Thiết bị bán dẫn, thành phần mạch điện tử được làm từ vật liệu không phải là chất dẫn điện tốt hay chất cách điện tốt (do đó là chất bán dẫn). Các thiết bị như vậy đã tìm thấy các ứng dụng rộng rãi vì sự nhỏ gọn, độ tin cậy và chi phí thấp. Là các thành phần riêng biệt, chúng đã được sử dụng trong các thiết bị năng lượng, cảm biến quang học và bộ phát sáng, bao gồm cả laser trạng thái rắn. Chúng có nhiều khả năng xử lý dòng điện và điện áp, với xếp hạng hiện tại từ một vài nanoamper (10 −9ampere) đến hơn 5.000 ampe và xếp hạng điện áp kéo dài trên 100.000 volt. Quan trọng hơn, các thiết bị bán dẫn cho vay để tích hợp vào các mạch vi điện tử phức tạp nhưng dễ sản xuất. Chúng sẽ và sẽ trong tương lai gần, các yếu tố chính cho phần lớn các hệ thống điện tử, bao gồm thông tin liên lạc, tiêu dùng, xử lý dữ liệu và thiết bị điều khiển công nghiệp.
Nguyên tắc bán dẫn và tiếp giáp
Vật liệu bán dẫn
Vật liệu trạng thái rắn thường được nhóm thành ba lớp: chất cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn. (Ở nhiệt độ thấp, một số chất dẫn, chất bán dẫn và chất cách điện có thể trở thành chất siêu dẫn.) Hình 1 cho thấy độ dẫn điện σ (và điện trở suất tương ứng ρ = 1 /) được liên kết với một số vật liệu quan trọng trong mỗi ba loại. Chất cách điện, chẳng hạn như thạch anh và thủy tinh nung chảy, có độ dẫn rất thấp, theo thứ tự 10 −18 đến 10 −10 siemens trên mỗi cm; và các dây dẫn, chẳng hạn như nhôm, có độ dẫn cao, thường từ 10 4 đến 10 6 siemens trên mỗi cm. Độ dẫn của chất bán dẫn nằm giữa các thái cực này.
Độ dẫn điện của chất bán dẫn thường nhạy cảm với nhiệt độ, độ chiếu sáng, từ trường và lượng nguyên tử tạp chất phút. Ví dụ, việc thêm ít hơn 0,01 phần trăm của một loại tạp chất cụ thể có thể làm tăng độ dẫn điện của chất bán dẫn lên bốn hoặc nhiều bậc độ lớn (nghĩa là 10.000 lần). Phạm vi độ dẫn của chất bán dẫn do các nguyên tử tạp chất cho năm chất bán dẫn phổ biến được đưa ra trong Hình 1.
Nghiên cứu về vật liệu bán dẫn bắt đầu vào đầu thế kỷ 19. Trong những năm qua, nhiều chất bán dẫn đã được điều tra. Bảng này cho thấy một phần của bảng tuần hoàn liên quan đến chất bán dẫn. Các chất bán dẫn nguyên tố là những chất bao gồm các loại nguyên tử đơn lẻ, chẳng hạn như silicon (Si), gecmani (Ge) và thiếc xám (Sn) trong cột IV và selenium (Se) và Tellurium (Te) trong cột VI. Tuy nhiên, có rất nhiều chất bán dẫn hợp chất bao gồm hai hoặc nhiều yếu tố. Chẳng hạn, Gallium arsenide (GaAs) là một hợp chất III-V nhị phân, là sự kết hợp của gallium (Ga) từ cột III và asen (As) từ cột V.
Một phần của bảng tuần hoàn các nguyên tố liên quan đến chất bán dẫn
| giai đoạn = Stage | cột | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | III | IV | V | VI | |
| 2 | boron
B |
carbon
C |
nitơ
N |
||
| 3 | magiê
Mg |
nhôm
Al |
silic
Si |
phốt pho
P |
lưu huỳnh
S |
| 4 | kẽm
Zn |
gali
Ga |
Germanium
Ge |
asen
Như |
selen
Se |
| 5 | cadmium
Cd |
indium
Trong |
tin
Sn |
antimon
Sb |
Tellurium
Te |
| 6 | thủy ngân
Hg |
dẫn
Pb |
|||
Các hợp chất ternary có thể được hình thành bởi các nguyên tố từ ba cột khác nhau, ví dụ như thủy ngân indium Telluride (HgIn 2 Te 4), một hợp chất II - III - VI. Chúng cũng có thể được hình thành bởi các yếu tố từ hai cột, chẳng hạn như nhôm gallium arsenide (Al x Ga 1 - x As), là hợp chất III-V ba, trong đó cả Al và Ga đều từ cột III và chỉ số x có liên quan đến thành phần của hai yếu tố từ 100 phần trăm Al (x = 1) đến 100 phần trăm Ga (x = 0). Silic tinh khiết là vật liệu quan trọng nhất cho ứng dụng mạch tích hợp, và các hợp chất nhị phân và ternary III-V có ý nghĩa nhất đối với sự phát xạ ánh sáng.
Trước khi phát minh ra bóng bán dẫn lưỡng cực vào năm 1947, chất bán dẫn chỉ được sử dụng làm thiết bị hai cực, như bộ chỉnh lưu và photodiod. Trong những năm đầu thập niên 1950, gecmani là vật liệu bán dẫn chính. Tuy nhiên, nó tỏ ra không phù hợp với nhiều ứng dụng, bởi vì các thiết bị làm bằng vật liệu thể hiện dòng rò cao ở nhiệt độ chỉ ở mức vừa phải. Kể từ đầu những năm 1960, silicon đã trở thành một chất thay thế thực tế, hầu như thay thế Germanium như một vật liệu để chế tạo chất bán dẫn. Những lý do chính cho điều này có hai mặt: (1) thiết bị silicon thể hiện dòng rò thấp hơn nhiều và (2) silicon dioxide chất lượng cao (SiO 2), là chất cách điện, dễ sản xuất. Công nghệ silicon hiện nay là công nghệ tiên tiến nhất trong số tất cả các công nghệ bán dẫn và các thiết bị dựa trên silicon chiếm hơn 95% tổng số phần cứng bán dẫn được bán trên toàn thế giới.
Nhiều chất bán dẫn ghép có tính chất điện và quang không có trong silicon. Các chất bán dẫn này, đặc biệt là gallium arsenide, được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng tốc độ cao và quang điện tử.
