О НАЗНАЧЕНИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ОТ ЭЛЕКТРОНИКИ ДО СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

Полупроводники — одна из самых недооцененных технологий. Объясняем, что это

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 8 июня 2021 года; проверки требуют 8 правок.

Интегральные схемы являются полупроводниковыми приборами

Полупроводниковые приборы, ПП — широкий класс электронных приборов, изготавливаемых из полупроводников.

Полупроводники – это вещества, находящиеся по своей удельной проводимости между проводниками и диэлектриками. В определенных условиях они приобретают свойства проводника и переносят в кристаллической решетке электрические заряды, в иных случаях – блокируют заряженные частицы предельно высоким сопротивлением. Что нужно для протекания этих процессов – рассмотрим далее.

Монокристаллический кремний — полупроводниковый материал, наиболее широко используемый в промышленности сегодня

Полупроводниками являются кристаллические вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка электрон-вольта (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам (около 7), а арсенид индия — к узкозонным (0,35). К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.).

Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решётке (например, атом фосфора, бора и т. д. в кристалле кремния) называется примесью. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон в кристалл (в вышеприведённом примере — фосфор) или захватывает его (бор), примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

При термодинамическом равновесии концентрация электронов полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

— постоянная Планка;
 — масса электрона;
 — абсолютная температура;
 — уровень зоны проводимости;
 — уровень Ферми.

Также, концентрация дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

— постоянная Планка.
 — эффективная масса дырки;
 — абсолютная температура;
 — уровень Ферми;
 — уровень валентной зоны.

Собственная концентрация связана с и следующим соотношением:

Группы полупроводников

Все полупроводники делятся на три группы: атомные, полупроводники с валентными связями и полупроводники с ионной кристаллической решёткой.

Атомные полупроводники имеют атомную кристаллическую решётку. К ним относятся кремний, бор, сера, фосфор, селен.

В полупроводниках с ионной кристаллической решёткой атомы связаны кулоновскими силами, например, сульфид свинца.

В полупроводниках с валентными связями атомы образуют кристаллы в виде большой молекулы. Например, антимонид индия, арсенид галия.

Также полупроводники разделяют на органические и неорганические. Неорганические полупроводники имеют координационную структуру, молекулы в их структуре отсутствуют. Органические состоят из атомов водорода и углерода, иногда – гетероатомов (серы, кислорода, азота).

Также полупроводники делятся на магнитные и немагнитные. Учитывая их свойства, можно менять проводимость материалов, воздействуя на них магнитными силами (полем). Магнитные полупроводники представляют собой ферромагнетики с собственной магнитной подрешёткой, а немагнитные – диамагнитную кристаллическую матрицу. Немагнитные включают в себя элементы, химические соединения, твёрдые растворы.

Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их. Наиболее дешёвый способ промышленного получения монокристаллического технологического кремния — метод Чохральского. Для очистки технологического кремния используют также метод зонной плавки.

Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Наиболее прецизионный и дорогой инструмент в руках технологов для роста монокристаллических плёнок — установки молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей выращивать кристалл с точностью до монослоя.

Механизм электрической проводимости

В полупроводниках, так же как и в металлах, носителями тока становятся электроны. В металлах концентрация электронов в свободном состоянии во много раз больше, чем в полупроводниках. Поэтому в полупроводнике происходят постоянно два противоположных процесса: процесс освобождения электронов и процесс воссоединения с ионом. Дополнительная энергия переводит электрон в свободное состояние.

Немногочисленные свободные электроны отрываются от атома, а они, в свою очередь, становятся ионами. Каждый ион окружается незаряженными атомами. Нейтральные атомы отдают свой электрон иону и превращаются в положительный ион. Другой ион соответственно становится нейтральным. Обмен электронами изменяет нахождение положительных ионов: положительный заряд передвигается. При отсутствии внешнего поля каждому электрону, движущемуся в одном направлении, соответствует движение электрона в противоположном направлении. Похожий процесс происходит с положительным зарядом. При появлении внешнего воздействия проводимость вызывается двумя процессами.

Чем отличаются проводники от полупроводников?

Основные свойства проводника — это высокий уровень проводимости и низкое удельное электрическое сопротивление. Его особенность в наличии свободных электронов, которые способствуют прохождению электрического тока. У проводника, таким образом, проводимость выше.

Полупроводник же от него отличается сильной зависимостью удельной проводимости от температуры, разных типов излучения, электрического поля и от концентрации примесей. Поэтому в полупроводниках образование свободных электронов происходит только при определённых условиях. При повышении температуры проводимость полупроводника возрастает, у проводника при этих условиях падает. Наличие примесей играет обратную роль. Полупроводнику даёт повышенный уровень проводимости, а для проводника — пониженный. Чистый металл обладает большей проводимостью. Эти свойства эффективно применяются в производстве электронных приборов.

Дырка

Полупроводники, в отличие от проводников, имеют «дырки» в своей структуре. « Дырки» – это вакантное электронное состояние в кристаллической решётке, имеющее избыточный положительный заряд. « Дырки» и электроны проводят ток. Важную роль в появлении «дыр» и электронов играют вид и количество примесей в полупроводнике. Определённое число примесей позволяет получать полупроводник с нужными свойствами.

Появление «дырок» связано с температурой внешней среды. При низкой температуре электрон не способен разорвать связь с атомом. Повышение температуры даёт возможность электрону оторваться от ядра. В результате разрыва появляется свободное место, то есть «дырка» с положительным зарядом. Заполняя свободные «дырки», оторвавшиеся электроны восстанавливают связь с другими атомами.

Энергетические зоны

В полупроводниках под воздействием атомов энергетические уровни расщепляются, образуя энергетические зоны. Они состоят из близкорасположенных энергетических уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в теле.

Энергетические зоны, которые образовались при расщеплении одного или нескольких уровней атома, называют разрешённой зоной. В ней верхний энергетический уровень называют потолком, а нижний — дном. Валентная зона и зона проводимости составляют уровни разрешённой зоны. Валентная зона является верхней заполненной зоной. Это энергетическая область разрешённых электронных состояний, которая заполняется валентными электронами. Зона проводимости это область, где находятся электроны валентной зоны, перешедшие запрещённую зону – то есть зону, где отсутствуют энергетические уровни.

Наличие запрещённой зоны означает, что для передвижения в зону проводимости электрону необходима большая энергия, чем ширина запрещённой зоны. Она характеризуется разностью энергий дна зоны проводимости и потолка валентной зоны, или шириной запрещённой зоны. Ширина запрещённой зоны меняется в зависимости от температурных показателей среды. Чаще с повышением температуры ширина запрещённой зоны сокращается.

Подвижность

В полупроводнике подвижными являются электроны и «дырки». Подвижностью носителей заряда называют пропорциональность между дрейфовой скоростью носителей заряда и величиной электрического тока. Этот показатель зависит от массы свободных носителей (электронов). Важно, что у электрических зарядов он выше, чем у «дырок».

Все материалы имеют разную подвижность электронов. Она изменяется при температурном воздействии на тело или при добавлении примесей.

С увеличением температуры подвижность сначала увеличивается. Дойдя до максимального уровня, она сокращается.

Увеличение концентрации примесей влечёт уменьшение подвижности, потому что носители заряда рассеиваются на ионах примеси. При малой концентрации примеси происходит обратное, но проводимость может быть невысокой. Это объясняется малым количеством заряженных частиц.

Увеличение напряжённости электрического поля увеличивает дрейфовую скорость заряженных частиц. Она будет увеличиваться, пока не станет тепловой. После подвижность носителей заряда уменьшается.

Физические явления в полупроводниках

Диаграмма заполнения электронных уровней энергии в различных типах материалов в равновесном состоянии. На рисунке по высоте условно показана энергия, а ширина фигур — плотность состояний для данной энергии в указанном материале. Полутона соответствует распределению Ферми — Дирака (черный — все состояния заполнены, белый — состояние пустое). В металлах и полуметаллах уровень Ферми находится внутри, по меньшей мере, одной разрешённой зоны. В диэлектриках и полупроводниках уровень Ферми находится внутри запрещённой зоны, но в полупроводниках зоны находятся достаточно близко к уровню Ферми для заполнения их электронами или дырками в результате теплового движения частиц.

Физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. В немалой степени этому способствует огромное количество физических эффектов, которые не наблюдаемы ни в тех, ни в других веществах и связаны с устройством зонной структуры полупроводников и с достаточно узкой запрещённой зоной.

Основным стимулом для изучения полупроводниковых материалов является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает и другие полупроводниковые материалы (Ge, GaAs, InP, InSb).

Кремний — непрямозонный полупроводник, оптэлектрические свойства которого широко используются для создания фотодиодов и солнечных батарей, однако на основе кремния трудно создать источник излучения и здесь используются прямозонные полупроводники — соединения типа AIIIBV, среди которых можно выделить GaAs, GaN, которые используются для создания светодиодов и полупроводниковых лазеров.

Собственный полупроводник при температуре абсолютного нуля не имеет свободных носителей в зоне проводимости в отличие от проводников и ведёт себя как диэлектрик. При сильном легировании ситуация может поменяться (см. вырожденные полупроводники).

Электрические свойства полупроводника могут сильно зависеть от дефектов в кристаллической структуре. Поэтому стремятся использовать очень чистые вещества, в основном, для электронной промышленности.

Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Например, широко применяемый кремний можно легировать элементами V подгруппы периодической системы элементов — фосфором, мышьяком которые являются донорами и получить кремний с электронным типом проводимости (n-Si). Для получения кремния с дырочным типом проводимости (p-Si) используют элементы III подгруппы бор или алюминий (акцептор). Так же получают компенсированные полупроводники для расположения уровня Ферми в середине запрещённой зоны.

Полупроводник — это особый материал

Самый популярный пример такого материала — кремний, а также химические элементы германий, селен, теллур, мышьяк и другие. В определенных условиях они могут проводить больше электричества, чем изоляторы (например, стекло, резина), но меньше, чем чистые проводники (медь или алюминий). Свойства полупроводников, в том числе кремния, можно усилить путем легирования — добавления различных примесей в исходный материал.

Процесс их изготовления и подготовки для дальнейшей работы сложный, включает много этапов. Кристаллы сверхчистого монокристаллического кремния выращиваются по

из расплавленного поликристаллического кремния (который, в свою очередь, получают из мелкого белого песка или кварцевого песка, очищенного от 99,9% других элементов). Уже после этого кристалл режется на тонкие пластины.

Полупроводники обычно используются при создании электроники, если конкретнее — микросхем в ней. Поэтому иногда их называют просто чипами (хотя это обобщение и упрощение). Их основная задача, с учетом их свойств, — контролировать как, когда и куда будет двигаться поток электронов. Они могут усиливать сигнал, переключать его и преобразовывать.

Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами между энергетическими состояниями зонной структуры. Учитывая принцип запрета Паули, электроны могут переходить только из заполненного энергетического уровня на незаполненный. В собственном полупроводнике все состояния валентной зоны заполнены, а все состояния зоны проводимости незаполненные, поэтому переходы возможны лишь из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить от света энергию, превышающую ширину запрещённой зоны. Фотоны с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому такие полупроводники прозрачны в области частот , где  — ширина запрещённой зоны,  — постоянная Планка. Эта частота определяет фундаментальный край поглощения для полупроводника. Для полупроводников, которые зачастую применяются в электронике (кремний, германий, арсенид галлия) она лежит в инфракрасной области спектра.

Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводников накладывают правила отбора, в частности закон сохранения импульса. Закон сохранения импульса требует, чтобы квазиимпульс конечного состояния отличался от квазиимпульса начального состояния на величину импульса поглощённого фотона. Волновое число фотона , где  — длина волны, очень мало по сравнению с волновым вектором обратной решётки полупроводника, или, что то же самое, длина волны фотона в видимой области намного больше характерного межатомного расстояния в полупроводнике, что приводит к требованию того, чтобы квазиимпульс конечного состояния при электронном переходе практически равнялся квазиимпульсу начального состояния. При частотах, близких к фундаментальному краю поглощения, это возможно только для прямозонных полупроводников. Оптические переходы в полупроводниках, при которых импульс электрона почти не меняется называются прямыми или вертикальными. Импульс конечного состояния может значительно отличаться от импульса начального состояния, если в процессе поглощения фотона участвует ещё одна, третья частица, например, фонон. Такие переходы тоже возможны, хотя и менее вероятны. Они называются непрямыми переходами.

Таким образом, прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия, начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в оптоэлектронике.

Непрямозонные полупроводники, например, кремний, поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и следовательно, от температуры. Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ, то есть лежит в ультрафиолетовой области спектра.

При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике возникают свободные носители заряда, а следовательно фотопроводимость.

При частотах ниже края фундаментального поглощения также возможно поглощение света, которое связано с возбуждением экситонов, электронными переходами между уровнями примесей и разрешенными зонами, а также с поглощением света на колебаниях решётки и свободных носителях. Экситонные зоны расположены в полупроводнике несколько ниже дна зоны проводимости благодаря энергии связи экситона. Экситонные спектры поглощения имеют водородоподобную структуру энергетических уровней. Аналогичным образом примеси, акцепторы или доноры, создают акцепторные или донорные уровни, лежащие в запрещённой зоне. Они значительно модифицируют спектр поглощения легированного полупроводника. Если при непрямозонном переходе одновременно с квантом света поглощается фонон, то энергия поглощенного светового кванта может быть меньше на величину энергии фонона, что приводит к поглощению на частотах несколько ниже по энергии от фундаментального края поглощения.

Примеры и особенности материалов

Полупроводники — это особый класс веществ, которые при низкой температуре выступают как диэлектрики, а при высокой — как проводники. Только 13 из 25 неметаллов таблицы Менделеева имеют полупроводниковые свойства. В настоящее время человек использует множество природных полупроводников. Кремний и германий стали самыми распространёнными материалами такого типа, используемыми в промышленности. Кроме кремния в качестве полупроводников используют селен, серое олово, мышьяк, бор, фосфор, серу, теллур, органические вещества и некоторые химические соединения.

Полупроводник сочетает в себе свойства проводников и непроводников. В нормальном состоянии или при перепаде температур он пропускает или блокирует электрический ток. Поведение материала зависит от температуры среды, в которую он помещён. В нормальном состоянии он имеет сопротивление от 10-6 до 108 Ом·м.

Влияют и сторонние факторы – например, под воздействием света его сопротивление падает, повышается электропроводность. Даже при добавлении в состав небольшого количества примеси электропроводимость полупроводника меняется.

Полупроводники обладают различными свойствами. Кремний, арсенид галлия имеющие оптические свойства, их используют при производстве солнечных батарей и светодиодов. Стекло тоже можно считать полупроводником. В обычном состоянии оно не проводит ток, но при сильном нагреве оно приобретает проводящие свойства. Селен обладает температурной зависимостью. Концентрация свободных носителей заряда уменьшается с ростом температуры, а подвижность носителей заряда увеличивается. Иначе говоря, при увеличении температуры ток начинается протекать быстро и беспрепятственно в кристаллической решетке материала, селен становится проводником.

Использование в радиотехнике

Схема полупроводникового кремниевого диода. Ниже приведено его символическое изображение на электрических принципиальных схемах.

Основная статья: Диод

Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников — дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников — так называемый p-n переход. В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В.

Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:

В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость, диод пропускает максимальный электрический ток). При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость, диод сопротивляется пропусканию электрического тока). Обратный ток полупроводникового диода близок к нулю, но не равен нулю, так как в обеих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт.

Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока.

Структура биполярного n-p-n транзистора.

Транзистор — полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода.

Практическое применение полупроводников

Полупроводники имеют широкое применение в промышленности, в аналоговой и цифровой электронике. Особенно активно их используют в электронных приложениях для изготовления транзисторов, интегральных схем, тиристоров, симисторов, лазеров, датчиков давления и диодов. Они также играют роль аксессуаров для оптических датчиков и силовых устройств систем передачи электроэнергии. Полупроводники подходят для технологических разработок в области телекоммуникации, систем управления, обработки сигналов в быту и промышленности.

Кремний, благодаря своим оптическим свойствам активно используется для производства солнечных батарей и фотодиодов, но быть источником света не может.

При производстве холодильников, кондиционеров полупроводниковые устройства применяют в системе охлаждения для контроля и поддержания температуры. В микроволновых печах есть полупроводник, необходимый для создания тепла.

Для преобразования бытовой электроэнергии в постоянный ток в зарядных устройствах для телефона и ноутбука используют разные полупроводниковые устройства.

Широкий спектр полупроводников берется для создания электронной связи.

Современные космические технологии не обходятся без полупроводников. Они участвуют в запуске двигателей и поддерживании скорости.

Полупроводниковые устройства применяются в машиностроении для производства устройств контроля, мониторинга местоположения, направления и скорости.

Современные процессоры содержат миллионы полупроводников, которые позволяют обрабатывать большой объём данных и быстро запускать в работу. Поэтому компьютерные системы – она из ключевых сфер, куда внедряется этот тип материалов.

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В нижеследующей таблице представлена информация о большом количестве полупроводниковых элементов и их соединений, разделённых на несколько типов:

Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой зоны от периода, а именно — с увеличением периода ширина запрещённой зоны уменьшается.

Холдинг «Росэлектроника» объединяет предприятия-производители электронной продукции.

см. Производство микросхем

При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины.

Полупроводниковые соединения делят на несколько типов:

Широкое применение получили следующие соединения:

а также некоторые окислы свинца, олова, германия, кремния. Помимо окислов используются феррит, аморфные стёкла и многие другие соединения.(AIBIIIC2VI, AIBVC2VI, AIIBIVC2V, AIIB2IIC4VI, AIIBIVC3VI).

На основе большинства из приведённых бинарных соединений возможно получение их твёрдых растворов: (CdTe)x(HgTe)1-x, (HgTe)x(HgSe)1-x, (PbTe)x(SnTe)1-x, (PbSe)x(SnSe)1-x и других.

Соединения AIIIBV, в основном, применяются для изделий электронной техники, работающих на сверхвысоких частотах.

Соединения AIIBV используют в качестве люминофоров видимой области, светодиодов, датчиков Холла, модуляторов.

Соединения AIIIBV, AIIBVI и AIVBVI применяют при изготовлении источников и приёмников света, индикаторов и модуляторов излучений.

Окисные полупроводниковые соединения применяют для изготовления фотоэлементов, выпрямителей и сердечников высокочастотных индуктивностей.

Чего ждать в производстве чипов глобально

Самые современные полупроводниковые компоненты выпускают три корпорации: TSMC на Тайване, Samsung в Южной Корее и Intel в США. Причем последние,

, отстают не только в плане объемов (доля США в мировом производстве микросхем упала с 37% в 1990-м до 12% в 2021 году, по

SIA), но и в техническом плане.

При этом производство чипов имеет решающее значение не только в базовых отраслях, но и в направлениях, которые являются ключом к экономическому и стратегическому лидерству: искусственный интеллект, 5G, робототехника.

одобрения законопроект стоимостью $55 миллиардов для поддержки местной индустрии, а ЕС

выделить более €43 миллиардов, чтобы к 2030 году производить в Европе 20% всех микросхем в мире (сейчас показатель не больше 10%). Однако, по крайней мере в плане обещаний, лидирует Китай — они

потратить на развитие отрасли $150 миллиардов — и Южная Корея, которая

инвестировать $451 миллиард за 10 лет.

О будущем России в этой сфере недавно

. Такие отечественные полупроводники как «Байкал» и «Эльбрус» целиком зависели от компонентов тайваньской TSMC. Новых поставщиков пока не нашлось, а собственные технологии еще не готовы их заменить.

Многие компании (в основном IT-корпорации) пытаются создавать чипы самостоятельно, чтобы меньше зависеть от упомянутых выше монополистов. Большое внимание сейчас уделяется графическим процессорам, потому что они лучше подходят для задач искусственного интеллекта. Среди тех, кто ведет разработки — Apple, Amazon, Alphabet (Google), Microsoft и

Однако все это может только снизить число инноваций,

профессор Массачусетского технологического института Нил Томпсон, потому что делает технологию более разрозненной (знаменитый

об экспоненциальном росте мощности чипов каждые 24 месяца уже

). С другой стороны, не исключено, что ИИ, ради которых сейчас создают новые чипы, скоро будет проектировать их сам.

К полупроводниковым приборам относятся:

Дефицит полупроводников

В последние годы спрос на полупроводники превышает предложение на 30%. Кризис нехватки полупроводниковых устройств охватил 169 отрасли. В частности, производство смартфонов, видеокарт и автопромышленность сильно нуждаются в полупроводниках. Дефицит полупроводниковых компонентов привёл к сокращению выпуска автомобилей. Например, индийский автодилер Maruti Suzuki уменьшил объем производства на 60% из-за нехватки полупроводников.

Сложность и дороговизна производства — это главная причина дефицита полупроводников. Основой чипов в основном является кристалл, который нужно вырастить. Выращивание кристалла процесс долгий и трудоёмкий. Он возможен при наличии необходимой инфраструктуры и условий.

Одна из причин кризиса полупроводников – пандемия коронавируса, вызвавшая резкое возрастание спроса на высокоточное медицинское оборудование. Одним из комплектующих для приборов является полупроводник.

По различным прогнозам, минимальный срок для преодоления кризиса в отрасли составляет 2 года. В настоящий момент полупроводники продолжают расти в цене, а вместе с ними и различное оборудование – от игровых консолей до видеокарт для майнинга криптовалюты.

Производство полупроводников

С середины XX века полупроводниковая промышленность стала процветающей отраслью. Вопреки постоянным кризисам, она сейчас стремительно развивается. Основными мировыми производителями являются Южная Корея, Тайвань, Сингапур, Япония, Швейцария, США.

Процесс создания полупроводников состоит из пяти этапов. На первом этапе происходит механическая обработка в основном кремниевых пластин. Затем, чтобы полупроводниковый материал начал проявлять свои способности, пластины очищают жидкостным или газовым травлением и наращивают слой полупроводника. Следующий этап заключается в фотолитографии рельефа на пластине и добавлении примесей. Затем на пластине формируют контакты и пассивные элементы. Дорожки создают из тончайшего металла путём вакуумного напыления.

Из-за сложности производства и себестоимости ни одна страна не производит полупроводники от начала до конца. Процесс производства разделен между заводами нескольких стран. Производство станков и комплектующих, программное обеспечение находятся в разных государствах.

В настоящее время в производители нацелены на создание сверхтонких полупроводников. Уменьшение нанометров влечёт увеличение стоимости, а скорость не изменяется.

Какие свойства характеризуют полупроводник?

Полупроводники характеризуются: типом проводимости (электронный и дырочный), удельным сопротивлением, временем существования носителей заряда и плотностью дислокации. Основное свойство полупроводника это увеличение проводимости электрического тока при условии внешнего воздействия.

Электропроводность

В полупроводнике валентные электроны связаны кристаллической решёткой. Проводимость материала обусловлена разрывом связей при помощи внешней энергии. Она должна превышать энергию запрещённой зоны.

Электропроводность зависит от наличия свободных электронов. Они обладают ещё и дырочной электропроводностью, что не наблюдается у металлов.

В полупроводниках между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещённая зона. Под воздействием внешних факторов происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне появляются свободные энергетические уровни. В зоне проводимости образуются свободные электроны, которые называются электронами проводимости.

Электрофизические характеристики

К электрофизическим характеристикам полупроводников относят время существования, ширину запрещённой зоны, температуру, подвижность электронов, удельное сопротивление и энергию ионизации примесей.

В 1820—1900 годы, большой вклад в исследование различных свойств кристаллов внесла династия французских физиков Беккерелей: Антуан Сезар Беккерель, Александр Эдмон Беккерель и Антуан Анри Беккерель. Были изучены пьезоэлектрические, термоэлектрические свойства кристаллов, в 1851 году Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект в переходе электролит-полупроводник.

Подробнее о том, как устроен полупроводник (если вы ощущаете себя ботаником)

Сначала вспомним определение электрического тока — это поток электронов, передающихся от одного атома вещества к другому. Структура, скажем, металлов такова, что в оболочках их атомов всегда есть пара свободных электронов, почти не связанных с ядром. Это значит, что они могут перемещаться внутри материала, делая его высоко проводимым для электричества. В изоляторах типа резины связь электронов с ядром атома очень прочная, поэтому ток они не проводят.

В полупроводниках свободных электронов тоже не очень много, но к ним можно «подсадить» с помощью легирования определенные атомы: трех- или пятивалентные.

Так, если добавить к четырехвалентному кремнию пятивалентный мышьяк, атомы веществ вступят в ковалентную связь. Однако одному электрону атома мышьяка места не будет — он превратится в свободный электрон, который и будет переносить электрический ток (как в металлах). Итоговый материал называют полупроводником n-типа, а саму примесь в виде мышьяка — донорной.

Если же добавить к кремнию трехвалентный бор или галлий, наоборот, у последних будет недоставать одного электрона, поэтому в результате реакции будет появляться положительно заряженный ион (в этом случае говорят, что образовалась «дырка»). Он и будет основным носителем заряда. Итоговый материал называют полупроводником p-типа, а примесь — акцепторной.

Из полупроводников «собираются» такие простые электронные компоненты как диод и транзистор. В первом случае речь идет о соединении полупроводников n- и p-типа, во втором — о соединении трех полупроводников (n-p-n или p-n-p). Из транзистора, диода и других компонентов обычно состоят более сложные микросхемы, то есть чипы (теперь логика чип = полупроводник должна быть более понятной).

Видео хорошо демонстрирует, насколько сложными бывают чипы:

По характеру проводимости

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

где  — удельное сопротивление,  — подвижность электронов,  — подвижность дырок,  — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602⋅10−19 Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

По виду проводимости

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Виды полупроводников

По строению различают аморфные, жидкие, кристаллические и стеклообразные полупроводники. Аморфные сильнее подвержены изменениям при термическом воздействии и относительно упорядочены в своей кристаллической структуре: между собой наиболее устойчивые связи имеют только ближайшие атомы. Жидкие полупроводники это вещества, электропроводность которых увеличивается при плавлении. Кристаллический тип характеризуется устойчивыми крепкими связями между частицами материала, которые при нагревании разрушаются, снижая сопротивление при прохождении тока. Стеклообразные проводники сходны с кристаллическими по механизму работы, однако, из-за меньшего объема примесей их электропроводность выше.

По характеру проводимости полупроводники делят на n-тип и р-тип. Полупроводник n-тип имеет примесные элементы, которые называются доноры. Полупроводники и р-тип в основе содержат примеси и характеризуются дырочной проводимостью.

Также существуют простые и сложные полупроводники. Состав первых образован преимущественно атомами одного вещества, примером тому бор, углерод, германий, кремний. Другие состоят их сложной атомарной композиции. Например, халькогениды – это соединения серы, селена и теллура.

Собственная проводимость

Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением одинакового количества электронов и дырок, которые образуются в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном полупроводнике количество электронов и «дырок» одинаково. Ток создаётся равным движением «дырок» и отрицательно заряженных электронов. Электропроводность чистого полупроводника больше при достаточной концентрации электронов и «дырок».

Примесная проводимость

Содержание примесей влияет на свойства полупроводников. Примесная проводимость обычно выше собственной, поэтому легирующие примеси, внедренные в структуру материала, существенно меняют проводимость. Примесным центром может стать:

— атом или ион химического элемента, входящего в состав полупроводника;

— избыточные атомы или электроны, входящие в междоузлие кристаллической решетки;

— дефекты кристаллической решетки: трещины, сдвиги, пустые узлы.

Примеси бывают донорные и акцепторные. Небольшое количество примеси может сильно изменить электропроводность. Это объясняется способностью примесных атомов поставлять в кристаллическую решётку электроны или поглощать электроны, образуя большое количество «дырок». Донорные примеси поставляют электроны проводимости без образования такого же количества «дырок». Акцепторные примеси захватывают валентные электроны и создают подвижные дырки, но число электронов проводимости не увеличивают.

Электронные полупроводники (n-типа)

Электронный полупроводник типа n (от латинского negative — отрицательный) содержит в кристаллической решетке основные четырёхвалентные атомы, примесные донорные пятивалентные атомы. В электронном полупроводнике основными носителями заряда являются электроны, а дырки – второстепенными.

Дырочный полупроводник или р-тип (от латинского positive — положительный) содержит в структуре примесные трёхвалентные атомы, акцепторы. Свободную связь примесного атома заполняет электрон, который покидает соседнюю связь. Примесный атом превращается в ион, а на том месте, откуда ушел электрон появляется «дырка». В дырочном полупроводнике основными носителями заряда являются «дырки».

Полупроводники характеризуются свойствами как проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами) и электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76⋅10−19 Дж против 11,2⋅10−19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,04⋅10−19 Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей, чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Свободное место в электронной оболочке атома

Основная статья: Дырка

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

Между зоной проводимости Еп и валентной зоной Ев расположена зона запрещённых значений энергии электронов Ез. Разность Еп−Ев равна ширине запрещенной зоны Ез. С ростом ширины Ез число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает.

Подвижность электронов (верхняя кривая) и дырок (нижняя кривая) в монокристаллическом кремнии в зависимости от концентрации атомов легирующих примесей

Подвижностью называют коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью носителей тока и величиной приложенного электрического поля

При этом, вообще говоря, в анизотропных кристаллах подвижность является тензором с компонентами

Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике (см. рисунок). При большой концентрации носителей заряда вероятность столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности, но несмотря на снижение подвижности проводимость увеличивается при повышении степени легирования, так как снижение подвижности компенсируется увеличением концентрации носителей заряда.

Размерность подвижности — м²/(В·с) в СИ или см/(В·с)в системе СГС.