Полупроводник — это материал, электропроводность которого при комнатной температуре находится между проводниками и изоляторами. Электропроводность полупроводников может изменяться путем легирования, концентрация и полярность примесей, вводимых в основной полупроводник, существенно влияют на его электропроводные свойства. В полупроводниках с доминирующими примесями (донорными) основными носителями тока являются электроны из зон проводимости, а в полупроводниках с примесями-акцепторами (акцепторными) ток передаётся через дырки.
Открытие полупроводниковых материалов восходит к XIX веку. В 1833 году британский учёный Майкл Фарадей впервые обнаружил характерное для серебряного сульфидного полупроводника явление электропроводности, которое отличалось от обычных металлов: при повышении температуры сопротивление уменьшалось. В 1911 году термин «полупроводник» впервые был использован Конибелгом и Виссом. В начале XX века, несмотря на ограниченное понимание полупроводников, активно продолжались исследования их применения. В 1950-х годах, чтобы улучшить характеристики транзисторов и повысить их стабильность, быстро развивались технологии производства полупроводников. С 1980-х годов исследование материалов квантовых линий и полупроводниковых квантовых приборов стало горячей темой в области материаловедения, что вызвало волну интереса к нанотехнологиям на международном уровне. После 1990-х годов, с быстрым развитием связи, начали появляться полупроводниковые материалы второго поколения. В начале XXI века стали проявляться полупроводниковые материалы третьего поколения, такие как SiC, GaN, алмаз и другие.
К распространённым полупроводниковым материалам относятся кремний, германий, галлий arsenide и другие. По химическому составу полупроводники делятся на два основных типа: элементные и соединения. В зависимости от примесей, которые вводятся в материал, они могут быть N-типом или P-типом.
Свойства полупроводников включают оптические и транспортные свойства [21]. Полупроводники находят применение в интегральных схемах, потребительской электронике, системах связи, фотоэлектрических генераторах, освещении, преобразователях высокой мощности и других областях. Например, диод — это базовый прибор, изготовленный из полупроводника.[3] В 1879 году американский физик Холл открыл эффект Холла. Эффект Холла — это физическое явление, при котором на тонких пленках возникает поперечное электрическое напряжение, когда магнитное поле воздействует на носители заряда в проводнике или полупроводнике. [18]
Ранний период развития
В начале XX века физическая революция (теория относительности и квантовая механика) позволила понять свойства микромира (атомов и молекул), а затем эти новые теории успешно были применены в новых областях (включая полупроводники). Теория зоны запрещённых энергий заслужила прочную теоретическую основу для технологии полупроводников, а прогресс в технологиях выращивания материалов заложил материальную основу для полупроводниковой техники (полупроводниковые материалы требуют чистых матричных материалов и очень точного уровня легирования). [11] В 1906 году Дэн Уди изобрёл детектор из карбида кремния, что положило начало применению полупроводников в радиотехнике. Затем было обнаружено, что такие материалы, как кремний, сфалерит, медно-цинковый минерал, бисфалерит, могут использоваться в качестве детекторов. [20] Название «полупроводник» впервые было использовано Кони Байгом и Виссом в 1911 году. [3]
В начале XX века учёные провели обширные исследования полупроводниковых материалов. В то время образцы, используемые в исследованиях, в основном представляли собой сульфиды и оксиды, и были созданы выпрямители из оксида меди (Cu₂O), фотоэлементы из селена (Se) и другие устройства. Развитие теории квантовых систем в твёрдых телах позволило людям в этот период использовать полупроводниковые материалы, полученные непосредственно из природы или из промышленных стандартных продуктов, без специального очистки и кристаллизации. [20] В 1931 году Ленц и Бергман разработали солнечный фотоэлемент из селена. В 1932 году в Германии были успешно созданы полупроводниковые инфракрасные детекторы из сульфида свинца, селенида свинца и теллурида свинца, которые во время Второй мировой войны использовались для обнаружения самолётов и кораблей. Во время войны союзники также добились значительных успехов в исследованиях полупроводников: например, в Великобритании с помощью инфракрасных детекторов неоднократно обнаруживали немецкие самолёты. [19]
Дальнейшее развитие
В 1948 году Дж. Бардин, У.Х. Блатен и У.Б. Шао-Лей создали транзистор, что вызвало революцию в современной электронике и способствовало стремительному развитию исследований в области физики, материаловедения и устройств на основе полупроводников. В последующие десятилетия микроэлектроника полупроводников и фотонная электроника полупроводников стали важной технологической базой современного общества, вызвав информационную революцию по всему миру и оказав глубокое влияние на развитие человеческой цивилизации. [21]
В 1954 году была предложена теория эффективной массы полупроводников, что стало значительным достижением в теории полупроводников. Она количественно описывает тонкую структуру зон энергий вблизи границы между зонами проводимости и запрещёнными, даёт теоретические методы исследования уровней примесей (доноров и акцепторов), экситонных уровней, магнитных уровней и других в полупроводниках, способствуя развитию экспериментальных исследований, таких как кольцевая резонансная спектроскопия, магнитно-оптическая абсорбция, поглощение свободных носителей заряда, спектроскопия экситонов. [21] В 1958 году появились интегральные схемы. В 1959 году была предложена концепция псевдопотенциала, что значительно упростило расчёты зон энергий твёрдого тела. Используя свойство ортогональности между состояниями валентных электронов и ядерных состояниях атома, можно заменить реальный потенциал атома на псевдопотенциал, получив уравнение, удовлетворяемое состояниями валентных электронов в твёрдом теле. С помощью метода псевдопотенциала удалось получить достаточно точную структуру зон энергий практически всех полупроводников. В 1962 году был изобретён лазер на основе полупроводников. [21] В 1968 году были созданы MOS-устройства на основе полупроводников (металл-оксид-полупроводник) и осуществлена крупномасштабная промышленная производство интегральных схем. [21]1970 году появилась технология анализа поверхностной энергии с помощью сверхвысокого вакуума, что положило начало исследованиям физики поверхностей и границ раздела полупроводников, включая такие вопросы, как 7×7-поверхностная реконструкция на поверхности кремния, причины формирования Шоттки-барьеров на границах раздела между металлами и III-V-композитами, свойства границ раздела CoSi/кремний и металла/кремния, а также захват энергий Ферми. В начале 1970-х годов Рёко Кадзаки и Р. Чжу впервые предложили новую концепцию сверхрешётки полупроводников, основываясь на идеи о контроле распределения потенциала электронов и волновых функций в полупроводниках. Одновременно Чжо Ихэ из Белл-лабораторий США разработал технологию молекулярно-лучевой эпитаксии. Удачное сочетание новых идей и технологий привело к созданию первой сверхрешётки типа AlyGa1-xAs/GaAs с согласующимися решётками, что ознаменовало начало нового этапа искусственного проектирования в области полупроводниковых материалов. В 1978 году Р. Динджерл и его коллеги исследовали двумерный электронный газ в гетероструктурах, транспортирующийся параллельно границе раздела, и обнаружили явление усиления электронной подвижности. В последующие годы благодаря усовершенствованию технологий подвижность двумерного электронного газа увеличилась почти на три порядка, что привело к появлению транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT) и создало условия для открытия эффекта квантового Холла.
В 1980 году немецкий учёный К. фон Кригинг обнаружил целочисленный эффект Холла, а в 1982 году Цуй Ци и другие исследователи в гетероструктуре AlGa1-y/GaAs с очень высокой подвижностью электронов обнаружили дробочный эффект Холла — важное открытие в физике полупроводников, каждое из которых получило Нобелевскую премию по физике. Благодаря ограничительному эффекту сверхрешёток и квантовых ям, в 1984 году Д.А.Б. Миллер и его коллеги наблюдали красное смещение энергии пиков поглощения экситонов в квантовых ямах при изменении интенсивности электрического поля, а также оптические нелинейные эффекты, вызванные изменениями коэффициента поглощения или показателя преломления, что послужило важной основой для разработки следующего поколения оптических бистабильных устройств.
В 1990 году британский учёный Л.Т. Канхэм впервые наблюдал видимый световой фотолюминесценс пористого кремния при комнатной температуре, открыв новый перспективный направление в технологии фотоэлектронной интеграции на основе кремния. Наночастицы, наносовок и наноплёночные материалы открыли новую область исследований материалов. Эти новые функциональные материалы, содержащие большое количество атомов на поверхности или в границах раздела, обладают уникальными физическими, химическими и механическими свойствами и считаются наиболее перспективными материалами XXI века.
В октябре 2019 года международная научная группа заявила, что по сравнению с традиционными методами измерения Холла, где получается всего три параметра, новая технология позволяет получить до семи параметров при каждом испытании интенсивности света, включая подвижность электронов и дырок, плотность зарядового носителя, время рекомбинации, а также длины диффузии электронов, дырок и биполярных типов. [4]
В 2022 году исследователи обнаружили, что кубический борид арсенида является одним из лучших полупроводников, известных в науке, и получил название «чемпион полупроводников». [12]
5 ноября 2024 года миниатюрные полупроводники достигли уровня «нано», размером всего в 10万分之一 диаметра волоска волоса. В том же месяце в списке «50 самых инновационных компаний Китая» по версии Forbes опубликовали список, в который вошли компании полупроводников: Shanghai Super Silicon, Hygoness, Hanbo Semiconductor, HiSilicon Huawei, Changxin Storage и Zhongwei. [15]
Связанные термины
ПродолжитьДва электрона в ковалентной связи называются связанными электронами. Обычно, при отсутствии внешнего возбуждения, в кристаллах кремния и германия не существует свободных электронов; свободные электроны могут образоваться только при внешнем возбуждении, когда небольшое количество электронов приобретает достаточную кинетическую энергию, чтобы освободиться от ковалентной связи и стать свободными электронами.
Пузырьки
После того как электрон освобождается от ковалентной связи и становится свободным электроном, в ковалентной связи остается пустота, называемая пузырьком. В обычных условиях атомы являются электрически нейтральными. Когда электрон освобождается от ковалентной связи и становится свободным электроном, электрическая нейтральность атома нарушается, и он приобретает положительный заряд. Под действием внешнего электрического поля атом с пузырьком может притягивать валентные электроны соседних атомов, заполняя этот пустоту. Одновременно в ковалентной связи соседнего атома, утратившего один валентный электрон, появляется другой пузырек, который также может быть восполнён валентными электронами соседних атомов, и в этом атоме снова образуется пустота. Таким образом, пузырек продолжает двигаться, подобно движению положительного заряда. Направление движения пузырка противоположно направлению движения валентного электрона, поэтому движение пузырка эквивалентно движению положительного заряда.
Переносчики заряда
Таким образом, при приложении внешнего напряжения к полупроводнику в нем возникают два типа тока: первый — электронный ток, создаваемый направленным движением свободных электронов; второй — ток пузырков, создаваемый восполнением пустот (пузырек) свободными электронами. В полупроводнике одновременно существуют электронная проводимость и проводимость пузырков, что является главной особенностью способа проводимости полупроводников и принципиальным отличием между полупроводниками и металлами.
Структура энергетических зон
Для твёрдых тел с периодическим расположением атомов, то есть для кристаллических тел, согласно теории энергетических зон, структура энергетических зон состоит из ряда зон, разделённых запрещённой зоной. В пределах запрещённой зоны нет уровней энергии, занятых электронами. При абсолютном нулевой температуре электроны в твёрдом теле занимают энергетические уровни в порядке возрастания энергии: основные электроны заполняют все низшие энергетические уровни, и основные электроны, находящиеся в заполненных зонах, тесно связаны с ядрами атомов. Поэтому в обычных экспериментальных условиях можно не учитывать вклад основных электронов в физические свойства кристалла. Зона выше основной зоны, где находятся валентные электроны, называется валентной зоной, а над валентной зоной располагаются ряды зон, не занятых электронами, — это зоны пустот. В зависимости от степени заполнения валентной зоны, твёрдое тело может быть металлом или диэлектриком. В структуре энергетических зон металла валентная зона является незаполненной, а уровень Ферми находится внутри этой незаполненной зоны. В структуре энергетических зон диэлектрика валентная зона полностью заполнена, а зона выше валентной зоны представляет собой зону пустот, и уровень Ферми находится в прямой передаче к вершине валентной зоны. [27]
PN-сквозное соединение
В полупроводнике из-за различий в легировании плотность электронов и пустот в двух типах полупроводников различна: в P-типе больше пустот, а меньше электронов, в N-типе больше электронов, а меньше пустот. Если соединить P-тип полупроводника с N-типом, происходит диффузия электронов из области N-типа в область P-типа и диффузия пустот из области P-типа в область N-типа, в результате чего в области границы возникает накопление положительных и отрицательных зарядов: в одной стороне области P-типа — отрицательный заряд, в другой стороне области N-типа — положительный заряд. Эти заряды формируют область пространственного заряда (электроно-протонный слой или слой истощения), структура которого называется PN-сквозным соединением. Толщина такого соединения обычно составляет порядка микрометра.
