Cos'è un semiconduttore

Insieme ai conduttori di elettricità, ci sono molte sostanze in natura che hanno una conduttività elettrica significativamente inferiore rispetto ai conduttori metallici. Le sostanze di questo tipo sono chiamate semiconduttori.

I semiconduttori includono: alcuni elementi chimici come selenio, silicio e germanio, composti di zolfo come solfuro di tallio, solfuro di cadmio, solfuro d'argento, carburi come carborundum, carbonio (diamante), boro, stagno, fosforo, antimonio, arsenico, tellurio, iodio , e un numero di composti che includono almeno uno degli elementi del gruppo 4 — 7 del sistema di Mendeleev. Esistono anche semiconduttori organici.

La natura della conduttività elettrica del semiconduttore dipende dal tipo di impurità presenti nel materiale di base del semiconduttore e dalla tecnologia di fabbricazione delle sue parti costitutive.

Semiconduttore — sostanza con conduttività elettrica 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 situato da queste proprietà tra il conduttore e l'isolante.La differenza tra conduttori, semiconduttori e isolanti secondo la teoria delle bande è la seguente: nei semiconduttori puri e negli isolanti elettronici esiste una banda di energia proibita tra la banda piena (di valenza) e la banda di conduzione.

Perché i semiconduttori conducono corrente

Un semiconduttore ha conduttività elettronica se gli elettroni esterni nei suoi atomi di impurità sono relativamente debolmente legati ai nuclei di quegli atomi. Se in questo tipo di semiconduttore viene creato un campo elettrico, allora sotto l'influenza delle forze di questo campo, gli elettroni esterni degli atomi di impurità del semiconduttore lasceranno i confini dei loro atomi e diventeranno elettroni liberi.

Gli elettroni liberi creeranno una corrente di conduzione elettrica nel semiconduttore sotto l'influenza delle forze del campo elettrico. Pertanto, la natura della corrente elettrica nei semiconduttori elettricamente conduttori è la stessa dei conduttori metallici. Ma poiché ci sono molte volte meno elettroni liberi per unità di volume di un semiconduttore che per unità di volume di un conduttore metallico, è naturale che, a parità di tutte le altre condizioni, la corrente in un semiconduttore sarà molte volte più piccola che in un conduttore metallico conduttore.

Un semiconduttore ha conducibilità "buca" se gli atomi della sua impurità non solo non cedono i loro elettroni esterni, ma, al contrario, tendono a catturare gli elettroni degli atomi della sostanza principale del semiconduttore. Se un atomo di impurità toglie un elettrone da un atomo della sostanza principale, allora in quest'ultima si forma una sorta di spazio libero per un elettrone - un "buco".

Un atomo semiconduttore che ha perso un elettrone è chiamato "buco elettronico" o semplicemente "buco".Se il "buco" è riempito con un elettrone trasferito da un atomo vicino, allora viene eliminato e l'atomo diventa elettricamente neutro, e il "buco" si sposta verso l'atomo vicino che ha perso un elettrone. Pertanto, se si applica un campo elettrico a un semiconduttore con conduzione «buca», le «buche elettroniche» si sposteranno nella direzione di questo campo.

La distorsione delle «buche elettroniche» nella direzione di azione di un campo elettrico è simile al movimento di cariche elettriche positive in un campo ed è quindi un fenomeno di corrente elettrica in un semiconduttore.

I semiconduttori non possono essere rigorosamente differenziati in base al meccanismo della loro conduttività elettrica, perché insieme alla conduttività "Hole", questo semiconduttore può avere conducibilità elettronica in un modo o nell'altro.

I semiconduttori sono caratterizzati da:

• tipo di conducibilità (elettronica - tipo n, foro - tipo p);

• resistenza;

• durata del portatore di carica (minoranza) o lunghezza di diffusione, tasso di ricombinazione superficiale;

• densità di dislocazione.

Guarda anche: Caratteristiche corrente-tensione dei semiconduttori Il silicio è il materiale semiconduttore più comune

La temperatura ha esseri che influenzano le caratteristiche dei semiconduttori. Il suo aumento porta principalmente a una diminuzione della resistenza e viceversa, ad es. i semiconduttori sono caratterizzati dalla presenza di negativo coefficiente di temperatura della resistenza… Vicino allo zero assoluto, il semiconduttore diventa un isolante.

Molti dispositivi sono basati su semiconduttori. Nella maggior parte dei casi, devono essere ottenuti sotto forma di cristalli singoli.Per conferire le proprietà desiderate, i semiconduttori vengono drogati con varie impurità. Vengono imposti maggiori requisiti sulla purezza dei materiali semiconduttori di partenza.

Dispositivi a semiconduttore

Trattamento termico dei semiconduttori

Trattamento termico di un semiconduttore: riscaldamento e raffreddamento di un semiconduttore secondo un determinato programma per modificarne le proprietà elettrofisiche.

Cambiamenti: modificazione del cristallo, densità di dislocazione, concentrazione di posti vacanti o difetti strutturali, tipo di conducibilità, concentrazione, mobilità e durata dei portatori di carica. Gli ultimi quattro, inoltre, possono essere correlati all'interazione di impurità e difetti strutturali o alla diffusione di impurità nella massa dei cristalli.

Il riscaldamento dei campioni di germanio a una temperatura >550 °C seguito da un rapido raffreddamento provoca la comparsa di accettori termici in concentrazioni maggiori della temperatura. La successiva ricottura alla stessa temperatura ripristina la resistenza iniziale.

Il probabile meccanismo di questo fenomeno è la dissoluzione del rame nel reticolo di germanio che si diffonde dalla superficie o si è precedentemente depositato sulle dislocazioni. La ricottura lenta fa sì che il rame si depositi sui difetti strutturali e esca dal reticolo. È anche possibile la comparsa di nuovi difetti strutturali durante il raffreddamento rapido. Entrambi i meccanismi possono ridurre la durata, che è stata stabilita sperimentalmente.

Nel silicio a temperature di 350 - 500 °, la formazione di donatori termici avviene in concentrazioni tanto più elevate quanto più ossigeno si dissolve nel silicio durante la crescita dei cristalli. A temperature più elevate, i donatori di calore vengono distrutti.

Il riscaldamento a temperature comprese tra 700 e 1300 ° riduce drasticamente la durata dei portatori di carica minoritari (a > 1000 ° il ruolo decisivo è svolto dalla diffusione delle impurità dalla superficie). Il riscaldamento del silicio a 1000-1300 ° influisce sull'assorbimento ottico e sulla diffusione della luce.

Applicazione dei semiconduttori

Nelle moderne tecnologie, i semiconduttori hanno trovato la più ampia applicazione; hanno avuto un fortissimo impatto sul progresso tecnologico. Grazie a loro, è possibile ridurre notevolmente il peso e le dimensioni dei dispositivi elettronici. Lo sviluppo di tutte le aree dell'elettronica porta alla creazione e al miglioramento di un gran numero di apparecchiature diverse basate su dispositivi a semiconduttore. I dispositivi a semiconduttore servono come base per microcelle, micromoduli, circuiti rigidi, ecc.

I dispositivi elettronici basati su dispositivi a semiconduttore sono praticamente privi di inerzia. Un dispositivo a semiconduttore accuratamente costruito e ben sigillato può durare decine di migliaia di ore. Tuttavia, alcuni materiali semiconduttori hanno un piccolo limite di temperatura (ad esempio germanio), ma la compensazione della temperatura non molto difficile o la sostituzione del materiale di base del dispositivo con un altro (ad esempio silicio, carburo di silicio) elimina in gran parte questo inconveniente. della tecnologia di produzione di dispositivi a semiconduttore si traduce in una riduzione della dispersione e dell'instabilità dei parametri ancora esistenti.

Semiconduttori in elettronica

Il contatto semiconduttore-metallo e la giunzione elettrone-lacuna (giunzione n-p) creati nei semiconduttori vengono utilizzati nella produzione di diodi semiconduttori.Doppie giunzioni (p-n-p o n-R-n) — transistor e tiristori. Questi dispositivi sono utilizzati principalmente per rettificare, generare e amplificare segnali elettrici.

Le proprietà fotoelettriche dei semiconduttori vengono utilizzate per creare fotoresistenze, fotodiodi e fototransistor. Il semiconduttore funge da parte attiva degli oscillatori (amplificatori) delle oscillazioni laser a semiconduttore… Quando una corrente elettrica passa attraverso la giunzione pn nella direzione in avanti, i portatori di carica - elettroni e lacune - si ricombinano con l'emissione di fotoni, che viene utilizzata per creare i LED.

LED

Le proprietà termoelettriche dei semiconduttori hanno permesso di creare resistenze termoelettriche a semiconduttore, termocoppie a semiconduttore, termocoppie e generatori termoelettrici e raffreddamento termoelettrico di semiconduttori basato sull'effetto Peltier, — frigoriferi termoelettrici e termostabilizzatori.

I semiconduttori sono utilizzati nei convertitori meccanici di calore e di energia solare nei generatori elettrici e termoelettrici e nei convertitori fotoelettrici (celle solari).

Lo stress meccanico applicato a un semiconduttore ne modifica la resistenza elettrica (l'effetto è più forte che per i metalli), che è alla base dell'estensimetro del semiconduttore.

I dispositivi a semiconduttore si sono diffusi nella pratica mondiale, rivoluzionando l'elettronica, servono come base per lo sviluppo e la produzione di:

• apparecchiature di misurazione, computer,

• attrezzature per tutti i tipi di comunicazioni e trasporti,

• per l'automazione dei processi industriali,

• dispositivi di ricerca,

• razzo,

• attrezzature mediche

• altri dispositivi e dispositivi elettronici.

L'uso di dispositivi a semiconduttore consente di creare nuove apparecchiature e migliorare quelle vecchie, il che significa che ne riduce le dimensioni, il peso, il consumo energetico e, quindi, riducendo la generazione di calore nel circuito, aumentando la forza, l'immediata prontezza all'azione, dà ti consente di aumentare la durata e l'affidabilità dei dispositivi elettronici.