Полупроводник — это класс материалов, чья электрическая проводимость (conductivity) при комнатной температуре имеет промежуточное значение между металлами (проводниками) и диэлектриками (изоляторами), и которая может значительно изменяться под воздействием внешних факторов: температуры, освещения, электрического поля, а также введением примесей (легированием). Эта способность контролируемо изменять свои свойства легла в основу всей современной микроэлектроники. К типичным полупроводниковым материалам относятся элементы IV группы таблицы Менделеева — кремний (Si), германий (Ge), а также соединения A³B⁵, такие как арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN) и A²B⁶.
A³B⁵, A²B⁶ — обозначения типов химических соединений, используемых в качестве полупроводниковых материалов, по группам периодической таблицы Менделеева.
A³B⁵ (читается «три-пять») — это бинарные соединения, где один элемент из III группы (например, галлий Ga, индий In, алюминий Al), а другой — из V группы (например, мышьяк As, фосфор P, азот N).
Примеры: арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN), фосфид индия (InP).
Часто обладают высокой подвижностью электронов и прямой запрещённой зоной (direct band gap, прямозонные), что делает их пригодными для высокочастотных устройств (СВЧ-транзисторы) и оптоэлектроники (светодиоды, лазеры).
A²B⁶ (читается «два-шесть») — это бинарные соединения, где один элемент из II группы (например, кадмий Cd, цинк Zn), а другой — из VI группы (например, теллур Te, селен Se, сера S).
Примеры: теллурид кадмия (CdTe), селенид цинка (ZnSe).
Часто используются в качестве фотоприёмников (инфракрасные датчики) и в солнечных элементах.
Прямозонный полупроводник (direct band gap).
В таких материалах (GaAs, GaN, InP) минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны находятся в одной точке пространства импульсов (k-пространства). Это означает, что переход электрона между зонами может происходить без изменения импульса (без участия фонона). Такие переходы эффективны для излучения или поглощения света (фотона), что критически важно для оптоэлектронных устройств (светодиоды, лазеры, фото детекторы).Непрямозонный полупроводник (indirect band gap).
У материалов, таких как кремний (Si) и германий (Ge), минимум и максимум зон находятся в разных точках. Переход требует изменения импульса, которое обычно обеспечивается фононом (квантом колебаний решётки). Вероятность излучательной рекомбинации в них на порядки ниже, поэтому они плохо подходят для создания эффективных источников света.
Физические основы
Электропроводность полупроводников обусловлена движением носителей заряда (charge carriers): электронов (electrons) в зоне проводимости и дырок (holes) в валентной зоне. Ширина запрещённой зоны (band gap, Eg) для кремния составляет около 1.12 эВ при 300 К, что определяет его рабочий температурный диапазон. Ключевым технологическим процессом является легирование (doping) — введение примесных атомов (например, фосфора или бора в кремний) для создания областей с преобладанием электронов (n-тип) или дырок (p-тип). На границе таких областей (p-n-переход, p-n junction) формируются базовые элементы: диоды и транзисторы (transistors). Работа биполярного транзистора описывается уравнением Эберса-Молла.
Применение в производстве печатных плат и электроники
В контексте печатных плат полупроводниковые материалы используются не только в составе дискретных компонентов и интегральных схем (ИМС), монтируемых на плату, но и в качестве материала подложек для силовой электроники (карбид кремния, SiC) или высокочастотных плат (арсенид галлия, GaAs). Понимание свойств полупроводников необходимо для проектирования схемотехники, анализа тепловых режимов (перегрев p-n-перехода снижает надёжность) и выбора компонентов. Кремниевая технология, развитие которой началось с изобретения плоскостного транзистора в Bell Labs в 1947 году и первой интегральной схемы Джеком Килби в Texas Instruments в 1958 году, является технологической основой современной вычислительной техники, телекоммуникаций и систем управления.
Контроль и стандарты
Качество полупроводниковых кристаллов и готовых компонентов проверяется на соответствие строгим отраслевым стандартам. Электрические параметры тестируют по стандартам JEDEC (например, JESD22-серия), механическую целостность корпусированных микросхем — по стандартам IPC (например, IPC/JEDEC J-STD-020 на термостойкость бессвинцовой пайки), а требования к надёжности в целом регламентированы ГОСТ 20.57.406.
Источники: Фундаментальные учебники по физике полупроводников (например, «Physics of Semiconductor Devices» S.M. Sze), стандарты JEDEC, стандарты на испытания электронных компонентов (ГОСТ 20.57.406-81), исторические обзоры развития микроэлектроники.