Poluvodički uređaj, komponenta elektroničkog kruga izrađena od materijala koji nije ni dobar provodnik, niti dobar izolator (otuda i poluvodič). Takvi su uređaji pronašli široku primjenu zbog svoje kompaktnosti, pouzdanosti i niske cijene. Kao diskretne komponente našle su se u energetskim uređajima, optičkim senzorima i odašiljačima svjetla, uključujući i solid-state lasere. Imaju širok raspon mogućnosti napajanja strujom i naponom, s trenutnim ocjenama od nekoliko nanoampera (10 −9ampera) na više od 5000 ampera i napona koji se protežu iznad 100 000 volti. Što je još važnije, poluvodički se uređaji podvrgavaju integriranju u složene, ali lako izradive mikroelektronske sklopove. Oni su i bit će u doglednoj budućnosti ključni elementi većine elektroničkih sustava, uključujući komunikacijsku, potrošačku, obradu podataka i industrijsku kontrolu.
Načela poluvodiča i spojnica
Poluvodički materijali
Materijali u čvrstom stanju nalaze se u tri klase: izolatori, poluvodiči i vodiči. (Na niskim temperaturama neki vodiči, poluvodiči i izolatori mogu postati superprovodnici.) Na slici 1 prikazane su vodljivosti σ (i odgovarajući otpori ρ = 1 / σ) koji su povezani s nekim važnim materijalima u svakoj od tri klase. Izolatori, poput stapanog kvarca i stakla, imaju vrlo malu vodljivost, reda od 10-18 do 10-10 siemena po centimetru; i vodiči, poput aluminija, imaju visoku vodljivost, obično od 10 4 do 10 6 siemena po centimetru. Provodljivosti poluvodiča su između tih krajnosti.
Vodljivost poluvodiča općenito je osjetljiva na temperaturu, osvjetljenje, magnetska polja i minimalne količine nečistoća. Na primjer, dodavanje manjeg od 0,01 posto određene vrste nečistoća može povećati električnu vodljivost poluvodiča za četiri ili više reda veličine (tj., 10 000 puta). Rasponi provodljivosti poluvodiča zbog nečistoća atoma za pet uobičajenih poluvodiča prikazani su na slici 1.
Proučavanje poluvodičkih materijala započelo je početkom 19. stoljeća. Tijekom godina istraženo je mnogo poluvodiča. Tablica prikazuje dio periodične tablice koji se odnosi na poluvodiče. Elementarni poluvodiči su oni sastavljeni od pojedinačnih vrsta atoma, kao što su silicij (Si), germanij (Ge) i sivi kositar (Sn) u stupcu IV i selen (Se) i telur (Te) u stupcu VI. Postoje, međutim, brojni složeni poluvodiči koji su sastavljeni od dva ili više elemenata. Na primjer, galijev arsenid (GaAs) je binarni spoj III-V, koji je kombinacija galija (Ga) iz stupca III i arsena (As) iz stupca V.
Dijeli periodične tablice elemenata koji se odnose na poluvodiče
| razdoblje | stupac | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | III | IV | V | VI | |
| 2 | bor
B |
ugljik
C |
dušik
N |
||
| 3 | magnezij
Mg |
aluminij
Al |
silicij
Si |
fosfor
P |
sumpor
S |
| 4 | cink
Zn |
galija
Ga |
germanij
Ge |
arsen
As |
selen
Se |
| 5 | kadmij
Cd |
indij
In |
kositar
Sn |
antimon
Sb |
Tellurium
Te |
| 6 | živa
Hg |
olovo
Pb |
|||
Ternarni spojevi mogu se oblikovati elementima iz tri različita stupca, kao što je, na primjer, živin indijski telurid (HgIn 2 Te 4), spoj II-III-VI. Oni se također mogu oblikovati elementima iz dva stupca, poput aluminij-galijevog arsenida (Al x Ga 1 - x As), koji je trozučni spoj III-V, gdje su i Al i Ga iz stupca III, a podpis x je srodan na sastav dva elementa od 100 posto Al (x = 1) do 100 posto Ga (x = 0). Čisti silicij najvažniji je materijal za primjenu integriranog kruga, a binarni i ternarni spojevi III-V najznačajniji su za svjetlosnu emisiju.
Prije izuma bipolarnog tranzistora 1947. godine, poluvodiči su korišteni samo kao dvostrani uređaji, poput ispravljača i fotodioda. Tijekom ranih 1950-ih, germanij je bio glavni poluvodički materijal. Međutim, pokazalo se da je neprikladna za mnoge primjene, jer uređaji napravljeni od materijala ispoljavaju veliku struju curenja na samo umjereno povišenim temperaturama. Od ranih 1960-ih, silicij je postao praktična zamjena, praktički zamjenjujući germanij kao materijal za proizvodnju poluvodiča. Glavni su razlozi za to dvostruki: (1) silicijski uređaji pokazuju mnogo niže struje istjecanja, a (2) silicijev dioksid visoke kvalitete (SiO 2), koji je izolator, lako se proizvodi. Silicijska tehnologija je sada najnaprednija među svim tehnologijama poluvodiča, a uređaji koji se baziraju na siliciju čine više od 95 posto svih poluvodičkih hardvera koji se prodaju širom svijeta.
Mnogi složeni poluvodiči imaju električna i optička svojstva koja u siliciju nisu prisutna. Ti se poluvodiči, posebno galijev arsenid, koriste uglavnom za brzu i optoelektronsku primjenu.
