Что такое полупроводники? | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Не все тела одинаково проводят электрику: одни — хоро­шо, вследствие чего и получили название проводники, а другие — почти не проводят — их назвали изоляторами, или диэлектриками.

Однако оказалось, что подавляющее боль­шинство веществ нельзя отнести ни к про­водникам, ни к диэлектрикам. Эту группу веществ назвали полупроводниками и счита­ли, что они практического значения в элект­ричестве не имеют. В самом деле, более поздние исследования показали, что боль­шинство полупроводников практического применения в электричестве не нашли. Тем не менее среди них были выявлены и такие, которые имеют чрезвычайно интересные и важные свойства, что и побуждало к даль­нейшему их изучению, а со временем и к широкому использованию.

Чтобы удостовериться в том, что по удель­ному сопротивлению или электропроводимос­ти полупроводники занимают промежуточ­ное место между хорошими проводниками (например, металлами) и диэлектриками, можно провести опыт, схема которого изобра­жена на рис.

8.1. Берут три одинаковых по размеру тела: из металла (м), полупровод­никового вещества (п/п) и диэлектрика (д). Поддерживая в цепи постоянное напряже­ние, включают поочередно тело из металла, полупроводникового вещества и диэлектрика.

Если к цепи подключено металлическое тело, то сила тока довольно значительна — стрелка амперметра отклоняется до конца шкалы. В случае включения диэлектрика ток в цепи практически отсутствует, а при вклю­чении полупроводника сила тока имеет про­межуточное значение (рис. 8.2).

Рис. 8.1. Сравнение сопротивления или электропроводимости разных веществ

Рис. 8.2. Сила тока в цепи при по­стоянном напряжении

Таким образом, можно сделать вывод, что полупроводники по удельному сопро­тивлению или электропроводимости зани­мают промежуточное место между метал­лами (наилучшими проводниками) и ди­электриками: ρ_М < ρ_П/П < ρ_Д (рис. 8.3).

Тем не менее следует иметь в виду, что четкой границы значений удельного сопро­тивления металлов, полупроводников и ди­электриков нет. Некоторые полупроводники при определенных условиях могут быть по электрическим свойствам близки как к ме­таллам, так и к диэлектрикам.

Иногда слово «полупроводник» связыва­ют с тем, что якобы полупроводники про­водят ток лишь в одном направлении. На самом деле это не совсем так

(рис. 8.4).

Если взять тело из полупроводникового вещества и про­пускать через него ток сначала в одном, а потом в противоположном направлении, то значения сил тока в обоих случаях будут одинаковыми.

Рис. 8.3. Сравнение значений удельных сопротивлений и электропроводимостей различных веществ

Рис. 8.4. Полупроводниковые вещества односторонней проводимости не имеют

Существуют полупроводниковые при­боры, например, диоды, которые в самом деле проводят ток практически в одном направлении.

Диод — прибор с двумя электродами, пропускающий ток практически в одном на­правлении.

По каким же признакам из огромного количества веществ, которые существуют в природе или могут быть созданы искусст­венно, выбирают вещества, именуемые се­годня полупроводниками? Необходимо вспомнить, как зависит сопротивление металлических про­водников от температуры. Если взять метал­лический, например железный, проводник и нагревать его в пламени свечи (рис. 8.5, а), то сила тока в цепи будет уменьшаться. Если при этом напряжение на участке цепи поддерживается постоянным, то можно сде­лать вывод, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников воз­растает. График такой зависимости изобра­жен на рисунке 8.6.

Если же нагревать полупроводниковое ве­щество (рис. 8.5, б), то сила тока в цепи бу­дет возрастать. Следовательно,

в отличие от металлических проводников, сопротивление которых при нагревании возрастает,

сопро­тивление полупроводников уменьшается с по­вышением температуры (по крайней мере, в опреде­ленном интервале).

Именно по этому признаку и выбирают полупроводниковые вещества, которые ис­пользуются в современной технике. Причи­на такой зависимости состоит в том, что при нагревании полупроводников в них рез­ко возрастает количество свободных носите­лей заряда, которые могут образовывать ток. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис. 8.5. Сравнение зависимости сопро­тивления различных веществ от тем­пературы

Рис. 8.6. Графики зависимости сопро­тивлений металлов и полупроводников от температуры

Уменьшение сопротивления сернистого серебра (Ag₂S) еще в 1833 г. наблюдал вы­дающийся английский ученый М. Фарадей. Сегодня это свойство полупроводников ши­роко используется в приборах, которые на­зываются термисторами.

Термистор (терморезистор) — датчик темпе­ратуры в электрических термометрах, термо­регуляторах и т. п.

Позже, а именно в 1873 г., В. Смит наблюдал изменение сопротивле­ния кристаллического селена при освеще­нии, которое стало основанием для изго­товления фоторезисторов.

Фоторезистор — составная часть прибо­ров для измерения световых величин, вклю­чения света с наступлением темноты или его выключения с восходом солнца (так называемые фотореле).

Исследования показали, что на свойства полупроводников влияют рентгеновские лучи, радиоактивное излучение, магнитные по­ля, механические деформации и др.

Со всего сказанного можно сделать вывод:

Полупро­водники — это вещества, по своему удельному сопротивлению занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлект­риками. Сопротивление полупроводников при нагревании уменьшается, оно также за­висит от освещения, различных видов излу­чения и т. п.

К полупроводникам относятся некоторые вещества, образованные химическими эле­ментами (силиций, германий, селен и др.), а также оксиды (Cu₂O, Zn и др.), сульфиды (Pb, Ag₂S, Cd и др.) и большое количество естественных и искусственных веществ. Ис­ключительно важные свойства полупровод­ников обусловили их широкое использо­вание в технике.

На этой странице материал по темам:

• Доклад на тему полупроводники по физике 8 класс

• Полупроводники сообщение 8 класс кратко

• Шпоры полупроводники

• Кратко о том что такое проводники

• Исследования полупроводников история кратко

Вопросы по этому материалу:

• На рис.

  8.5 изображены электрические цепи с металлическим и полупроводниковым (термистор) резисторами. Как будут изменя­ться показания гальванометров в обоих случаях, если резисторы подогревать?

• На одну плоскость металлической пластинки нанесено полупро­водниковое вещество, например селен. Как определить эту плос­кость?

01.04.10 — Физика полупроводников — ФМХФ

ПРОГРАММА-МИНИМУМ

кандидатского экзамена по специальности
01.04.10 «Физика полупроводников»
по техническим и физико-математическим наукам

Введение

В основу настоящей программы положены основные разделы физики полупроводников, касающиеся основных физических проблем данной области, основ технологии и работы приборов на базе полупроводниковых материалов.

Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по физике при участии Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, ИФП СО РАН, ИРЭ РАН, ФИАН им. П.Н.Лебедева, ИФМ РАН (Нижний Новгород) и СПбГТУ.

1. Химическая связь и атомная структура полупроводников

Электронная конфигурация внешних оболочек атомов и типы сил связи в твердых телах. Ван-дер-ваальсова, ионная и ковалентная связь. Структуры важнейших полупроводников — элементов A ^IV, A^VI и соединений типов A^IIIB^V, A^IIB^VI, A^IVB^VI. Симметрия кристаллов. Трансляционная симметрия кристаллов. Базис и кристаллическая структура. Элементарная ячейка. Примитивная ячейка. Ячейка Вигнера-Зейтца. Решетка Браве. Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле. Обратная решетка, ее свойства. Зона Бриллюэна. Примеси и структурные дефекты в кристаллических и аморфных полупроводниках. Химическая природа и электронные свойства примесей. Точечные, линейные и двумерные дефекты.

2. Основы технологии полупроводников и методы определения их параметров

Методы выращивания объемных монокристаллов из жидкой и газовой фаз. Методы выращивания эпитаксиальных пленок (эпитаксия из жидкой и газовой фазы). Молекулярно-лучевая эпитаксия. Металлорганическая эпитаксия. Методы легирования полупроводников. Основные методы определения параметров полупроводников: ширины запрещенной зоны, подвижности и концентрации свободных носителей, времени жизни неосновных носителей, концентрации и глубины залегания уровней примесей и дефектов.

3. Основы зонной теории полупроводников

Основные приближения зонной теории. Волновая функция электрона в периодическом поле кристалла. Теорема Блоха. Зона Бриллюэна. Энергетические зоны. Законы дисперсии для важнейших полупроводников. Изоэнергетические поверхности. Тензор обратной эффективной массы. Плотность состояний. Особенности Ван-Хова. Уравнения движения электронов и дырок во внешних полях. Метод эффективной массы. Искривление энергетических зон в электрическом поле. Движение электронов и дырок в магнитном поле. Определение эффективных масс из циклотронного (диамагнитного) резонанса. Связь зонной структуры с оптическими свойствами полупроводника. Уровни энергии, создаваемые примесными центрами в полупроводниках. Доноры и акцепторы. Мелкие и глубокие уровни. Водородоподобные примесные центры.

4. Равновесная статистика электронов и дырок в полупроводниках

Функция распределения электронов. Концентрация электронов и дырок в зонах, эффективная плотность состояний. Невырожденный и вырожденный электронный (дырочный) газ. Концентрации электронов и дырок на локальных уровнях. Факторы вырождения примесных состояний. Положение уровня Ферми и равновесная концентрация электронов и дырок в собственных и примесных (некомпенсированных и компенсированных) полупроводниках. Многозарядные примесные центры.

5. Кинетические явления в полупроводниках

Кинетические коэффициенты — проводимость, постоянная Холла и термо-ЭДС. Дрейфовая скорость, дрейфовая и холловская подвижности, фактор Холла. Дрейфовый и диффузионный ток. Соотношение Эйнштейна. Механизмы рассеяния носителей заряда в неидеальной решетке. Взаимодействие носителей заряда с акустическими и оптическими фононами. Рассеяние носителей заряда на заряженных и нейтральных примесях. Горячие электроны. Отрицательная дифференциальная проводимость. Электрические неустойчивости; электрические домены и токовые шнуры.

6. Рекомбинация электронов и дырок в полупроводниках

Генерация и рекомбинация неравновесных носителей заряда. Квазиравновесие, квазиуровни Ферми. Уравнение кинетики рекомбинации. Времена жизни. Фотопроводимость. Механизмы рекомбинации. Излучательная и безызлучательная рекомбинация. Межзонная рекомбинация. Рекомбинация через уровни примесей и дефектов. Центры прилипания. Оже-рекомбинация. Пространственно неоднородные неравновесные распределения носителей заряда. Амбиполярная диффузия. Эффект Дембера. Длина диффузии неравновесных носителей заряда.

7. Контактные явления в полупроводниках

Схема энергетических зон в контакте металл-полупроводник. Обогащенные, обедненные и инверсионные слои пространственного заряда вблизи контакта. Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки. Энергетическая диаграмма p-n перехода. Инжекция неосновных носителей заряда в p-n переходе. Гетеропереходы. Энергетические диаграммы гетеропереходов. Варизонные полупроводники. 8. Свойства поверхности полупроводников Поверхностные состояния и поверхностные зоны. Искривление зон, распределение заряда и потенциала вблизи поверхности. Поверхностная рекомбинация. Эффект поля. Таммовские уровни. Скорость поверхностной рекомбинации.

9. Оптические явления в полупроводниках

Комплексная диэлектрическая проницаемость, показатель преломления, коэффициент отражения, коэффициент поглощения. Связь между ними и соотношения Крамерса-Кронига. Межзонные переходы. Край собственного поглощения в случае прямых и непрямых, разрешенных и запрещенных переходов. Экситонное поглощение и излучение. Спонтанное и вынужденное излучение. Поглощение света на свободных носителях заряда. Поглощение света на колебаниях решетки. Рассеяние света колебаниями решетки, комбинационное рассеяние на оптических фононах (Рамана — Ландсберга), рассеяние на акустических фононах (Бриллюэна — Мандельштама). Влияние примесей на оптические свойства. Примесная структура оптических спектров вблизи края собственного поглощения в прямозонных и непрямозонных полупроводниках. Межпримесная излучательная рекомбинация. Экситоны, связанные на примесных центрах. Оптические явления во внешних полях. Эффект Франца-Келдыша. Эффект Поккельса. Эффект Бурштейна-Мосса. Эффекты Фарадея и Фойгта.

10. Фотоэлектрические явления

Примесная и собственная фотопроводимость. Влияние прилипания неравновесных носителей заряда на фотопроводимость. Оптическая перезарядка локальных уровней и связанные с ней эффекты. Термостимулированная проводимость. Фоторазогрев носителей заряда. Фотоэлектромагнитный эффект.

11.

Некристаллические полупроводники Аморфные и стеклообразные полупроводники. Структура атомной матрицы некристаллических полупроводников. Идеальное стекло. Гидрированные аморфные полупроводники. Особенности электронного энергетического спектра неупорядоченных полупроводников. Плотность состояний. Локализация электронных состояний. Щель подвижности. Легирование некристаллических полупроводников. Механизмы переноса носителей заряда. Прыжковая проводимость. Закон Мотта. Спектры оптического поглощения некристаллических материалов. Правило Урбаха. Нестационарные процессы. Определение дрейфовой подвижности по измерениям времени пролета. Дисперсионный перенос. Влияние внешних воздействий на свойства некристаллических полупроводников. Метастабильные состояния.

12. Полупроводниковые структуры пониженной размерности и сверхрешетки

Размерное квантование. Двумерные и квазидвумерные электронные системы и структуры, в которых они реализуются. Контра- и ковариантные композиционные сверхрешетки, легированные сверхрешетки легирования. Квантовые нити. Квантовые точки. Энергетический спектр электронов и плотность состояний в этих системах. Оптические явления в структурах с квантовыми ямами, правила отбора для межзонных и внутризонных (межподзонных) переходов. Межзонное поглощение и излучательная рекомбинация в этих структурах. Экситоны в квантовых ямах, квантово-размерный эффект Штарка. Электрические и гальваномагнитные явления в двумерных структурах. Эффект Шубникова-де Гааза. Общее представление о квантовом эффекте Холла.

13. Принципы действия полупроводниковых приборов

Вольтамперная характеристика p-n перехода. Приборы с использованием p-n переходов. Туннельный диод. Диод Ганна. Биполярный транзистор. Тиристор. Энергетическая диаграмма структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Полевые транзисторы на МДП-структурах. Приборы с зарядовой связью. Шумы в полупроводниковых приборах. Фотоэлементы и фотодиоды. Спектральная чувствительность и обнаружительная способность. Полупроводниковые детекторы ядерных излучений. Фотоэлектрические преобразователи, КПД преобразования. Светодиоды и полупроводниковые лазеры. Инжекционные лазеры на основе двойной гетероструктуры. Использование наноструктур в полупроводниковых приборах. Гетеротранзистор с двумерным электронным газом (HEMT). Гетеролазеры на основе структур с квантовыми ямами и квантовыми точками. Резонансное туннелирование в двухбарьерной гетероструктуре и резонансно-туннельный диод. Оптический модулятор на основе квантово-размерного эффекта Штарка.

Основная литература

Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1979. Займан Дж. Принципы теории твердого тела. М.: Мир, 1974. Киреев П.С. Физика полупроводников. М.: Высш. шк., 1975. Шалимова К.В. Физика полупроводников. М.: Энергоатомиздат, 1985. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. Мотт Н., Мотт Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир, 1974. Мотт Ю.И. Оптические свойства полупроводников. М.: Наука, 1977.

Примечание. При подготовке к экзамену по техническим наукам необходимо особое внимание обратить на раздел 13 программы.

8 класс. Проводники, полупроводники и непроводники электриичества

8 класс. Проводники, полупроводники и непроводники электриичества

Подробности

Просмотров: 240

Назад в «Оглавление» — смотреть

1. На какие группы делят вещества по способности передавать электрические заряды?

По способности проводить электрические заряды вещества условно делятся три группы:
— проводники,
— полупроводники,
— непроводники (диэлектрики).

2. Какие тела называются проводниками?

Проводниками называются тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Примеры проводников:
— все металлы, почва, растворы солей и кислот в воде — хорошие проводники электричества.
— тело человека также хорошо проводит электрический заряд.

3. Какие тела называются непроводниками (диэлектриками)?

Непроводниками (диэлектриками) называются тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Примеры непроводников:
— фарфор, эбонит, стекло, янтарь, резина, шелк, капрон, пластмассы, керосин, воздух (газы).
Тела, изготовленные из диэлектриков, называются изоляторами.

4. Какие тела называются полупроводниками?

Полупроводниками называются тела, которые по способности передавать электрические заряды занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Примеры полупроводников:
— германий, кремний,
— оксиды и сульфиды металлов,
— некоторые органические вещества.

5. Какой характерной особенностью обладают полупроводники?

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток и являются диэлектриками.
Характерной особенностью полупроводников является возрастание их проводимости с повышением температуры.
Повышение электропроводности полупроводников может происходить и под воздействием света, потока быстрых частиц, а также при введении примесей.

6. Где применяют полупроводниковые приборы?

Полупроводники используются при создании транзисторов, тиристоров, полупроводниковых диодов, фоторезисторов.
Применение интегральных микросхем в теле-, радио- и компьютерных приборах позволяет создавать устройства малых размеров.

Назад в «Оглавление» — смотреть

Открытая Физика. Электрический ток в полупроводниках

По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает (см. рис. 1.12.4). У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (рис. 1.13.1).

Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T

Такой ход зависимости ρ (T) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре слабо связанных электрона. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рис. 1.13.2). Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок. Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник поместить в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного I_n и дырочного I_p токов: I = I_n + I_p.

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: n_n = n_p. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электрическая проводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную.

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).

Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа

На рис. 1.13.3 показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле n_n >> n_p. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.

Атом индия в решетке германия. Полупроводник p-типа

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рис. 1.13.4 показан атом индия, который с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: n_p >> n_n. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.

Для полупроводников n— и p-типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.

Физика полупроводников и полупроводниковых приборов

АННОТАЦИЯ

к программе повышения квалификации 

Цель программы. Повышение квалификации, приобретение новых знаний и практических навыков в области физических процессов, протекающих в полупроводниках и полупроводниковых приборах, применяемых в бортовых и наземных подсистемах космических комплексов.

В результате освоения программы слушатель должен:

1. Владеть зонной теорией полупроводников, основными положениями физики материалов полупроводниковой, вакуумной и квантовой электроники

2. Знать общие физические принципы полупроводниковой электроники, движение носителей зарядов в полупроводниках, электрические переходы.

3. Уметь использовать полученные знания о физических основах полупроводников в практической деятельности — при разработке и конструировании бортовых и наземных подсистем космических комплексов. 

Категория слушателей — Инженерно-технические работники предприятия.

Трудоёмкость программы — 50 часов.

Форма обучения — очная, очно-заочная.

ПОСМОТРЕТЬ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРОГРАММЫ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ

				Аудиторные занятия, час.				Текущий контроль (шт.)			Промежуточная аттестация
№ п/п	Наименование дисциплин	Общая трудоёмкость, час.	Всего, ауд. час.	лекции	лаб. занятия	практические занятия, семинары	СРС, час.	РК, РГР, Реф.	КР	КП
2.1	Общие физические принципы электроники. Катодная электроника. СВЧ электроника.	24	10	6	0	4	14	0	0	0	0
2. 1.1	Зонная теория полупроводников	8	4	2	0	2	4	0	0	0	0
2.1.2	Физические принципы катодной электроники	4	2	2	0	0	2	0	0	0	0
2. 1.3	Физические принципы СВЧ электроники	12	4	2	0	2	8	0	0	0	0
2.2	Физические принципы полупроводниковой электроники	16	10	4	4	2	6	0	0	0	0
2. 2.1	Движение носителей заряда в полупроводниках	9	6	2	2	2	3	0	0	0	0
2.2.2	Электрические переходы. ВАХ р-n перехода	7	4	2	2	0	3	0	0	0	0
2.3	Квантовая электроника	8	4	2	0	2	4	0	0	0	0
2. 3.1	Физические основы квантовой электроники	5	3	1	0	2	2	0	0	0	0
2.3.2	Принципы квантовой генерации света	3	1	1	0	0	2	0	0	0	0
2. 4	Итоговая аттестация	2	2	0	0	0	0	0	0	0	2	Экзамен
2. 4.1	Итоговая аттестация	2	2	0	0	0	0	0	0	0	2	Экзамен
	Итого	50	26	12	4	8	24	0	0	0	2

Уточнить информацию Вы можете по телефонам: 8-499-158-43-90, 8-499-158-97-25
E-mail: fpkitr@mail. ru

Проводники, полупроводники и непроводники электричества

На прошлом уроке мы уже затрагивали тему проводников и непроводников электричества. Сегодня мы остановимся на этом более подробно. Подобно хорошей и плохой теплопроводности, существует хорошая и плохая электропроводность.

Итак, проводники — это такие тела, которые обладают способностью передавать электрические заряды от заряженного тела к незаряженному.

Как мы уже и говорили, металлы являются хорошими проводниками. Также, вода, соли, кислоты и щёлочи хорошо проводят электричество. Свободные электроны, перемещаясь по проводникам, передают тот или иной заряд.

Непроводники — это тела, которые не способны передавать заряды от заряженного тела к незаряженному.

На прошлом уроке мы уже выяснили, что резина и пластмассы не проводят электричество, поэтому часто используются для изоляции. Также, к непроводникам относятся газы, стекло, сухое дерево и т.д.

Наконец, существуют полупроводники. Это тела, которые не проводят электричество при низких температурах, но начинают проводить электричество при более высоких температурах. Как мы помним, с повышением температуры колебания молекул внутри тела возрастают. Поэтому, при достаточной амплитуде колебаний, в полупроводниках возникают свободные электроны и, соответственно, электрический ток. Примерами полупроводников являются германий и кремний, которые довольно широко используются людьми.

Полупроводники могут быть использованы в качестве термометров, поскольку их проводимость зависит от температуры. Также, их можно использовать как температурно зависимые резисторы (т.е. электрическое сопротивление будет увеличиваться с понижением температуры). Это нужно, например, для того, чтобы при достижении определённой температуры тот или иной участок цепи прекращал проводить ток, или же, напротив — начинал проводить ток. Более подробно о проводимости и электрическом сопротивлении мы поговорим немного позже.

Существует ещё и такое понятие, как фотопроводимость — это явление повышения электропроводности вещества под воздействием света. Это свойство широко используется для осуществления дистанционного управления и сигнализации. Существует довольно много приборов, основанных на изменчивости электропроводности в полупроводниках. Самые известные из них — это телевизор, радио и компьютер. Принцип работы аппаратуры подобной сложности объяснить довольно не просто на данном этапе, поэтому более подробно это будет изучено в старших классах.

Заметим ещё одну важную деталь: тела, не являющиеся проводниками, вполне могут обладать способностью наэлектризовываться. Ни в коем случае нельзя путать эти явления: электризация происходит при соприкосновении тел, а проводимость возникает внутри тела. Электризация происходит в результате перехода электронов от одного тела к другому, а электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.

Полупроводниковая электроника / Хабр

Полупроводниковая электроника существенно изменила мир. Многие вещи, которые долгое время не сходили со страниц произведений фантастов стали возможны. Чтобы знать, как работают и чем уникальны полупроводниковые приборы, необходимо понимание различных физических процессов, протекающих внутри.

В статье разобраны принципы работы основных полупроводниковых устройств. Описание функционирования изложено с позиции физики. Статья содержит вводное описание терминов, необходимых для понимания материала широкому кругу читателей.

Иллюстраций: 34, символов: 51 609.

На Хабре в последнее время появилось большое количество тематических статей по различным полупроводниковым устройствам и их параметрам. Не удивительно, что данный материал особенно интересен новичкам в области электроники, поскольку современное изобилие различных устройств обязано именно полупроводниковой электронике. Данный материал следует расценивать как некоторое дополнение к прекрасным статьям AveNat, Dooez и IIIa66uMEM6eP, опубликованным в этом блоге. Описание, приведённое в статье, изложено с целью рассказать больше о физической стороне вопроса, хотя некоторые технические особенности также указаны. Помимо всего прочего материал частично перекликается с уже опубликованными статьями, что также является плюсом для изучающих материал, поскольку информация об одном и том же из разных уст продвигает ближе к истине. Традиционно материал рассчитан на широкий круг читателей, поэтому изложение достаточно подробное. Быстро можно ознакомиться с содержанием по резюмирующим абзацам, которые находятся в конце каждого раздела. В конце статьи для интересующихся размещён список дополнительных источников знаний.

Современные электрические приборы являются очень сложными устройствами. Физические детали их функционирования не всегда легко поддаются пониманию. Для того, чтобы ясно представлять принцип работы того или иного устройства, необходимо знать базовые физические явления, лежащие в их основе. Поэтому, для того чтобы далее вести разговор на одном языке, ниже представлено краткое описание таких понятий как электрическое поле, электрический ток и диффузия.

С позиции физики электрическое поле — это некоторая материя, которая существует «рядом» с заряженными телами. Следует отметить, что такие термины как материя, тело и заряд обсуждаться здесь не будут, т.к. это темы дискуссий на грани физики и философии. Следует лишь уяснить, что это всё связано с явлением электричества и соответственно под зарядом понимается электрический заряд. Для большей наглядности можно взглянуть на рисунок ниже.

На картинке размещено два объекта — шарики. Каждый шарик обладает особой характеристикой — зарядом. Данный заряд может быть либо положительным, либо отрицательным. Эти два шарика взаимодействуют друг с другом через электрическое поле, которое находится «вокруг» них. В этом и проявляется сущность электрического поля: оно обусловлено существованием определённых электрических сил между заряженными телами. Данные силы таковы, что если у шариков заряды одинакового знака, то они друг от друга будут отдаляться, если разного, то наоборот — приближаться. Более подробно вопрос можно изучить в физических учебниках по тематике закона Кулона и электростатического поля.

Для удобства, электрическое поле характеризуют специальной величиной — напряжённостью. Она нужна для того, чтобы сравнивать какое поле «сильнее», а какое «слабее». То, по каким формулами рассчитывается и в каких единицах измеряется в данном случае не важно. Главное то, что чем больше напряжённость электрического поля, тем «сильнее» оно действует на заряженное тело. Также данная характеристика поля имеет направление. В этом случае говорят, что напряжённость — векторная величина, поскольку вектор обычно имеет какое-то направление. Направление необходимо знать, чтобы определить в какую сторону будет поле «толкать» заряженное тело. Прояснить ситуацию можно с помощью рисунка и одной формулы.

На картинке один шарик, помещённый в электрическое поле. В данном случае не важно какими заряженными телами поле было образовано. Поле характеризуется напряжённостью, которая имеет определённое направление. Шарик имеет определённый заряд какого-то знака. Формула, приведённая на рисунке, говорит о том, что если заряд шарика положителен, то поле его «толкает» вперёд (говорят по полю), если отрицателен, то против поля.

Простейшим примером реальных заряженных тел является электрон. Который, являясь чисто квантовым объектом и «живя» по «волшебным» законам, в некотором приближении можно считать шариком, для которого справедливы все рассуждения выше. Заряд у электрона отрицательный, поэтому он «летит» против поля.

Помимо всего прочего, кроме напряжённости, которая описывает силовые характеристики электрического поля, вводят ещё одну характеристику — потенциал. Потенциал является энергетической характеристикой. Энергия в физике вообще штука интересная и её понимание тоже относится к разряду философско-физических дискуссий. Из-за своих свойств она очень удобна для математических расчётов. Останавливаться на этом вопросе здесь не будем.

Потенциал описывает энергетические свойства каждой точки, где есть поле и в общем случае для каждой точки он разный. Особый интерес представляет разность потенциалов. Между разностью потенциалов и напряжённостью поля есть связь. Суть данного понятия можно уяснить из рисунка ниже. Разность потенциалов обычно именуют напряжением (не путать с напряжённостью). Это не совсем то напряжение, которое меряют в электрических цепях с помощью вольтметра, хотя некоторая связь есть. Опять-таки все тонкости можно извлечь из учебников по физике.

В физике любое движение заряженных тел, имеющее чёткое направление, называют током. В данном случае — электрическим током. Очень важно, что движение заряженных тел может происходить не только из-за действия поля на них. По причине того, что существует выделенное направление, ток также имеет какое-то направление. Исторически сложилось, что для движения заряженных отрицательно частиц ток считают направленным в обратную сторону. Подробнее об этом на рисунке.

На практике, обычно используют величину — сила тока, которую просто называют ток, и которая измеряется в Амперах. Эта величина описывает то, как много заряженных тел «пролетает» в единицу времени через определённую область (сечение материала). Связь между током (силой тока) и напряжением определяется законом Ома (формула на картинке). Эти две величины связывает коэффициент, который называют сопротивлением. Данный коэффициент характеризует материал и различные физические явления, которые сопровождают течение тока в этом материале. Обычно сопротивление это просто какое-то число, хотя бывают и более сложные случаи. Об этом можно почитать в учебниках. Иногда для удобства используют вместо сопротивления другую величину — проводимость. Разница между ними ясна из названия: чем больше сопротивление у материала, тем у него хуже (меньше) проводимость.

Среди электрических явлений ещё одной очень интересной особенностью является то, что если имеются какие-либо скопления разноимённых зарядов, то между ними возникает электрическое поле (напряжение), это указывает на то, что такая система хранит энергию электрического поля. Данные системы численно характеризуются параметром — электрическая ёмкость. На данном принципе работают популярные электрические устройства — конденсаторы. Не будем вдаваться в нюансы.

Также нужно понимать, что электрические явления есть частный случай проявление электромагнетизма, о котором можно подробнее почитать в литературе, которая приведена в конце статьи.

Резюме

В основе электроники лежат различные физические явления электрической природы. Наиболее важными понятиями являются электрическое поле заряженных частиц и их электрический ток. Электрическое поле характеризуется напряжённостью и распределением потенциала. Наличие разности потенциалов говорит о наличии электрического поля и наоборот. Под действием каких-либо сил, в том числе и со стороны электрического поля, возникает электрический ток (упорядоченное движение зарядов). Скопления разноимённых зарядов хранят энергию электрического поля и характеризуются электрической ёмкостью (конденсаторы).

У энергии, существует одна особенность, она всегда стремится быть минимально возможной в любой ситуации. Это закон природы. В некотором роде вообще всё, что происходит вокруг нас можно объяснить именно этим законом. Его иногда называют принципом наименьшей энергии. Собственно поэтому после прыжка мы всегда падаем вниз, кофе всегда остывает, дует куда-нибудь ветер и т.д. Этим же принципом объясняется явление диффузии. Для наглядного представления можно посмотреть, что будет, если кусочек сахара поместить в стакан с водой и не размешивать.

Растворившись, частички сахара будут находиться в одном месте, допустим на дне стакана. Через некоторое время можно будет заметить, что вся вода в стакане стала сладкая, т.е. частички сахара разместились полностью по всему объёму стакана. Это показано схематично на рисунке ниже.

Вот такое поведение частичек какого-нибудь вещества называют диффузией. Поэтому можно сказать, что раз все объекты состоят из молекул и атомов, то при наличии области, где частиц (молекул или атомов) больше, чем в других областях, то возникает перенос из области большей концентрации в меньшую. Другими словами природа стремится всё уровнять, чтобы минимизировать энергию, привести к состоянию равновесия (иногда говорят в равновесное состояние).

Резюме

Благодаря законам природы частички вещества, если их где-то много, всегда будут стремиться туда, где их мало. Это явление называется диффузией.

Представление о том, как устроены различные материалы очень и очень сложно. Существуют различные направления в физике, которые изучают те или иные вопросы, касающиеся веществ. Для понимания полупроводниковой электроники основной интерес представляют твёрдые тела. Различные тонкости этого вопроса можно изучить в учебниках по физике твёрдого тела или материаловедению. Основная (поверхностная) идея же заключается в том, что все твёрдые тела можно представить в виде решёток. Это определённые структуры, которые состоят из атомов. На картинке ниже представлены некоторые типы моделей решёток. Чёрные точки на рисунке — это атомы.

Свойства различных материалов определяются типами их решёток, видами атомов, а также рядом других факторов. Любое рассуждение о структуре вещества, в конечном счёте, приведёт к вопросам квантовой физики с её «волшебными» явлениями.

Для описания «внутренностей» материалов хорошо подходит зонная теория твёрдого тела. Данная теория неразрывно связана с понятием энергии. Выше уже говорилось о специфичности термина «энергия». Здесь и в дальнейшем не будем углублять данное понятие. Узнать о том, какую роль играет энергия, можно из обыкновенной модели атома, взглянув на рисунок ниже.

На картинке представлена грубая модель атома в виде слоёной структуры. В центре размещено ядро атома, которое окружено электронными облаками. Электронные облака — это и есть собственно электроны. Такое представление электрона больше похоже на правду, нежели представление в виде шариков с точки зрения квантовой физики. Электронный слой ещё именуют электронным уровнем. Дело в том, что на каждом уровне электроны обладают какой-то энергией. Чем «дальше» от ядра — тем больше энергия. Также такую структуру удобно изображать в виде энергетической диаграммы, которая также приведена на рисунке выше. Такую диаграмму часто можно встретить в учебниках по физике. Энергия обозначается буквой Е. Самый верхний энергетический уровень называют валентным.

Когда атомы «соединяются» друг с другом, образуя решётку, т.е. формируют некоторое тело (материал) энергетические уровни у них меняются из-за того, что атомы действуют друг на друга. И среди энергетических уровней наблюдается определённый порядок: энергетические уровни делятся на так называемые зоны. Отсюда и название — зонная теория. На рисунке ниже представлены возможные случаи распределения зон. Следует отметить, что это характеристики всего материала.

Нижняя зона называется валентной зоной. Электроны, которые находятся там, относятся к атомам. Электроны, которые находятся в верхней зоне, являются «общими». Эти электроны очень хорошо реагируют на электрическое поле и непосредственно отвечают за формирование электрического тока в веществе, т.е. за его электрические свойства. Такая зона называется зоной проводимости. Между ними находится запрещённая зона. На картинке также видно, как зависят от ширины запрещённой зоны свойства материалов и принадлежность к тому или иному классу веществ. Видно, что у металлов зоны перекрываются, поэтому у них электроны легко становятся «общими» и соответственно их в зоне проводимости много и течёт хороший заметный ток. У полупроводников зоны находятся на некотором расстояние, но не значительном. Это значит, что электрон может «перепрыгнуть» через эту зону, если получит извне достаточно энергии. У диэлектриков зона шире, поэтому «перекинуть» электроны в зону проводимости трудно, в результате чего токи там текут очень маленькие. И вообще говорят, что диэлектрики токи не проводят.

Есть ещё ряд не менее важных моментов, но здесь рассмотрение их будет опущено и для начального понимания сути физической природы, достаточно будет и этих данных.

Резюме

Для описания свойств твёрдых тел используется зонная теория. Суть теории заключается в том, что внутри материала существуют электроны, которые могут учувствовать в образование электрического тока, остальные же принадлежат атомам. Если подавать на материал энергию (свет, тепло, электрическое поле), то можно «отрывать» электроны от атома для того, чтобы они проводили ток. Есть материалы, где это легко сделать, а есть где сложно. «Золотую середину» занимает класс материалов — полупроводники. В действительности все свойства веществ описываются квантовой физикой.

Чем же так особенны полупроводниковые материалы, что они совершили революционный переворот в технике? Весь секрет кроется именно в достаточно узкой запрещённой зоне. Давая электронам какую-нибудь энергию, можно регулировать проводимость материала. Это может быть
электрическое поле, свет (электромагнитные волны), температура и т.д. Это и объясняет колоссально широкое применение полупроводниковых приборов.

Для более детального рассмотрения следует ввести некоторые термины, используемые в теории. В первую очередь «дырки». Дело вот в чём. Если из валентной зоны «улетит» электрон, то там останется свободное место. На это место может «прилететь» другой электрон. Т.к. электрон имеет отрицательный электрический заряд, то «улетая» от атома, он уносит собой этот кусочек общего заряда атома и атом становится чуть-чуть положительней. Конечно рассуждения грубы, но это наводит на мысль о том, что можно представить, что на месте электрона образовалась дырка, которая «несёт» положительный заряд. Это настолько удачная мысль, что в теории полупроводников эти «дырки» называют даже частицами. Хотя на самом деле это никакая не частица, а просто вот такой трюк. Этот трюк удобен для теории, поэтому останавливаться подробно не будем на этом, но терминологию такую использовать будем. Также «дырки» и электроны в теории полупроводников называют p и n частицами от positive и negativе соответственно.

Теперь уже с новой терминологией можно говорить, что когда подаётся на полупроводник энергия, которой хватает для «перескока» электрона, то образуется пара p и n. При температуре больше 0 Кельвина (это в человеческих единицах -273 по Цельсию) всегда есть какое-то количество энергии, которое подаётся на полупроводник из-за температуры. Поэтому если взять какой-нибудь кусок полупроводника, то можно с полной уверенностью говорить, что в нём постоянно генерируются и исчезают (рекомбинируют) пары p и n частиц. Этот процесс идёт постоянно и в таком материале есть всегда какое-то количество электронов и дырок, которые уже создались, но не успели ещё рекомбинировать. Их количество одинаковое, раз они образуются парами. Но этого мало. Для того, чтобы полупроводники применять в практических целях, создают специальные материалы с заведомо установленными параметрами. В данном случае вносят в чистый полупроводник какое-нибудь дополнительное вещество, которое увеличивает или количество электронов или «дырок». Такие полупроводники называют примесными (потому что в них примешали что-то). Одни называют полупроводниками n-типа, другие p-типа. Физические тонкости трогать не будем, об этом можно почитать в дополнительной литературе.

Раз в полупроводниках существует два типа частиц с зарядом, способных упорядоченно двигаться, то существует в полупроводниках два типа тока: электронный и дырочный. Кроме того, двигаться частицы эти могут либо из-за электрического поля, либо из-за диффузии. Соответственно токи ещё могут быть или диффузионными или дрейфовыми.

Наиболее популярными полупроводниковыми материалами на данный момент являются кремний, германий и соединение арсенид галлия.

Сложной и самой важной конструкцией в полупроводниковых приложениях является контакт полупроводников p-типа и n-типа, так называемый pn-переход.

Резюме

Полупроводниковые материалы обладают относительно узкой запрещённой зоной, что делает их гибкими в электрических применениях. В терминологии теории применяется понятие «дырка», которая интерпретируется как частица и может создавать электрической ток. «Дырка» является свободным местом под электрон и «имеет» положительный заряд. В чистом полупроводнике равное количество электронов и «дырок». Для технических применений создают специальные материалы с большим количеством или «дырок» (p-тип) или электронов (n-тип).

Если взять два полупроводниковых материала и соединить их так, как показано на рисунке ниже, то можно получить pn-переход. На самом деле так не делают, потому что невозможно получить общую кристаллическую решётку просто приложив два материала, но для общих представлений достаточно и такой модели.

Напомню, что в чистый полупроводник добавили примесь, благодаря которой, материал стал обладать повышенной концентрацией зарядов, в одном случае «дырок», в другом — электронов.

Как только два материала «соединили», образовав единый кусок вещества, возникает явление диффузии, которое стремится уровнять концентрации частиц по всему объёму. Самое интересное здесь будет происходить на границе, где рекомбинируют (уничтожаются) электроны и «дырки». В конечном счёте около границы двух материалов возникнет тонкий слой без «дырок» и электронов, т.е. весь заряд скомпенсировался. Однако, примеси, которые были добавлены в материалы, здесь вносят свой вклад. Эти примеси представляют собой ионы (атомы), которые имеют также какой-то заряд. Этот слой показан на рисунке.

Тот факт, что имеются заряженные ионы, и предотвращает дальнейший рост слоя рекомбинированных пар электронов и «дырок». Дело в том, что между двумя противоположно заряженными областями образуется электрическое поле, напряжённость которого направлена от положительной области к отрицательной. В итоге возникает равновесие в материале: при определённой толщине слоя, поле будет на столько сильным, чтобы отправлять обратно заряженные частицы (p и n), которые будут стремиться перетекать под действие диффузии в другую область. Противоборство электрического поля и диффузии и образуют pn-переход. На рисунке ниже это представлено более наглядно.

На рисунке квадратиками обозначены ионы, а кружочками частицы (p и n). Следует отметить, что если проводник n-типа — это ещё не значит что там только электроны, там также есть и дырки, но их очень мало. Это видно по диаграмме, которая нарисована на листочке. Можно догадаться, что для тех частиц, которых мало в той или иной области поле будет их ускорять, т.е. пропускать. Это так называемый ток неосновных носителей заряда. Если pn-переход никак не трогать, то данные токи равны и соответственно общий ток равен нулю.

Самые интересные свойства pn-перехода проявляются если на него воздействовать какой-нибудь энергией, например, электрической.

• Ситуация №1. На концы куска материала, где присутствует pn-переход, подключены провода, которые создают разность потенциалов, в результате чего можно говорить о том, что внешним источником энергии создаётся некоторое поле с напряжённостью E. Его обычно так и называют — внешним полем. Конструкция показана на рисунке ниже.

  В области контакта отсутствуют основные носители заряда, т.к. они все рекомбинировали. Соответственно это можно интерпретировать, как участок с большим сопротивлением. По крайней мере большим, чем остальной объём полупроводника. Также в виду того, что там присутствует поле, можно говорить, что имеется некоторая разность потенциалов, которую обычно называют контактной. Также говорят, что эта разность потенциалов формирует потенциальный барьер. Углубляться в этот вопрос не будем. Однако с этим связаны не менее интересные вещи, к примеру, именно этот потенциальный барьер определяет то, какое напряжение будет на переходе, если рассматривать pn-переход включённым в некоторую электрическую цепь. Вообще величина данного барьера зависит от типа материала. Поэтому различные полупроводниковые приборы, сделанные из разных материалов, отличаются рядом параметров, в том числе и падающим напряжением на переходе.

  Можно заметить, что внешнее поле и то, что имеется внутри соединения, имеют разные направления. В связи с этим, внешнее поле перекроет внутреннее и оно не будет оказывать влияния на материал. Это приведёт к тому, что переход выйдет из равновесия. Соответственно диффузионный ток уже сдерживаться не будет, а дрейфовый (неосновных носителей заряда) наоборот — будет подавляться. Таким образом, видно, что подключение вот по такой схеме, как на рисунке, приводит к появлению тока внутри полупроводника, причём ток направлен от p области к n области. Данную ситуацию называют «прямое смещение» pn-перехода.
  

• Ситуация №2. Та же самая конструкция, но потенциалы на концах материала поменялись местами. Такая ситуация тоже интересна. Конструкция показана на рисунке ниже.

  В этом случае внешнее поле направлено в одну сторону с внутренним, что, конечно же, приводит к повышению дрейфового тока неосновных носителей заряда, т.к. неосновных носителей мало, то величина такого тока мала. Данную ситуацию называют «обратное смещение» pn-перехода.

• Ситуация №3. Та же самая конструкция, но теперь провода не будут подключены к источнику энергии, они будут просто соединены между собой. Внешним источником энергии будет выступать излучение, например свет. Конструкция показана на рисунке ниже.

  То как свет действует на материал — это тематика отдельного разговора и понятно рассказать без использования квантовой электродинамики сложно. Поэтому будем просто считать, что в тот момент, когда свет попадает на pn-переход, там образуются пары электрон-«дырка». Т.к. присутствует внутреннее поле, то это поле «выкидывает» частицы подальше друг от друга так, что они не успевают уничтожиться. Если посмотреть на провод, который соединяет p и n части конструкции, то там будет течь некоторый ток. Нужно отметить, что не всякое излучение может создавать такие пары частиц, т.е. нужен «определённый» свет. Эта определённость заключается в длине волны или частоте излучения. Проще говоря, если посветить на один и тот же pn-переход синим фонариком, а затем красным, то не факт, что он будет в том и другом случае создавать ток в проводе. На этом принципе работают солнечные панели. Более эффективно такая система будет работать, если совместить её с обратным включением pn-перехода, тогда можно с помощью света управлять уже значительным током во внешней цепи.

• Ситуация №4. Конструкция аналогична первой ситуации.

  Дело в том, что энергия, о которой постоянно идёт речь и которая очень важна для физики, обладает таким свойством, что она ниоткуда не берётся и никуда не уходит, она лишь способна менять свою форму. Когда электрон с дыркой рекомбинируют, а это, если вспомнить про зонную теорию, значит, что электрон встал на своём место в валентной зоне, т.е. уменьшил свою энергию. Данная энергия никуда не исчезает, а лишь трансформируется. Можно сделать такие конструкции, что эта энергия будет излучаться в виде света. Тогда можно использовать pn-переход в качестве излучателя. От типа примеси значительно зависит частота (длина волны) излучения. Другими словами, подмешивая разные примеси в полупроводник, можно управлять цветом его излучения. Существуют также более сложные конструкции с несколькими pn-переходами. Какой из них будет светить — зависит от тока. Так можно делать излучатель на несколько цветов.

В инженерной и научной практике обычно, для наглядности отображения свойств каких-нибудь сложных физических структур, используют специальные диаграммы зависимостей различных величин от других. В электротехнике часто это бывают зависимости тока и напряжения друг от друга. Для pn-перехода, где определяющим является ток, протекающий через переход, очень удобны зависимости тока от напряжения. Такая зависимость приведена на рисунке ниже. Её также называют вольт-амперной характеристикой или сокращённо ВАХ.

Знание ВАХ позволяет не держать в голове все физические процессы в материале, а опираясь на такие зависимости проектировать устройства. На рисунке эта зависимость нарисована оранжевым фломастером. Можно заметить, что если увеличивать напряжение в обратном смещение, то после некоторого значения резко растёт ток. Физически это своеобразное поведение электронов, похожее на лавину. Говорят, что происходит лавинный пробой. Обычно после такого pn-переход своими свойствами больше не походит на pn-переход. Подробно не будем рассматривать эту тему. Отметим, лишь, что иногда, но в меру лавинный пробой бывает полезным.

Ещё одной особенностью pn-перехода является то, что тот обеднённый слой на месте контакта двух проводников, который создаёт внутреннее поле, очень похож на конденсатор. Поэтому говорят, что внутри перехода имеет ёмкость. Её именуют барьерной, чтобы подчеркнуть способ её образования. Также существует ещё одна ёмкость, которая наблюдается при прямом включение перехода и она объясняется динамическими процессами в полупроводниках. Её называют диффузионной. Подробно касаться этого тоже не будем. Ёмкости нужно время для того, чтобы зарядится и разрядится, поэтому если возникает желание быстро менять местами напряжение на концах pn-перехода, то из одного режима в другой переход перейдёт не мгновенно. Для того, чтобы подчеркнуть, что ёмкость очень важна даже рисуют вот такие эквивалентные схемы для pn-перехода.

Ёмкость pn-перехода также интересна для использования на практике. Дело в том, что при обратном смещении от напряжения зависит толщина обеднённого слоя, а соответственно и количество заряда, которое находится по обе стороны перехода. В таком случае можно говорить, что напряжение изменяет ёмкость перехода.

Резюме

Самой популярной конструкцией в полупроводниковой электронике является pn-переход, который представляет собой соединение двух полупроводников разного типа (p и n). Данный переход обладает уникальными свойствами, что определяет его широкое применение. Основной особенностью данного контакта можно считать пропускание электрического тока только в одну сторону. Кроме того, pn-переход может генерировать свет и реагировать на него.

Кратко можно упомянуть ещё об одном виде контактных явлений: между металлом и полупроводником. При определённых условиях в таком контакте может появиться также потенциальный барьер. Очень часто можно встретить название — барьер Шоттки. По имени изобретателя. Для наглядности посмотрим как это происходит, если соединить металл с полупроводником n-типа. Рассуждения для полупроводника p-типа похожи.

При таком контакте основные носители заряда (электроны) из полупроводника будут перетекать в металл. Что приведёт к схожей ситуации с pn-переходом. Возникнет область с полем, которое будет тормозить дальнейшее увеличение объёма необогащённого слоя. Процессы внутри материала отличаются, конечно, от pn-перехода, но в некоторой степени схожи. ВАХ имеет похожую структуру.

Основным отличием от pn-перехода является то, что данный переход является более быстрым в виду того, что за ток отвечают только электроны (подвижность электронов выше, чем у «дырок»). Также ёмкость перехода намного меньше. Также следует отметить, что на переходе падает меньше напряжение, чем при контакте двух полупроводников.

Резюме

Помимо pn-перехода существуют другие типы соединений. Интересным с практической точки зрения является контакт металл-полупроводник, который обладает схожими свойствами с pn-переходом.

Простейшим среди полупроводниковых устройств является диод. Название такое от того, что у него два вывода (вход и выход). В основе всех диодов лежат свойства pn-перехода, обыгрывая какой-нибудь из параметров, получаются разные диоды. Простейший диод, на основе pn-перехода выглядит и обозначается вот так:

Ниже приведено краткое описание других типов диодов. Диоды Шоттки основаны на использовании барьера Шоттки; варикапы используют ёмкостные эффекты pn-перехода; стабилитроны используют особенности обратной ветки ВАХ диода (показано на рисунке) для стабилизации напряжения; туннельные диоды используются при проектировании генераторов; фотодиоды и светодиоды применяются для детектирования и излучения света (возможна модификации для излучения когерентного света — лазеры).

Также существует класс устройств с тремя выводами, но по функциональности они ближе к диодам. Это так называемые тиристоры. Они часто применяются для электрических приложений с большими мощностями. В каком-то отдалённом смысле принцип работы можно сравнить с ещё одним сложным устройством, но более популярным — транзистором. В тиристорах также один pn-переход управляет другим. Более подробно можно почитать о тиристорах, динисторах и других устройствах из этого класса в дополнительной литературе. Кроме всего прочего, существует большое разнообразие других видов, таких как лавинные фотодиоды (очень чувствительные, используются в экспериментах с квантовыми компьютерами и криптографией), pin-диоды, оптроны, импульсные диоды и т.д.

Широкое разнообразие разновидностей диодов говорит об очень больших областях применения. Более популярными (с академической позиции) являются использование диодов для выпрямления сигнала (из переменного в постоянный), для стабилизации напряжения, для подстройки частоты (через изменение ёмкости) колебательного контуры. И многое другое. Необходимо отметить, что полупроводниковая электроника развивается большими темпами и сейчас диод именно как чистый pn-переход внедрён повсеместно. Подробности будут сказаны ниже.

Резюме

Полупроводниковый диод является простейшим конечным устройством, использующим pn-переход. Существуют различные модификации диодов, которые используют те или иные параметры pn-перехода. Полупроводниковые диоды очень широко распространены.

Не менее популярными и значимыми устройствами в классе полупроводниковых приборов являются транзисторы. Это устройства обычно с тремя выводами, которые можно разделить на два больших класса: биполярные и полевые.

Полевой транзистор представляет собой некоторую полупроводниковую структуру, в которой имеется чётко выраженная область либо p, либо n-типа. Такую область называют каналом. Данный канал имеет какую-то определённую проводимость (сопротивление). Суть работы полевого транзистора состоит в том, что дополнительные полупроводниковые конструкции в виде pn-переходов в нём позволяют управлять проводимостью (сопротивлением) этого канала. Другими словами, полевой транзистор — это переменное сопротивление, которое полезно использовать в различных схемах. Само слово транзистор, в принципе, расшифровывается как переменное сопротивление. На рисунке ниже показана структура типичного полевого транзистора.

Как видно канал имеет два вывода, обладающие особой терминологией: исток и сток. Эти выводы подключают к участку цепи, где нужно переменное сопротивление. Третий вывод транзистора являет управляющим. На него подаётся сигнал, который изменяет проводимость (сопротивление) канала. Этот вывод именуют затвором. Существуют различные способы организации данного эффекта управления, по которым полевые транзисторы ещё делятся на несколько подклассов.

На рисунке выше изображён полевой транзистор с управляющим pn-переходом. Принцип его работы основан на рассмотренных выше свойствах pn-перехода. В данном случае pn-переход включают в обратном направлении и под действие внешнего электрического поля переход либо увеличивается (в размере) или уменьшается. Таким образом, регулируется площадь канала. Чем меньше площадь (поперечного сечения) материала, по которому течёт ток, тем меньше его сила (при прочих равных условиях). Дальнейшие тонкости рассматривать не будем. Имеет место аналогия с вентилями на трубах, работа которых аналогична. Как уже выше отмечалось, удобно перейти к различным зависимостям, которые будут отражать суть эффекта для технической реализации. На картинке представлены такие зависимости для изображённого транзистора. Это два совмещённых графика: выходная характеристика (правый) и характеристика прямой передачи (левый). Через pn-переход в обратном включении течёт маленький ток, поэтому неудобно говорить об управляющем токе. В основном рассматривают управляющее напряжение, поэтому на характеристике прямой передачи (зависимости выходного тока) рассматривается зависимость от напряжения. Видно, что с увеличением напряжения, уменьшается выходной ток (растёт переход и перекрывается канал). На правом графике приведено несколько зависимостей. Они отличаются друг от друга только входным напряжением. По данному графику тоже хорошо видно, что чем больше сопротивление, тем меньше ток на выходе.

На следующем рисунке представлен другой подкласс полевых транзисторов — транзисторы с изолированным затвором. По их структуре их ещё называют МДП (метал-диэлектрик-полупроводник), чтобы подчеркнуть изолированность металлического затвора диэлектриком от полупроводникового канала. Также встречается название МОП (вместо слово диэлектрик подставляют более конкретно — оксид). Изоляция тут нужна для того, чтобы не создавать сложных контактных структур, потому, что нужно только электрическое поле, которое и создаётся затвором (между затвором и другим контактом-подложкой, как в конденсаторе).

На рисунке схематично изображена конструкция такого полевого транзистора. Когда на затвор подают потенциал больше, чем на подложке, то напряжённость поля будет направлена в сторону подложки и все те немногочисленные электроны, что есть в p-полупроводнике будут «примагничиваться» к затвору. Через некоторое время образуется тонкий слой электронов, который создаёт «мостик» между стоком и истоком и выступает в качестве канала. Говорят, что канал индуцировался (образовался). Поэтому такие транзисторы называют «с индуцированным каналом». Существует также немного другая модификация, когда принцип тот же самый, но изначально делают очень тонкий канал, для того, чтобы можно было что-нибудь проводить и без подачи потенциала на затвор. Такой полевой транзистор называют со встроенным каналом.

Как можно заметить, сила тока варьируется от двух параметров: от площади поперечного сечения проводника и от количества зарядов, «протекающих» через это сечение. Полевые транзисторы для управления током используют оба эти параметра, регулируя в одном случае концентрацию зарядов (изолированный затвор), а в другом случае площадь поперечного сечения (управляющий pn-переход).

Другим классом транзисторов, являются биполярные транзисторы, которые в отличии от полевых (поле), состоят из двух pn-переходов и управление током через один переход производится с помощью другого. На рисунке показано обозначение биполярных транзисторов и их принцип работы.

Можно выделить основные части биполярного транзистора: база, эмиттер и коллектор. На рисунке они изображены одинакового размера, хотя на самом деле базу стараются сделать уже. Дальше будет понятно почему.

Если подключить провода к двум концам такого транзистора (эмиттеру и коллектору) и подать напряжение, то через него не будет течь ток вообще ни в каком направлении. Это объясняется структурой. Можно заметить, что в любом случае какой-нибудь из pn-переходов будет в обратном смещении. Однако, если на базовый контакт подать соответствующее напряжение, то можно заметить увеличение тока. Секрет кроется в том, что при подаче напряжения, например как на рисунке, один переход будет в прямом смещении, в другой в обратном. Прямое смещение первого перехода создаёт хороший поток «дырок» из эмиттера в базу, где они, конечно же, рекомбинируют с огромным количеством электронов. Если величина тока достаточная, то часть «дырок» не будет успевать рекомбинировать и их количество будет накапливаться. По действием диффузии они потекут к коллекторному переходу, а там уже переход в обратном смещении, который для неосновных носителей является ускоряющим, т.е. поле перехода «выкинет» «подлетевшую» к нему «дырку», что и создаёт ток коллектора. Заметим, что «дырок» в этом случае в n-полупроводнике больше, чем обычно, поэтому будет течь существенный ток. такой режим работы биполярного транзистора называют активным (один переход открыт, другой закрыт). Также существуют и другие режимы, в зависимости от направления смещения pn-переходов. Особенности эти трогать не будем, о них можно почитать в дополнительной литературе.

Для биполярных транзисторов также используют описание с помощью всевозможных характеристик, обычно это входные (входной ток) и выходные (выходной ток). На рисунке ниже представлены наиболее популярные способы использования биполярных транзисторов и их характеристики.

Дело в том, что и полевые и биполярные транзисторы можно подключать к электрической цепи по-разному, основное отличие состоит в том, куда подавать управляющий сигнал (по правде немного по-другому: какой выход будет общим для управляющей цепи и для управляемой). Для полевых транзисторов данное описание было опущено, а вот для биполярных в виду существенной разницы приведено для двух более популярных случаев (бывает ещё с общим коллектором).

Для того, чтобы не запутаться где рисовать и какие стрелки на обозначениях транзисторов, запомните, что стрелка как у компаса указывает на N (n-тип полупроводника).

Это актуально и для биполярных и для полевых транзисторов (там бывает канал разного типа). У одних она всегда рисуется на эмиттере, у других на затворе.

В радиотехнике существует много разных подходов для описания устройств и их параметров. Один из них — это представление устройства в виде чёрного ящика с несколькими выводами. Каждый вывод соответствует физическому выводу устройства. Такой подход позволяет также абстрагироваться от физики и использовать лишь непосредственно свойства устройства. Для транзисторов типична схема включения, когда один из её выводов является общим для управляющей и для управляемой цепи. В итоге получается, что транзистор как бы имеет 4 вывода. В этом случае называют чёрный ящик четырёхполюсником. Между входом и выходом устройства есть очевидно связь и эту связь можно описать разными коэффициентами, которые называют параметрами. Для транзисторов наибольший интерес представляют h-параметры (H-параметры). Значения их приведено на рисунке ниже.

Среди них наиболее интересный это h₂₁ параметр, который часто можно встретить в документации на транзисторы, что он значит будет сказано ниже.

Вопросы работы с транзисторами достаточно сложны, как и с любыми полупроводниковыми устройствами, поскольку включают в себя также различные зависимости от температуры, от частоты сигнала, различные шумы и т.д. Касаться всего этого не будем, ниже лишь немного рассмотрим два наверно наиболее популярных применения транзисторов, в качестве усилителей сигналов и в качестве ключей.

Резюме

Самым интересным устройством среди полупроводниковых приборов является транзистор. Транзисторы позволяют реализовывать различные цифровые и аналоговые устройства. Различают два класса: биполярные (ток) и полевые (поле) транзисторы.

Когда говорят об усилительных свойствах какого-нибудь устройства, обычно рисуют графики, как на рисунке ниже. На графиках показывается как меняется выходной сигнал в зависимости от входного.

Взглянув на рисунок, можно заметить схему, это самая простая схема включения транзистора (в данном случае биполярного), которая позволяет ему усиливать сигнал. Самое сложное тут, это «передвинуть» входной сигнал так (по входной характеристике), чтобы он начал усиливаться, да ещё и без искажений. Для этого, нужно, чтобы «центр» сигнала был в такой точке, от которой по обе стороны одинаково меняется кривая. Это нужно, чтобы не было искажений. Такую точку называют рабочей. Для этого на схеме есть специальный резистор, который к входному сигналу даёт постоянное смещение. По графикам можно проследить, что сигнал усилился. Видно, что усиление происходит по току, ну и как следствие по напряжению тоже. Поэтому для характеристики усилительных свойств транзисторов вводят специальные коэффициенты, которые показывают во сколько раз выходной ток, напряжение или мощность больше входного. Параметр h₂₁, о котором говорилось выше, является приблизительно равным коэффициенту усиления по току. На этом следует остановиться, ибо вопросы, касаемые усилителей и усилительных каскадов сложны и являются вообще отдельной веткой электроники. Поэтому об этом или говорить всё или лучше ничего или почти ничего, здесь рассмотрены лишь основы. Вершиной совершенства полупроводниковых усилителей являются специальные каскады, которые называются операционные усилители, которые сейчас представляют целое полупроводниковое аналоговое устройство с наисложнейшей архитектурой

Резюме

В аналоговой электроники самое популярное применение транзисторов — это усилительные каскады. Усиление происходит за счёт особенностей работы транзистора. Для того, чтобы сигнал усиливался без искажений нужно правильно подбирать напряжение смещения.

Другим направлением развития применения транзисторов, которое стало также очень популярным и положило начало всей современной цифровой электронике, является применение транзисторов в качестве ключей. Ключом называют обычный переключатель между двумя состояниями. На рисунке представлен пример такого обычного переключателя.

Для того, чтобы сделать из транзистора ключ, необходимо также выбрать два состояния транзистора, между которыми производить переключение. Обычно это когда транзистор проводит большой ток и когда маленький, говорят транзистор «открыт» или «закрыт». С позиции цифровых применений, это соответствует «1» и «0». Проектирование цифровых ключей тоже имеет много подводных камней и схемы во много раз сложнее тех, что изображены на рисунке, но основа та же. Дело в том, что для ключей критическим является скорость переключения, а также различимость двух состояний. Поэтому требуются расчёты и модернизации, чтобы оптимальным образом работать с характеристиками транзистора.

Основная идея заключается в том, что имеется некоторая электрическая цепь с одним постоянным сопротивлением и одним переменным, в качестве которого выступает транзистор. Если сопротивление транзистора намного больше постоянного сопротивления, то всё напряжение падает на нём, а на резисторе оставшееся. Если же, у транзистора на много меньше сопротивление постоянного, то ситуация противоположная. Суммарно напряжение на транзисторе и постоянном сопротивление всегда равно напряжению питания. Это закон, который ещё называют законом Кирхгофа №2. Отсюда становится понятна идея, что при подаче сигнала (тока, напряжения) на вход транзистора, он открывается и всё падает на постоянном сопротивлении, если убрать сигнал, то он «закрыт» и всё падает на транзисторе. Если мерить напряжение на транзисторе, то зависимость между входом и выходом будет похожа на логическую операцию инверсия: когда на входе «1», на выходе «0» и т.д.

Большую популярность сейчас имеют схемы, на подобие той что приведена в правом верхнем углу рисунка. Это так называемая комплементарная пара. Тут всё просто: подавая один и тот же сигнал на транзисторы с разным типом канала, всегда будет открыт только один из транзисторов. Это позволяет уменьшить энергетическое потребление схемы.

Цифровые транзисторные ключи позволяют создавать сложные логические схемы, которые уже способны производить наисложнейшие вычисления.

Резюме

В цифровой электроники самое популярное применение транзисторов — это ключи. Транзисторы переключаются между двумя состояниями, за счёт чего и проявляется эффект «ключа». Реальные ключи являются сложными каскадами с дополнительными элементами для улучшения параметров. На транзисторных ключах формируются логические элементы.

Рассмотренные в предыдущем разделе транзисторные ключи в первую очередь нашли своё применение в цифровой электроники. Можно даже говорить, что они её сформировали. При помощи только одного ключа можно сформировать все нужные конструкции, чтобы рассчитывать логические функции. В математике доказывается, что для это не нужно реализовывать все возможные функции, достаточно того, чтобы можно было сделать только несколько основных (базис), через которые уже можно выразить все остальные. Например, это может быть операция инверсии и конъюнкция (2И-Не), а может быть исключающее или и инверсия. Простой ключ уже сам по себе реализует инверсию. А конструкции, которые показаны ниже на рисунке, позволяют реализовать операцию 2И-Не (такой каскад называют вентиль).

На картинке изображены две схемы, одна для биполярного транзистора, другая для полевого, причём полевой транзистор использует комплементарные пары. Существует огромное количество различных модификаций данных типов соединений. Но эти являются самыми основными. Причём КМДП логика на данный момент является самой популярной, правда, не в чистом виде. Все технологические новинки являются коммерческой тайной производителей электроники.

Рассмотрим для примера работу ТТЛ (транзистор-транзисторная логика). Тот интересный транзистор, который расположен на входе, на самом деле не является конкретным устройством, это всё реализуется интегральными методами, но об этом позже. Пусть, к примеру, напряжение питания 5 вольт, а на входах A и B сигналы «0», т.е. примерно 0.1 вольт. Это говорит о том, что эмиттерные переходы смещены в прямом направлении. Если устройство делается из кремния, то на таком переходе будет примерно 0.7 вольт (это факт, связанный с потенциальным барьером). Тогда, опираясь на закон Кирхгофа №2, можно говорить, что между базой входного транзистора и землёй, которая у выходного транзистора падает примерно около 0.8 вольт. Точность тут не важна, главное понимать, что этого мало, поскольку для того, чтобы по этой цепи протекал электрический ток, нужно как минимум 0.7 + 0.7, поскольку в цепи два pn-перехода (один коллекторный — от первого транзистора, второй эмиттерный — от второго). Тогда транзистор на выходе закрыт, и на выходе ключа «1». Ситуация, когда A и B «1» и «0» (или «0» и «1») ничего не меняет, поскольку разные потенциалы на входе будут замыкаться, и pn-переход также будет в прямом смещении. Однако, если подать на вход «1» и «1» т.е. по 5 вольт, тогда между базой и эмиттерами переходы будут в обратном смещении. Т.е. на них будут маленькие напряжения, что говорит о том, что на базе почти 5 вольт. Тут тоже точность не нужна. Важно то, что этого напряжения уже достаточно и спокойно открываются оба pn-перехода. Это приводит к тому, что начинает течь ток и открывается выходной транзистор, на выходе которого «0». Вот такая зависимость между A, B и Y называется 2И-Не, поскольку это операция логическое умножение и затем инверсия.

Также очень интересной является И2Л (интегрально-инжекционная логика), которая тут не представлена на картинке, т.к. не очень популярна, однако в СССР были значительные успехи в её применении. Уникальность её заключается в сверхмалой потребляемой мощности (можно работать с напряжениями до 1 вольта), устойчивости к шуму и очень компактные размеры (связано с планарной технологией). О принципах её работы также здесь не будет сказано, поскольку говорить нужно о многом.

Резюме

Транзисторные ключи позволяют формировать универсальные логические каскады — вентили, которые могут формировать путём каскадных соединений более сложные логические функции. Все современные цифровые устройства состоят из такого рода вентилей. Сейчас при проектировании микросхем (о них в следующем разделе) редко пользуются транзисторным масштабом, всё сводится к описанию соединений между уже готовыми логическими модулями (часто для это применяют языки HDL).

Яркими представителями современных полупроводниковых устройств являются процессоры и иные микросхемы. Все эти устройства построены на pn-переходах. Миллионы транзисторов образуют ключи, которые в свою очередь образуют логические элементы, реализующие разнообразные операции: сложение, вычитание, умножение, деление и т.д. О том, как на элементе 2И-Не всё это можно реализовать следует почитать в дополнительной литературе по алгебре логики.

Современные сложные машины могут «засунуть» такое огромное количество транзисторов в такие маленькие размеры при помощи так называемой планарной технологии. Суть её состоит в том, что берётся чистый кусок полупроводника (тонкая пластинка) и на него наслаивают различные уровни примесей через специальную маску, чтобы разместить примесь в нужном месте. И так поочерёдно образовывая сложные соединения. Это действительно высокие технологии, которые не стоят на месте. Конечно, сейчас операции намного сложнее, чем тут описано, однако принцип остаётся тем же. Более подробно о производстве полупроводниковых микросхем можно почитать в литературе, а также посмотреть интересные статьи от компании Intel.

Резюме

В данной статье сжато (где это возможно) рассказано об очень важной области электроники. Рассмотренные темы действительно можно считать наиболее ключевыми для общего понимания принципов функционирования полупроводниковых устройств. Найти ответы на появившиеся вопросы поможет список книг и статей ниже. Безусловно отрасль полупроводниковой электроники ещё долгое время будет задавать темп научно-технического развития общества. Недаром процессоры, как представители этого направления, включили в тренды технологий 2012 года по версии EE Times.

1. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела.
2. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля.
3. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Электричество и магнетизм.
4. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Физика сплошных сред.
5. Paul Horowitz and Winfield Hill. The Art of Electronics.
6. Peter Y. Yu, Manuel Cardona. Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties.
7. Li, Sheng S. Semiconductor Physical Electronics.
8. С.А. Гаврилов. Полупроводниковые схемы. Секреты разработчика.
9. Толмачёв В. В., Скрипник Ф. В. Физические основы электроники.
10. Диоды. For dummies (AveNat).
11. Биполярные транзисторы. For dummies (AveNat).
12. Полевые транзисторы. For dummies (AveNat).
13. Полупроводниковые приборы — диод (IIIa66uMEM6eP).
14. p-n переход (Dooez).
15. Простейшие логические цепи. Часть 1 и Часть 2 (appplemac).
16. Вскрытие Pentium III, фотографии под микроскопом (alizar).
17. Вскрытие чипа Nvidia 8600M GT (Tiberius).

P.S. Соблюдайте правила ресурса и условия Creative Commons Attribution 3.0 Unported (CC BY 3.0)

Физика полупроводников: что это такое?

Физика полупроводника

Есть материалы, которые не обладают ни хорошей проводимостью, ни плохой проводимостью электричества. У них средний диапазон электропроводности. Примерами таких материалов являются германий, кремний, углерод и т. Д. Поскольку проводимость этих материалов находится между хорошими проводниками и изоляторами, эти материалы называются полупроводниками.

Атомы полупроводниковых элементов имеют ровно четыре валентных электрона.Благодаря этим четырем валентным электронам полупроводниковые элементы обладают некоторыми особыми электрическими характеристиками и свойствами, которые делают их полезными при широком использовании в таких элементах электронных схем, как диоды, транзисторы, тиристоры и т. Д. Хотя полупроводник имеет множество физических свойств, название полупроводника — данный материал из-за его умеренной электропроводности.

Удельное сопротивление полупроводника находится в диапазоне от 10 ^{— 4} Ом — м до 0,5 Ом — м. Где удельное сопротивление меди около 1.7 × 10 ^{— 8} Ом — м при комнатной температуре, а удельное сопротивление стекла составляет около 9 × 10 ¹¹ Ом — м. Медь — хороший проводник, а стекло — изолирующее.

Мы уже говорили, что полупроводник полезен в элементах электронных схем не только из-за его умеренного удельного сопротивления, но и из-за его многих других особых свойств.
Некоторые основные свойства полупроводников:

1. Удельное сопротивление меньше, чем у изолятора, но больше, чем у проводника.
2. Температурный коэффициент сопротивления отрицательный.
3. Когда в полупроводник добавляются примеси, сопротивление полупроводника резко изменяется.

Связи в полупроводнике

Валентные электроны в атомах полупроводника играют жизненно важную роль в связывании атомов в кристалле полупроводника. Связь между атомами происходит потому, что каждый атом имеет тенденцию ощущать свою внешнюю ячейку с восемью электронами.

Каждый атом полупроводника имеет четыре валентных электрона, следовательно, атом может совместно использовать четыре других валентных электрона соседних атомов, чтобы заполнить восемь электронов в своей самой внешней ячейке.Связь между атомами за счет обмена валентными электронами называется ковалентной связью.

Каждый атом полупроводника создает четыре ковалентные связи с четырьмя соседними атомами в кристалле. Это означает, что одна ковалентная связь создается с каждым из четырех соседних атомов полупроводника. На рисунке ниже показаны ковалентные связи, образованные в кристалле германия.

В кристалле германия каждый атом имеет восемь электронов на своей последней орбите. Но в изолированном одиночном атоме германия 32 электрона.Первая орбита состоит из 2-х электронов. Вторая орбита состоит из 8 электронов. Третья орбита состоит из 18 электронов, а остальные 4 электрона находятся на четвертой или самой внешней орбите.

Но в кристалле германия каждый атом имеет 4 валентных электрона от четырех соседних атомов, чтобы заполнить свою внешнюю орбиту восемью электронами. Таким образом, каждый из них в кристалле будет иметь восемь электронов на своей внешней орбите.
Путем образования этих ковалентных связей каждый из валентных электронов в кристалле становится связанным с атомами, следовательно, в кристалле не будет свободных электронов в идеальном состоянии.В полупроводнике атомы упорядочены благодаря ковалентным связям между атомами. Это формирует кристаллическую структуру полупроводника.

Обычно используемые полупроводники

Есть много полупроводников, но лишь немногие из них используются в электронных схемах. Два наиболее часто используемых полупроводника — это кремний и германий. Кремнию и германию требуется меньшая энергия для разрыва ковалентных связей в кристалле. Это основная причина наиболее частого использования этих двух полупроводников.Кремнию требуется 1,1 эВ для разрыва любой ковалентной связи в его кристалле, а германию —
0,7 эВ для той же цели.

Кремний

Кремний имеет всего 14 электронов в изолированном атоме. Первая орбита состоит из 2-х электронов. Вторая орбита состоит из 8 электронов, а третья орбита состоит из 4 электронов. Поскольку на самой внешней орбите атома кремния находится четыре электрона, кремний является четырехвалентным элементом.

Каждый атом кремния в кристалле кремния создает ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния.Таким образом, каждый атом кристалла кремния получает 8 электронов на своей внешней орбите. Ковалентные связи между атомами упорядочивают атомы кремния в кристалле.

Германий

Германий имеет 32 электрона в изолированном атоме. Первая, вторая и третья орбиты атома германия состоят из 2, 8, 18 электронов соответственно. Четвертая или крайняя орбита германия состоит из [32 — (2 + 8 + 18) = 4] 4 электронов.

Подобно атомам кремния в кристалле, атомы германия в кристалле германия образуют четыре ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия. По тем же причинам, что и в кристалле кремния, атомы германия в кристалле германия располагаются упорядоченным образом.

Теория энергетических зон полупроводника

В кристалле полупроводника валентные зоны заполнены валентными электронами. Благодаря ковалентным связям между атомами вся валентная зона заполнена валентными электронами в идеальном состоянии.

Следовательно, в идеальных условиях вся зона проводимости пуста. Но для полупроводников характерно то, что запрещенная зона между зоной проводимости и валентной зоной умеренно мала.Это около 1 эВ. Следовательно, при любой внешней энергии, подводимой к кристаллу, электроны валентной зоны могут приобретать способность мигрировать в зону проводимости и увеличивать проводимость.

Мы называем энергетическую щель между проводимостью и валентностью запрещенной энергетической щелью. Запрещенная зона кремния составляет 1,1 эВ, а для германия — 0,7 эВ. Поскольку запрещенная энергетическая зона довольно мала, электрону в валентной зоне требуется небольшая энергия, чтобы пересечь запрещенную энергетическую зону и стать свободным. Даже при комнатной температуре в полупроводниковом кристалле кремния или германия имеется ряд свободных электронов. Не только в кремниевом или германиевом полупроводнике, но и во всех других полупроводниках имеется большое количество свободных электронов при комнатной температуре по той же причине. Эти свободные электроны, находящиеся в зонах проводимости, вызывают проводимость полупроводника. Хотя в полупроводнике есть количество свободных электронов при комнатной температуре, но все же это количество довольно мало по сравнению с количеством атомов в куске полупроводникового кристалла.Установлено, что при комнатной температуре из 10 ¹⁰ атомов полупроводника будет только один свободный электрон.

Из-за небольшого количества свободных электронов полупроводники обладают умеренной проводимостью, то есть не такой хорошей, как металлический проводник, и не такой плохой, как изолятор. При абсолютном нуле температуры в кристалле полупроводника не будет доступной внешней энергии. Валентного электрона, пересекающего запрещенную запрещенную зону, не будет. Следовательно, в полупроводниковом кристалле не будет свободных электронов.Следовательно, полупроводник будет вести себя как идеальный изолятор при абсолютной нулевой температуре.

Теперь, когда температура полупроводника повышается от абсолютного нуля, электроны валентной зоны получают энергию и пересекают запрещенную зону, следовательно, становятся свободными электронами. По мере непрерывного повышения температуры количество свободных электронов в кристалле полупроводника увеличивается, и, следовательно, увеличивается проводимость полупроводника.

Электропроводность обратно пропорциональна сопротивлению.Это означает, что с повышением температуры сопротивление полупроводника уменьшается. Следовательно, мы можем сказать, что полупроводник имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Следовательно, при комнатной температуре, если мы приложим разность потенциалов к полупроводнику, через полупроводник будет протекать небольшой ток из-за его умеренной проводимости, развивающейся в полупроводнике при комнатной температуре.

Всякий раз, когда электрон мигрирует из валентной зоны в зону проводимости, в валентной зоне создается свободное место, где может находиться новый электрон.Мы называем это свободное место в валентной зоне, где может находиться электрон, дыркой.

Как только электрон становится свободным, за ним в валентной зоне образуется дыра. Следовательно, на каждый свободный электрон в чистом полупроводнике будет дырка. Следовательно, мы можем сказать, что любая внешняя энергия, в основном тепловая энергия, создает не только свободные электроны в полупроводниковом кристалле, но и электронно-дырочные пары.

Каждая ковалентная связь в полупроводнике состоит из двух валентных электронов, внесенных двумя соседними атомами.Когда один из валентных электронов покидает связь, связь становится неполной. Эта неполная связь имеет сильную тенденцию к завершению за счет притяжения электрона. Дырка — это электронная вакансия, созданная в ковалентной связи, и поскольку эта дырка может притягивать электрон, мы можем принять дырку как эквивалент положительного заряда. Но нет физического существования положительного заряда, но пока он не может действовать как положительный заряд. Другими словами, дырка в полупроводнике — это виртуальный положительный заряд.

Подобно свободным электронам, дырки в кристалле полупроводника перемещаются из одной точки в другую.Но движение дырок в полупроводнике отличается от движения свободных электронов. Свободные электроны физически движутся в кристаллической структуре полупроводника. Дырки практически перемещаются в кристалле полупроводника.

Каждая дыра, созданная в кристалле, прочно связана со своими родительскими атомами. Следовательно, физически он не движется. Когда электрон из другой ковалентной связи приходит и садится на дырку, дырка исчезает. Но электрон, сидящий на дырке, исходит из любой другой ковалентной связи, следовательно, электрон создал дыру в своей предыдущей связи.Итак, там уже образовалась новая дыра. Таким образом, одно отверстие исчезает, и одновременно появляется другое отверстие. Практически при этом дыра перемещается из старого положения в новое.

Когда мы применяем разность потенциалов к полупроводнику, свободные электроны перемещаются от отрицательной стороны потенциала к положительной. При этом отверстия перемещаются с положительной стороны на отрицательную.

Собственный полупроводник

Собственный полупроводник — это исключительно чистый полупроводник.При комнатной температуре электронно-дырочные пары создаются в собственном кристалле полупроводника только за счет теплового возбуждения. Собственный полупроводник действительно имеет умеренную электрическую проводимость из-за концентрации свободных электронов и дырок, термически создаваемых в кристалле при комнатной температуре.

Extrinsic Semiconductor

Мы можем значительно изменить проводимость полупроводника, добавив в него примеси. Мы называем процесс добавления примесей в полупроводник для изменения его проводящих свойств легированием.

Добавленные примеси в полупроводнике либо увеличивают количество свободных электронов, либо увеличивают количество дырок, в зависимости от типа добавленных примесей. Когда мы добавляем пятивалентные элементы в качестве примесей, количество свободных электронов в примесном кристалле полупроводника увеличивается.

Когда мы добавляем трехвалентные элементы в качестве примесей, количество дырок в полупроводнике увеличивается. Мы называем примесный полупроводник с большим количеством свободных электронов, чем дырки, полупроводником n-типа.Мы называем примесный полупроводник с большим количеством дырок, чем количество свободных электронов, полупроводником p-типа. Таким образом, количество легирования определяет проводимость полупроводника. Тип легированных элементов определяет тип полупроводника, будь то n-тип или p-тип по своей природе.

Полупроводник N-типа и P-типа

Когда мы добавляем пятивалентные примесные элементы к собственному полупроводниковому материалу, он становится полупроводником n-типа. Добавление пятивалентности устраняет вклад большого количества свободных электронов в полупроводник.Мы обычно используем мышьяк и сурьму
в качестве пятивалентной примеси для этой цели.

Возьмем чистый германий. В чистом германии при комнатной температуре будут как свободные электроны, так и дырки. Есть две причины, по которым свободные электроны и дырки всегда присутствуют даже в чистом полупроводниковом кристалле.
1) При комнатной температуре могло бы быть несколько термически генерируемых электронно-дырочных пар.
2) Практически невозможно приготовить абсолютно чистые материалы. Следовательно, в полупроводнике всегда присутствуют примеси, хотя их количество может быть пренебрежимо малым.Среди этих примесей могут быть пятивалентные и трехвалентные примеси. Эти пятивалентные и трехвалентные примеси создают в полупроводниках свободные электроны и дырки даже без какого-либо внешнего легирования примесей.

Теперь давайте добавим пятивалентный элемент, такой как мышьяк, в этот германиевый полупроводник. Мышьяк имеет пять валентных электронов, поскольку он пятивалентен. Четыре валентных электрона каждого атома мышьяка участвуют в создании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Таким образом, каждый атом мышьяка заполняет свою валентную зону.

Пятый электрон мышьяка, не участвующий в образовании ковалентной связи, не может занять место в валентной связи. Затем этот электрон мигрирует в зону проводимости кристалла и становится свободным электроном. Таким образом, будет много свободных электронов, намеренно созданных путем добавления пятивалентных примесей в полупроводник.

Теперь общее количество свободных электронов (n) в германии было бы суммой термически созданных свободных электронов (N _a ) свободных электронов, созданных из-за присущих полупроводнику примесей (N _b ) и свободных электронов. создается из-за добавленных извне пятивалентных примесей (N _c ).

Теперь общее количество дырок (p) в полупроводнике будет суммой термически созданных дырок (P _a ) и дырок, созданных из-за присущих полупроводнику примесей (P _b ).

Пятивалентная примесь, добавляемая извне, в идеале не способствует образованию дырок в полупроводнике. Опять же, количество добавленных или отброшенных извне примесных атомов (здесь это мышьяк) довольно велико, следовательно, количество свободных электронов в пятивалентном легированном полупроводнике намного больше, чем количество дырок.

Из-за того, что в полупроводнике больше свободных электронов, мы называем полупроводник полупроводником отрицательного типа или полупроводником n-типа. Такое же объяснение можно применить к полупроводникам положительного или р-типа.

Полупроводник

материал, который имеет электрическую проводимость между проводник и изолятор называется полупроводник.Кремний, германий и графит — некоторые примеры полупроводников. Полупроводники — это основа современная электроника, в том числе транзисторы, светодиоды, солнечные батареи и др.

В полупроводники, запрещенная зона между валентной зоной и зона проводимости очень мала. Имеет запрещенный зазор около 1 электрон-вольт (эВ).

в низкая температура, валентная зона полностью занята электронов и зона проводимости пуста, потому что электроны в валентной зоне не хватает энергии, чтобы перейти в зона проводимости.Следовательно, полупроводник ведет себя как изолятор. при низкой температуре.

Однако при комнатной температуре часть электронов в валентной зоне усиливается. достаточно энергии в виде тепла и переходит в зону проводимости. Когда валентность электроны перемещаются в зону проводимости, они становятся свободными электронами. Эти электроны не прикреплены к ядру атома, поэтому они свободно перемещается.

Электроны зоны проводимости несут ответственность за электрические проводимость. Мера способности проводить электрический ток называется электропроводностью.

Когда температура продолжает расти, номер валентной зоны количество электронов, перемещающихся в зону проводимости, также увеличивается. Этот показывает, что электропроводность полупроводника увеличивается при повышении температуры.т.е. полупроводник имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Сопротивление полупроводник уменьшается с повышением температуры.

В полупроводники, электрический ток переносится двумя типами заряда носителями они являются электроны и дырки.

Значение, их типы (внутренний, внешний, p-тип, n-тип)

Наука> Физика> Полупроводники> Введение

Полупроводники — это вещества, проводимость которых находится между проводниками и изоляторами. E.г. Германий, кремний и т. Д. Эти элементы являются членами четвертой группы периодической таблицы с валентностью 4. Эти элементы имеют частично заполненную зону проводимости и частично заполненную валентную зону. В полупроводниках нет свободных электронов для проводимости при низкой температуре (абсолютный ноль). Таким образом, кристалл германия действует как изолятор при абсолютном нуле. При повышении температуры ширина запрещенной зоны уменьшается, и часть электронов перескакивает в зону проводимости. Таким образом, проводимость полупроводника увеличивается с повышением температуры.

Типы полупроводников:

В зависимости от типа работы полупроводники делятся на два типа.
а) Собственные полупроводники и б) Внешние полупроводники

Внутренние полупроводники:

Полупроводник в исключительно чистой форме называется внутренним полупроводником. например Германий, Кремний.

Кристаллическая структура этих элементов состоит из регулярного повторения в трех измерениях элементарной ячейки, имеющей форму тетраэдра, с одним атомом в каждой вершине. Рассмотрим полупроводник, подобный германию, с валентностью четыре. Атом германия имеет четыре электрона во внешней оболочке. Германий имеет кристаллическую структуру, в которой каждый атом германия разделяет свои валентные электроны с четырьмя соседними атомами, образуя четыре ковалентные связи. Ковалентные связи — это сильные связи. Таким образом, в германии нет свободных электронов для проводимости при низкой температуре (абсолютный ноль). Таким образом, кристалл германия действует как изолятор при абсолютном нуле. Двумерное представление показано ниже.

При комнатной температуре тепловая энергия некоторых электронов увеличивается, и они освобождаются. Таким образом кристалл показывает небольшую проводимость.

Внешние полупроводники:

Кристалл собственных полупроводников показывает небольшую проводимость. Электропроводность полупроводников может быть увеличена путем добавления небольшого количества некоторой примеси в чистый кристалл полупроводника. Этот процесс называется допингом. Соотношение примесей очень низкое, то есть 1 атом примеси на каждые 106-1010 атомов полупроводников.Этих атомов примесей на
меньше, что они не влияют на кристаллическую структуру полупроводника.

Обычно трехвалентные или четырехвалентные элементы добавляют в полупроводниковый кристалл в качестве примесей. В зависимости от примеси полупроводники делятся на два типа: а) полупроводники p-типа и б) полупроводники n-типа

Классификация внешних полупроводников:

В зависимости от примеси полупроводники делятся на два типа: а) полупроводники p-типа и б) полупроводники n-типа

Полупроводники P-типа:

При абсолютном нуле проводимость кристалла германия равна нулю.При комнатной температуре германий показывает небольшую проводимость. Для увеличения проводимости кристалла германия в него добавляется небольшое количество примеси. Этот процесс называется допингом.
Предположим, что германий легирован элементом из третьей группы, например бором (трехвалентная примесь). Бор имеет три валентности
электронов. Следовательно, бор может образовывать только три ковалентные связи с соседними атомами германия. В одной из ковалентных связей вокруг каждого атома бора отсутствует электрон.Отсутствие электрона называется дыркой. Эта примесь называется акцепторной.
Под действием электрического поля электрон из соседней полностью заполненной ковалентной связи прыгает в это отверстие, создавая дыру в связи, из которой электрон переместился. Процесс повторяется непрерывно. Таким образом, кажется, что отверстие движется через кристалл от положительного конца к отрицательному. Таким образом увеличивается проводимость легированного германия.
Отсутствие электрона в дырке означает наличие положительного заряда.Следовательно, легированный материал называется полупроводником p-типа.

Характеристики полупроводников p-типа:

• В полупроводниках p-типа легирование осуществляется трехвалентной примесью, то есть примесью из третьей группы периодической таблицы.
• Примесь в полупроводнике p-типа называется акцепторной примесью.
• Каждый атом примеси создает дыру в кристалле.
• Электропроводность связана с отверстием.
• Когда разность потенциалов применяется к полупроводнику p-типа, дырки перемещаются от положительного конца к отрицательному.
• В полупроводниках p-типа дырки являются основными носителями заряда.
• Пример: кристалл германия, легированный бором.

Полупроводники n-типа:

При абсолютном нуле проводимость кристалла германия равна нулю. При комнатной температуре германий показывает небольшую проводимость. Для увеличения проводимости кристалла германия в него добавляется небольшое количество примеси. Этот процесс называется допингом.

Предположим, что германий легирован элементом из пятой группы, например фосфором (пятивалентная примесь).Фосфор имеет пять валентных электронов. Следовательно, фосфор может образовывать четыре ковалентные связи, оставляя один свободный электрон несвязанным. За счет пятивалентного легирования количество свободных электронов увеличивается. Эта примесь называется донорной.

Под действием электрического поля свободный электрон вокруг фосфора движется через кристалл от отрицательного конца к положительному. Таким образом увеличивается проводимость легированного германия.

Наличие электрона означает наличие отрицательного заряда.Следовательно, легированный материал называется полупроводником n-типа.

Характеристики полупроводников n-типа:

• В полупроводниках n-типа легирование осуществляется пятивалентной примесью, то есть примесью пятой группы периодической таблицы.
• Примесь в полупроводнике n-типа называется донорной примесью.
• Каждый атом примеси оставляет в кристалле один свободный электрон.
• Электропроводность обусловлена ​​высвобождением электрона электроном.
• Когда к полупроводникам n-типа прикладывается разность потенциалов, электроны перемещаются от отрицательного конца к положительному.
• В полупроводниках n-типа электроны являются основными носителями заряда.
• Пример: кристалл германия, легированный фосфором.

Наука> Физика> Полупроводники> Введение

Физика полупроводников органо-неорганических двумерных галогенидных перовскитов

1.

Новоселов К.С., Мищенко А., Карвалью А. и Нето А. Х. С. 2D-материалы и ван-дер-ваальсовые гетероструктуры. Наука 353 , aac9439 (2016).

CAS Google Scholar

2.

Движение к рынку. Нат. Mater . 18 , 519–519 (2019).

3.

Сапаров Б. и Митци Д. Б. Органико-неорганические перовскиты: структурная универсальность для разработки функциональных материалов. Chem. Ред. 116 , 4558–4596 (2016).

CAS Google Scholar

4.

Mokhlisse, R., Couzi, M. & Lassegues, J. C. Динамика решетки и структурные фазовые переходы в слоистых соединениях типа перовскита. I. Спектры низкочастотного неупругого рассеяния нейтронов и комбинационного рассеяния упорядоченной моноклинной фазы (CH ₃ NH ₃ ) ₂ MnCl ₄ и (CH ₃ NH ₃ ) ₂ CdCl ₄ . J. Phys.C Физика твердого тела. 16 , 1353–1366 (1983). Сообщение о структурной природе фазовых переходов в 2ДПК .

CAS Google Scholar

5.

Исихара, Т., Такахаши, Дж. И Гото, Т. Оптические свойства, обусловленные электронными переходами в двумерных полупроводниках (C _n H _{2n + 1} NH ₃ ) ₂ Пби ₄ . Phys. Ред. B 42 , 11099–11107 (1990). Первое исследование влияния толщины органического спейсерного слоя на характеристики экситона в RP 2DPK с n = 1 .

CAS Google Scholar

6.

Gong, X. et al. Электрон-фононное взаимодействие в эффективных эмиттерах перовскитового синего. Нат. Матер. 17 , 550–556 (2018).

CAS Google Scholar

7.

Смит, М. Д., Джаффе, А., Донер, Э. Р., Линденберг, А. М., Карунадаса, Х. И. Структурные источники широкополосного излучения слоистых гибридных перовскитов Pb – Br. Chem. Sci. 8 , 4497–4504 (2017).

CAS Google Scholar

8.

Fieramosca, A. et al. Двумерные гибридные перовскиты, поддерживающие сильные поляритонные взаимодействия при комнатной температуре. Sci. Adv. 5 , eaav9967 (2019).

CAS Google Scholar

9.

Балларини, Д. и Де Либерато, С. Поляритоника: от микрополостей до субволнового ограничения. Нанофотоника 8 , 641–654 (2019).

CAS Google Scholar

10.

Zhai, Y. et al. Гигантское расщепление Рашбы в двумерных органо-неорганических галогенидных перовскитах, измеренное с помощью нестационарной спектроскопии. Sci.Adv. 3 , e1700704 (2017). Первое наблюдение большого расщепления Рашбы в 2ДПК .

Google Scholar

11.

Park, I.-H. и другие. Сегнетоэлектричество и эффект Рашбы в двумерном гибридном органо-неорганическом перовските Диона-Якобсона. J. Am. Chem. Soc. 141 , 15972–15976 (2019).

CAS Google Scholar

12.

Wang, S. et al. Беспрецедентный двухосный трехслойный гибридный перовскитовый сегнетоэлектрик с настраиваемыми по направлению фотоэлектрическими эффектами. J. Am. Chem. Soc. 141 , 7693–7697 (2019).

CAS Google Scholar

13.

Wang, J. et al. Гигантский нелинейно-оптический отклик в двумерных гетероструктурах перовскита. Adv. Опт. Матер. 7 , 1

8 (2019).

Google Scholar

14.

Чжоу, Ф., Абдельвахаб, И., Ленг, К., Ло, К. П. и Джи, В. 2D-перовскиты с гигантской экситонной оптической нелинейностью для высокопроизводительного субзонного фотодетектирования. Adv. Матер. 31 , 15 (2019).

CAS Google Scholar

15.

Grinblat, G. et al. Сверхбыстрая полностью оптическая модуляция в 2D-гибридных перовскитах. ACS Nano 13 , 9504–9510 (2019).

CAS Google Scholar

16.

де Йонг, Л. Дж. Эксперименты на простых магнитных модельных системах. J. Appl. Phys. 49 , 1305–1310 (1978).

Google Scholar

17.

Tsai, H. et al. Высокоэффективные двумерные перовскитные солнечные элементы Раддлесдена – Поппера. Nature 536 , 312–316 (2016). Первая демонстрация устройства солнечных элементов 2DPK с эффективностью преобразования энергии более 10% и стабильностью работы более 2000 часов .

CAS Google Scholar

18.

Yuan, M. et al. Энергетические воронки из перовскита для эффективных светодиодов. Нат. Nanotechnol. 11 , 872–877 (2016). Первый отчет об эффективных светодиодах, использующих фотоэмиссию из тонких пленок 2ДПК .

CAS Google Scholar

19.

Li, L. et al. Специальная разработка необычного (C ₄ H ₉ NH ₃ ) ₂ (CH ₃ NH ₃ ) ₂ Pb ₃ Br ₁₀ двумерного многослойного перовскитового сегнетоэлектрика для высокопроизводительный фотоприемник. Angew. Chem. Int. Эд. 56 , 12150–12154 (2017).

CAS Google Scholar

20.

Wang, Z. et al. Эффективные солнечные элементы, устойчивые к атмосферному воздуху, с 2D – 3D гетероструктурированными перовскитами на основе галогенида бутиламмоний-цезий-формамидиния и свинца. Нат. Энергетика 2 , 1–10 (2017).

Google Scholar

21.

Zhao, B. et al. Высокоэффективные светодиоды с объемной гетероструктурой перовскит – полимер. Нат. Фотоника 12 , 783–789 (2018).

CAS Google Scholar

22.

Stoumpos, C.C. et al. Гибридные двумерные полупроводники с перовскитом иодидом свинца Раддлесдена – Поппера. Chem. Матер. 28 , 2852–2867 (2016). Отчет о методе синтеза и структуре 2DPK Раддлесдена – Поппера с n от 1 до 4 .

CAS Google Scholar

23.

Soe, C. M. M. et al. Новый тип двумерных перовскитов с чередующимися катионами в межслоевом пространстве, (C (NH ₂ ) ₃ ) (CH ₃ NH ₃ ) _n Pb _n I _{3n + 1} : Структура , свойства и фотоэлектрические характеристики. J. Am. Chem. Soc. 139 , 16297–16309 (2017).

CAS Google Scholar

24.

Mao, L. et al. Гибридные двумерные перовскиты иодида свинца Диона – Якобсона. J. Am. Chem. Soc. 140 , 3775–3783 (2018).

CAS Google Scholar

25.

Hoffman, J. M. et al. От 2D к 1D электронной размерности в галогенидных перовскитах со ступенчатыми и плоскими слоями с использованием пропиламмония в качестве спейсера. J. Am. Chem. Soc. 141 , 10661–10676 (2019).

CAS Google Scholar

26.

Li, X.и другие. Двумерные галогенидные перовскиты, содержащие симметричные ионы диаммония с прямой цепью, (NH ₃ C _m H _2m NH ₃ ) (CH ₃ NH ₃ ) _n-1 Pb _n I _{3n + 1} (m = 4–9; n = 1–4). J. Am. Chem. Soc. 140 , 12226–12238 (2018).

CAS Google Scholar

27.

Bartel, C.J. et al. Новый коэффициент допуска для прогнозирования стабильности оксидов и галогенидов перовскита. Sci. Adv. 5 , eaav0693 (2019).

CAS Google Scholar

28.

Нагабхушана Г. П., Шиварамайя Р. и Навроцкий А. Прямая калориметрическая проверка термодинамической нестабильности гибридных перовскитов галогенида свинца. Proc. Natl. Акад. Sci. 113 , 7717–7721 (2016).

CAS Google Scholar

29.

Soe, C.M. M. et al. Структурные и термодинамические пределы толщины слоя в 2D галогенидных перовскитах. Proc. Natl. Акад. Sci. 116 , 58–66 (2019).

Google Scholar

30.

Mitzi, D. B., Feild, C. A., Harrison, W. T. A. & Guloy, A. M. Проводящие галогениды олова со слоистой структурой перовскита на органической основе. Nature 369 , 467–469 (1994). Первая демонстрация того, что 2DPK могут использоваться в качестве материалов для транспортировки заряда в устройствах .

CAS Google Scholar

31.

Cao, D. H. et al. Тонкие пленки и солнечные элементы на основе полупроводниковых двумерных элементов Раддлесдена – Поппера (CH ₃ (CH ₂ ) ₃ NH ₃ ) ₂ (CH ₃ NH ₃ ) _n-1 Sn _n I _{3n + 1} Перовскиты. ACS Energy Lett. 2 , 982–990 (2017).

CAS Google Scholar

32.

Ke, W. et al. Разработка композиций и растворителей в двумерных перовскитах Диона – Якобсона повышает эффективность и стабильность солнечных элементов. Adv. Energy Mater. 9 , 1803384 (2019).

Google Scholar

33.

Митци, Д. Б., Чондудис, К. и Каган, К. Р. Дизайн, структура и оптические свойства органо-неорганических перовскитов, содержащих хромофор олиготиофена. Неорг. Chem. 38 , 6246–6256 (1999).

CAS Google Scholar

34.

Gompel, W. T. M. V. et al. На пути к двумерным слоистым гибридным перовскитам с расширенной функциональностью: введение комплексов с переносом заряда посредством самосборки. Chem. Commun. 55 , 2481–2484 (2019).

Google Scholar

35.

Биллинг, Д. Г. и Леммерер, А. Синтез и кристаллические структуры неорганических-органических гибридов, включающих ароматический амин с хиральной функциональной группой. CrystEngComm 8 , 686–695 (2006).

CAS Google Scholar

36.

Ahn, J. et al. Новый класс хиральных полупроводников: органические неорганические гибридные перовскиты, содержащие хиральные органические молекулы. Mater. Horiz. 4 , 851–856 (2017).

CAS Google Scholar

37.

Long, G. et al. Контроль спина в хиральных перовскитах уменьшенной размерности. Нат. Фотоника 12 , 528–533 (2018).

CAS Google Scholar

38.

Ma, J. et al. Хиральные 2D-перовскиты с высокой степенью циркулярно поляризованной фотолюминесценции. ACS Nano 13 , 3659–3665 (2019).

CAS Google Scholar

39.

Yuan, C. et al. Хиральные перовскитные нанопроволоки галогенида свинца для нелинейной оптики второго порядка. Nano Lett. 18 , 5411–5417 (2018).

CAS Google Scholar

40.

Ян, К.-К. и другие. Первые двумерные гомохиральные сегнетоэлектрики перовскита йодида свинца: [R- и S-1- (4-хлорфенил) этиламмоний] ₂ PbI ₄ . Adv. Mater . https://doi.org/10.1002/adma.201808088 (2019).

41.

Marronnier, A. et al. Ангармонизм и беспорядок в черных фазах иодида цезия-свинца, используемого для стабильных неорганических перовскитных солнечных элементов. ACS Nano 12 , 3477–3486 (2018).

CAS Google Scholar

42.

Онода-Ямамуро, Н., Мацуо, Т. и Суга, Х. Калориметрические и ИК-спектроскопические исследования фазовых переходов в тригалогеноплюмбатах метиламмония (II). J. Phys. Chem. Твердые вещества 51 , 1383–1395 (1990).

CAS Google Scholar

43.

Биллинг, Д.G. & Lemmerer, A. Синтез, характеристика и фазовые переходы в гибридах типа неорганически-органического слоистого перовскита [(C _n H _{2n + 1} NH ₃ ) ₂ PbI ₄ ], n = 4, 5 и 6. Acta Crystallogr. B 63 , 735–747 (2007). Описание подробных структурных изменений, происходящих при фазовых переходах в 2DPK с n = 1 .

CAS Google Scholar

44.

Уэда, Т., Омо, М., Симидзу, К., Оки, Х. и Окуда, Т. Ионное движение иона фенэтиламмония в [C ₆ H ₅ CH ₂ CH ₂ NH ₃ ] ₂ PbX ₄ (X = Cl, Br, I), как исследовано с помощью ¹ H ЯМР. Z. Für Naturforschung A 52 , 502–508 (2014).

Google Scholar

45.

Барман, С., Венкатараман, Н. В., Васудеван, С. & Сешадри, Р.Фазовые переходы в закрепленных органических бислоев длинноцепочечных алкиламмоний-иодидов свинца (C _n H _{2n + 1} NH ₃ ) ₂ PbI ₄ ; n = 12, 16, 18. J. Phys. Chem. B 107 , 1875–1883 ​​(2003).

CAS Google Scholar

46.

Spanopoulos, I. et al. Одноосное расширение семейства перовскитов 2D Раддлесдена – Поппера для повышения устойчивости к окружающей среде. Дж.Являюсь. Chem. Soc. 141 , 5518–5534 (2019).

CAS Google Scholar

47.

Pradeesh, K., Baumberg, J. J. & Vijaya Prakash, G. Температурно-индуцированное переключение экситонов в неорганических-органических гибридах на основе длинной алкильной цепи. J. Appl. Phys. 111 , 013511 (2012).

Google Scholar

48.

Ленг, К. и др. Молекулярно тонкие двумерные гибридные перовскиты с настраиваемыми оптоэлектронными свойствами за счет обратимой поверхностной релаксации. Нат. Матер. 17 , 908 (2018).

CAS Google Scholar

49.

Хориучи С. и Токура Ю. Органические сегнетоэлектрики. Нат. Матер. 7 , 357–366 (2008).

CAS Google Scholar

50.

Li, L. et al. Двумерный гибридный сегнетоэлектрик типа перовскита для высокочувствительного к поляризации коротковолнового фотодетектирования. J. Am. Chem. Soc. 141 , 2623–2629 (2019).

CAS Google Scholar

51.

Zhang, H.-Y. и другие. Наблюдение вихревых доменов в двумерном сегнетоэлектрике из перовскита из иодида свинца. J. Am. Chem. Soc. 142 , 4925–4931 (2020).

CAS Google Scholar

52.

Liu, G. et al. Метастабильные состояния, полученные изотермическим давлением в двумерных гибридных перовскитах, демонстрируют стойкое сужение запрещенной зоны. Proc. Natl. Акад. Sci. 115 , 8076–8081 (2018).

CAS Google Scholar

53.

Yin, T. et al. Созданные под давлением структурные и оптические свойства двумерных (C ₄ H ₉ NH ₃ ) ₂ PbI ₄ расслоенных чешуек перовскита толщиной нм. J. Am. Chem. Soc. 141 , 1235–1241 (2019).

CAS Google Scholar

54.

Chen, Y. et al. Увеличение эмиссии и сохранение запрещенной зоны двумерного перовскита галогенида свинца со смешанными катионами под высоким давлением. J. Mater. Chem. А 7 , 6357–6362 (2019).

CAS Google Scholar

55.

Yuan, Y. et al. Большое сужение запрещенной зоны и увеличенный срок службы носителей (C ₄ H ₉ NH ₃ ) ₂ PbI ₄ под высоким давлением. Adv.Sci. 6 , 1

0 (2019).

Google Scholar

56.

Liu, S. et al. Управление эффективным излучением света в двумерных кристаллах перовскита за счет анизотропной деформации под давлением. Sci. Adv. 5 , eaav9445 (2019).

CAS Google Scholar

57.

Kong, L. et al. Высокие возможности настройки свойств двумерных перовскитов Диона – Якобсона, подвергнутых обработке давлением. Proc. Natl Acad. Sci. США 117 , 16121–16126 (2020).

CAS Google Scholar

58.

Tu, Q. et al. Растяжение и разрыв ультратонких 2D гибридных органо-неорганических перовскитов. ACS Nano 12 , 10347–10354 (2018).

CAS Google Scholar

59.

Ferreira, A.C. et al. Упругая мягкость гибридных перовскитов галогенида свинца. Phys. Rev. Lett. 121 , 085502 (2018).

CAS Google Scholar

60.

Tu, Q. et al. Изучение факторов, влияющих на механические свойства 2D-гибридных органо-неорганических перовскитов. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 12 , 20440–20447 (2020). Отчет о механических свойствах 2ДПК различного состава и структуры .

CAS Google Scholar

61.

Liu, K. et al. Упругие свойства химически осажденного монослоя MoS ₂ , WS ₂ и их двухслойных гетероструктур. Nano Lett. 14 , 5097–5103 (2014).

CAS Google Scholar

62.

Рут, С. Э., Савагатруп, С., Принц, А. Д., Родрикес, Д. и Липоми, Д. Дж. Механические свойства органических полупроводников для растягиваемой, очень гибкой и механически прочной электроники. Chem. Ред. 117 , 6467–6499 (2017).

CAS Google Scholar

63.

Кепенекян М. и др. Представление о рассогласовании решеток и возникновении поверхностных состояний в двумерных гибридных квантовых ямах перовскита. Nano Lett. 18 , 5603–5609 (2018).

CAS Google Scholar

64.

Blancon, J.-C. и другие. Чрезвычайно эффективная внутренняя диссоциация экситонов через краевые состояния в слоистых 2D перовскитах. Наука 355 , 1288–1292 (2017).

CAS Google Scholar

65.

Blancon, J.-C. и другие. Закон скейлинга для экситонов в двумерных перовскитных квантовых ямах. Нат. Commun. 9 , 2254 (2018).

Google Scholar

66.

Price, C. C., Blancon, J.-C., Mohite, A. D. & Shenoy, V. B. Межфазная электромеханика предсказывает фазовое поведение 2d-гибридных галогенидных перовскитов. ACS Nano 14 , 3353–3364 (2020).

CAS Google Scholar

67.

Mao, L. et al. Семислойные 2D гибридные перовскиты йодида свинца. Chem 5 , 2593–2604 (2019).

CAS Google Scholar

68.

Tu, Q. et al. Внеплоскостные механические свойства двумерных гибридных органо-неорганических перовскитов методом наноиндентирования. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10 , 22167–22173 (2018).

CAS Google Scholar

69.

Li, J. et al. Cs ₂ PbI ₂ Cl ₂ , полностью неорганический двумерный смешанный галогенидный перовскит Раддлесдена – Поппера с оптоэлектронным откликом. J. Am. Chem. Soc. 140 , 11085–11090 (2018).

CAS Google Scholar

70.

Мак, К. Ф., Ли, К., Хон, Дж., Шан, Дж. И Хайнц, Т. Ф. Атомно тонкий MoS ₂ : новый прямозонный полупроводник. Phys. Rev. Lett. 105 , 136805 (2010).

Google Scholar

71.

Yang, A. et al. Гигантское усиление излучения фотолюминесценции в двумерных перовскитных гетероструктурах WS ₂ . Nano Lett. 19 , 4852–4860 (2019).

Google Scholar

72.

Klingshirn, P. C. F. Semiconductor Optics (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012).

73.

Traore, B. et al. Композитная природа слоистых гибридных перовскитов: оценка квантовых и диэлектрических ограничений и выравнивания зон. ACS Nano 12 , 3321–3332 (2018).

CAS Google Scholar

74.

Sichert, J. A. et al. Квантовый размерный эффект в нанопластинках металлоорганического галогенида перовскита. Nano Lett. 15 , 6521–6527 (2015).

CAS Google Scholar

75.

Папавассилиу, Г. К., Кутселас, И. Б., Терзис, А. и Раптопулу, К. П. Некоторые естественные трехмерные и низкоразмерные полупроводниковые системы с металлогалогенными элементами. MRS Online Proc. Libr. Arch. 358 , 283–288 (1994).

Google Scholar

76.

Эвен, Дж., Педессо, Л. и Катан, К. Понимание квантового ограничения носителей заряда в слоистых 2D-гибридных перовскитах. ChemPhysChem 15 , 3733–3741 (2014).

CAS Google Scholar

77.

Танака, К. и Кондо, Т. Энергия запрещенной зоны и экситонной связи в естественных кристаллах с квантовыми ямами на основе йодида свинца. Sci. Technol. Adv. Матер. 4 , 599–604 (2003).

CAS Google Scholar

78.

Черников А.А. и др. Энергия связи экситона и неводородный ряд Ридберга в монослое WS ₂ . Phys. Rev. Lett. 113 , 076802 (2014).

Google Scholar

79.

Келдыш Л.В. Кулоновское взаимодействие в тонких полупроводниковых и полуметаллических пленках. Сов. J. Exp. Теор. Phys. Lett. 29 , 658 (1979).

Google Scholar

80.

Stoumpos, C.C. et al. Высокие члены галогенидных перовскитов 2D Раддлесдена-Поппера: синтез, оптические свойства и солнечные элементы (CH ₃ (CH ₂ ) ₃ NH ₃ ) ₂ (CH ₃ NH ₃ ) ₄ Pb ₅ I ₁₆ . Chem 2 , 427–440 (2017).

CAS Google Scholar

81.

Todd, S. B. et al. Обнаружение спинового расщепления Рашбы в двумерном органо-неорганическом перовските посредством прецессионной спиновой релаксации носителей заряда. APL Mater. 7 , 081116 (2019).

Google Scholar

82.

Yin, J. et al. Послойное расщепление полос Рашбы в 2D гибридных перовскитах. Chem. Матер. 30 , 8538–8545 (2018).

CAS Google Scholar

83.

Niesner, D. et al. Структурные флуктуации вызывают спин-расщепленные состояния в тетрагональном (CH ₃ NH ₃ ) PbI ₃ , о чем свидетельствует круговой фотогальванический эффект. Proc. Natl. Акад. Sci. 115 , 9509–9514 (2018).

CAS Google Scholar

84.

Манчон, А., Ку, Х. К., Нитта, Дж., Фролов, С. М., Дуайн, Р. А. Новые перспективы спин-орбитального взаимодействия Рашбы. Нат. Матер. 14 , 871–882 (2015).

CAS Google Scholar

85.

Lu, H. et al. Спин-зависимый перенос заряда через двумерные хиральные гибридные перовскиты иодида свинца. Sci. Adv. 5 , eaay0571 (2019).

CAS Google Scholar

86.

Каган, К. Р., Митци, Д. Б. и Димитракопулос, К. Д. Органико-неорганические гибридные материалы как полупроводниковые каналы в тонкопленочных полевых транзисторах. Science 286 , 945–947 (1999).

CAS Google Scholar

87.

Milot, R. L. et al.Динамика носителей заряда в 2D-гибридных металлогалогенидных перовскитах. Nano Lett. 16 , 7001–7007 (2016).

CAS Google Scholar

88.

Венкатесан, Н. Р., Лабрам, Дж. Г. и Чабиник, М. Л. Динамика носителей заряда и кристаллическая текстура слоистых тонких пленок перовскита иодида свинца из многослойного гибрида Раддлесдена – Поппера. ACS Energy Lett. 3 , 380–386 (2018).

CAS Google Scholar

89.

Го З., Ву X., Чжу Т., Чжу X. и Хуанг Л. Рассеяние электронов на фононах в атомарно тонких 2D перовскитах. ACS Nano 10 , 9992–9998 (2016).

CAS Google Scholar

90.

Thouin, F. et al. Фононные когерентности раскрывают поляронный характер экситонов в двумерных перовскитах галогенидов свинца. Нат. Матер. 18 , 349–356 (2019).

CAS Google Scholar

91.

Guo, P. et al. Когерентные акустические фононы в двухмерных органо-неорганических гибридных перовскитах. Нат. Commun. 9 , 1–9 (2018).

Google Scholar

92.

Straus, D. B. et al. Прямое наблюдение электрон-фононного взаимодействия и медленной колебательной релаксации в органо-неорганических гибридных перовскитах. J. Am. Chem. Soc. 138 , 13798–13801 (2016).

CAS Google Scholar

93.

Baranowski, M. et al. Увеличение массы носителей в двумерных перовскитах Раддлесдена-Поппера за счет фазовых переходов. ACS Energy Lett. 4 , 2386–2392 (2019).

CAS Google Scholar

94.

Kang, J. & Wang, L.-W. Динамический беспорядок и флуктуация потенциала в двумерном перовските. J. Phys. Chem. Lett. 8 , 3875–3880 (2017).

CAS Google Scholar

95.

Kaasbjerg, K., Thygesen, K. S. & Jacobsen, K. W. Фононная ограниченная подвижность в однослойном MoS типа n из первых принципов. Phys. Ред. B 85 , 115317 (2012).

Google Scholar

96.

Сигер, К. Физика полупроводников: введение (Springer Science & Business Media, 2013).

97.

Ni, L. et al. Наблюдение в реальном времени динамики экситон-фононного взаимодействия в самоорганизующихся гибридных квантовых ямах перовскита. ACS Nano 11 , 10834–10843 (2017).

CAS Google Scholar

98.

Matsushima, T. et al. Органические – неорганические перовскитовые полевые транзисторы с обработкой на растворе и высокой подвижностью дырок. Adv. Матер. 28 , 10275–10281 (2016).

CAS Google Scholar

99.

Gélvez-Rueda, M.C. et al. Взаимопревращение свободных зарядов и связанных экситонов в двумерных гибридных перовскитах галогенида свинца. J. Phys. Chem. С 121 , 26566–26574 (2017).

Google Scholar

100.

Лю Ю., Сяо Х. и Годдард В. А. Двумерные галогенидные перовскиты: настройка электронной активности дефектов. Nano Lett. 16 , 3335–3340 (2016).

CAS Google Scholar

101.

Egger, D. A. et al. Что остается невыясненным в свойствах галогенидных перовскитов? Adv.Матер. 30 , 1800691 (2018).

Google Scholar

102.

Радисавлевич, Б., Раденович, А., Бривио, Дж., Джакометти, В. и Кис, А. Однослойные транзисторы MoS ₂ . Нат. Nanotechnol. 6 , 147–150 (2011).

CAS Google Scholar

103.

Бастард, Г. Волновая механика, применяемая к полупроводниковым гетероструктурам (Les Éditions de Physique, 1988).

104.

Wu, X. et al. Ловушечные состояния в перовскитах иодида свинца. J. Am. Chem. Soc. 137 , 2089–2096 (2015).

CAS Google Scholar

105.

Пандей М., Якобсен, К. В. и Тайгесен, К. С. Настройка ширины запрещенной зоны и устойчивость к дефектам атомарно тонких двумерных органо-неорганических галогенидных перовскитов. J. Phys. Chem. Lett. 7 , 4346–4352 (2016).

CAS Google Scholar

106.

Zhang, Z., Fang, W.-H., Long, R., Prezhdo, O. V. Диссоциация экситонов и подавленная рекомбинация заряда на краях 2D-перовскита: ключевые роли ненасыщенных галогенидных связей и термического беспорядка. J. Am. Chem. Soc. 141 , 15557–15566 (2019).

CAS Google Scholar

107.

Xiao, X. et al. Подавление миграции ионов вдоль плоскости в слоистых перовскитах. ACS Energy Lett. 3 , 684–688 (2018).

CAS Google Scholar

108.

Zhang, Z., Fang, W.-H., Tokina, MV, Long, R. & Prezhdo, OV Быстрая декогеренция подавляет рекомбинацию зарядов в многослойных 2D галогенидных перовскитах: неэмпирический анализ во временной области . Nano Lett. 18 , 2459–2466 (2018).

CAS Google Scholar

109.

Neutzner, S. et al. Экситон-поляронные спектральные структуры в двумерных гибридных галогенидных перовскитах свинца. Phys. Rev. Mater. 2 , 064605 (2018).

CAS Google Scholar

110.

Abdel-Baki, K. et al. Экситонная динамика и нелинейности в двумерных гибридных органических перовскитах. J. Appl. Phys. 119 , 064301 (2016).

Google Scholar

111.

Chen, X. et al. Влияние толщины слоя на носитель заряда и время жизни спиновой когерентности в двумерных слоистых монокристаллах перовскита. ACS Energy Lett. 3 , 2273–2279 (2018).

CAS Google Scholar

112.

Delport, G. et al. Экситон-экситонная аннигиляция в двумерных галогенидных перовскитах при комнатной температуре. J. Phys. Chem. Lett. 10 , 5153–5159 (2019).

CAS Google Scholar

113.

Китадзава Н., Аоно М. и Ватанабе Ю. Синтез и люминесцентные свойства органо-неорганических слоистых перовскитных соединений на основе галогенида свинца (C _n H _{2n + 1} NH ₃ ) ₂ PbI ₄ (n = 4, 5, 7, 8 и 9). J. Phys. Chem. Твердые тела 72 , 1467–1471 (2011).

CAS Google Scholar

114.

Niu, T. et al. Перовскит уменьшенных размеров на основе органического диамина для эффективной фотоэлектрической энергии. J. Phys. Chem. Lett. 10 , 2349–2356 (2019).

CAS Google Scholar

115.

Guo, P. et al. Гиперболическая дисперсия, возникающая из-за анизотропных экситонов в двумерных перовскитах. Phys. Rev. Lett. 121 , 127401 (2018).

CAS Google Scholar

116.

Li, Y. et al. Измерение оптической диэлектрической функции однослойных дихалькогенидов переходных металлов: MoS ₂ , MoSe ₂ , WS ₂ и WSe ₂ . Phys. Ред. B 90 , 205422 (2014).

Google Scholar

117.

Blancon, J.-C. и другие. Влияние электронных примесей и динамики электронно-дырочной рекомбинации на фотовольтаическую эффективность крупнозернистого органо-неорганического перовскита. Adv. Функц. Матер. 26 , 4283–4292 (2016).

CAS Google Scholar

118.

Такаги, Х., Сато, М., Такэока, Ю., Кунугита, Х. и Эма, К. Влияние заряда изображения на тонкую структуру экситона в органо-неорганическом материале с квантовыми ямами. Phys. Ред. B 87 , 125421 (2013).

Google Scholar

119.

Tanaka, K. et al. Электронные и экситонные структуры квантоворазмерного кристалла типа неорганико-органического перовскита (C ₄ H ₉ NH ₃ ) ₂ PbBr ₄ . Jpn J. Appl. Phys. 44 , 5923–5932 (2005).

CAS Google Scholar

120.

Do, T. T. H. et al. Тонкая структура ярких экситонов в двумерных перовскитах галогенидов свинца. Nano Lett. 20 , 5141–5148 (2020).

CAS Google Scholar

121.

Кахманн, С., Текеленбург, Э. К., Дуим, Х., Камминга, М. Э. и Лой, М. А. Внешняя природа широкой фотолюминесценции в перовскитах Раддлесдена – Поппера на основе йодида свинца. Нат. Commun. 11 , 2344 (2020).

CAS Google Scholar

122.

Elkins, M.H. et al. Биэкситонные резонансы выявляют локализацию экситонов в квантовых ямах многослойного перовскита. J. Phys. Chem. Lett. 8 , 3895–3901 (2017).

CAS Google Scholar

123.

Mao, L. et al. Настраиваемое излучение белого света в трехслойных 2D перовскитах с однокатионным темплатом (CH ₃ CH ₂ NH ₃ ) ₄ Pb ₃ Br _10-x Cl _x . J. Am. Chem. Soc. 139 , 11956–11963 (2017).

CAS Google Scholar

124.

Peng, W. et al. Сверхнизкое самолегирование в двумерных гибридных монокристаллах перовскита. Nano Lett. 17 , 4759–4767 (2017).

CAS Google Scholar

125.

Du, K. et al. Двумерные гибридные перовскиты на основе галогенида свинца (II) на основе аценалкиламинов: кристаллические структуры, оптические свойства и пьезоэлектричество. Неорг. Chem. 56 , 9291–9302 (2017).

CAS Google Scholar

126.

Филип М. Р., Эперон Г. Э., Снайт Х. Дж. И Джустино Ф. Стерическая инженерия металлогалогенных перовскитов с настраиваемыми оптическими запрещенными зонами. Нат. Commun. 5 , 5757 (2014).

CAS Google Scholar

127.

Galkowski, K. et al. Определение энергии связи и эффективных масс экситонов для полупроводников из метиламмония и формамидиния, три-галогенида и перовскита свинца. Energy Environ. Sci. 9 , 962–970 (2016).

CAS Google Scholar

128.

Tanaka, K. et al. Влияние заряда изображения на двумерные экситоны в кристалле с неорганически-органическими квантовыми ямами. Phys. Ред. B 71 , 045312 (2005).

Google Scholar

129.

Мульджаров Э.А., Тиходеев С.Г., Гиппиус Н.А., Исихара Т.Экситоны в самоорганизованных сверхрешетках полупроводник / диэлектрик: перовскитные соединения на основе PbI. Phys. Ред. B Конденс. Matter 51 , 14370–14378 (1995).

CAS Google Scholar

130.

Чжан, К., Чу, Л., Чжоу, Ф., Цзи, В. и Эда, Г. Экситонные свойства химически синтезированных двумерных органо-неорганических гибридных нанолистов перовскита. Adv. Матер. 30 , 1704055 (2018).

Google Scholar

131.

Китадзава, Н. Оптическое поглощение и фотолюминесцентные свойства двумерного слоистого перовскита на основе Pb (I, Br). Jpn J. Appl. Phys. 36 , 2272 (1997).

CAS Google Scholar

132.

Raja, A. et al. Диэлектрический беспорядок в двумерных материалах. Нат. Nanotechnol. 14 , 832–837 (2019).

CAS Google Scholar

133.

Икараси Н., Баба Т. и Исида К. Просвечивающая электронная микроскопия с высоким разрешением вицинальной межфазной структуры AlAs / GaAs. Прил. Phys. Lett. 62 , 1632–1634 (1993).

CAS Google Scholar

134.

Танака, М. и Сакаки, ​​Х. Рост методом МБЭ и оптические свойства новых квантовых ям с гофрированной поверхностью раздела. Jpn. J. Appl. Phys. 27 , L2025 (1988).

CAS Google Scholar

135.

Чо, Й. и Беркельбах, Т. С. Оптические свойства слоистых гибридных органо-неорганических галогенидных перовскитов: исследование прочного связывания GW-BSE. J. Phys. Chem. Lett . 6189–6196 (2019).

136.

Куцелас, И. Б., Дюкасс, Л., Папавассилиу, Г. С. Электронные свойства трехмерных и низкоразмерных полупроводниковых материалов с элементами галогенида свинца и галогенида олова. J. Phys. Конденс. Дело , , 8, , 1217 (1996).

CAS Google Scholar

137.

Seitz, M. et al. Диффузия экситонов в двумерных металлогалогенидных перовскитах. Нат. Commun. 11 , 2035 (2020).

CAS Google Scholar

138.

Lee, K. J. et al. Искусственные множественные квантовые ямы на основе перовскита. Nano Lett. 19 , 3535–3542 (2019).

CAS Google Scholar

139.

Санвитто, Д.И Кена-Коэн, С. Путь к поляритонным устройствам. Нат. Матер. 15 , 1061–1073 (2016).

CAS Google Scholar

140.

Латини С., Олсен Т. и Тайгесен К. С. Экситоны в гетероструктурах Ван-дер-Ваальса: важная роль диэлектрического экранирования. Phys. Ред. B 92 , 245123 (2015).

Google Scholar

141.

Qin, C. et al. Триплетное управление для эффективных перовскитовых светодиодов. Нат. Фотоника 14 , 10–75 (2019).

Google Scholar

142.

Abdelwahab, I. et al. Сильно усиленная генерация третьей гармоники в двумерных перовскитах при экситонных резонансах. ACS Nano 12 , 644–650 (2018).

CAS Google Scholar

143.

Gan, Z. et al. Доминирующий путь переноса энергии в галогенидных перовскитах: рециклинг фотонов или диффузия носителей? Adv. Energy Mater. 9 , 1

5 (2019).

Google Scholar

144.

Саума, Ф. О., Стоумпос, К. К., Вонг, Дж., Канатзидис, М. Г. и Джанг, Дж. И. Селективное усиление оптической нелинейности в двумерных органо-неорганических перовскитах иодида свинца. Нат. Commun. 8 , 1–8 (2017).

Google Scholar

145.

Abdelwahab, I. et al. Гигантская перестраиваемая оптическая нелинейность в монокристаллических 2D перовскитах из-за экситонных и плазменных эффектов. Adv. Матер. 31 , 1

5 (2019).

Google Scholar

146.

Zhang, S. et al. Прямое наблюдение вырожденного двухфотонного поглощения и его насыщения в однослойных и многослойных пленках WS ₂ и MoS ₂ . САУ Нано 9 , 7142–7150 (2015).

CAS Google Scholar

147.

Папавассилиу, Г. К. и Кутселас, И. Б. Структурные, оптические и связанные с ними свойства некоторых естественных трехмерных и низкоразмерных полупроводниковых систем. Synth. Встретились. 71 , 1713–1714 (1995).

CAS Google Scholar

148.

Назаренко, О.и другие. Люминесцентные и фотопроводящие слоистые перовскитные соединения галогенида свинца, содержащие смеси катионов цезия и гуанидиния. Неорг. Chem. 56 , 11552–11564 (2017).

CAS Google Scholar

149.

Haldar, S. et al. Влияние ограничения носителей на эффективную массу экситонов и оценка сверхнизкого беспорядка в квантовых ямах Al _x Ga _1-x As / GaAs методом магнитофотолюминесценции. Sci. Отчет 7 , 4905 (2017).

CAS Google Scholar

150.

Янг, Дж. И Уайз, Ф. У. Электронные состояния нанолистов соли свинца. J. Phys. Chem. С 119 , 26809–26816 (2015).

CAS Google Scholar

151.

Goryca, M. et al. Выявление масс экситонов и диэлектрических свойств однослойных полупроводников с сильными магнитными полями. Нат. Commun. 10 , 1–12 (2019).

CAS Google Scholar

152.

Tsai, H. et al. Принципы проектирования электронного переноса заряда в двумерных перовскитных квантовых ямах с вертикальной структурой и обработкой раствора. Нат. Commun. 9 , 2130 (2018).

Google Scholar

153.

Quintero-Bermudez, R. et al. Композиционный и ориентационный контроль в металлогалогенных перовскитах пониженной размерности. Нат. Матер. 17 , 900 (2018).

CAS Google Scholar

154.

Zhang, F. et al. Достижения в области двумерных органо-неорганических гибридных перовскитов. Energy Environ. Sci. 13 , 1154–1186 (2020).

CAS Google Scholar

155.

Ван, Ю.-К. и другие. Контроль роста квантовых ям CsPbBr ₃ с помощью хелатирующего агента обеспечивает стабильные синие излучатели перовскита. Нат. Commun. 11 , 3674 (2020).

CAS Google Scholar

156.

He, T. et al. Фотовольтаика с уменьшенной размерностью перовскита с однородным энергетическим ландшафтом. Нат. Commun. 11 , 1672 (2020).

CAS Google Scholar

157.

Hoffman, J. M. et al. Широкоугольное рассеяние при скользящем падении in situ выявляет механизмы фазового распределения и разориентации в двумерных галогенидных перовскитных пленках. Adv. Матер. 32 , 2002812 (2020).

CAS Google Scholar

158.

Chen, A. Z. et al. Происхождение вертикальной ориентации в двумерных металлогалогенных перовскитах и ​​ее влияние на фотоэлектрические характеристики. Нат. Commun. 9 , 1336 (2018).

Google Scholar

159.

Hu, J. et al. Синтетический контроль над ориентационным вырождением катионов спейсера увеличивает эффективность солнечных элементов в двумерных перовскитах. Нат. Commun. 10 , 1276 (2019).

Google Scholar

160.

Di, D. et al. Высокоэффективные светодиоды на основе карбен-металл-амидов. Наука 356 , 159–163 (2017).

CAS Google Scholar

161.

Dai, X. et al. Реалистичные высокопроизводительные светодиоды на основе квантовых точек. Nature 515 , 96–99 (2014).

CAS Google Scholar

162.

Raghavan, C.M. et al. Низкопороговая генерация двумерных гомологичных органо-неорганических гибридных монокристаллов перовскита Раддлесдена – Поппера. Nano Lett. 18 , 3221–3228 (2018).

CAS Google Scholar

163.

Kim, H. et al. Гибридные перовскитовые светодиоды при интенсивном электрическом возбуждении. Нат. Commun. 9 , 4893 (2018).

Google Scholar

164.

Quan, L. N. et al. Перовскиты для оптических источников нового поколения. Chem. Ред. 119 , 7444–7477 (2019).

CAS Google Scholar

165.

Tsai, H. et al. Стабильные светодиоды на основе фазово-чистых слоистых перовскитов Раддлесдена – Поппера. Adv.Матер. 30 , 1704217 (2018).

Google Scholar

166.

Luo, T. et al. Контроль состава в двумерных перовскитах с чередующимися катионами в межслоевом пространстве для фотовольтаики с эффективностью более 18%. Adv. Матер. 31 , 18 (2019).

CAS Google Scholar

167.

Lin, Y. et al. Раскрытие механизма действия многослойных перовскитных солнечных элементов. Нат. Commun. 10 , 1008 (2019).

Google Scholar

168.

Mohite, A. D. & Blancon, J.-C. Выбор фазы увеличения масштаба. Нат. Матер. 17 , 1058–1059 (2018).

CAS Google Scholar

169.

Smith, I.C., Hoke, E.T., Solis-Ibarra, D., McGehee, M.D., Karunadasa, H.I. Слоистый гибридный перовскитовый поглотитель солнечных элементов с повышенной влагостойкостью. Angew. Chem. Int. Эд. 53 , 11232–11235 (2014).

CAS Google Scholar

170.

Fang, H.-H. и другие. Выявление световой деградации слоистых кристаллов перовскита и разработка эффективной инкапсуляции для повышения фотостабильности. Adv. Функц. Матер. 28 , 1800305 (2018).

Google Scholar

171.

Quan, L.N. et al. Стабилизация кромок в перовскитах уменьшенной размерности. Нат. Commun. 11 , 1–9 (2020).

Google Scholar

172.

Shang, Y. et al. Высокостабильные гибридные перовскитовые светодиоды на основе структуры Диона-Якобсона. Sci. Adv. 5 , eaaw8072 (2019).

CAS Google Scholar

173.

Вэй, Ю., Одеберт, П., Galmiche, L., Lauret, J.-S. И Делепорте, Э. Синтез, оптические свойства и фотостабильность нового фторированного органо-неорганического гибрида (R – NH ₃ ) ₂ PbX ₄ полупроводников. J. Phys. Прил. Phys. 46 , 135105 (2013).

Google Scholar

174.

Садху, С., Буффето, Т., Сандрез, С., Хирш, Л. и Бассани, Д. М. Наблюдение за миграцией разновидностей водорода в гибридных перовскитных материалах посредством изотопного обмена D / H. J. Am. Chem. Soc. 142 , 10431–10437 (2020).

CAS Google Scholar

175.

Wolff, C.M. et al. Перфторированные самоорганизующиеся монослои повышают стабильность и эффективность инвертированных перовскитных солнечных элементов. ACS Nano 14 , 1445–1456 (2020).

CAS Google Scholar

176.

Boyd, C.C., Cheacharoen, R., Leijtens, T. & McGehee, M. D. Понимание механизмов деградации и повышение стабильности перовскитных фотоэлектрических элементов. Chem. Ред. 119 , 3418–3451 (2019).

CAS Google Scholar

177.

Grancini, G. et al. Годовые стабильные перовскитные солнечные элементы с помощью проектирования интерфейсов 2D / 3D. Нат. Commun. 8 , 1–8 (2017).

Google Scholar

178.

Sutanto, A.A. et al. Анализ на месте показывает роль 2D-перовскита в предотвращении термической деградации на границах раздела 2D / 3D-перовскита. Nano Lett. 20 , 3992–3998 (2020).

CAS Google Scholar

179.

Донг, К., Лей, Л., Мендес, Дж. И Со, Ф. Стабильность работы перовскитных светодиодов. J. Phys. Матер. 3 , 012002 (2020).

CAS Google Scholar

Основы полупроводников — что такое полупроводник, типы, материалы, физика

Основы полупроводников — Что такое полупроводник, типы, материалы, физика и многое другое.

Полупроводник можно определить как вещество, обладающее свойствами как проводника, так и изолятора.

Он может проводить электричество при определенных обстоятельствах, но не всегда. Эта физика и свойство полупроводника делают его хорошей средой для контролируемого использования электричества по мере необходимости. Электропроводность полупроводника зависит от нескольких факторов, таких как ток или напряжение, приложенные к управляющему электроду, или от интенсивности облучения инфракрасным ( IR ), видимым светом, ультрафиолетом ( UV ) или рентгеновскими лучами.

Итак, мы можем сказать, что полупроводник — это материал, который имеет электрическую проводимость больше, чем изолятор, но меньше, чем проводник.

Примеры : Диоды, транзисторы и многие фотоэлектрические элементы.

Полупроводники — факты и физика

Как я уже упоминал выше, полупроводник имеет двойное свойство — проводник и изолятор электричества. Это свойство зависит от примесей, добавленных к полупроводниковому материалу (такой материал в чистом виде называется « внутренний »). Примеси, добавленные в материал для изменения его электрических свойств, называются «легирующими добавками », , а процесс добавления примесей к чистому полупроводниковому материалу называется легированием.

Типы полупроводников

Полупроводники бывают 2-х типов:

1. Полупроводник N-типа — это тот, который переносит ток в виде отрицательно заряженных электронов. Это очень похоже на проводимость тока в проводе.
2. A Полупроводник P-типа — это тот, который переносит ток преимущественно в виде электронных дефектов, называемых дырками.Дыра имеет положительный электрический заряд. Этот заряд равен заряду электрона и противоположен ему. Эти дырки текут в направлении, противоположном электронам.

Функция / применение

Полупроводник может помочь контролировать поток электричества. Основная функция такого устройства состоит в том, чтобы переключать на и на выключение потока электроэнергии по мере необходимости. Полупроводниковый прибор может выполнять функцию вакуумной лампы, объем которой в сотни раз превышает его объем.Одна интегральная схема ( IC ), такая как микросхема микропроцессора, может выполнять работу набора электронных ламп.

Полупроводниковые материалы

Для изготовления полупроводников используется несколько материалов и элементов. Основное требование — материал не должен быть очень хорошим проводником электричества и не должен быть очень плохим проводником электричества. Его свойства можно изменить, добавляя или удаляя атомы / примеси.

Полупроводниковые материалы включают — кремний, сурьму, мышьяк, бор, углерод, германий, арсенид галлия, селен, карбид кремния, серу, теллур, оксиды большинства металлов.

Что такое сверхпроводник?

Сверхпроводник — это элемент, интерметаллический сплав или соединение, которое без сопротивления проводит электричество ниже определенной температуры.

Приведенный в движение электрический ток будет вечно течь по замкнутому контуру из сверхпроводящего материала.

Диод

Диод — это электронный компонент, который позволяет току течь только в одном направлении. Это устройство, состоящее из p-n перехода.Чаще всего они используются для преобразования переменного тока в постоянный, потому что они пропускают положительную часть волны и блокируют отрицательную часть сигнала переменного тока, или, если они перевернуты, они пропускают только отрицательную часть, а не положительную часть.

Диод — это простейшее из возможных полупроводниковых устройств и лучшее устройство для изучения и понимания того, как работает полупроводник.

Транзистор

Транзистор представляет собой устройство, изготовленное из цельного куска полупроводникового материала и используется для усиления и переключения электронных сигналов.Транзистор может быть активен только в одном направлении и может потреблять больший или меньший ток через свой нагрузочный резистор.

Производство полупроводников

Производство полупроводников требует знаний и опыта. Производство должно осуществляться в чистом помещении. Используемые химические вещества должны быть чистыми и не содержать каких-либо примесей. Процесс добавления контролируемых примесей в полупроводник известен как легирование.

Этапы производства полупроводников

1. Дизайн / создание маски
2. Узор
3. Производство вафель
4. Формирование устройства / Формирование изоляционного слоя устройства
5. Формирование устройства / Формирование транзистора
6. Металлизация
7. Сборка и испытание

Полупроводниковая промышленность

Объем производства полупроводников на сегодняшний день превышает 300 миллиардов долларов, и ожидается, что он будет расти на 13-15% ежегодно.США, Южная Корея, Япония и Европейский Союз доминируют в отрасли и бизнесе.

10 ведущих компаний-производителей полупроводников

1. Корпорация Intel: мировой лидер в области кремниевых инноваций, разрабатывает процессорные технологии и поддерживает глобальные инициативы.
2. Samsung Electronics: полупроводники, включая DRAM, Flash, SRAM, графическую память, MCP, Mask ROM, системные LSI, ЖК-модули TFT и многое другое.
3. Toshiba: Производитель и поставщик запоминающих устройств, логических ИС общего назначения, транзисторов, диодов, оптических устройств, датчиков, радиочастотных устройств, микрокомпьютеров, ASIC, ASSP, универсальных линейных ИС, ИС источника питания, транзисторных массивов, Драйвер двигателя, ИС операционного усилителя, ИС компаратора, Операционный усилитель и другие электронные компоненты SMD.
4. Texas Instruments: Разработчик и поставщик процессоров цифровых сигналов, дискретных и интегральных схем, вычислителей и цифровой обработки света ( DLP ).
5. STMicroelectronics: предлагает систему на кристалле ( SoC ) и другие подобные решения.
6. Qualcomm: ведущий поставщик передовых технологий производства полупроводников.
7. Hynix (ранее Hyundai Electronics): производитель и поставщик микросхем динамической оперативной памяти ( DRAM ) и микросхем флэш-памяти.
8. Renesas Technology: микрокомпьютеры, логические и аналоговые устройства, дискретные устройства и продукты памяти.
9. AMD: Advanced Micro Devices: американская транснациональная компания.
10. Sony

Полупроводники Вакансии

В связи с быстрым ростом отрасли появляется все больше и больше компаний, производящих полупроводники. В этой отрасли есть прекрасная работа и возможность трудоустройства для инженеров-электронщиков.

Вакансии доступны в следующих категориях:

• Электротехника
• Программная инженерия / DSP
• Техническая поддержка
• Продажи / маркетинг
• Разработка приложений
• Проект
• Управление материальными потоками
• Изготовление / Производство
• Гарантия качества
• Административный

Просто изучите разделы « карьера », « вакансии » или « работайте с нами » на веб-сайтах этих компаний и подайте заявку на наиболее подходящую работу.

Похожие сообщения:

Физика — кофе, пончики и полупроводники

20 апреля 2021 г. & bullet; Physics 14, 61

Во время встречи «Полупроводники на завтрак» исследователи проснулись, чтобы поговорить о светоизлучающих наностержнях и волосатых полостях.

Э. Фадали / Технологический университет Эйндховена

Недавние работы показывают, что наностержни кремний-германий могут излучать свет, в отличие от чистых кристаллов кремния. Исследователи вырастили эти полупроводниковые материалы с необходимой гексагональной кристаллической структурой, поместив их на нанопроволоки гексагональной формы.

Э. Фадали / Технологический университет Эйндховена

Недавняя работа показывает, что наностержни кремний-германий могут излучать свет, в отличие от чистых кристаллов кремния. Исследователи вырастили эти полупроводниковые материалы с необходимой гексагональной кристаллической структурой, поместив их на нанопроволоки гексагональной формы.

«Я ем полупроводники на завтрак» звучит как строчка из одного из фильмов Терминатор . Но эти широко используемые материалы были в утреннем меню на серии семинаров, организованных Немецким физическим обществом (DPG) в прошлом месяце.Серия «Полупроводники на завтрак» длилась две недели и предлагала широкий спектр тем, от светоизлучающих наностержней до газочувствительных лазеров. Каждое утро для посетителей устраивали беседы в стиле коллоквиума в непринужденной виртуальной обстановке «принеси свой кофе».

«Выступления освещают актуальные темы в области современной физики полупроводников и нацелены на широкую аудиторию, в том числе студентов, докторов наук. студенты, постдоки и старшие исследователи », — говорит соорганизатор Майкл Лорке из Бременского университета, Германия.Сериал зародился в прошлом году как виртуальная замена весеннему собранию DPG, которое было отменено из-за пандемии COVID-19. В этом году формат онлайн-завтрака снова был предложен полупроводниковому сообществу, поскольку личные встречи остаются проблемой. Явка, как и в прошлом году, была неплохой, в среднем около 120 участников на доклад. «Я очень рада, что так много людей вернулось в этом году», — говорит соорганизатор Дорис Райтер из Мюнстерского университета в Германии.

Формат встречи открытый, без формальной регистрации. Единственным требованием было щелкнуть ссылку в подходящий утренний час. Только с одним выступлением в день участники могли присоединиться к продолжительному перерыву на кофе, не нарушая весь свой рабочий график. «Одно выступление — это хорошее количество, чтобы переварить», — говорит Рейтер. «И это дает повод вставать утром!» Это также давало больше свободы для дискуссий. «У нас были случаи, когда вопросы в конце беседы длились полтора часа», — говорит Лорке.«Вы просто не сможете этого сделать, если уложите все переговоры в несколько дней», — говорит он.

Сессии начались с презентации гексагональных кристаллов кремния и германия Эриком Баккерсом из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах. Этот новый светоизлучающий полупроводник был выбран журналом Physics World в качестве прорыва года в 2020 году. Чистые кристаллы кремния не могут излучать свет, потому что у них непрямая запрещенная зона, что означает, что электроны проводимости имеют смещение импульса относительно в основное состояние.Чтобы создать прямую запрещенную зону в кремнии-германии, Баккерс и его коллеги должны были заставить материал образовать гексагональную решеточную структуру, что они и сделали путем выращивания кремний-германиевых наностержней вокруг гексагональной «затравки» кристалла. Наностержни излучают свет в инфракрасном диапазоне длин волн, что делает их многообещающим кандидатом для преобразования электрических сигналов в сигналы фотонов на компьютерных микросхемах.

Другие доклады охватывали весь спектр физики полупроводников, от лазеров до квантовых точек и устройств памяти, вдохновленных мозгом.Йеспер Мёрк из Технического университета Дании представил недавние работы по фотонным кристаллам, которые представляют собой периодические структуры, которые могут управлять светом. Группа Морка разработала фотонные кристаллы, в которых волновод совмещен с небольшой полостью. Такие устройства могут работать как оптические переключатели, как датчики и, как недавно было продемонстрировано, как лазеры. Чтобы повысить производительность этих фотонных кристаллов, команда работает над уменьшением размера полости, что должно усилить связь света с другими объектами, такими как одноатомные переключатели.Численные расчеты, проведенные группой, позволили выявить минимизирующие объем формы полости, которые позволяют добиться такого повышения производительности. Мёрк поделился некоторыми изображениями этих полостей с оптимизированной топологией, у которых центр в виде галстука-бабочки окружен удивительно «волосатыми» структурами.

На этом компьютерном чертеже показана конструкция полости, которая сводит к минимуму объем, в котором ограничен свет. На этом компьютерном чертеже показана конструкция полости, которая сводит к минимуму объем, в котором ограничен свет. ×

Некоторые из выступавших были представителями промышленности, например Йоханнесом Кетом, который работает в nanoplus Nanosystems and Technologies, немецкой компании, которая поставляет широкий спектр перестраиваемых диодных лазеров для датчиков.Эти датчики могут нацеливаться на определенные линии поглощения желаемой молекулы. Например, характерная особенность поглощения водяного пара возникает на длине волны 1392 нм. В типичной установке лазер быстро перемещается в небольшом диапазоне длин волн вокруг этой спектральной особенности, в то время как детектор извлекает концентрацию газа из уровня поглощения лазерного света. Приложения включают в себя обнаружение утечек из трубопроводов, мониторинг дыхания недоношенных детей и обнаружение пьяного водителя с помощью лазера через окно автомобиля, чтобы обнаружить следы алкоголя в дыхании водителя.

Эти и другие интересные беседы стали стимулом, но и Лорке, и Райтер с нетерпением ждут возможности вернуться к личным встречам. «Жизненно важно, чтобы у молодых людей было место, где они могли бы заявить о себе и своей работе», — говорит Рейтер. На данный момент DPG планирует виртуальную встречу по полупроводникам с участием студентов на сентябрь 2021 года. Но может ли «Полупроводники на завтрак» продолжиться в какой-то форме? «Если бы была возможность сделать это снова, я бы обязательно кинулся», — говорит Райтер.

–Майкл Ширбер

Майкл Ширбер — корреспондент журнала Physics , базирующийся в Лионе, Франция.

---

Последние статьи

Еще статьи

Что такое полупроводники? | Класс 12 Физика Глава 14 Полупроводниковая электроника: материалы, устройства и простые схемы

© 2021 LearnFatafat. Все права защищены

О LearnFatafat

LearnFatafat предлагает курсы онлайн-обучения. Судя по названию, выучите что-нибудь Fatafat (быстро).Поскольку наш мозг быстрее обрабатывает визуальную информацию, чем тексты. Понятия, изучаемые визуально, способствуют более эффективному удержанию знаний и повышают у учащихся способность усваивать знания. Наша цель — сэкономить студентам время, потраченное на обучение, а также позволить электронному обучению и обучению достучаться до каждого студента в Индии. LearnFatafat, сертифицированный по стандарту ISO 9001: 2015, уникален своим качеством, содержанием и короткими видеороликами. Наши эксперты внимательно следят за качеством контента. Короткие видеоуроки, позволяющие студенту быстро понять. Сложные концепции упрощены в простых видеороликах.

LearnFatafat предоставляет курсы для школьного образования для учащихся детских садов, классов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 12 классов. Также он предлагает учебные материалы для различных конкурсных экзаменов, таких как NTSE, KVPY, различные олимпиады и т. Д., А также различные вступительные экзамены, такие как IIT-JEE, NEET, CET и т. Д. Мы обслуживаем курсы для различных образовательных советов, таких как CBSE, Махараштра, Карнатака, Мадхья-Прадеш, Телангана. , Андхра-Прадеш, Тамилнад, Керала, Ассам, Гоа, Сикким, Нагаленд, Уттар-Прадеш, Мадхья-Прадеш, Бихар, Харьяна, Пенджаб, Уттаракханд, Джамму и Кашмир, образовательные советы Джаркханда.Каждый курс LearnFatafat предлагает видеоуроки, заметки, неограниченное количество практических вопросов и тестов. Мы предлагаем решения NCERT для классов CBSE Board. Курсы LearnFatafat бывают разных форм. Онлайн-курсы доступны для студентов, у которых есть высокоскоростной доступ в Интернет. Кроме того, для студентов, у которых нет доступа к Интернету, LearnFatafat предлагает курсы на флеш-накопителе, DVD, SD-карте и планшетах.

LearnFatafat отличается тем, что помогает в повышении уровня удержания знаний учащихся.Все содержание курсов LearnFatafat сопоставляется с учебной программой, чтобы соответствовать требованиям студентов. Имеется высококачественный контент от авторизованных экспертов в данной области. Увлекательные видеоуроки вызывают у учащихся интерес к изучению предмета. Кроме того, короткие видеоуроки помогают быстро понять концепцию. Неограниченные практические вопросы и тесты для оценки производительности и понимания. LearnFatafat лучше всего подходит для подготовки к различным конкурсным экзаменам и олимпиадам. Android-приложение LearnFatafat доступно в игровом магазине для доступа к курсам на мобильных устройствах.Это лучший вариант для самообучения, ускоренного курса и быстрого пересмотра. Курсы доступны на английском и англо-хинди с индийским акцентом. Для удобства доступа доступны как онлайн-версии, так и офлайн-версии. Доступ к курсам в любое время и в любом месте. LearnFatafat предлагает круглосуточную поддержку клиентов, чтобы помочь нуждающимся студентам.

Курсы LearnFatafat доступны в Онлайн —

Интернет необходим для просмотра видеоуроков на компьютере, ноутбуке или мобильном телефоне.Каждый урок содержит описательные примечания. Если у вас есть сомнения, вы можете указать точки в примечаниях. Смотрите видеоуроки, а затем решайте тесты на основе видео. Также вы можете решать тесты по главам, чтобы оценить ваше понимание главы.

Pendrive —

Если у вас нет Интернета, вы все равно можете смотреть видеоуроки на ноутбуке или компьютере с помощью курса LearnFatafat Pendrive. Курс LearnFatafat Pendrive содержит видео-уроки, основанные на программе вашего курса. Флешка проста в использовании, достаточно подключить флешку и воспроизводить видео.Для воспроизведения видео не требуется Интернет, единственное системное требование — операционная система должна быть Windows XP (SP2 или выше), Vista, Windows 7,10. Если вы купите курс на флеш-накопителе, вы получите дополнительный бесплатный доступ к заметкам и тестам, которые доступны в Интернете, где вам потребуется Интернет для доступа к тестам и заметкам.

DVD —

Если у вас нет интернета и вы не можете позволить себе купить флешку, вы все равно можете смотреть видеоуроки на ноутбуке или компьютере с помощью DVD-курса LearnFatafat.DVD LearnFatafat содержит видеоуроки, основанные на программе вашего курса. DVD легко установить, и после установки курс будет сохранен как программное обеспечение. Не нужно снова и снова вставлять DVD во время учебы. Для воспроизведения видео на DVD не требуется Интернет, единственное системное требование — операционная система должна быть Windows XP (SP2 или выше), Vista, Windows 7,10. Если вы купите курс на DVD, вы получите бесплатный бесплатный доступ к заметкам и тестам, которые доступны в Интернете, где вам потребуется Интернет для доступа к тестам и заметкам.

SD-карта —

Вы можете купить курс LearnFatafat на SD-карте или карте памяти, на которой вы можете смотреть видеоуроки, основанные на программе вашего курса. Для курса LearnFatafat SD Card Course у вас должен быть телефон Android с версией Android 4.1 и выше. Для просмотра видеоуроков с помощью SD-карты не требуется Интернет. Вы можете неограниченно учиться и решать тесты с помощью SD-карты LearnFatafat в своем телефоне Android. Однажды установленная SD-карта не может быть перенесена на другое устройство, так как это может повредить ваш курс.Убедитесь, что ваше устройство не должно быть рутированным. Если вы купите курс SD Card, вы получите дополнительный бесплатный доступ к заметкам и тестам, которые доступны в Интернете, где вам потребуется Интернет для доступа к тестам и заметкам.

курсов доступны на LearnFatafat:

CBSE Класс 6, 7, 8, 9 по математике и естественным наукам. Для 10-го класса CBSE доступны следующие предметы: математика, естественные науки, социальные науки (история, география, экономика и политология). Для классов 11 и 12 CBSE доступны следующие предметы: физика и химия.Помимо Совета CBSE, LearnFatafat предлагает курсы для JEE, NEET, CET и различные олимпиады. Другие доступные курсы Совета — математика и естествознание 10 класса Совета Карнатаки. Для детей от детского сада до 5 класса он предлагает курс базовой грамматики уровня 1 и курс базовой математики уровня 1 для учащихся. Любой желающий может получить доступ к курсу и изучить грамматику и математику.

* Все цены на LearnFatafat.com указаны без учета GST

. Заявление об ограничении ответственности —

Обратите внимание, что материалы, представленные на этом веб-сайте, предназначены только для образовательных целей.Содержание этого сайта полностью принадлежит владельцу сайта. Этот контент защищен авторским правом и не может быть использован в коммерческих целях или для воспроизведения каких-либо продаж, копирования или контента. Веб-сайт соблюдает исключительно законы и защищенные авторским правом продукты других веб-сайтов. Если вы обнаружите, что какая-либо страница или сообщение на этом веб-сайте нарушает какие-либо правила или авторские права, вы можете связаться с нами по адресу [email protected], чтобы сообщить нам об этом. Мы предпримем строгие меры, которые сочтем целесообразными.

Материалы курса, видео, аудио, вопросы, изображения, географические карты, символы, символы, продукты, представленные на нашем веб-сайте, предназначены исключительно для образовательных целей.Любые ссылки, взятые из книг NCERT, не являются нашими авторскими правами. Эти ссылки являются собственностью NCERT, и мы являемся лишь средством, позволяющим легко донести ее охват среди большого числа студентов. Мы никоим образом не связаны с Правлением CBSE, Государственными советами или любыми другими советами или университетами. Ни при каких обстоятельствах мы не несем ответственности за какой-либо ущерб, убытки или ущерб, возникшие в результате потери данных или прибыли при использовании этого веб-сайта / контента с этого сайта. LearnFatafat не несет ответственности и не несет ответственности за временную недоступность веб-сайта из-за технических проблем, находящихся вне нашего контроля.

LearnFatafat является продуктом SDLC Services Pvt. Ltd. Через этот веб-сайт вы сможете ссылаться на другие веб-сайты, которые не находятся под контролем SDLC Services Pvt Ltd. Мы не контролируем характер, содержание и доступность этих сайтов. Включение любых ссылок не обязательно подразумевает рекомендацию или одобрение взглядов, выраженных в них.

LearnFatafat не гарантирует точность, полноту, отсутствие устаревания, ненарушения прав, коммерческую ценность или пригодность для конкретной цели доступного контента.LearnFatafat не гарантирует, что сервисы будут безошибочными или постоянно доступными, или что сервис не будет содержать вирусов или других вредоносных вредоносных компонентов.