Urządzenie półprzewodnikowe, element obwodu elektronicznego wykonany z materiału, który nie jest ani dobrym przewodnikiem, ani dobrym izolatorem (stąd półprzewodnik). Takie urządzenia znalazły szerokie zastosowanie ze względu na swoją kompaktowość, niezawodność i niski koszt. Jako odrębne elementy znalazły zastosowanie w urządzeniach mocy, czujnikach optycznych i emiterach światła, w tym laserach półprzewodnikowych. Mają szeroki zakres zdolności do obsługi prądu i napięcia, z prądami znamionowymi z kilku nanoamperów (10 −9amper) do ponad 5000 amperów i napięć znamionowych powyżej 100 000 woltów. Co ważniejsze, urządzenia półprzewodnikowe nadają się do integracji w złożone, ale łatwe do wytworzenia obwody mikroelektroniczne. Są i będą w dającej się przewidzieć przyszłości kluczowymi elementami dla większości systemów elektronicznych, w tym sprzętu komunikacyjnego, konsumenckiego, przetwarzającego dane i przemysłowego sterowania.
Zasady półprzewodników i połączeń
Materiały półprzewodnikowe
Materiały półprzewodnikowe są zwykle pogrupowane w trzy klasy: izolatory, półprzewodniki i przewodniki. (W niskich temperaturach niektóre przewodniki, półprzewodniki i izolatory mogą stać się nadprzewodnikami.) Rysunek 1 pokazuje przewodnictwo σ (i odpowiednie rezystywności ρ = 1 / σ), które są związane z niektórymi ważnymi materiałami w każdej z trzech klas. Izolatory, takie jak stopiony kwarc i szkło, mają bardzo niskie przewodnictwo, rzędu 10-18 do 10-10 siemensów na centymetr; i przewody, takie jak aluminium, mają wysoką przewodność, zwykle od 10 4 10 6 Siemens na centymetr. Przewodnictwo półprzewodników jest pomiędzy tymi skrajnościami.
Przewodnictwo półprzewodnika jest ogólnie wrażliwe na temperaturę, oświetlenie, pola magnetyczne i niewielkie ilości atomów zanieczyszczeń. Na przykład dodanie mniej niż 0,01 procent określonego rodzaju zanieczyszczenia może zwiększyć przewodność elektryczną półprzewodnika o cztery lub więcej rzędów wielkości (tj. 10 000 razy). Zakresy przewodnictwa półprzewodnikowego wywołanego przez atomy zanieczyszczeń dla pięciu popularnych półprzewodników podano na rycinie 1.
Badania materiałów półprzewodnikowych rozpoczęto na początku XIX wieku. Przez lata badano wiele półprzewodników. Tabela pokazuje część układu okresowego związanego z półprzewodnikami. Elementarnymi półprzewodnikami są te składające się z pojedynczych rodzajów atomów, takich jak krzem (Si), german (Ge) i szara cyna (Sn) w kolumnie IV i selen (Se) i tellur (Te) w kolumnie VI. Istnieje jednak wiele złożonych półprzewodników, które składają się z dwóch lub więcej elementów. Na przykład arsen galu (GaAs) jest binarnym związkiem III-V, który jest kombinacją galu (Ga) z kolumny III i arsenu (As) z kolumny V.
Część układu okresowego pierwiastków związanych z półprzewodnikami
| Kropka | kolumna | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | III | IV | V. | VI | |
| 2) | bor
B. |
węgiel
C |
azot
N |
||
| 3) | magnez
Mg |
aluminium
Al |
krzem
Si |
fosfor
P |
siarka
S |
| 4 | cynk
Zn |
gal
Ga |
germanium
Ge |
arsen
As |
selen
Se |
| 5 | kadm
Cd |
indium
In |
cyna
Sn |
antymon
Sb |
tellurium
Te |
| 6 | rtęć
Hg |
ołów
Pb |
|||
Związki trójskładnikowe można tworzyć z elementów z trzech różnych kolumn, takich jak na przykład tellurek rtęci indu (HgIn 2 Te 4), związek II-III-VI. Mogą być również utworzone z elementów z dwóch kolumn, takich jak arsen glinowo-glinowy (Al x Ga 1 - x As), który jest trójskładnikowym związkiem III-V, gdzie zarówno Al, jak i Ga pochodzą z kolumny III, a indeks dolny x jest powiązany do składu dwóch pierwiastków od 100 procent Al (x = 1) do 100 procent Ga (x = 0). Czysty krzem jest najważniejszym materiałem do zastosowania w układach scalonych, a związki binarne i trójskładnikowe III-V mają największe znaczenie dla emisji światła.
Przed wynalezieniem tranzystora bipolarnego w 1947 r. Półprzewodniki były używane tylko jako urządzenia dwubiegunowe, takie jak prostowniki i fotodiody. Na początku lat 50. german był głównym materiałem półprzewodnikowym. Okazało się jednak, że nie nadaje się do wielu zastosowań, ponieważ urządzenia wykonane z tego materiału wykazywały wysokie prądy upływowe tylko przy umiarkowanie podwyższonych temperaturach. Od wczesnych lat 60. XX wieku krzem stał się praktycznym substytutem, praktycznie wypierając german jako materiał do produkcji półprzewodników. Główne przyczyny tego to dwojaki: (1) urządzenia krzemu wykazuje znacznie mniejsze prądy upływu, i (2) o wysokiej jakości dwutlenek krzemu (SiO 2), która jest izolatorem, jest łatwy w produkcji. Technologia krzemowa jest obecnie najbardziej zaawansowana spośród wszystkich technologii półprzewodnikowych, a urządzenia na bazie krzemu stanowią ponad 95 procent całego sprzętu półprzewodnikowego sprzedawanego na całym świecie.
Wiele złożonych półprzewodników ma właściwości elektryczne i optyczne, których nie ma w krzemie. Te półprzewodniki, zwłaszcza arsenek galu, są stosowane głównie w aplikacjach o dużej prędkości i optoelektronicznych.
