);
- отрицательный температурный коэффициент сопротивления;
- высокая чувствительность к примесям — доли процента примеси меняют проводимость на порядки;
- наличие эффектов фотопроводимости и ректификации.
¶Классификация
По составу полупроводники делятся на элементные и соединения. К элементным относятся кремний (Si), германий (Ge), селен (Se), теллур (Te) и графен. К соединениям — арсенид галлия (GaAs), карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), индий-сурьмянистые соединения (InSb, InAs) и другие.
По типу проводимости различают:
- n-тип — примеси, доноры (например, фосфор в кремнии), добавляют свободные электроны;
- p-тип — примеси, акцепторы (например, бор в кремнии), создают избыток дырок.
¶Полупроводниковые приборы
Присоединение к полупроводнику электродов и создание p-n-перехода — границы между областями p- и n-типа — позволяет создавать полупроводниковые приборы. p-n-переход пропускает ток в одном направлении и блокирует его в другом (эффект ректификации), что лежит в основе работы диодов. Транзистор, предложенный в 1947 году группой Уильяма Шокли, Джона Бардина и Уолтера Браттейна в Bell Labs, использует управление током между эмиттером и коллектором через базу и позволяет усиливать и переключать сигналы. Современные полупроводниковые приборы включают тиристоры, симисторы, светодиоды, лазеры, солнечные элементы, туннельные диоды и транзисторы с изолированным затвором (MOSFET).
¶Производство кристаллов
Основной полупроводниковой промышленности — кремний. Его добывают из кварцевого песка, восстанавливают до чистоты 99,9999999 % («девять девяток»), получают поликристаллический слиток методом Чохральского — кристаллизацию из расплава на вращающемся затравочном кристалле. Слиток нарезают на пластины (вейферы), на которых фотолитографией формируют микросхемы. Минимальный размер элементов в современных транзисторах — порядка 3–5 нанометров.
¶Применение
Полупроводники — основа современной электроники. Микросхемы применяются в процессорах, памяти, контроллерах, радиоэлектронике, энергетике (преобразователи, инверторы), автомобильной промышленности, медицинском оборудовании. Солнечные элементы на основе кремния и соединений AIIIBV преобразуют солнечную энергию в электрическую. Светодиоды и полупроводниковые лазеры используются в освещении, оптоволоконной связи, дисплеях.
В России производством кремниевых пластин и эпитаксиальных структур занимаются предприятия «НТ-МДТ», «Святогор» (входит в «Русские полупроводники»), «Микрон» (Зеленоград) и «Ангстрем-М». Разработкой отечественных процессоров занимаются компании «Элвис», «Байкал Электроникс», «Ядро» и «Крафтвей».
¶История
Открытие полупроводниковых свойств относится к XIX веку: в 1833 году Майкл Фарадей заметил аномальное поведение селена, а в 1874 году Карл Фердинанд Браун обнаружил ректификацию на контакте металл—полупроводник. Теория полупроводников была создана в 1930-е годы Феликсом Блохом, Аланом Уилсоном и другими. Практическое применение началось со свинцово-сурьмяных детекторов радио приёмников в 1920-е годы и германиевых транзисторов в конце 1940-х. Промышленное производство микросхем на кремнии началось в 1960-е годы.
¶Интересные факты
- Кремний — второй по распространённости элемент в земной коре (после кислорода), что делает его дешёвым сырьём.
- Ширина запрещённой зоны кремния при комнатной температуре — 1,12 эВ, германия — 0,66 эВ.
- Графен — двумерный полупроводник с аномально высокой подвижностью носителей, открыт в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новосёловым (Нобелевская премия по физике, 2010).
Источники:
- Касьянов В. А. «Физика полупроводника»
- Шокли У. «Электроны и дырки в полупроводниках»
- «Большая российская энциклопедия», статья «Полупроводник»
- Справочник по физике полупроводников (Ioffe Institute)