Mikä on puolijohde

Sähkönjohtimien ohella luonnossa on monia aineita, joiden sähkönjohtavuus on huomattavasti pienempi kuin metallijohtimien. Tämän tyyppisiä aineita kutsutaan puolijohteiksi.

Puolijohteita ovat: tietyt kemialliset alkuaineet, kuten seleeni, pii ja germanium, rikkiyhdisteet, kuten talliumsulfidi, kadmiumsulfidi, hopeasulfidi, karbidit, kuten karborundi, hiili (timantti), boori, tina, fosfori, antimoni, arseeni, telluuri, jodi , ja joukko yhdisteitä, jotka sisältävät vähintään yhden Mendeleev-järjestelmän 4-7 ryhmän alkuaineista. On myös orgaanisia puolijohteita.

Puolijohteen sähkönjohtavuuden luonne riippuu puolijohteen perusmateriaalissa olevien epäpuhtauksien tyypistä ja sen osien valmistustekniikasta.

Puolijohde — aine sähkönjohtavuus 10-10 — 104 (ohm x cm)-1, joka sijaitsee näiden ominaisuuksien mukaan johtimen ja eristeen välissä.Ero johtimien, puolijohteiden ja eristeiden välillä kaistateorian mukaan on seuraava: puhtaissa puolijohteissa ja elektronisissa eristimissä täytetyn (valenssi)kaistan ja johtavuuskaistan välillä on kielletty energiakaista.

Miksi puolijohteet johtavat virtaa

Puolijohteella on elektronijohtavuus, jos sen epäpuhtausatomeissa olevat ulommat elektronit ovat suhteellisen heikosti sitoutuneita näiden atomien ytimiin. Jos tämän tyyppisessä puolijohteessa luodaan sähkökenttä, tämän kentän voimien vaikutuksesta puolijohteen epäpuhtausatomien ulkoelektronit jättävät atomiensa rajat ja muuttuvat vapaiksi elektroneiksi.

Vapaat elektronit luovat sähkönjohtavuusvirran puolijohteeseen sähkökenttävoimien vaikutuksesta. Siksi sähkövirran luonne sähköä johtavissa puolijohteissa on sama kuin metallijohtimissa. Mutta koska puolijohteen tilavuusyksikköä kohti on monta kertaa vähemmän vapaita elektroneja kuin metallijohteen tilavuusyksikköä kohti, on luonnollista, että kaikkien muiden ehtojen ollessa samat puolijohteessa oleva virta on monta kertaa pienempi kuin metallissa. kapellimestari.

Puolijohteella on "reikä" johtavuus, jos sen epäpuhtauden atomit eivät vain luovuta ulkoelektronejaan, vaan päinvastoin pyrkivät vangitsemaan puolijohteen pääaineen atomien elektronit. Jos epäpuhtausatomi ottaa elektronin pois pääaineen atomista, niin jälkimmäiseen muodostuu eräänlainen vapaa tila elektronille - "reikä".

Puolijohdeatomia, joka on menettänyt elektronin, kutsutaan "elektronireiäksi" tai yksinkertaisesti "reiäksi".Jos "reikä" täyttyy viereisestä atomista siirtyneellä elektronilla, se eliminoituu ja atomi muuttuu sähköisesti neutraaliksi ja "reikä" siirtyy viereiseen atomiin, joka on menettänyt elektronin. Siksi, jos sähkökenttä kohdistetaan "reikä"-johtavaan puolijohteeseen, "elektronireiät" liikkuvat tämän kentän suuntaan.

"Elektronireikien" esijännite sähkökentän toiminnan suunnassa on samanlainen kuin positiivisten sähkövarausten liike kentässä ja on siksi puolijohteessa olevan sähkövirran ilmiö.

Puolijohteita ei voida tiukasti erottaa niiden sähkönjohtavuuden mekanismin mukaan, koska "Hole"-johtavuuden ohella tällä puolijohteella voi olla elektroninen johtavuus jossain määrin.

Puolijohteille on tunnusomaista:

• johtavuuden tyyppi (elektroninen - n-tyyppi, reikä -p -tyyppi);

• vastus;

• varauksen kantajan elinikä (vähemmistö) tai diffuusion pituus, pinnan rekombinaationopeus;

• dislokaatiotiheys.

Katso myös: Puolijohteiden virta-jännite-ominaisuudet Pii on yleisin puolijohdemateriaali

Lämpötilalla on olentoja, jotka vaikuttavat puolijohteiden ominaisuuksiin. Sen nousu johtaa pääasiassa vastuksen laskuun ja päinvastoin, ts. puolijohteille on ominaista negatiivinen läsnäolo lämpötilavastuskerroin… Lähellä absoluuttista nollaa puolijohteesta tulee eriste.

Monet laitteet perustuvat puolijohteisiin. Useimmissa tapauksissa ne on saatava yksittäiskiteiden muodossa.Haluttujen ominaisuuksien saamiseksi puolijohteet seostetaan erilaisilla epäpuhtauksilla. Lähtöpuolijohdemateriaalien puhtaudelle asetetaan korkeammat vaatimukset.

Puolijohdelaitteet

Puolijohteinen lämpökäsittely

Puolijohteen lämpökäsittely — puolijohteen lämmitys ja jäähdytys tietyn ohjelman mukaan sen sähköfysikaalisten ominaisuuksien muuttamiseksi.

Muutokset: kidemodifikaatio, dislokaatiotiheys, tyhjien työpaikkojen tai rakenteellisten vikojen keskittyminen, johtavuuden tyyppi, pitoisuus, liikkuvuus ja varauksenkuljettajien elinikä. Viimeiset neljä voivat lisäksi liittyä epäpuhtauksien ja rakenteellisten vikojen vuorovaikutukseen tai epäpuhtauksien diffuusioon suurimmassa osassa kiteitä.

Germaniumnäytteiden kuumentaminen yli 550 °C:n lämpötilaan ja sen jälkeen nopeaan jäähdytykseen johtaa lämpöakseptorien ilmaantumiseen pitoisuuksina, mitä korkeampi lämpötila on. Myöhempi hehkutus samassa lämpötilassa palauttaa alkuperäisen vastuksen.

Tämän ilmiön todennäköinen mekanismi on kuparin liukeneminen germaniumhilassa, joka diffundoituu pinnasta tai oli aiemmin kerrostunut sijoiltaan. Hidas hehkutus saa kuparin kerääntymään rakenteellisiin virheisiin ja poistumaan hilasta. Myös uusien rakenteellisten vikojen ilmaantuminen nopean jäähdytyksen aikana on mahdollista. Molemmat mekanismit voivat lyhentää käyttöikää, mikä on todettu kokeellisesti.

Piissä 350–500 °:n lämpötiloissa lämpöluovuttajia muodostuu pitoisuuksina, mitä suurempi on, mitä enemmän happea liukenee piin kiteen kasvun aikana. Korkeammissa lämpötiloissa lämmön luovuttajat tuhoutuvat.

Kuumentaminen lämpötiloihin alueella 700 - 1300 ° lyhentää jyrkästi vähemmistövarauksen kantajien käyttöikää (> 1000 °:ssa ratkaiseva rooli on epäpuhtauksien diffuusiolla pinnasta). Piin kuumentaminen 1000-1300°:ssa vaikuttaa valon optiseen absorptioon ja siroamiseen.

Puolijohteiden käyttö

Nykyaikaisissa teknologioissa puolijohteet ovat löytäneet laajimman sovelluksen; niillä on ollut erittäin vahva vaikutus teknologian kehitykseen. Niiden ansiosta on mahdollista vähentää merkittävästi elektronisten laitteiden painoa ja mittoja. Kaikkien elektroniikan alueiden kehitys johtaa lukuisten puolijohdelaitteisiin perustuvien erilaisten laitteiden luomiseen ja parantamiseen. Puolijohdelaitteet toimivat perustana mikrosoluille, mikromoduuleille, koville piireille jne.

Puolijohdelaitteisiin perustuvat elektroniset laitteet ovat käytännössä inertiattomia. Huolellisesti rakennettu ja hyvin tiivistetty puolijohdelaite voi kestää kymmeniä tuhansia tunteja. Joillakin puolijohdemateriaaleilla on kuitenkin pieni lämpötilaraja (esim. germanium), mutta ei kovin vaikea lämpötilan kompensointi tai laitteen perusmateriaalin korvaaminen toisella (esim. pii, piikarbidi) poistaa tämän haitan suurelta osin. Puolijohdelaitteiden valmistusteknologian käyttö johtaa edelleen olemassa olevan parametrien hajaantumisen ja epävakauden vähenemiseen.

Puolijohteet elektroniikassa

Puolijohteisiin syntyvää puolijohde-metalli-kosketinta ja elektroni-reikäliitosta (n-p-liitos) käytetään puolijohdediodien valmistuksessa.Kaksoisliitokset (p-n-p tai n-R-n) - transistorit ja tyristorit. Näitä laitteita käytetään pääasiassa sähköisten signaalien tasasuuntaamiseen, generointiin ja vahvistamiseen.

Puolijohteiden valosähköisiä ominaisuuksia käytetään valovastusten, valodiodien ja valotransistoreiden luomiseen. Puolijohde toimii värähtelyjen oskillaattorien (vahvistimien) aktiivisena osana puolijohdelaserit… Kun sähkövirta kulkee pn-liitoksen läpi eteenpäin, varauksen kantajat - elektronit ja reiät - yhdistyvät uudelleen fotonien emission kanssa, jota käytetään LEDien luomiseen.

LEDit

Puolijohteiden lämpösähköiset ominaisuudet mahdollistivat puolijohteiden lämpöresistanssien, puolijohdetermoparien, termoparien ja lämpögeneraattoreiden luomisen sekä puolijohteiden lämpösähköisen jäähdytyksen Peltier-ilmiöön perustuen, — lämpösähköisiä jääkaappeja ja termostabilisaattoreita.

Puolijohteita käytetään mekaanisissa lämpö- ja aurinkoenergiamuuntimissa sähköisissä lämpögeneraattoreissa ja valosähköisissä muuntimissa (aurinkokennoissa).

Puolijohteeseen kohdistettu mekaaninen jännitys muuttaa sen sähkövastusta (vaikutus on voimakkaampi kuin metallien), mikä on puolijohteen venymämittarin perusta.

Puolijohdelaitteet ovat yleistyneet maailmankäytännössä, mullistaen elektroniikan, ja ne toimivat perustana seuraavien tuotteiden kehittämiselle ja tuotannolle:

• mittalaitteet, tietokoneet,

• laitteet kaikenlaiseen viestintään ja kuljetuksiin,

• teolliseen prosessiautomaatioon,

• tutkimuslaitteet,

• raketti,

• lääketieteelliset laitteet

• muut elektroniset laitteet ja laitteet.

Puolijohdelaitteiden käytön avulla voit luoda uusia laitteita ja parantaa vanhoja, mikä tarkoittaa, että se vähentää sen kokoa, painoa, virrankulutusta ja siten vähentää lämmön muodostumista piirissä, lisää voimaa, välitöntä toimintavalmiutta, se antaa voit pidentää elektronisten laitteiden käyttöikää ja luotettavuutta.