Què és un semiconductor

Juntament amb els conductors de l'electricitat, hi ha moltes substàncies a la natura que tenen una conductivitat elèctrica significativament menor que els conductors metàl·lics. Les substàncies d'aquest tipus s'anomenen semiconductors.

Els semiconductors inclouen: certs elements químics com ara seleni, silici i germani, compostos de sofre com ara sulfur de talli, sulfur de cadmi, sulfur de plata, carburs com el carborundum, carboni (diamant), bor, estany, fòsfor, antimoni, arsènic, tel·luri, iode. , i un nombre compostos que inclouen almenys un dels elements del grup 4 — 7 del sistema de Mendeleiev. També hi ha semiconductors orgànics.

La naturalesa de la conductivitat elèctrica del semiconductor depèn del tipus d'impureses presents en el material base del semiconductor i de la tecnologia de fabricació de les seves parts constituents.

Semiconductor — substància amb conductivitat elèctrica 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 situat per aquestes propietats entre el conductor i l'aïllant.La diferència entre conductors, semiconductors i aïllants segons la teoria de bandes és la següent: en semiconductors purs i aïllants electrònics hi ha una banda d'energia prohibida entre la banda plena (valència) i la banda de conducció.

Per què els semiconductors condueixen el corrent

Un semiconductor té conductivitat electrònica si els electrons exteriors dels seus àtoms d'impuresa estan relativament febles lligats als nuclis d'aquests àtoms. Si es crea un camp elèctric en aquest tipus de semiconductor, sota la influència de les forces d'aquest camp, els electrons exteriors dels àtoms d'impuresa del semiconductor abandonaran els límits dels seus àtoms i es convertiran en electrons lliures.

Els electrons lliures crearan un corrent de conducció elèctrica al semiconductor sota la influència de les forces del camp elèctric. Per tant, la naturalesa del corrent elèctric en els semiconductors elèctricament conductors és la mateixa que en els conductors metàl·lics. Però com que hi ha moltes vegades menys electrons lliures per unitat de volum d'un semiconductor que per unitat de volum d'un conductor metàl·lic, és natural que, sent totes les altres condicions iguals, el corrent en un semiconductor sigui moltes vegades més petit que en un conductor metàl·lic. conductor.

Un semiconductor té conductivitat "forat" si els àtoms de la seva impuresa no només no renuncien als seus electrons exteriors, sinó que, per contra, tendeixen a capturar els electrons dels àtoms de la substància principal del semiconductor. Si un àtom d'impuresa treu un electró d'un àtom de la substància principal, llavors en aquesta última es forma una mena d'espai lliure per a un electró: un "forat".

Un àtom semiconductor que ha perdut un electró s'anomena "forat d'electrons" o simplement "forat".Si el "forat" s'omple amb un electró transferit d'un àtom veí, llavors s'elimina i l'àtom es torna elèctricament neutre, i el "forat" es mou a l'àtom veí que ha perdut un electró. Per tant, si s'aplica un camp elèctric a un semiconductor amb conducció de "forat", els "forats d'electrons" es mouran en la direcció d'aquest camp.

El biaix dels "forats d'electrons" en la direcció d'acció d'un camp elèctric és similar al moviment de les càrregues elèctriques positives en un camp i, per tant, és un fenomen de corrent elèctric en un semiconductor.

Els semiconductors no es poden diferenciar estrictament segons el mecanisme de la seva conductivitat elèctrica, perquè juntament amb la conductivitat "forat", aquest semiconductor pot tenir conductivitat electrònica en un grau o un altre.

Els semiconductors es caracteritzen per:

• tipus de conductivitat (electrònica - tipus n, forat -p -tipus);

• resistència;

• vida útil del portador de càrrega (minoritat) o longitud de difusió, velocitat de recombinació superficial;

• densitat de luxació.

Vegeu també: Característiques corrent-tensió dels semiconductors El silici és el material semiconductor més comú

La temperatura té éssers que afecten les característiques dels semiconductors. El seu augment porta principalment a una disminució de la resistència i viceversa, és a dir. Els semiconductors es caracteritzen per la presència de negatius coeficient de resistència a la temperatura… Prop del zero absolut, el semiconductor es converteix en un aïllant.

Molts dispositius es basen en semiconductors. En la majoria dels casos, s'han d'obtenir en forma de cristalls senzills.Per donar les propietats desitjades, els semiconductors es dopen amb diverses impureses. S'imposen requisits més elevats sobre la puresa dels materials semiconductors de partida.

Dispositius semiconductors

Tractament tèrmic de semiconductors

Tractament tèrmic d'un semiconductor: escalfament i refredament d'un semiconductor d'acord amb un programa determinat per tal de canviar les seves propietats electrofísiques.

Canvis: modificació del cristall, densitat de dislocació, concentració de vacants o defectes estructurals, tipus de conductivitat, concentració, mobilitat i vida útil dels portadors de càrrega. Els quatre últims, a més, poden estar relacionats amb la interacció d'impureses i defectes estructurals o amb la difusió d'impureses en el gruix dels cristalls.

L'escalfament de les mostres de germani a una temperatura > 550 °C seguida d'un refredament ràpid provoca l'aparició d'acceptadors tèrmics en concentracions com més alta sigui la temperatura. El recuit posterior a la mateixa temperatura restaura la resistència inicial.

El mecanisme probable d'aquest fenomen és la dissolució del coure a la xarxa de germani que es difon des de la superfície o s'ha dipositat prèviament en dislocacions. El recuit lent fa que el coure es dipositi sobre defectes estructurals i surti de la gelosia. També és possible l'aparició de nous defectes estructurals durant el refredament ràpid. Ambdós mecanismes poden reduir la vida útil, que s'ha establert experimentalment.

En silici a temperatures de 350 - 500 °, la formació de donants tèrmics es produeix en concentracions com més altes, més oxigen es dissol en silici durant el creixement del cristall. A temperatures més altes, els donants de calor es destrueixen.

L'escalfament a temperatures del rang de 700 a 1300 ° redueix dràsticament la vida útil dels portadors de càrrega minoritari (a > 1000 ° el paper decisiu el juga la difusió d'impureses de la superfície). L'escalfament de silici a 1000-1300 ° afecta l'absorció òptica i la dispersió de la llum.

Aplicació de semiconductors

En les tecnologies modernes, els semiconductors han trobat l'aplicació més àmplia; han tingut un impacte molt fort en el progrés tecnològic. Gràcies a ells, és possible reduir significativament el pes i les dimensions dels dispositius electrònics. El desenvolupament de totes les àrees de l'electrònica porta a la creació i millora d'un gran nombre d'equips diversos basats en dispositius semiconductors. Els dispositius semiconductors serveixen de base per a microcel·les, micromòduls, circuits durs, etc.

Els dispositius electrònics basats en dispositius semiconductors són pràcticament inercials. Un dispositiu semiconductor ben segellat i construït amb cura pot durar desenes de milers d'hores. Tanmateix, alguns materials semiconductors tenen un límit de temperatura petit (per exemple, el germani), però la compensació de temperatura no és molt difícil o la substitució del material base del dispositiu per un altre (per exemple, silici, carbur de silici) elimina en gran mesura aquest inconvenient. de la tecnologia de fabricació de dispositius semiconductors es tradueix en una reducció de la dispersió i inestabilitat dels paràmetres encara existents.

Semiconductors en electrònica

El contacte semiconductor-metall i la unió electró-forat (unió n-p) creades en semiconductors s'utilitzen en la fabricació de díodes semiconductors.Dobles unions (p-n-p o n-R-n): transistors i tiristors. Aquests dispositius s'utilitzen principalment per rectificar, generar i amplificar senyals elèctrics.

Les propietats fotoelèctriques dels semiconductors s'utilitzen per crear fotoresistors, fotodíodes i fototransistors. El semiconductor serveix com a part activa dels oscil·ladors (amplificadors) d'oscil·lacions làsers semiconductors… Quan un corrent elèctric travessa la unió pn en direcció cap endavant, els portadors de càrrega —electrons i forats— es recombinen amb l'emissió de fotons, que s'utilitzen per crear LED.

LEDs

Les propietats termoelèctriques dels semiconductors van permetre crear resistències termoelèctriques de semiconductors, termoparells de semiconductors, termoparells i generadors termoelèctrics i refrigeració termoelèctrica de semiconductors basat en l'efecte Peltier, — refrigeradors termoelèctrics i termoestabilitzadors.

Els semiconductors s'utilitzen en convertidors mecànics de calor i energia solar en generadors elèctrics: termoelèctrics i convertidors fotoelèctrics (cèl·lules solars).

L'esforç mecànic aplicat a un semiconductor canvia la seva resistència elèctrica (l'efecte és més fort que per als metalls), que és la base de l'extensiòmetre del semiconductor.

Els dispositius semiconductors s'han generalitzat a la pràctica mundial, revolucionant l'electrònica, serveixen de base per al desenvolupament i la producció de:

• equips de mesura, ordinadors,

• equipaments per a tot tipus de comunicacions i transports,

• per a l'automatització de processos industrials,

• dispositius de recerca,

• coet,

• equip mèdic

• altres dispositius i dispositius electrònics.

L'ús de dispositius semiconductors permet crear nous equips i millorar els antics, el que significa que redueix la seva mida, pes, consum d'energia i, per tant, redueix la generació de calor al circuit, augmenta la força, la disponibilitat immediata per a l'acció, dóna us permet augmentar la vida útil i la fiabilitat dels dispositius electrònics.