Содержание
Материаловедение (Арзамасов Б. Н.)
Материаловедение (Арзамасов Б. Н.)
Оглавление
|
2. Основное оборудование для термической обработки
2. Конструкционная прочность материалов и критерии ее оценки
Полупроводниками называют вещества, обладающие электронной проводимостью, занимающей промежуточное положение между металлами и изоляторами. От металлов они отличаются тем, что носители электрического тока в них создаются тепловым движением, светом, потоком электронов и т.п. источником энергии. Без теплового движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводники являются изоляторами. С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастает и при расплавлении носит металлический характер. Полупроводники – это новые материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач. В настоящее время насчитывается свыше двадцати различных областей, в которых с помощью полупроводников разрешаются важнейшие вопросы эксплуатации машин и механизмов, контроля производственных процессов, получения электрической энергии, усиления высокочастотных колебаний и генерирования радиоволн, создания с помощью электрического тока тепла или холода, и для осуществления многих других процессов. К полупроводниковым материалам относится большинство минералов, неметаллические элементы IV, V, VI групп периодической системы Менделеева, неорганические соединения (оксиды, сульфиды), некоторые сплавы металлов, органические красители. При температурах около абсолютного нуля в идеальном кристалле кремния или германия все ковалентные связи заполнены, а все электроны связаны с атомами и не могут участвовать в процессе электропроводности. Чтобы электрон мог проводить электрический ток, нужно затратить некоторую работу для его освобождения из ковалентной связи. Это происходит при освещении кристалла. Свет, как известно, представляет собой поток частиц – фотонов, или квантов света. Если энергия фотона больше или равна энергии разрыва связи, то электрон может стать свободным и сможет принимать участие в процессе электропроводности. С прекращением освещения электропроводность кристалла начнёт уменьшаться, так как электроны, которые освободились под действием света, будут размещаться в связях, т.е. произойдёт рекомбинация электронов и дырок. Этот процесс заканчивается в течение тысячных долей секунды или меньше и кристалл снова перестаёт проводить электрический ток. Наименьшая энергия, которая необходима для перевода электрона из заполненной зоны в зону проводимости, определяет собой величину энергетического интервала между этими двумя или ширину запретной зоны. Для разрыва валентных связей при очень низких температурах необходима энергия, равная 1,2 эв (≈0.1922 адж) для кремния и 0,75 эв (≈0,1201 адж) для германия. В световом луче энергия фотонов значительно выше: так, для жёлтого света она составляет 2 эв (≈0,3204 адж). Освобождение электронов может произойти и другим путём, например при нагревании кристалла, когда энергия колебания атомов в кристаллической решётке может увеличиться настолько, что связи разрушатся и электроны смогут освободиться. Этот процесс также протекает с образованием дырок. В идеальных кристаллах, где количества электронов и дырок равны, проводимость называется собственной. Идеальные кристаллы, не содержащие никаких примесей, встречаются очень редко. Примеси в кристаллах полупроводников могут увеличивать количество электронов или дырок. Было установлено, что введение одного атома сурьмы в кубический сантиметр германия или кремния приводит к появлению одного электрона, а одного атома бора – к появлению одной дырки. Появление электронной или дырочной проводимости при введении в идеальный кристалл различных примесей происходит следующим образом. Предположим, что в кристалле кремния один из атомов замещен атомом сурьмы. Сурьма на внешней электронной оболочке имеет пять электронов (V группа периодической системы). После того как «лишний», пятый, электрон удалён, атом сурьмы становится положительно заряженным ионом, имеющим четыре валентных электрона, как и все атомы кремния, т. Примеси, обусловливающие возникновение электронной проводимости в кристаллах, называются донорами. В кремнии и германии ими являются элементы V группы таблицы Менделеева – сурьма, фосфор, мышьяк и висмут. Трёхвалентный атом примеси бора в решётке кремния ведёт себя поиному. На внешней оболочке атома бора имеются только три валентных электрона. Значит, не хватает одного электрона, чтобы заполнить четыре валентные связи с четырьмя ближайшими соседями. Свободная связь может быть заполнена электроном, перешедшим из какойлибо другой связи, эта связь заполнится электронами следующей связи и т.д. Положительная дырка (незаполненная связь) может перемещаться по кристаллу от одного атома к другому (при движении электрона в противоположном направлении). Когда электрон заполнит недостающую валентную связь, примесный атом бора станет отрицательно заряженным ионом, заменяющим атом кремния в кристаллической решётке. Дырка будет слабо связана с атомом бора силами электростатического притяжения и будет двигаться около него по орбите, подобной орбите электрона в атоме водорода. Количество носителей тока, возникающих при введении примеси каждого вида в отдельности, зависит от концентрации примеси и энергии её ионизации в данном полупроводнике. Однако большинство практически используемых примесей при комнатной температуре полностью ионизировано, поэтому концентрация носителей, создаваемая при этих условиях примесями, определяется только их концентрацией и для многих из них равна числу введенных в полупроводник атомов примеси. Каждый атом донорной примеси вносит один электрон проводимости, следовательно, чем больше донорных атомов в каждом кубическом сантиметре полупроводника, тем больше концентрация их превышает концентрацию дырок, и проводимость носит электронный характер. Обратное положение имеет место при введении акцепторных примесей. При равной концентрации донорной и акцепторной примесей в кристалле проводимость будет обеспечиваться, как и в собственном полупроводнике, электронами и дырками за счёт разрыва валентных связей. Такой полупроводник называется компенсированным. Количество электричества, переносимого дырками или электронами, определяется не только концентрацией носителей, но и подвижностью электронов и дырок. Важнейшей характеристикой, определяющей качество германия и кремния в технике полупроводниковых приборов, является величина τ, называемая временем жизни неосновных носителей тока. В большинстве случаев τ желательно иметь максимальным. Для использования германия и кремния в полупроводниковых приборах (например, солнечных батареях, преобразующих световую энергию в электрическую) и инфракрасной оптике важно знать коэффициент преломления, отражательную способность и пропускание света в широком диапазоне длин волн. Наряду с элементарными полупроводниками в полупроводниковой технике находят широкое применение полупроводниковые соединения, получаемые путём сплавления или химической обработки чистых элементов. Таковы закись меди (Cu2O), из которой изготавливают полупроводниковые выпрямители разнообразных типов, сурьмянистый цинк (SbZn), используемый для изготовления полупроводниковых термобатарей, теллуристый свинец (PbTe), нашедший применение для изготовления фотоэлектрических приборов и для отрицательной ветви термоэлементов и многие другие. Особый интерес представляют соединения типа АIIIВV. Получают их путём синтеза элементов III и V групп периодической системы элементов Менделеева. Из соединений этого типа наиболее интересными полупроводниковыми свойствами обладают A1P, A1As, A1Sb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb. По ряду свойств эти соединения близки к полупроводниковым элементам IV группы германию и кремнию. Подвижность носителей тока в них достигает больших значений; ширина запрещённой зоны у некоторых из этих соединений также велика; примеси, вводимые в них, изменяют механизм электропроводности; так, некоторые атомы II группы ведут себя как акцепторы, а ряд атомов VI группы – как доноры. Полупроводниковая техника требует применения особо чистых материалов. Примеси, как было уже отмечено, изменяют свойства полупроводников. Поэтому в зависимости от назначения материалов количество примесей в них ограничивают. Легирующие добавки, вводимые в полупроводники для придания им определённых свойств, также должны быть чисты от примесей. В современной технике пользуются рядом способов получения материалов высокой чистоты. Таковы йодидный метод, применяемый для очистки некоторых металлов, и метод зонной плавки; оба они описаны в разделе производства титана. Кроме этих методов, для очистки полупроводниковых материалов применяют некоторые виды их переплавки. Простейшей является открытая переплавка в тигле, устанавливаемом в электрической печи. Во время переплавки порошкообразного материала из него удаляются влага, газы и окислы (последние всплывают вверх). Некоторые окислы затвердевают на поверхности расплава, который можно слить, пробиванием отверстия в корке окислов. Более полной является очистка, производимая при переплавке в вакууме. Материал, подлежащий очистке, загружают в кварцевую ампулу, которую помещают в электрическую печь. Открытый конец ампулы соединяют с вакуумной установкой и откачивают выделяющиеся во время расплавления материала газы и летучие соединения. Откачка длится от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от времени плавки. Высокую степень чистоты полупроводниковых материалов получают возгонкой или сублимацией. Этот метод основан на способности некоторых твёрдых веществ переходить в парообразное состояние, минуя жидкую фазу, а затем в обратном порядке переходить из парообразного в твёрдое состояние, образуя твёрдый продукт – сублимат. Такими свойствами обладают некоторые полупроводники. Возможность возгонки определяется упругостью паров примесей или чистого вещества при данной температуре. Полупроводниковые материалы обладают довольно высокой упругостью паров, что даёт возможность производить возгонку при относительно низких температурах и небольшом вакууме. Различные методы очистки полупроводников дают возможность получать продукт требуемой чистоты. Так, например, зонной плавкой загрязнённого германия удаётся снизить число атомов примеси в нём до одного на 10 атомов германия. |
||
Широко применяемыми полупроводниковыми материалами являются элементы IV группы периодической системы Менделеева – германий и кремний. Это вещества, кристаллизирующиеся в решётке типа алмаза. Такая решётка представляет собой тетраэдр, по вершинам которого расположены четыре атома, окружающие атом, находящийся в центре тетраэдра. Здесь каждый атом связан с четырьмя ближайшими соседями силами ковалентной связи, так как каждый из них имеет четыре внешних валентных электрона.
Здесь происходит переход электронов из наружной заполненной зоны в зону проводимости. При этом вместо ушедшего электрона в кристалле появляется незаполненная связь, которая может быть занята электроном из другой какойнибудь связи. Одновременно в ранее заполненной зоне образуется дырка. Таким образом, незаполненная связь или дырка может перемещаться по кристаллу. Эта незаполненная связь эквивалентна положительной частице, двигающейся по кристаллу под действием внешнего электрического поля. В действительности дырки не представляют собой положительно заряженных частиц. Очевидно, что в идеальном кристалле количество дырок будет равно количеству свободных электронов.
Явление, при котором возникает электрический ток под действием света в кристалле, помещённом во внешнее электрическое поле, называется фотопроводимостью.
Так как удельное сопротивление идеальных кристаллов полупроводников зависит только от температуры, то величина его может служить характеристикой данного полупроводника. Сопротивление идеальных кристаллов называют собственным сопротивлением полупроводника, например, для кремния при 300°К собственное удельное сопротивление равно 63600 Ом·см (636 Ом·м), а для германия при той же температуре 47 Ом·см (0,470 Ом·м).
Четыре электрона образуют парные электронные связи с четырьмя ближайшими соседними атомами кремния. Оставшийся пятый электрон будет двигаться около атома сурьмы по орбите, подобной орбите электрона в атоме водорода, но сила его электрического притяжения к ядру уменьшится соответственно диэлектрической проницаемости кремния. Поэтому, чтобы освободить пятый электрон, нужна незначительная энергия, равная примерно 0,05 эв (≈0,008 адж). Слабо связанный электрон легко может быть оторван от атома сурьмы под действием тепловых колебаний решётки при низких температурах. Такая низкая энергия ионизации примесного атома означает, что при температурах около –100°с, все атомы примесей в германии и кремнии уже ионизированы, а освободившиеся электроны участвуют в процессе электропроводности. В этом случае основными носителями заряда будут электроны, т.е. здесь имеет место электронная проводимость или проводимость n-типа (n — первая буква слова negative).
е. ион сурьмы становится заместителем кремния в кристаллической решётке.
Энергия ионизации, т.е. энергия, необходимая для отрыва дырки от отрицательного иона бора, будет примерно равна 0,05 эв. Поэтому при комнатной температуре все трёхвалентные примесные атомы ионизированы, а дырки принимают участие в процессе электропроводности. Если в кристалле кремния имеется примесь трёхвалентных атомов (III группа периодической системы), то проводимость осуществляется в основном дырками. Такая проводимость носит название дырочной или проводимости р (р — первая буква слова positive). Примеси, вызывающие дырочную проводимость, называются акцепторами. К акцепторам в германии и кремнии относятся элементы третьей группы периодической системы: галлий, таллий, бор, алюминий.
Сублимат осаждается на стенках вертикально установленного конденсатора, причём наиболее летучие примеси оседают в верхней зоне, наименее летучие – внизу, а труднолетучие остаются в остатке. В результате повторной возгонки получают более чистый продукт.Полупроводниковые материалы — IEEE IRDS™
Цена и доступность полупроводниковых материалов варьируются от широко распространенного кремния до дорогих редкоземельных элементов (РЗЭ). Солнечные элементы, полевые транзисторы, датчики IoT и схемы беспилотных автомобилей — все они требуют для работы полупроводниковых материалов. Современный мир буквально обязан своим существованием полупроводникам и материалам, используемым при их производстве.
По мере того, как физические ограничения существующих полупроводниковых материалов достигаются, новые материалы готовы занять их место.
Рынок этих материалов в сочетании с новыми применениями полупроводников меняет производство и закупку материалов во всей отрасли.
Типы полупроводниковых материалов
Доступ к дорожной карте IRDS™
Чтобы понять меняющийся характер производства полупроводников, необходимо понять существующие полупроводниковые материалы и то, как их состав влияет на электронные устройства. Новости отрасли предлагают последние новости о ценах на материалы и исследованиях, но, как правило, предполагают осведомленность о текущих свойствах и ограничениях материалов.
Какие полупроводниковые материалы используются чаще всего?
Наиболее часто используемыми полупроводниковыми материалами являются кремний, германий и арсенид галлия. Из этих трех материалов германий был одним из первых используемых полупроводниковых материалов. Германий имеет четыре валентных электрона, то есть электроны, расположенные на внешней оболочке атома.
Количество валентных электронов в полупроводниковом материале определяет его проводимость. Несмотря на важный шаг в эволюции полупроводниковых материалов, германий в значительной степени вышел из употребления в пользу нынешнего короля полупроводниковых материалов — кремния.
Кремний широко используется в качестве полупроводникового материала с 1950-х годов. Самый распространенный элемент на Земле после углерода, кремний имеет четыре валентных электрона и плавится при более высокой температуре, чем германий (1414 градусов Цельсия по сравнению с 938,3 градусами Цельсия у германия).
Кремний в большом количестве содержится в кварците. Процессы экстракции, очистки и кристаллизации кремния эффективны и экономичны. Этот элемент кристаллизуется в алмазной форме для относительно прочной связи, придавая кристаллам кремния сильные механические свойства.
Арсенид галлия является вторым наиболее распространенным полупроводником, используемым сегодня. В отличие от кремния и германия, арсенид галлия представляет собой соединение, а не элемент, и получается путем соединения галлия с его тремя валентными электронами с мышьяком, имеющим пять валентных электронов.
Восемь валентных электронов заставляют устройства на основе арсенида галлия быстро реагировать на электрические сигналы, что делает это соединение хорошо подходящим для усиления высокочастотных сигналов телевизионных спутников. Однако арсенид галлия имеет некоторые ограничения: это соединение труднее производить в массовом порядке, чем кремний, а химические вещества, используемые при производстве арсенида галлия, довольно токсичны.
Какие полупроводниковые материалы наиболее эффективны?
В дополнение к арсениду галлия составной диоксид кремния обладает характеристиками, превосходящими свойства кремния, что позволяет использовать его в качестве изолятора, пассивирующего слоя и строительного слоя в устройствах на основе металл-оксид-кремния (MOS), типе изолированных затворный полевой транзистор. Диоксид кремния обладает высокой диэлектрической прочностью и более широкой запрещенной зоной, чем кремний, что делает его эффективным изолятором, а соединение легко наносится на другие материалы.
Каковы некоторые из новейших инноваций в области полупроводниковых материалов?
В то время как кремний был наиболее важным материалом в производстве полупроводников на протяжении большей части конца двадцатого и начала двадцать первого веков, кремний подходит к пределу своей полезности. Потребность в все более компактных и быстрых интегральных схемах довела эффективность материала до предела, и отраслевые эксперты опасаются, что кремний скоро достигнет пределов закона Мура. Исследования новых материалов продолжаются, и некоторые материалы имеют большие перспективы в будущем:
- Мощный нитрид галлия может использоваться для более эффективного и быстрого преобразования энергии в системах электросетей благодаря высокому критическому энергетическому полю.
- Полупроводники на основе антимонида и висмутида находят применение в улучшенных инфракрасных датчиках для медицинского и военного секторов.
- У графена есть потенциал превзойти кремний в качестве универсального полупроводникового материала, но до широкой коммерциализации может пройти целых двадцать пять лет.
- Пирит можно использовать для замены редкоземельного элемента теллурида кадмия, который широко используется в солнечных элементах, но запасы которого ограничены. Пирит широко распространен, недорог и нетоксичен.
Подробнее о полупроводниковых материалах см. в дорожной карте IRDS™
Доступ к дорожной карте IRDS™
Свойства полупроводниковых материалов
Полупроводниковые материалы обладают особыми характеристиками, связанными с электропроводностью. Будущее полупроводников зависит от того, удастся ли массово производить новые материалы с такими характеристиками по цене, аналогичной стоимости кремния.
Каковы отличительные характеристики полупроводниковых материалов?
Материалы, обладающие электропроводностью, естественно, называются проводниками. Примеры включают золото, серебро и медь. Изоляторы, с другой стороны, имеют высокое сопротивление и препятствуют электропроводности. Резина, стекло и керамика являются изоляторами.
Полупроводники, как следует из названия, обладают характеристиками как проводников, так и изоляторов. Полупроводники, обычно кристаллические по форме, имеют небольшое количество свободных электронов, необходимых для проводимости. Вместо этого их атомы группируются вместе, образуя кристаллическую решетку, через которую возможна электропроводность, но только при правильных условиях.
При низких температурах полупроводники обладают малой или нулевой проводимостью и действуют как изоляторы. Однако при комнатной температуре или при воздействии света, напряжения или тепла они могут проводить электричество. Именно это квазисостояние между проводниками и изоляторами делает полупроводники столь важными для электронных устройств, поскольку они контролируют, как, когда и куда течет электричество.
Как работают полупроводники?
Металлы проводят электричество, потому что их свободные электроны могут свободно перемещаться между атомами, поскольку электричество требует потока электронов от одного атома к другому.
Полупроводники, такие как чистый кремний, имеют мало свободных электронов и действуют скорее как изоляторы.
Поведение кремния можно подтолкнуть к проводимости с помощью процесса, называемого легированием. Легирование смешивает крошечные примеси с полупроводниковыми материалами. Примеси добавляют «донорные атомы» к основному материалу, способствуя проводимости. Количество примесей, добавляемых к полупроводниковым материалам, ничтожно мало — всего один донорный атом на десять миллионов атомов полупроводника — но достаточно, чтобы обеспечить электропроводность.
Используются две категории примесей, N-типа и P-типа:
- Полупроводники N-типа включают фосфор или мышьяк. Оба вещества имеют пять валентных электронов. При добавлении в решетку кремния одному из легирующих электронов не с чем связываться, поэтому он доступен для обеспечения электрического тока. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому такие полупроводники называют полупроводниками N-типа.
- P-типа «легированы» бором или галлием. Два легирующих элемента имеют только три валентных электрона. Когда они смешиваются с решеткой кремния, нескольким электронам кремния не с чем связываться, что обеспечивает электропроводность. Отсутствие электрона создает положительный заряд, поэтому кремний, легированный бором или галлием, называется полупроводником P-типа.
Полупроводники
Два легирующих элемента имеют только три валентных электрона. Когда они смешиваются с решеткой кремния, нескольким электронам кремния не с чем связываться, что обеспечивает электропроводность. Отсутствие электрона создает положительный заряд, поэтому кремний, легированный бором или галлием, называется полупроводником P-типа. Как производятся полупроводниковые материалы?
При производстве интегральных схем компоненты схемы, такие как транзисторы и проводка, наносятся на поверхность тонкой кремниевой кристаллической пластины. Затем тонкая пленка компонента покрывается фотостойким веществом, на которое с помощью технологии фотолитографии проецируется рисунок схемы.
В результате получается один слой схемы с транзисторами на самом нижнем уровне. Затем процесс повторяется со множеством схем, сформированных друг над другом и полупроводниковой основой.
Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS™
Получите доступ к дорожной карте IRDS™
Применение полупроводниковых материалов
Производство полупроводников обеспечивает основное оборудование почти для всех электронных устройств.
Он используется для усиления энергии, переключения, преобразования энергии, датчиков и многого другого.
Какие изделия обычно изготавливаются из полупроводниковых материалов?
Общие продукты и компоненты, изготовленные из полупроводниковых материалов, включают следующее:
- биполярные транзисторы
- диоды
- полевые транзисторы
- интегральные схемы
- переход полевого транзистора
- Светодиоды (LED)
- Металл-оксид-полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы)
- кремниевые выпрямители
В каких отраслях полупроводниковые материалы используются чаще всего?
Полупроводниковые материалы являются важным компонентом электронных устройств, что делает их жизненно важными почти для всех основных отраслей промышленности. Во всем мире ежедневно используется более ста миллиардов полупроводников.
Отрасли, которые особенно зависят от полупроводниковых материалов, включают следующие:
- искусственный интеллект
- чистая энергия
- связь
- вычисления
- энергия
- здравоохранение
- Интернет вещей
- военный
Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS™
Получите доступ к дорожной карте IRDS™
Рынок полупроводниковых материалов
Поскольку почти все отрасли промышленности зависят от электронных устройств, рынок полупроводников относительно стабилен.
Стоимость материалов, необходимых для начального производства полупроводниковой упаковки, варьируется от легкодоступного кремния и керамики до дорогостоящих редкоземельных металлов.
Как обстоят дела на мировом рынке полупроводниковых материалов?
В 2018 году объем рынка полупроводниковых материалов превысил 50 миллиардов долларов, а к концу 2025 года, по прогнозам, он превысит 70 миллиардов долларов. Прогнозируемый среднегодовой темп роста в период с 2018 по 2025 год оценивается в 4,32 процента.
Что делает полупроводниковые материалы такими ценными?
В то время как некоторые полупроводниковые материалы дешевы и распространены (наиболее очевидным примером является кремний), РЗЭ, используемые в производстве диэлектриков с высоким значением κ и химико-механической полировке, могут быть дорогостоящими.
На стоимость РЗЭ влияют несколько факторов. Процессы, необходимые для выделения РЗЭ из породы, в которой они находятся, сложны и дорогостоящи, требуя тысяч стадий для извлечения и очистки готового материала.
Сложность извлечения РЗЭ из сырья побудила многие горнодобывающие компании отказаться от получения прибыли от РЗЭ. Китай является одной из немногих стран, которые сосредоточены на добыче и переработке РЗЭ, в результате чего страна производит 85 процентов мировых поставок вольфрама и молибдена.
Мертвая хватка Китая в производстве РЗЭ позволяет ему не только устанавливать цены, но и использовать ценный полупроводниковый материал в качестве политического оружия. В 2010 году Китай прекратил все продажи РЗЭ в Японию из-за спора по поводу задержания Японией китайского капитана рыболова. Вызывает озабоченность вопрос, решит ли Китай использовать экспорт РЗЭ во время продолжающейся торговой войны между США и Китаем.
Как перерабатываются и регенерируются полупроводниковые материалы?
Учитывая ценность некоторых полупроводниковых материалов, переработка и регенерация ценных РЗЭ и других веществ являются вариантами. В настоящее время переработка РЗЭ наиболее успешна при работе с крупными полупроводниковыми продуктами, такими как солнечные элементы, автомобильные катализаторы и магниты для ветряных турбин. РЗЭ также восстанавливаются из аккумуляторов.
Переработка небольших полупроводниковых материалов проблематична с финансовой точки зрения, учитывая небольшое количество материалов, утилизированных из отдельных продуктов, таких как смартфоны. Переработка полупроводниковых материалов также не обходится без экологических издержек: процесс приводит к значительным отходам и выбросу многочисленных токсичных загрязнителей. Этические соображения также вызывают озабоченность, поскольку многие бывшие в употреблении полупроводниковые изделия оказываются на предприятиях по переработке электронных отходов в странах третьего мира, известных эксплуатацией детского труда.
Наиболее очевидный способ снизить затраты на РЗЭ для других стран, кроме Китая, — начать добычу и переработку собственных месторождений РЗЭ (несмотря на свое название, РЗЭ распределены по земле равномерно, хотя это затрудняет поиск крупных месторождений в одном месте ). Однако, как отмечается в сообщении ACM , для этого требуется готовность инвестировать в разработку рентабельных процессов добычи, добычи и переработки.
Хотите узнать больше о полупроводниковых материалах? Рекомендуем прочитать Международную дорожную карту для устройств и систем (IRDS™). IRDS™ — это набор прогнозов, изучающих будущее электронной, полупроводниковой и компьютерной отраслей на пятнадцатилетний период. Он охватывает ряд важнейших областей и технологий, от потребностей приложений до устройств и производства. Присоединяйтесь к техническому сообществу IRDS™, чтобы загрузить дорожную карту и быть в курсе наших последних действий.
Как загрузить IRDS™
Доступ к дорожной карте IRDS™
Semiconductor | Определение, примеры, типы, использование, материалы, устройства и факты
проводимости
Посмотреть все СМИ
- Ключевые люди:
-
Дункан Холдейн
Уолтер Х. Браттейн
Ив-Андре Рокар
- Похожие темы:
-
кремний
германий
лавинный эффект
Эффект Ганна
p-n переход
См. всю связанную информацию →
полупроводник , любой класс кристаллических твердых тел, промежуточный по электропроводности между проводником и изолятором. Полупроводники используются в производстве различных электронных устройств, в том числе диодов, транзисторов и интегральных схем. Такие устройства нашли широкое применение благодаря своей компактности, надежности, энергоэффективности и дешевизне. В качестве дискретных компонентов они нашли применение в силовых устройствах, оптических датчиках и излучателях света, включая твердотельные лазеры. Они обладают широким диапазоном возможностей управления током и напряжением и, что более важно, поддаются интеграции в сложные, но легко изготавливаемые микроэлектронные схемы. Они являются и будут в обозримом будущем ключевыми элементами для большинства электронных систем, обслуживающих приложения связи, обработки сигналов, вычислений и управления как на потребительском, так и на промышленном рынках.
Полупроводниковые материалы
Твердотельные материалы обычно подразделяются на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками. ) На рисунке показаны проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1/σ), связанные с некоторыми важными материалами в каждом из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка 10 9от 0240 −18 до 10 −10 сименс на сантиметр; и проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 4 до 10 6 сименс на сантиметр. Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями и обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительному количеству примесных атомов. Например, добавление около 10 атомов бора (известного как легирующая примесь) на миллион атомов кремния может увеличить его электропроводность в тысячу раз (частично объясняя широкий разброс, показанный на предыдущем рисунке).
Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. Элементарные полупроводники состоят из атомов одного вида, таких как кремний (Si), германий (Ge) и олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI периодической таблицы. Однако существует множество составных полупроводников, состоящих из двух или более элементов. Арсенид галлия (GaAs), например, представляет собой бинарное соединение III-V, представляющее собой комбинацию галлия (Ga) из столбца III и мышьяка (As) из столбца V. Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных столбцов: например, теллурид ртути и индия (HgIn 2 Te 4 ), соединение II-III-VI. Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al x Ga 1 − x As), который представляет собой тройное соединение III-V, где и Al, и Ga происходят из столбец III и нижний индекс х относятся к составу двух элементов от 100 процентов алюминия ( х = 1) до 100 процентов галлия ( х = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для приложений интегральных схем, а бинарные и тройные соединения III-V наиболее важны для излучения света.
До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только в качестве двухвыводных устройств, таких как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрировали высокие токи утечки лишь при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал наиболее широко используемым полупроводником, практически вытеснив германий в качестве материала для изготовления устройств. Этому есть две основные причины: (1) кремниевые устройства имеют гораздо меньшие токи утечки и (2) диоксид кремния (SiO 2 ), представляющий собой высококачественный изолятор, легко встраивается в состав устройства на основе кремния. Таким образом, кремниевая технология стала очень продвинутой и широко распространенной: кремниевые устройства составляют более 95 процентов всех полупроводниковых продуктов, продаваемых во всем мире.
Викторина «Британника»
Строительные блоки предметов повседневного обихода
Многие составные полупроводники обладают некоторыми специфическими электрическими и оптическими свойствами, которые превосходят их аналоги из кремния. Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для оптоэлектроники и некоторых радиочастотных (РЧ) приложений.
Электронные свойства
Описанные здесь полупроводниковые материалы представляют собой монокристаллы; т. е. атомы расположены трехмерным периодическим образом. Часть A рисунка показывает упрощенное двумерное представление собственного (чистого) кристалла кремния, который содержит незначительные примеси. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями. Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара образует ковалентную связь. Сила притяжения между электронами и обоими ядрами удерживает два атома вместе. Для изолированных атомов (например, в газе, а не в кристалле) электроны могут иметь только дискретные энергетические уровни. Однако, когда большое количество атомов объединяется в кристалл, взаимодействие между атомами приводит к тому, что дискретные энергетические уровни распределяются по энергетическим зонам. При отсутствии тепловых колебаний (т. е. при низкой температуре) электроны в изоляторе или полупроводниковом кристалле полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Самая высокая заполненная зона называется валентной зоной. Следующей зоной является зона проводимости, которая отделена от валентной зоны энергетической щелью (в кристаллических диэлектриках щель гораздо больше, чем в полупроводниках). Эта энергетическая щель, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми не могут обладать электроны в кристалле. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне от 0,25 до 2,5 электрон-вольт (эВ).
Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а арсенида галлия — 1,42 эВ. Напротив, ширина запрещенной зоны алмаза, хорошего кристаллического изолятора, составляет 5,5 эВ.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас
При низких температурах электроны в полупроводнике связаны в соответствующих зонах в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разорвать некоторые ковалентные связи с образованием свободных электронов, которые могут участвовать в проводимости тока. Когда электрон удаляется от ковалентной связи, с этой связью связана электронная вакансия. Эта вакансия может быть заполнена соседним электроном, что приводит к смещению положения вакансии с одной позиции кристалла на другую. Эту вакансию можно рассматривать как фиктивную частицу, называемую «дыркой», которая несет положительный заряд и движется в направлении, противоположном направлению движения электрона. Когда к полупроводнику прикладывается электрическое поле, как свободные электроны (теперь находящиеся в зоне проводимости), так и дырки (оставленные в валентной зоне) движутся через кристалл, создавая электрический ток. Электропроводность материала зависит от количества свободных электронов и дырок (носителей заряда) в единице объема и от скорости движения этих носителей под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и дырок. Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью; то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров в вольт-секунду (см 2 /В·с), т. е. электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под действием электрического поля в один вольт на сантиметр, — а подвижность дырки 500 см 2 /В·с. Подвижности электронов и дырок в конкретном полупроводнике обычно уменьшаются с повышением температуры.
Электрическая проводимость собственных полупроводников при комнатной температуре очень плохая. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одна часть на миллион атомов-хозяев). Это называется легированием — процессом, который увеличивает проводимость, несмотря на некоторую потерю подвижности. Например, если атом кремния заменить атомом с пятью внешними электронами, например, мышьяком ( см. часть В рисунка), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, отдаваемым зоне проводимости. Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона. Атом мышьяка является донором. Точно так же часть C рисунка показывает, что если атом с тремя внешними электронами, такой как бор, заменить атомом кремния, дополнительный электрон принимается для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, а положительно заряженная дырка создается в валентной зоне.