Компоненты из полупроводников являются основными элементами современной электроники. Без них невозможно представить ни компьютеры, ни смартфоны, ни солнечные электростанции, ни системы автоматизации. Но что же такое полупроводник? И почему этот материал так важен для современных технологий? В этой статье обобщена важнейшая информация о полупроводниках.
Содержание
1. Что такое полупроводник?
2. Сферы применения полупроводников и их компонентов
3. Различия между проводниками, полупроводниками и изоляторами
4. Что такое легирование?
5. Какие существуют полупроводниковые материалы?
6. Полупроводниковые элементы: от материала к функции
7. Будущие тенденции и инновации
8. Полупроводники – технология будущего
Что такое полупроводник?
Полупроводники – это материалы, электрическая проводимость которых лежит между проводниками и изоляторами и может целенаправленно изменяться. Например, путем модификации структуры материала – так называемого легирования – проводимость полупроводников можно точно настроить. Таким образом создаются такие компоненты, как диоды, транзисторы или интегральные схемы, составляющие основу большинства электронных устройств.
Сферы применения полупроводников и их компонентов
Полупроводниковые элементы используются почти во всех областях современных технологий. В бытовой электронике они управляют потоком данных в компьютерах, смартфонах или телевизорах. В промышленности являются ключевыми элементами систем управления, сенсорики и силовой электроники, например, в робототехнике или решениях для автоматизации. В автомобилестроении полупроводники также незаменимы: они регулируют работу двигателя, поддерживают системы помощи водителю и обеспечивают распределение энергии в электромобилях. В энергетике они используются в инверторах для солнечных установок, сетевой инфраструктуре и зарядных станциях. Даже в медицинской технике, авиации и телекоммуникациях полупроводники выполняют жизненно важные функции – везде, где требуется компактное, эффективное и точное управление электронными процессами.
Отличия: проводники – полупроводники – изоляторы
Независимо от того, речь идет о простом диоде или сложном микрочипе, именно физические свойства полупроводников определяют работу большинства электронных компонентов.
Проводники
Это материалы с высокой электропроводностью. Пример – медь. В таких материалах валентная и зона проводимости перекрываются, поэтому свободные электроны могут беспрепятственно двигаться. Проводники используются в изготовлении электрических кабелей, дорожек на платах и контактах.
Полупроводники
Полупроводники имеют среднюю или управляемую проводимость. Между валентной зоной и зоной проводимости существует небольшая запретная зона (энергетическая щель). Благодаря внешнему воздействию, например легированию, электроны могут переходить в зону проводимости и создавать ток. Самый известный полупроводниковый материал – кремний. Именно он, а также другие материалы (о них ниже) используются для изготовления транзисторов, диодов, интегральных схем и других компонентов.
Изоляторы
Эти материалы практически не производят электрический ток. Они имеют широкую запретную зону, поэтому электроны остаются связанными в валентной зоне. Примеры изоляторов: стекло, керамика, пластик. Такие материалы используются для изоляции, корпусов либо защитных покрытий.
Диаграмма показывает разные размеры запрещенных зон (энергетических щелей) для проводников, полупроводников и изоляторов.
Что такое легирование?
Мы уже выяснили, что электропроводность полупроводника можно изменять, например, повышением температуры или под действием света. Однако еще более важным фактором является так называемое легирование. При легировании в кристаллическую решетку полупроводникового материала вводят посторонние атомы (примеси).
Цель: поменять электронные характеристики кристаллической структуры. Чем выше уровень легирования, тем больше электропроводность материала. В некоторых случаях полупроводник может даже приобретать свойства проводника — тогда его называют дегерированным полупроводником.
Какие существуют полупроводниковые материалы?
Не все полупроводники одинаковы. В зависимости от сферы применения к ним предъявляются различные требования по электропроводности, температурной стабильности, скорости переключения или механической прочности. Соответственно, существует большое разнообразие полупроводниковых материалов. Кроме широко используемого кремния применяют также специализированные соединения — особенно в высокочастотной технике и силовой электронике.
Основные полупроводниковые материалы
Кремний (Si)
Кремний представляет собой стандартный материал в полупроводниковой промышленности. Он обладает высокой теплопроводностью, совместим с технологией CMOS, относительно дешев и прост в производстве. Именно благодаря этим свойствам кремний является основой большинства современных микросхем.
Германий (Ge)
Ранее германий являлся распространенным материалом в полупроводниковых устройствах, сегодня его применяют преимущественно в специализированных отраслях. Особенно эффективно германий работает в инфракрасном диапазоне, обеспечивая высокую пропускную способность света. При низких температурах он превосходит кремний, но при высоких – может терять стабильность. Кроме того, германий более дорог и встречается реже, чем кремний.
Арсенид галлия (GaAs)
Этот материал значительно эффективнее кремния в высокочастотной и высокомощной электронике благодаря более высокой подвижности электронов. Результат – более быстрое переключение, лучшая термостойкость и возможность работы с высокими частотами. Арсенид галлия широко используется в солнечных элементах и оптоэлектронных устройствах, поскольку очень эффективно превращает свет в электроэнергию.
Карбид кремния (SiC)
По сравнению с обычным кремнием, SiC обладает значительно лучшими характеристиками по эффективности и плотности мощности. Однако эти преимущества имеют свою цену – производство SiC гораздо дороже. Этот материал используется в передовых технологиях будущего: силовой электронике, электромобильности, промышленности 4.0, авиационной и космической технике, а также энергетике.
Нитрид галлия (GaN)
GaN также превосходит кремний в производительности, особенно в высокомощных применениях. Среди его преимуществ – меньшие энергетические потери, более высокая скорость переключения, большая плотность мощности и лучшая теплопроводность. Эти характеристики делают GaN безупречным материалом для инфраструктуры 5G и технологий возобновляемой энергетики. Однако есть и недостатки: производство крупных кристаллов GaN без дефектов сложно, легирование также непростое. Кроме того, GaN обладает более низкой напряжением (элементы рассчитаны только до 600 В) и чувствительны к перенапряжению.
Полупроводниковые компоненты: от материала до функции
Техническая значимость полупроводников проявляется только тогда, когда они используются в пассивных и активных электронных компонентах. Именно они формируют сердце современной электроники – от простой выпрямительной схемы до сложных систем обработки данных. Ниже представлен обзор основных полупроводниковых элементов и сфер их применения.
Диод
Диод пропускает ток только в одном направлении. В режиме пропускания он производит электрический ток, а в режиме блокировки препятствует его прохождению.
Использование: выпрямление тока в блоках питания, защита от переполюсовки, обработка сигналов.
Транзистор
Транзистор работает в качестве электронного переключателя или усилителя. В зависимости от приложенного напряжения он либо пропускает ток, либо блокирует его, обеспечивая тем самым управление электрическими процессами.
Применение: усилители, ключевые элементы в процессорах, системы управления двигателями, импульсные источники питания.
Интегральные схемы (ИС)
Интегральная схема сочетает в себе множество элементов – транзисторов, диодов, конденсаторов и резисторов – на одном кристалле (чипе). К разновидностям ИС относятся логические схемы, микропроцессоры, памятные модули и т.д.
Применение: выполнение вычислений, обработка данных, управление процессами во многих видах электронных устройств.
Будущие тенденции и инновации
Полупроводниковая отрасль постоянно развивается. Новые материалы, технологии производства и рыночные требования непрерывно стимулируют прогресс. В то же время, глобальные вызовы ставят перед индустрией новые задачи. Одной из ключевых тем, определяющих направление развития, являются квантовые полупроводники.
Современные, ориентированные на будущее применение, требуют решений с более высокой производительностью и энергоэффективностью. Ключом к этому является сочетание квантовой физики и полупроводниковых технологий — квантовые полупроводники. Они лежат в основе квантовых компьютеров, обещающих беспрецедентный скачок в быстродействии и вычислительных возможностях.
Эта технология уже сейчас влияет на важнейшие сферы – от медицинской техники до климатических исследований. Также в областях оптоэлектроники и сенсорики квантовые полупроводники влекут существенные изменения, формируя новые стандарты и подходы.
Полупроводники – технология будущего
Тем, кто стремится разрабатывать, понимать или совершенствовать электронные системы, необходимо обладать основательными знаниями о полупроводниках. Их уникальные свойства, возможность целенаправленной модификации через легирование и очень широкий круг применений делают полупроводники ключевыми компонентами современной техники — от бытовой электроники до промышленной автоматизации и энергетики.
И кто знает, возможно, именно квантовые полупроводники откроют следующий большой этап в развитии технологий.
Источник: buerklin
Войдите или зарегистрируйтесь