Electronica dispozitivelor cu semiconductor

Dispozitiv semiconductor, componentă a circuitului electronic realizat dintr-un material care nu este nici un bun conductor și nici un bun izolator (prin urmare, semiconductor). Astfel de dispozitive au găsit aplicații largi datorită compactității, fiabilității și costurilor reduse. Ca componente discrete, au găsit utilizarea în dispozitivele de alimentare, senzori optici și emițătoare de lumină, inclusiv lasere cu stare solidă. Au o gamă largă de capabilități de gestionare a curentului și a tensiunii, cu valori de curent de la câteva nano-aparate (10 ⁻⁹ampere) la mai mult de 5.000 de amperi și tensiuni care se extind la peste 100.000 volți. Mai important, dispozitivele cu semiconductor se acordă integrării în circuite microelectronice complexe, dar ușor de fabricat. Ele sunt și vor fi în viitorul previzibil, elementele cheie pentru majoritatea sistemelor electronice, inclusiv echipamente de comunicații, de consum, de prelucrare a datelor și de control industrial.

Principii semiconductor și joncțiune

Materiale semiconductoare

Materialele cu stare solidă sunt grupate în trei clase: izolatori, semiconductori și conductori. (La temperaturi scăzute, unii conductori, semiconductori și izolatori pot deveni supraconductori.) Figura 1 arată conductivitățile σ (și rezistivitățile corespunzătoare ρ = 1 / σ) care sunt asociate cu unele materiale importante din fiecare din cele trei clase. Izolatoarele, cum ar fi cuarțul și sticla topite, au conductivități foarte mici, de ordinul ^10-18 până la 10 ^–10 siemens pe centimetru; iar conductoarele, cum ar fi aluminiul, au conductivități ridicate, de obicei de la 10 ⁴ până la 10 ⁶ siemens pe centimetru. Conductivitățile semiconductorilor sunt între aceste extreme.

Conductivitatea unui semiconductor este în general sensibilă la temperatură, iluminare, câmpuri magnetice și la cantități minime de atomi de impuritate. De exemplu, adăugarea a mai puțin de 0,01 la sută dintr-un anumit tip de impuritate poate crește conductivitatea electrică a unui semiconductor cu patru sau mai multe ordine de mărime (adică de 10.000 de ori). În figura 1 sunt prezentate intervalele de conductivitate a semiconductorului datorată atomilor de impuritate pentru cinci semiconductori comuni.

Studiul materialelor semiconductoare a început la începutul secolului al XIX-lea. De-a lungul anilor, mulți semiconductori au fost cercetați. Tabelul prezintă o porțiune din tabelul periodic aferent semiconductorilor. Semiconductorii elementari sunt cei compuși din specii individuale de atomi, precum siliciu (Si), germaniu (Ge) și staniu gri (Sn) în coloana IV și seleniu (Se) și telur (Te) în coloana VI. Există, însă, numeroase semiconductoare compuse care sunt compuse din două sau mai multe elemente. Arsenidul de galiu (GaAs), de exemplu, este un compus binar III-V, care este o combinație de galiu (Ga) din coloana III și arsenic (As) din coloana V.

Porțiunea din tabelul periodic al elementelor legate de semiconductori

perioadă	coloană
	II	III	IV	V	VI
2	bor B	carbon C	azot N
3	magneziu Mg	aluminiu Al	siliciu Si	fosfor P	sulf S
4	zinc Zn	galiu Ga	germaniu Ge	arsenic As	seleniu Se
5	cadmiu Cd	indium In	tin Sn	antimoniu Sb	telur Te
6	mercur Hg	plumb Pb

Compușii ternari pot fi formați din elemente din trei coloane diferite, cum ar fi, de exemplu, telurura de indiu mercur (HgIn ₂ Te ₄), un compus II-III-VI. Ele pot fi, de asemenea, formate din elemente din două coloane, cum ar fi arsenidă de galiu de aluminiu (Al _x Ga _{1 - x} As), care este un compus ternar III-V, unde atât Al cât și Ga sunt din coloana III, iar abonamentul x este legat la compoziția celor două elemente de la 100 la sută Al (x = 1) la 100 la sută Ga (x = 0). Siliciul pur este cel mai important material pentru aplicarea circuitului integrat, iar compușii binari și ternari III-V sunt cei mai importanți pentru emisii de lumină.

Înainte de inventarea tranzistorului bipolar în 1947, semiconductorii au fost folosiți doar ca dispozitive cu două terminale, cum ar fi redresoarele și fotodiodele. La începutul anilor 1950, germaniul a fost principalul material semiconductor. Cu toate acestea, s-a dovedit impropriu pentru multe aplicații, deoarece dispozitivele din material prezentau curenți mari de scurgere la temperaturi doar ridicate. De la începutul anilor 1960, siliciul a devenit un înlocuitor practic, înlocuind practic germaniul ca material pentru fabricarea semiconductorilor. Principalele motive pentru acest lucru sunt duble: (1) dispozitivele de siliciu prezintă curenți de scurgere mult mai mici și (2) dioxid de siliciu de înaltă calitate (SiO ₂), care este un izolator, este ușor de produs. Tehnologia siliciu este acum de departe cea mai avansată dintre toate tehnologiile cu semiconductor, iar dispozitivele pe bază de siliciu constituie mai mult de 95 la sută din hardware-ul semiconductor vândut în întreaga lume.

Multe dintre semiconductorii compuși au proprietăți electrice și optice care sunt absente în siliciu. Acești semiconductori, în special arsenida de galiu, sunt folosiți în principal pentru aplicații de mare viteză și optoelectronice.