Полупроводниковые приборы¶

Полупроводниковые приборы — это класс электронных приборов, принцип действия которых основан на использовании свойств полупроводниковых материалов (германия, кремния, арсенида галлия и других), электропроводность которых существенно зависит от температуры, освещения, примесей и приложенного напряжения. К полупроводниковым приборам относятся диоды, тиристоры, транзисторы, солнечные элементы, фотоприёмники, интегральные схемы и многие другие устройства, широко применяемые в электронике, энергетике, автоматике и связи.

¶Физические принципы работы

Основу работы полупроводниковых приборов составляют явления в полупроводниках — материалах, занимающих по удельной проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Удельная электропроводность полупроводников при комнатной температуре составляет порядка 10⁻⁷…10³ См/м (для сравнения: у металлов — 10⁷…10⁸ См/м, у диэлектриков — 10⁻¹⁸…10⁻¹⁰ См/м).

Ключевые физические явления, лежащие в основе работы таких приборов:

• Термоэлектронная эмиссия — выбивание электронов с нагретого катода.
• Фотоэффект — возникновение электрического тока под действием света.
• Рекомбинация и генерация носителей заряда — процессы образования и исчезновения электронов и дырок.
• Формирование p-n перехода — границы между полупроводником с электронной (n-типа) и дырочной (p-типа) проводимостью, обладающей односторонней проводимостью.

При изменении температуры, освещённости или подаче примесей концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике меняется, что и обеспечивает управляемость прибора.

¶Классификация

Полупроводниковые приборы классифицируют по нескольким признакам.

По функциональному назначению:

По типу полупроводникового материала различают приборы на основе германия, кремния, арсенида галлия, карбида кремния, нитрида галлия и других соединений. Кремний является наиболее распространённым материалом благодаря его обилию в земной коре, стабильным свойствам и удобству технологии.

По конструктивному исполнению выделяют дискретные приборы (отдельные диоды, транзисторы) и интегральные схемы, объединяющие тысячи и миллиарды элементов на одном кристалле.

¶Основные типы приборов

¶Диоды

Полупроводниковый диод — простейший прибор, содержащий один p-n переход. Обладает односторонней проводимостью: пропускает ток в одном направлении (прямое включение) и блокирует его в обратном. Применяется для выпрямления переменного тока, детектирования сигналов, ограничения напряжения. Существуют разновидности: стабилитроны (стабилизируют напряжение), варикапы (ёмкость управляется напряжением), светодиоды, туннельные диоды.

¶Транзисторы

Полупроводниковые транзисторы — приборы с управляемым током, содержащие два p-n перехода. Различают биполярные транзисторы (управление током базы) и полевые (управление напряжением затвора). Транзисторы являются основой современной электроники: они выполняют функции усилителей, переключателей, генераторов. Из транзисторов собирают логические элементы интегральных схем.

¶Тиристоры

Тиристоры — полупроводниковые приборы с четырьмя слоями (p-n-p-n), работающие как управляемые ключи. Применяются в силовой электронике для управления большими мощностями: в преобразовательных устройствах, электроприводах, системах стабилизации напряжения.

¶Солнечные элементы

Солнечные элементы (фотоэлектрические преобразователи) используют внутренний фотоэффект в p-n переходе для преобразования солнечной энергии в электрическую. КПД современных кремниевых солнечных элементов достигает 20–25 %. В России производство солнечных элементов развито в рамках программ развития возобновляемой энергетики.

¶Технология производства

Основная технология изготовления полупроводниковых приборов — планарная технология, при которой структуры формируются на поверхности кремниевой пластины (вадфера) методами фотолитографии, диффузии, ионной имплантации, осаждения плёнок. Размеры элементов в современных интегральных схемах достигают нескольких нанометров.

В России действуют предприятия полупроводниковой отрасли: «Ангстрем-Т» (Зеленоград), «Микрон» (Саранск), «Константа» (Санкт-Петербург), «НПО «Эльвис» и другие. Развивается собственная программа импортозамещения в области микроэлектроники.

¶Применение

Полупроводниковые приборы применяются практически во всех областях техники:

• Электроника и вычислительная техника — микропроцессоры, память, датчики.
• Энергетика — преобразователи электрической энергии, управляемые выпрямители, инверторы для солнечных электростанций и ветрогенераторов.
• Связь — усилители, генераторы, модуляторы, фотоприёмники волоконно-оптических линий.
• Автоматика и робототехника — датчики, контроллеры, исполнительные устройства.
• Освещение — светодиодные светильники, лазеры.
• Медицина — аппаратура визуализации, портативные диагностические устройства.

¶Значение

Полупроводниковые приборы стали основой второй половины XX века, определив развитие информационных технологий, энергетики, транспорта и связи. Переход от вакуумных ламп к полупроводниковым устройствам обеспечил резкое снижение энергопотребления, габаритов и стоимости электроники. Массовое производство интегральных схем сделало вычислительную технику доступной и привело к формированию глобальной индустрии микроэлектроники.

¶История

Исследования полупроводниковых свойств начались в XIX веке, однако первые практические приборы появились в 1940-х годах. В 1947 году в лаборатории Bell Labs были созданы первые биполярные транзисторы (Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Брэттейн). В СССР работы по полупроводниковой электронике велись под руководством А. Ф. Иоффе, а первые кремниевые тиристоры и транзисторы были разработаны в 1950-х годах в Институте полупроводников АН СССР (ныне ИПМ РАН).

Источники:

• «Основы электроники» — учебник под ред. А. В. Матвеева.
• «Полупроводниковые приборы» — В. С. Вавилов, Г. Ф. Караваев.
• Большая российская энциклопедия (статьи о полупроводниках и транзисторах).
• «Микроэлектроника» — учебник под ред. И. А. Ушакова.