O que é um semicondutor

Juntamente com os condutores de eletricidade, existem muitas substâncias na natureza que possuem condutividade elétrica significativamente menor do que os condutores metálicos. Substâncias desse tipo são chamadas de semicondutores.

Os semicondutores incluem: certos elementos químicos como selênio, silício e germânio, compostos de enxofre como sulfeto de tálio, sulfeto de cádmio, sulfeto de prata, carbonetos como carborundo, carbono (diamante), boro, estanho, fósforo, antimônio, arsênico, telúrio, iodo , e vários compostos que incluem pelo menos um dos elementos do grupo 4 — 7 do sistema Mendeleev. Existem também semicondutores orgânicos.

A natureza da condutividade elétrica do semicondutor depende do tipo de impurezas presentes no material base do semicondutor e da tecnologia de fabricação de suas partes constituintes.

Semicondutor — substância com condutividade elétrica 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 localizado por essas propriedades entre o condutor e o isolador.A diferença entre condutores, semicondutores e isolantes de acordo com a teoria das bandas é a seguinte: em semicondutores puros e isoladores eletrônicos existe uma banda de energia proibida entre a banda preenchida (valência) e a banda de condução.

Por que os semicondutores conduzem corrente

Um semicondutor tem condutividade eletrônica se os elétrons externos em seus átomos impuros estiverem relativamente fracamente ligados aos núcleos desses átomos. Se um campo elétrico for criado nesse tipo de semicondutor, então, sob a influência das forças desse campo, os elétrons externos dos átomos de impureza do semicondutor deixarão os limites de seus átomos e se tornarão elétrons livres.

Os elétrons livres criarão uma corrente de condução elétrica no semicondutor sob a influência das forças do campo elétrico. Portanto, a natureza da corrente elétrica em semicondutores eletricamente condutores é a mesma que em condutores metálicos. Mas como há muito menos elétrons livres por unidade de volume de um semicondutor do que por unidade de volume de um condutor metálico, é natural que, todas as outras condições sendo as mesmas, a corrente em um semicondutor seja muitas vezes menor do que em um metálico condutor.

Um semicondutor tem condutividade de "buraco" se os átomos de sua impureza não apenas não desistem de seus elétrons externos, mas, ao contrário, tendem a capturar os elétrons dos átomos da substância principal do semicondutor. Se um átomo de impureza tira um elétron de um átomo da substância principal, então neste último é formado uma espécie de espaço livre para um elétron - um "buraco".

Um átomo semicondutor que perdeu um elétron é chamado de "buraco de elétron" ou simplesmente "buraco".Se o "buraco" for preenchido com um elétron transferido de um átomo vizinho, ele é eliminado e o átomo se torna eletricamente neutro, e o "buraco" se move para o átomo vizinho que perdeu um elétron. Portanto, se um campo elétrico for aplicado a um semicondutor com condução «buraco», os «buracos de elétrons» se moverão na direção desse campo.

A polarização dos «buracos de elétrons» na direção da ação de um campo elétrico é semelhante ao movimento de cargas elétricas positivas em um campo e é, portanto, um fenômeno de corrente elétrica em um semicondutor.

Os semicondutores não podem ser estritamente diferenciados de acordo com o mecanismo de sua condutividade elétrica, porque junto com a condutividade "Hole", esse semicondutor pode ter condutividade eletrônica em um grau ou outro.

Os semicondutores são caracterizados por:

• tipo de condutividade (eletrônico - tipo n, tipo buraco -p);

• resistência;

• tempo de vida do portador de carga (minoria) ou comprimento de difusão, taxa de recombinação de superfície;

• densidade de deslocamento.

Veja também: Características de corrente-tensão de semicondutores O silício é o material semicondutor mais comum

A temperatura tem fatores que afetam as características dos semicondutores. Seu aumento leva principalmente a uma diminuição da resistência e vice-versa, ou seja, semicondutores são caracterizados pela presença de coeficiente de temperatura de resistência… Perto do zero absoluto, o semicondutor torna-se um isolante.

Muitos dispositivos são baseados em semicondutores. Na maioria dos casos, eles devem ser obtidos na forma de monocristais.Para dar as propriedades desejadas, os semicondutores são dopados com várias impurezas. Requisitos maiores são impostos à pureza dos materiais semicondutores de partida.

Dispositivos semicondutores

Tratamento térmico de semicondutores

Tratamento térmico de um semicondutor — aquecimento e resfriamento de um semicondutor de acordo com um determinado programa para alterar suas propriedades eletrofísicas.

Alterações: modificação do cristal, densidade de deslocamento, concentração de lacunas ou defeitos estruturais, tipo de condutividade, concentração, mobilidade e tempo de vida dos portadores de carga. Os quatro últimos, além disso, podem estar relacionados à interação de impurezas e defeitos estruturais ou à difusão de impurezas no interior dos cristais.

O aquecimento das amostras de germânio a uma temperatura >550 °C, seguido de resfriamento rápido, resulta no aparecimento de aceitadores térmicos em concentrações quanto maior a temperatura. O recozimento subsequente na mesma temperatura restaura a resistência inicial.

O provável mecanismo desse fenômeno é a dissolução do cobre na rede do germânio que se difunde da superfície ou foi previamente depositado em discordâncias. O recozimento lento faz com que o cobre se deposite em defeitos estruturais e saia da rede. O aparecimento de novos defeitos estruturais durante o resfriamento rápido também é possível. Ambos os mecanismos podem reduzir o tempo de vida, o que foi estabelecido experimentalmente.

No silício a temperaturas de 350 a 500 °, a formação de doadores térmicos ocorre em concentrações mais altas, mais oxigênio é dissolvido no silício durante o crescimento do cristal. Em temperaturas mais altas, os doadores de calor são destruídos.

O aquecimento a temperaturas na faixa de 700 a 1300 ° reduz drasticamente a vida útil dos portadores de carga minoritários (em > 1000 °, o papel decisivo é desempenhado pela difusão de impurezas da superfície). O aquecimento do silício a 1000-1300 ° afeta a absorção óptica e a dispersão da luz.

Aplicação de semicondutores

Nas tecnologias modernas, os semicondutores encontraram a aplicação mais ampla; tiveram um impacto muito forte no progresso tecnológico. Graças a eles, é possível reduzir significativamente o peso e as dimensões dos dispositivos eletrônicos. O desenvolvimento de todas as áreas da eletrônica leva à criação e aperfeiçoamento de um grande número de diversos equipamentos baseados em dispositivos semicondutores. Dispositivos semicondutores servem como base para microcélulas, micromódulos, circuitos rígidos, etc.

Dispositivos eletrônicos baseados em dispositivos semicondutores são praticamente inerciais. Um dispositivo semicondutor cuidadosamente construído e bem vedado pode durar dezenas de milhares de horas. No entanto, alguns materiais semicondutores têm um pequeno limite de temperatura (por exemplo, germânio), mas a compensação de temperatura não muito difícil ou a substituição do material base do dispositivo por outro (por exemplo, silício, carboneto de silício) elimina amplamente essa desvantagem. da tecnologia de fabricação de dispositivos semicondutores resulta em uma redução da dispersão e instabilidade de parâmetros ainda existentes.

Semicondutores em eletrônica

O contato semicondutor-metal e a junção elétron-buraco (junção n-p) criados em semicondutores são usados ​​na fabricação de diodos semicondutores.Junções duplas (p-n-p ou n-R-n) — transistores e tiristores. Esses dispositivos são usados ​​principalmente para retificar, gerar e amplificar sinais elétricos.

As propriedades fotoelétricas dos semicondutores são usadas para criar fotoresistores, fotodiodos e fototransistores. O semicondutor serve como parte ativa dos osciladores (amplificadores) de oscilações lasers semicondutores… Quando uma corrente elétrica passa pela junção pn na direção direta, os portadores de carga — elétrons e buracos — se recombinam com a emissão de fótons, que é usada para criar LEDs.

LEDs

As propriedades termoelétricas dos semicondutores possibilitaram a criação de resistências termoelétricas semicondutoras, termopares semicondutores, termopares e geradores termoelétricos e resfriamento termoelétrico de semicondutores com base no efeito Peltier, — refrigeradores termoelétricos e termoestabilizadores.

Os semicondutores são usados ​​em conversores mecânicos de calor e energia solar em elétricos — geradores termoelétricos e conversores fotoelétricos (células solares).

A tensão mecânica aplicada a um semicondutor altera sua resistência elétrica (o efeito é mais forte do que para metais), que é a base do extensômetro de semicondutor.

Os dispositivos semicondutores se difundiram na prática mundial, revolucionando a eletrônica, servindo de base para o desenvolvimento e produção de:

• equipamentos de medição, computadores,

• equipamentos para todos os tipos de comunicações e transportes,

• para automação de processos industriais,

• dispositivos de pesquisa,

• foguete,

• equipamento médico

• outros aparelhos e aparelhos eletrônicos.

A utilização de dispositivos semicondutores permite criar novos equipamentos e melhorar os antigos, o que significa que reduz o seu tamanho, peso, consumo de energia e, portanto, reduz a geração de calor no circuito, aumenta a resistência, prontidão imediata para a ação, dá você permite aumentar a vida útil e a confiabilidade dos dispositivos eletrônicos.