Ημιαγωγοί:Ορισμός, Τύποι, Εφαρμογές &Πώς λειτουργούν
Ένας ημιαγωγός είναι ένα υλικό του οποίου η ηλεκτρική αγωγιμότητα βρίσκεται μεταξύ εκείνης ενός αγωγού και ενός μονωτή και, κυρίως, είναι ελεγχόμενη. Αυτή η δυνατότητα ελέγχου προκύπτει από την ηλεκτρονική δομή του υλικού, συγκεκριμένα την παρουσία ενός μικρού ενεργειακού κενού ζωνών που διαχωρίζει τις κατειλημμένες και τις μη κατειλημμένες καταστάσεις ηλεκτρονίων. Προσαρμόζοντας τη θερμοκρασία, την έκθεση στο φως, τα ηλεκτρικά πεδία ή τη χημική σύνθεση μέσω του ντόπινγκ, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί ρυθμίζουν τον τρόπο με τον οποίο το ηλεκτρικό φορτίο ρέει μέσω ενός ημιαγωγού. Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν τους ημιαγωγούς τα θεμελιώδη υλικά της σύγχρονης ηλεκτρονικής, επιτρέποντας τρανζίστορ, ολοκληρωμένα κυκλώματα, ηλιακά κύτταρα, διόδους εκπομπής φωτός, αισθητήρες και αμέτρητες άλλες τεχνολογίες που στηρίζουν τη σύγχρονη κοινωνία.
Βασικά συμπεράσματα:Ημιαγωγοί
- Οι ημιαγωγοί μεταφέρουν ηλεκτρισμό μόνο υπό συγκεκριμένες, ελεγχόμενες συνθήκες.
- Η συμπεριφορά τους εξηγείται χρησιμοποιώντας την κβαντική μηχανική και τη θεωρία ζωνών ενέργειας.
- Το ηλεκτρικό ρεύμα μεταφέρεται τόσο από ηλεκτρόνια όσο και από οπές.
- Το ντόπινγκ εισάγει προσεκτικά επιλεγμένες ακαθαρσίες που ελέγχουν την αγωγιμότητα.
- Οι στοιχειώδεις ημιαγωγοί βρίσκονται κοντά στο μεταλλοειδές όριο του περιοδικού πίνακα.
- Οι ημιαγωγοί επιτρέπουν την εναλλαγή, την ενίσχυση, την αίσθηση και τη μετατροπή ενέργειας.
Τι είναι ο ημιαγωγός;
Ημιαγωγός είναι ένα στερεό υλικό του οποίου η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι ενδιάμεση μεταξύ αυτής των μετάλλων και των μονωτών (μη μετάλλων). Στα μέταλλα, πολλά ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα να κινούνται ανά πάσα στιγμή, με αποτέλεσμα την υψηλή αγωγιμότητα. Στους μονωτές, τα ηλεκτρόνια είναι στενά συνδεδεμένα με τα άτομα και δεν μπορούν να κινηθούν εύκολα, επομένως το ηλεκτρικό ρεύμα δεν ρέει. Οι ημιαγωγοί καταλαμβάνουν ένα μεσαίο έδαφος:υπό κανονικές συνθήκες, τα περισσότερα ηλεκτρόνια είναι δεσμευμένα, αλλά μέτριες ποσότητες ενέργειας μπορούν να απελευθερώσουν μερικά από αυτά για να μεταφέρουν φορτίο.
Το καθοριστικό χαρακτηριστικό ενός ημιαγωγού δεν είναι απλώς η ενδιάμεση αγωγιμότητα, αλλά η συντονισμό . Ένας ημιαγωγός συμπεριφέρεται σχεδόν σαν μονωτής σε μια κατάσταση και περισσότερο σαν αγωγός σε μια άλλη. Αυτή η ικανότητα ελέγχου πότε και πώς ρέει το ρεύμα καθιστά δυνατή την ηλεκτρονική μεταγωγή, τις λογικές λειτουργίες και την ενίσχυση του σήματος.
Ιστορία των Ημιαγωγών
Οι παρατηρήσεις ασυνήθιστης ηλεκτρικής συμπεριφοράς σε ορισμένα υλικά χρονολογούνται από τα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα. Ουσίες όπως το σελήνιο και το οξείδιο του χαλκού βρέθηκαν να μεταφέρουν τον ηλεκτρισμό καλύτερα προς τη μία κατεύθυνση από την άλλη, ένα φαινόμενο που αργότερα ονομάστηκε ανόρθωση. Αυτά τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν σε πρώιμους αισθητήρες φωτός και ραδιοανιχνευτές, πολύ πριν υπάρξει μια πλήρης θεωρητική εξήγηση.
Η θεωρητική βάση για τους ημιαγωγούς εμφανίστηκε στις αρχές του εικοστού αιώνα με την ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής και της φυσικής στερεάς κατάστασης. Οι επιστήμονες έμαθαν ότι τα ηλεκτρόνια στα στερεά δεν καταλαμβάνουν διακριτά επίπεδα ατομικής ενέργειας, αλλά αντιθέτως γεμίζουν περιοχές επιτρεπόμενων ενεργειών που ονομάζονται ζώνες. Αυτή η εικόνα εξήγησε γιατί ορισμένα υλικά μεταδίδουν ηλεκτρισμό εύκολα, άλλα σχεδόν καθόλου και μερικά μόνο υπό συγκεκριμένες συνθήκες.
Μια σημαντική τεχνολογική καμπή συνέβη το 1947 με την εφεύρεση του τρανζίστορ. Τα τρανζίστορ έδειξαν ότι οι ημιαγωγοί θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τους σωλήνες κενού ως ενισχυτές και διακόπτες, προσφέροντας δραματικές βελτιώσεις στο μέγεθος, την αξιοπιστία και την ενεργειακή απόδοση. Αυτή η ανακάλυψη έθεσε τις βάσεις για τα σύγχρονα ηλεκτρονικά.
Στις δεκαετίες που ακολούθησαν, οι πρόοδοι στον καθαρισμό, την ανάπτυξη κρυστάλλων και τη μικροκατασκευή επέτρεψαν την ανάπτυξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, επιτρέποντας την κατασκευή πολλών τρανζίστορ σε ένα μόνο κομμάτι υλικού. Η συνεχής κλιμάκωση και τελειοποίηση οδήγησαν στους μικροεπεξεργαστές και τις συσκευές μνήμης που τροφοδοτούν υπολογιστές, smartphone και δίκτυα επικοινωνίας σήμερα.
Η έρευνα για ημιαγωγούς συνεχίζει να εξελίσσεται, αντιμετωπίζοντας προκλήσεις που σχετίζονται με τη σμίκρυνση, τη διαχείριση θερμότητας, την ενεργειακή απόδοση, την οπτοηλεκτρονική και τις κβαντικές τεχνολογίες.
Επιλεγμένο χρονοδιάγραμμα βασικών ατόμων και συμβάντων
- 1873 :Παρατηρήθηκε φωτοαγωγιμότητα στο σελήνιο
- αρχές του 1900 :Ανορθωτές κρυστάλλων που χρησιμοποιούνται στη ραδιοτεχνολογία
- δεκαετία του 1930 :Ανάπτυξη θεωρίας ζωνών ενέργειας
- 1947 :Παρουσιάστηκε το πρώτο τρανζίστορ που λειτουργεί
- 1958 :Εφευρέθηκε ολοκληρωμένο κύκλωμα
- 1970–σήμερα :Ταχεία κλιμάκωση συσκευών ημιαγωγών και άνοδος της μικροηλεκτρονικής
Υλικά ημιαγωγών
Τα υλικά ημιαγωγών σχηματίζουν μια διαφορετική κατηγορία στερεών που ενοποιούνται από παρόμοια ηλεκτρονική συμπεριφορά. Μπορεί να είναι στοιχειώδη, σύνθετα ή οργανικά. Οι ιδιότητές τους εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τους ατομικούς δεσμούς και την κρυσταλλική δομή.
Στοιχειώδεις ημιαγωγοί και ο περιοδικός πίνακας
Οι στοιχειώδεις ημιαγωγοί είναι υλικά ενός στοιχείου των οποίων η ατομική δομή οδηγεί σε ημιαγώγιμη συμπεριφορά. Βρίσκονται κοντά στο όριο μεταξύ μετάλλων και μη μετάλλων στον περιοδικό πίνακα, που συχνά ονομάζεται μεταλλοειδής περιοχή. Τα άτομα σε αυτή την περιοχή ούτε εγκαταλείπουν τα ηλεκτρόνια τόσο εύκολα όσο τα μέταλλα ούτε τα κρατούν τόσο σφιχτά όσο τα αμέταλλα. Αντίθετα, σχηματίζουν εκτεταμένα ομοιοπολικά δίκτυα στα οποία τα ηλεκτρόνια μοιράζονται μεταξύ γειτονικών ατόμων.
- Πυρίτιο
Το πυρίτιο είναι ο σημαντικότερος ημιαγωγός στη σύγχρονη τεχνολογία. Κάθε άτομο πυριτίου σχηματίζει τέσσερις ομοιοπολικούς δεσμούς σε ένα άκαμπτο κρυσταλλικό πλέγμα που επιτρέπει ελεγχόμενη κίνηση ηλεκτρονίων. - Γερμάνιο
Το γερμάνιο έχει παρόμοια δομή συγκόλλησης αλλά μικρότερο διάκενο ζώνης, που το καθιστά χρήσιμο σε εφαρμογές υψηλής ταχύτητας και υπέρυθρων.
Σύνθετοι ημιαγωγοί
Οι σύνθετοι ημιαγωγοί αποτελούνται από δύο ή περισσότερα στοιχεία, τα οποία επιλέγονται συχνά από διαφορετικές ομάδες του περιοδικού πίνακα για την προσαρμογή των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων.
- Αρσενίδιο του γαλλίου
Το αρσενίδιο του γαλλίου προσφέρει υψηλότερη κινητικότητα ηλεκτρονίων από το πυρίτιο και χρησιμοποιείται ευρέως σε ηλεκτρονικά και οπτοηλεκτρονικά υψηλής συχνότητας. - Καρβίδιο του πυριτίου
Το καρβίδιο του πυριτίου λειτουργεί αξιόπιστα σε υψηλές θερμοκρασίες και τάσεις, καθιστώντας το πολύτιμο στα ηλεκτρονικά ισχύος. - Τελλουρίδιο του καδμίου
Το τελλουρίδιο του καδμίου χρησιμοποιείται συνήθως σε ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης.
Οργανικοί ημιαγωγοί
Οι οργανικοί ημιαγωγοί είναι μόρια ή πολυμερή με βάση τον άνθρακα στα οποία η μεταφορά φορτίου λαμβάνει χώρα μέσω μη εντοπισμένων μοριακών τροχιακών. Επιτρέπουν ευέλικτες οθόνες, οργανικά LED και ελαφριές ηλεκτρονικές συσκευές, αν και συνήθως με χαμηλότερη απόδοση από τους ανόργανους ημιαγωγούς.
Βασικές ιδιότητες των ημιαγωγών
Οι ημιαγωγοί μοιράζονται ένα σύνολο χαρακτηριστικών ιδιοτήτων που τους διακρίνουν από τους αγωγούς και τους μονωτές και καθορίζουν τη συμπεριφορά τους στις συσκευές.
Δομή ενεργειακής ζώνης
Σε έναν κρύσταλλο, οι επιτρεπόμενες ενέργειες ηλεκτρονίων σχηματίζουν ζώνες. Η ζώνη σθένους περιέχει ηλεκτρόνια συνδεδεμένα με άτομα, ενώ η ζώνη αγωγιμότητας περιέχει ηλεκτρόνια ελεύθερα να κινούνται μέσα από τον κρύσταλλο. Το χάσμα ζώνης Ο διαχωρισμός αυτών των ζωνών είναι αρκετά μικρός στους ημιαγωγούς ώστε τα ηλεκτρόνια να μπορούν να το διασχίσουν υπό κανονικές συνθήκες, αλλά αρκετά μεγάλο ώστε να αποτρέψει τη συνεχή αγωγιμότητα.
Εξάρτηση από τη θερμοκρασία
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, περισσότερα ηλεκτρόνια αποκτούν αρκετή ενέργεια για να διασχίσουν το διάκενο ζώνης. Αυτό οδηγεί σε αυξημένη αγωγιμότητα με την αύξηση της θερμοκρασίας, σε αντίθεση με τη συμπεριφορά των περισσότερων μετάλλων.
Φορείς φόρτισης
Το ηλεκτρικό ρεύμα στους ημιαγωγούς μεταφέρεται από ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και τις οπές στη ζώνη σθένους. Οι οπές αντιπροσωπεύουν ηλεκτρόνια που λείπουν και συμπεριφέρονται ως θετικά φορτισμένοι φορείς.
Οπτική ευαισθησία
Επειδή τα ηλεκτρόνια μπορούν να διεγερθούν στο διάκενο της ζώνης από το φως, οι ημιαγωγοί ανταποκρίνονται έντονα στον φωτισμό. Αυτή η ιδιότητα ενεργοποιεί φωτοανιχνευτές, κάμερες και ηλιακά κύτταρα.
Τύποι Ημιαγωγών
Οι ημιαγωγοί ταξινομούνται με βάση την καθαρότητα, τη σύνθεση και την ηλεκτρονική συμπεριφορά.
Εσωτερικοί ημιαγωγοί
Ένας εγγενής ημιαγωγός είναι ένα χημικά καθαρό υλικό χωρίς σκόπιμες ακαθαρσίες. Η αγωγιμότητά του προκύπτει μόνο από θερμικά δημιουργούμενα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών και είναι σχετικά χαμηλή σε θερμοκρασία δωματίου.
Εξωτερικοί Ημιαγωγοί
Οι εξωγενείς ημιαγωγοί περιέχουν μικρές, προσεκτικά ελεγχόμενες ποσότητες ατόμων ακαθαρσιών που ονομάζονται dopants . Αυτές οι ακαθαρσίες εισάγουν πρόσθετους φορείς φόρτισης και αυξάνουν δραματικά την αγωγιμότητα.
Ημιαγωγοί n-τύπου
Οι ημιαγωγοί τύπου n είναι ντοπαρισμένοι με άτομα που έχουν περισσότερα ηλεκτρόνια σθένους από το υλικό ξενιστή. Αυτά τα πρόσμικτα δωρίζουν επιπλέον ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας, καθιστώντας τα ηλεκτρόνια τους κύριους φορείς.
Ημιαγωγοί τύπου p
Οι ημιαγωγοί τύπου p είναι ντοπαρισμένοι με άτομα που έχουν λιγότερα ηλεκτρόνια σθένους από το υλικό ξενιστή. Αυτά τα πρόσθετα δημιουργούν τρύπες στη ζώνη σθένους, καθιστώντας τις τρύπες τους περισσότερους φορείς.
Ημιαγωγοί ευρείας ζώνης
Οι ημιαγωγοί ευρείας ζώνης έχουν μεγαλύτερα κενά ζώνης από το πυρίτιο ή το γερμάνιο. Είναι κατάλληλα για εφαρμογές υψηλής ισχύος, υψηλής συχνότητας και υψηλής θερμοκρασίας.
Προετοιμασία Ημιαγωγών Υλικών
Οι ημιαγωγοί απαιτούν εξαιρετική καθαρότητα και δομική ακρίβεια. Ακόμη και ίχνη ακαθαρσιών μπορούν να επηρεάσουν έντονα την ηλεκτρική συμπεριφορά.
Η προετοιμασία συνήθως περιλαμβάνει τον εξευγενισμό των πρώτων υλών σε εξαιρετικά υψηλή καθαρότητα, την ανάπτυξη μονοκρυσταλλικών πλινθωμάτων, τον τεμαχισμό τους σε γκοφρέτες και την εισαγωγή προσμείξεων σε ελεγχόμενες ποσότητες. Στη συνέχεια, προηγμένες τεχνικές κατασκευής σχεδιάστε μικροσκοπικές δομές στη γκοφρέτα για να δημιουργήσετε λειτουργικές συσκευές.
Πώς λειτουργούν οι ημιαγωγοί
Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των ημιαγωγών απαιτεί σύνδεση της ατομικής δομής, της κβαντικής μηχανικής και της μεταφοράς φορτίου.
Ενεργειακές ζώνες και κίνηση ηλεκτρονίων
Όταν τα άτομα συνδέονται σε έναν κρύσταλλο, τα ατομικά τροχιακά τους επικαλύπτονται, σχηματίζοντας συνεχείς ενεργειακές ζώνες. Το εάν τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τη ζώνη σθένους ή τη ζώνη αγωγιμότητας καθορίζει εάν ρέει ρεύμα.
Δημιουργία φόρτισης και ανασυνδυασμός
Τα ηλεκτρόνια μπορούν να διεγερθούν στη ζώνη αγωγιμότητας από τη θερμική ενέργεια ή το φως, αφήνοντας πίσω τους τρύπες. Όταν τα ηλεκτρόνια ανασυνδυάζονται με οπές, η ενέργεια απελευθερώνεται ως θερμότητα ή φως. Η ισορροπία μεταξύ παραγωγής και ανασυνδυασμού ελέγχει την αγωγιμότητα και την εκπομπή φωτός.
Ντόπινγκ και ο ρόλος των ντοπαντών
Το ντόπινγκ περιλαμβάνει την αντικατάσταση ενός μικρού κλάσματος ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα με διαφορετικά στοιχεία. Ένα προσθέτο επιλέγεται με βάση τον αριθμό ηλεκτρονίων σθένους σε σχέση με το υλικό ξενιστή και την ικανότητά του να ταιριάζει στο πλέγμα χωρίς να διαταράσσεται η δομή. Για παράδειγμα, η προσθήκη ενός ατόμου ηλεκτρονίων πέντε σθένων στο πυρίτιο εισάγει επιπλέον ηλεκτρόνια, ενώ η προσθήκη ενός ατόμου ηλεκτρονίων τριών σθένων δημιουργεί οπές. Τα Dopants επιτρέπουν στους μηχανικούς να σχεδιάζουν υλικά με προβλέψιμη ηλεκτρική συμπεριφορά.
p–n Διασταυρώσεις
Όταν οι περιοχές τύπου p και τύπου n έρχονται σε επαφή, σχηματίζεται μια περιοχή εξάντλησης όπου οι κινητοί φορείς είναι σπάνιοι. Αυτή η διασταύρωση επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει κατά προτίμηση προς μία κατεύθυνση και αποτελεί τη βάση διόδων, τρανζίστορ και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
Μεταφορά ενέργειας:Φωτόνια και Φωνόνια
Όταν οι φορείς φορτίου κινούνται και ανασυνδυάζονται σε έναν ημιαγωγό, η μεταφορά ενέργειας περιλαμβάνει όχι μόνο ηλεκτρικό ρεύμα αλλά και φως και θερμότητα. Αυτές οι διαδικασίες μεταφοράς ενέργειας περιλαμβάνουν φωτόνια και φωνώνα , τα οποία είναι βασικά για την κατανόηση των ορίων εκπομπής φωτός, παραγωγής θερμότητας και απόδοσης σε συσκευές ημιαγωγών.
Όταν ένα ηλεκτρόνιο στη ζώνη αγωγιμότητας ανασυνδυάζεται με μια οπή στη ζώνη σθένους, η διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο καταστάσεων πρέπει να απελευθερωθεί. Σε ορισμένους ημιαγωγούς, αυτή η ενέργεια εκπέμπεται απευθείας ως φωτόνιο , ένα κβάντο ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αυτή η διαδικασία παράγει φως σε συσκευές όπως οι δίοδοι εκπομπής φωτός και οι δίοδοι λέιζερ. Το μήκος κύματος (και το χρώμα) του εκπεμπόμενου φωτός καθορίζεται κυρίως από την ενέργεια του κενού ζώνης του ημιαγωγού.
Σε έμμεσο χάσμα ζώνης στους ημιαγωγούς, ο ανασυνδυασμός ηλεκτρονίου-οπής δεν μπορεί να συμβεί μόνο με εκπομπή φωτονίων, επειδή το ηλεκτρόνιο και η οπή διαφέρουν τόσο στην ορμή όσο και στην ενέργεια. Για να διατηρηθεί η ορμή, η διαδικασία ανασυνδυασμού πρέπει να περιλαμβάνει ένα φωνόνιο , ένα κβάντο δόνησης πλέγματος. Ο ανασυνδυασμός με τη βοήθεια φωνονίων απελευθερώνει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας ως θερμότητα και όχι ως φως, γεγονός που εξηγεί γιατί υλικά όπως το πυρίτιο είναι αναποτελεσματική εκπομπή φωτός.
Τα φωνόνια διαδραματίζουν επίσης ευρύτερο ρόλο στη συμπεριφορά των ημιαγωγών. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φορέων φορτίου και των κραδασμών του πλέγματος περιορίζουν την κινητικότητα του φορέα και συμβάλλουν στην ηλεκτρική αντίσταση. Η ενέργεια που μεταφέρεται στα φωνόνια εμφανίζεται ως θερμότητα, καθιστώντας τη διαχείριση της θερμότητας θεμελιώδη σημασία στο σχεδιασμό και τη λειτουργία συσκευών ημιαγωγών.
Άμεσοι έναντι έμμεσων ημιαγωγών κενού ζώνης
Σε άμεσο χάσμα ζώνης στους ημιαγωγούς, η ελάχιστη ενέργεια της ζώνης αγωγιμότητας ευθυγραμμίζεται με τη μέγιστη ενέργεια της ζώνης σθένους στο χώρο της ορμής. Αυτό επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να ανασυνδυάζονται με οπές και να εκπέμπουν φως αποτελεσματικά.
Σε έμμεσο χάσμα ζώνης στους ημιαγωγούς, το ελάχιστο και το μέγιστο της ζώνης σθένους εμφανίζονται σε διαφορετικές ροπές. Ο ανασυνδυασμός απαιτεί μια πρόσθετη αλληλεπίδραση, καθιστώντας την εκπομπή φωτός αναποτελεσματική. Αυτή η διάκριση εξηγεί γιατί υλικά όπως το αρσενίδιο του γαλλίου χρησιμοποιούνται σε LED και λέιζερ, ενώ το Πυρίτιο δεν είναι.
Συσκευές ημιαγωγών που κατασκευάζονται από διασταυρώσεις p–n
Οι διασταυρώσεις p–n είναι τα δομικά στοιχεία πολλών συσκευών ημιαγωγών.
- Δίοδοι επιτρέψτε στο ρεύμα να ρέει προς μία κατεύθυνση.
- Τρανζίστορ διπολικής διασταύρωσης ενίσχυση ή εναλλαγή ηλεκτρικών σημάτων.
- Τρανζίστορ φαινομένου πεδίου ελέγξτε το ρεύμα χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά πεδία.
- Ηλιακά κύτταρα και φωτοδίοδοι μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρικά σήματα.
Πολλά σημαντικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας συνδέσεις p–n και σχετικές δομές.
Γιατί η καθαρότητα έχει σημασία:ελαττώματα και πραγματικοί κρύσταλλοι
Οι πραγματικοί κρύσταλλοι δεν είναι τέλειοι. Ελαττώματα όπως λείπουν άτομα, εξαρθρώσεις και ακούσιες ακαθαρσίες παγιδεύουν φορείς φορτίου ή ενισχύουν τον ανασυνδυασμό. Επειδή οι συσκευές ημιαγωγών βασίζονται στον ακριβή έλεγχο του φορέα, ακόμη και ένα ακούσιο άτομο ακαθαρσίας μεταξύ δισεκατομμυρίων μπορεί να επηρεάσει την απόδοση. Αυτή η ευαισθησία εξηγεί γιατί η κατασκευή ημιαγωγών είναι πολύπλοκη και δαπανηρή.
Κινητότητα φορέα και ηλεκτρική αγωγιμότητα
Η ηλεκτρική αγωγιμότητα εξαρτάται όχι μόνο από τη συγκέντρωση του φορέα αλλά και από την κινητικότητα , ένα μέτρο για το πόσο εύκολα κινούνται οι φορείς μέσω του πλέγματος. Η κινητικότητα εξαρτάται από τους κραδασμούς, τις ακαθαρσίες και τα ελαττώματα του πλέγματος. Τα υλικά με υψηλή κινητικότητα επιτρέπουν ταχύτερη λειτουργία της συσκευής.
Σύγκριση με αγωγούς και μονωτές
Οι αγωγοί έχουν επικαλυπτόμενες ενεργειακές ζώνες και άφθονα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Οι μονωτές έχουν μεγάλα κενά ζώνης που εμποδίζουν τη δημιουργία φορέα. Οι ημιαγωγοί βρίσκονται μεταξύ αυτών των άκρων, με μέτρια κενά ζώνης που επιτρέπουν την ελεγχόμενη αγωγιμότητα.
Εφαρμογές Ημιαγωγών
Οι ημιαγωγοί έχουν εφαρμογές σε πολλές βιομηχανίες επειδή επιτρέπουν ακριβή ηλεκτρικό έλεγχο.
- Ηλεκτρονικά και Υπολογιστές :Τα λογικά κυκλώματα, οι επεξεργαστές, η μνήμη και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα βασίζονται στη συμπεριφορά μεταγωγής ημιαγωγών.
- Ηλεκτρονική μετατροπής ενέργειας και ισχύος :Οι ηλιακές κυψέλες μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρική ενέργεια, ενώ οι ημιαγωγοί ισχύος ρυθμίζουν την τάση και το ρεύμα στα ηλεκτρικά συστήματα.
- Φωτισμός και οθόνες :Οι δίοδοι εκπομπής φωτός και οι δίοδοι λέιζερ παρέχουν αποτελεσματικό, ελεγχόμενο φως.
- Επικοινωνίες: Οι ημιαγωγοί ενεργοποιούν ραδιοπομπούς, δέκτες, συστήματα οπτικών ινών και δορυφορικά ηλεκτρονικά.
- Ιατρική και επιστημονικά όργανα :Οι αισθητήρες και οι ανιχνευτές ημιαγωγών είναι δημοφιλείς στην απεικόνιση, τα διαγνωστικά και τα αναλυτικά όργανα.
Συνήθεις παρανοήσεις σχετικά με τους ημιαγωγούς
- Οι ημιαγωγοί φέρουν τη μέση μεταξύ μετάλλων και μονωτών.
Ενώ η αγωγιμότητά τους είναι ενδιάμεση, η βασική διάκριση είναι ότι η αγωγιμότητά τους είναι ελεγχόμενη . Μπορεί να ποικίλλει κατά πολλές τάξεις μεγέθους ανάλογα με τη θερμοκρασία, το φως και το ντόπινγκ. - Οι τρύπες είναι φυσικά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια.
Μια τρύπα δεν είναι πραγματικό σωματίδιο. Αντιπροσωπεύει την απουσία ηλεκτρονίου στη ζώνη σθένους και συμπεριφέρεται σαν θετικά φορτισμένος φορέας επειδή άλλα ηλεκτρόνια κινούνται για να τη γεμίσουν. - Το ντόπινγκ απλώς προσθέτει ελεύθερα ηλεκτρόνια στο υλικό.
Το ντόπινγκ εισάγει άτομα ακαθαρσίας που είτε δωρίζουν ηλεκτρόνια (τύπου n) είτε τα δέχονται, δημιουργώντας οπές (τύπου p). Αλλάζει τη δομή της ζώνης και τις συγκεντρώσεις του φορέα, όχι μόνο με την προσθήκη περίσσειας ηλεκτρονίων. - Οι ημιαγωγοί είναι πάντα συμπαγείς και κρυσταλλικοί.
Οι περισσότεροι ημιαγωγοί είναι κρυσταλλικά στερεά, αλλά υπάρχουν επίσης άμορφοι ημιαγωγοί (όπως a-Si), πολυκρυσταλλικές μεμβράνες, οργανικοί ημιαγωγοί και μερικοί που υπάρχουν σε υγρή ή εύκαμπτη μορφή. - Το πυρίτιο είναι χρήσιμο για LED επειδή εκπέμπει φως.
Το πυρίτιο έχει ένα έμμεσο διάκενο ζώνης, που σημαίνει ότι ο περισσότερος ανασυνδυασμός ηλεκτρονίων-οπών έχει ως αποτέλεσμα θερμότητα και όχι φως. Τα υλικά με άμεσο διάκενο ζώνης, όπως το αρσενίδιο του γαλλίου, αποδίδουν αποτελεσματική εκπομπή φωτός. - Μια διασταύρωση p–n άγει πάντα ηλεκτρισμό.
Μια διασταύρωση p-n διεξάγεται μόνο κάτω από πόλωση προς τα εμπρός. Με αντίστροφη πόλωση, μπλοκάρει τη ροή του ρεύματος μέχρι τη διακοπή. Αυτή η μονοκατευθυντική συμπεριφορά είναι απαραίτητη για τις διόδους και τους ανορθωτές.
Συχνές ερωτήσεις
Γιατί οι ημιαγωγοί είναι απαραίτητοι για τα σύγχρονα ηλεκτρονικά;
Επιτρέπουν την ακριβή εναλλαγή, την ενίσχυση και τον έλεγχο του ηλεκτρικού ρεύματος.
Οι ημιαγωγοί είναι μέταλλα ή μη μέταλλα;
Διαφέρουν και από τα δύο και συχνά βρίσκονται κοντά στο μεταλλοειδές όριο του περιοδικού πίνακα.
Τι τύποι μηχανικών συνεργάζονται με ημιαγωγούς;
Ηλεκτρολόγοι μηχανικοί, μηχανικοί υλικών, χημικοί μηχανικοί, εφαρμοσμένοι φυσικοί και μηχανικοί διεργασιών ημιαγωγών.
Μπορούν οι ημιαγωγοί να εκπέμπουν φως;
Ναι. Ο ανασυνδυασμός ηλεκτρονίων-οπών μπορεί να απελευθερώσει ενέργεια ως φωτόνια.
Γλωσσάρι
Χάσμα ζώνης: Η διαφορά ενέργειας μεταξύ της ζώνης σθένους (γεμάτη με ηλεκτρόνια) και της ζώνης αγωγιμότητας (όπου τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται ελεύθερα). Καθορίζει εάν ένα υλικό είναι αγωγός, μονωτήρας ή ημιαγωγός.
Κινητότητα εταιρείας κινητής τηλεφωνίας: Ένα μέτρο του πόσο γρήγορα μπορούν να κινηθούν τα ηλεκτρόνια ή οι οπές μέσα από ένα υλικό όταν υποβάλλονται σε ηλεκτρικό πεδίο.
Φορέας φόρτισης: Ένα σωματίδιο (ηλεκτρόνιο ή οπή) που μεταφέρει ηλεκτρικό φορτίο μέσω ενός υλικού.
Ζώνη αγωγής: Το εύρος των ενεργειακών επιπέδων σε ένα στερεό όπου τα ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα να κινούνται και να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα.
Κρυσταλλικό πλέγμα: Η διατεταγμένη, επαναλαμβανόμενη ατομική δομή σε ένα στερεό υλικό όπως το πυρίτιο. Τα ελαττώματα του πλέγματος μπορεί να επηρεάσουν την αγωγιμότητα και την κίνηση του φορέα.
Άμεσο χάσμα ζώνης: Μια δομή ζώνης στην οποία τα ηλεκτρόνια μπορούν να ανασυνδυαστούν απευθείας με οπές, εκπέμποντας φωτόνια αποτελεσματικά (καλή για LED και λέιζερ).
Νόστιμο: Ένα άτομο ακαθαρσίας που εισάγεται σε έναν ημιαγωγό για να δημιουργήσει είτε επιπλέον ηλεκτρόνια (τύπου n) είτε οπές (τύπου p). Οι συνήθεις ουσίες πρόσμιξης περιλαμβάνουν φώσφορο, βόριο και αντιμόνιο.
Ντόπινγκ: Η διαδικασία της σκόπιμης προσθήκης ατόμων ακαθαρσίας σε έναν ημιαγωγό για να τροποποιηθούν οι ηλεκτρικές του ιδιότητες αυξάνοντας τον αριθμό των ηλεκτρονίων ή των οπών.
Ηλεκτρόνιο: Ένα αρνητικά φορτισμένο υποατομικό σωματίδιο. Στους ημιαγωγούς, τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν στη ζώνη αγωγιμότητας και να λειτουργήσουν ως κινητοί φορείς φορτίου.
Εξωτερικός ημιαγωγός: Ένας ντοπαρισμένος ημιαγωγός με αγωγιμότητα που χρησιμοποιεί είτε ηλεκτρόνια είτε οπές που εισάγονται από προσμίξεις.
Τρύπα: Εννοιολογικό θετικό φορτίο που αντιπροσωπεύει την απουσία ηλεκτρονίου στη ζώνη σθένους. Οι οπές λειτουργούν ως κινητοί φορείς θετικού φορτίου στους ημιαγωγούς.
Έμμεσο χάσμα ζώνης: Μια δομή ζώνης στην οποία ο ανασυνδυασμός ηλεκτρονίου-οπής απαιτεί τη συμμετοχή ενός φωνονίου, καθιστώντας την εκπομπή φωτονίων αναποτελεσματική (π.χ. πυρίτιο).
Εγγενής ημιαγωγός: Ένα καθαρό ημιαγωγικό υλικό χωρίς σκόπιμη ντόπινγκ. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα προκύπτει από θερμικά δημιουργούμενα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών.
ημιαγωγός τύπου n: Ένας ημιαγωγός εμποτισμένος με άτομα δότη που παρέχουν επιπλέον ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας, καθιστώντας τα ηλεκτρόνια τους κύριους φορείς φορτίου.
διασταύρωση p–n: Το όριο που σχηματίζεται μεταξύ ενός ημιαγωγού τύπου p και ενός ημιαγωγού τύπου n. Επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει προς μία κατεύθυνση και αποτελεί τη βάση πολλών ηλεκτρονικών συσκευών.
ημιαγωγός τύπου p: Ένας ημιαγωγός εμποτισμένος με άτομα δέκτη που δημιουργούν οπές στη ζώνη σθένους, καθιστώντας τις τρύπες τους περισσότερους φορείς φορτίου.
Τηλέφωνα: Κβάντα δόνησης πλέγματος (μηχανική ενέργεια). Στους ημιαγωγούς έμμεσου κενού ζώνης, τα φωνόνια βοηθούν στον ανασυνδυασμό ηλεκτρονίων-οπών διατηρώντας την ορμή.
Φωτόνια: Κβάντα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (φως). Εκπέμπεται κατά τον ανασυνδυασμό ηλεκτρονίων-οπών σε ημιαγωγούς άμεσου κενού ζώνης.
Ανασυνδυασμός: Η διαδικασία με την οποία ένα ηλεκτρόνιο πέφτει από τη ζώνη αγωγιμότητας σε μια οπή στη ζώνη σθένους, απελευθερώνοντας ενέργεια ως φως ή θερμότητα.
Ημιαγωγός: Ένα υλικό με ηλεκτρική αγωγιμότητα μεταξύ αυτής ενός αγωγού και ενός μονωτή, με αγωγιμότητα που ελέγχεται από τη θερμοκρασία, το φως, τα ηλεκτρικά πεδία ή το ντόπινγκ.
Ζώνη σθένους: Το εύρος των ενεργειακών επιπέδων γεμάτο ηλεκτρόνια που είναι συνδεδεμένα με άτομα και δεν είναι ελεύθερα να αγώγουν ηλεκτρισμό.
Αναφορές
- Allen, J. W. (1960). «Το αρσενίδιο του γαλλίου ως ημιμονωτικό». Φύση . 187 (4735):403–405. doi:10.1038/187403b0
- Kittel, Charles (1995). Εισαγωγή στη Φυσική Στερεάς Κατάστασης (7η έκδ.). Wiley. ISBN 0-471-11181-3.
- Sze, Simon Μ. (1981). Φυσική συσκευών ημιαγωγών (2η έκδ.). John Wiley and Sons (WIE). ISBN 978-0-471-05661-4.
- Voelkel, Reinhard (2012). «Κατασκευή μικροοπτικών σε κλίμακα γκοφρέτας». Προηγμένες Οπτικές Τεχνολογίες . 1 (3):135–150. doi:10.1515/aot-2012-0013
- Yu, Peter Y.; Cardona, Manuel (2004). Βασικές αρχές Ημιαγωγών:Φυσική και Ιδιότητες Υλικών s. Πηδών. ISBN 978-3-540-41323-3.
