Полупроводниковые материалы широко примененяются в современной электронике при изготовлении радиокомпонентов и элементов радиоэлектронной аппаратуры. Примеры радиокомпонентов, в которых используются полупроводниковые материалы представлены на рисунке 1: полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, светодиоды, цифровые и аналоговые интегральные микросхемы и др.
Рисунок 1 – Примеры применения полупроводниковых материалов
Из полупроводников наиболее широко в электронике применяются германий, кремний, селен, арсенид галлия, карбид кремния и некоторые другие соединения
Так совпало (хотя в это трудно верится), что кремний составляет основу полупроводниковой электроники и, одновременно, является одним из самых распространенных элементов в земной коре (чуть менее 30%). Есть повод задуматься, откуда появилось название "Кремниевая долина" в США. Технический кремний содержит примерно 1% примесей, и как полупроводник использован быть не может. Он является исходным сырьем для производства кремния полупроводниковой чистоты, содержание примесей в котором должно быть менее 10-6%.
Кремний используется как для создания интегральных микросхем, так и для изготовления дискретных полупроводниковых приборов. В частности, с использованием кремния производят различные типы полупроводниковых диодов и транзисторов, стабилитроны, тиристоры. Широкое применение в электронике нашли кремниевые фотопреобразовательные приборы: фотодиоды, фототранзисторы, фотоэлементы солнечных батарей (рисунок 2).
Рисунок 2 – Примеры применения кремния в фотопреобразовательных приборах
Кремний используется для изготовления датчиков Холла, тензодатчиков, детекторов ядерных излучений. Благодаря тому, что ширина запрещенной зоны кремния больше, чем ширина запрещенной зоны германия, кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах, чем германиевые. Верхний температурный предел работы кремниевых приборов достигает 180–200 оС.
Отдельного внимания достоен карбид кремния. Это единственное бинарное соединение, образованное полупроводниковыми элементами IV группы таблицы Менделеева. Он устойчив к окислению до температур свыше 1400 оС и имеет предельно большую (для полупроводников) ширину запрещенной зоны (2,8...3,1 эВ). Специфические свойства карбида кремния востребованы при изготовлении полупроводниковых приборов, работающих при высоких температурах (до 700 оС). Например, серийный выпуск варисторов, высокотемпературных диодов и транзисторов, терморезисторов, счетчиков частиц высокой энергии, способных работать в химически агрессивных средах и др.
Селен – это элемент VI группы таблицы Менделеева, который обладает рядом полезных электрических свойств. Он существует в нескольких изотропных модификациях – стеклообразной, аморфной, моноклинной, гексагональной. В природе селен содержит большое количество примесей, однако, современные методы очистки позволяют снизить их содержание до 4%. В современной электронике для изготовления выпрямителей переменного тока и фотоэлементов применяется селен с дырочной электропроводностью и шириной запрещенной зоны 1,79 эВ. Особенностью селена, отличающей его от других полупроводниковых материалов является свойственная ему аномальная температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда: она уменьшается с ростом температуры, а подвижность носителей заряда при этом возрастает.
Ещё одним полупроводником, получившим распространение в электронике, является германий. Это один из наиболее тщательно изученных полупроводников. Многие электрофизические явления, характерные для полупроводников, впервые были обнаружены именно на этом материале. Вероятно, рассмотрение областей применения полупроводников, необходимо было начать именно с германия. Хронологически это было бы более правильно, поскольку изначально в транзисторах и полупроводниковых диодах использовался германий. Однако, впоследствии, ветвь первенства перехватил кремний. Называют разные причины перехода от использования германия в полупроводниковой электронике к кремнию. Наиболее правдоподобными видятся две: существенное превышение доли кремния в Земной коре и способность выдерживать большие температурные нагрузки. В настоящее времея в электронике германий встречается при изготовлении микросхем, элементов СВЧ электроники, работающей в диапазоне субтерагерцовыых частот, линз инфракрасных оптиексих систем и других изделий.
Арсенид галлия среди соединений занимает особое положение. Большая ширина запрещенной зоны (1,4 эВ) и высокая подвижность электронов (0,85 м2/В·с) позволяют создавать на его основе приборы, работающие при высоких температурах и на высоких частотах. В настоящее время арсенид галлия используется для изготовления светодиодов, туннельных диодов, диодов Ганна, транзисторов, солнечных батарей и других приборов. Широкое применение в серийном производстве светодиодов нашел фосфид галлия GaP, имеющий большую ширину запрещенной зоны (2,25 эВ).