Что такое полупроводник простыми словами
Что такое полупроводник
Наряду с проводниками электричества в природе существует много веществ, обладающих значительно меньшей электропроводимостью, чем металлические проводники. Вещества подобного рода называются полупроводниками.
Природа электрической проводимости полупроводника зависит от рода примесей, имеющихся в основном материале полупроводника, и от технологии изготовления его составных частей.
Почему полупроводники проводят ток
Полупроводник обладает электронной проводимостью, если в атомах его примеси внешние электроны относительно слабо связаны с ядрами этих атомов. Если в подобного рода полупроводнике создать электрическое поле, то под влиянием сил этого поля внешние электроны атомов примеси полупроводника покинут пределы своих атомов и превратятся в свободные электроны.
Свободные электроны создадут в полупроводнике электрический ток проводимости под влиянием сил электрического поля. Следовательно, природа электрического тока в полупрооводниках с электронной проводимостью та что и в металлических проводниках. Но так как свободных электронов в единице объема полупроводника во много раз меньше, чем в единице объема металлического проводника, то естественно, что при всех прочих одинаковых условиях ток в полупроводнике будет во много раз меньше, чем в металлическом проводнике.
Полупроводник обладает «дырочной» проводимостью, если атомы его примеси не только не отдают своих внешних электронов, но, наоборот, стремятся захватить электроны атомов основного вещества полупроводника. Если атом примеси отберет электрон у атома основного вещества, то в последнем образуется нечто вроде свободного места для электрона — «дырка».
Атом полупроводника, потерявший электрон, называют «электронной дыркой», или просто «дыркой». Если «дырка» заполняется электроном, перешедшим с соседнего атома, то она ликвидируется и атом становится нейтральным в электрическом отношении, а «дырка» смещается на соседний атом, потерявший электрон. Следовательно, если на полупроводник, обладающий «дырочной» проводимостью, воздействовать электрическим полем, то «электронные дырки» будут смещаться в направлении этого поля.
Смещение «электронных дырок» в направлении действия электрического поля аналогично перемещению положительных электрических зарядов в поле и, следовательно, представляет собой явление электрического тока в полупроводнике.
Полупроводники нельзя строго разграничивать по механизму их электрической проводимости, так как наряду с «дырочной» проводимостью данный полупроводник может в той или иной степени обладать и электронной проводимостью.
временем жизни носителей заряда (неосновных) или диффузионной длиной, скоростью поверхностной рекомбинации;
Основой многих приборов служат полупроводники. В большинстве случаев они должны быть получены в виде монокристаллов. Для придания заданных свойств полупроводники легируют различными примесями. К чистоте исходных полупроводниковых материалов предъявляются повышенные требования.
Термообработка полупроводника — нагревание и охлаждение полупроводника по заданной программе с целью изменения его электрофизических свойств.
Изменяются: кристаллическая модификация, плотность дислокаций, концентрация вакансий или дефектов структуры, тип проводимости, концентрация, подвижность и время жизни носителей заряда. Последние четыре, кроме того, могут быть связаны с взаимодействием примесей и дефектов структуры или с диффузией примесей в объеме кристаллов.
Нагревание образцов германия до температуры >550°С последующим быстрым охлаждением приводит к появлению термоакцепторов в концентрациях тем больших, чем выше температуpa. Последующий отжиг при той же температуре восстанавливает первоначальное удельное сопротивление.
Вероятный механизм этого явления: растворение в решетке германия меди, диффундирующей с поверхности или ранее осажденной на дислокациях. Медленный отжиг приводит к осаждению меди на структурных дефектах и уходу ее из решетки. Возможно также и возникновение новых дефектов структуры при быстром охлаждении. Оба эти механизма могут уменьшать время жизни, что и устанавливается экспериментально.
В кремнии при температурах 350 — 500° происходит образование термодоноров в концентрациях тем больших, чем больше кислорода растворено в кремнии при выращивании кристалла. При более высоких температурах термодоноры уничтожаются.
Нагревание до температурр в пределах 700 — 1300° резко уменьшает время жизни неосновных носителей заряда (при > 1000° определяющую роль играет диффузия примесей с поверхности). Нагрев кремния при 1000—1300° оказывает влияние на оптическое поглощение и рассеяние света.
В современной технике полупроводники нашли самое широкое применение, они оказали очень сильное влияние на технический прогресс. Благодаря им удается значительно уменьшить вес и габариты электронных устройств. Развитие всех направлений электроники приводит к созданию и совершенствованию большого количества разнообразной аппаратуры на полупроводниковых приборах. Полупроводниковые приборы служат основой микроэлементов, микромодулей, твердых схем и т. д.
Электронные устройства на полупроводниковых приборах практически безинерционны. Тщательно выполненный и хорошо герметизированный полупроводниковый прибор может служить десятки тыс. часов. Однако некоторые полупроводниковые материалы имеют малый температурный предел (например, германий), но не очень сложная температурная компенсация или замена основного материала прибора другим (например, кремнием, карбидом кремния) в значительной, степени устраняет и этот недостаток. Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых приборов приводит к уменьшению имеющихся еще разброса и нестабильности параметров.
На основе фотоэлектрических свойств полупроводников создают фотосопротивления, фотодиоды и фототранзисторы. Полупроводник служит активной частью генераторов (усилителей) колебаний полупроводниковых лазеров. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов, что используется при создании светодиодов.
Термоэлектрические свойства полупроводников позволили создать термосопротивления полупроводниковые, термоэлементы полупроводниковые, термобатареи и термоэлектрические генераторы, а термоэлектрическое охлаждение полупроводников, на основе эффекта Пельтье, — термоэлектрические холодильники и термостабилизаторы.
Полупроводники используются в безмашинных преобразователях тепловой и солнечной энергии в электрическую — термоэлектрических генераторах, и фотоэлектрических преобразователях (солнечных батареях).
Механическое напряжение, приложенное к полупроводнику, изменяет его электрическое сопротивление (эффект сильнее, чем в металлах), что явилось основой тензометра полупроводникового.
Полупроводниковые приборы получили широкое распространение в мировой практике, революционно преобразуя электронику, они служат основой при разработке и производстве:
измерительной техники, компьютеров,
аппаратуры для всех видов связи и транспорта,
для автоматизации процессов в промышленности,
устройств для научных исследований,
других электронных устройств и приборов.
Применение полупроводниковых приборов позволяет создавать новую аппаратуру и совершенствовать старую, приводит к значит, уменьшению ее габаритов, веса, потребляемых мощностей, а значит, уменьшению выделения тепла в схеме, к увеличению прочности, к немедленной готовности к действию, позволяет увеличить срок службы и надежность электронных устройств.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Что такое полупроводники. Объясняем простыми словами
Полупроводники — кристаллические вещества (химические элементы, соединения и сплавы), которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (изоляторами).
Полупроводники в нормальном состоянии проводят небольшое количество тока или не проводят вообще. Но с ростом температуры или под действием света начинают лучше пропускать электрические заряды. Также проводимость полупроводников меняется при введении примеси — этот процесс называется «легирование».
Самый известным полупроводник — кремний (Si).
Ключевые современные полупроводниковые устройства — процессоры и иные микросхемы.
Полупроводники есть как почти во всех девайсах, которыми мы ежедневно пользуемся, так и в крупной промышленной, медицинской и другой технике: смартфонах, компьютерах, телевизорах, автомобилях, аппаратах ИВЛ, космических спутниках и т. п.
Пример употребления на «Секрете»
«Из-за дефицита полупроводников Минпромторг хочет организовать в России собственное производство кристаллов для радиоэлектронной аппаратуры. Тендер на проведение опытно-конструкторских работ (ОКР) для выращивания монокристаллов арсенида галлия и германия (GaAs и GeAs) диаметром 100 и 150 мм объявили в конце сентября. На работы выделяют 1,2 млрд рублей в течение четырёх лет».
Кризис полупроводников
Вскоре после того как весной 2020 года на фоне пандемии коронавируса автопроизводители сократили заказы, во всём мире возникла нехватка чипов для электроники. Как объяснил генеральный директор научно-производственного предприятия ИТЭЛМА Евгений Горелик, цикл производства микросхем превышает шесть месяцев и предусматривает выращивание кремниевых кристаллов. Из-за специфики производства кристаллов производители запускают процесс выращивания раз в квартал, а некоторые и вовсе раз в год. При этом обычно их производят в большом количестве, а затем отправляют одну часть в корпусы, а вторую часть — на склад. За первый год пандемии запасы производителей кристаллов сократились до нуля.
Кроме коронавируса, повлиял рост спроса со стороны производителей других товаров, особенно бытовой электроники. Затем на поставках сказались ледяной шторм в Техасе, который остановил работу некоторых производителей микросхем из-за сбоев в подаче электроэнергии, и пожар на фабрике чипов компании Renesas в Японии.
Дефицит полупроводников заставил сразу несколько крупных производителей отказаться от полноценного выпуска автомобилей. Например, по этой причине General Motors пришлось на неделю приостановить производство электромобилей Chevrolet Bolt и Bolt EUV. О нехватке сообщали Ford, Honda и другие компании. В результате в России очереди на новые иномарки достигли колоссальных размеров.
Мировой дефицит добрался и до российского автопрома. Некоторое время автозаводы покрывали нехватку чипов из складских запасов, но к лету нехватка стала заметной проблемой. Завод Volkswagen в России неоднократно приостанавливал работу. АвтоВАЗ также в течение лета несколько раз прекращал производство некоторых моделей.
Из-за дефицита пришлось отложить обязательную установку системы ГЛОНАСС на выпускаемых на территории Европейского экономического союза (ЕАЭС) автомобилях.
В компании Boston Consulting Group (BCG) ожидают, что стабилизация наступит не раньше второго полугодия 2022-го.
Мнение
Миллиардер Илон Маск сравнил дефицит микрочипов, с которым столкнулся мир в 2021 году, с нехваткой туалетной бумаги, которую пережили многие страны в начале пандемии коронавируса. Несмотря на столь несерьёзную аналогию, проблема с поставками полупроводников, по признанию миллиардера, стала «самым большим вызовом для Tesla». Маск отметил, что «никогда не видел ничего подобного».
Полупроводники — что это: типы, суть, промышленность и инвестиции
Здравствуйте, уважаемые читатели проекта Тюлягин! В сегодняшней статье поговорим о полупроводниках. Вы узнаете что такое полупроводники в чем их основное значение и суть в современной промышленности, технологиях и экономике. Разберем основные типы полупроводников и их особенности. Также поговорим о нюансах при инвестировании в полупроводники и полупроводниковую промышленность, включая риски полупроводников, такие как высокий и низкий спрос на полупроводники и их дефицит.
Содержание статьи:
Что такое полупроводник?
Полупроводник — это материальный продукт, обычно состоящий из кремния, который проводит электричество больше, чем изолятор, такой как стекло, но меньше, чем чистый проводник, такой как медь или алюминий. Их проводимость и другие свойства могут быть изменены путем введения примесей, называемых легированием, для удовлетворения конкретных потребностей электронного компонента, в котором он находится.
Полупроводники, также известные как чипы, можно найти в тысячах продуктов, таких как компьютеры, смартфоны, бытовая техника, игровое оборудование и медицинское оборудование.
Суть полупроводников
Полупроводниковые устройства могут демонстрировать ряд полезных свойств, таких как показывать переменное сопротивление, легче пропускать ток в одном направлении, чем в другом, и реагировать на свет и тепло. Их фактическая функция включает усиление сигналов, переключение и преобразование энергии. Таким образом, они находят широкое применение почти во всех отраслях промышленности, а компании, производящие и тестирующие их, считаются отличными индикаторами состояния экономики в целом.
Типы полупроводников
Вообще говоря, полупроводники делятся на четыре основные категории продукции:
Память
Микросхемы памяти служат временным хранилищем данных и передают информацию в мозг компьютерных устройств и из него. Консолидация рынка памяти продолжается, в результате чего цены на память настолько низки, что лишь несколько гигантов, таких как Toshiba, Samsung и NEC, могут позволить себе остаться в игре.
Микропроцессоры
Это центральные процессоры, которые содержат базовую логику для выполнения задач. Доминирование Intel в сегменте микропроцессоров вытеснило почти всех конкурентов (за исключением Advanced Micro Devices — AMD) с основного рынка в более мелкие ниши или разные сегменты в целом.
Товарная интегральная схема
Иногда их называют «стандартными чипами», они производятся огромными партиями для повседневной обработки. Этот сегмент, в котором доминируют очень крупные азиатские производители микросхем, предлагает мизерную прибыль, с которой могут конкурировать только крупнейшие полупроводниковые компании.
Комплекс SOC
«Система на кристалле» («System on a Chip» — SOC) — это, по сути, создание микросхемы интегральной схемы с возможностью использования всей системы. Рынок вращается вокруг растущего спроса на потребительские товары, сочетающие в себе новые функции и более низкие цены. Поскольку двери на рынки памяти, микропроцессоров и товарных интегральных схем плотно закрыты, сегмент SOC, пожалуй, единственный, у кого осталось достаточно возможностей для привлечения широкого круга компаний.
Полупроводниковая промышленность
Успех в полупроводниковой промышленности зависит от создания более компактных, быстрых и дешевых продуктов. Преимущество малого размера заключается в том, что на один и тот же чип можно поместить больше энергии. Чем больше транзисторов на микросхеме, тем быстрее она выполняет свою работу. Это создает жесткую конкуренцию в отрасли, а новые технологии снижают стоимость производства одного чипа, так что в течение нескольких месяцев цена нового чипа может упасть на 50%.
Это привело к закономерности, названной законом Мура, который гласит, что количество транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года. Это наблюдение названо в честь Гордона Мура, соучредителя Fairchild Semiconductor и Intel, который написал статью с описанием этого в 1965 году. В настоящее время период удвоения часто составляет 18 месяцев — цифру, которую приводит исполнительный директор Intel Дэвид Хаус.
В результате на производителей микросхем постоянно оказывается давление, чтобы они изобрели что-то лучше и даже дешевле, чем то, что определяло современное состояние всего несколько месяцев назад. Поэтому полупроводниковым компаниям необходимо поддерживать большие бюджеты на исследования и разработки. Ассоциация исследования рынка полупроводников IC Insights сообщила, что 10 крупнейших полупроводниковых компаний потратили в среднем 13,0% продаж на НИОКР в 2017 году, в диапазоне от 5,2% до 24,0% для отдельных компаний.
Традиционно полупроводниковые компании контролировали весь производственный процесс, от проектирования до производства. Тем не менее, многие производители микросхем теперь делегируют все больше и больше продукции другим представителям отрасли. Литейные компании, единственной сферой деятельности которых является производство, в последнее время вышли на передний план, предлагая привлекательные варианты аутсорсинга. Помимо литейных заводов, ряды дизайнеров, специализирующихся на производстве, и тестировщиков микросхем начинают пополняться. Компании по производству микросхем становятся все более экономичными и эффективными. Производство чипов теперь напоминает кухню ресторана изысканной кухни, где повара выстраиваются в очередь, чтобы добавить в смесь нужные специи.
В 1980-е производители микросхем жили с доходностью (количество работающих устройств от всего произведенного) 10-30%. Сегодня некоторые производители микросхем стремятся к доходности 80–90%. Это требует очень дорогих производственных процессов. В результате многие компании, производящие полупроводники, занимаются проектированием и маркетингом, но предпочитают отдать часть или все производство на аутсорсинг. Известные как производители микросхем без фабрики, эти компании имеют высокий потенциал роста, поскольку они не обременены накладными расходами, связанными с производством или «изготовлением».
Инвестиции в полупроводниковую промышленность
Помимо инвестирования в отдельные компании, есть несколько способов контролировать инвестиционные показатели всего сектора. К ним относятся эталонный индекс PHLX Semiconductor Index, известный как SOX, а также его производные формы в биржевых фондах. Есть также индексы, которые делят сектор на производителей микросхем и производителей оборудования для микросхем. Последний разрабатывает и продает оборудование и другую продукцию, используемую для разработки и тестирования полупроводников.
Кроме того, некоторые зарубежные рынки, такие как Тайвань, Южная Корея и в меньшей степени Япония, сильно зависят от полупроводников, и поэтому их индексы также дают представление о состоянии мировой промышленности.
Особенности инвестирования в полупроводники
Если инвесторы в полупроводники должны помнить одну вещь, это должно быть то, что полупроводниковая промышленность очень циклична. Производители полупроводников часто сталкиваются с циклами «подъема и спада», основанными на базовом спросе на продукты на основе микросхем. В хорошие времена прибыль производителей микросхем может быть очень высокой, из-за высокого спроса и дефицита полупродников на рынке. Однако когда спрос падает, цены на микросхемы могут резко упасть и оказать серьезное влияние на цепочки поставок во многих отраслях.
Спрос обычно отслеживает спрос со стороны конечного рынка на персональные компьютеры, сотовые телефоны и другое электронное оборудование. В хорошие времена такие компании, как Intel и Toshiba, не могут производить микрочипы достаточно быстро, чтобы удовлетворить спрос, возникает дефицит полупроводников на рынке. Когда наступают тяжелые времена, они могут быть совершенно жестокими. Например, низкие продажи ПК могут поставить отрасль — и цены на ее акции — в штопор.
В то же время нет смысла говорить о «цикле чипа», как если бы это было событием особого характера. В то время как полупроводники по-прежнему являются сырьевым бизнесом, их конечные рынки настолько многочисленны — ПК, коммуникационная инфраструктура, автомобили, потребительские товары и т. д. — что маловероятно, что избыток производственных мощностей в одной области приведет к падению всей отрасли.
Риски цикличности
Удивительно, но цикличность отрасли может в определенной степени утешить инвесторов. В некоторых других технологических секторах, таких как телекоммуникационное оборудование, никогда нельзя быть полностью уверенным в том, является ли состояние циклическим или постоянным. Напротив, инвесторы могут быть почти уверены, что рынок в какой-то момент в не столь отдаленном будущем развернется.
Цикличность дает некоторое утешение, но также создает риск для инвесторов. Производители чипов должны регулярно участвовать в азартных играх с высокими ставками. Большой риск связан с тем, что после крупного проекта разработки компаниям может потребоваться много месяцев или даже лет, чтобы выяснить, сорвали ли они джекпот или все сорвали. Одной из причин задержки является переплетенная, но фрагментированная структура отрасли: различные секторы достигают пика и минимума в разное время.
Например, нижняя точка для литейных производств часто наступает намного раньше, чем для разработчиков микросхем. Другой причиной является длительное время выполнения заказа в отрасли: на разработку микросхемы или создание литейного цеха уходят годы, и еще больше времени, прежде чем продукты приносят прибыль.
Компании, производящие полупроводники, сталкиваются с классической загадкой: двигает ли рынок технология, или рынок движет технологией. Инвесторы должны признать, что оба случая применимы для полупроводниковой промышленности.
Поскольку компании тратят значительную часть доходов на исследования и разработки, окупаемость которых может занять несколько месяцев или даже лет — а иногда и никогда, если технология неисправна, — инвесторам следует с осторожностью относиться к заявлениям компаний, которые утверждают, что владеют новейшими и лучшими технологиями в полупроводниковой промышленности.
Популярные вопросы о полупроводниках
Чем полупроводник отличается от проводника или изолятора?
Полупроводник, по сути, функционирует как гибрид проводника и изолятора. В то время как проводники представляют собой материалы с высокой проводимостью, которые позволяют течь заряду при приложении напряжения, а изоляторы не допускают протекания тока, полупроводники поочередно действуют как изолятор и проводник там, где это необходимо.
Что такое полупроводник N-типа?
Полупроводник n-типа представляет собой полупроводник со смешанными примесями, в котором используются пятивалентные примесные атомы, такие как фосфор, мышьяк, сурьма, висмут.
Что такое полупроводник P-типа?
Полупроводник p-типа — это тип примесного полупроводника, который содержит трехвалентные примеси, такие как бор и алюминий, которые увеличивают уровень проводимости обычного полупроводника, сделанного исключительно из кремния.
Что такое собственный полупроводник?
Собственный или чистый (нелегированный) полупроводник — это полупроводник, в который не добавлены какие-либо примеси или легирующие примеси, как в случае полупроводников p-типа и n-типа. В собственных полупроводниках количество возбужденных электронов и количество дырок равны: n = p.
Резюме
А на этом сегодня все про полупроводники. Надеюсь статья оказалась для вас полезной. Делитесь статьей в социальных сетях и мессенджерах и добавляйте сайт в закладки. Успехов и до новых встреч на страницах проекта Тюлягин!
О том что такое полупроводник и как он работает
Полупроводниками (seicomnductor) называют вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между металлами (проводниками) и диэлектриками (изоляторами).
При качественном анализе механизма проводимости полупроводников обычно используется плоскостной моделью кристаллической решетки.
В химически чистых полупроводниках при температуре абсолютного нуля свободных носителей зарядов нет. С повышением температуры валентные электроны приобретают дополнительную тепловую энергию и некоторые из них (электроны с наибольшими скоростями хаотического теплового движения) могут, разорвать связь с атомами и стать свободными носителями зарядов. Атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом. Эти ионы не являются носителями зарядов, так как они жестко связаны межатомными силами.
Электропроводность, при которой электрон последовательно занимает дырку у рядом расположенного атома, т.е. в каждый момент времени в веществе преобладает «свободные» дырки, которые переходят от одного соседнего атома к другому, называется дырочной или электропроводностью p-типа (positive). Электропроводность, обусловленная движением свободных (избыточных) электронов между узлами кристаллической решетки, называется электронной или электропроводностью n-типа (negative).
Как уже упоминалось выше, в полупроводниковых приборах практически не используются химически чистые полупроводники, а применяются главным образом полупроводники с примесями, добавление которых приводит к существенному увеличению числа носителей зарядов. Электропроводность таких полупроводников называется примесной.
Рассмотрим механизм образование зарядов, воспользовавшись снова плоскостной моделью кристаллической решетки. Если в четырехвалентный германий добавить пятивалентное вещество, например сурьму, то пятивалентный атом сурьмы четырьмя валентными электронами образует ковалентную связь с четырьмя соседними атомами германия, а пятый валентный электрон атома сурьмы остается «лишним» и может быть достаточно легко отделен от атома. Такие полупроводники обладают электропроводностью n-типа. Примеси, которые отдают исходному полупроводнику свои электроны, называют донорными.
В примесных полупроводниках концентрация носителей зарядов всегда превышает (в 100 раз и более) концентрация носителей зарядов в исходного вещества. Поэтому удельное электрическое сопротивление примесного полупроводника всегда значительно меньше, чем исходного химически чистого. Однако даже в примесном полупроводнике число носителей зарядов намного меньше числа атомов; они составляют не более 10-4 степени % от общего числа атомов.
Дырки перемещаются только в полупроводнике, причем только между соседними атомами. У положительного полюса дырка возникает за счет отрыва электрона от атома и ухода его во внешнюю цепь. Во внешней цепи ток образуется только за счет электронов проводимости. У отрицательного полюса дырка рекомбинирует с электроном, поступившим из внешней цепи.
Направленное движение носителей зарядов может вызываться не только электрическим полем, но и разной их концентрацией в объеме вещества. Процесс направленного движения носителей зарядов, вызванный их неравномерной концентрацией, носит название диффузии носителей зарядов, а соответствующий ток называют диффузионным в отличие от дрейфового тока.