Τι είναι ημιαγωγός

Μαζί με τους αγωγούς του ηλεκτρισμού, υπάρχουν πολλές ουσίες στη φύση που έχουν σημαντικά χαμηλότερη ηλεκτρική αγωγιμότητα από τους μεταλλικούς αγωγούς. Οι ουσίες αυτού του τύπου ονομάζονται ημιαγωγοί.

Οι ημιαγωγοί περιλαμβάνουν: ορισμένα χημικά στοιχεία όπως σελήνιο, πυρίτιο και γερμάνιο, ενώσεις θείου όπως θειούχο θάλλιο, θειούχο κάδμιο, θειούχο άργυρο, καρβίδια όπως καρβορούνδιο, άνθρακας (διαμάντι), βόριο, κασσίτερος, φώσφορος, αντιμόνιο, αρσενικό, τελλούριο, ιώδιο , και έναν αριθμό ενώσεων που περιλαμβάνουν τουλάχιστον ένα από τα στοιχεία της ομάδας 4 — 7 του συστήματος Mendeleev. Υπάρχουν και οργανικοί ημιαγωγοί.

Η φύση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του ημιαγωγού εξαρτάται από τον τύπο των ακαθαρσιών που υπάρχουν στο βασικό υλικό του ημιαγωγού και από την τεχνολογία κατασκευής των συστατικών του μερών.

Ημιαγωγός — ουσία με ηλεκτρική αγωγιμότητα 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 που βρίσκεται από αυτές τις ιδιότητες μεταξύ του αγωγού και του μονωτή.Η διαφορά μεταξύ αγωγών, ημιαγωγών και μονωτών σύμφωνα με τη θεωρία ζωνών είναι η εξής: στους καθαρούς ημιαγωγούς και στους ηλεκτρονικούς μονωτές υπάρχει μια απαγορευμένη ενεργειακή ζώνη μεταξύ της ζώνης πλήρωσης (σθένους) και της ζώνης αγωγιμότητας.

Γιατί οι ημιαγωγοί μεταφέρουν ρεύμα

Ένας ημιαγωγός έχει ηλεκτρονική αγωγιμότητα εάν τα εξωτερικά ηλεκτρόνια στα άτομα ακαθαρσίας του είναι σχετικά ασθενώς συνδεδεμένα με τους πυρήνες αυτών των ατόμων. Εάν δημιουργηθεί ηλεκτρικό πεδίο σε αυτόν τον τύπο ημιαγωγών, τότε υπό την επίδραση των δυνάμεων αυτού του πεδίου, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ακαθαρσιών ατόμων του ημιαγωγού θα εγκαταλείψουν τα όρια των ατόμων τους και θα γίνουν ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα δημιουργήσουν ένα ρεύμα ηλεκτρικής αγωγής στον ημιαγωγό υπό την επίδραση των δυνάμεων του ηλεκτρικού πεδίου. Επομένως, η φύση του ηλεκτρικού ρεύματος στους ηλεκτρικά αγώγιμους ημιαγωγούς είναι η ίδια όπως και στους μεταλλικούς αγωγούς. Επειδή όμως υπάρχουν πολλές φορές λιγότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια ανά μονάδα όγκου ενός ημιαγωγού από ό,τι ανά μονάδα όγκου ενός μεταλλικού αγωγού, είναι φυσικό ότι, εφόσον όλες οι άλλες συνθήκες είναι ίδιες, το ρεύμα σε έναν ημιαγωγό θα είναι πολλές φορές μικρότερο από ό,τι σε έναν μεταλλικό αγωγός.

Ένας ημιαγωγός έχει αγωγιμότητα «οπής» εάν τα άτομα της ακαθαρσίας του όχι μόνο δεν εγκαταλείπουν τα εξωτερικά τους ηλεκτρόνια, αλλά, αντίθετα, τείνουν να συλλάβουν τα ηλεκτρόνια των ατόμων της κύριας ουσίας του ημιαγωγού. Εάν ένα άτομο ακαθαρσίας αφαιρεί ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο της κύριας ουσίας, τότε στο τελευταίο σχηματίζεται ένα είδος ελεύθερου χώρου για ένα ηλεκτρόνιο - μια "τρύπα".

Ένα άτομο ημιαγωγού που έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο ονομάζεται «ηλεκτρονική οπή» ή απλά «τρύπα».Εάν η «τρύπα» γεμίσει με ένα ηλεκτρόνιο που μεταφέρεται από ένα γειτονικό άτομο, τότε εξαλείφεται και το άτομο γίνεται ηλεκτρικά ουδέτερο και η «τρύπα» μετακινείται στο γειτονικό άτομο που έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο. Επομένως, εάν εφαρμοστεί ένα ηλεκτρικό πεδίο σε έναν ημιαγωγό με αγωγιμότητα «οπής», οι «ηλεκτρονικές οπές» θα κινηθούν προς την κατεύθυνση αυτού του πεδίου.

Η προκατάληψη των «ηλεκτρονικών οπών» προς την κατεύθυνση δράσης ενός ηλεκτρικού πεδίου είναι παρόμοια με την κίνηση των θετικών ηλεκτρικών φορτίων σε ένα πεδίο και επομένως είναι ένα φαινόμενο ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν ημιαγωγό.

Οι ημιαγωγοί δεν μπορούν να διαφοροποιηθούν αυστηρά ανάλογα με τον μηχανισμό της ηλεκτρικής τους αγωγιμότητας, γιατί μαζί με την αγωγιμότητα «Τρύπας», αυτός ο ημιαγωγός μπορεί να έχει ηλεκτρονική αγωγιμότητα στον ένα ή τον άλλο βαθμό.

Οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται από:

• τύπος αγωγιμότητας (ηλεκτρονική - n-τύπου, τρύπα -p -τύπου).

• αντίσταση;

• Διάρκεια ζωής φορέα φορτίου (μειοψηφία) ή μήκος διάχυσης, ρυθμός ανασυνδυασμού επιφάνειας.

• πυκνότητα εξάρθρωσης.

Δείτε επίσης: Χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης ημιαγωγών Το πυρίτιο είναι το πιο κοινό υλικό ημιαγωγών

Η θερμοκρασία έχει όντα που επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά των ημιαγωγών. Η αύξησή του οδηγεί κυρίως σε μείωση της αντίστασης και αντίστροφα, δηλ. οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται από την παρουσία αρνητικών συντελεστής αντίστασης θερμοκρασίας… Κοντά στο απόλυτο μηδέν, ο ημιαγωγός γίνεται μονωτής.

Πολλές συσκευές βασίζονται σε ημιαγωγούς. Στις περισσότερες περιπτώσεις, πρέπει να λαμβάνονται με τη μορφή μονοκρυστάλλων.Για να δώσουν τις επιθυμητές ιδιότητες, οι ημιαγωγοί εμποτίζονται με διάφορες ακαθαρσίες. Αυξημένες απαιτήσεις επιβάλλονται στην καθαρότητα των αρχικών ημιαγωγών υλικών.

Συσκευές ημιαγωγών

Θερμική επεξεργασία ημιαγωγών

Θερμική επεξεργασία ενός ημιαγωγού — θέρμανση και ψύξη ενός ημιαγωγού σύμφωνα με ένα δεδομένο πρόγραμμα προκειμένου να αλλάξουν οι ηλεκτροφυσικές του ιδιότητες.

Αλλαγές: τροποποίηση κρυστάλλου, πυκνότητα εξάρθρωσης, συγκέντρωση κενών θέσεων ή δομικά ελαττώματα, τύπος αγωγιμότητας, συγκέντρωση, κινητικότητα και διάρκεια ζωής των φορέων φορτίου. Τα τελευταία τέσσερα, επιπλέον, μπορούν να σχετίζονται με την αλληλεπίδραση ακαθαρσιών και δομικών ελαττωμάτων ή με τη διάχυση ακαθαρσιών στον κύριο όγκο των κρυστάλλων.

Η θέρμανση των δειγμάτων γερμανίου σε θερμοκρασία >550 °C ακολουθούμενη από ταχεία ψύξη έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση θερμικών δεκτών σε συγκεντρώσεις όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία. Η επακόλουθη ανόπτηση στην ίδια θερμοκρασία αποκαθιστά την αρχική αντίσταση.

Ο πιθανός μηχανισμός αυτού του φαινομένου είναι η διάλυση του χαλκού στο πλέγμα γερμανίου που διαχέεται από την επιφάνεια ή είχε προηγουμένως αποτεθεί σε εξαρθρήματα. Η αργή ανόπτηση προκαλεί την εναπόθεση του χαλκού σε δομικά ελαττώματα και την έξοδο από το πλέγμα. Είναι επίσης δυνατή η εμφάνιση νέων δομικών ελαττωμάτων κατά την ταχεία ψύξη. Και οι δύο μηχανισμοί μπορούν να μειώσουν τη διάρκεια ζωής, η οποία έχει καθιερωθεί πειραματικά.

Στο πυρίτιο σε θερμοκρασίες 350 - 500 °, ο σχηματισμός θερμικών δοτών συμβαίνει σε συγκεντρώσεις όσο υψηλότερες, τόσο περισσότερο οξυγόνο διαλύεται στο πυρίτιο κατά την ανάπτυξη των κρυστάλλων. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, οι δότες θερμότητας καταστρέφονται.

Η θέρμανση σε θερμοκρασίες στην περιοχή 700-1300 ° μειώνει απότομα τη διάρκεια ζωής των φορέων μειοψηφίας φορτίου (σε > 1000 ° τον καθοριστικό ρόλο παίζει η διάχυση των ακαθαρσιών από την επιφάνεια). Η θέρμανση του πυριτίου στους 1000-1300 ° επηρεάζει την οπτική απορρόφηση και τη σκέδαση του φωτός.

Εφαρμογή ημιαγωγών

Στις σύγχρονες τεχνολογίες, οι ημιαγωγοί έχουν βρει την ευρύτερη εφαρμογή. είχαν πολύ ισχυρό αντίκτυπο στην τεχνολογική πρόοδο. Χάρη σε αυτά, είναι δυνατό να μειωθεί σημαντικά το βάρος και οι διαστάσεις των ηλεκτρονικών συσκευών. Η ανάπτυξη όλων των τομέων της ηλεκτρονικής οδηγεί στη δημιουργία και τη βελτίωση ενός μεγάλου αριθμού διαφορετικών εξοπλισμών που βασίζονται σε συσκευές ημιαγωγών. Οι συσκευές ημιαγωγών χρησιμεύουν ως βάση για μικροκυψέλες, μικρομονάδες, σκληρά κυκλώματα κ.λπ.

Οι ηλεκτρονικές συσκευές που βασίζονται σε συσκευές ημιαγωγών είναι πρακτικά χωρίς αδράνεια. Μια προσεκτικά κατασκευασμένη και καλά σφραγισμένη συσκευή ημιαγωγών μπορεί να διαρκέσει για δεκάδες χιλιάδες ώρες. Ωστόσο, ορισμένα υλικά ημιαγωγών έχουν μικρό όριο θερμοκρασίας (για παράδειγμα, γερμάνιο), αλλά όχι πολύ δύσκολη αντιστάθμιση θερμοκρασίας ή αντικατάσταση του υλικού βάσης της συσκευής με άλλο (π.χ. πυρίτιο, καρβίδιο του πυριτίου) εξαλείφει σε μεγάλο βαθμό αυτό το μειονέκτημα. της τεχνολογίας κατασκευής συσκευών ημιαγωγών έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της ακόμη υπάρχουσας διασποράς και αστάθειας των παραμέτρων.

Ημιαγωγοί στα ηλεκτρονικά

Η επαφή ημιαγωγού-μετάλλου και η διασταύρωση ηλεκτρονίου-οπής (n-p junction) που δημιουργούνται στους ημιαγωγούς χρησιμοποιούνται στην κατασκευή διόδων ημιαγωγών.Διπλοί σύνδεσμοι (p-n-p ή n-R-n) — τρανζίστορ και θυρίστορ. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται κυρίως για τη διόρθωση, τη δημιουργία και την ενίσχυση ηλεκτρικών σημάτων.

Οι φωτοηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία φωτοαντιστάσεων, φωτοδιόδων και φωτοτρανζίστορ. Ο ημιαγωγός χρησιμεύει ως το ενεργό μέρος των ταλαντωτών (ενισχυτών) των ταλαντώσεων λέιζερ ημιαγωγών… Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από τη διασταύρωση pn προς τα εμπρός, οι φορείς φορτίου —ηλεκτρόνια και οπές— ανασυνδυάζονται με την εκπομπή φωτονίων, η οποία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία LED.

LED

Οι θερμοηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών κατέστησαν δυνατή τη δημιουργία θερμοηλεκτρικών αντιστάσεων ημιαγωγών, θερμοζευγών ημιαγωγών, θερμοζευγών και θερμοηλεκτρικών γεννητριών και θερμοηλεκτρικής ψύξης ημιαγωγών με βάση το φαινόμενο Peltier, — θερμοηλεκτρικά ψυγεία και θερμοηλεκτρικά ψυγεία.

Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται σε μηχανικούς μετατροπείς θερμότητας και ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρικές — θερμοηλεκτρικές γεννήτριες και φωτοηλεκτρικούς μετατροπείς (ηλιακά κύτταρα).

Η μηχανική καταπόνηση που ασκείται σε έναν ημιαγωγό αλλάζει την ηλεκτρική αντίστασή του (το αποτέλεσμα είναι ισχυρότερο από ό,τι για τα μέταλλα), η οποία είναι η βάση του μετρητή καταπόνησης ημιαγωγών.

Οι συσκευές ημιαγωγών έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένες στην παγκόσμια πρακτική, φέρνοντας επανάσταση στα ηλεκτρονικά, χρησιμεύουν ως βάση για την ανάπτυξη και την παραγωγή:

• εξοπλισμός μέτρησης, υπολογιστές,

• εξοπλισμός για όλους τους τύπους επικοινωνιών και μεταφορών,

• για αυτοματισμό βιομηχανικών διεργασιών,

• ερευνητικές συσκευές,

• ρουκέτα,

• ιατρικός εξοπλισμός

• άλλες ηλεκτρονικές συσκευές και συσκευές.

Η χρήση συσκευών ημιαγωγών σας επιτρέπει να δημιουργήσετε νέο εξοπλισμό και να βελτιώσετε τον παλιό, πράγμα που σημαίνει ότι μειώνει το μέγεθος, το βάρος, την κατανάλωση ενέργειας και, ως εκ τούτου, μειώνει την παραγωγή θερμότητας στο κύκλωμα, αυξάνοντας τη δύναμη, άμεση ετοιμότητα για δράση, δίνει σας επιτρέπει να αυξήσετε τη διάρκεια ζωής και την αξιοπιστία των ηλεκτρονικών συσκευών.