Материалы для электротехники. Полупроводники

Материалы

Электрические свойства полупроводников
Si, Ge -4e
А(II)В(VI) CdS, CdTe, α-ZnS
А(III)В(V) GaAs, GaP,
InSb, InP, AlP, AlSb,
Алмаз

Si, Ge связь
(4e)+(4e)=8 e оболочка
ковалентная неполярная
А(II)В(VI),
IIB (Zn, Cd)+VIA (S, Se, Te)
A (2e)+B (6e)=8 e оболочка
А(III)В(V)
IIIA (B, Al, Ga, In)+VB (N, P, As, Sb)
A (3e)+B (5e)=8 e оболочка
A→B, ковалентная полярная
Халькогениды свинца
– ионная связь
Zср=(ZA+ZB)

Собственные носители заряда
а – образование носителей заряда,
б – энергетическая шкала,
в – перемещение носителей заряда под действием напряжения
Связанная пара электрон-дырка - экситон

Примесные носители заряда
Примесь Sb (5e)
Примесь In (3e)
Донор е
электронная проводимость
n-типа (negative)
Акцептор е
дырочная проводимость
p-типа (positive)

Фотопроводимость
Фоторезисторы
CdS, ZnS, CdSe
Фотореле, сигнализация,
датчики наличия, датчики
светоосвещенности

p-n (электронно-дырочный) переход
Диффузия носителей заряда
Возникновение слоя двойного заряда – запирающего слоя

Прямое включение p-n перехода
+ источника к р-области
источника к n-области
Движение е источника увеличивает поток носителей
Высота барьера понижается
При ↑ силы тока, напряжение ↑

Обратное включение p-n перехода
- источника к р-области
+ источника к n-области
Поток носителей не меняется
Высота барьера увеличивается
При ↑ силы тока,
напряжение const

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода
Транзисторы
Фотодиоды
Стабилизаторы напряжения
Полупроводниковые лазеры
Солнечные батареи
Микросхемы

ВЫВОДЫ
P-n переход образуется на границах p- и n- областей, созданных в кристалле полупроводника
В результате диффузии в p-n переходе возникает электрическое поле – потенциальный барьер, препятствующий выравниванию концентраций носителей заряда.
При обратном подключении источника тока потенциальный барьер повышается и через p-n переход ток практически не идет.
При прямом подключении источника тока потенциальный барьер понижается и через p-n переход идет ток

General Electric
1962
GaAs
красный
зеленый
Синий
GaN 1971
(Тпл=20000С
р=40 атм)
Исаму Акасаки,
Хироси Амано
Сюдзи Накамура
Дешевый синтез синего
Светодиода, 1990
История создания светодиода
Генри Раунд
Маркони Рабс, 1903
синий, SiC
Жорес Алферов
Гетероструктуры, 1970

Принцип работы транзистора
Ток не идет

Принцип работы транзистора
Ток идет

Принцип работы компьютера

Гетероструктура — полупроводниковая структура с несколькими p-n гетеропереходами (ГП);. Между двумя различными материалами формируется ГП, на котором возможна повышенная концентрация носителей, и отсюда — вырожденный двумерный электронный газ. Возможность изменять на границах ГП ширину запрещенной зоны и диэлектрическую проницаемость позволяет в гетереструктурах эффективно управлять движением носителей заряда, их рекомбинацией, а также управлять световыми потоками внутри гетереструктур.
Гетероструктура
Жорес Алферов, Герберт Крёмер, Нобелевская премия 2000

Применение гетероструктурных транзисторов

Закон Мура

Схема производства ИМС

Метод направленной кристаллизации
Ян Чохральский 1916

Литография – формирование отверстий в масках
Фоторезист - вещество в котором под воздействием излучения протекают хим. реакции

Фотолитография →Рентгенолитография →Электроионолитография

Легирование – локальное введение в подложку донорных или акцепторных примесей, для образования p-n переходов

Легирование – локальное введение в подложку донорных или акцепторных примесей, для образования p-n переходов

Транзисторное радио, 1953

45-нанометровый р-канальный транзистор

Полупроводниковые (ПП)
материалы

Простые ПП
Si, Ge, Si-Ge (быстродействие в 2-4 раза↑),
C (ал­маз и гра­фит), α-Sn (се­рое оло­во), Se, Te

Элементарные ПП и ПП соединения

Полупроводниковые соединения

Полупроводниковые соединения

Со­еди­не­ния AIIIBV
GaAs, InP, InAs, InSb, GaР
(GaxAl1-xAs, GaAsxP1-x, GaxIn1-xP, GaxIn1-xAsyP1-y)
A=B, Al, Ga, In; B=P, As, Sb
A=B, Al, Ga, In; B=N