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).
К классу полупроводников принадлежат многие из известных веществ. Ими могут быть как химически чистые вещества, так и различные соединения и даже сплавы некоторых металлов. По структуре эти вещества могут быть кристаллическими или аморфными, однако, как правило, для изготовления полупроводниковых приборов используют вещества с кристаллической структурой. Исходным материалом наиболее часто служит германий Ge или кремний Si, а также арсенид галлия GaAs — полупроводник, являющийся химическим соединением.
При качественном анализе механизма проводимости полупроводников обычно используется плоскостной моделью кристаллической решетки.
На (рис.39-а) показана модель решетки химически чистого полупроводника — германия, каждый атом которого имеет на внешней оболочке четыре валентных электрона. Например для атома I это электроны 1, 2, 3, 4. При образовании кристалла каждый валентный электрон в веществе начинает двигаться по орбите, окружающей не только свой атом, но и соседний. Таким образом, каждая соседняя пара атомов имеет общую пару электронов, движущихся по двум общим орбитам. Такая связь атомов называется ковалентной. В целом судя по представленной модели, каждый атом связан с соседними атомами восемью орбитами, по которым движутся четыре пары электронов. На (рис.39-а) эти связи изображены тонкими прямыми линиями. На примере для атома I и II общие электроны 1 и 5, а для атомов I и III — это электроны 2 и 9 и т.д.
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.
При отрыве электрона от атома образуется так называемая дырка — разорванная валентная связь в атоме (рис.39-б). Дырке приписывается положительный заряд, равный по значению заряду электрона. Эта вакантная валентная связь может быть вновь заполнена электроном, оторванным от соседнего атома под действием электрического поля. При заполнении дырки электроном данный атом становится электрически нейтральным, а у соседнего атома, потерявший электрон, появляется дырка, которая, в свою очередь, также может быть заполнена электроном от следующего атома и т.д. Таким образом, процесс перехода электрона от нейтрального атома к соседнему атому с дыркой под влиянием положительной разности потенциалов можно представить как процесс перехода дырки от положительного иона к нейтральному атому, т.е. как будто условно-положительный заряд — дырка — движется в сторону, противоположную движению электрона.
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).
Возникновение в полупроводнике свободных электронов и дырок при повышении температуры называется термогенерацией носителей зарядов, а процесс возвращения свободных электронов на место разорванной валентной связи — рекомбинацией носителей зарядов. При определенных условиях между этими двумя процессами устанавливается динамическое равновесие, т.е. концентрация дырок и электронов в заданном объеме становится постоянной, а их количество — одинаковым. Дырки и электроны в полупроводнике без примесей обеспечивают собственную электропроводность, которая складывается из электропроводности p-типа и n-типа. Последняя обычно преобладает, так как электроны более подвижны, чем дырки, оттого, что дырка может перемещаться только между соседними атомами. Концентрация носителей зарядов в чистых полупроводниках мала. Например, для германия при обычной температуре число свободных носителей зарядов составляет примерно 10-8 степени % от общего числа атомов (в металлах число свободных электронов примерно равно числу атомов). Поэтому удельная электропроводность полупроводников значительно меньше, чем у металлов. Появление дополнительных носителей зарядов в полупроводнике с повышением температуры и разрыв валентных связей приводят к уменьшению его сопротивления, а в металле с ростом температуры сопротивление обычно увеличивается. Уменьшение сопротивления полупроводника может быть вызвано также другими внешними факторами, например воздействие излучений. Но особенно сильно влияет на свойство полупроводников наличие примесей других веществ.
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.
Добавим в четырехвалентный германий трех валентный индий. В этом случае при образовании решетки трехвалентный атом индия для установления ковалентной связи с четырьмя соседними атомами германия оторвет один электрон от близлежащего атома германия. Атом индия приобретают отрицательный заряд, а на месте оторванного электрона возникает дырка. Такие примеси, добавление которых к полупроводнику приводит к появлению дырок, называют акцепторными (забирающими электроны), а полученный полупроводник с дырочной электропроводностью — полупроводником p-типа.
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.
Носители зарядов, преобладающие в данном полупроводнике, называют основными; носители зарядов, концентрация которых в данном полупроводнике меньше концентрация основных носителей, называют неосновными. Для полупроводника n-типа основные носители заряда — электроны, а неосновные дырки; для полупроводника p-типа основные носители — дырки, неосновные — электроны.
Если полупроводники подключить к источнику тока, носители заряда, имеющиеся в нем, начинают перемещаться направленно: дырки — к отрицательному полюсу, электроны — к положительному, т.е. возникают электронный и дырочный дрейфовые токи, образующий общий ток через полупроводник (рис.40).
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.
При подаче на полупроводник p-типа напряжения подавляющая часть тока образована дырками — основными носителями. В полупроводнике с электронной проводимостью ток образуется главным образом электронами. При смене полярности напряжения изменяется также направление тока.
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.
Полупроводниковые материалы (полупроводники) – это вещества, которые могут сильно изменять свои свойства в широком интервале под действием небольших внешних воздействий (температур, давления, электрического и магнитного полей, освещения). В полупроводниках особенно сильно изменяется электропроводность под действием света, сильных электрических полей, потока быстрых частиц, а также от содержания примесей и дефектов строения. Полупроводниковые свойства обнаруживаются у особо чистых веществ, и они сильно зависят от малых количеств примесей.
Полупроводниковые материалы классифицируют по следующим признакам:
1. По происхождению – на два вида:
• органические (индиго, полиакрил-нитрил, антрацен и др.) – имеют высокую радиационную стойкость; из них изготавливают пьезоэлементы, детекторы инфракрасного излучения, термистеры;
2. По агрегатному состоянию – на твердые (кристаллические и аморфные) и жидкие.
3. По составу – на простые (германий, кремний, селен), сложные (химические соединения А III В V (InP, ZnS, GaAs) и твердые растворы замещения
(In x Ga 1-x As y P 1-y ) и др.).
4. По технологии изготовления – на монокристаллы; подложки; монослойные эпитаксиальные структуры (их получают ориентированным наращиванием кристаллического слоя на ориентированной кристаллической пла- стине-подложке из полупроводника или диэлектрика).
5. По применению – на материалы с определенным химическим составом, структурой, физико-химическими свойствами; полупроводниковые приборы с определенными вольт-амперными характеристиками, пробивным напряжением и др.
Простые полупроводники . Кремний имеет структуру алмаза, темпера-
туру плавления – 1 417 ° С, плотность в твердом состоянии – 2 330 кг/м³, ширину запрещенной зоны при 300 К – 1,10 эВ. Собственная концентрация носителей тока – 10 8 см − 3 . Кремний химически устойчив при нагреве на воздухе до 900 ° С.
Плотность дислокаций в монокристаллах кремния менее 10 см², т.е. почти бездислокационный (ГОСТ 19658-81). Дырочную проводимость кремнию придают легированием его бором, а электронную – фосфором и сурьмой.
Кремний – основной материал для полупроводниковых приборов (выпрямителей, биполярных транзисторов, детекторов ядерных излучений и т.д.). Рабочие температуры приборов – до 180–200 ° С.
Материаловедение. Учеб. пособие
РАЗДЕЛ IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Глава 11. Другие органические и полупроводниковые материалы
Германий – элемент IV группы периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 32, атомной плотностью 72,59. Тип решетки – алмаз, температура плавления – 937,5 ° С, концентрация носителей тока при 25 ° С – 2·10 13 см 3 , удельное электросопротивление – 5,6–6,0 кОм/м. Металлический германий устойчив на воздухе при комнатной температуре, а твердый германий не реагирует с азотом и водородом. Он используется для изготовления диодов, транзисторов, фоторезисторов, фотодиодов, преобразователей энергии радиоактивного распада в электрическую.
Органические полупроводники . Это твердые органические вещества с электронной или дырочной проводимостью, положительным температурным коэффициентом электропроводимости. К органическим полупроводникам относятся органические красители, ароматические соединения, полимеры с сопряженными связями, природные пигменты (хлорофилл), ион-радикальные соли. Их виды – монокристаллы, поликристаллы, аморфные порошки, пленки. Удельное электросопротивление составляет 10 18 –10 -2 Ом см. Некоторые из них имеют фотопроводимость. Применяют в качестве светочувствительных материалов в микроэлектронике.
Аморфные полупроводники – это аморфные материалы со свойствами полупроводников. Они могут быть ковалентными (Ge, Si, GaAs и другие, в аморфном состоянии), халькогенидные стекла (As 31 Ge 30 Se 21 Te 18 ), оксидные стекла (V 2 O 5 –P 2 O 5 ), диэлектрические пленки (SiO, Al 2 O 3 , SiN 4 ). Уникальное свойство этих материалов – эффект электрического переключения из высокоомного состояния в низкоомное и обратно, поэтому из них изготавливают элементы со временем срабатывания менее 10 19 –10 12 с. Халькогенидные стекла применяют для изготовления электрофотографических пластин передающих телевизионных трубок и записи голограмм.
Дерево – основной вид сырья для лесоматериалов. Дерево – многолетнее растение с одеревеневшим стволом, структура которого состоит из коры, камбия, сердцевины, древесины ( рис. 11.1 ).
Кора – многослойная периферийная ткань стеблей и корней растений. Камбий – образовательная ткань в стеблях и корнях растений. Сердцевина – центральная часть стебля или корня, содержащая крахмал, масла и дубящие вещества. Древесина – ткань высших растений, по которой проходит вода и растворы минеральных солей от корней к листьям. Микроструктура древесины волокнистая, пористая. Целлюлоза – полисахарид, содержащий глюкозу (природный полимер).
Материаловедение. Учеб. пособие
РАЗДЕЛ IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Глава 11. Другие органические и полупроводниковые материалы
Рис. 11.1. Поперечный разрез ствола дерева: 1 – кора; 2 – камбий; 3 – сердцевина; 4 – древесина
При росте, хранении и использовании дерева появляются пороки . Их виды: пороки неправильного роста древесины – косослой, кривизна, двойная сердцевина, трещины; повреждение грибком; повреждение древесины насекомыми (червоточины).
В промышленности применяют следующие породы деревьев:
• хвойные – сосна, ель, лиственница, пихта, сибирский кедр и др. (древесина которых пропитана смолой);
• лиственные – дуб, ясень, осина, береза, клен, бук и др. (древесина с дубильными веществами).
К физико-химическим свойствам древесины относятся: низкая теплопроводность, т.к. много пор; высокая удельная прочность (при растяжении вдоль волокон почти такая же, как у высокопрочной стали и стеклопластика). Прочность снижают пороки (сучки, трещины и др.). Особенность древесины – текучесть.
Основные технологические свойства древесины: обрабатываемость резанием; сопротивляемость раскалыванию, сжатию, изнашиванию; долговечность. Отрицательное технологическое свойство – неравномерное изменение линейных размеров при усушке и набухании.
Недостатки древесины – возгораемость и гниение . Температура воспламенения древесины – 250–300 °С. Для предупреждения возгорания древесину пропитывают огнезащитными веществами – антипиринами.
Гниение древесины предупреждают введением в нее веществ, ядовитых для грибов – антисептиков.
Воздействуют на древесину модифицированием – направленным изменением физико-механических, теплофизических, биохимических свойств.
Спиленное и очищенное от сучьев дерево называют стволом (хлыстом). После распиловки ствола получают деловую и дровяную части.
Деловая древесина – части ствола дерева определенных размеров и качества. Лесоматериалы – материалы из древесины, сохранившие ее природную структуру и химический состав. Лесоматериалы делят на круглые, обработанные.
Круглые лесоматериалы . К ним относятся отрезки стволов деревьев разной толщины в верхнем отрезе и переменной по длине. Их виды: бревна, подтоварник, жерди.
Бревна – круглые лесоматериалы длиной 3–6,5 м, очищенные от сучьев заподлицо с поверхностью. Бревна классифицируют:
Материаловедение. Учеб. пособие
РАЗДЕЛ IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Глава 11. Другие органические и полупроводниковые материалы
1. По толщине ствола в верхнем отрезе: мелкие – с толщиной для хвойных 6–13 см, для лиственных 8–13 см; средние – 14–24 см; крупные – 26 см и более.
2. По наличию пороков – 1, 2, 3-й сорт. Сортность определяют по нормам пороков древесины (ГОСТ 2140-81). К порокам относят: сучки, пасынки, грибные поражения, червоточины, трещины, кривизну.
3. По длине – бревна используют с градацией через 0,5 м. Подтоварник – это круглые лесоматериалы с толщиной в верхнем от-
резе 8–11 см, а жерди – с толщиной 3–7 см.
Назначение круглых лесоматериалов: хвойные породы – для свай, мостов, гидротехнических сооружений, опор линий электропередач, рудничных стоек, для строительства; лиственные породы – для шпал, строительства, временных построек.
Хранят круглые лесоматериалы поднятыми от земли минимум на 50 см. Торцы бревен замазывают глиной, известью или мелом, чтобы они не растрескались. Если бревна уложены в штабели, то их располагают под навесом в тени, закрыв со всех сторон.
Пиломатериалы . После естественной сушки круглый лес разделывают на пиломатериалы – это материалы из древесины, полученные распиловкой бревен вдоль волокон. Виды распиловки пиломатериалов – радиальная, тангенциальная и смешанная. Виды пиломатериалов в зависимости от способов разделки круглого леса приведены на рис. 11.2 .
Если у пиломатериалов опиленные кромки, то их называют обрезными, а если неопиленные – необрезными. Строганные – это пиломатериалы, которые после распиловки обрабатывают для сглаживания поверхностей или фасонной профилировки.
Виды пиломатериалов в зависимости от их толщины, ширины и формы – это доски, брус, бруски и горбыль.
Доски – это строительный материал толщиной от 16 мм и больше, ширина должна быть больше двойной толщины ( рис. 11.3 ).
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
- Полупроводник, который содержится в тысячах электронных продуктов, — это материал, который проводит электричество больше, чем изолятор, но меньше, чем чистый проводник.
- Есть четыре основных типа полупроводников.
- Полупроводниковая промышленность живет и умирает по простому кредо: меньше, быстрее и дешевле.
- Инвесторы должны помнить, что полупроводниковая промышленность очень циклична и подвержена периодическим подъемам и спадам.
- Помимо инвестиций в конкретные компании, производящие полупроводники, существуют также ETF, индексные фонды и индексы, которые разбивают сектор на производителей микросхем и производителей оборудования для микросхем.
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!
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ, электронные компоненты, изготовленные в основном из полупроводниковых материалов (см. ниже). К числу таких компонентов относятся транзисторы, интегральные схемы, оптоэлектронные приборы, сверхвысокочастотные (СВЧ) приборы и выпрямители.
Полупроводниковые материалы.
Полупроводник – это материал, который проводит электричество лучше, чем такой диэлектрик, как каучук, но не так хорошо, как хороший проводник, например медь. В отличие от металлов, электропроводность полупроводников с повышением температуры возрастает. К наилучшим полупроводниковым материалам относятся кремний (Si) и германий (Ge); в числе других можно назвать соединения галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (P) и индия (In). Кремний находит широкое применение в транзисторах, выпрямителях и интегральных схемах. Арсенид галлия (GaAs) обычно используют в СВЧ и оптоэлектронных приборах, а также в интегральных схемах. См. также ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ; ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА; ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА; ТРАНЗИСТОР.
Полупроводник представляет собой, по существу, диэлектрик, пока в него не введено малое и тщательно дозированное количество некоторого подходящего материала. Например, такой материал, как фосфор, делает кремний проводящим, добавляя в него избыточные электроны (т.е. действуя как «донор»). Кремний, легированный подобным образом, становится кремнием n-типа. Легирование таким материалом, как бор, превращает кремний в материал p-типа: бор (акцептор) отбирает у кремния часть электронов, создавая в нем «дырки», которые могут заполняться электронами расположенных поблизости атомов и повышать тем самым проводимость легируемого материала. (Потоки электронов в одном направлении и дырок в противоположном образуют ток.) Электроны и дырки, обеспечивающие таким образом проводимость, называются носителями заряда.
p-n-Переходы.
Твердотельные электронные приборы представляют собой, как правило, многослойную структуру (сэндвич), одна часть которой выполнена из полупроводника p-типа, а другая – из полупроводника n-типа. Пограничная область между материалами p-типа и n-типа называется p-n-переходом. Переход образуется положительно заряженными атомами донорной примеси с n-стороны и отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси с p-стороны. Электрическое поле, создаваемое этими ионами, предотвращает диффузию электронов в p-область и дырок в n-область (рис. 1).
Если p-область p-n-перехода соединить с положительным выводом какого-либо источника напряжения (например, батареи), а n-область – с отрицательным выводом, то электроны и дырки смогут диффундировать через переход. В результате из p-области в направлении n-области потечет существенный ток. В таком случае говорят, что переход смещен в прямом направлении. При обратном смещении, когда описанные выше подсоединения имеют противоположную полярность, от области n-типа к области p-типа потечет лишь предельно малый обратный ток.
Диоды с p-n-переходом.
Диоды – это устройства, которые проводят электрический ток только в одном направлении. Следовательно, p-n-переходы идеально подходят для их использования в диодных выпрямителях, преобразующих переменный ток в постоянный.
Когда напряжение обратного смещения на диоде с p-n-переходом увеличивается до критического значения, называемого напряжением пробоя, электрическое поле в области перехода создает электроны и дырки в результате соударений носителей заряда, обладающих высокой энергией, с атомами полупроводников. В ходе этого процесса, называемого ионизацией, образуется «лавина» новых носителей, вследствие чего обратный ток при напряжении пробоя существенно возрастает.
Диодные выпрямители обычно работают при обратных напряжениях ниже напряжения пробоя. Однако резкое и значительное нарастание обратного тока, происходящее при достижении напряжения пробоя, можно использовать для стабилизации напряжения или для фиксации опорного уровня напряжения. Диоды, предназначенные для таких применений, называются полупроводниковыми стабилитронами. См. также ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ.
Емкость, зависящая от приложенного напряжения, соответствует обратно смещенному p-n-переходу. Такую управляемую напряжением емкость можно применять, например, в настраиваемых контурах. Диоды, в которых используются такие переходы, называют варикапами.
Резкие p-n-переходы, имеющие очень малую толщину и сильно легированные с обеих сторон, находят применение в туннельных диодах, т.е. диодах, в которых электроны могут «туннелировать» сквозь переход. Туннелирование – это квантовомеханический процесс, позволяющий некоторым электронам проходить сквозь потенциальный барьер. Как при обратном, так и при прямом смещении туннельный диод пропускает ток при очень низком напряжении. Но при некотором критическом значении напряжения прямого смещения эффект туннелирования уменьшается, и, в конечном счете, преобладающим становится прямой ток от p-области к n-области. Ток, обусловленный туннелированием, продолжает уменьшаться, пока напряжение повышается от критического уровня до некоторого более высокого значения. В этом диапазоне напряжений, где происходит уменьшение туннелирования, возникает отрицательное сопротивление, которое можно использовать в различных типах переключателей, автогенераторов, усилителей и других электронных устройств.
p-n-Переход может также находить применение в качестве фотодиода или солнечного элемента (фотоэлектрического перехода). Когда свет, который состоит из фотонов, освещает p-n-переход, атомы полупроводника поглощают фотоны, в результате чего образуются дополнительные пары электронов и дырок. Поскольку эти дополнительные носители собираются в области перехода, от n-области в p-область течет избыточный ток. Величина этого обратного тока пропорциональна скорости, с которой генерируются дополнительные носители, а эта скорость, в свою очередь, зависит от интенсивности падающего света.
В фотодиодах этот обратный ток при фиксированном напряжении обратного смещения зависит от интенсивности освещения. Поэтому фотодиоды часто используют в фотометрах и системах распознавания символов.
Полученную от p-n-перехода энергию солнечные элементы передают в подключенную к ним внешнюю нагрузку. Солнечные элементы, преобразующие солнечный свет в электричество, находят широкое применение в качестве источников электропитания для искусственных спутников Земли и в некоторых применениях на Земле. См. также БАТАРЕИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ.
Во многих полупроводниковых материалах, таких, как арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) и фосфид индия (InP), электроны и дырки рекомбинируют друг с другом в области p-n-перехода, смещенного в прямом направлении, излучая свет. Длина волны излучения зависит от используемого материала; обычно спектр излучения находится в пределах от инфракрасного (как в случае GaAs) до зеленого (как для GaP) участков. При надлежащем выборе материалов можно изготовить такие светоизлучающие диоды (СИД), которые будут давать излучение практически любого цвета (длины волны). Такие светодиоды применяют в цифровых наручных часах и в индикаторах электронных калькуляторов. Инфракрасные светодиоды могут использоваться в оптических системах связи, в которых световые сигналы, посылаемые по волоконно-оптическим кабелям, детектируются фотодиодами. Оптоэлектронные системы такого рода могут быть весьма эффективными, если используются светодиоды лазерного типа, а фотоприемники работают в лавинном режиме с обратным смещением. См. также ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА; ЛАЗЕР.
Транзисторы.
p-n-Переходы используются также в транзисторах и более сложных транзисторных структурах – интегральных схемах.
В биполярном транзисторе носителями заряда служат как электроны, так и дырки. В нем имеются два близко расположенных и включенных навстречу друг другу перехода, которые образуют тем самым три отдельных слоя p-n-p— либо n-p-n-структуры. В p-n-p-транзисторе p-область, служащая слоем ввода, называется эмиттером; центральная n-область является базой; p-область, служащая выводом, называется коллектором. В n-p-n-транзисторе p— и n-области меняются местами. В p-n-p-транзисторе дырки инжектируются через эмиттерный переход, смещенный в прямом направлении, и собираются на коллекторном переходе, смещенном в обратном направлении; в n-p-n-приборе то же самое происходит с электронами. Количество инжектируемых и собираемых носителей заряда можно менять путем изменения малого тока, подаваемого в область базы.
Полевой транзистор представляет собой униполярный прибор; это означает, что только основной тип носителей заряда – либо электроны в областях с проводимостью n-типа, либо дырки в областях с проводимостью p-типа – проходят через проводящий канал прибора. Ток в канале изменяется посредством электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным к переходу (с обратным смещением) или к изолирующему слою на поверхности прибора.
Биполярный транзистор – это, по существу, прибор, управляемый током, а полевой транзистор – прибор, управляемый напряжением. Оба типа транзисторов широко применяются в схемах микроэлектроники. См. также ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА; ТРАНЗИСТОР.
p-n-p-n-Приборы.
На рис. 2 представлена четырехслойная структура, называемая триодным тиристором (SCR). Это наиболее важный тип приборов со структурой p-n-p-n. Другие приборы с этой структурой – двухвыводной и двусторонний диоды.
Тиристор представляет собой эффективный переключатель, позволяющий работать со значительными уровнями мощностей. При прямом напряжении на тиристоре переход B имеет смещение в обратном направлении, так что тока через него практически нет. Но когда напряжение смещения в прямом направлении увеличивается до некоторого критического уровня, на переходе B развивается лавинный процесс. Носители заряда инжектируются затем в средние области N и P, вызывая диффузию дырок на переходе A p-n-p-структуры и диффузию электронов на переходе C n-p-n-структуры. В результате ток увеличивается, и падение напряжения на приборе становится малым. Этот процесс можно инициировать при меньшем прямом смещении, инжектируя небольшой ток в одну из точек слоя p управляющего электрода. Отсюда следует, что SCR может служить почти идеальным переключателем, в котором практически не протекает ток в закрытом состоянии, но в открытом состоянии течет значительный ток при низком напряжении. Приборы SCR широко используются в схемах управления электродвигателями и печами, в регуляторах освещения и других применениях.
Сверхвысокочастотные приборы.
Транзисторы находят широкое применение в СВЧ-технике. К тому же сверхвысокие частоты можно генерировать с помощью полупроводниковых компонентов, имеющих всего два вывода, но обладающих отрицательным сопротивлением, подобно туннельным диодам. К наиболее распространенным СВЧ-приборам такого типа относятся лавинно-пролетные диоды и диоды Ганна.
В лавинно-пролетном диоде при лавинном пробое в обратносмещенном p-n-переходе возникают избыточные носители в области дрейфа, т.е. в области, где носители заряда движутся под влиянием приложенного напряжения. Если размер области дрейфа выбран правильно, то избыточные носители проходят ее на протяжении отрицательного полупериода напряжения переменного тока. Далее ток увеличивается при уменьшении напряжения. При этом существует своего рода отрицательная проводимость, которую можно использовать в объемном резонаторе для генерации СВЧ-колебаний.
Принцип действия диода Ганна основан на свойстве таких полупроводников, как GaAs и InP, вызывать замедление электронов в материале при некоторой критической напряженности электрического поля. В соответствии с законом Ома ток при слабых полях пропорционален напряженности поля. Однако при очень сильных полях (с напряженностью порядка нескольких тысяч вольт на сантиметр) энергии электронов в GaAs или InP возрастают до величин, при которых свобода движения электронов в полупроводниковом кристалле ограничивается. Вследствие их пониженной подвижности при превышении напряженностью электрического поля некоторого критического уровня электроны еще более замедляются. Как и в лавинно-пролетном диоде, здесь возникает некоторая разновидность отрицательной проводимости, которую можно использовать для генерации СВЧ-колебаний. См. также СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН.
Другие приборы.
Полупроводники находят применение во многих других электронных приборах; постоянно разрабатываются все новые и новые приборы и устройства. В качестве примера можно привести диод Шоттки, диод со сплавным переходом, полевой транзистор с p-n-переходом и прибор с зарядовой связью (ПЗС).
Кацман Ю.А. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов. М., 1973
Рагозин Ю.Д. и др. Основы применения электронных приборов. М., 1975
Денискин Ю.Д. и др. Электронные приборы. М., 1980
Булычев А.Л., Прохоренко В.А. Электронные приборы. Минск, 1987