Puslaidininkinių įtaisų elektronika

Puslaidininkinis įtaisas, elektroninės grandinės komponentas, pagamintas iš medžiagos, kuri nėra nei geras laidininkas, nei geras izoliatorius (vadinasi, puslaidininkis). Tokie įrenginiai rado platų pritaikymą dėl jų kompaktiškumo, patikimumo ir mažų kainų. Kaip atskiri komponentai, jie buvo naudojami galios įtaisuose, optiniuose jutikliuose ir šviesos skleidikliuose, įskaitant kietojo kūno lazerius. Jie turi platų srovės ir įtampos valdymo galimybių spektrą, o jų srovės galios yra keliuose nanovampuose (^10–9).amperų) iki daugiau nei 5000 amperų, ​​o vardinė įtampa viršija 100 000 voltų. Dar svarbiau yra tai, kad puslaidininkiniai įtaisai gali integruotis į sudėtingas, bet lengvai pagaminamas mikroelektronines grandines. Jie yra ir artimiausioje ateityje bus pagrindiniai daugumos elektroninių sistemų elementai, įskaitant ryšių, vartotojų, duomenų apdorojimo ir pramonės valdymo įrangą.

Puslaidininkių ir jungčių principai

Puslaidininkių medžiagos

Kietojo kūno medžiagos paprastai skirstomos į tris klases: izoliatorius, puslaidininkius ir laidus. (Žemoje temperatūroje kai kurie laidininkai, puslaidininkiai ir izoliatoriai gali tapti superlaidininkais.) 1 paveiksle parodytas laidumas σ (ir atitinkama varža ρ = 1 / σ), kurie yra susieti su kai kuriomis svarbiomis medžiagomis kiekvienoje iš trijų klasių. Izoliatorių, tokių kaip lydytas kvarcas ir stiklas, laidumas yra labai mažas - nuo 10 ⁻¹⁸ iki 10 ^–10 siemenų viename centimetre; ir laidininkai, pavyzdžiui, aliuminio, gali turėti didelį laidumo, paprastai nuo 10 ⁴ iki 10 ⁶ Siemens centimetrui. Puslaidininkių laidumas yra tarp šių kraštutinumų.

Puslaidininkio laidumas paprastai yra jautrus temperatūrai, apšvietimui, magnetiniams laukams ir mažiausiems priemaišų atomų kiekiams. Pavyzdžiui, pridėjus mažiau nei 0,01 procento tam tikros rūšies priemaišų, puslaidininkio elektrinis laidumas gali padidėti keturiais ar daugiau laipsnių (ty 10 000 kartų). Puslaidininkių laidumo diapazonai dėl priemaišų atomų penkiems bendriems puslaidininkiams yra pateikti 1 paveiksle.

Puslaidininkių medžiagų tyrimas pradėtas XIX amžiaus pradžioje. Bėgant metams buvo ištirta daugybė puslaidininkių. Lentelė rodo periodinės lentelės dalį, susijusią su puslaidininkiais. Elementiniai puslaidininkiai yra tie, kuriuos sudaro vienos rūšies atomai, pavyzdžiui, silicio (Si), germanio (Ge) ir pilkosios alavo (Sn) IV stulpelyje bei seleno (Se) ir telūro (Te) VI stulpelyje. Tačiau yra daugybė sudėtinių puslaidininkių, kuriuos sudaro du ar daugiau elementų. Pavyzdžiui, galio arsenidas (GaAs) yra dvejetainis III-V junginys, kuris yra III stulpelio galio (Ga) ir V stulpelio arseno (As) derinys.

Periodinės lentelės, susijusios su puslaidininkiais, dalis

laikotarpis	stulpelis
	II	III	IV	V	VI
2	boras B	anglis C	azotas N
3	magnio Mg	aliuminis Al	silicio Si	fosforas P	sieros S
4	cinkas Zn	galis Ga	germanis Ge	arsenas As	selenas Se
5	kadmis Cd	indis In	alavo Sn	stibio Sb	telluras Te
6	gyvsidabrio Hg	švino Pb

Trinariai junginiai gali būti suformuotas elementų iš trijų skirtingų stulpelių, kaip, pavyzdžiui, gyvsidabrio indžio teliūrido (HgIn ₂ Te ₄), Kitoje II-III-VI Junginys. Juos taip pat gali sudaryti elementai iš dviejų kolonų, pavyzdžiui, aliuminio galio arsenidas (Al _x Ga _{1 - x} As), kuris yra III-V junginio trišalis junginys, kur Al ir Ga yra iš III stulpelio, o po indeksas x yra susijęs dviejų elementų kompozicijai nuo 100 procentų Al (x = 1) iki 100 procentų Ga (x = 0). Grynas silicis yra svarbiausia medžiaga, naudojama integrinėse schemose, o III-V dvejetainiai ir trijų komponentų junginiai turi didžiausią įtaką šviesos skleidimui.

Iki 1947 m. Išradus bipolinį tranzistorių, puslaidininkiai buvo naudojami tik kaip dviejų galų įtaisai, tokie kaip lygintuvai ir fotodiodai. Šeštojo dešimtmečio pradžioje germanis buvo pagrindinė puslaidininkių medžiaga. Tačiau jis pasirodė netinkamas daugeliui pritaikymų, nes iš medžiagos pagaminti prietaisai turėjo didelę nuotėkio srovę tik vidutiniškai aukštesnėje temperatūroje. Nuo septintojo dešimtmečio pradžios silicis tapo praktiniu pakaitalu, kuris praktiškai išstumia germanį kaip puslaidininkių gamybos medžiagą. Pagrindinės to priežastys yra dvejopos: (1) silicio įtaisai pasižymi daug mažesnėmis nuotėkio srovėmis ir (2) aukštos kokybės silicio dioksidas (SiO ₂), kuris yra izoliatorius, yra lengvai gaunamas. Silicio technologija dabar yra iki šiol pažangiausia tarp visų puslaidininkių technologijų, o silicio pagrindu sukurti įrenginiai sudaro daugiau nei 95 procentus visos pasaulyje parduodamos puslaidininkių įrangos.

Daugelis sudėtinių puslaidininkių pasižymi elektrinėmis ir optinėmis savybėmis, kurių nėra silicyje. Šie puslaidininkiai, ypač galio arsenidas, daugiausia naudojami greitaeigiams ir optoelektroniniams tikslams.