Полупроводникови устройства електроника

Полупроводниково устройство, компонент на електронна верига, направен от материал, който не е нито добър проводник, нито добър изолатор (следователно полупроводник). Такива устройства са намерили широко приложение поради своята компактност, надеждност и ниска цена. Като отделни компоненти те са намерили приложение в захранващи устройства, оптични сензори и излъчватели на светлина, включително твърдотелни лазери. Те имат широк спектър от възможности за управление на ток и напрежение, с токови стойности от няколко наноампера (10 ⁻⁹ампер) до повече от 5000 ампера и напрежения, надвишаващи 100 000 волта. По-важното е, че полупроводниковите устройства са подложени на интегриране в сложни, но лесно изпълними микроелектронни вериги. Те са и ще бъдат в обозримо бъдеще ключовите елементи за по-голямата част от електронните системи, включително оборудване за комуникация, потребител, обработка на данни и промишлено управление.

Полупроводникови и съединителни принципи

Полупроводникови материали

Твърдотелните материали обикновено се групират в три класа: изолатори, полупроводници и проводници. (При ниски температури някои проводници, полупроводници и изолатори могат да станат свръхпроводници.) ​​Фигура 1 показва проводимостта σ (и съответните съпротивления ρ = 1 / σ), които са свързани с някои важни материали във всеки от трите класа. Изолаторите като разтопен кварц и стъкло имат много ниска проводимост от порядъка на ^10-18 до ^10-10 сиена на сантиметър; и проводниците, като алуминий, имат висока проводимост, обикновено от 10 ⁴ до 10 ⁶ сиена на сантиметър. Проводимостта на полупроводниците е между тези крайности.

Проводимостта на полупроводник обикновено е чувствителна към температура, осветеност, магнитни полета и минутни количества примесни атоми. Например, добавянето на по-малко от 0,01 процента от определен тип примеси може да увеличи електрическата проводимост на полупроводник с четири или повече порядъка (т.е. 10 000 пъти). Диапазоните на полупроводниковата проводимост поради примесните атоми за пет общи полупроводника са дадени на фигура 1.

Изучаването на полупроводникови материали започва в началото на 19 век. През годините са изследвани много полупроводници. Таблицата показва част от периодичната таблица, свързана с полупроводници. Елементните полупроводници са тези, съставени от единични видове атоми, като силиций (Si), германий (Ge) и сив калай (Sn) в колона IV и селен (Se) и телур (Te) в колона VI. Съществуват обаче множество съставни полупроводници, които са съставени от два или повече елемента. Галиевият арсенид (GaAs), например, е бинарно съединение III-V, което е комбинация от галий (Ga) от колона III и арсен (As) от колона V.

Част от периодичната таблица от елементи, свързани с полупроводници

Период	колона
	II	III	IV	V	VI
2	бор Б	въглерод С	азот N
3	магнезий Mg	алуминий Al	силиций Si	фосфор P	сяра S
4	цинк Zn	галий Ga	германий Ge	арсен Ас	селен Se
5	кадмий Cd	индий в	калай Sn	антимон Sb	телур Te
6	живак Hg	олово Pb

Тройните съединения могат да бъдат образувани от елементи от три различни колони, като например живачен индиев телурид (HgIn ₂ Te ₄), съединение II-III-VI. Те също могат да бъдат образувани от елементи от две колони, като например алуминиев арсенид на галий (Al _x Ga _{1 - x} As), който е тризъбно съединение III-V, където и Al, и Ga са от колона III и индексът x е свързан към състава на двата елемента от 100 процента Al (x = 1) до 100 процента Ga (x = 0). Чистият силиций е най-важният материал за приложение на интегрални схеми, а III-V бинарните и тройни съединения са най-значими за излъчване на светлина.

Преди изобретяването на биполярния транзистор през 1947 г., полупроводниците се използват само като двутерминални устройства, като токоизправители и фотодиоди. В началото на 50-те години германий е основният полупроводников материал. Въпреки това, той се оказа неподходящ за много приложения, тъй като устройствата, изработени от материала, показват високи токове на изтичане при умерено повишени температури. От началото на 60-те години силицийът се превръща в практически заместител, като на практика замества германия като материал за полупроводниковата изработка. Основните причини за това са двойни: (1) силициевите устройства показват много по-ниски токове на изтичане и (2) висококачественият силициев диоксид (SiO ₂), който е изолатор, е лесен за производство. Силиконовата технология вече е най-напредналата сред всички полупроводникови технологии, а устройствата на базата на силиций съставляват повече от 95 процента от целия полупроводников хардуер, продаван в целия свят.

Много от съставните полупроводници имат електрически и оптични свойства, които липсват в силиция. Тези полупроводници, особено галиевият арсенид, се използват главно за високоскоростни и оптоелектронни приложения.