Какие металлы используются в полупроводниках
Обновлено: 19.05.2024
Кризис производства кремния показал, как сильно мы зависим от полупроводников. Нехватка материала, вызванная сокращением производства в Китае, в конце 2021 года привела к росту цен на него на 300% менее чем за два месяца. Компании и исследователи по всему миру начали еще активнее искать альтернативу кремнию. «Хайтек» рассказывает о самых популярных полупроводниках, которые используются сейчас, и о тех, что придут им на смену.
Читайте «Хайтек» в
От «простых» домашних приборов и компьютеров до солнечных элементов, полевых транзисторов и беспилотных автомобильных цепей — вся техника требует для работы полупроводниковые материалы. Современный мир буквально обязан им своим существованием.
Очевидный лидер отрасли сейчас — кремний. Но он подходит не для всех приборов, кроме того, физические свойства полупроводника ограничивают возможности для дальнейшей миниатюризации и повышения мощности чипов и создание гибких устройств. К счастью, есть и другие альтернативные материалы.
Рассказываем, как работают полупроводники и какие существуют перспективные альтернативы кремнию для создания микроэлектроники. Подробнее про рынок в целом можно прочитать в июльском выпуске дайджеста по робототехнике «Микроэлектроника. Чем меньше, тем лучше», подготовленном Центром компетенций НТИ по направлению «Технологии компонентов робототехники и мехатроники» на базе Университета Иннополис.
Что такое полупроводник
Полупроводник — материал, который по удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Как правило, это кристаллическое твердое вещество. При определенных условиях оно проводит электричество, что делает его идеальным для управления потоком тока.
Полупроводники в нормальном состоянии проводят небольшое количество тока или не вообще блокируют его. Но с ростом температуры или под действием света они начинают лучше пропускать электрические заряды. Также проводимость полупроводников меняется при введении примеси — этот процесс называется легированием.
Важное отличие полупроводника от проводника заключается в том, что ток в нем переносится не только электронами, но и оставленными ими вакансиями — дырками. Дырки, оставшиеся в валентной зоне, могут быть заняты электронами из более низких энергетических состояний и тем самым вносить свой вклад в протекание тока.
Одна из ключевых характеристик полупроводника — это подвижность носителей заряда (электронов и дырок). Это коэффициент, который показывает зависимость между средней скоростью частиц и приложенным внешним электрическим полем. Подвижность электронов и дырок может быть разной, например, у кремния при комнатной температуре отрицательно заряженные частицы движутся почти в три раза быстрее положительных.
Кроме того, полупроводники различаются по ширине запрещенной зоны. Это минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. У металлов и других полупроводников она равна 0, а при достижении уровня в 4 эВ и больше материал становится диэлектриком.
Еще одна важная характеристика полупроводников — это теплопроводность. Она показывает насколько быстро и просто можно будет отводить от компонентов тепло, чтобы защитить устройство от перегрева.
Кремний
Кремний — второй после углерода по распространенности химический элемент на Земле. Его основным преимуществом является то, что его легко добывать, с кремниевыми кристаллами относительно просто работать, и он обеспечивает хорошие общие электрические и механические свойства. Даже несмотря на относительно низкую подвижность электронов и дырок, пока он остается оптимальным материалом для микроэлектронного производства.
Еще одним его преимуществом является то, что при использовании в интегральных схемах он образует высококачественный оксид кремния, который выступает в качестве изоляционных слоев между различными активными элементами.
Для увеличения плотности элементов и быстродействия интегральных схем используются комбинации элементов монокристаллического и поликристаллического кремния. А для увеличения проводимости поликристаллического кремния его легируют.
Полупроводники из кремния широко применяются для создания интегральных микросхем, биполярных и полевых транзисторов, приборов с зарядовой связью, быстродействующих фотодиодов и многих других устройств. А продукты на основе кремния, такие как MOSFET-или IGBT-транзисторы с суперпереходом, можно использовать в широком диапазоне напряжений (от единиц до нескольких сот вольт) и в различных классах мощности.
Факторы, влияющие на сложность производства. Изображение: Университет Иннополис
Германий
Мы живем в «кремниевую» эпоху, и может показаться, что микроэлектроника началась с этого материала, но первым был германий. Он использовался во многих ранних устройствах: от диодов для обнаружения радаров до первых транзисторов. Именно он до конца 1960-х годов был основным полупроводником, применяемым в электронных приборах, и только в начале 70-х его вытеснил кремний.
Новый «чемпион» гораздо более распространен, его производство дешевле и у него более широкая запрещенная зона и лучше теплопроводность. Но свое преимущество есть и у германия: носители заряда в этом материале гораздо более подвижны.
Например, при температуре 300 K (около 27°С) электроны в «первом» полупроводнике двигаются почти в три раза быстрее, чем у кремния, а дырки — почти в четыре раза.
Хотя германий и не подходит для современной микроэлектроники, благодаря этим свойствам он по-прежнему используется в некоторых радиочастотных приборах. Например, его применяют для создания СВЧ-устройств, аудиоаппаратуры, а также маломощном и прецизионном оборудовании.
Подвижность носителей заряда в различных полупроводниках. Изображение: Университет Иннополис
Арсенид галлия
Арсенид галлия является вторым наиболее распространенным полупроводником, используемым сегодня. В отличие от кремния и германия, арсенид галлия представляет собой соединение, а не элемент, и получается путем соединения трехвалентного галлия с мышьяком, имеющим пять валентных электронов.
Большая ширина запрещенной зоны и высокая подвижность электронов заставляют устройства на основе арсенида галлия быстро реагировать на электрические сигналы, что делает это соединение подходящим для усиления высокочастотных сигналов. Кроме того, этот материал показал свою эффективность при высоких температурах и хорошую устойчивость к радиационному излучению.
Арсенид галлия давно применяется в микроэлектронике, поэтому производство устройств на его основе отлажено. Благодаря особым свойствам, материал используется в основном для создания сверхвысокочастотных приборов микроэлектроники: цифровых и аналоговых интегральных схем, дискретных полевых транзисторов и диодов Ганна, которые работают без p-n-перехода за счет собственных средств материала. Кроме того, микросхемы на основе арсенида галлия применяются при изготовлении мобильных телефонов, микроволновых приборов, устройств спутниковой связи и некоторых радарных систем.
Однако это хрупкий материал с меньшей подвижностью дырок, чем у кремния, что делает невозможными создание таких устройств, как, например, КМОП-транзисторов, быстродействующих и энергосберегающих электронных схем. Его также относительно сложно изготовить, что увеличивает стоимость устройств из арсенида галлия. И у него достаточно низкая теплопроводность, что увеличивает риск перегрева устройств.
Материалы будущего
— Алмазы
Ширина запрещенной зоны алмаза превышает 3 эВ, поэтому по определению он диэлектрик. Однако при добавлении примесей драгоценный камень становится полупроводником.
Теоретически алмазные полупроводниковые устройства обладают превосходными физическими свойствами, включая высокие теплопроводность, напряженность поля пробоя и подвижность носителей. Это позволит существенно снизить потери, быстро рассеивать тепло и увеличить срок службы устройств. Кроме того, он может работать с выходной мощностью и энергоэффективностью в 50 тыс. раз выше, чем у кремниевых устройств, и в 1 200 раз с более высокой частотой.
Однако для промышленного применения в электронных полупроводниковых устройствах необходимы высококачественные алмазные пластины большого размера. Хотя попытки создания алмазных приборов проводятся в течение многих лет. До сих не решены проблемы, связанные с легированием и обработкой материала.
Теплопроводность различных полупроводников. Изображение: Университет Иннополис
— Графен
Графен — двумерная аллотропная модификация углерода. По прогнозу компании McKinsey, у графена есть потенциал превзойти кремний в качестве универсального полупроводникового материала, но до широкой коммерциализации может пройти до 25 лет.
Ключевая особенность этого материала — гибкость, поэтому из него можно производить различные сложные приборы. Этот материал считается многообещающим с точки зрения его дальнейшего использования, и по всему миру существуют целые институты, занимающиеся изучением и разработками в области графена.
Он может пригодиться в самых разных отраслях: от современных энергетических сетей и альтернативной энергетики до биомедицины. В микроэлектронике графен можно использовать в сверхчувствительных микропроцессорах, элементах квантовых компьютеров и датчиках с экстремальными параметрами.
— Арсенид бора
Совсем недавно, в июле 2022 года, исследователи из MIT заявили, что они нашли лучший из известных полупроводников. Им оказался кубический арсенид бора. Этот материал представляет собой соединение из мышьяка и бора.
Его теплопроводность в 10 раз больше, чем у кремния. При этом в отличие от последнего и арсенида галия полупроводник на основе бора демонстрирует высокую подвижность не только для электронов, но и для дырок.
Хотя ученые и говорят о том, что этот материал потенциально способен заменить кремний, но, как и с графеном, до этого еще очень далеко. Например, сначала нужно разработать дешевые способы качественного производства этого материала.
Несмотря на высокую популярность и эффективность кремниевых полупроводников, нужны аналоги. К этому производителей подталкивают сразу два фактора. Во-первых, технология почти достигла предела, за которым будет невозможно создавать все более миниатюрные и мощные устройства. А во-вторых, постоянный рост спроса на кремний приводит к его удорожанию.
Кризис производства, возникший во время пандемии коронавируса, показал, как опасно опираться на единственный источник. Поэтому компании и ученые по всему миру работают над созданием альтернативы. Тем не менее, можно предположить, что благодаря дешевизне, доступности и отлаженности производства кремниевых приборов еще какое-то время этот материал будет занимать лидирующую позицию в микроэлектронике.
Современные технологии полупроводникового производства
В последние годы к стадии возможности использования в коммерческом производстве подошел целый ряд технологий, позволяющих заметно увеличить скорость работы транзисторов, либо столько же заметно уменьшить размер чипа без перехода на более тонкий технологический процесс. Некоторые из этих технологий уже начали применяться в течение последних месяцев, их названия упоминаются в новостях, относящихся к компьютерам, все чаще. Эта статья – попытка сделать краткий обзор подобных технологий, попытавшись заглянуть в самое ближайшее возможное будущее чипов, находящихся в наших компьютерах.
Здесь пойдет речь о некоторых последних технологиях в этой области, таких, как медные проводники в чипах, SiGe, SOI, перовскиты. Но сначала необходимо в общих чертах затронуть традиционный процесс производства чипов из кремниевых пластин. Нет необходимости описывать процесс превращения песка в пластины, поскольку все эти технологии не имеют к столь базовым шагам никакого отношения, поэтому начнем с того, что мы уже имеем кремниевую пластину, диаметр которой на большинстве сегодняшних фабрик, использующих современные технологии, составляет 20 см. Ближайшим шагом на ее превращении в чипы становится процесс окисления ее поверхности, покрытия ее пленкой окислов — SiO2, являющейся прекрасным изолятором и защитой поверхности пластины при литографии.
Дальше на пластину наносится еще один защитный слой, на этот раз — светочувствительный, и происходит одна из ключевых операций — удаление в определенных местах ненужных участков его и пленки окислов с поверхности пластины, до обнажения чистого кремния, с помощью фотолитографии.
На первом этапе пластину с нанесённой на её поверхность плёнкой светочувствительного слоя помещают в установку экспонирования, которая по сути работает как фотоувеличитель. В качестве негатива здесь используется прецизионная маска — квадратная пластина кварцевого стекла покрытая плёнкой хрома там, где требуется. Хромированные и открытые участки образуют изображение одного слоя одного чипа в масштабе 1:5. По специальным знакам, заранее сформированным на поверхности пластины, установка автоматически выравнивает пластину, настраивает фокус и засвечивает светочувствительный слой через маску и систему линз с уменьшением так, что на пластине получается изображение кристалла в масштабе 1:1. Затем пластина сдвигается, экспонируется следующий кристалл и так далее, пока не обработаются все чипы на пластине. Сама маска тоже формируется фотохимическим способом, только засвечивание светочувствительного слоя при формировании маски происходит по программе электронным лучом примерно также, как в телевизионном кинескопе.
В результате засвечивания химический состав тех участков светочувствительного слоя, которые попали под прозрачные области фотомаски, меняется. Что дает возможность удалить их с помощью соответствующих химикатов или других методов, вроде плазмы или рентгеновских лучей.
После чего аналогичной процедуре (уже с использованием других веществ, разумеется) подвергается и слой окислов на поверхности пластины. И снова, опять же, уже новыми химикатами, снимается светочувствительный слой:
Поверхность пластины тщательно очищается, чтобы вместе с примесями в кремний не попали лишние вещества, после чего она попадает в камеру для высокотемпературной обработки и на нее, в том или ином агрегатном состоянии, с использованием ионизации или без, наносится небольшое количество требуемых примесей. После чего, при температуре порядка от 700 до 1400 градусов, происходит процесс диффузии, проникновения требуемых элементов в кремний на его открытых в процессе литографии участках. В результате на поверхности пластины получаются участки с нужными свойствами. И в конце этого этапа на их поверхность наносится все та же защитная пленка из окисла кремния, толщиной порядка одного микрона.
Все. Осталось только проложить по поверхности чипа металлические соединения (сегодня для этой роли обычно используется алюминий, а соединения сегодня обычно расположены в 6 слоев), и дело сделано. В общих чертах, так в результате и получается, к примеру, классический МОП транзистор: при наличии напряжения на затворе начинается перемещение электронов между измененными областями кремния.
Теперь, слегка пробежавшись по классическому процессу создания сегодняшних чипов, можно более уверенно перейти к обзору технологий, которые предполагают внести определенные коррективы в эту картину.
Медные соединения
IBM, техпроцесс CMOS 7S, первая медная технология, начавшая применяться при коммерческом производстве чипов
Первая из них, уже начавшая широко внедряться в коммерческое производство — это замена на последнем этапе алюминия на медь. Медь является лучшим проводником, чем алюминий (удельное сопротивление 0,0175 против 0,028 ом*мм2/м), что, в полном соответствии с законами физики, позволяет уменьшить сечение межкомпонентных соединений. Вполне своевременно, учитывая постоянное движение индустрии в сторону уменьшения размеров транзисторов и увеличения плотности их размещения на чипе, когда использование алюминия начинает становиться невозможным. Индустрия начала сталкиваться с этой проблемой уже в первой половине 90-х. Вдобавок, что толку в ускорении самих транзисторов, если соединения между ними будут съедать весь прирост скорости?
Проблемой при переходе на медь являлось то, что алюминий куда лучше образует контакт с кремнием. Однако после не одного десятка лет исследований, ученым удалось найти принцип создания сверхтонкой разделительной области между кремниевой подложкой и медными проводниками, предотвращающей диффузию этих двух материалов.
По данным IBM, применение в технологическом процессе меди вместо алюминия, позволяет добиться снижения себестоимости примерно на 20-30 процентов за счет снижения площади чипа. Их технология CMOS 7S, использующая медные соединения, позволяет создавать чипы, содержащие до 150-200 миллионов транзисторов. И, наконец, просто увеличение производительности чипа (до 40 процентов) за счет меньшего сопротивления проводников.
IBM начала предлагать клиентам эту технологию в начале 98 года, в конце этого года своим заказчикам предложили использовать медь при производстве их чипов TSMC и UMC, AMD начинает выпуск медных Athlon в начале 2000 года, Intel переходит на медь в 2002 году, одновременно с переходом на 0.13 мкм техпроцесс.
Соединения — соединениями, но уже на скорости чипа в несколько ГГц перестает справляться с нагрузкой сама кремниевая подложка. И если для традиционных областей применения чипов кремния пока достаточно, в области беспроводной связи уже давно дефицит на дешевые скоростные чипы. Кремний — дешево, но медленно, арсенид галлия — быстро, но дорого. Решением здесь стало использование в качестве материала для подложек соединения двух основ полупроводниковой индустрии — кремния с германием, SiGe. Практические результаты по этой технологии стали появляться с конца 80-х годов. Первый биполярный транзистор, созданный с использованием SiGe (когда германий используется как материал для базы), был продемонстрирован в 1987 году. В 1992 году уже появилась возможность применения при производстве чипов с SiGe транзисторами стандартной технологии КМОП с разрешением 0.25 мкм.
Результатом применения становится увеличение скорости чипов в 2-4 раза по сравнению с той, что может быть достигнута путем использования кремния, во столько же снижается и их энергопотребление. При этом, в ход вступает все тот же решающий фактор — стоимость: SiGe чипы можно производить на тех же линиях, которые используются при производстве чипов на базе обычных кремниевых пластин, таким образом отпадает необходимость в дорогом переоснащении производственного оборудования. По информации IBM, потенциальная скорость транзистора (не чипа!) с их технологией составляет сегодня 45-50 ГГц (что далеко не рекорд), ведутся работы над увеличением этой цифры до 120 ГГц. Впрочем, в ближайшие годы прихода SiGe в компьютер ждать не стоит — при тех скоростях, что потребуется PC чипам в ближайшем будущем вполне хватает кремния, легированного такими технологиями, как медные соединения или SOI.
Кремний на изоляторе (silicon-on-insulator, SOI)
Еще одна технология, позволяющая достаточно безболезненно повысить скорость чипов, не требуя от производителей отказаться от всех их сегодняшних наработок. Как и технология медных соединений, SOI позволяет создателям чипов убить двух зайцев одним выстрелом — поднять скорость, до 25 процентов, одновременно снизив энергопотребление. Что из себя представляет эта технология? Вспомним начало обработки кремниевой пластины — она покрывается тонкой пленкой окисла кремния. А в SOI к этому бутерброду добавляется еще один элемент — сверху опять наносится тонкий слой кремния:
Вот и получается — кремний на изоляторе. Зачем это понадобилось? Чтобы уменьшить емкость. В идеале МОП транзистор должен выключаться, как только будет исчезнет питание с затвора (или наоборот, появится, в случае с КМОП). Но наш мир далеко не идеален, это справедливо и в данном конкретном случае. На время срабатывания транзистора напрямую влияет емкость области между между измененными участками кремния, через которую и идет ток при включении транзистора. Он начинает и заканчивает идти не мгновенно, а только после, соответственно, зарядки и разрядки этой промежуточной зоны. Понятно, что чем меньше это время, тем быстрее работает транзистор, можно сказать, что тем меньше его инерция. Для того и придумана SOI — при наличии между измененными участками и основной массой кремния тонкой пластинки изолирующего вещества (окисел кремния, стекло, и т.д.), этот вопрос снимается и транзистор начинает работать заметно быстрее.
Основная сложность в данном случае, как и в случае с медными соединениями, заключается в разных физических свойствах вещества. Кремний, используемый в подложке — кристалл, пленка окислов — нет, и закрепить на ее поверхности, или же не поверхности другого изолятора еще один слой кристаллического кремния весьма трудно. Вот как раз проблема создания идеального слоя и заняла весьма много времени. Не так давно IBM уже продемонстрировала процессоры PowerPC и чипы SRAM, созданные с использованием этой технологии, просигнализировав этим о том, что SOI подошла к стадии возможности коммерческого применения. Совсем недавно, IBM объявила о том, что она достигла возможности сочетать SOI и медные соединения на одном чипе, пользуясь плюсами обеих технологий. Тем не менее, пока что никто кроме нее не заявил публично о намерении использовать эту технологию при производстве чипов, хотя о чем-то подобном речь идет.
Перовскиты
Поиски замены на роль изолирующей пленки на поверхности подложки идут давно, учитывая, что как и алюминий, диоксид кремния начинает сдавать в последнее время — при постоянном увеличении плотности транзисторов на чипе необходимо уменьшать толщину его изолирующего слоя, а этому есть предел, поставленный его электрическими свойствами, который уже довольно близок. Однако пока, несмотря на все попытки, SiO2 по прежнему находится на своем месте. В свое время IBM, предполагала использовать в этой роли полиамид, теперь пришла очередь Motorola выступить со своим вариантом — перовскиты.
Этот класс минералов в природе встречается довольно редко — Танзания, Бразилия и Канада, но может выращиваться искусственно. Кристаллы перовскитов отличаются очень высокими диэлектрическими свойствами: использованный Motorola титанат стронция превосходит по этому параметру диоксид кремния более чем на порядок. А это позволяет в три-четыре раза снизить толщину транзисторов по сравнению с использованием традиционного подхода. Что, в свою очередь, позволяет значительно снизить ток утечки, давая возможность заметно увеличить плотность транзисторов на чипе, одновременно сильно уменьшая его энергопотребление.
Пока что эта технология находится в достаточно ранней стадии разработки, однако Motorola уже продемонстрировала возможность нанесения пленки перовскитов на поверхность стандартной 20 см кремниевой пластины, а также рабочий КМОП транзистор, созданный на базе этой технологии.
Не кремнием единым: из каких материалов сегодня изготавливают полупроводники
Что такое полупроводник? Основы полупроводников
Полупроводники – это вещества, находящиеся по своей удельной проводимости между проводниками и диэлектриками. В определенных условиях они приобретают свойства проводника и переносят в кристаллической решетке электрические заряды, в иных случаях – блокируют заряженные частицы предельно высоким сопротивлением. Что нужно для протекания этих процессов – рассмотрим далее.
Примеры и особенности материалов
Полупроводники - это особый класс веществ, которые при низкой температуре выступают как диэлектрики, а при высокой - как проводники. Только 13 из 25 неметаллов таблицы Менделеева имеют полупроводниковые свойства. В настоящее время человек использует множество природных полупроводников. Кремний и германий стали самыми распространёнными материалами такого типа, используемыми в промышленности. Кроме кремния в качестве полупроводников используют селен, серое олово, мышьяк, бор, фосфор, серу, теллур, органические вещества и некоторые химические соединения.
Полупроводник сочетает в себе свойства проводников и непроводников. В нормальном состоянии или при перепаде температур он пропускает или блокирует электрический ток. Поведение материала зависит от температуры среды, в которую он помещён. В нормальном состоянии он имеет сопротивление от 10 -6 до 10 8 Ом·м.
Влияют и сторонние факторы – например, под воздействием света его сопротивление падает, повышается электропроводность. Даже при добавлении в состав небольшого количества примеси электропроводимость полупроводника меняется.
Полупроводники обладают различными свойствами. Кремний, арсенид галлия имеющие оптические свойства, их используют при производстве солнечных батарей и светодиодов. Стекло тоже можно считать полупроводником. В обычном состоянии оно не проводит ток, но при сильном нагреве оно приобретает проводящие свойства. Селен обладает температурной зависимостью. Концентрация свободных носителей заряда уменьшается с ростом температуры, а подвижность носителей заряда увеличивается. Иначе говоря, при увеличении температуры ток начинается протекать быстро и беспрепятственно в кристаллической решетке материала, селен становится проводником.
Механизм электрической проводимости
В полупроводниках, так же как и в металлах, носителями тока становятся электроны. В металлах концентрация электронов в свободном состоянии во много раз больше, чем в полупроводниках. Поэтому в полупроводнике происходят постоянно два противоположных процесса: процесс освобождения электронов и процесс воссоединения с ионом. Дополнительная энергия переводит электрон в свободное состояние.
Немногочисленные свободные электроны отрываются от атома, а они, в свою очередь, становятся ионами. Каждый ион окружается незаряженными атомами. Нейтральные атомы отдают свой электрон иону и превращаются в положительный ион. Другой ион соответственно становится нейтральным. Обмен электронами изменяет нахождение положительных ионов: положительный заряд передвигается. При отсутствии внешнего поля каждому электрону, движущемуся в одном направлении, соответствует движение электрона в противоположном направлении. Похожий процесс происходит с положительным зарядом. При появлении внешнего воздействия проводимость вызывается двумя процессами.
Чем отличаются проводники от полупроводников?
Основные свойства проводника - это высокий уровень проводимости и низкое удельное электрическое сопротивление. Его особенность в наличии свободных электронов, которые способствуют прохождению электрического тока. У проводника, таким образом, проводимость выше.
Полупроводник же от него отличается сильной зависимостью удельной проводимости от температуры, разных типов излучения, электрического поля и от концентрации примесей. Поэтому в полупроводниках образование свободных электронов происходит только при определённых условиях. При повышении температуры проводимость полупроводника возрастает, у проводника при этих условиях падает. Наличие примесей играет обратную роль. Полупроводнику даёт повышенный уровень проводимости, а для проводника - пониженный. Чистый металл обладает большей проводимостью. Эти свойства эффективно применяются в производстве электронных приборов.
Дырка
Полупроводники, в отличие от проводников, имеют «дырки» в своей структуре. «Дырки» – это вакантное электронное состояние в кристаллической решётке, имеющее избыточный положительный заряд. «Дырки» и электроны проводят ток. Важную роль в появлении «дыр» и электронов играют вид и количество примесей в полупроводнике. Определённое число примесей позволяет получать полупроводник с нужными свойствами.
Появление «дырок» связано с температурой внешней среды. При низкой температуре электрон не способен разорвать связь с атомом. Повышение температуры даёт возможность электрону оторваться от ядра. В результате разрыва появляется свободное место, то есть «дырка» с положительным зарядом. Заполняя свободные «дырки», оторвавшиеся электроны восстанавливают связь с другими атомами.
Энергетические зоны
В полупроводниках под воздействием атомов энергетические уровни расщепляются, образуя энергетические зоны. Они состоят из близкорасположенных энергетических уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в теле.
Энергетические зоны, которые образовались при расщеплении одного или нескольких уровней атома, называют разрешённой зоной. В ней верхний энергетический уровень называют потолком, а нижний - дном. Валентная зона и зона проводимости составляют уровни разрешённой зоны. Валентная зона является верхней заполненной зоной. Это энергетическая область разрешённых электронных состояний, которая заполняется валентными электронами. Зона проводимости это область, где находятся электроны валентной зоны, перешедшие запрещённую зону – то есть зону, где отсутствуют энергетические уровни.
Наличие запрещённой зоны означает, что для передвижения в зону проводимости электрону необходима большая энергия, чем ширина запрещённой зоны. Она характеризуется разностью энергий дна зоны проводимости и потолка валентной зоны, или шириной запрещённой зоны. Ширина запрещённой зоны меняется в зависимости от температурных показателей среды. Чаще с повышением температуры ширина запрещённой зоны сокращается.
Подвижность
В полупроводнике подвижными являются электроны и «дырки». Подвижностью носителей заряда называют пропорциональность между дрейфовой скоростью носителей заряда и величиной электрического тока. Этот показатель зависит от массы свободных носителей (электронов). Важно, что у электрических зарядов он выше, чем у «дырок».
Все материалы имеют разную подвижность электронов. Она изменяется при температурном воздействии на тело или при добавлении примесей.
С увеличением температуры подвижность сначала увеличивается. Дойдя до максимального уровня, она сокращается.
Увеличение концентрации примесей влечёт уменьшение подвижности, потому что носители заряда рассеиваются на ионах примеси. При малой концентрации примеси происходит обратное, но проводимость может быть невысокой. Это объясняется малым количеством заряженных частиц.
Увеличение напряжённости электрического поля увеличивает дрейфовую скорость заряженных частиц. Она будет увеличиваться, пока не станет тепловой. После подвижность носителей заряда уменьшается.
Какие свойства характеризуют полупроводник?
Полупроводники характеризуются: типом проводимости (электронный и дырочный), удельным сопротивлением, временем существования носителей заряда и плотностью дислокации. Основное свойство полупроводника это увеличение проводимости электрического тока при условии внешнего воздействия.
Электропроводность
В полупроводнике валентные электроны связаны кристаллической решёткой. Проводимость материала обусловлена разрывом связей при помощи внешней энергии. Она должна превышать энергию запрещённой зоны.
Электропроводность зависит от наличия свободных электронов. Они обладают ещё и дырочной электропроводностью, что не наблюдается у металлов.
В полупроводниках между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещённая зона. Под воздействием внешних факторов происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне появляются свободные энергетические уровни. В зоне проводимости образуются свободные электроны, которые называются электронами проводимости.
Электрофизические характеристики
К электрофизическим характеристикам полупроводников относят время существования, ширину запрещённой зоны, температуру, подвижность электронов, удельное сопротивление и энергию ионизации примесей.
Виды полупроводников
По строению различают аморфные, жидкие, кристаллические и стеклообразные полупроводники. Аморфные сильнее подвержены изменениям при термическом воздействии и относительно упорядочены в своей кристаллической структуре: между собой наиболее устойчивые связи имеют только ближайшие атомы. Жидкие полупроводники это вещества, электропроводность которых увеличивается при плавлении. Кристаллический тип характеризуется устойчивыми крепкими связями между частицами материала, которые при нагревании разрушаются, снижая сопротивление при прохождении тока. Стеклообразные проводники сходны с кристаллическими по механизму работы, однако, из-за меньшего объема примесей их электропроводность выше.
По характеру проводимости
По характеру проводимости полупроводники делят на n-тип и р-тип. Полупроводник n-тип имеет примесные элементы, которые называются доноры. Полупроводники и р-тип в основе содержат примеси и характеризуются дырочной проводимостью.
Также существуют простые и сложные полупроводники. Состав первых образован преимущественно атомами одного вещества, примером тому бор, углерод, германий, кремний. Другие состоят их сложной атомарной композиции. Например, халькогениды – это соединения серы, селена и теллура.
Собственная проводимость
Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением одинакового количества электронов и дырок, которые образуются в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном полупроводнике количество электронов и «дырок» одинаково. Ток создаётся равным движением «дырок» и отрицательно заряженных электронов. Электропроводность чистого полупроводника больше при достаточной концентрации электронов и «дырок».
Примесная проводимость
Содержание примесей влияет на свойства полупроводников. Примесная проводимость обычно выше собственной, поэтому легирующие примеси, внедренные в структуру материала, существенно меняют проводимость. Примесным центром может стать:
- атом или ион химического элемента, входящего в состав полупроводника;
- избыточные атомы или электроны, входящие в междоузлие кристаллической решетки;
- дефекты кристаллической решетки: трещины, сдвиги, пустые узлы.
Примеси бывают донорные и акцепторные. Небольшое количество примеси может сильно изменить электропроводность. Это объясняется способностью примесных атомов поставлять в кристаллическую решётку электроны или поглощать электроны, образуя большое количество «дырок». Донорные примеси поставляют электроны проводимости без образования такого же количества «дырок». Акцепторные примеси захватывают валентные электроны и создают подвижные дырки, но число электронов проводимости не увеличивают.
По виду проводимости
Электронные полупроводники (n-типа)
Электронный полупроводник типа n (от латинского negative - отрицательный) содержит в кристаллической решетке основные четырёхвалентные атомы, примесные донорные пятивалентные атомы. В электронном полупроводнике основными носителями заряда являются электроны, а дырки – второстепенными.
Дырочные полупроводники (р-типа)
Дырочный полупроводник или р-тип (от латинского positive - положительный) содержит в структуре примесные трёхвалентные атомы, акцепторы. Свободную связь примесного атома заполняет электрон, который покидает соседнюю связь. Примесный атом превращается в ион, а на том месте, откуда ушел электрон появляется «дырка». В дырочном полупроводнике основными носителями заряда являются «дырки».
Группы полупроводников
Все полупроводники делятся на три группы: атомные, полупроводники с валентными связями и полупроводники с ионной кристаллической решёткой.
Атомные полупроводники имеют атомную кристаллическую решётку. К ним относятся кремний, бор, сера, фосфор, селен.
В полупроводниках с ионной кристаллической решёткой атомы связаны кулоновскими силами, например, сульфид свинца.
В полупроводниках с валентными связями атомы образуют кристаллы в виде большой молекулы. Например, антимонид индия, арсенид галия.
Также полупроводники разделяют на органические и неорганические. Неорганические полупроводники имеют координационную структуру, молекулы в их структуре отсутствуют. Органические состоят из атомов водорода и углерода, иногда – гетероатомов (серы, кислорода, азота).
Также полупроводники делятся на магнитные и немагнитные. Учитывая их свойства, можно менять проводимость материалов, воздействуя на них магнитными силами (полем). Магнитные полупроводники представляют собой ферромагнетики с собственной магнитной подрешёткой, а немагнитные – диамагнитную кристаллическую матрицу. Немагнитные включают в себя элементы, химические соединения, твёрдые растворы.
Практическое применение полупроводников
Полупроводники имеют широкое применение в промышленности, в аналоговой и цифровой электронике. Особенно активно их используют в электронных приложениях для изготовления транзисторов, интегральных схем, тиристоров, симисторов, лазеров, датчиков давления и диодов. Они также играют роль аксессуаров для оптических датчиков и силовых устройств систем передачи электроэнергии. Полупроводники подходят для технологических разработок в области телекоммуникации, систем управления, обработки сигналов в быту и промышленности.
Кремний, благодаря своим оптическим свойствам активно используется для производства солнечных батарей и фотодиодов, но быть источником света не может.
При производстве холодильников, кондиционеров полупроводниковые устройства применяют в системе охлаждения для контроля и поддержания температуры. В микроволновых печах есть полупроводник, необходимый для создания тепла.
Для преобразования бытовой электроэнергии в постоянный ток в зарядных устройствах для телефона и ноутбука используют разные полупроводниковые устройства.
Широкий спектр полупроводников берется для создания электронной связи.
Современные космические технологии не обходятся без полупроводников. Они участвуют в запуске двигателей и поддерживании скорости.
Полупроводниковые устройства применяются в машиностроении для производства устройств контроля, мониторинга местоположения, направления и скорости.
Современные процессоры содержат миллионы полупроводников, которые позволяют обрабатывать большой объём данных и быстро запускать в работу. Поэтому компьютерные системы – она из ключевых сфер, куда внедряется этот тип материалов.
Производство полупроводников
С середины XX века полупроводниковая промышленность стала процветающей отраслью. Вопреки постоянным кризисам, она сейчас стремительно развивается. Основными мировыми производителями являются Южная Корея, Тайвань, Сингапур, Япония, Швейцария, США.
Процесс создания полупроводников состоит из пяти этапов. На первом этапе происходит механическая обработка в основном кремниевых пластин. Затем, чтобы полупроводниковый материал начал проявлять свои способности, пластины очищают жидкостным или газовым травлением и наращивают слой полупроводника. Следующий этап заключается в фотолитографии рельефа на пластине и добавлении примесей. Затем на пластине формируют контакты и пассивные элементы. Дорожки создают из тончайшего металла путём вакуумного напыления.
Из-за сложности производства и себестоимости ни одна страна не производит полупроводники от начала до конца. Процесс производства разделен между заводами нескольких стран. Производство станков и комплектующих, программное обеспечение находятся в разных государствах.
В настоящее время в производители нацелены на создание сверхтонких полупроводников. Уменьшение нанометров влечёт увеличение стоимости, а скорость не изменяется.
Дефицит полупроводников
В последние годы спрос на полупроводники превышает предложение на 30%. Кризис нехватки полупроводниковых устройств охватил 169 отрасли. В частности, производство смартфонов, видеокарт и автопромышленность сильно нуждаются в полупроводниках. Дефицит полупроводниковых компонентов привёл к сокращению выпуска автомобилей. Например, индийский автодилер Maruti Suzuki уменьшил объем производства на 60% из-за нехватки полупроводников.
Сложность и дороговизна производства - это главная причина дефицита полупроводников. Основой чипов в основном является кристалл, который нужно вырастить. Выращивание кристалла процесс долгий и трудоёмкий. Он возможен при наличии необходимой инфраструктуры и условий.
Одна из причин кризиса полупроводников – пандемия коронавируса, вызвавшая резкое возрастание спроса на высокоточное медицинское оборудование. Одним из комплектующих для приборов является полупроводник.
По различным прогнозам, минимальный срок для преодоления кризиса в отрасли составляет 2 года. В настоящий момент полупроводники продолжают расти в цене, а вместе с ними и различное оборудование – от игровых консолей до видеокарт для майнинга криптовалюты.
Читайте также: