半導体材料は、エンジニアが内部の電荷キャリアの数と動きを正確に制御できるため、便利です。結晶組成、ドーピング、電界、光、温度、およびデバイスの形状は、予測可能な方法で導電率を変化させる可能性があります。その制御性により、コンパクトで製造可能なデバイスでの整流、スイッチング、増幅、センシング、発光、およびエネルギー変換が可能になります。
半導体を単に「導体と絶縁体の間の何か」と呼ぶことは有用な最初の近似ですが、エンジニアリングの利点を逃しています。重要な特徴は、抵抗の固定された中間レベルではありません。これは、キャリアの動作を設計および調整できるエネルギーバンド、ジャンクション、インターフェイス、およびチャネルを作成する機能です。
エネルギーバンドは制御可能な伝导を可能にします
固体では、密集した原子がバンドと呼ばれる許容される電子エネルギーの範囲を生成します。価電子帯には結合に関連する状態が含まれ、伝導帯にはキャリアが材料内を移動できる状態が含まれます。それらの間のエネルギー分離はバンドギャップです。
絶縁体では、バンドギャップと利用可能なキャリア集団が通常の伝導を非常に小さくします。金属では、利用可能な状態により、電荷が容易に移動できます。半導体では、バンド構造により、ドーピング、温度、照明、電界、およびキャリア注入によって変更できる有用なキャリア集団が可能になります。
伝導帯に昇格した電子は電流を運ぶことができます。価電子帯に対応する電子の欠如は、正孔と呼ばれる正に帯電したキャリアとして動作します。デバイス物理学は、両方のキャリアタイプ、それらの濃度、移動性、生成、再結合、および電界または濃度勾配の下での動きを追跡します。
ドーピングはn型とp型の領域を作成します
純粋な半導体は、主に材料と温度によって設定される固有のキャリア濃度を持っています。メーカーは、制御された不純物原子を追加して、キャリア濃度とフェルミレベルの位置を変更します。ドナードーパントは、電子が多数派キャリアであるn型材料を作成します。アクセプタードーパントは、ホールが多数派キャリアであるp型材料を作成します。
ドーピングはバルク導体での混合と同じではありません。濃度、深度プロファイル、活性化、結晶欠陥、拡散、および界面を厳密に制御する必要があります。現代の製造では、イオン注入や拡散、それに続く熱処理などのプロセスを使用し、計測および統計プロセス制御を使用して、電気パラメータを制限内に保ちます。
ジャンクションとフィールドは材料をデバイスに変えます
ダイオード
P型領域とn型領域が出会うと、キャリアが拡散し、電界が組み込まれた空乏領域が残ります。前方バイアスを適用すると、接合バリアが低下し、電流が大幅に増加します。逆バイアスは枯渇領域を広げ、通常、故障メカニズムが重要になるまで小さな漏れしか生成しません。
実際のダイオードは完全な一方向スイッチではありません。順方向電圧、動的抵抗、リーク、接合容量、回復動作、温度依存性、電力損失、および指定されたブレークダウンリミットがあります。設計者は、回路機能に応じて、整流器、ショットキー、ツェナー、フォトダイオード、LED、またはその他の構造を選択します。
トランジスタ
トランジスタは、制御入力を使用して、より大きな電流または電圧に影響を与えます。MOSFETでは、絶縁ゲートからの電界により、ソースとドレインの間のチャネル内のキャリア母集団が変化します。バイポーラ接合トランジスタでは、キャリア注入とジャンクション間のトランスポートにより、ベースドライブはコレクタ電流を制御できます。
トランジスタは、デジタルスイッチ、アナログアンプ、電力変換器、発振器、電流源、および他の多くのビルディングブロックとして動作できます。それらの動作は、完全にバイナリではなく、継続的かつ物理的です。しきい値の広がり、オン抵抗、リーク、静電容量、ゲイン、スイッチング損失、温度、および安全な動作領域がすべて重要です。
オプトエレクトロニクスおよびセンシングデバイス
フォトダイオードとイメージセンサーは、吸収された光子を電気信号に変換します。太陽電池は、光生成キャリアを分離して電力を供給します。LEDとレーザーダイオードは、電子と正孔の再結合を使用して光を放出します。直接バンドギャップ化合物半導体は、効率的な発光に特に価値があります。温度、磁場、圧力、化学物質、および放射線も、センサーとして設計された構造の電気的挙動を変える可能性があります。
シリコンが主流のプラットフォームになった理由
シリコンは、有用な電気特性と豊富な原材料、成熟したウェーハ製造、スケーラブルな製造、および高品質の絶縁ゲート構造をサポートする安定した天然酸化物を組み合わせています。数十年にわたるプロセス開発、設備、設計ツール、パッケージング、信頼性データ、および供給インフラストラクチャは、その経済的優位性を強化しています。
これは、シリコンがすべてのデバイスに最適であるという意味ではありません。その強みは製造システムの一部です。より魅力的な孤立した特性を持つ材料は、基板が高価である、欠陥が歩留まりを低下させる、接触が困難である、熱界面が弱い、またはパッケージングが理論的な利点を利用できないため、製品レベルで失われる可能性があります。
エンジニアが他の半導体材料を選ぶ理由
- ゲルマニウムおよびケイ素ゲルマニウム: キャリアトランスポートとヘテロジャンクションのパフォーマンスが高速または特殊なデバイスをサポートし、プロセスとリークのトレードオフがある場合に役立ちます。
- ガリウムヒ素とリン化インジウム: 無線周波数、マイクロ波、フォトニック、および光通信アプリケーションで重要なのは、それらの電子的および光学的特性のためです。
- 炭化ケイ素および窒化ガリウム: より高い電界能力、スイッチング性能、または高温ポテンシャルがさまざまな基板、ドライバー、レイアウト、およびパッケージングを正当化できる電力および高周波アプリケーションで使用されるワイドバンドギャップ材料。
- 有機およびアモルファス半導体: 選択されたディスプレイ、センサー、太陽光発電、および可動性、安定性、均一性、および寿命のトレードオフを備えた柔軟または大面積のデバイスに役立ちます。
ワイドバンドギャップデバイスは、電力コンバータを自動的に改善しません。ゲートドライブ、寄生インダクタンス、スイッチング速度、絶縁、電磁放射、熱経路、保護、コネクタの選択、およびPCBレイアウトは、システムがデバイスの可能性を実現するかどうかを決定します。インターコネクトの制御が不十分な場合、エッジが高速化されると、リンギングとEMIが増加しながらスイッチング損失を減らすことができます。
実用的な材料選択フレームワーク
必要な機能と操作エンベロープから始めて、製品全体で候補を比較します。
- 電気ターゲット: 電圧、電流、周波数、ゲイン、ノイズ、リーク、スイッチング損失、および効率。
- 材料特性: バンドギャップ、キャリアモビリティ、臨界電界、熱伝導率、および光学応答。
- デバイス構造: 接合部、チャネル、接触抵抗、酸化物または界面の品質、ダイ面積、およびエッジ終端。
- 熱デザイン: 過渡および定常状態の接合部の温度、熱拡散、界面材料、冷却、および温度サイクル。
- 製造: ウェーハのサイズと品質、プロセスの成熟度、歩留まり、テストカバレッジ、パッケージング、アセンブリ機能、トレーサビリティ。
- 信頼性: ミッションプロファイル、脱線、摩耗メカニズム、湿度、汚染、関連する場合は放射線、および資格の証拠。
- 商業的要因: 可用性、セカンドソース、ライフサイクル、知的財産、コスト、サプライヤーの変更管理。
システム統合には、ボードとコネクタのパスを含める必要があります。高電流電力デバイスには、低抵抗の導体と堅牢な熱インターフェースが必要です。高速デバイスには、制御された戻り経路と低い寄生不連続性が必要です。チームはレビューできます PCBコネクタ統合オプション 相互接続を後期の機械的詳細として扱うのではなく、早期に。カタログ部品が満たすことができないジオメトリ、ピンアウト、シールド、またはパッケージングの制約については、評価する前に要件セットを作成してください カスタムコネクタソリューション.
データシートクレームから修飾コンポーネントまで
データシートの評価は、定められた条件の下でのみ意味があります。テスト回路、接合部またはケースの温度、パルス持続時間、取り付け、冷却の仮定、およびderatingを確認します。最大評価が推奨動作ポイントではなく生存可能性の境界であるかどうかを確認します。典型的な曲線を保証された制限と比較し、ロットと温度の変動を説明します。
資格は、アプリケーションのミッションプロファイルを反映する必要があります。デバイスレベルの電気および環境テスト、パッケージとボードの相互作用、熱循環、適切な場合は振動、動力付き耐久性、およびシステム障害テストがさまざまな質問に答えます。正確な部品改訂、日付またはロットコード、ボード、ファームウェア、テスト機器、不確実性、および受け入れ基準を記録して、結果が生産決定をサポートできるようにします。
よくある誤解
- 「半導体」は、固定された中間抵抗を意味します。 導電率は広範囲に及ぶ可能性があり、意図的に制御されます。
- ダイオードは完全な一方向コンダクターです: 実際のデバイスには、損失、漏れ、容量、および故障の制限があります。
- トランジスタはオンまたはオフのみです。 アナログ動作とスイッチング遷移は、実用的な設計の中心です。
- 最高のヘッドラインプロパティを持つ素材が勝ちます: インターフェース、プロセス歩留まり、パッケージ、信頼性、およびコストが支配的です。
- より高い電圧定格はシステムを解決します: スイッチングダイナミクス、熱インピーダンス、ドライブ、レイアウト、および保護は依然として重要です。
よくある質問
なぜ温度は半導体の振る舞いを変えることができるのですか?
温度は、キャリアの生成、移動性、漏れ、しきい値に関連する動作、および材料とパッケージの抵抗を変化させます。方向と大きさはデバイスに依存するため、設計者は1つの室温値ではなく、温度に依存する曲線と適格な制限を使用します。
N型とp型の材料の違いは何ですか?
ドーピングは、電子をn型材料の大多数のキャリアにし、p型材料の大多数のキャリアに穴をあけます。これらの領域を組み合わせて配置すると、制御可能な電気的挙動を備えた接合部とデバイス構造が作成されます。
なぜGaNとSiCはワイドバンドギャップ半導体と呼ばれるのですか?
それらのバンドギャップはシリコンよりも広い。これは、他の材料特性に加えて、高電界、電力変換、高周波、または高温に適したデバイスをサポートします。実際のシステムの利点は、依然としてデバイスの設計、パッケージング、レイアウト、ドライブ、冷却、および信頼性に依存します。
すべての電子部品は半導体で作られていますか?
いいえ。電子アセンブリは、金属導体、セラミックおよびポリマー絶縁体、磁性材料、抵抗膜、電解質、光学材料、および機械構造も使用します。半導体デバイスは多くのアクティブな制御および変換機能を実行しますが、より広範な材料システム内で動作します。
テイクアウト
半導体は、キャリアの動作を設計できるため、最新の電子機器に電力を供給します。ドーピング、接合、電界、形状、および材料の選択は、その制御性を実用的なデバイスに変換します。適切な選択は、物理学と製造、パッケージング、信頼性、供給、および実際の運用ミッションとのバランスを取ることから得られます。
