Полупроводник: какво е, n- и p-типове, свойства и приложения

Полупроводникът е материал, който в някои случаи провежда електричество, но в други - не. Добрите електрически проводници, като медта или среброто, лесно пропускат електричество през тях. Материалите, които блокират протичането на електричество, като гума или пластмаса, се наричат изолатори. Изолаторите често се използват, за да предпазват хората от електрически удар. Както подсказва името, полупроводниците не провеждат електричество толкова добре, колкото проводниците. Силицият е най-използваният полупроводник, но се използва и галиев арсенид.

Чрез добавянето на различни атоми в кристалната решетка (мрежа) на полупроводника се променя неговата проводимост, като се получават полупроводници от n-тип и p-тип. Силицият е най-важният полупроводник в търговската мрежа, въпреки че се използват и много други. От тях могат да се направят транзистори, които представляват малки усилватели. Транзисторите се използват в компютри, мобилни телефони, цифрови аудиоплейъри и много други електронни устройства.

Подобно на другите твърди тела, електроните в полупроводниците могат да имат енергия само в определени диапазони (т.е. диапазони от енергийни нива) между енергията на основното състояние, съответстваща на електроните, плътно свързани с атомните ядра на материала, и енергията на свободния електрон, която е енергията, необходима на електрона да се освободи изцяло от материала.

Как работят полупроводниците

В основата на поведението на полупроводниците е понятието енергийни зони: зона на валентност (запълнена с електрони) и зона на проводимост (където електроните могат да се движат свободно). Разликата между най-горното запълнено енергийно ниво и най-долното непълно ниво се нарича енергийна междина (band gap). При стайна температура някои електрони могат да получат достатъчно енергия (термично възбуждане) и да преминат в зоната на проводимост, оставяйки след себе си незаети места в зоната на валентност, наречени дупки. И електроните, и дупките носят заряд и участват в проводимостта на материала.

Допинг — n-тип и p-тип

Чистите полупроводници (наричани интринзични) имат сравнително малък брой носители на заряд при стайна температура. За да се увеличи проводимостта, в кристалната решетка се въвеждат внимателно контролирани примеси — процес, наречен допинг. При силиций (четиривалентен елемент) добавянето на петовалентен елемент (като фосфор) дава допълнителен свободен електрон — това е n-тип допинг (носители: електрони). Добавянето на тривалентен елемент (като бор) създава места, които „приемат“ електрони и се държат като положително заредени дупки — това е p-тип допинг (носители: дупки).

Степента на допинг определя концентрацията на носители и съответно проводимостта. Основни методи за въвеждане на примеси са термичното дифузиране и имплантирането на йони, последвани от топлинна обработка за възстановяване на кристалната решетка.

p–n преход и диоди

Когато област от n-тип и област от p-тип се допрат в един кристал, между тях се формира p–n преход. В близост до границата електрони и дупки рекомбинират, образувайки непроводима зона, наречена зона на изчерпване (depletion region), и възниква Built-in потенциал. Този преход показва непълна симетрия в проводимостта: при напред (forward) напрежение диодът пропуска ток лесно, а при обратно (reverse) напрежение — почти не. Това е принципът на работа на диоди, светодиоди (LED), фотодиоди и слънчеви клетки.

Свойства и важни характеристики

• Енергийна междина (band gap): за силиций е около 1.12 eV при 300 K, за германий около 0.66 eV, за GaAs около 1.42 eV. Голямата междина е предпочитана за високоволтови и високо температурни приложения (напр. SiC, GaN).
• Мобилност на носителите: характеризира колко бързо могат да се движат електроните и дупките под приложено електрично поле. Обикновено електронната мобилност е по-висока от дупковата.
• Температурна зависимост: при повишаване на температурата проводимостта на полупроводниците обикновено нараства (за интринзични и слабо допирани материали), защото повече електрони се възбуждат в зоната на проводимост.
• Концентрация на носители и резистивност: обратнопропорционални — висок допинг → висока концентрация носители → ниска резистивност.

Материали и приложения

Най-често използвани материали:

• Силиций (Si): доминира в интегралната електроника и соларните клетки.
• Германий (Ge): използван исторически в ранни транзистори и някои оптични приложения.
• Галиев арсенид (GaAs): важен за високочестотни и оптоелектронни устройства (лазери и LED за инфрачервена/видима светлина).
• Силициев карбид (SiC) и галиев нитрид (GaN): използват се в мощни и високотемпературни приложения (силова електроника, LED осветление).

Типични приложения на полупроводниците:

• Транзистори и интегрални схеми (компютри, смартфони, памет).
• Диоди и LED (осветление, индикатори, оптическа комуникация).
• Слънчеви клетки (фотоволтаични системи).
• Фотодетектори, сензори и образни сензори (камера).
• Мощна електроника за преобразуване на енергия (инвертори, UPS, електромобили).

Производство и модерни технологии

Производството на полупроводникови устройства включва израстване на монокристални цилиндри (процес по Чохралски), нарязване на тънки пластини (wafer), фотолитография за пренасяне на структурата, ецване, допинг, металообразуване за контакти и тестови/опаковащи операции. Мащабното намаляване на размерите на транзисторите (например в CMOS технологиите) се постига чрез развитие на литография, нови материали и инженерни решения като многослойни затворни структури и 3D интеграция.

Кратко резюме

Полупроводниците са ключови материали за съвременната електроника, тъй като могат да се модифицират чрез допинг и структуриране, за да изпълняват функции като усилване, превключване и преобразуване на светлина в електричество (и обратно). Разбирането на енергийните зони, носителите на заряд (електрони и дупки) и поведението на p–n преходите обяснява функционирането на диоди, транзистори, слънчеви клетки и много други устройства, които са част от ежедневието и индустриалните приложения.

История

Полупроводниците се изследват в лаборатории още през 30-те години на XIX век. През 1833 г. Майкъл Фарадей експериментира със сребърен сулфид. Той открива, че при нагряване материалът провежда по-добре електричество. Това е обратното на действието на медта. Когато медта се нагрява, тя провежда по-малко електричество. Редица други ранни експериментатори откриват други свойства на полупроводниците. През 1947 г. в Bell Labs в Ню Джърси е изобретен транзисторът. Това довежда до разработването на интегрални схеми, които днес захранват почти всички електронни устройства.

Полупроводниково легиране

Въпроси и отговори

В: Какво представлява полупроводникът?

Въпрос: Какво представляват полупроводниците от n-тип и p-тип?

В: За какво се използва силицият?

В: Какви други материали се използват като полупроводници?

В: Как се държат електроните в твърд материал?

Въпрос: Защо изолаторите често се използват за предпазване на хората от токов удар?

В: Как работят транзисторите?

Търсене по буква