Применение полупроводников в лазерах
Лазеры – это устройства, которые генерируют узконаправленный и когерентный свет. Они нашли широкое применение в различных областях, включая науку, медицину, коммуникации и промышленность. Полупроводники играют важную роль в создании лазеров благодаря своим уникальным свойствам.
Структура полупроводникового лазера
Полупроводниковые лазеры состоят из полупроводникового материала, обычно галлиевого арсенида (GaAs) или галлиевого арсенида/галлиевого арсенида (GaAs/GaAs). Они имеют структуру, называемую p-n переходом, которая играет ключевую роль в генерации света.
Структура полупроводникового лазера включает в себя активный слой, который является источником света, и два слоя с разными типами проводимости – p-тип и n-тип. Между этими слоями образуется p-n переход, который создает условия для генерации света.
Процесс генерации света
Генерация света в полупроводниковом лазере происходит в результате стимулированной эмиссии. Когда электрический ток проходит через p-n переход, электроны и дырки рекомбинируют, высвобождая энергию в виде фотонов света.
Этот процесс стимулирует другие электроны и дырки в активном слое полупроводника, чтобы они также рекомбинировали и высвобождали фотоны света. Таким образом, происходит усиление света и генерация лазерного излучения.
Преимущества полупроводниковых лазеров
Полупроводниковые лазеры имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами лазеров:
- Малые размеры и компактность – полупроводниковые лазеры могут быть очень маленькими и компактными, что делает их идеальными для интеграции в мобильные устройства и другие компактные системы.
- Эффективность – полупроводниковые лазеры имеют высокую электрическую эффективность, что означает, что они потребляют меньше энергии и производят меньше тепла по сравнению с другими типами лазеров.
- Длительный срок службы – полупроводниковые лазеры имеют длительный срок службы и могут работать в течение тысяч часов без необходимости замены.
- Высокая точность и стабильность – полупроводниковые лазеры обладают высокой точностью и стабильностью излучения, что делает их идеальными для применений, требующих высокой точности и стабильности света.
Применение полупроводниковых лазеров
Полупроводниковые лазеры нашли широкое применение в различных областях:
- Медицина – полупроводниковые лазеры используются в лазерной хирургии, лечении катаракты, удалении татуировок и других медицинских процедурах.
- Коммуникации – полупроводниковые лазеры используются в оптических волоконных системах связи для передачи данных на большие расстояния.
- Наука – полупроводниковые лазеры используются в научных исследованиях, включая спектроскопию, фотохимию и физику.
- Промышленность – полупроводниковые лазеры используются в промышленности для резки, сварки, маркировки и других процессов обработки материалов.
Полупроводниковые лазеры являются важным инструментом в современной технологии и имеют широкий спектр применений. Они продолжают развиваться и улучшаться, открывая новые возможности в различных областях.
Электропроводность полупроводников
Собственными называют полупроводники, не содержащие примесей. Примесными называют полупроводники, содержащие донорные или акцепторные примеси.
Механизм образования свободных носителей зарядов в собственном полупроводнике рассмотрим на примере кремния. Атом Si имеет на внешней электронной оболочке четыре валентных электрона. Каждый атом Si, находящийся в узле кристаллической решетки, связан парно-электронными ковалентными связами с 4-мя соседними атомами (рисунок 1, а).
Рисунок 1 –Si (а) и энергетическая зонная диаграмма собственного полупроводника (б)
При Т→0 К, а также при отсутствии других энергетических воздействий все валентные электроны задействованы в образовании связей, свободные носители зарядов отсутствуют и полупроводник по величине электропроводности соответствует диэлектрикам. При температуре, отличной от 0 К, а также при других энергетических воздействиях может произойти разрыв парно-электронной связи. При этом образуется свободный электрон в зоне проводимости. Энергию, которую необходимо сообщить электрону для разрыва ковалентной связи, называют энергией активации ΔW, которая соответствует ширине запрещенной зоны. Для Si она составляет ΔW =1,12 эВ (рисунок 1, б).
Рисунок 2 – Плоская модель кристаллической решетки: полупроводника n – типа (а) (кремния Si легированного мышьяком As) и энергетическая зонная диаграмма донорного полупроводника (б)
Если в Si или As в качестве примеси ввести мышьяк As – элемент V группы таблицы Менделеева, имеющего 5 валентных электронов, то пятый электрон As в ковалентной связи не участвует. Со своим атомом он связан кулоновской силой (рисунок 2, а) .
Рисунок 3 – Плоская модель кристаллической решетки: полупроводника ртипа (а) (кремния Si, легированного алюминия Al) и энергетическая зонная диаграмма акцепторного полупроводника (б)
Примесь, имеющая валентных электронов больше, чем необходимо для завершения связей с ближайшими атомами, называют донорной, а полупроводник с такой примесью – полупроводником с электронной электропроводностью (или n-типа).
Если в полупроводник IV группы ввести примесь элемента III группы, например Al, то все три валентных электрона алюминия будут участвовать в образовании ковалентных связей. Подобную примесь называют акцепторной, а полупроводник с такой примесью – полупроводником с дырочной электропроводностью (или р-типа).
Полупроводниковые приборы и их применение
Полупроводниковый диод
Прибор, в котором используется p-n-переход, называется полупроводниковым диодом.
Электрический ток через контакт полупроводников p-n-типа:
Идет значительный ток.
Ток практически отсутствует.
Вольт-амперная характеристика p-n-перехода.
Правая часть графика соответствует прямому направлению тока, а левая – обратному.
Полупроводниковый диод используется как выпрямитель переменного тока.
Транзистор
Транзистор имеет два p-n-перехода и используется как усилитель мощности в радиоэлектронных устройствах. Транзистор состоит из двух полупроводников p-типа и одного n-типа или двух полупроводников n-типа и одного p-типа. Эти переходы делят полупроводник на три области, называемые эмиттер, база, коллектор.
Примесная проводимость полупроводников
При внесении примеси электрическая проводимость полупроводников увеличивается. Такой полупроводник обладает примесной проводимостью.
При добавлении донорной примеси (с большей валентностью) в полупроводнике образуются лишние электроны. Например, если в четырехвалентный кристалл германия добавить пятивалентный мышьяк, то четыре электрона мышьяка образуют ковалентные связи, а пятый остается свободным. Проводимость становится электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа.
При добавлении акцепторной примеси (с меньшей валентностью) в полупроводнике образуются лишние дырки. Например, если в четырехвалентный кристалл германия ввести трехвалентный индий, то одна ковалентная связь останется незавершенной. Проводимость становится дырочной, а полупроводник называют полупроводником p-типа.
Зависимость электропроводности полупроводников от воздействия внешних факторов
При Т→0 К (участок 1–2) концентрация свободных носителей заряда определяется фоновыми носителя, имеющимися в полупроводнике из-за несовершенства технологии, нарушений кристаллической структуры или неконтролируемых примесей (рисунок 4, а) При повышении температуры электроны с донорных уровней переходят в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни. Чем выше температура, тем большее число примесных атомов активировано (участок 2–3).
Когда тепловой энергии достаточно для полной активации примесей (точка 3), происходит истощение примесных уровней. Все электроны донорной примеси перейдут в зону проводимости, а все атомы акцепторной примеси захватят из валентной зоны максимально возможное количество электронов. При дальнейшем повышении температуры концентрации свободных носителей заряда остается постоянной (область 3–4), так как примесные уровни истощены, а энергия теплового поля недостаточна для активации собственных носителей заряда.
В точке 4 тепловой энергии будет достаточно для активации собственных носителей заряда в полупроводнике. Начинаются переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости, и чем выше температура, тем больше актов активации собственных носителей заряда (участок 4–5).
Рисунок 4 – Зависимость концентрации свободных носителей зарядов от температуры: Т полупроводника (а); зависимость проводимости от температуры Т полупроводника (б)
Зависимость электропроводности примесного полупроводника от обратной температуры (рисунок 4, б) имеет аналогичный характер, как на рисунке 4, а. На переходном участке (3–4) примеси истощены, а небольшое снижение электропроводности обусловлено рассеянием свободных носителей зарядов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки.
Что такое полупроводник?
Полупроводник — это материальный продукт, обычно сделанный из кремния, который проводит больше электричества, чем изолятор, такой как стекло, но меньше, чем чистый проводник, такой как медь или алюминий.
Их проводимость и другие свойства могут быть изменены путем введения примесей, называемых легированием, для удовлетворения конкретных потребностей электронного компонента, в котором они находятся.
Полупроводники, также известные как микросхемы, используются в тысячах продуктов, таких как компьютеры, смартфоны, бытовая техника, игровое оборудование и медицинское оборудование.
1.1. Электрические свойства полупроводников
К полупроводникам относятся вещества, занимающие по величине удельной
электрической проводимости промежуточное положение между металлами и
диэлектриками. Их удельная электрическая проводимость лежит в пределах
от 10-8 до 105 см/м и в отличие от металлов она
возрастает с ростом температуры.
Полупроводники представляют собой достаточно многочисленную группу
веществ. К ним относятся химические элементы: германий, кремний, бор,
углерод, фосфор, сера, мышьяк, селен, серое олово, теллур, йод, некоторые
химические соединения и многие органические вещества.
В электронике находят применение ограниченное количество полупроводниковых
материалов. Это прежде всего кремний, германий, и арсенид галлия. Ряд
веществ, таких как бор, мышьяк, фосфор используются как примеси.
Применяемые в электронике полупроводники имеют весьма совершенную кристаллическую
структуру. Их атомы размещены в пространстве в строго периодической
последовательности на постоянных расстояниях друг от друга, образуя
кристаллическую решетку. Решетка наиболее распространенных в электронике
полупроводников — германия и кремния — имеет структуру алмазного типа.
В такой решетке каждый атом вещества окружен четырьмя такими же атомами,
находящимися в вершинах правильного тетраэда.
Каждый атом, находящийся в кристаллической решетке, электрически нейтрален.
Силы, удерживающие атомы в узлах решетки, имеют квантовомеханический
характер; они возникают за счет обмена взаимодействующих атомов валентными
электронами. Подобная связь атомов носит название ковалентной связи,
для ее создания необходима пара электронов.
В германии и кремнии, являющихся четырехвалентными элементами, на наружной
оболочке имеется по четыре ковалентные связи с четырьмя ближайшими,
окружающими его атомами.
Типы полупроводников
Вообще говоря, полупроводники делятся на четыре основные категории продуктов:
Микросхемы памяти действуют как временное хранилище данных и передают информацию в мозг и обратно на компьютерные устройства. Консолидация на рынке памяти продолжается, в результате чего цены на память настолько низки, что лишь немногие гиганты, такие как Toshiba, Samsung и NEC, могут позволить себе оставаться в игре.
Это центральные процессоры, содержащие основную логику выполнения задач. Доминирование Intel в сегменте микропроцессоров вытеснило почти всех конкурентов (за исключением Advanced Micro Devices — AMD) с основного рынка в более мелкие ниши или другие сегменты в целом.
Иногда их называют «стандартными чипсами», они производятся большими партиями для ежедневной обработки. Этот сегмент, в котором доминируют очень крупные азиатские производители микросхем, предлагает скудную маржу, с которой могут конкурировать только крупнейшие полупроводниковые компании.
«Система на чипе» (SOC) — это на самом деле создание микросхемы интегральной схемы с возможностью использования всей системы. Рынок вращается вокруг растущего спроса на потребительские товары, которые сочетают в себе новые функции и более низкие цены.
Поскольку двери на рынок памяти, микропроцессоров и товарных интегральных схем плотно закрыты, сегмент SOC может быть единственным, в котором достаточно места для привлечения широкого круга компаний.
Контакт электронного и дырочного полупроводника (p-n переход)
Если полупроводник в одной своей части обладает электронной, а в другой – дырочной электропродностью, то граница между этими областями называется электронно-дырочным или (p-n) переходом.
Модели полупроводника с электронной и дырочной электропроводностью представлены на рисунке 8, где показана полупроводниковая пластина. Каждая часть пластины до контактирования электрически нейтральна, так как существует равновесие свободных и связанных зарядов. Концентрация свободных электронов в n-области больше, чем в p-области, а дырок в p-области больше, чем в n-области. В приграничной области возникает диффузионное поле Eд(рисунок 8, а), которое будет препятствовать дальнейшему перемещению зарядов. При отсутствии внешнего электрического поля образуется запирающий слой.
Если к такой системе приложить внешнее электрическое поле Е, напряжение которого совпадает с диффузионным электрическим полем Eд, то переход будет «заперт» и ток не будет протекать (рисунок 8, б).
Рисунок 8 – Принцип действия полупроводникового выпрямителя: а – идеальный переход в отсутствие внешнего напряжения; б – реальный переход заперт; в – через переход проходит прямой ток большой величины
При изменении полярности приложенного электрического поля Е оно будет направлено противоположно диффузионному электрическому полю Eд.
При этом переход будет насыщаться носителями зарядов, он «открывается» и через него будет протекать «прямой» ток (рисунок 8, в).
Виды и деление полупроводников
Названий программного обеспечения много, и для удобства они классифицируются по разным критериям. Наибольшее разделение типов полупроводников осуществляется по их составу:
Простые материалы: кристаллические химические элементы селен Se, кремний Si, германий Ge заняли свою нишу применения и используются самостоятельно, в отличие от других, в которые чаще добавляют легирующие добавки для получения композиционных печатных плат.
Этими элементами являются сурьма Sb, углерод C, теллур Te, бор B, йод I, сера S.
- Сложные полупроводниковые материалы – в них входят химические соединения в количестве 2, 3 и более элементов. ПП, состоящие из двух звеньев, называются бинарными и выделяют компонент, металлические свойства которого менее выражены: сульфиды, при наличии серы, теллуриды (Te), арсениды (As), карбиды , селениды (Se).
- Оксиды металлов — вольфрама, кадмия, титана, меди, молибдена и др. к этой группе относятся составы, изготовленные на основе титаната бария, цинка и других неживых соединений с небольшими добавками.
- Органические полупроводники представляют собой красители или природные пигменты в виде аморфных и кристаллических порошков, пленок.
Транзисторы состоят из 3 ПП: 2 имеют одинаковую способность пропускать ток, а третий имеет проводимость с противоположным значением. Элементы устройства называются базой, коллектором и эмиттером. Они используются в качестве усилителей электрических сигналов.
Тиристоры являются преобразователями тока движения. Они отличаются от транзисторов своим назначением: они не могут изменять ток: их функция заключается в переключении проводимости на высокую или низкую.
Термоэлектрические явления в полупроводниках
К термоэлектрическим явлениям, то есть к явлениям, связанным со взаимным превращением тепловой энергии и энергии электрического поля в проводниках и полупроводниках, относятся три эффекта: эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона.
Эффект Зеебека. В замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников, места соединения которых находятся при различных температурах ∆T≠0, возникает электрический ток, который называется термоэлектрическим. На концах такой разомкнутой цепи появляется разность потенциалов Uт, которая носит название термоЭДС. Величина этой разности потенциалов характеризуется коэффициентом α.
(6)
где, α – коэффициент термоЭДС, который зависит от материалов термопары и интервала температур.
Рисунок 5 – Принципиальная схема последовательно соединенных спаев
Эффект Пельтье: при прохождении тока через контакт двух последовательно соединенных разнородных полупроводников место соединения нагревается или охлаждается в зависимости от направления тока.
Количество теплоты:
(7)
где П – коэффициент Пельтье;
I – величина тока, протекающего через контакт; t – время прохождения тока;
Томсон установил связь: α = П/Т.
Эффект Томсона: при прохождении тока через полупроводник, вдоль которого есть градиент температуры, в дополнении к теплоте Джоуля, в зависимости от направления тока, выделяется или поглощается некоторое количество тепла.
Теплота Томсона:
(8)
где τ − коэффициент Томсона.
Между всеми термоэлектрическими явлениями существует связь.
(9)
Терморезистор – полупроводниковый прибор, действие которого основано на зависимости электрического сопротивления от температуры.
Терморезисторы:
- кобальто-марганцевые;
- медно-марганцевые;
- медно-кобальто-марганцевые.
Варистор – полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании зависимости электропроводности (сопротивления) n/n от напряженности электрического поля. В качестве материалов для изготовления варисторов используют карбид кремния, селен.
ЕКР – критическая напряженность электрического поля: минимальная напряженность, при которой начинается сильная зависимость концентрации и подвижности свободных носителей зарядов от Е. Закон Френкеля:
Рисунок 6 – Зависимость электропроводности полупроводника от напряженности приложенного напряжения: (участок 1–2) выполнение закона Ома; (участок 2–3) увеличение концентрации свободных носителей заряда под действием внешнего электрического поля.
(10)
(11)
Гальваномагнитный эффект Холла. Если пластину полупроводника, вдоль которой течёт электрический ток I, поместить в магнитное поле B, направленное перпендикулярно направлению тока, то в полупроводнике возникнет поперечное электрическое поле Е, направленное перпендикулярно току и магнитному полю.
Рисунок 7 – Схема возникновения ЭДС Холла UХ
(12)
Для полупроводника n-типа:
(13)
Для полупроводника p-типа:
(14)
Для собственного полупроводника:
(15)
Презентация на тему: » Электрофизические свойства полупроводников Лектор – профессор кафедры Электроника Абдуллаев Ахмед Маллаевич Кафедра находится в комнате 323. Лекция 1.» — Транскрипт:
1
Электрофизические свойства полупроводников Лектор – профессор кафедры Электроника Абдуллаев Ахмед Маллаевич Кафедра находится в комнате 323. Лекция 1
2
Удельная электропроводность полупроводников Полупроводниковые материалы используют во всех случаях, когда необходима управляемая напряжением, температурой, освещенностью или другими факторами проводимость или электропроводность. Электропроводность, т.е. способность проводить электрический ток под воздействием постоянного электрического напряжения, является главным свойством вещества по отношению к электрическому полю. Основным количественным параметром электропроводности вещества является удельная электропроводность. 2
3
Удельная электропроводность полупроводников Удельная электропроводность σ — это величина, определяемая дифференциальной формой закона Ома (1.1) где — вектор плотности тока, — вектор напряженности поля. Электропроводность осуществляется свободными носителями заряда (СНЗ), которые могут перемещаться под действием электрического поля сколь угодно малой величины или градиента концентрации. 3
4
Элементы зонной теории твердого тела Свойства полупроводников, как и других тел, с регулярной кристаллической структурой (монокристаллы) описываются с помощью зонной теории твердого тела. Зонная энергетическая диаграмма твердого тела. 4
5
Равновесная концентрация свободных носителей заряда При температуре отличной от абсолютного (0 К) нуля в кристалле полупроводника происходит тепловая генерация и рекомбинация электронно– дырочных пар, а также ионизация примесных атомов и нейтрализация ионов. В собственном полупроводнике концентрации электронов и дырок одинаковы: (1.2) 5
6
Равновесная концентрация свободных носителей заряда Используя справочные значения,, W g, получим при T=300К (комнатная температура) следующие величины: в германии n i =p i =1, см -3, в кремнии n i =p i = 0, см -3, в арсениде галлия n i =p i = 1, см -3. 6
7
Равновесная концентрация свободных носителей заряда В донорном полупроводнике (n — типа) концентрации электронов и дырок неодинаковы: концентрация электронов (основные СНЗ) (1.3) концентрация дырок (неосновные СНЗ) (1.4) 7
8
Равновесная концентрация свободных носителей заряда В акцепторном полупроводнике (p — типа) концентрации электронов и дырок неодинаковы: концентрация дырок (основные СНЗ) (1.5) концентрация электронов (неосновные СНЗ) (1.6) 8
9
Равновесная концентрация свободных носителей заряда Пример Концентрация донорной примеси в кремнии N d =10 16 см -3, n i =0, см -3. Концентрация электронов (основных носителей) по формуле (1.3) n nN d = см -3, Концентрация дырок (неосновных носителей) по формуле (1.4) p n =6,210 3 см -3. 9
10
Спасибо за внимание! 10
Механизм электрической проводимости
Проводимость таких материалов, как полупроводники, отличается от проводимости обычных проводников. Основным условием возникновения тока в материалах является наличие достаточного количества свободных электронов.
Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон в ядре связан с двумя соседними атомами.
Электроны веществ участвуют в переносе заряда, когда получают некоторую энергию. Энергетическая работа для полупроводников составляет порядка единиц электрон-вольт (эВ). Для проводников эта величина меньше, для диэлектриков соответственно больше.
Дырка
Важной особенностью рассматриваемых материалов является то, что они могут иметь особый тип проводимости — дырочный. В электронной оболочке атома в момент отрыва и вылета электрона образуется свободное место, которое принято называть дыркой
Следовательно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.
Энергетические зоны
Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов в оболочке атома. Таких зон три:
- Кабельные стяжки;
- Запретная зона;
- Зона Валанса.
Название запретной зоны говорит о том, что в ней не может находиться электрон. Следовательно, для возникновения тока электрон должен перейти в зону проводимости из устойчивой валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем ближе свойства материала к диэлектрикам.
Подвижность
При воздействии электрического поля начинается движение носителей заряда в материалах. В данном случае это электроны и дырки. Связь между скоростью движения и величиной электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Увеличение числа взаимных столкновений является причиной уменьшения подвижности с ростом концентрации.
Электронно-дырочный переход
Полупроводник имеет два вида электропроводности — электронную и дырочную. В чистых полупроводниках (без примесей) концентрация дырок и электронов (ND и NE соответственно) одинакова. По этой причине такая электропроводность называется собственной. Суммарное значение тока будет равно:
Я = ИЭ + Я Д.
Однако если принять во внимание тот факт, что электроны имеют большую величину подвижности, чем дырки, то можно прийти к следующему неравенству:
ИЕ>Я Д.
Подвижность заряда обозначается буквой М, это одно из основных свойств полупроводников. Мобильность – это взаимосвязь между двумя параметрами. Первая — скорость движения носителя заряда (обозначается буквой В с индексом «Е» или «Д» в зависимости от типа носителя), вторая — напряженность электрического поля (обозначается буквой Е) . Его можно выразить в виде формул:
МЭ = (ВЭ/Э).
МД = (ВД/Э).
Подвижность позволяет определить путь, который проходит дырка или электрон за одну секунду, при значении напряжения 1 В/см теперь можно рассчитать собственный ток полупроводникового материала:
I = N*e*(ME+MD)*E.
Но следует отметить, что у нас есть сходство:
ВЭ = МЭ.
Н = НЭ = Н Д.
Буква ei в формуле указывает на заряд электрона (это постоянная величина).
1.3. Электронно-дырочный переход
При легировании одной области полупроводника акцепторной примесью,
а другой области — донорной, возникает тонкий переходный слой, обладающий
особыми свойствами. В этом слое, в результате диффузии носители заряда
перемещаются оттуда, где их концентрация больше, туда, где их концентрация
меньше. Таким образом, из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа
диффундируют дырки, а из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа
диффундируют электроны. При этом, они объединяются с имеющимися в соседних
областях основными носителями противоположного знака — рекомбинируют.
В этом случае, у границы переходного слоя возникает область обедненная
подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким сопротивлением
— p-n переход. Неподвижные ионы, остающиеся по обе стороны граничного
слоя создают одинаковые по значению, но разные по знаку пространственные
объемные заряды: в p-слое — отрицательный, а в n-слое — положительный.
Этот двойной электрический слой создает электрическое поле, которое
препятствует дальнейшему проникновению носителей заряда и возникает
состояние равновесия (рис. 1.2). При подключении источника тока так,
что к области p-проводимости присоединен отрицательный полюс источника,
а к области n-проводимости — положительный полюс возникает поле, под
влиянием которого электроны и дырки будут в большом количестве соответственно
отталкиваться в глубь полупроводников (рис. 1.3).
P-n переход увеличится, его сопротивление возрастет и в цепи полупроводникового
диода электрического тока практически не будет. Однако незначительному
количеству неосновных носителей зарядов (положительных) из n-области
и (отрицательных) из p-области, имеющих большие скорости, удастся проскочить
p-n-переход, и в цепи будет протекать весьма небольшой ток, называемый
обратным током.
Двойной электрический слой аналогичен конденсатору, в котором роль
диэлектрика играет запирающий слой, имеющий значительное сопротивление.
Емкость p-n-перехода, возникающая в этом случае носит название барьерной.
Эта емкость оказывается нелинейно зависящей от обратного запирающего
напряжения. С ростом обратного напряжения толщина запирающего слоя увеличивается,
а емкость — уменьшается (рис.1.4).
При изменении полярности источника, подключенного к диоду, электроны
n-области и дырки p-области будут взаимно притягиваться и перемещаться
к границе этих полупроводников. P-n переход сужается, его сопротивление
резко уменьшается, и создаются условия для перехода большого количества
электронов из n-области в p-область, а следовательно, для перехода дырок
в противоположном направлении. При таком включении полупроводникового
диода в цепи появится значительный электрический ток, носящий название
прямого тока.
Сила прямого тока в полупроводниках нелинейно зависит от величины
приложенного к ним напряжения.
Из описания процесса, происходящего на границе двух полупроводников
с различной по знаку проводимостью, следует, что они обладают, как и
электронная лампа- диод, односторонней проводимостью. Это значит, что
при направлении электрического поля, создаваемого приложенным к полупроводникам
прямым напряжением , диод пропускает ток и сопротивление его мало, а
при обратном направлении этого поля , создаваемого приложенным к полупроводникам
обратным напряжением, сопротивление диода велико, а ток в его цепи весьма
мал.
На риc .1.5 показана типичная нелинейная характеристика диода. Вольтамперная
характеристика диода описывается соотношением
, где I — обратный ток p-n перехода, U приложенное напряжение,
j — температурный потенциал, при 300К j =26мВ . Для большей наглядности
кривая прямого тока (правая часть графика) и кривая обратного тока (левая
часть графика) построены в различных масштабах. Похожими свойствами
обладает и контакт полупроводника с металлом, использующийся в диодах
Шотки.
Риски цикличности
Удивительно, но цикличность отрасли может утешить инвесторов. В некоторых других технологических секторах, таких как телекоммуникационное оборудование, никогда нельзя быть полностью уверенным, является ли состояние циклическим или постоянным. Напротив, инвесторы могут быть почти уверены, что в какой-то момент в не столь отдаленном будущем рынок изменится.
Цикличность обеспечивает определенный комфорт, но также создает риски для инвесторов. Производители чипов должны регулярно участвовать в азартных играх с высокими ставками.
Большой риск заключается в том, что после крупного проекта разработки компаниям может потребоваться много месяцев или даже лет, чтобы выяснить, сорвали ли они джекпот или сорвали все подряд. Одной из причин задержки является переплетенная, но фрагментированная структура отрасли, в которой различные сектора достигают своего пика и достигают дна в разное время.
Например, нижняя точка для литейных заводов часто наступает гораздо раньше, чем для разработчиков микросхем. Другая причина — длительные сроки выполнения заказов в отрасли: на разработку чипа или создание литейного цеха уходят годы, и еще больше времени уходит на то, чтобы продукты принесли прибыль.
Компании, производящие полупроводники, сталкиваются с классической загадкой: технология движет рынком или технология движет рынком? Инвесторы должны понимать, что оба случая применимы к полупроводниковой промышленности.
Основные особенности полупроводников
Показатель проводимости составляет примерно 1000 Ом*м (при температуре 180 градусов). По сравнению с металлами полупроводники имеют снижение проводимости с повышением температуры. Этим же свойством обладают и диэлектрики. Полупроводниковые материалы имеют достаточно сильную зависимость показателя проводимости от количества и вида примесей.
Например, если в чистый германий ввести только одну тысячную часть мышьяка, проводимость увеличится примерно в 10 раз. Все без исключения полупроводники чувствительны к внешним воздействиям — ядерному излучению, свету, электромагнитным полям, давлению и т д.
Примерами полупроводниковых материалов являются сурьма, кремний, германий, теллур, фосфор, углерод, мышьяк, йод, бор, а также в виде различных соединений этих веществ.