новости полупроводников

В середине апреля 2025 года президент США Дональд Трамп анонсировал введение новых пошлин на импорт полупроводников в страну. В настоящее время большая часть этого рынка приходится на Восточную Азию, в том числе Тайвань. Решение о пошлинах может серьезно повлиять на работу крупных американских технологических компаний, которые зависят от импорта чипов.

При обычной комнатной температуре большинство электронов германия переходит к примесным атомам. Принцип работы полупроводников базируется на том, как электроны организуются внутри атома. Электроны в валентной оболочке образуют связи с соседними атомами. Количество и тип этих связей влияют на свойства получаемого материала — проводимость электричества и так далее. Все полупроводниковые материалы имеют четыре электрона в валентной оболочке.

При малой концентрации примеси происходит обратное, но проводимость может быть невысокой. Полупроводники – это вещества, находящиеся по своей удельной проводимости между проводниками и диэлектриками. В определенных условиях они приобретают свойства проводника и переносят в кристаллической решетке электрические заряды, в иных случаях – блокируют заряженные частицы предельно высоким сопротивлением.

Зонная структура полупроводников

Служит конденсатором переменной ёмкости в различных частотозадающих цепях. Светодиод, в зависимости от применяемого полупроводника и примесей в его составе, может испускать свет как видимого спектра, так и более длинноволнового ИК-излучения, или высокочастотного УФ-излучения. Сейчас он используется только для изготовления некоторых электронных приборов, работающих на сверхвысоких частотах, а также специальной оптики, стёкол и линз. Некоторые из участвовавшие в его опытах образцов проявляли именно ту, необычную для металлов, электропроводимость при нагреве.

При легировании ситуация может поменяться (см. вырожденные полупроводники). Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике (см. рисунок). При большой концентрации носителей заряда, вероятность столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности и проводимости. Терминология «n-тип» возникла от английского названия «negative», означающего минусовую энергию главных токовых носителей.

Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры1. Так как твёрдое тело состоит из множества атомов, то в нём образуется совокупность энергетических уровней или энергетические зоны, называемые разрешёнными, в которых находятся электроны. Ширина разрешённой зоны обычно составляет несколько электрон-вольт. Каждая такая зона характеризуется максимальным и минимальным уровнем энергии, которые называются потолок и дно зоны. Из-за нарушения ковалентных связей происходит образование свободных электронов и мест их отсутствия – дырок, возле атомов от которых оторвались электроны.

Потребность в уменьшении размеров электронных приборов привела к созданию комбинированных твердотельных приборов, в которых главной функциональной частью является искусственно выращенный полупроводниковый кристалл. В процессе выращивания в нем формируются транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и другие элементы электронных схем. Благодаря разработке таких интегральных схем созданы современные компьютеры и современные многофункциональные электронные приборы. Место соприкосновения областей p- и n-типа называется p-n-переходом. Электрические процессы в p-n-переходе – основа работы множества полупроводников, включая диоды, биполярные транзисторы и прочие. Традиционно элементы группы IV, такие как кремний (Si) и германий (Ge), считаются элементарными полупроводниковыми материалами, то есть полупроводниками, состоящими только из одного атома.

Для видимой части спектра чаще всего используют полупроводники из селена, германия, сернистого кадмия и таллия. Для инфракрасной части спектра применяют полупроводники из сернистого, селенистого и теллуристого свинца. По обладанию определёнными свойствами ПП разделяют на диоды, транзисторы и тиристоры. Первые включают 2 кристалла из полупроводников различной проницаемости. Исполнение делают точечным — из кремния и металлической иглы, и плоским — сплав германия и индия. Поскольку ширина запрещённой зоны измеряется энергией, её выражают в электронвольтах (эВ).

Только 13 из 25 неметаллов таблицы Менделеева имеют полупроводниковые свойства. В настоящее время человек использует множество природных полупроводников. Кремний и германий стали самыми распространёнными материалами такого типа, используемыми в промышленности.

Особый интерес представляет ситуация, когда из двух типов полупроводниковых материалов образуется контактная зона (так называемый “P-N переход”). В нормальном состоянии на границе двух материалов из-за взаимной диффузии дырок и электронов в противоположную структуру образуется непроводящий слой (порядок его образования – на фото ниже). Проводимость любого вещества определяется наличием и подвижностью носителей заряда в этом веществе и рассчитывается по специальным формулам. Практически во всех твердых веществах проводимость обеспечивается свободными электронами.

Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. При этом движение электронов создает электронную проводимость, а движение дырок – дырочную проводимость. Как и углерод, кремний имеет четыре электрона в своей внешней электронной оболочке, что позволяет ему формировать четыре соединения. В полупроводниках N-типа используются легирующие атомы из элементов V группы с пятью и более электронами в валентной оболочке. Чаще всего в промышленности используется широкодоступный фосфор.

Электронно-дырочный переход

Возможно, нам вообще не понадобятся схемы, которые работают на частоте 10 гигагерц, если мы сможем получить пропускную способность другими способами, кроме сырой скорости. Чипам не обязательно достигать внутренней температуры, приближающейся к температуре поверхности Солнца. Изоляторы имеют широкую запрещенную зону, которую электронам трудно пересечь, не поглотив много энергии, если они вообще способны ее преодолеть. В отличие от них, проводники имеют узкую или вовсе отсутствующую запрещённую зону. Полупроводники иногда рассматриваются как изоляторы с узкой запрещённой зоной. Работа полупроводников основана на квантовых эффектах, таких как запрещенные зоны, поэтому нам придется немного обсудить квантовую механику – здесь мы постараемся использовать максимально простой язык.

• Приборы, которые основываются на зависимости величины сопротивления от температуры, называются термисторами.
• Поскольку оба эти элемента при преодолении перехода переносят электрический заряд – в цепи начнет течь постоянный ток (фото ниже).
• Поскольку собственных переносчиков электрического заряда в этой области не имеется – ток через него не потечет (или будет микроскопически мал).
• Ведь ток может передаваться исключительно в случае, если составляющие частицы находятся рядом.
• Ток создаётся равным движением «дырок» и отрицательно заряженных электронов.
• Варисторы из карбида кремния используют в виде дисков в разрядниках, которые защищают высоковольтные линии электропередач.
• В примесях первого вида энергетические уровни электронов примеси располагаются в запрещенной зоне полупроводника вблизи зоны проводимости.
• Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку.
• Он обладает свойством выпрямления, то есть пропускает ток только в одном направлении.
• Полупроводники на молекулярном уровне представляют собой кристаллическую структуру типа алмаза или тетраэдрическая решётку.
• Около абсолютного нуля все полупроводники превращаются в изоляторы.
• Магнитные полупроводники представляют собой ферромагнетики с собственной магнитной подрешёткой, а немагнитные – диамагнитную кристаллическую матрицу.
• Длины волн света, которые могут “выгравировать” эти крошечные узоры на пластине, также становятся меньше, поэтому для гравировки требуется свет более высокой энергии.

Виды и деление полупроводников

• Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей.
• Полупроводниковые устройства можно найти как в виде дискретных компонентов, так и в виде интегральных схем.
• В настоящее время человек использует множество природных полупроводников.
• «Из-за дефицита полупроводников Минпромторг хочет организовать в России собственное производство кристаллов для радиоэлектронной аппаратуры.
• Их проводимость сильно зависит от температуры, различных видов излучения и концентрации примесей.
• Проводимость n-области электронная – носители электрического заряда отрицательно заряженные электроны.
• Жидкие и некристаллические проводники реагируют на примеси по-другому, чем кристаллические.
• К полупроводникам относится большая группа веществ (Si, Ge и др.).
• Кремний и германий являются наиболее распространенными элементами в полупроводниковых устройствах.
• Электропроводность полупроводниковых материалов может регулироваться с помощью различных факторов, таких как температура, освещенность, магнитное поле и приложенное напряжение.

В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона. Использование первых позволяет получать в полупроводниках плюсовой или минусовой заряд, который может быть компенсирован появлением дыры в валентной зоне или электрона в проводимой зоне. Неактивные примеси являются нейтральными, и они относительно слабо влияют на электронные свойства. Причем часто может иметь значение то, какую валентность имеют атомы, которые берут участие в процессе передачи заряда, и строение кристаллической решетки. Для этого используются такие понятия, как номер разрешенной зоны и квазиимпульс. Он говорит о том, что на неё влияет зависимость энергии от квазиимпульса.

• Область контакта полупроводников двух типов называется p-n-переходом.
• В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными.
• Чистые полупроводники редко применяются в полупроводниковой технике.
• Они являются основной элементной базой для приборов гражданского (коммерческого) и специального назначений, таких как компьютеры, смартфоны, теле- и видеотехника.
• Так, если валентная зона является целиком заполненной электронами (которые переносят заряд в полупроводниках), то говорят, что в ней отсутствуют элементарные возбуждения.
• В нормальном состоянии на границе двух материалов из-за взаимной диффузии дырок и электронов в противоположную структуру образуется непроводящий слой (порядок его образования – на фото ниже).
• При легировании ситуация может поменяться (см. вырожденные полупроводники).
• Рассмотренный ранее тип NPN-транзистора – не единый возможный полупроводниковый элемент.
• Принцип его работы основан на изменении электрической ёмкости p-n-перехода в зависимости от приложенного обратного напряжения.

Также полупроводники применяют в датчиках температуры кондиционеров, системах мониторинга турбин, устройствах безопасности и системах «умного» дома. В такие полупроводники путем легирования добавляют элементы из III группы таблицы Менделеева (бор, индий или галлий). У них всего три электрона в валентной оболочке, поэтому на месте четвертой связи у кремния образуется пустота (дырка). Такие полупроводники содержат одну или несколько примесей на основе атомов из элементов V группы таблицы Менделеева с пятью и более электронами в валентной оболочке. При сильном легировании ситуация может поменяться (см. вырожденные полупроводники).

Проводимость p-области дырочная – здесь носители электрозаряда дырки – атомы полупроводника, у которых отсутствует один электрон, имеющие такие образом положительный заряд. Место, где соприкасаются области p- и n-типа, называется p-n-переходом. С течением времени технология производства полупроводниковых устройств постоянно совершенствуется, что позволяет увеличивать плотность интеграции и производительность микропроцессоров, а также уменьшать их энергопотребление.

Поэтому проводники хорошо переносят электрические заряды (пропускают ток); в диэлектриках же при обычных напряжениях этого не наблюдается. Полупроводник P-типа, легированный трехвалентной примесью, имеет множество свободных дырок. При повышении температуры энергии некоторых электронов начинает хватать, чтобы разорвать связь. Поток электронов через зазоры связи создает электрический ток, который течет в направлении, противоположном току, получаемому от свободных электронов.. Молекулярная структура собственных полупроводников является тетраэдрической; то есть он имеет ковалентные связи между четырьмя окружающими атомами, как показано на рисунке ниже.