Ηλεκτρονικά συσκευών ημιαγωγών

Συσκευή ημιαγωγών, στοιχείο ηλεκτρονικού κυκλώματος κατασκευασμένο από υλικό που δεν είναι ούτε καλός αγωγός ούτε καλός μονωτής (εξ ου και ημιαγωγός). Τέτοιες συσκευές έχουν βρει ευρείες εφαρμογές λόγω της συμπαγείας τους, της αξιοπιστίας και του χαμηλού κόστους τους. Ως διακριτά εξαρτήματα, έχουν βρει χρήση σε συσκευές ισχύος, οπτικούς αισθητήρες και πομπούς φωτός, συμπεριλαμβανομένων των λέιζερ στερεάς κατάστασης. Έχουν ένα ευρύ φάσμα δυνατοτήτων χειρισμού ρεύματος και τάσης, με τρέχουσες βαθμολογίες από μερικά νανοαμπέρ (10 ⁻⁹αμπέρ) σε περισσότερες από 5.000 αμπέρ και ονομαστικές τάσεις που εκτείνονται πάνω από 100.000 βολτ. Το πιο σημαντικό, οι συσκευές ημιαγωγών προσφέρονται για ενσωμάτωση σε πολύπλοκα αλλά εύκολα κατασκευασμένα μικροηλεκτρονικά κυκλώματα. Είναι, και θα είναι στο άμεσο μέλλον, τα βασικά στοιχεία για την πλειονότητα των ηλεκτρονικών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων των επικοινωνιών, των καταναλωτών, της επεξεργασίας δεδομένων και του εξοπλισμού βιομηχανικού ελέγχου.

Αρχές ημιαγωγών και διασταύρωσης

Υλικά ημιαγωγών

Τα υλικά στερεάς κατάστασης ομαδοποιούνται συνήθως σε τρεις κατηγορίες: μονωτές, ημιαγωγοί και αγωγοί. (Σε χαμηλές θερμοκρασίες ορισμένοι αγωγοί, ημιαγωγοί και μονωτές μπορεί να γίνουν υπεραγωγοί.) Το Σχήμα 1 δείχνει τις αγωγιότητες σ (και τις αντίστοιχες αντιστάσεις ρ = 1 / σ) που σχετίζονται με ορισμένα σημαντικά υλικά σε καθεμία από τις τρεις κατηγορίες. Οι μονωτές, όπως ο λιωμένος χαλαζίας και το γυαλί, έχουν πολύ χαμηλή αγωγιμότητα, της τάξης των 10 ⁻¹⁸ έως 10 ⁻¹⁰ siemens ανά εκατοστό. και οι αγωγοί, όπως το αλουμίνιο, έχουν υψηλή αγωγιμότητα, συνήθως από 10 ⁴ έως 10 ⁶ siemens ανά εκατοστό. Οι αγωγιμότητες των ημιαγωγών είναι μεταξύ αυτών των άκρων.

Η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού είναι γενικά ευαίσθητη στη θερμοκρασία, το φωτισμό, τα μαγνητικά πεδία και τις μικρές ποσότητες ατόμων ακαθαρσίας. Για παράδειγμα, η προσθήκη λιγότερο από 0,01 τοις εκατό ενός συγκεκριμένου τύπου ακαθαρσίας μπορεί να αυξήσει την ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού κατά τέσσερις ή περισσότερες τάξεις μεγέθους (δηλαδή, 10.000 φορές). Τα εύρη αγωγιμότητας ημιαγωγών λόγω ατόμων ακαθαρσίας για πέντε κοινούς ημιαγωγούς δίδονται στο Σχήμα 1.

Η μελέτη των υλικών ημιαγωγών ξεκίνησε στις αρχές του 19ου αιώνα. Με τα χρόνια, πολλοί ημιαγωγοί έχουν διερευνηθεί. Ο πίνακας δείχνει ένα τμήμα του περιοδικού πίνακα που σχετίζεται με τους ημιαγωγούς. Οι στοιχειώδεις ημιαγωγοί είναι αυτοί που αποτελούνται από μεμονωμένα είδη ατόμων, όπως πυρίτιο (Si), γερμάνιο (Ge) και γκρι κασσίτερος (Sn) στη στήλη IV και σελήνιο (Se) και τελλουρίου (Te) στη στήλη VI. Υπάρχουν, ωστόσο, πολλοί σύνθετοι ημιαγωγοί που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα στοιχεία. Το αρσενικό γάλλιο (GaAs), για παράδειγμα, είναι μια δυαδική ένωση III-V, η οποία είναι ένας συνδυασμός γάλλιου (Ga) από τη στήλη III και αρσενικού (As) από τη στήλη V.

Τμήμα του περιοδικού πίνακα στοιχείων που σχετίζονται με ημιαγωγούς

περίοδος	στήλη
	ΙΙ	III	IV	Β	VI
2	βόριο Β	άνθρακας C	άζωτο Ν
3	μαγνήσιο Mg	αλουμίνιο Al	σιλικόνη Si	φωσφόρος Ρ	θείο S
4	ψευδάργυρος Zn	Γάλλιο Ga	γερμάνιο Ge	αρσενικό As	σελήνιο Se
5	κάδμιο Cd	ίνδιο σε	κασσίτερο Sn	αντιμόνιο Sb	τελλουρίου Te
6	υδράργυρος Hg	μόλυβδος Pb

Τριαδικό ενώσεις μπορεί να σχηματίζονται με στοιχεία από τρεις διαφορετικές στήλες, όπως, για παράδειγμα, ινδίου υδράργυρο τελλουριούχο (ΙιΟΙη ₂ Te ₄), μία ένωση II-III-VI. Μπορούν επίσης να σχηματιστούν από στοιχεία από δύο στήλες, όπως το αρσενίδιο του γαλλίου αργιλίου (Al _x Ga _{1 - x} As), το οποίο είναι μια τριμερής ένωση III-V, όπου τόσο το Al όσο και το Ga προέρχονται από τη στήλη III και η συνδρομή x σχετίζεται στη σύνθεση των δύο στοιχείων από 100 τοις εκατό Al (x = 1) έως 100 τοις εκατό Ga (x = 0). Το καθαρό πυρίτιο είναι το πιο σημαντικό υλικό για την εφαρμογή ολοκληρωμένου κυκλώματος και οι διμερείς και τριμερείς ενώσεις III-V είναι οι πιο σημαντικές για την εκπομπή φωτός.

Πριν από την εφεύρεση του διπολικού τρανζίστορ το 1947, οι ημιαγωγοί χρησιμοποιήθηκαν μόνο ως συσκευές δύο τερματικών, όπως ανορθωτές και φωτοδιόδους. Στις αρχές της δεκαετίας του 1950, το γερμανικό ήταν το σημαντικότερο υλικό ημιαγωγών. Ωστόσο, αποδείχθηκε ακατάλληλο για πολλές εφαρμογές, επειδή συσκευές κατασκευασμένες από το υλικό εμφάνισαν υψηλά ρεύματα διαρροής σε μόνο μέτρια αυξημένες θερμοκρασίες. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1960, το πυρίτιο έχει γίνει πρακτικό υποκατάστατο, αντικαθιστώντας ουσιαστικά το γερμάνιο ως υλικό για την κατασκευή ημιαγωγών. Οι κύριοι λόγοι γι 'αυτό είναι διττός: (1) οι συσκευές πυριτίου εμφανίζουν πολύ χαμηλότερα ρεύματα διαρροής και (2) υψηλής ποιότητας διοξείδιο του πυριτίου (SiO ₂), το οποίο είναι μονωτής, είναι εύκολο να παραχθεί. Η τεχνολογία πυριτίου είναι πλέον μακράν η πιο προηγμένη μεταξύ όλων των τεχνολογιών ημιαγωγών και οι συσκευές με βάση το πυρίτιο αποτελούν περισσότερο από το 95 τοις εκατό όλου του υλικού ημιαγωγών που πωλείται παγκοσμίως.

Πολλοί από τους σύνθετους ημιαγωγούς έχουν ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες που απουσιάζουν από το πυρίτιο. Αυτοί οι ημιαγωγοί, ειδικά το αρσενίδιο του γαλλίου, χρησιμοποιούνται κυρίως για εφαρμογές υψηλής ταχύτητας και οπτικοηλεκτρονικής.