yarı iletken nedir

Doğada elektriği iletenlerle birlikte, metal iletkenlere göre çok daha düşük elektrik iletkenliğine sahip birçok madde vardır. Bu tür maddelere yarı iletkenler denir.

Yarı iletkenler şunları içerir: selenyum, silikon ve germanyum gibi belirli kimyasal elementler, talyum sülfür, kadmiyum sülfit, gümüş sülfit gibi kükürt bileşikleri, karborundum, karbon (elmas), bor, kalay, fosfor, antimon, arsenik, tellür, iyot gibi karbürler ve Mendeleev sisteminin 4-7 grubunun elementlerinden en az birini içeren bir dizi bileşik. Organik yarı iletkenler de vardır.

Yarı iletkenin elektriksel iletkenliğinin doğası, yarı iletkenin temel malzemesinde bulunan safsızlıkların türüne ve bileşen parçalarının üretim teknolojisine bağlıdır.

Yarı iletken — ile madde elektiriksel iletkenlik İletken ve yalıtkan arasında 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 bulunur.Bant teorisine göre iletkenler, yarı iletkenler ve yalıtkanlar arasındaki fark şu şekildedir: Saf yarı iletkenlerde ve elektronik yalıtkanlarda dolu (değerlik) bant ile iletim bandı arasında yasaklanmış bir enerji bandı vardır.

Yarı iletkenler neden akımı iletir?

Bir yarı iletken, safsızlık atomlarındaki dış elektronlar bu atomların çekirdeklerine nispeten zayıf bir şekilde bağlıysa, elektronik iletkenliğe sahiptir. Bu tür bir yarı iletkende bir elektrik alanı oluşturulursa, bu alanın kuvvetlerinin etkisi altında, yarı iletkenin safsızlık atomlarının dış elektronları atomlarının sınırlarını terk edecek ve serbest elektronlar haline gelecektir.

Serbest elektronlar, elektrik alan kuvvetlerinin etkisi altında yarı iletkende bir elektrik iletim akımı oluşturacaktır. Bu nedenle, elektriksel olarak iletken yarı iletkenlerdeki elektrik akımının doğası, metalik iletkenlerdeki ile aynıdır. Ancak, bir yarı iletkenin birim hacmi başına, metalik bir iletkenin birim hacmine göre çok daha az serbest elektron olduğundan, diğer tüm koşullar aynı olduğunda, bir yarı iletkendeki akımın metalik iletkendekinden birçok kez daha küçük olması doğaldır. kondüktör.

Bir yarı iletken, safsızlığının atomları yalnızca dış elektronlarından vazgeçmiyorsa, aksine yarı iletkenin ana maddesinin atomlarının elektronlarını yakalama eğilimindeyse, "delik" iletkenliğine sahiptir. Bir safsızlık atomu, ana maddenin atomundan bir elektron alırsa, ikincisinde elektron için bir tür boş alan - bir "delik" oluşur.

Elektron kaybetmiş bir yarı iletken atom, "elektron deliği" veya basitçe "delik" olarak adlandırılır."Delik", komşu bir atomdan aktarılan bir elektronla doldurulursa, o zaman elimine edilir ve atom elektriksel olarak nötr hale gelir ve "delik", bir elektron kaybetmiş olan komşu atoma hareket eder. Bu nedenle, "delik" iletimi olan bir yarı iletkene bir elektrik alanı uygulanırsa, "elektron delikleri" bu alan yönünde hareket edecektir.

"Elektron boşluklarının" bir elektrik alanının etki yönündeki sapması, bir alandaki pozitif elektrik yüklerinin hareketine benzer ve bu nedenle bir yarı iletkendeki elektrik akımı olgusudur.

Yarı iletkenler, elektriksel iletkenlik mekanizmalarına göre kesin olarak ayırt edilemezler, çünkü "Delik" iletkenliği ile birlikte, bu yarı iletken bir dereceye kadar elektronik iletkenliğe sahip olabilir.

Yarı iletkenler aşağıdakilerle karakterize edilir:

• iletkenlik türü (elektronik - n-tipi, delik -p -tipi);

• rezistans;

• yük taşıyıcı ömrü (azınlık) veya difüzyon uzunluğu, yüzey rekombinasyon hızı;

• dislokasyon yoğunluğu

Ayrıca bakınız: Yarı iletkenlerin akım-gerilim özellikleri Silikon en yaygın yarı iletken malzemedir

Sıcaklık, yarı iletkenlerin özelliklerini etkileyen varlıklara sahiptir. Artışı, esas olarak dirençte bir azalmaya yol açar ve bunun tersi de geçerlidir, yani. yarı iletkenler negatif varlığı ile karakterize edilir sıcaklık direnci katsayısı… Mutlak sıfıra yakın, yarı iletken bir yalıtkan haline gelir.

Birçok cihaz yarı iletkenlere dayanmaktadır. Çoğu durumda, tek kristaller halinde elde edilmeleri gerekir.İstenilen özellikleri vermek için, yarı iletkenler çeşitli safsızlıklarla katkılanır. Başlangıç ​​yarı iletken malzemelerinin saflığına yönelik artan gereksinimler uygulanır.

Yarı iletken cihazlar

Yarı iletken ısıl işlem

Bir yarı iletkenin ısıl işlemi - elektrofiziksel özelliklerini değiştirmek için bir yarı iletkenin belirli bir programa göre ısıtılması ve soğutulması.

Değişiklikler: kristal modifikasyonu, dislokasyon yoğunluğu, boşlukların veya yapısal kusurların konsantrasyonu, iletkenlik tipi, konsantrasyon, hareketlilik ve yük taşıyıcıların ömrü. Ek olarak son dördü, safsızlıkların ve yapısal kusurların etkileşimi veya safsızlıkların kristal yığınındaki difüzyonu ile ilgili olabilir.

Germanyum numunelerinin >550 °C'ye kadar ısıtılması ve ardından hızlı soğutma, sıcaklık arttıkça konsantrasyonlarda termal alıcıların ortaya çıkmasına neden olur. Aynı sıcaklıkta sonraki tavlama, ilk direnci geri kazandırır.

Bu fenomenin olası mekanizması, yüzeyden yayılan veya daha önce dislokasyonlar üzerinde birikmiş olan germanyum kafesinde bakırın çözünmesidir. Yavaş tavlama, bakırın yapısal kusurlarda birikmesine ve kafesten çıkmasına neden olur. Hızlı soğutma sırasında yeni yapısal kusurların ortaya çıkması da mümkündür. Her iki mekanizma da deneysel olarak belirlenen kullanım ömrünü azaltabilir.

350 - 500 ° arasındaki sıcaklıklarda silikonda, termal donörlerin oluşumu konsantrasyonlarda meydana gelir, kristal büyümesi sırasında silikonda daha fazla oksijen çözülür. Daha yüksek sıcaklıklarda, ısı vericiler yok edilir.

700 - 1300 ° arasındaki sıcaklıklara ısıtma, azınlık yük taşıyıcılarının ömrünü keskin bir şekilde azaltır (> 1000 ° 'de, yüzeydeki safsızlıkların difüzyonu belirleyici bir rol oynar). Silikonun 1000-1300 ° 'de ısıtılması, ışığın optik soğurulmasını ve saçılmasını etkiler.

yarı iletkenlerin uygulanması

Modern teknolojilerde, yarı iletkenler en geniş uygulamayı bulmuştur; teknolojik ilerleme üzerinde çok güçlü bir etkiye sahip oldular. Onlar sayesinde elektronik cihazların ağırlığını ve boyutlarını önemli ölçüde azaltmak mümkündür. Elektroniğin tüm alanlarının gelişimi, yarı iletken cihazlara dayalı çok sayıda farklı ekipmanın yaratılmasına ve iyileştirilmesine yol açar. Yarı iletken cihazlar, mikro hücreler, mikro modüller, sabit devreler vb. için temel görevi görür.

Yarı iletken cihazlara dayalı elektronik cihazlar pratik olarak eylemsizdir. Dikkatlice yapılmış ve iyi kapatılmış bir yarı iletken cihaz on binlerce saat dayanabilir. Bununla birlikte, bazı yarı iletken malzemelerin küçük bir sıcaklık sınırı vardır (örneğin, germanyum), ancak çok zor olmayan sıcaklık dengelemesi veya cihazın temel malzemesinin bir başkasıyla (örneğin, silikon, silisyum karbür) değiştirilmesi bu dezavantajı büyük ölçüde ortadan kaldırır. yarı iletken cihaz imalat teknolojisinin gelişmesi, halen var olan parametre dağılımının ve kararsızlığın azalmasına neden olur.

Elektronikte yarı iletkenler

Yarı iletkenlerde oluşturulan yarı iletken metal teması ve elektron deliği bağlantısı (n-p bağlantısı), yarı iletken diyotların imalatında kullanılır.Çift bağlantılar (p-n-p veya n-R-n) — transistörler ve tristörler. Bu cihazlar esas olarak elektrik sinyallerini düzeltmek, üretmek ve yükseltmek için kullanılır.

Yarı iletkenlerin fotoelektrik özellikleri, fotodirençler, fotodiyotlar ve fototransistörler oluşturmak için kullanılır. Yarı iletken, salınımların osilatörlerinin (amplifikatörlerinin) aktif kısmı olarak hizmet eder. yarı iletken lazerler… Bir elektrik akımı pn bağlantısından ileri yönde geçtiğinde, yük taşıyıcıları - elektronlar ve delikler - LED'leri oluşturmak için kullanılan fotonların emisyonuyla yeniden birleşir.

LED'ler

Yarı iletkenlerin termoelektrik özellikleri, yarı iletken termoelektrik dirençler, yarı iletken termokupllar, termokupllar ve termoelektrik jeneratörler ve Peltier etkisine dayalı yarı iletkenlerin termoelektrik soğutması, termoelektrik buzdolapları ve termostabilizatörler oluşturmayı mümkün kıldı.

Yarı iletkenler, mekanik ısı ve güneş enerjisi dönüştürücülerinde, elektrik - termoelektrik jeneratörlerinde ve fotoelektrik dönüştürücülerde (güneş pilleri) kullanılır.

Bir yarı iletkene uygulanan mekanik stres, yarı iletken gerinim ölçerin temeli olan elektrik direncini değiştirir (etki metallerden daha güçlüdür).

Yarı iletken cihazlar, elektronikte devrim yaratarak dünya pratiğinde yaygınlaştı ve aşağıdakilerin geliştirilmesi ve üretilmesi için temel oluşturuyorlar:

• ölçüm cihazları, bilgisayarlar,

• her türlü iletişim ve ulaşım için ekipman,

• endüstriyel proses otomasyonu için,

• araştırma cihazları,

• roket,

• tıbbi malzeme

• diğer elektronik cihazlar ve cihazlar.

Yarı iletken cihazların kullanımı, yeni ekipman oluşturmanıza ve eskisini iyileştirmenize olanak tanır, bu da boyutunu, ağırlığını, güç tüketimini azalttığı ve dolayısıyla devrede ısı üretimini azalttığı, gücü arttırdığı, anında harekete hazır olduğu anlamına gelir. elektronik cihazların kullanım ömrünü ve güvenilirliğini artırmanıza olanak tanır.