Что такое полупроводник?

Время чтения: 15 минут

Все материалы для полупроводников (ПП) обладают рядом небезынтересных особенностей, одна из которых – сильная зависимость их электрического сопротивления от облучения световым, ультрафиолетовым, инфракрасным рентгеновским или другими излучениями, а также от температуры. Но, в отличие от металлов, их сопротивление снижается при нагревании. Именно это свойство и было впервые замечено английским учёным Майклом Фарадеем в 1833 году при проведении экспериментов по прохождению тока через множество опытных материалов.

Некоторые из участвовавшие в его опытах образцов проявляли именно ту, необычную для металлов, электропроводимость при нагреве. Ими были сульфид серебра, фторид свинца, оксид сурьмы и некоторые соединения ртути. Именно они и представили собой первые ПП, но само название «полупроводник» появилось немного позже.

Лишь спустя десятилетия династией французских ученых-физиков Беккерель были выявлены и описаны другие свойства ПП-материалов: например, уменьшение электросопротивления под действием света. Во второй половине XIX века был обнаружен эффект выпрямления переменного тока при прохождении его через вещества с разной проводимостью, например, через медные и свинцовые проводники, между которыми располагался сульфат меди, обладающий ПП-свойствами.

Вскоре, в начале XX века был запатентован и стал частью телеграфной аппаратуры первый в мире кристаллический детектор на основе сульфида свинца. После всех этих открытий изучение полупроводников прекратилось почти полностью в связи с нестабильностью ПП-свойств открытых ранее материалов. Несовершенство технологий того времени, изобретение и бурное развитие ламповой электроники на несколько десятилетий поставили крест на подобном виде техники. Даже сама научная деятельность в этом направлении считалась неприемлемой. Перспектив ПП-приборов никто не видел.

В 1947 году американскими учёными Уильямом Шокли, Джоном Бардиным и Уолтером Браттейном был изобретён первый в мире ПП-триод – им был германиевый биполярный транзистор, который будучи ещё крайне несовершенным, уже показал огромное преимущество перед электровакуумными лампами. Он мог усиливать и генерировать электрические колебания.

Параллельно с американскими учёными работы по его созданию велись в Европе и Советском Союзе. Спустя 10 лет после изобретения транзистора технология его изготовления достигла небывалых высот: учёным удалось повысить степень миниатюризации настолько, что несколько сотен или даже тысяч таких микрокомпонентов стало возможным разместить на крошечной пластинке из полупроводника. Так в конце 50-х – начале 60-х были разработаны первые в мире микросхемы на основе кремния.

Современные микросхемы, в числе которых центральные (CPU) и графические (GPU) процессоры в компьютерах содержат миллиарды транзисторов, демонстрируя огромную вычислительную мощность и крайне низкое энергопотребление. Но даже это не предел эволюции ПП-технологий, которая каждые несколько лет многократно превосходит сама себя.

Основы и рабочие особенности ПП-приборов будем рассматривать на примере простейшего из них – полупроводникового диода:

Конструктивно он состоит из двух зон с отличающейся проводимостью: n- (negative) и p- (positive) областей .

Проводимость n-области электронная – носители электрического заряда отрицательно заряженные электроны. Проводимость p-области дырочная – здесь носители электрозаряда дырки – атомы полупроводника, у которых отсутствует один электрон, имеющие такие образом положительный заряд. Место, где соприкасаются области p- и n-типа, называется p-n-переходом.

Обе области делают из ПП-материала (кремния, германия и других), а различная проводимость задаётся дополнительными примесями в составе (легированием):

Высокочистый ПП, лишенный примесей в составе, называется собственным полупроводником. Его электропроводимость невысока, ввиду одинакового количества носителей отрицательного (электронов) и положительного (дырок) заряда. Чтобы придать ему конкретный и ярко выраженный тип проводимости, его легируют донорами или акцепторами. Легированный полупроводник называется несобственным или примесным.

Место соприкосновения областей p- и n-типа называется p-n-переходом. Электрические процессы в p-n-переходе – основа работы множества полупроводников, включая диоды, биполярные транзисторы и прочие.

На p-n-переходе свободные электроны из богатой ими n-области переходят в p-область, где имеется недостаток электронов, а дырки из богатой ими p-области переходят в n-область. Этот процесс называется диффузией.

В тонком слое между областями с различной проводимостью образуется тонкий слой, имеющий запирающее электрическое поле E, отталкивающее от себя электроны в n-области и дырки в p-области. При подведении прямого напряжения (положительного потенциала к аноду и отрицательного к катоду), создающим внешнее электрополе E′, ширина запирающего внутреннего поля E уменьшится, и у носителей заряда появится возможность начать движение – в диоде возникнет электроток. При подведении обратного напряжения (когда «минус» подаётся на анод, а «плюс» – на катод) ширина внутреннего запирающего электрополя E, наоборот, увеличится, и проходящий ток практически будет отсутствовать (до момента электрического пробоя при превышении предельного обратного напряжения, после чего начнёт увеличиваться лавинообразно). Именно так и реализуется односторонняя проводимость диода и его выпрямительные свойства.

Здесь будут рассмотрены основные практически используемые в массовой электронике виды ПП-материалов и дано их сравнительное описание. Их архаичные представители, такие как закись меди, сульфат свинца, а также перспективные, но не использующие на практике, допустим, графен, рассматриваться не будут.

Кремний

Он самый широко используемый ПП-элемент. Незаменим при изготовлении практически любых электронных компонентов: диодов, транзисторов и микросхем. Является вторым по распространённости в земной коре элементом. Наиболее распространён в виде минерала кварца, являющегося одной из аллотропных модификаций оксида кремния. Почти по всем характеристикам превосходит другие материалы; полупроводниковые приборы на нём могут работать на частотах вплоть до десятков гигагерц, имея при этом низкую чувствительность к температуре и другим видам внешнего воздействия.

Германий

До 1970-х годов его применяли повсеместно для изготовления диодов и транзисторов. Для выпуска микросхем используется крайне ограниченно и, как правило, совместно с кремнием.

Германий имеет некоторые преимущества перед кремнием. Так, способность реагировать на внешнее электрическое поле, то есть коэффициент подвижности носителей заряда электронов и дырок в германии выше, чем в кремнии, приблизительно в три раза. Падение напряжение на p-n-переходе германиевого диода или транзистора составляет около 0.1÷0.3 вольта, тогда как в случае кремниевых элементов этот показатель равен 0.6÷0.7 вольт.

Основными минусами германия стали его относительная редкость и высокая стоимость, но, что главное, низкая теплопроводность, препятствующая эффективному отводу тепла от кристалла германиевого ПП-прибора и серьёзное ухудшение его параметров с ростом температуры. Сейчас он используется только для изготовления некоторых электронных приборов, работающих на сверхвысоких частотах, а также специальной оптики, стёкол и линз.

Арсенид галлия

Третий по объёму применения полупроводник. Изначально на его основе производили ПП-оптические приборы: светодиоды и твердотельные лазеры, но позже из него также стали изготавливать диоды, транзисторы и микросхемы. Электроника на основе арсенида галлия может работать на частотах до нескольких сотен гигагерц, имеет лучшую радиационную стойкость, чем её разновидности из кремния, что делает его незаменимыми в аэрокосмической отрасли.

Карбид кремния

Он имеет отличную теплопроводность, превышающую аналогичную характеристику кремния в несколько раз, высокую максимальную рабочую температуру (порядка 600 градусов по Цельсию), а также высокую электрическую прочность. В совокупности это делает его востребованным при выпуске электронных приборов ограничения перенапряжения, варисторов, разрядников, тиристоров и иных коммутационных устройств, а также для высоковольтных диодов.

Применяется и для изготовления светодиодов некоторых цветов свечения, а сам эффект светоизлучения кристаллом карбида кремния был открыт ещё на заре полупроводниковой техники – в начале XX столетия.

Нитрид галлия

ПП-свойства этого элемента, так же как и карбида кремния, открыли в начале XX века. Именно многократно большая светимость кристалла карбида кремния поставила крест на развитии оптических приборов на основе «несовершенного» нитрида галлия. Но в конце века учёные вновь обратили на него внимание, и на его основе удалось разработать довольно много ПП-компонентов, преимущественно мощных и высокочастотных полевых транзисторов. Также на его основе производят солнечные батареи. Современные технологии легирования позволили нитриду галлия стать недорогим и эффективным материалом для производства синих и УФ-светодиодов.

В этом разделе будут описаны некоторые основные ПП-приборы, показаны их условные графические изображения и описано назначение.

Диод

Это простейший двухэлектродный полупроводник. Он предназначен для выпрямления переменного тока промышленной частоты в сетевых блоках питания, для детектирования высокочастотного переменного тока в радиоприёмной аппаратуре, а также устанавливается в цепях защиты и гашения ЭДС самоиндукции нагрузок с большой индуктивностью (электродвигатели, электромагниты, электромагнитные реле и т. п.)

Стабилитрон

Это разновидность диода предназначена для стабилизации напряжения. Принцип работы очень прост. Режим электрического пробоя, возникающего, когда превышается предельное обратное напряжение, для диода является недопустимым режимом работы. Однако относительно стабилитрона – самым что ни на есть рабочим: стабилитроны изготавливаются с чётко заданным напряжением пробоя при обратном включении, которое с высокой степенью стабильности поддерживается этим прибором при широком диапазоне обратного тока. Применяется он в цепях стабилизации напряжения различных источников питания.

Светоизлучающий диод

Светодиод, в зависимости от применяемого полупроводника и примесей в его составе, может испускать свет как видимого спектра, так и более длинноволнового ИК-излучения, или высокочастотного УФ-излучения.

ИК-светодиоды применяются в системах дистанционного управления, ночного видения; светодиоды видимого спектра используются в составе различных индикаторов и дисплеев; УФ-светодиоды находят применение в медицине и промышленности. Особый тип светоизлучающего диода – лазерный – применяется в оптоволоконных линиях связи в качестве управляемого источника световых импульсов, а также в устройствах чтения и записи компакт-дисков.

Варикап

Он тоже относится к одному из типов ПП-диодов. Принцип его работы основан на изменении электрической ёмкости p-n-перехода в зависимости от приложенного обратного напряжения. Служит конденсатором переменной ёмкости в различных частотозадающих цепях.

Транзистор

Это трёхэлектродный полупроводник, который усиливает, генерирует и коммутирует электросигналы. В зависимости от структурных и эксплуатационных особенностей существует два типа транзисторных устройств:

Существует также гидрид обоих типов устройств. Это биполярный транзистор с изолированным затвором – IGBT-транзистор.

На схеме:

Q1 – биполярный транзистор структуры n-p-n;
Q2 – биполярный транзистор структуры p-n-p;
Q3 – полевой транзистор с каналом p-типа;
Q4 – полевой транзистор с каналом n-типа.

Тиристор

Это полупроводниковый элемент с тремя или более p-n-переходами, находящийся в двух устойчивых состояниях: открыт (включен) или закрыт (выключен).

Подача небольшого напряжения на управляющий электрод (УЭ) открывает его. Если напряжение между анодом (А) и катодом (К) будет выше определённого напряжения удержания, то тиристор останется открытым, даже если прекратить подачу управляющего питания. Следовательно, для его закрытия оно должно оказаться ниже напряжения удержания. Устройство пропускает ток только в одном направлении. То есть в случае с переменным током тиристор каждый раз будет закрываться при отрицательной полуволне. Его разновидность, пропускающая ток в обоих направлениях, называется симистором:

А тиристор, не имеющий УЭ, и который открывается при достижении определенного напряжения между анодом и катодом, называется динистором:

Тиристор, симистор и динистор применяются в силовой электронике в качестве мощных бесконтактных коммутационных приборов.

Варистор

Это полупроводниковый прибор, сопротивление которого нелинейно зависит от приложенного напряжения: оно скачкообразно падает до незначительных величин при достижении определенного порога. Применяется в цепях защиты от перенапряжения.

Фоторезистор

Это ещё один полупроводниковый прибор без p-n-переходов, изменяющий своё сопротивление при воздействии на него света. Увеличение интенсивности воздействующего светового потока приводит к его снижению. Применим фоторезистор в качестве разных датчиков.

Кроме него, существуют фотоэлектронные виды буквально всех приборов: фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и другие.