Pusvadītāju ierīču elektronika

Pusvadītāju ierīce, elektroniskās shēmas sastāvdaļa, kas izgatavota no materiāla, kas nav nedz labs vadītājs, nedz labs izolators (tātad pusvadītājs). Šādas ierīces ir atradušas plašu pielietojumu to kompaktuma, uzticamības un zemo izmaksu dēļ. Kā diskrētus komponentus viņi ir atraduši pielietojumu enerģijas ierīcēs, optiskajos sensoros un gaismas izstarotājos, ieskaitot cietvielu lāzerus. Viņiem ir plašs strāvas un sprieguma apstrādes diapazons, ar dažu nanoamperu strāvas stiprumiem (^10–9ampēros) līdz vairāk nekā 5000 ampēriem un sprieguma virs 100 000 voltu. Vēl svarīgāk ir tas, ka pusvadītāju ierīces var integrēt sarežģītās, bet viegli izgatavojamās mikroelektroniskās shēmās. Tie ir un pārskatāmā nākotnē būs galvenie elementi lielākajai daļai elektronisko sistēmu, ieskaitot sakarus, patērētājus, datu apstrādes un rūpniecības vadības iekārtas.

Pusvadītāju un savienojumu principi

Pusvadītāju materiāli

Cietvielu materiālus parasti sadala trīs klasēs: izolatori, pusvadītāji un vadītāji. (Zemā temperatūrā daži vadītāji, pusvadītāji un izolatori var kļūt par supravadītājiem.) 1. attēlā parādīta vadītspēja σ (un atbilstošā pretestība ρ = 1 / σ), kas ir saistīta ar dažiem svarīgiem materiāliem katrā no trim klasēm. Izolatoriem, piemēram, kausētam kvarcam un stiklam, ir ļoti zema vadītspēja - robežās no 10 ⁻¹⁸ līdz 10 ⁻¹⁰ siemeniem uz centimetru; un vadiem, piemēram, alumīnija, ir augsts conductivities, parasti no 10 ⁴ līdz 10 ⁶ Siemens centimetrus. Pusvadītāju vadītspēja ir starp šīm galējībām.

Pusvadītāja vadītspēja parasti ir jutīga pret temperatūru, apgaismojumu, magnētiskajiem laukiem un piemaisījumu atomu minimālo daudzumu. Piemēram, pievienojot mazāk nekā 0,01 procentus noteikta veida piemaisījumu, pusvadītāja elektrisko vadītspēju var palielināt par četrām vai vairākām kārtām (ti, 10 000 reižu). Pusvadītāju vadītspējas diapazoni piecu parasto pusvadītāju piemaisījumu atomu dēļ ir parādīti 1. attēlā.

Pusvadītāju materiālu izpēte sākās 19. gadsimta sākumā. Gadu gaitā ir izpētīti daudzi pusvadītāji. Tabulā parādīta periodiskās tabulas daļa, kas saistīta ar pusvadītājiem. Elementārie pusvadītāji ir tie, kas sastāv no atsevišķām atomu sugām, piemēram, silīcija (Si), germānija (Ge) un pelēkās alvas (Sn) IV ailē un selēna (Se) un telūra (Te) VI ailē. Tomēr ir daudz saliktu pusvadītāju, kas sastāv no diviem vai vairākiem elementiem. Piemēram, gallija arsenīds (GaAs) ir binārs III-V savienojums, kas ir gallija (Ga) no III kolonnas un arsēna (As) kombinācija no V kolonnas.

Ar pusvadītājiem saistīto elementu periodiskās tabulas daļa

periods	kolonna
	II	III	IV	V	VI
2	bora B	ogleklis C	slāpekļa N
3	magnijs Mg	alumīnijs Al	silīcija Si	fosfors P	sērs S
4	cinks Zn	gallijs Ga	germānija Ge	arsēns As	selēns Se
5	kadmijs Cd	indijs In	alvas Sn	antimons Sb	telūrijs Te
6	dzīvsudrabs Hg	svina Pb

Trīskāršu savienojumi var veidoties ar elementiem no trīs dažādām kolonnām, kā, piemēram, dzīvsudraba indija telurīds (HgIn ₂ Te ₄), kas ir II-III-VI savienojums. Tos var veidot arī elementi no divām kolonnām, piemēram, alumīnija gallija arsenīds (Al _x Ga _{1 - x} As), kas ir trīskāršs III-V savienojums, kur gan Al, gan Ga ir no III kolonnas un apakšindekss x ir saistīts divu elementu sastāvam no 100 procentiem Al (x = 1) līdz 100 procentiem Ga (x = 0). Tīrs silīcijs ir vissvarīgākais materiāls integrēto shēmu izmantošanai, un III-V binārie un trīskāršie savienojumi ir vissvarīgākie gaismas izstarošanā.

Pirms bipolārā tranzistora izgudrošanas 1947. gadā pusvadītāji tika izmantoti tikai kā divu spaiļu ierīces, piemēram, taisngrieži un fotodiodes. 50. gadu sākumā germānija bija galvenais pusvadītāju materiāls. Tomēr tas izrādījās nepiemērots daudzām lietojumprogrammām, jo ​​no materiāla izgatavotām ierīcēm bija augsta noplūdes strāva tikai mēreni paaugstinātā temperatūrā. Kopš 1960. gadu sākuma silīcijs ir kļuvis par praktisku aizstājēju, kas praktiski aizvieto germāniju kā materiālu pusvadītāju ražošanai. Galvenie iemesli tam ir divējādi: (1) silīcija ierīcēm ir daudz zemākas noplūdes straumes un (2) augstas kvalitātes silīcija dioksīdu (SiO ₂), kas ir izolators, ir viegli ražot. Silīcija tehnoloģija tagad ir līdz šim vismodernākā starp visām pusvadītāju tehnoloģijām, un uz silīcija bāzes veidotās ierīces veido vairāk nekā 95 procentus no visas visā pasaulē pārdotās pusvadītāju aparatūras.

Daudziem saliktajiem pusvadītājiem piemīt elektriskās un optiskās īpašības, kuru nav silikonā. Šos pusvadītājus, īpaši gallija arsenīdu, galvenokārt izmanto ātrdarbīgiem un optoelektroniskiem lietojumiem.