Полупроводники относятся к материалам, электропроводность которых при комнатной температуре находится между проводимостью проводника и изолятора. Полупроводники широко используются в радиоприемниках, телевизорах и устройствах для измерения температуры. Например, диод — это устройство, изготовленное из полупроводников. Полупроводник — это материал, проводимость которого можно контролировать, от изолятора до проводника. Будь то с точки зрения технологий или экономического развития, важность полупроводников огромна. Основные элементы большинства современных электронных продуктов, таких как компьютеры, мобильные телефоны или цифровые записывающие устройства, тесно связаны с полупроводниками. Обычные полупроводниковые материалы включают кремний, германий, арсенид галлия и т. д., и кремний является наиболее влиятельным в коммерческом применении среди различных полупроводниковых материалов.
Существует множество полупроводниковых материалов, которые по химическому составу можно разделить на две категории: элементарные полупроводники и сложные полупроводники. Наиболее распространенными элементарными полупроводниками являются германий и кремний, к составным полупроводникам относятся соединения III и V групп (арсенид галлия, фосфид галлия и др.), соединения II и VI групп (сульфид кадмия, сульфид цинка и др.), оксиды (марганец, оксиды хрома, железа, меди) и твердые растворы, состоящие из соединений III-V и II-VI (галлия-алюминия-мышьяка, галлия-мышьяка-фосфора и др.). Помимо упомянутых выше кристаллических полупроводников, существуют также полупроводники из аморфного стекла, органические полупроводники и т. д.
Полупроводники можно классифицировать в зависимости от технологии их производства на: устройства интегральных схем, дискретные устройства, оптоэлектронные полупроводники, логические ИС, аналоговые ИС, память и т. д. Вообще говоря, они также делятся на подкатегории. Кроме того, существуют методы классификации, основанные на областях применения, методах проектирования и т. д. Хотя он и не получил широкого распространения, все же существует метод классификации по IC, LSI, VLSI (очень большая LSI) и их масштабу. Кроме того, существуют методы классификации по обрабатываемым ими сигналам, которые можно разделить на аналоговые, цифровые, аналого-цифровые гибридные и функциональные.
В настоящее время широко используемые полупроводниковые материалы включают германий, кремний, селен, арсенид галлия, фосфид галлия, антимонид индия и др. Среди них германиевые и кремниевые материалы имеют относительно развитые технологии производства и используются чаще.
Компоненты и интегральные схемы из полупроводниковых материалов являются важными базовыми продуктами электронной промышленности и широко используются во всех аспектах электронных технологий. Производство и научные исследования полупроводниковых материалов, приборов и интегральных схем стали важной частью электронной промышленности. С точки зрения разработки новых продуктов и разработки новых технологий наиболее важными областями являются:
(1) Интегральные схемы являются наиболее активной областью развития полупроводниковой технологии и достигли стадии крупномасштабной интеграции. На кремниевой пластине площадью несколько квадратных миллиметров можно изготовить десятки тысяч транзисторов, на кремниевой пластине можно изготовить процессор микроинформации или выполнить другие более сложные схемотехнические функции. Направление развития интегральных схем заключается в достижении более высокой степени интеграции и микропотребления энергии, а также в обеспечении скорости обработки информации, достигающей пикосекундного уровня.
(2) СВЧ-устройства. Полупроводниковые СВЧ-устройства включают в себя приемные, управляющие и передающие устройства. Широкое распространение получили приемные устройства ниже диапазона миллиметровых волн. В сантиметровом диапазоне волн мощность передающих устройств достигла нескольких ватт, и люди разрабатывают новые устройства и новые технологии для получения большей выходной мощности.
(3) Оптоэлектронные устройства. Развитие полупроводниковых светоизлучающих устройств, устройств формирования изображения и лазерных устройств сделало оптоэлектронные устройства важной областью. Их основными областями применения являются: оптическая связь, цифровое отображение, прием изображений, оптическая интеграция и т. д.
Удельное сопротивление полупроводников существенно меняется с температурой. Например, для чистого германия каждый раз при увеличении влажности на 10 градусов его удельное сопротивление будет уменьшаться до 1/2 от первоначального значения. Незначительные изменения температуры могут отразиться на очевидных изменениях удельного сопротивления полупроводника. Используя термочувствительные свойства полупроводников, можно изготовить термочувствительные элементы — термисторы для использования в системах измерения и контроля температуры. Стоит отметить, что различные полупроводниковые приборы обладают термочувствительными характеристиками, что влияет на стабильность их работы при изменении температуры окружающей среды.
Удельное сопротивление полупроводников очень чувствительно к изменениям света. Когда есть свет, удельное сопротивление очень мало; когда нет света, удельное сопротивление очень велико. Например, широко используемый фоторезистор на основе сульфида кадмия имеет сопротивление в десятки мегаом при отсутствии света. Сопротивление внезапно упало до десятков тысяч Ом, а величина сопротивления изменилась в тысячи раз. Используя светочувствительные свойства полупроводников, производят различные типы оптоэлектронных устройств, например фотодиоды, фототранзисторы, кремниевые фотогальваники. Широко применяется в автоматическом управлении и радиотехнике.
В чистом полупроводнике легирование очень небольшим количеством примесных элементов сильно изменит его удельное сопротивление. Например. Добавление людей к чистому кремнию. При наличии одной миллионной доли элемента бора его удельное сопротивление внезапно уменьшится с 214 000 Ом·см до 0,4 Ом·см. То есть проводящая энергия кремния увеличилась более чем в 500 000 раз. Именно легируя определенные примесные элементы, люди могут искусственно и точно управлять проводимостью полупроводников для создания различных типов полупроводниковых приборов. Не будет преувеличением сказать, что почти все полупроводниковые приборы изготовлены из полупроводниковых материалов, легированных специфическими примесями.
Разработка полупроводниковых материалов и устройств третьего поколения, представленных GaN (нитридом галлия), является ядром и основой развивающейся полупроводниковой промышленности, а ее исследования и разработки демонстрируют тенденцию быстрого развития. Среди оптоэлектронных устройств на основе GaN первыми в коммерческое производство поступили синие светодиоды (СИД).После успешной разработки синих светодиодов и ЛД направление научных исследований сместилось в сторону детекторов ультрафиолетового света на основе GaN.Материалы GaN также имеют значительную рынок приложений с точки зрения микроволновой мощности. Полупроводниковые переключатели на основе нитрида галлия считаются новой вехой в разработке полупроводниковых чипов. Ученые из Университета Флориды разработали важный компонент, который можно использовать для создания нового типа электронного переключателя, обеспечивающего плавное и бесперебойное питание.