Wat is een halfgeleider

Naast de geleiders van elektriciteit zijn er veel stoffen in de natuur die een aanzienlijk lagere elektrische geleidbaarheid hebben dan metalen geleiders. Stoffen van dit type worden halfgeleiders genoemd.

Tot halfgeleiders behoren: bepaalde chemische elementen zoals selenium, silicium en germanium, zwavelverbindingen zoals thalliumsulfide, cadmiumsulfide, zilversulfide, carbiden zoals carborundum, koolstof (diamant), boor, tin, fosfor, antimoon, arseen, tellurium, jodium , en een aantal verbindingen die ten minste een van de elementen van de 4-7-groep van het Mendelejev-systeem bevatten. Er zijn ook organische halfgeleiders.

De aard van de elektrische geleidbaarheid van de halfgeleider hangt af van het type onzuiverheden dat aanwezig is in het basismateriaal van de halfgeleider en van de fabricagetechnologie van de samenstellende delen.

Halfgeleider — substantie met elektrische geleiding 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 gelegen door deze eigenschappen tussen de geleider en de isolator.Het verschil tussen geleiders, halfgeleiders en isolatoren volgens de bandentheorie is als volgt: in zuivere halfgeleiders en elektronische isolatoren is er een verboden energieband tussen de gevulde (valentie)band en de geleidingsband.

Waarom halfgeleiders stroom geleiden

Een halfgeleider heeft elektronische geleidbaarheid als de buitenste elektronen in zijn onzuiverheidsatomen relatief zwak gebonden zijn aan de kernen van die atomen. Als in dit type halfgeleider een elektrisch veld wordt gecreëerd, zullen de buitenste elektronen van de onzuiverheidsatomen van de halfgeleider onder invloed van de krachten van dit veld de grenzen van hun atomen verlaten en vrije elektronen worden.

De vrije elektronen zullen onder invloed van de elektrische veldkrachten een elektrische geleidingsstroom in de halfgeleider opwekken. Daarom is de aard van elektrische stroom in elektrisch geleidende halfgeleiders dezelfde als in metalen geleiders. Maar aangezien er per volume-eenheid van een halfgeleider vele malen minder vrije elektronen zijn dan per volume-eenheid van een metalen geleider, is het logisch dat, onder gelijkblijvende andere omstandigheden, de stroom in een halfgeleider vele malen kleiner zal zijn dan in een metalen geleider. geleider.

Een halfgeleider heeft "gat"-geleidbaarheid als de atomen van zijn onzuiverheid niet alleen hun buitenste elektronen niet opgeven, maar integendeel de neiging hebben om de elektronen van de atomen van de hoofdsubstantie van de halfgeleider te vangen. Als een onzuiverheidsatoom een ​​​​elektron wegneemt van een atoom van de hoofdsubstantie, dan wordt in de laatste een soort vrije ruimte gevormd voor een elektron - een "gat".

Een halfgeleideratoom dat een elektron heeft verloren, wordt een "elektronengat" of eenvoudigweg een "gat" genoemd.Als het "gat" is gevuld met een elektron dat is overgedragen van een naburig atoom, wordt het geëlimineerd en wordt het atoom elektrisch neutraal, en het "gat" gaat naar het naburige atoom dat een elektron heeft verloren. Daarom, als een elektrisch veld wordt aangelegd op een halfgeleider met "gaten"-geleiding, zullen de "elektronengaten" in de richting van dit veld bewegen.

De voorspanning van "elektronengaten" in de werkingsrichting van een elektrisch veld is vergelijkbaar met de beweging van positieve elektrische ladingen in een veld en is daarom een ​​fenomeen van elektrische stroom in een halfgeleider.

Halfgeleiders kunnen niet strikt worden onderscheiden op basis van het mechanisme van hun elektrische geleidbaarheid, omdat deze halfgeleider, samen met "Hole" geleidbaarheid, tot op zekere hoogte elektronische geleidbaarheid kan hebben.

Halfgeleiders worden gekenmerkt door:

• type geleidbaarheid (elektronisch - n-type, gat -p -type);

• weerstand;

• levensduur van de ladingsdrager (minderheid) of diffusielengte, recombinatiesnelheid van het oppervlak;

• dislocatie dichtheid.

Zie ook: Stroom-spanningskarakteristieken van halfgeleiders Silicium is het meest voorkomende halfgeleidermateriaal

Temperatuur heeft wezens die de eigenschappen van halfgeleiders beïnvloeden. De toename ervan leidt voornamelijk tot een afname van de weerstand en vice versa, d.w.z. halfgeleiders worden gekenmerkt door de aanwezigheid van negatief temperatuurcoëfficiënt van weerstand… Bij het absolute nulpunt wordt de halfgeleider een isolator.

Veel apparaten zijn gebaseerd op halfgeleiders. In de meeste gevallen moeten ze worden verkregen in de vorm van enkele kristallen.Om de gewenste eigenschappen te geven, worden halfgeleiders gedoteerd met verschillende onzuiverheden. Er worden hogere eisen gesteld aan de zuiverheid van de uitgangshalfgeleidermaterialen.

Halfgeleider apparaten

Warmtebehandeling van halfgeleiders

Warmtebehandeling van een halfgeleider — verwarming en afkoeling van een halfgeleider volgens een bepaald programma om zijn elektrofysische eigenschappen te veranderen.

Veranderingen: kristalmodificatie, dislocatiedichtheid, concentratie van vacatures of structurele defecten, type geleidbaarheid, concentratie, mobiliteit en levensduur van ladingsdragers. De laatste vier kunnen bovendien verband houden met de interactie van onzuiverheden en structurele defecten of met de diffusie van onzuiverheden in het grootste deel van de kristallen.

Het verwarmen van de germaniummonsters tot een temperatuur >550 °C, gevolgd door snelle afkoeling, resulteert in het verschijnen van thermische acceptoren in concentraties naarmate de temperatuur hoger is. Daaropvolgende uitgloeiing bij dezelfde temperatuur herstelt de initiële weerstand.

Het waarschijnlijke mechanisme van dit fenomeen is het oplossen van koper in het germaniumrooster dat van het oppervlak diffundeert of eerder op dislocaties was afgezet. Langzaam uitgloeien zorgt ervoor dat koper zich afzet op structurele defecten en het rooster verlaat. Het optreden van nieuwe structurele defecten tijdens snelle afkoeling is ook mogelijk. Beide mechanismen kunnen de levensduur verkorten, wat experimenteel is vastgesteld.

In silicium bij temperaturen van 350 - 500 ° vindt de vorming van thermische donoren plaats in concentraties hoe hoger, hoe meer zuurstof wordt opgelost in silicium tijdens kristalgroei. Bij hogere temperaturen worden de warmtedonoren vernietigd.

Verwarming tot temperaturen in het bereik van 700 - 1300 ° verkort de levensduur van minderheidsladingsdragers sterk (bij> 1000 ° wordt de beslissende rol gespeeld door de diffusie van onzuiverheden van het oppervlak). Het verwarmen van silicium bij 1000-1300 ° beïnvloedt de optische absorptie en verstrooiing van licht.

Toepassing van halfgeleiders

In moderne technologieën hebben halfgeleiders de breedste toepassing gevonden; ze hebben een zeer sterke invloed gehad op de technologische vooruitgang. Dankzij hen is het mogelijk om het gewicht en de afmetingen van elektronische apparaten aanzienlijk te verminderen. De ontwikkeling van alle gebieden van elektronica leidt tot de creatie en verbetering van een groot aantal uiteenlopende apparatuur op basis van halfgeleiderapparaten. Halfgeleiderapparaten dienen als basis voor microcellen, micromodules, harde schakelingen, enz.

Elektronische apparaten op basis van halfgeleiderapparaten zijn praktisch traag. Een zorgvuldig geconstrueerd en goed afgesloten halfgeleiderapparaat kan tienduizenden uren meegaan. Sommige halfgeleidermaterialen hebben echter een kleine temperatuurlimiet (bijvoorbeeld germanium), maar niet erg moeilijke temperatuurcompensatie of vervanging van het basismateriaal van het apparaat door een ander (bijvoorbeeld silicium, siliciumcarbide) elimineert dit nadeel grotendeels. van de productietechnologie voor halfgeleiderapparaten resulteert in een vermindering van de nog steeds bestaande parameterspreiding en instabiliteit.

Halfgeleiders in elektronica

Het halfgeleider-metaalcontact en de elektron-gat-overgang (n-p-overgang) gecreëerd in halfgeleiders worden gebruikt bij de vervaardiging van halfgeleiderdiodes.Dubbele knooppunten (p-n-p of n-R-n) - transistors en thyristors. Deze apparaten worden voornamelijk gebruikt om elektrische signalen te corrigeren, op te wekken en te versterken.

De foto-elektrische eigenschappen van halfgeleiders worden gebruikt om fotoresistors, fotodiodes en fototransistors te maken. De halfgeleider dient als het actieve deel van de oscillatoren (versterkers) van oscillaties halfgeleider lasers… Wanneer een elektrische stroom door de pn-overgang in voorwaartse richting gaat, recombineren de ladingsdragers - elektronen en gaten - met de emissie van fotonen, die worden gebruikt om LED's te maken.

LED's

De thermo-elektrische eigenschappen van halfgeleiders maakten het mogelijk om thermo-elektrische halfgeleiderweerstanden, halfgeleider-thermokoppels, thermokoppels en thermo-elektrische generatoren en thermo-elektrische koeling van halfgeleiders te creëren op basis van het Peltier-effect, — thermo-elektrische koelkasten en thermostabilisatoren.

Halfgeleiders worden gebruikt in mechanische warmte- en zonne-energie-omzetters in elektrische - thermo-elektrische generatoren en foto-elektrische omzetters (zonnecellen).

Mechanische spanning die op een halfgeleider wordt uitgeoefend, verandert de elektrische weerstand ervan (het effect is sterker dan bij metalen), wat de basis vormt van de rekstrookjes voor halfgeleiders.

Halfgeleiderapparaten zijn wijdverbreid geworden in de wereldpraktijk en hebben een revolutie teweeggebracht in de elektronica. Ze dienen als basis voor de ontwikkeling en productie van:

• meetapparatuur, computers,

• apparatuur voor alle soorten communicatie en transport,

• voor industriële procesautomatisering,

• onderzoeksapparaten,

• raket,

• medische apparatuur

• andere elektronische apparaten en apparaten.

Door het gebruik van halfgeleiderapparaten kunt u nieuwe apparatuur maken en oude verbeteren, wat betekent dat het de grootte, het gewicht, het stroomverbruik vermindert en daardoor de warmteontwikkeling in het circuit vermindert, de kracht vergroot, onmiddellijk klaar is voor actie, het geeft you stelt u in staat de levensduur en betrouwbaarheid van elektronische apparaten te verlengen.