Yarı iletken cihaz elektroniği

Yarı iletken cihaz, ne iyi bir iletken ne de iyi bir yalıtkan (dolayısıyla yarı iletken) olmayan bir malzemeden yapılmış elektronik devre bileşeni. Bu tür cihazlar kompaktlığı, güvenilirliği ve düşük maliyeti nedeniyle geniş uygulamalar bulmuştur. Ayrık bileşenler olarak, katı hal lazerleri dahil olmak üzere güç cihazlarında, optik sensörlerde ve ışık yayıcılarda kullanım bulmuşlardır. Birkaç nanoamperden alınan akım dereceleri ile çok çeşitli akım ve gerilim işleme yeteneklerine sahiptirler (10 ⁻⁹5.000 amperden fazla ve 100.000 volt'un üzerinde uzanan voltaj değerleri. Daha da önemlisi, yarı iletken aygıtlar kendilerini karmaşık ancak kolayca üretilebilen mikroelektronik devrelere entegrasyona borçludur. İletişim, tüketici, veri işleme ve endüstriyel kontrol ekipmanı dahil olmak üzere elektronik sistemlerin çoğunluğu için anahtar unsurlar ve öngörülebilir gelecekte olacaklar.

Yarıiletken ve bağlantı ilkeleri

Yarı iletken malzemeler

Katı hal malzemeleri genellikle üç sınıfa ayrılır: izolatörler, yarı iletkenler ve iletkenler. (Düşük sıcaklıklarda bazı iletkenler, yarı iletkenler ve izolatörler süperiletkenler haline gelebilir.) Şekil 1, üç sınıfın her birindeki bazı önemli malzemelerle ilişkili σ (ve karşılık gelen dirençler ρ = 1 / σ) iletkenliklerini göstermektedir. Bu tür erimiş kuvars ve cam gibi izolatörler, 10 mertebesinde, çok düşük iletkenliğe sahip ^-18 ila 10 ^-10 santimetre başına siemens; ve alüminyum gibi iletken, tipik olarak 10, yüksek iletkenliğe sahip ⁴ 10 bulundunuz ⁶ santimetre başına siemens. Yarı iletkenlerin iletkenlikleri bu uç noktalar arasındadır.

Bir yarı iletkenin iletkenliği genellikle sıcaklığa, aydınlatmaya, manyetik alanlara ve çok az miktarda safsızlık atomuna duyarlıdır. Örneğin, belirli bir safsızlık tipinin yüzde 0.01'inden daha azının eklenmesi, bir yarı iletkenin elektrik iletkenliğini dört veya daha fazla büyüklükte arttırabilir (yani, 10,000 kez). Beş yaygın yarı iletken için safsızlık atomlarına bağlı yarı iletken iletkenlik aralıkları Şekil 1'de verilmiştir.

Yarı iletken malzemelerin incelenmesi 19. yüzyılın başlarında başladı. Yıllar boyunca birçok yarı iletken araştırılmıştır. Tabloda, periyodik tablonun yarı iletkenlerle ilgili bir kısmı gösterilmektedir. Temel yarı iletkenler, IV. Sütundaki silikon (Si), germanyum (Ge) ve gri kalay (Sn) ve VI. Sütundaki selenyum (Se) ve tellür (Te) gibi tek atom türlerinden oluşur. Bununla birlikte, iki veya daha fazla elemandan oluşan çok sayıda bileşik yarı iletken vardır. Galyum arsenit (GaAs), örneğin, III sütunundan galyum (Ga) ve V sütunundan arsenik (As) 'nin bir kombinasyonu olan ikili bir III-V bileşiğidir.

Yarıiletkenlerle ilgili elementlerin periyodik tablosunun bölümü

dönem	kolon
	II	III	IV	V	VI
2	bor B	karbon C	azot N
3	magnezyum Mg	alüminyum Al	silikon Si	fosfor P	kükürt S
4	çinko Zn	galyum Ga	germanyum Ge	arsenik gibi	selenyum Se
5	kadmiyum Cd	indiyum In	teneke Sn	antimon Sb	tellür Te
6	cıva Hg	kurşun Pb

Üçlü bileşikler, üç farklı sütun elemanları tarafından oluşturulan edilebilir, örneğin, cıva indiyum tellür (HgIn ₂ Te ₄), II-III-VI bileşimi. Bunlar, aynı zamanda, alüminyum galyum arsenit gibi iki sütun, elementlerin ile oluşturulabilir (Al _x Ga _{- x 1} Al ve Ga Her iki kolon III olan üçlü bir III-V bileşiğini ve simge, x ilgilidir olarak) iki elementin bileşimine yüzde 100 Al (x = 1) ila yüzde 100 Ga (x = 0). Saf silikon, entegre devre uygulaması için en önemli malzemedir ve III-V ikili ve üçlü bileşikler, ışık emisyonu için en önemlidir.

1947'de iki kutuplu transistörün icat edilmesinden önce, yarı iletkenler sadece doğrultucular ve fotodiyotlar gibi iki terminalli cihazlar olarak kullanıldı. 1950'lerin başlarında, germanyum başlıca yarı iletken malzemeydi. Bununla birlikte, birçok uygulama için uygun olmadığı kanıtlanmıştır, çünkü malzemeden yapılmış cihazlar sadece orta derecede yüksek sıcaklıklarda yüksek kaçak akımlar sergilemiştir. 1960'ların başından bu yana, silikon, yarı iletken üretimi için bir malzeme olarak neredeyse germanyumun yerini alan pratik bir ikame haline gelmiştir. Bunun temel nedenleri iki yönlüdür: (1) silisyum cihazlar daha düşük kaçak akımları sergiler, ve (2), yüksek kaliteli silikon dioksit (SiO ₂ bir izolatördür), üretimi daha kolaydır. Silikon teknolojisi artık tüm yarı iletken teknolojileri arasında en gelişmiş olanıdır ve silikon tabanlı cihazlar dünya çapında satılan tüm yarı iletken donanımların yüzde 95'inden fazlasını oluşturmaktadır.

Bileşik yarı iletkenlerin çoğu, silikonda bulunmayan elektriksel ve optik özelliklere sahiptir. Bu yarı iletkenler, özellikle galyum arsenit, esas olarak yüksek hızlı ve optoelektronik uygulamalar için kullanılır.