Polovodičové zařízení, součást elektronického obvodu vyrobená z materiálu, který není dobrým vodičem ani dobrým izolátorem (tedy polovodičem). Taková zařízení nacházejí široké uplatnění díky své kompaktnosti, spolehlivosti a nízkým nákladům. Jako diskrétní komponenty našli uplatnění v energetických zařízeních, optických senzorech a světelných emitorech, včetně polovodičových laserů. Mají širokou škálu možností manipulace s proudem a napětím, s proudovým hodnocením několika nanoamper (10 −9ampér) do více než 5 000 ampérů a jmenovitých napětí přesahujících 100 000 voltů. Ještě důležitější je, že polovodičová zařízení se hodí k integraci do složitých, ale snadno vyrobitelných mikroelektronických obvodů. Jsou a budou v dohledné budoucnosti klíčovými prvky pro většinu elektronických systémů, včetně komunikací, spotřebitelů, zařízení pro zpracování dat a průmyslových kontrolních zařízení.
Polovodičové a spojovací principy
Polovodičové materiály
Materiály v pevném stavu jsou obvykle rozděleny do tří tříd: izolátory, polovodiče a vodiče. (Při nízkých teplotách se některé vodiče, polovodiče a izolátory mohou stát supravodiči.) Obrázek 1 ukazuje vodivost σ (a odpovídající odpory ρ = 1 / σ), které jsou spojeny s některými důležitými materiály v každé ze tří tříd. Izolátory, jako taveného křemene a skla, mají velmi nízké vodivosti, v řádu 10 -18, aby 10 -10 Siemens na centimetr; a vodiče, jako je hliník, mají vysokou vodivost, typicky od 10 4 do 10 6 Siemens na centimetr. Vodivost polovodičů je mezi těmito extrémy.
Vodivost polovodiče je obecně citlivá na teplotu, osvětlení, magnetická pole a nepatrné množství atomů nečistot. Například přidání méně než 0,01 procenta konkrétního typu nečistoty může zvýšit elektrickou vodivost polovodiče o čtyři nebo více řádů (tj. 10 000krát). Rozsahy polovodičové vodivosti v důsledku atomů nečistot pro pět běžných polovodičů jsou uvedeny na obrázku 1.
Studium polovodičových materiálů začalo na počátku 19. století. V průběhu let bylo zkoumáno mnoho polovodičů. Tabulka ukazuje část periodické tabulky týkající se polovodičů. Elementární polovodiče jsou ty, které se skládají z jednotlivých druhů atomů, jako je křemík (Si), germanium (Ge) a šedý cín (Sn) ve sloupci IV a selen (Se) a tellur (Te) ve sloupci VI. Existuje však mnoho složených polovodičů, které jsou složeny ze dvou nebo více prvků. Například gallium arsenid (GaAs) je binární sloučenina III-V, která je kombinací gallia (Ga) ze sloupce III a arsenu (As) ze sloupce V.
Část periodické tabulky prvků týkajících se polovodičů
| doba | sloupec | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | III | IV | PROTI | VI | |
| 2 | bor
B |
uhlík
C |
dusík
N |
||
| 3 | hořečnatý
Mg |
hliník
Al |
křemík
Si |
fosfor
P |
síra
S |
| 4 | zinek
Zn |
gallium
Ga |
germanium
Ge |
arzén
As |
selen
Se |
| 5 | kadmium
Cd |
indium
In |
cín
Sn |
antimon
Sb |
tellurium
Te |
| 6 | rtuť
Hg |
olovo
Pb |
|||
Ternární sloučeniny mohou být tvořeny prvky ze tří různých kolon, jako je například telurid rtuti india (HgIn 2 Te 4), sloučenina II-III-VI. Mohou být také tvořeny prvky ze dvou sloupců, jako je arzenid hlinitého gallia (Al x Ga 1 - x As), což je ternární sloučenina III-V, kde Al a Ga jsou ze sloupce III a dolní index x je příbuzný ke složení dvou prvků od 100 procent Al (x = 1) do 100 procent Ga (x = 0). Čistý křemík je nejdůležitějším materiálem pro aplikaci s integrovanými obvody a binární a ternární sloučeniny III-V jsou nejdůležitější pro emisi světla.
Před vynálezem bipolárního tranzistoru v roce 1947 byly polovodiče používány pouze jako dvoustranná zařízení, jako jsou usměrňovače a fotodiody. Během časných padesátých lét, germanium byl hlavní polovodičový materiál. Ukázalo se však jako nevhodné pro mnoho aplikací, protože zařízení vyrobená z materiálu vykazovala vysoké svodové proudy při pouze mírně zvýšených teplotách. Od počátku šedesátých let se křemík stal praktickou náhradou a prakticky nahradil germanium jako materiál pro výrobu polovodičů. Hlavní důvody pro to jsou dvojí: (1) silikonové zařízení vykazují mnohem nižší svodové proudy, a (2) vysoce kvalitní oxid křemičitý (SiO 2), který je izolátor, je snadno vyrobit. Křemíková technologie je nyní zdaleka nejpokročilejší ze všech polovodičových technologií a zařízení na bázi křemíku představují více než 95 procent veškerého polovodičového hardwaru prodávaného po celém světě.
Mnoho složených polovodičů má elektrické a optické vlastnosti, které v křemíku chybí. Tyto polovodiče, zejména arzenid galia, se používají hlavně pro vysokorychlostní a optoelektronické aplikace.
