ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ - электронные компоненты, изготовленные в основном из полупроводниковых материалов (см. ниже). К числу таких компонентов относятся транзисторы, интегральные схемы, оптоэлектронные приборы, сверхвысокочастотные (СВЧ) приборы и выпрямители.

Полупроводниковые материалы. Полупроводник - это материал, который проводит электричество лучше, чем такой диэлектрик, как каучук, но не так хорошо, как хороший проводник, например медь. В отличие от металлов, электропроводность полупроводников с повышением температуры возрастает. К наилучшим полупроводниковым материалам относятся кремний (Si) и германий (Ge); в числе других можно назвать соединения галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (P) и индия (In). Кремний находит широкое применение в транзисторах, выпрямителях и интегральных схемах. Арсенид галлия (GaAs) обычно используют в СВЧ и оптоэлектронных приборах, а также в интегральных схемах.

См. также

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ;

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА;

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА;

ТРАНЗИСТОР. Полупроводник представляет собой, по существу, диэлектрик, пока в него не введено малое и тщательно дозированное количество некоторого подходящего материала. Например, такой материал, как фосфор, делает кремний проводящим, добавляя в него избыточные электроны (т.е. действуя как "донор"). Кремний, легированный подобным образом, становится кремнием n-типа. Легирование таким материалом, как бор, превращает кремний в материал p-типа: бор (акцептор) отбирает у кремния часть электронов, создавая в нем "дырки", которые могут заполняться электронами расположенных поблизости атомов и повышать тем самым проводимость легируемого материала. (Потоки электронов в одном направлении и дырок в противоположном образуют ток.) Электроны и дырки, обеспечивающие таким образом проводимость, называются носителями заряда.

p-n-Переходы. Твердотельные электронные приборы представляют собой, как правило, многослойную структуру (сэндвич), одна часть которой выполнена из полупроводника p-типа, а другая - из полупроводника n-типа. Пограничная область между материалами p-типа и n-типа называется p-n-переходом. Переход образуется положительно заряженными атомами донорной примеси с n-стороны и отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси с p-стороны. Электрическое поле, создаваемое этими ионами, предотвращает диффузию электронов в p-область и дырок в n-область (рис. 1).

Рис. 1. СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ p-n-ПЕРЕХОДА. Это переходная область между полупроводниковыми материалами p-типа и n-типа. Кружками со знаками изображены подвижные носители заряда: электроны (-) и дырки (+), а квадратами - неподвижные ионы в области перехода.

Если p-область p-n-перехода соединить с положительным выводом какого-либо источника напряжения (например, батареи), а n-область - с отрицательным выводом, то электроны и дырки смогут диффундировать через переход. В результате из p-области в направлении n-области потечет существенный ток. В таком случае говорят, что переход смещен в прямом направлении. При обратном смещении, когда описанные выше подсоединения имеют противоположную полярность, от области n-типа к области p-типа потечет лишь предельно малый обратный ток.

Диоды с p-n-переходом. Диоды - это устройства, которые проводят электрический ток только в одном направлении. Следовательно, p-n-переходы идеально подходят для их использования в диодных выпрямителях, преобразующих переменный ток в постоянный. Когда напряжение обратного смещения на диоде с p-n-переходом увеличивается до критического значения, называемого напряжением пробоя, электрическое поле в области перехода создает электроны и дырки в результате соударений носителей заряда, обладающих высокой энергией, с атомами полупроводников. В ходе этого процесса, называемого ионизацией, образуется "лавина" новых носителей, вследствие чего обратный ток при напряжении пробоя существенно возрастает. Диодные выпрямители обычно работают при обратных напряжениях ниже напряжения пробоя. Однако резкое и значительное нарастание обратного тока, происходящее при достижении напряжения пробоя, можно использовать для стабилизации напряжения или для фиксации опорного уровня напряжения. Диоды, предназначенные для таких применений, называются полупроводниковыми стабилитронами.

См. также ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ. Емкость, зависящая от приложенного напряжения, соответствует обратно смещенному p-n-переходу. Такую управляемую напряжением емкость можно применять, например, в настраиваемых контурах. Диоды, в которых используются такие переходы, называют варикапами. Резкие p-n-переходы, имеющие очень малую толщину и сильно легированные с обеих сторон, находят применение в туннельных диодах, т.е. диодах, в которых электроны могут "туннелировать" сквозь переход. Туннелирование - это квантовомеханический процесс, позволяющий некоторым электронам проходить сквозь потенциальный барьер. Как при обратном, так и при прямом смещении туннельный диод пропускает ток при очень низком напряжении. Но при некотором критическом значении напряжения прямого смещения эффект туннелирования уменьшается, и, в конечном счете, преобладающим становится прямой ток от p-области к n-области. Ток, обусловленный туннелированием, продолжает уменьшаться, пока напряжение повышается от критического уровня до некоторого более высокого значения. В этом диапазоне напряжений, где происходит уменьшение туннелирования, возникает отрицательное сопротивление, которое можно использовать в различных типах переключателей, автогенераторов, усилителей и других электронных устройств. p-n-Переход может также находить применение в качестве фотодиода или солнечного элемента (фотоэлектрического перехода). Когда свет, который состоит из фотонов, освещает p-n-переход, атомы полупроводника поглощают фотоны, в результате чего образуются дополнительные пары электронов и дырок. Поскольку эти дополнительные носители собираются в области перехода, от n-области в p-область течет избыточный ток. Величина этого обратного тока пропорциональна скорости, с которой генерируются дополнительные носители, а эта скорость, в свою очередь, зависит от интенсивности падающего света. В фотодиодах этот обратный ток при фиксированном напряжении обратного смещения зависит от интенсивности освещения. Поэтому фотодиоды часто используют в фотометрах и системах распознавания символов. Полученную от p-n-перехода энергию солнечные элементы передают в подключенную к ним внешнюю нагрузку. Солнечные элементы, преобразующие солнечный свет в электричество, находят широкое применение в качестве источников электропитания для искусственных спутников Земли и в некоторых применениях на Земле.

См. также БАТАРЕЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ. Во многих полупроводниковых материалах, таких, как арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) и фосфид индия (InP), электроны и дырки рекомбинируют друг с другом в области p-n-перехода, смещенного в прямом направлении, излучая свет. Длина волны излучения зависит от используемого материала; обычно спектр излучения находится в пределах от инфракрасного (как в случае GaAs) до зеленого (как для GaP) участков. При надлежащем выборе материалов можно изготовить такие светоизлучающие диоды (СИД), которые будут давать излучение практически любого цвета (длины волны). Такие светодиоды применяют в цифровых наручных часах и в индикаторах электронных калькуляторов. Инфракрасные светодиоды могут использоваться в оптических системах связи, в которых световые сигналы, посылаемые по волоконно-оптическим кабелям, детектируются фотодиодами. Оптоэлектронные системы такого рода могут быть весьма эффективными, если используются светодиоды лазерного типа, а фотоприемники работают в лавинном режиме с обратным смещением.

См. также

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА;

ЛАЗЕР.

Транзисторы. p-n-Переходы используются также в транзисторах и более сложных транзисторных структурах - интегральных схемах. В биполярном транзисторе носителями заряда служат как электроны, так и дырки. В нем имеются два близко расположенных и включенных навстречу друг другу перехода, которые образуют тем самым три отдельных слоя p-n-p- либо n-p-n-структуры. В p-n-p-транзисторе p-область, служащая слоем ввода, называется эмиттером; центральная n-область является базой; p-область, служащая выводом, называется коллектором. В n-p-n-транзисторе p- и n-области меняются местами. В p-n-p-транзисторе дырки инжектируются через эмиттерный переход, смещенный в прямом направлении, и собираются на коллекторном переходе, смещенном в обратном направлении; в n-p-n-приборе то же самое происходит с электронами. Количество инжектируемых и собираемых носителей заряда можно менять путем изменения малого тока, подаваемого в область базы. Полевой транзистор представляет собой униполярный прибор; это означает, что только основной тип носителей заряда - либо электроны в областях с проводимостью n-типа, либо дырки в областях с проводимостью p-типа - проходят через проводящий канал прибора. Ток в канале изменяется посредством электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным к переходу (с обратным смещением) или к изолирующему слою на поверхности прибора. Биполярный транзистор - это, по существу, прибор, управляемый током, а полевой транзистор - прибор, управляемый напряжением. Оба типа транзисторов широко применяются в схемах микроэлектроники.

См. также

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА;

ТРАНЗИСТОР.

p-n-p-n-Приборы. На рис. 2 представлена четырехслойная структура, называемая триодным тиристором (SCR). Это наиболее важный тип приборов со структурой p-n-p-n. Другие приборы с этой структурой - двухвыводной и двусторонний диоды.

Рис. 2. ТРИОДНЫЙ ТИРИСТОР - полупроводниковый прибор, позволяющий преобразовать переменный ток в постоянный.

Тиристор представляет собой эффективный переключатель, позволяющий работать со значительными уровнями мощностей. При прямом напряжении на тиристоре переход B имеет смещение в обратном направлении, так что тока через него практически нет. Но когда напряжение смещения в прямом направлении увеличивается до некоторого критического уровня, на переходе B развивается лавинный процесс. Носители заряда инжектируются затем в средние области N и P, вызывая диффузию дырок на переходе A p-n-p-структуры и диффузию электронов на переходе C n-p-n-структуры. В результате ток увеличивается, и падение напряжения на приборе становится малым. Этот процесс можно инициировать при меньшем прямом смещении, инжектируя небольшой ток в одну из точек слоя p управляющего электрода. Отсюда следует, что SCR может служить почти идеальным переключателем, в котором практически не протекает ток в закрытом состоянии, но в открытом состоянии течет значительный ток при низком напряжении. Приборы SCR широко используются в схемах управления электродвигателями и печами, в регуляторах освещения и других применениях.

Сверхвысокочастотные приборы. Транзисторы находят широкое применение в СВЧ-технике. К тому же сверхвысокие частоты можно генерировать с помощью полупроводниковых компонентов, имеющих всего два вывода, но обладающих отрицательным сопротивлением, подобно туннельным диодам. К наиболее распространенным СВЧ-приборам такого типа относятся лавинно-пролетные диоды и диоды Ганна. В лавинно-пролетном диоде при лавинном пробое в обратносмещенном p-n-переходе возникают избыточные носители в области дрейфа, т.е. в области, где носители заряда движутся под влиянием приложенного напряжения. Если размер области дрейфа выбран правильно, то избыточные носители проходят ее на протяжении отрицательного полупериода напряжения переменного тока. Далее ток увеличивается при уменьшении напряжения. При этом существует своего рода отрицательная проводимость, которую можно использовать в объемном резонаторе для генерации СВЧ-колебаний. Принцип действия диода Ганна основан на свойстве таких полупроводников, как GaAs и InP, вызывать замедление электронов в материале при некоторой критической напряженности электрического поля. В соответствии с законом Ома ток при слабых полях пропорционален напряженности поля. Однако при очень сильных полях (с напряженностью порядка нескольких тысяч вольт на сантиметр) энергии электронов в GaAs или InP возрастают до величин, при которых свобода движения электронов в полупроводниковом кристалле ограничивается. Вследствие их пониженной подвижности при превышении напряженностью электрического поля некоторого критического уровня электроны еще более замедляются. Как и в лавинно-пролетном диоде, здесь возникает некоторая разновидность отрицательной проводимости, которую можно использовать для генерации СВЧ-колебаний.

См. также СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН.

Другие приборы. Полупроводники находят применение во многих других электронных приборах; постоянно разрабатываются все новые и новые приборы и устройства. В качестве примера можно привести диод Шоттки, диод со сплавным переходом, полевой транзистор с p-n-переходом и прибор с зарядовой связью (ПЗС).

ЛИТЕРАТУРА

Кацман Ю.А. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов. М., 1973 Рагозин Ю.Д. и др. Основы применения электронных приборов. М., 1975 Денискин Ю.Д. и др. Электронные приборы. М., 1980 Булычев А.Л., Прохоренко В.А. Электронные приборы. Минск, 1987

Составить слова из слова полупроводниковые электронные приборы

ЛЕГИ́РОВАНИЕ см. Леги́ровать.

* * *

леги́рование (нем. legieren - сплавлять, от лат. ligo - связываю, соединяю), 1) введение в состав металлических сплавов так называемых легирующих элементов (например, в сталь - Cr, Ni, Мо, W, V, Nb, Ti и др.) для придания сплавам определенных физических, химических или механических свойств.

2) Введение примесных атомов в твердое тело (например, в полупроводники для создания требуемой электрической проводимости). Легирование диэлектриков обычно называется активированием.

* * *

ЛЕГИРОВАНИЕ - ЛЕГИ́РОВАНИЕ (нем. legieren - сплавлять, от лат. ligo - связываю, соединяю), введение в состав твердых веществ (металлов (см. МЕТАЛЛЫ), сплавов (см. СПЛАВЫ), полупроводников (см. ПОЛУПРОВОДНИКИ) и диэлектриков (см. ДИЭЛЕКТРИКИ)) легирующих элементов для придания им определенных физических, химических или механических свойств.

Введение легирующей примесей может существенным образом изменить свойства твердых тел. От характера взаимодействия атомов легирующих элементов и атомов основного вещества, от типа образованных дефектов структуры, от характера взаимодействия легирующих и фоновых примесей, легирующих примесей и дефектов структуры, от способности легирующей примеси образовывать соединения в матрице вещества и т.д. зависят свойства (электрические, магнитные, тепловые) легируемого вещества.

Легирование широко применятся в технологии получения металлов и сплавов, полупроводниковых кристаллов и пленок, а также диэлектрических материалов с заданными свойствами.

Легирование металлов и сталей

Легирования металлов, сталей и сплавов позволяет получить металлические сплавы с разнообразными свойствами, значительно отличающимися от свойств чистых металлов. Например, коррозионная стойкость циркония (см. ЦИРКОНИЙ) существенно зависит от его чистоты. Сотые доли процента углерода и азота снижают его коррозионную стойкость, но введение ниобия нейтрализует действие углерода, а введение олова - азота. Легирование ряда металлов и сплавов на их основе редкоземельными элементами позволило значительно улучшить прочностные характеристики этих веществ и т. д.

При легировании стали можно получить заданные свойства, в том числе отсутствующие у исходных углеродистых сталей. Стали считаются легированными при содержании примесей в них, например, кремния - более 0,8% , марганца - не более 1%. Но при введении легирующих примесей в сталь необходимо учитывать, что все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал его аллотропических модификаций, оказывая влияние на свойства сталей. Температура полиморфных превращений железа зависит от всех растворенных в нем элементов. В их присутствии изменяется область существования g-железа. Ряд легирующих примесей (Ni, Mn и др.) расширяют область существования g-железа от комнатной температуры до температуры плавления (см. аустенит (см. АУСТЕНИТ)), А такие примеси, как V, Si, Mo и др. делают ферритную фазу устойчивой вплоть до температуры плавления (см. феррит (см. ФЕРРИТ)). Легирующие примеси в промышленных сталях могут преимущественно растворяются именно в основных фазах железоуглеродистых сплавов - феррите, аустените, цементите (см. ЦЕМЕНТИТ)). При наличии в сплаве железа большой концентрации элемента, который сужает g-область, превращение g ¬® a отсутствует, образуются ферритные стали. Класс аустенитных сталей можно получить при легировании элементами, расширяющими g-область.

Если легирующие примеси в g-железе находятся в свободном состоянии, то они как правило, являются примесями замещения, занимая позиции атомов железа. Но легирующие примеси могут образовывать химические соединения с железом, между собой, образовывать оксиды или карбиды. В этом случае карбидообразующие элементы (молибден, ванадий, вольфрам, титан) задерживают выделение карбидов железа при отпуске и увеличивают конструкционную прочность стали.

Легирующие примеси изменяют свойства феррита. Молибден, вольфрам, марганец и кремний снижают вязкость феррита, а никель - не снижает. Но никель интенсивно снижает порог хладоломкости, уменьшая склонность железа к хрупким разрушениям.

Все легирующие элементы (за исключением марганца и бора), уменьшают склонность аустенитного зерна к росту. Никель, кремний, кобальт, медь (элементы, не образующие карбиды), относительно слабо влияют на рост зерна. Легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита. Т. е. в общем случае легирование существенным образом меняет кинетику фазовых превращений (см. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ВТОРОГО РОДА).

Для повышения качества сталей некоторые примеси, например, марганец и кремний, добавляют в заданном количестве. При содержании марганца от 0,25 до 0,9% прочность стали повышается без значительного снижения ее пластичности. Кремний, содержание которого в обыкновенных сталях не превышает 0,35%, не оказывает существенного влияния на свойства стали. А такие примеси, как фосфор и сера являются нежелательными загрязняющими примесями. Фосфор делает сталь хрупкой (хладноломкой), а присутствие серы в количестве более 0,07 % вызывает красноломкость стали, снижает ее прочность и коррозионную стойкость.

Изменение свойств сплавов в результате легирования обусловлено, кроме того, изменением формы, размеров и распределения структурных составляющих, изменением состава и состояния границ зерен. Легирование стали может тормозить процессы рекристаллизации (см. РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ).

Легирование полупроводников

Под легированием полупроводников подразумевается не только дозированное введение в полупроводники (см. ПОЛУПРОВОДНИКИ) примесей, но и структурных дефектов (см. ДЕФЕКТЫ) с целью изменения их свойств, главным образом электрофизических. Наиболее распространенным методом легирования является легирование различными примесями.

Для получения кристаллов n- и p- типа проводимости кристаллы легируют электрически активными примесями (чаще всего - водородоподобными, валентность которых отличается от валентности основных замещаемых атомов на единицу). Электрически активные водородоподобные примеси являются примесями замещения. Например, для элементарных полупроводниковых материалов (см. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ) германия или кремния такими легирующими примесями являются атомы элементов III или V групп таблицы Менделеева. Примеси такого типа создают мелкие (вблизи дна зоны проводимости (см. ПРОВОДИМОСТИ ЗОНА) или вблизи потолка валентной зоны (см. ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА)) энергетические уровни: соответственно, примеси III группы (B, Al, In, Ga) будут акцепторами (см. АКЦЕПТОР), а примеси V группы (P, Sb, As) - донорами (см. ДОНОР (в физике)). У полупроводниковых соединений A^IIIB^V элементы V группы замещаются примесями VI группы (S, Se, Te), которые являются донорами, а элементы II группы (Zn, Cd), замещая, соответственно, атомы III группы в соединении, будут проявлять акцепторные свойства. Такое легирование позволяет управлять типом проводимости и концентрацией носителей заряда в полупроводнике.

Некоторые примеси, введенные в кристалл, способны проявлять как донорные, так и акцепторные свойства. Если проявление донорных или акцепторных свойств таких примесей зависит от их размещения в кристаллической матрице, например, от того, находится ли атом легирующей примеси в узле кристаллической решетки или в междоузлии, примеси называются амфотерными. Некоторые примеси, размещаясь в узлах решетки, являются акцепторами, а в междоузлии - донорами. А в случае легирования соединений A^IIIB^V примесями IV группы, проявление донорных или акцепторных свойств будет зависеть от того, в узлах какой подрешетки расположен атом примеси. При замещении таким атомом катионного узла он будет проявлять донорные свойства, а при замещении анионного узла - акцепторные.

В некоторых случаях используют легирование изовалентными примесями, т.е. примесями, принадлежащими той же группе Периодической системы, что и замещаемые им атомы. Такое легирование используется для формирования свойств косвенным путем. Например, легирование кристаллов GaAs изовалентной примесью In способствует проявлению эффекта примесного упрочнения (снижения плотности дислокаций) и формированию в кристалле полуизолирующих свойств.

Иногда для легирования используют примеси, образующие глубокие уровни в запрещенной зоне, что позволяет воздействовать на диффузионную длину носителей заряда и регулировать степень компенсации электрически активных центров.

Путем введения тех или иных легирующих добавок можно эффективно влиять на состояние ансамбля собственных точечных дефектов (см. ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ) в кристалле, в особенности на поведение в них дислокаций и фоновых примесей и таким образом управлять свойствами полупроводникового материала.

Легирование полупроводников обычно осуществляется непосредственно в процессе выращивания монокристаллов и эпитаксиальных структур. Легирующая примесь в элементарной форме или в виде соединения вводится в расплав, раствор или газовую фазу. В связи с особенностями процессов на фронте кристаллизации при выращивания кристаллов и пленок, примесь распределяется неравномерно как по длине, так и в объеме кристалла. Чтобы добиться равномерного распределения, используются различные технологические приемы.

Еще одним способом легирования полупроводников является радиационное легирование. В этом случае доноры и акцепторы не вводятся в кристалл, а возникают в его объеме в результате ядерных реакций при его облучении. Наибольший практический интерес представляют реакции, возникающие в результате облучения тепловыми нейтронами, которые обладают большой проникающей способностью. При таком способе легирования распределение электрически активных примесей более равномерно. Но в процессе облучения в кристалле образуются радиационные дефекты, снижающие качество материала.

Для создания p-n-переходов может использоваться диффузионный метод введения легирующей примеси. В этом случае примесь в объем вводят либо из газовой фазы, либо из специально нанесенного покрытия, которым может служить, например, в случае кремния, оксидная пленка. Для получения тонких легированных слоев широко используется метод ионной имплантации (см. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ), позволяющей вводить практически любую примесь и управлять ее концентрацией и профилем ее распределения.

Составить слова из слова легирование