полупроводник

# тег · @ автор · ! учёный

Полупроводник — это кристалл, в котором электронам нужна небольшая порция энергии (ширина запрещённой зоны от 0,1 до 2 эВ), чтобы начать проводить ток. В отличие от металлов, его сопротивление при нагреве уменьшается. Добавление примесей (легирование) или освещение способны изменить проводимость в миллионы раз. Главные полупроводники: кремний (Si), германий (Ge), арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN).

История

Первые эксперименты с выпрямлением на контакте металл-сульфид провёл Карл Фердинанд Браун в 1874 году. Настоящий прорыв произошёл в 1947 году в Bell Labs, когда изобрели транзистор (сначала на германии), заменивший громоздкие лампы. Это положило начало миниатюризации электроники.

Как работает

В чистом полупроводнике все электроны заняты, как пассажиры в битком набитом автобусе: свободных мест нет. Если нагреть или осветить его, некоторые электроны получают энергию и перескакивают в «пустой автобус» — зону проводимости. Тогда в первом автобусе появляются свободные места (дырки), куда могут перемещаться другие электроны. Так возникает ток. Добавление примесей (легирование) заранее создаёт много лишних электронов (доноры) или много дырок (акцепторы), и проводимость сильно увеличивается.

💡 Кремний — второй по распространённости элемент земной коры после кислорода. Именно он стал основой микроэлектроники не только из-за обилия, но и благодаря своему оксиду SiO₂ — отличному изолятору, позволившему создавать планарные транзисторы на одной пластине.

Чистый полупроводник, например кремний, плохо проводит ток. Но если внедрить в него немного атомов другого вещества (это называется легирование), его проводимость резко возрастает. Добавив фосфор, получаем много свободных электронов (n-тип), а добавив бор — создаём «дырки» — места, где электронов не хватает (p-тип).

История

Как работает

💡 Германий исторически был первым материалом для транзисторов, но его заменил кремний: у германия узкая запрещённая зона (0.67 эВ), поэтому при нагреве уже до 80°C он становится слишком проводящим, а кремний (1.12 эВ) работает до 150°C и обладает стабильным оксидом.

Полупроводник — кристаллическое твёрдое тело, электропроводность которого (10⁻⁶–10⁴ См/см) можно целенаправленно менять, вводя примеси (легирование), нагревая, освещая или прикладывая электрическое поле. По зонной теории, при абсолютном нуле его валентная зона заполнена, а зона проводимости пуста; между ними — запрещённая щель шириной E_g ≈ 0.1–2 эВ. С повышением температуры часть электронов возбуждается в зону проводимости, порождая дырки; концентрация собственных носителей n_i ∝ exp(-E_g/2k_B T). Легирование донорными атомами (например, фосфор в кремнии) создаёт уровни у дна зоны проводимости, увеличивая n; акцепторными (бор) — у потолка валентной зоны, увеличивая p. Контакт областей n- и p-типа формирует p-n переход — основу диодов, транзисторов, фотоприёмников и солнечных элементов. Подвижности носителей μ_n и μ_p определяются рассеянием на фононах и примесях.

История

Полупроводниковые свойства впервые наблюдал Майкл Фарадей в 1833 году на сульфиде серебра. Систематические исследования начал Карл Фердинанд Браун в 1874 году, изучая выпрямляющий контакт. Квантовая теория твёрдого тела, созданная в 1930-х годах Блохом, Пайерлсом и Вильсоном, объяснила зонную структуру. Изобретение точечного транзистора Бардином, Браттейном и Шокли в 1947 году открыло эру полупроводниковой электроники. Позднее Лео Эсаки создал туннельный диод (1957), а Судзи Накамура разработал эффективный синий светодиод на GaN (1990-е), завершив спектр для белых источников света.

Как работает

Равновесное распределение электронов по энергиям описывается статистикой Ферми — Дирака, уровень Ферми лежит в запрещённой зоне. Внешнее напряжение или освещение создают неравновесные носители, формируя электрический ток. В p-n переходе диффузия носителей формирует обеднённый слой со встроенным полем, обеспечивающим выпрямление. В биполярном транзисторе малый ток базы управляет большим током коллектора. Полевые транзисторы (MOSFET) используют поле затвора для модуляции проводимости канала. Равновесие концентраций подчиняется закону np = n_i², а полный ток описывается дрейфово-диффузионной моделью.

n_i = \sqrt{N_c N_v} \exp\left(-\frac{E_g}{2k_B T}\right)

n_i — собственная концентрация носителей (электронов = дырок, в м⁻³); N_c, N_v — эффективные плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне (м⁻³), зависят от эффективных масс и температуры; E_g — ширина запрещённой зоны (эВ); k_B — постоянная Больцмана (1.38×10⁻²³ Дж/К); T — абсолютная температура (К). Выражение следует из распределения Ферми — Дирака для невырожденного полупроводника.

\sigma = e (n \mu_n + p \mu_p)

σ — удельная электропроводность (См/м); e — элементарный заряд (1.602×10⁻¹⁹ Кл); n, p — концентрации электронов и дырок (м⁻³); μ_n, μ_p — подвижности электронов и дырок (м²/(В·с)). Эта формула показывает, что проводимость зависит от концентраций и подвижностей, которые можно изменять легированием и температурой.

Открытые проблемы и интересные факты

Преодоление фундаментальных ограничений миниатюризации: туннельные утечки и диссипация тепла в наномасштабных транзисторах.; Создание высокотемпературных сверхпроводников на основе полупроводниковых гетероструктур.; Разработка квантовых компьютеров на спиновых кубитах в кремнии или арсениде галлия.

Пока нет статей

полупроводник

История

Как работает

История

Как работает

История

Как работает

Открытые проблемы и интересные факты

Статьи по теме