Elektronika polprevodniških naprav

Polprevodniška naprava, sestavni del elektronskega vezja iz materiala, ki ni dober prevodnik niti dober izolator (torej polprevodnik). Takšne naprave so našle široko uporabo zaradi svoje kompaktnosti, zanesljivosti in nizkih stroškov. Kot diskretne komponente so našle uporabo v napajalnih napravah, optičnih senzorjih in oddajnikih svetlobe, vključno s trdnimi laserji. Imajo široko paleto zmogljivosti tokokroga in napetosti, s trenutnimi močmi od nekaj nanoamperov (10 ⁻⁹amper) do več kot 5.000 amperov in napetostne vrednosti nad 100.000 voltov. Še pomembneje je, da se polprevodniške naprave podvržejo vključevanju v zapletena, a zlahka izdelana mikroelektronska vezja. So in bodo v bližnji prihodnosti ključni elementi večine elektronskih sistemov, vključno s komunikacijsko, potrošniško, obdelavo podatkov in industrijsko nadzorno opremo.

Načela polprevodnikov in stikal

Polprevodniški materiali

Trdni materiali so običajno razvrščeni v tri razrede: izolatorje, polprevodnike in prevodnike. (Pri nizkih temperaturah lahko nekateri prevodniki, polprevodniki in izolatorji postanejo superprevodniki.) Slika 1 prikazuje prevodnost σ (in ustrezne upornosti ρ = ​​1 / σ), ki sta v vsakem od treh razredov povezana z nekaterimi pomembnimi materiali. Izolatorji, kot sta kremen in steklo, imajo zelo nizko prevodnost, in sicer od 10 do ¹⁸ do ^10-10 siemensov na centimeter; in prevodniki, kot je aluminij, imajo visoko prevodnost, običajno od 10 ⁴ do 10 ⁶ siemensov na centimeter. Prevodnost polprevodnikov je med temi skrajnostmi.

Vodljivost polprevodnika je na splošno občutljiva na temperaturo, osvetlitev, magnetna polja in minuto količine nečistoč. Na primer, dodajanje manj kot 0,01 odstotka določene vrste nečistoč lahko poveča električno prevodnost polprevodnika za štiri ali več zaporedja (tj. 10.000-krat). Razpon polprevodniške prevodnosti zaradi nečistoč atomov za pet običajnih polprevodnikov je prikazan na sliki 1.

Preučevanje polprevodniških materialov se je začelo v začetku 19. stoletja. Z leti so preiskovali veliko polprevodnikov. Tabela prikazuje del periodične tabele, ki se nanaša na polprevodnike. Elementarni polprevodniki so sestavljeni iz posameznih vrst atomov, kot so silicij (Si), germanij (Ge) in sivi kositer (Sn) v stolpcu IV ter selen (Se) in telur (Te) v stolpcu VI. Obstajajo pa številni sestavljeni polprevodniki, ki so sestavljeni iz dveh ali več elementov. Na primer, galijev arsenid (GaAs) je binarna III-V spojina, ki je kombinacija galija (Ga) iz stolpca III in arzena (As) iz stolpca V.

Del periodične tabele elementov, povezanih s polprevodniki

obdobje	stolpec
	II	III	IV	V	VI
2	bor B	ogljik C	dušik N
3	magnezija Mg	aluminij Al	silicij Si	fosfor P	žveplo S
4	cink Zn	galija Ga	germanij Ge	arzen As	selen Se
5	kadmij Cd	indij v	kositer Sn	antimon Sb	teluri Te
6	živo srebro Hg	svinca Pb

Ternarne spojine lahko tvorijo elementi iz treh različnih stolpcev, na primer živosrebrni indijev telurid (HgIn ₂ Te ₄), spojina II-III-VI. Lahko jih tvorijo tudi elementi iz dveh stolpcev, kot je aluminijev galijev arzenid (Al _x Ga _{1 - x} As), ki je trikomponentna spojina III-V, kjer sta tako Al kot Ga iz stolpca III, in podpisni znak x je povezan na sestavo obeh elementov od 100 odstotkov Al (x = 1) do 100 odstotkov Ga (x = 0). Čisti silicij je najpomembnejši material za uporabo integriranega vezja, III-V dvokomponentne in trikomponentne spojine pa so najpomembnejše za oddajanje svetlobe.

Pred izumom bipolarnega tranzistorja leta 1947 smo polprevodnike uporabljali le kot dvokanalne naprave, kot so usmerniki in fotodiodi. V zgodnjih petdesetih letih je bil germanij glavni polprevodniški material. Vendar pa se je izkazalo za neprimerno za številne aplikacije, saj so naprave, narejene iz materiala, imele visok tok puščanja pri le zmerno povišani temperaturi. Od zgodnjih šestdesetih let prejšnjega stoletja je silicij postal praktičen nadomestek, ki je praktično izpodrinil germanij kot material za izdelavo polprevodnikov. Glavni razlogi za to so dvojni: (1) silicijeve naprave kažejo veliko nižje tokove puščanja in (2) visokokakovostni silicijev dioksid (SiO ₂), ki je izolator, je enostavno izdelati. Silicijeva tehnologija je danes daleč najbolj napredna med vsemi polprevodniškimi tehnologijami, naprave na osnovi silicija pa predstavljajo več kot 95 odstotkov vse polprevodniške strojne opreme, prodane po vsem svetu.

Številni sestavljeni polprevodniki imajo električne in optične lastnosti, ki jih v siliciju ni. Ti polprevodniki, zlasti galijev arzenid, se uporabljajo predvsem za hitro in optoelektronsko uporabo.