Полупроводник примеры: свойства, виды и где используются полупроводники

Содержание

Примеры полупроводников. Типы, свойства, практическое применение

4.2.Полупроводниковые химические соединения

Полупроводники типа А

III

B V

Это химические
соединения, образующиеся при взаимодействии элементов
А
III
и
B V
подгрупп периодической системы Менделеева.
Эти соединения характеризуются наличием у
А
III
на внешних оболочках
по 3 валентных электрона –
s

2
р

1
,
а у
В V
– 5 валентных
электронов в состоянии
s

2
р

3
.
На каждый атом приходится – 4 электрона, как в элементах IV группы, а отсюда и
одинаковые кристаллические структуры и электронные свойства этих соединений с
алмазом, кремнием, германием и другими элементами IV группы. Но отличаются
типом связи – наряду с ковалентной есть и ионные, т.к. в узлах решетки
располагаются положительные и отрицательные ионы.

Кристаллическая
решетка соединений типа
А III В V
менее
симметрична, чем решетка алмаза, германия, кремния. Примерами соединений этого
типа могут быть:
InSb

– антимонид индия,
InАs

– арсенид индия,
InР

– фосфид
индия,
GаSb

– антимонид
галлия,
GаАs

– арсенид галлия,
GаР

– фосфид галлия,
АlSb

– антимонид алюминия.

Эти соединения имеют
большую, чем у германия и кремния подвижность электронов. Электропроводность
полупроводниковых соединений зависит от примесей, входящих в междоузлия или в
узлы атомной решетки в виде атомов замещения (это элементы II, IV, VI
групп).

Арсениды, антимониды
и фосфиды индия и галлия получают сплавлением компонентов в вакууме в кварцевых
ампулах. Выращивание кристаллов этих соединений – например,
GаАs

методом Чохральского
, такое же
как

и
Si

,
но с
магнитным управлением, с направленной кристаллизацией. Можно использовать
зонную плавку.

Карбид кремния

SiC


(
A IV

B IV

)

Получается
восстановлением из
SiО
2
углем при высокой температуре в электрических печах:

SiO

2
+
3
C
=
SiC

+
2
CO
.

Примеси удаляют
добавлением
NаСl

, образующиеся
хлориды улетучиваются при высокой температуре. Чистый карбид кремния бесцветен.
Величина проводимости и тип зависит от примесей. Удельное сопротивление чистого
карбида кремния 10 11 Ом·м, с примесями — 0,001 Ом·м.

Химическая структура
и тип связи у карбида кремния такой же как у элементов IVВ подгруппы. Имеется
ряд модификаций карбида кремния. Ширина запрещенной зоны карбида кремния – 2,86
эВ.

Примесь элементов V
группы (P
,
As
,
Sb

,
Bi
) и железа в карбиде кремния дает зеленую окраску и
проводимость
n


– типа (электронную).

Примесь элементов II
группы (Са

,
Мg

) и III группы (В
,
Аl

,

,
I
n

) дает голубую окраску и проводимость
р

– типа. Избыток кремния в карбиде кремния дает проводимость
n


– типа, а избыток
С

р

–проводимость.

Карбид кремния
применяют для нелинейных резисторов, термокомпенсаторов
,
силовых выпрямителей с
р


n


— переходом,
работающих при высоких температурах (до 650 °С).

Оксиды

Из оксидов наибольшее
применение получила закись меди
Сu
2
О
,
обладающая
ширной
запрещенной зоны

W


= 0,22÷0,39 эВ. Является
основой медно – закисных (купроксных
) выпрямителей.
Медные пластины нагревают при 1020÷1040 °С в окислительной среде
5 мин, затем переносят в печь с температурой 600°С, где выдерживают 10
мин. Получается в итоге двойное покрытие: первое
Сu
2
О
(закись), второе
СuО

– окись. Закись меди
Сu
2
О
– полупроводник, а
СuО

– диэлектрик. Окись меди в требуемых местах вытравливают.
Сu
2
О

является примесным
полупроводником
n

– типа, с интервалом рабочих температур от –40 до +60°С. Медное основание в
прилегающей к пленке
Сu
2
О

имеет электронную проводимость, что обусловливает в слое закиси меди электронно
– дырочный переход.

Меднозакисные

выпрямители широко применялись в технике (в измерительных
приборах, в схемах автоматических устройств и др.).

Мn
3
О
4
– закись – окись марганца – поликристаллический
полупроводник с

W

= 1,25 эВ. Этот окисный
полупроводник применяется в термисторах (термометрах сопротивления).

К оксидным полупроводникам
с электронной электропроводностью относятся широко используемые
радиоэлектронике ферриты и сегнетоэлектрики (сегнетова соль).

Полупроводниковые
свойства проявляют те оксиды, у которых один или более ионов металла относится
к элементу переходного ряда (Ti
,
Cu
,
Zn
,
Ni
,
Co
,
Fe
,
Mn

,
Cr
,
V
).

Сульфиды (люминофоры)

В полупроводниковой технике применяют: сульфид свинца
РbS

; сульфид цинка
ZnS

; сульфид
кадмия
СdS

; сульфид висмута
Вi
2
S
3
.

Сульфид свинца

имеет кристаллическую структуру с кубической решеткой.
Плотность – 7,5
·
10 3
кг/м 3 , молекулярная масса – 239, температура плавления 1114 °С,

W

= 0,4 эВ. В зависимости от соотношения
S

и
Рb

получается проводимость: дырочная – если больше серы,
электронная – если больше свинца, подвижность электронов 80 см 2 /(В·с).
Сульфид свинца применяется для термоэлементов и фоторезисторов с высокой
чувствительностью в ИК области спектра.

Сульфид цинка

кристаллическая структура с кубической или гексагональной
решеткой природного или синтетического происхождения.

Сульфид кадмия

полупроводниковый кристаллический материал гексагональной
структуры, молекулярная масса – 144,5; плотность – 4,82
·
10 3 кг/м 3 ,

W

= 2,1 эВ. Применяют
для фоторезисторов.

Сульфид висмута

кристаллическое вещество ромбической структуры, получают
сплавлением висмута с серой в нейтральной среде или в вакууме. Плотность – 7,4
·
10 3 кг/м 3 ; молекулярная масса – 514,2;

W

= 1,25 эВ.

C

оединения


типа А II В VI

Селениды

Наибольшее применение
получили
CdSe

,
PbSe

,
HgSe

.

Селенид ртути

НgSе


кристаллическое
вещество, получают сплавлением компонентов в вакууме при 960 °С; имеет
электронную проводимость с подвижностью электронов 5000 см 2 /(В·с),

W

= 0,3 эВ.
Применяется в датчиках э.д.с
. Холла, фоторезисторах,
лазерах.

Физические свойства соединений типа А II В VI

CdS

CdSe

CdTe

PbS

PbSe

PbTe

Молекулярная масса

72,0

95,0

120,5

120,0

143,0

168,0

Температура плавления,°С

1475

1250

1040

1110

1065

Ширина запрещенной
зоны

W

, эВ

0,55

Подвижность, см 2 /(В·с)

электронов

дырок

Теллуриды

Из полупроводниковых соединений
теллура в ИК – технике используют теллурид
свинца
РbТе

,
теллурид

кадмия
СdТе

,
теллурид

висмута
Вi
2
Те
3
.

РbТе

,
обладающий высокой чувствительностью к ИК – излучению, в виде теллуристо
– свинцового фоторезистора используется как приемник
ИК – излучения.

Органические полупроводники

Органические
полупроводники – это органические соединения с сопряженными связями:

то есть, есть
электроны общего пользования, значит, молекула обладает свойствами металла и к
ней можно применить зонную теорию в одномерном приближении. Дискретные уровни
p

электронов представляют собой валентную зону. Энергия
активации электронов – запрещенную зону. Проводимость внутри молекулы очень
велика, т. к.
p

электроны
обладают высокой подвижностью и небольшой энергией возбуждения.

Так жидкий бензол –
диэлектрик, так как электронам трудно преодолеть энергетический барьер, связанный
с межмолекулярными взаимодействиями. Если соединить молекулы бензола определенным
образом, то энергетический барьер можно понизить, и соединение может быть полупроводником.

Аморфные полупроводники

К аморфным
(стеклообразным) полупроводникам относятся селениды, теллуриды
,
сульфиды элементов
V
группы периодической
системы, образующие соединения с аморфной структурой:

Sb

2
Te
3
,
As
2
S
3
,
As
2
Se
3
,
As
2
Se
5
.

Для них характерен
ближний порядок и зонная теория не применима. Свойства можно объяснить на
основе теории валентной связи. Их проводимость мало зависит от примесей, а зависит
от размеров атомов, образующих соединения. С уменьшением радиуса атома
полупроводниковые свойства переходят в диэлектрические.

), и веществами, [фактически не проводящими электрического тока (изоляторы или диэлектрики).

Для полупроводников характерна сильная зависимость их свойств и характеристик от микроскопических количеств содержащихся в них примесей. Изменяя количество примеси в полупроводнике от десятимиллионных долей процента до 0,1-1%, можно изменить их проводимость в миллионы раз. Другое важнейшее свойство полупроводников состоит в том, что электрический ток переносится в них не только отрицательными зарядами — электронами, но и равными им по величине положительными зарядами — дырками.

Если рассматривать идеализированный полупроводниковый кристалл, абсолютно свободный от каких-нибудь примесей, то его способность проводить электрический ток будет определяться так называемой собственной электропроводностью.

Атомы в кристалле полупроводника связаны между собой с помощью электронов внешней электронной оболочки. При тепловых колебаниях атомов тепловая энергия распределяется между электронами, образующими связи, неравномерно. Отдельные электроны могут получать количество тепловой энергии, достаточное для того, чтобы «оторваться» от своего атома и получить возможность свободно перемещаться в кристалле, т. е. стать потенциальными носителями тока (по-другому можно сказать, что они переходят в зону проводимости). Такой уход электрона нарушает электрическую нейтральность атома, у него возникает положительный заряд , равный по величине заряду ушедшего электрона. Это вакантное место называют дыркой.

Так как вакантное место может быть занято электроном соседней связи, дырка также может перемещаться внутри кристалла и являться уже положительным носителем тока. Естественно, что электроны и дырки при этих условиях возникают в равных количествах, и электропроводность такого идеального кристалла будет в равной степени определяться как положительными, так и отрицательными зарядами.

Если на место атома основного полупроводника поместить атом примеси, во внешней электронной оболочке которого содержится на один электрон больше, чем у атома основного полупроводника, то такой электрон окажется как бы лишним, ненужным для образования межатомных связей в кристалле и слабо связанным со своим атомом. Достаточно в десятки раз меньше энергии, чтобы оторвать его от своего атома и превратить в свободный электрон. Такие примеси называют донорными, т. е. отдающими «лишний» электрон. Атом примеси заряжается, разумеется, положительно, но дырки при этом не появляется, так как дыркой может быть только вакансия электрона в незаполненной межатомной связи, а в данном случае все связи заполнены. Этот положительный заряд остается связанным со своим атомом, неподвижным и, следовательно, в процессе электропроводности участия принимать не может.

Введение в полупроводник примесей, внешняя электронная оболочка которых содержит меньшее количество электронов, чем в атомах основного вещества, приводит к появлению незаполненных связей, т. е. дырок. Как было сказано выше, эта вакансия может быть занята электроном из соседней связи, и дырка получает возможность свободного перемещения по кристаллу. Иными словами, движение дырки — это последовательный переход электронов из одной соседней связи в другую. Такие примеси, «принимающие» электрон, называют акцепторными.

С увеличением количества примесей того или иного типа электропроводность кристалла начинает приобретать все более ярко выраженный электронный или дырочный характер. В соответствии с первыми буквами латинских слов negativus и positivus электронную электропроводность называют электропроводностью я-типа, а дырочную — р-типа, отмечая этим, какой тип подвижных носителей заряда для данного полупроводника является основным, а какой — неосновным.

При электропроводности, обусловленной наличием примесей (т. е. примесной), в кристалле по-прежнему остается 2 типа носителей: основные, появляющиеся главным образом за счет введения в полупроводник примесей, и неосновные, обязанные своим появлением тепловому возбуждению. Содержание в 1 см3 (концентрация) электронов п и дырок р для данного полупроводника при данной температуре есть величина постоянная: n- p=const. Это значит, что, увеличивая за счет введения

Если приложить к структуре металл — диэлектрик полупроводник n-типа напряжения (указанной на рисунке полярности), то в приповерхностном слое полупроводника возникает электрическое поле, отталкивающее электроны. Этот слой оказывается обедненным электронами и будет обладать более высоким сопротивлением. При изменении полярности напряжения электроны будут притягиваться электрическим полем и у поверхности создастся обогащенный слой с пониженным сопротивлением.

В полупроводнике р-типа, где основными носителями являются положительные заряды — дырки, та полярность напряжения, которая отталкивала электроны, будет притягивать дырки и создавать обогащенный слой с пониженным сопротивлением. Схема полярности в этом случае приведет к отталкиванию дырок и образованию приповерхностного слоя с повышенным сопротивлением.

Следующее важное свойство полупроводников — их сильная чувствительность к температуре и облучению. С ростом температуры повышается средняя энергия колебания атомов в кристалле, и все большее количество связей будет подвергаться разрыву. Будут появляться все новые и новые пары электронов и дырок. При достаточно высоких температурах собственная (тепловая) проводимость может сравняться с примесной или даже значительно превзойти ее. Чем выше концентрация примесей, тем при более высоких температурах будет наступать этот эффект.

Разрыв связей может осуществляться также за счет облучения полупроводника, например, светом, если энергия световых квантов достаточна для разрыва связей. Энергия разрыва связей у разных полупроводников различна, поэтому они по-разному реагируют на те или иные участки спектра облучения.

В качестве основных полупроводниковых материалов используют кристаллы кремния и германия, а в роли примесей — бор, фосфор, индий, мышьяк, сурьму и многие другие элементы, сообщающие полупроводникам необходимые свойства. Получение полупроводниковых кристаллов с заданным содержанием примесей — сложнейший технологический процесс, проводимый в особо чистых условиях с использованием оборудования высокой точности и сложности.блоках электронной вычислительной машины. Инженеры не могут сегодня обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить

Займемся тем, что приготовим полупроводник. Один раз вам это уже удалось — когда вы превратили алюминиевую ложку в выпрямитель тока . Теперь опыт не менее интересный, и с теоретическими пояснениями. Ставить его лучше в химическом кружке или в школьной лаборатории, И не потому, что опыт опасный: просто дома у вас скорее всего нет требуемых веществ.

Сначала — предварительный опыт. Приготовьте раствор нитрата или ацетата свинца и пропустите через негo сероводород (работайте под тягой!). Выпавший осадок сульфида свинца PbS высушите и проверьте, как он проводит электричество. Оказывается, это самый обычный изолятор. Так причем же здесь полупроводники?

Не будем спешить с выводами, а поставим следующий, основной опыт. Для него придется приготовить равные количества, скажем, по 15 мл, 3%-ного раствора тиокарбамида NH 2 C(S)NH 2 и 6%-ного раствора ацетата свинца. Вылейте оба раствора в небольшой стакан. С помощью пинцета внесите в раствор стеклянную пластинку и держите ее вертикально (либо закрепите в таком положении). Надев резиновые перчатки, налейте в стакан почти доверху концентрированный раствор щелочи (осторожно!) и очень аккуратно размешайте стеклянной палочкой, стараясь не задевать ею пластинку. Слегка подогрейте раствор — так, чтобы появился пар; помешивание продолжайте. Минут через десять стеклянную пластинку аккуратно выньте, вымойте под струей воды и высушите.

И в этом случае вы получили сульфид свинца — так в чем же разница?

Во втором опыте реакция идет медленно, и осадок выпадает не сразу. Если вы наблюдали за раствором, то заметили, что сначала он помутнел и стал почти как молоко, и лишь потом потемнел,- это промежуточные соединения, разлагаясь, образовали черный сульфид свинца. И он оседает на стекле в виде тонкой черной пленки, которая состоит из очень маленьких, различимых только под микроскопом кристаллов. Поэтому пленка кажется очень гладкой, почти зеркальной.

Присоедините к пленке два электрических контакта и пропустите ток. Если сульфид свинца из предыдущего опыта вел себя как диэлектрик, то теперь он проводит ток! Включите в цепь амперметр, измерьте ток и подсчитайте сопротивление: оно окажется выше, чем у металлов, но не столь уж большим, чтобы служить препятствием для прохождения тока.

Поднесите к пластинке зажженную лампу совсем близко и снова включите ток. Вы сразу обнаружите, что сопротивление сульфида свинца резко упало. Примерно так же будет вести себя черная пленка, если ее просто нагреть. Но если при освещении и нагревании проводимость увеличивается, значит, мы имеем дело с полупроводником!

Отчего же у сульфида свинца такое свойство? Мы записали его формулу как PbS , однако истинный состав кристаллов этого вещества не вполне ей соответствует. Некоторые соединения, среди которых и сульфид свинца, не подчиняются закону постоянства состава. И все они — полупроводники. (Это же, между прочим, относится и к оксиду алюминия, выпрямлявшему переменный ток.)

В кристалле PbS порядок расположения частиц должен, казалось бы, строго повторяться. Но нередко благодаря тому, что концентрации растворов, из которых кристаллы получены, колеблются, порядок нарушается. Сказывается влияние температуры, других внешних причин. Как бы то ни было, в реальном кристалле соотношение атомов серы и свинца не точно 1:1. Отклонения от этого отношения очень невелики, всего около 0,0005. Но и этого достаточно, чтобы свойства существенно изменились.

Атомы свинца и серы связаны в кристалле двумя электронами: свинец отдает их сере. Ну а когда соотношение 1:1 нарушается? Если рядом с атомом свинца нет атома серы, электроны окажутся свободными — они-то и будут служить носителями тока. А таких случаев совсем не так мало, как может показаться. Конечно, отношение 1,0005:1 почти равно единице, но если вспомнить, как много атомов в кристалле, то эта незначительная разница уже не покажется вам такой пустячной.

Состав сульфида свинца можно регулировать. Нужно это затем, чтобы изменять его проводимость. Когда атомов серы в кристалле становится больше, то проводимость падает, а когда их меньше, то образуется больше свободных электронов, и проводимость растет. Словом, меняя соотношение атомов серы и свинца, можно получить требуемую проводимость. Опыт этот поставить непросто; если вы не рискнете проводить эксперимент, поверьте на слово, что он получается.

Возьмите кварцевую трубку и поместите в нее лодочку с сульфидом свинца. С другой стороны введите в трубку такую же лодочку со свинцом и очень сильно нагрейте трубку, чтобы свинец начал испаряться. Сульфид в этом случае будет поглощать пары, он обогатится свинцом, н его электропроводность значительно повысится.

Осталось лишь ответить на вопрос, отчего сульфид свинца так чувствителен к освещению. Световые кванты сообщают энергию электронам, причем в каждом конкретном случае наиболее эффективны лучи с определенной длиной волны. Для сульфида свинца — это инфракрасное тепловое излучение. Поэтому-то мы и советовали вам поднести лампу поближе к пленке.

Между прочим, в приемниках инфракрасного излучения и используют обычно прекрасный полупроводник — сульфид свинца.

О. Ольгин. «Опыты без взрывов»
М., «Химия», 1986

2 Полупроводники «Имеется существенное различие между полупроводником, таким как германий, и хорошим проводником, таким как серебро… Электросопротивление хорошего проводника быстро уменьшается с понижением температуры, в то время как у «плохого» проводника оно возрастает и становится очень большим, когда температура приближается к абсолютному нулю» А. Х. Вильсон Электросопротивление (Ом*см):

2 Собственная проводимость Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением под действием электрического поля одинакового числа свободных электронов и дырок, образовавшихся вследствие перехода электронов полупроводника из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном полупроводнике при собственной проводимости концентрации электронов (n) и дырок (p) равны Температурная область собственной проводимости – примеси не оказывают влияния в данной области. — При абсолютном нуле в зоне проводимости все уровни свободны (вакантны) — Зона проводимости отделена от заполненной валентной зоны энергетической щелью шириной E g. — Ширина энергетической щели равна разности между наиболее низкой точкой зоны проводимости и наиболее высокой точкой валентной зоны (края зон)

2 Собственная проводимость По мере возрастания T электроны валентной зоны вследствие термического возбуждения будут переходить в зону проводимости В валентной зоне будут образовываться дырки (вакантные состояния) Движение электронов и дырок в электрическом поле Е. Направления скоростей разные, но создаваемый ток имеет направление электрического поля

2 Собственная проводимость Температурная зависимость логарифма проводимости Ge — Примеси влияют на концентрацию носителей при низких температурах — При высоких Т концентрация определяется собственными свойствами п/п (380 – 800) К – собственная пр. (273 – 300) К – примесная пр. Ширина запрещенной зоны:

2 Запрещенная зона Ширина запрещенной зоны (i – непрямые переходы; d – прямые) Полупроводники, переход электрона в которых из зоны проводимости в валентную зону не сопровождается потерей импульса (прямой переход), называются прямозонными. Полупроводники, переход электрона в которых из зоны проводимости в валентную зону сопровождается потерей импульса (непрямой переход), называются непрямозонными

2 Закон действующих масс n(E g) — кол-во электронов, переходящих в рез- те возбуждения при Т в зону проводимости, как функцию хим. Потенциала Функция распределения Ферми-Дирака: Позволяет найти вероятность, с которой фермион занимает данный энерг. уровень.

2 Примесная проводимость Добавление примесей (легирование) Нарушенная стехиометрия Примесная проводимость превышает собственную. Примеси: донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие) Примесными центрами могут быть: атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника; избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки; различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.

2 Примесные состояния Примесь As в кристалле Si. Мышьяк имеет 5 валентных электронов, а кремний – 4. Четыре электрона As образуют тетраэдрические ковалентные связи, подобные связям Si, а пятый электрон осуществляет проводимость. Атом мышьяка – донор, поскольку при ионизации отдает электрон в зону проводимости (полупроводник n-типа)

2 Примесные состояния Если в кристалле 4-валентного элемента (Si, Ge) часть атомов замещена атомами 3-валентного элемента (Ga, In), то для образования четырех ковалентных связей у примесного атома не хватает одного электрона. Электрон может быть получен от атома основного элемента полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв связи приводит к появлению дырки. Примеси, захватывающие валентные электроны, называют акцепторными. За счет ионизации атомов исходного материала часть валентных электронов становится свободной. Однако свободных электронов значительно меньше, чем дырок. Поэтому дырки в таких полупроводниках являются основными, а электроны неосновными подвижными носителями заряда. Такие полупроводники носят название полупроводников с дырочной электропроводностью или полупроводников p-типа.

2 Электронно-дырочные переходы Создадим контакт из двух полупроводников, n-типа и p-типа (p-n переход) Слева от перехода имеются свободные дырки, их концентрация равна концентрации отрицательно ионизованных акцепторных примесных атомов. Справа от перехода имеются свободные электроны, их концентрация равна концентрации положительно заряженных донорных примесных атомов. Толщина границы между p- и n-областью может быть порядка см

2 Электронно-дырочные переходы Носители тока находятся в тепловом равновесии с донорными и акцепторными примесями. Так же в тепловом равновесии будут находиться и неосновные носители с малой концентрацией. Неоднородность концентраций в кристалле будет вызывать диффузия дырок в n-область, а электронов в p-область. Это приведет к нарушению электрической нейтральности. В результате будет создаваться избыток отрицательно заряженных ионов акцепторных атомов в p-области и положительно заряженных в n-области. Образуется двойной слой разноименных зарядов, которые создадут электрическое поле, направленное от n- к p-области

2 Электронно-дырочные переходы Электростатический потенциал будет испытывать скачок в области перехода Электрохимический потенциал постоянен по всему объему Если концы кристалла соединить в цепь, а пучок света направить на переход, то потечет ток. Фотоны будут образовывать электроны и дырки. Когда пары электрон-дырка образуются в области перехода, электрическое поле двойного слоя будет перемещать дырки в p-область, а электроны в n-область. Ток потечет из n-области в p-область. Энергия фотонов будет превращаться в электрическую энергию

2 От песка до процессора Кремний (Si) и Песок (SiO 2) Восстановление: SiO 2 + 2C = Si + 2CO Технический кремний: % чистоты Путем хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния (SiCl 4), который в дальнейшем преобразуется в трихлорсилан (SiHCl 3): 3SiCl 4 + 2H 2 + Si 4SiHCl 3 2SiHCl 3 SiH 2 Cl 2 + SiCl 4 2SiH 2 Cl 2 SiH 3 Cl + SiHCl 3 2SiH 3 Cl SiH 4 + SiH 2 Cl 2 SiH 4 Si + 2H 2 99, %

2 От песка до процессора Фотолитография «свет-шаблон- фоторезист» На кремниевую подложку наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом. Производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон Удаление отработанного фоторезиста.

2 От песка до процессора Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски. Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент

2 От песка до процессора Для соединения логических элементов пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.

2 От песка до процессора Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов».

Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка (ZnS), куприт (Cu 2 O), галенит (PbS) и многие другие. Семейство полупроводников, включая полупроводники, синтезированные в лабораториях, представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 — неметаллами, из которых 13 обладают полупроводниковыми свойствами и 12 — диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие полиацетилен (СН) n, — полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd 1-x Mn x Te) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO 3). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La 2 CuO 4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La 1-x Sr x) 2 CuO 4 .

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10 -4 до 10 7 Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника — от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы — это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs — 1,5 эВ. GaN, материал для в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Энергетический зазор

Валентные орбитали атомов в кристаллической решётке разделены на две группы энергетических уровней — свободную зону, расположенную на высшем уровне и определяющую электропроводность полупроводников, и валентную зону, расположенную ниже. Эти уровни, в зависимости от симметрии решётки кристалла и состава атомов, могут пересекаться или располагаться на расстоянии друг от друга. В последнем случае между зонами возникает энергетический разрыв или, другими словами, запрещённая зона.

Расположение и заполнение уровней определяет электропроводные свойства вещества. По этому признаку вещества делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Ширина запрещённой зоны полупроводника варьируется в пределах 0,01-3 эВ, энергетический зазор диэлектрика превышает 3 эВ. Металлы из-за перекрытия уровней энергетических разрывов не имеют.

Полупроводники и диэлектрики, в противовес металлам, имеют заполненную электронами валентную зону, а ближайшая свободная зона, или зона проводимости, отгорожена от валентной энергетическим разрывом — участком запрещённых энергий электронов.

В диэлектриках тепловой энергии либо незначительного электрического поля недостаточно для совершения скачка через этот промежуток, электроны в зону проводимости не попадают. Они не способны передвигаться по кристаллической решётке и становиться переносчиками электрического тока.

Чтобы возбудить электропроводимость, электрону на валентном уровне нужно придать энергию, которой бы хватило для преодоления энергетического разрыва. Лишь при поглощении количества энергии, не меньшего, чем величина энергетического зазора, электрон перейдёт из валентного уровня на уровень проводимости.

В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно — энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ), многие соли.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.

Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости. Примесные полупроводники — это проводники, обладающие примесной проводимостью.

Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут — это донорные примеси кремния.

Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.

Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь — основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий — акцепторные примеси для кремния.

Характеристики полупроводника находятся в зависимости от дефектов его кристаллической структуры. Это является причиной необходимости выращивания предельно чистых кристаллов. Параметрами проводимости полупроводника управляют путем добавления легирующих присадок. Кристаллы кремния легируют фосфором (элемент V подгруппы), который является донором, чтобы создать кристалл кремния n-типа. Для получения кристалла с дырочной проводимостью в кремний вводят акцептор бор. Полупроводники с компенсированным уровнем Ферми для перемещения его в середину запрещённой зоны создают подобным образом.

Одноэлементные полупроводники

Самым распространённым полупроводником является, конечно, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников, обладающих подобными структурами кристалла.

Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова. В ней каждый атом окружают 4 ближайших атома, которые образуют тетраэдр. Такая координация называется четырехкратной. Кристаллы с тетрадрической связью стали базовыми для электронной промышленности и играют ключевую роль в современной технологии. Некоторые элементы V и VI группы таблицы Менделеева также являются полупроводниками. Примеры полупроводников этого типа — фосфор (Р), сера (S), селен (Se) и теллур (Те). В этих полупроводниках атомы могут иметь трехкратную (Р), двухкратную (S, Se, Те) или четырехкратную координацию. В результате подобные элементы могут существовать в нескольких различных кристаллических структурах, а также быть получены в виде стекла. Например, Se выращивался в моноклинной и тригональной кристаллических структурах или в виде стекла (которое можно также считать полимером).

Алмаз обладает отличной термической проводимостью, превосходными механическими и оптическими характеристиками, высокой механической прочностью. Ширина энергетического разрыва — dE = 5,47 эВ.

Кремний — полупроводник, используемый в солнечных батареях, а в аморфной форме — в тонкоплёночных солнечных батареях. Является наиболее используемым полупроводником в фотоэлементах, прост в производстве, обладает хорошими электрическими и механическими качествами. dE = 1,12 эВ.

Германий — полупроводник, используемый в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Использовался в первых диодах и транзисторах. Требует меньше очистки, чем кремний. dE = 0,67 эВ.

Селен — полупроводник, который применяется в селеновых выпрямителях, обладающих высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.

Двухэлементные соединения

Свойства полупроводников, образуемых элементами 3 и 4 групп таблицы Менделеева, напоминают 4 группы. Переход от 4 группы элементов к соединениям 3-4 гр. делает связи частично ионными по причине переноса заряда электронов от атома 3 группы к атому 4 группы. Ионность меняет свойства полупроводников. Она является причиной увеличения кулоновского межионного взаимодействия и энергии энергетического разрыва зонной структуры электронов. Пример бинарного соединения этого типа — антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb, фосфид индия InP, антимонид алюминия AlSb, фосфид галлия GaP.

Ионность возрастает, а значение её еще больше растёт в соединениях веществ 2—6 групп, таких как селенид кадмия, сульфид цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид цинка. В итоге у большинства соединений 2—6 групп запрещённая зона шире 1 эВ, кроме соединений ртути. Теллурид ртути — полупроводник без энергетического зазора, полуметалл, подобно α-олову.

Полупроводники 2-6 групп с большим энергетическим зазором находят применение в производстве лазеров и дисплеев. Бинарные соединения 2- 6 групп со суженным энергетическим разрывом подходят для инфракрасных приемников. Бинарные соединения элементов 1-7 групп (бромид меди CuBr, иодид серебра AgI, хлорид меди CuCl) по причине высокой ионности обладают запрещённой зоной шире З эВ. Они фактически не полупроводники, а изоляторы. Рост энергии сцепления кристалла по причине кулоновского межионного взаимодействия способствует структурированию атомов с шестикратной, а не квадратичной координацией. Соединения 4-6 групп — сульфид и теллурид свинца, сульфид олова — также полупроводники. Степень ионности данных веществ тоже содействует образованию шестикратной координации. Значительная ионность не препятствует наличию у них очень узких запрещённых зон, что позволяет использовать их для приёма ИК-излучения. Нитрид галлия — соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в и светодиодах, работающих в голубой части спектра.

GaAs, арсенид галлия — второй по востребованности после кремния полупроводник, обычно используемый в качестве подложки для других проводников, например, GaInNAs и InGaAs, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, высокоэффективных фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. dE = 1,43 эВ, что позволяет повысить мощность приборов по сравнению с кремнием. Хрупок, содержит больше примесей, сложен в изготовлении.

ZnS, сульфид цинка — цинковая соль сероводородной кислоты с диапазоном запрещённой зоны 3,54 и 3,91 эВ, используется в лазерах и в качестве люминофора.

SnS, сульфид олова — полупроводник, используемый в фоторезисторах и фотодиодах, dE= 1,3 и 10 эВ.

Оксиды

Оксиды металлов преимущественно являются прекрасными изоляторами, но есть и исключения. Примеры полупроводников этого типа — оксид никеля, оксид меди, оксид кобальта, двуокись меди, оксид железа, оксид европия, оксид цинка. Так как двуокись меди существует в виде минерала куприта, её свойства усиленно исследовались. Процедура выращивания полупроводников этого типа еще не совсем понятна, поэтому их применение пока ограничено. Исключение составляет оксид цинка (ZnO), соединение 2—6 групп, применяемый в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La 2 CuO 4 с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La 2 CuO 4 в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa 2 Cu 3 O 8 . При высоком давлении её значение составляет 134 К.

ZnO, оксид цинка, используется в варисторах, голубых светодиодах, датчиках газа, биологических сенсорах, покрытиях окон для отражения инфракрасного света, как проводник в ЖК-дисплеях и солнечных батареях. dE=3.37 эВ.

Слоистые кристаллы

Двойные соединения, подобные дииодиду свинца, селениду галлия и дисульфиду молибдена, отличаются слоистым строением кристалла. В слоях действуют значительной силы, намного сильнее ван-дер-ваальсовских связей между самими слоями. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоёв изменяется введением сторонних атомов — интеркаляцией.

MoS 2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений — нафталин, полиацетилен (CH 2) n , антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида -С=С-С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки — тоже полупроводниками.

Фуллерен имеет структуру в виде выпуклого замкнутого многогранника из чётного количества атомов углеорода. А легирование фуллерена С 60 щелочным металлом превращает его в сверхпроводник.

Графен образован одноатомным слоем углерода, соединённого в двумерную гексагональную решётку. Обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, высокой жёсткостью

Нанотрубки представляют собой свернутые в трубку пластины графита, имеющие несколько нанометров в диаметре. Эти формы углерода имеют большую перспективу в наноэлектронике. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Магнитные полупроводники

Соединения с магнитными ионами европия и марганца обладают любопытными магнитными и полупроводниковыми свойствами. Примеры полупроводников этого типа — сульфид европия, селенид европия и твёрдые растворы, подобные Cd 1-x- Mn x Te. Содержание магнитных ионов влияет на то, как в веществах проявляются такие магнитные свойства, как антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Полумагнитные полупроводники — это твёрдые магнитные растворы полупроводников, которые содержат магнитные ионы в небольшой концентрации. Такие твёрдые растворы обращают на себя внимание своей перспективностью и большим потенциалом возможных применений. Например, в отличие от немагнитных полупроводников, в них можно достигнуть в миллион раз большего фарадеевского вращения.

Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Перовскиты, подобные Mn 0,7 Ca 0,3 O 3, своими свойствами превосходят переход металл-полупроводник, прямая зависимость которого от магнитного поля имеет следствием явление гигантской магнето-резистивности. Применяются в радиотехнических, оптических приборах, которые управляются магнитным полем, в волноводах СВЧ-устройств.

Полупроводниковые сегнетоэлектрики

Этот тип кристаллов отличается наличием в них электрических моментов и возникновением спонтанной поляризации. Например, такими свойствами обладают полупроводники титанат свинца PbTiO 3 , титанат бария BaTiO 3 , теллурид германия GeTe, теллурид олова SnTe, которые при низких температурах имеют свойства сегнетоэлектрика. Эти материалы применяются в нелинейно-оптических, запоминающих устройствах и пьезодатчиках.

Разнообразие полупроводниковых материалов

Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-5 2 (AgGaS 2) и 2-4-5 2 (ZnSiP 2) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3-5 и 2-6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As 2 Se 3), — полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.

Чем полупроводники отличаются от металлов. Примеры полупроводников

В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.


Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

Кикоин А.К. Диэлектрики, полупроводники, полуметаллы, металлы //Квант. — 1984. — № 2. — С. 25-29.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»


В классической физике было принято все вещества по их электрическим свойствам разделять на проводники и диэлектрики («Физика 9», §§44 и 46). Современная физика различает еще два промежуточных состояния — полупроводники («Физика 9», § 78) и полуметаллы. Лишь с появлением квантовой механики стало ясно, в чем различия между всеми этими типами веществ. В этой заметке мы постараемся вкратце описать суть современной квантово-механической теории, объясняющей электрические свойства твердых тел.

Твердое тело состоит из атомов, образующих кристаллическую решетку. Атомы удерживаются в решетке силами взаимодействия электрически заряженных атомных частиц — положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Электрический ток в кристалле — это движение электронов, которое подчиняется законам квантовой механики. Согласно этим законам, электроны и в отдельном атоме, и в кристалле могут обладать лишь определенными (разрешенными) значениями энергии, или, иными словами, находиться на определенных энергетических уровнях
. Чем выше уровень, тем большей энергии он соответствует.

В атоме эти уровни расположены довольно далеко один от другого — принято говорить, что уровни образуют дискретный энергетический спектр (рис. 1). При определенных условиях электроны могут переходить с одного уровня на другой, разрешенный, уровень. Электрон с данной энергией может двигаться только по замкнутой траектории — орбите — вокруг ядра .

Когда атомы объединяются в кристалл, часть электронов по-прежнему остается на своих атомных орбитах, но наиболее удаленные от ядра электроны получают возможность двигаться по всему кристаллу благодаря тому, что внешние орбиты соседних атомов перекрываются. А это значит, что и энергетические уровни, раньше принадлежавшие отдельным атомам, становятся «общими» для всего кристалла. Вместо дискретных уровней в кристалле образуются энергетические зоны
, состоящие из очень близко расположенных уровней. Электроны, которые находятся на этих «обобществленных» уровнях, называются валентными электронами
.

Валентные электроны движутся по орбитам, охватывающим весь кристалл, и, казалось бы, могут проводить электрический ток. Однако если бы все было так просто, все твердые тела были бы хорошими проводниками (металлами). Законы квантовой механики делают картину гораздо более сложной и разнообразной.

Во-первых, энергетические зоны разделены промежутками, в которых нет ни одного энергетического уровня. Эти промежутки называются запрещенными зонами
. Во-вторых, электроны подчиняются так называемому принципу Паули, согласно которому на каждом уровне в данном состоянии может находиться только один электрон. При наинизшей возможной температуре (равной абсолютному нулю) энергетические уровни последовательно снизу вверх (то есть начиная с наименьших значений энергии) заполняются электронами в соответствии с принципом Паули, а уровни с более высокими энергиями остаются свободными. Различная степень заполнения энергетических зон, а также различия в их относительном расположении и позволяют разделить все твердые тела на диэлектрики, полупроводчики, полуметаллы и металлы.

Диэлектрики.

При T
= 0 валентные электроны целиком заполняют наинизшую зону, называемую валентной зоной
(рис. 2). Свободных уровней в ней нет, а следующая разрешенная зона — зона проводимости
— отделена от нее широкой запрещенной зоной. Если к такому образцу приложить электрическое поле, оно не сможет ускорить электроны, то есть создать электрический ток, так как ускорить электрон — значит сообщить ему дополнительную энергию, а, согласно законам квантовой механики, это можно сделать, только переведя его на более высокий энергетический уровень. Но принцип Паули запрещает электронам занимать уже занятые уровни, а попасть в следующую разрешенную зону, которая совершенно пуста, они не могут, потому что энергия, полученная от электрического поля, много меньше ширины Δ запрещенной зоны.

При температуре, отличной от нуля, электроны, в принципе, могут перейти в зону проводимости и стать носителями электрического тока. Однако для того чтобы число электронов, перешедших в эту зону, было достаточно большим, нужно диэлектрик нагреть до такой высокой температуры, что он расплавится, прежде чем ток достигнет измеримой величины. При комнатной температуре ток в диэлектрике практически не течет.

Полупроводники.

От диэлектрика полупроводник отличается только тем, что ширина Δ запрещенной зоны, отделяющей валентную зону от зоны проводимости, у него много меньше (в десятки раз). При T
= 0 валентная зона в полупроводнике, как и в диэлектрике, целиком заполнена, и ток по образцу течь не может. Но благодаря тому, что энергия Δ невелика, уже при незначительном повышении температуры часть электронов может перейти в зону проводимости (рис. 3). Тогда электрический ток в веществе станет возможным, причем сразу по двум «каналам».

Во-первых, в зоне проводимости электроны, приобретая энергию в электрическом поле, переходят на более высокие энергетические уровни. Во-вторых, вклад в электрический ток дают… пустые уровни, оставленные в валентной зоне электронами, ушедшими в зону проводимости. Действительно, принцип Паули разрешает любому электрону занять освободившийся уровень в валентной зоне. Но, заняв этот уровень, он оставляет свободным свой собственный уровень и т. д. Если следить не за движением электронов по уровням в валентной зоне, а за движением самих пустых уровней, то оказывается, что эти уровни, имеющие научное название дырки
, тоже становятся носителями тока. Число дырок, очевидно, равно числу электронов, ушедших в зону проводимости (так называемых электронов проводимости
), но дырки обладают положительным зарядом, потому что дырка — это отсутствующий электрон.

Таким образом, в полупроводнике электрический ток — это ток электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Такая проводимость полупроводника называется собственной
.

Электроны и дырки при движении по кристаллу взаимодействуют с атомами кристаллической решетки, теряя при этом свою энергию. С этими потерями связано электрическое сопротивление вещества. При увеличении температуры потери энергии возрастают, так что сопротивление полупроводника должно было бы с ростом температуры тоже увеличиваться. Но при повышении температуры растет число электронов
, переходящих в зону проводимости, а следовательно, и число дырок r валентной зоне. Это значит, что растет (и очень быстро) общее число носителей тока. Из-за этого сопротивление полупроводника с повышением температуры не растет, а падает. Полупроводник и можно определить как вещество, практически не проводящее ток при абсолютном нуле температур, но сопротивление которого с ростом температуры резко падает
.

В природе, однако, полупроводников с собственной проводимостью не существует: в них всегда имеются примеси других веществ, которые и определяют их электрические свойства. Наличие примесей приводит к тому, что в запрещенной зоне полупроводника появляются дополнительные энергетические уровни, с которых или на которые тоже возможны электронные переходы. Широкое применение полупроводников в технике стало возможным только после того, как технологи научились управлять содержанием примесей в полупроводниках и по своему усмотрению делать их проводимость (примесную проводимость
) почти чисто электронной или чисто дырочной.

Оказывается, можно подобрать такие примеси, атомы которых легко отдают электроны. Освободившиеся при этом дополнительные уровни энергии располагаются внутри запрещенной зоны полупроводника вблизи ее верхнего края (рис. 4, а). Такие примеси называются донорными примесями
, а уровни — донорными уровнями. Из рисунка 4, а видно, что при одной и той же температуре электронам с таких уровней гораздо легче перейти в зону проводимости, чем электронам из валентной зоны, поэтому примесные уровни и станут основными поставщиками электронов в зону проводимости. Но при этом в валентной зоне дырок появляться не будет, и проводимость полупроводника станет почти чисто электронной. Такие полупроводники называются полупроводниками n
-типа.

Существуют и такие примеси, атомы которых легко присоединяют к себе электроны (акцепторные примеси
). Дополнительные уровни их электронов (акцепторные уровни) тоже располагаются внутри запрещенной зоны полупроводника, но вблизи ее дна (рис. 4, б). В этом случае электронам из валентной зоны легче перейти на акцепторные уровни примеси, чем в зону проводимости. Тогда в валентной зоне появятся дырки без того, чтобы в зоне проводимости появились электроны. Получится полупроводник с почти чисто дырочной проводимостью, или полупроводник p
-типа.

Электроны в металлах окончательно «забывают» свое атомное происхождение, их уровни образуют одну очень широкую зону. Она всегда заполнена лишь частично (число электронов меньше числа уровней) и потому может называться зоной проводимости (рис. 6). Ясно, что в металлах ток может течь и при нулевой температуре
. Более того, с помощью квантовой механики можно доказать, что в идеальном металле
(решетка которого не имеет дефектов) при T
= 0 ток должен течь без сопротивления !

К сожалению, идеальных кристаллов не бывает, а нулевой температуры достичь невозможно. В действительности электроны теряют энергию, взаимодействуя с колеблющимися атомами решетки, так что сопротивление реального металла растет с температурой
(в отличие от сопротивления полупроводника). Но самое главное — это то, что при любой температуре электропроводность металла значительно выше электропроводности полупроводника потому, что в металле гораздо больше электронов, способных проводить электрический ток.

Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка (ZnS), куприт (Cu 2 O), галенит (PbS) и многие другие. Семейство полупроводников, включая полупроводники, синтезированные в лабораториях, представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 — неметаллами, из которых 13 обладают полупроводниковыми свойствами и 12 — диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие полиацетилен (СН) n, — полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd 1-x Mn x Te) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO 3). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La 2 CuO 4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La 1-x Sr x) 2 CuO 4 .

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10 -4 до 10 7 Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника — от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы — это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs — 1,5 эВ. GaN, материал для в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Энергетический зазор

Валентные орбитали атомов в кристаллической решётке разделены на две группы энергетических уровней — свободную зону, расположенную на высшем уровне и определяющую электропроводность полупроводников, и валентную зону, расположенную ниже. Эти уровни, в зависимости от симметрии решётки кристалла и состава атомов, могут пересекаться или располагаться на расстоянии друг от друга. В последнем случае между зонами возникает энергетический разрыв или, другими словами, запрещённая зона.

Расположение и заполнение уровней определяет электропроводные свойства вещества. По этому признаку вещества делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Ширина запрещённой зоны полупроводника варьируется в пределах 0,01-3 эВ, энергетический зазор диэлектрика превышает 3 эВ. Металлы из-за перекрытия уровней энергетических разрывов не имеют.

Полупроводники и диэлектрики, в противовес металлам, имеют заполненную электронами валентную зону, а ближайшая свободная зона, или зона проводимости, отгорожена от валентной энергетическим разрывом — участком запрещённых энергий электронов.

В диэлектриках тепловой энергии либо незначительного электрического поля недостаточно для совершения скачка через этот промежуток, электроны в зону проводимости не попадают. Они не способны передвигаться по кристаллической решётке и становиться переносчиками электрического тока.

Чтобы возбудить электропроводимость, электрону на валентном уровне нужно придать энергию, которой бы хватило для преодоления энергетического разрыва. Лишь при поглощении количества энергии, не меньшего, чем величина энергетического зазора, электрон перейдёт из валентного уровня на уровень проводимости.

В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно — энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ), многие соли.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.

Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости. Примесные полупроводники — это проводники, обладающие примесной проводимостью.

Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут — это донорные примеси кремния.

Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.

Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь — основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий — акцепторные примеси для кремния.

Характеристики полупроводника находятся в зависимости от дефектов его кристаллической структуры. Это является причиной необходимости выращивания предельно чистых кристаллов. Параметрами проводимости полупроводника управляют путем добавления легирующих присадок. Кристаллы кремния легируют фосфором (элемент V подгруппы), который является донором, чтобы создать кристалл кремния n-типа. Для получения кристалла с дырочной проводимостью в кремний вводят акцептор бор. Полупроводники с компенсированным уровнем Ферми для перемещения его в середину запрещённой зоны создают подобным образом.

Одноэлементные полупроводники

Самым распространённым полупроводником является, конечно, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников, обладающих подобными структурами кристалла.

Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова. В ней каждый атом окружают 4 ближайших атома, которые образуют тетраэдр. Такая координация называется четырехкратной. Кристаллы с тетрадрической связью стали базовыми для электронной промышленности и играют ключевую роль в современной технологии. Некоторые элементы V и VI группы таблицы Менделеева также являются полупроводниками. Примеры полупроводников этого типа — фосфор (Р), сера (S), селен (Se) и теллур (Те). В этих полупроводниках атомы могут иметь трехкратную (Р), двухкратную (S, Se, Те) или четырехкратную координацию. В результате подобные элементы могут существовать в нескольких различных кристаллических структурах, а также быть получены в виде стекла. Например, Se выращивался в моноклинной и тригональной кристаллических структурах или в виде стекла (которое можно также считать полимером).

Алмаз обладает отличной термической проводимостью, превосходными механическими и оптическими характеристиками, высокой механической прочностью. Ширина энергетического разрыва — dE = 5,47 эВ.

Кремний — полупроводник, используемый в солнечных батареях, а в аморфной форме — в тонкоплёночных солнечных батареях. Является наиболее используемым полупроводником в фотоэлементах, прост в производстве, обладает хорошими электрическими и механическими качествами. dE = 1,12 эВ.

Германий — полупроводник, используемый в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Использовался в первых диодах и транзисторах. Требует меньше очистки, чем кремний. dE = 0,67 эВ.

Селен — полупроводник, который применяется в селеновых выпрямителях, обладающих высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.

Двухэлементные соединения

Свойства полупроводников, образуемых элементами 3 и 4 групп таблицы Менделеева, напоминают 4 группы. Переход от 4 группы элементов к соединениям 3-4 гр. делает связи частично ионными по причине переноса заряда электронов от атома 3 группы к атому 4 группы. Ионность меняет свойства полупроводников. Она является причиной увеличения кулоновского межионного взаимодействия и энергии энергетического разрыва зонной структуры электронов. Пример бинарного соединения этого типа — антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb, фосфид индия InP, антимонид алюминия AlSb, фосфид галлия GaP.

Ионность возрастает, а значение её еще больше растёт в соединениях веществ 2—6 групп, таких как селенид кадмия, сульфид цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид цинка. В итоге у большинства соединений 2—6 групп запрещённая зона шире 1 эВ, кроме соединений ртути. Теллурид ртути — полупроводник без энергетического зазора, полуметалл, подобно α-олову.

Полупроводники 2-6 групп с большим энергетическим зазором находят применение в производстве лазеров и дисплеев. Бинарные соединения 2- 6 групп со суженным энергетическим разрывом подходят для инфракрасных приемников. Бинарные соединения элементов 1-7 групп (бромид меди CuBr, иодид серебра AgI, хлорид меди CuCl) по причине высокой ионности обладают запрещённой зоной шире З эВ. Они фактически не полупроводники, а изоляторы. Рост энергии сцепления кристалла по причине кулоновского межионного взаимодействия способствует структурированию атомов с шестикратной, а не квадратичной координацией. Соединения 4-6 групп — сульфид и теллурид свинца, сульфид олова — также полупроводники. Степень ионности данных веществ тоже содействует образованию шестикратной координации. Значительная ионность не препятствует наличию у них очень узких запрещённых зон, что позволяет использовать их для приёма ИК-излучения. Нитрид галлия — соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в и светодиодах, работающих в голубой части спектра.

GaAs, арсенид галлия — второй по востребованности после кремния полупроводник, обычно используемый в качестве подложки для других проводников, например, GaInNAs и InGaAs, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, высокоэффективных фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. dE = 1,43 эВ, что позволяет повысить мощность приборов по сравнению с кремнием. Хрупок, содержит больше примесей, сложен в изготовлении.

ZnS, сульфид цинка — цинковая соль сероводородной кислоты с диапазоном запрещённой зоны 3,54 и 3,91 эВ, используется в лазерах и в качестве люминофора.

SnS, сульфид олова — полупроводник, используемый в фоторезисторах и фотодиодах, dE= 1,3 и 10 эВ.

Оксиды

Оксиды металлов преимущественно являются прекрасными изоляторами, но есть и исключения. Примеры полупроводников этого типа — оксид никеля, оксид меди, оксид кобальта, двуокись меди, оксид железа, оксид европия, оксид цинка. Так как двуокись меди существует в виде минерала куприта, её свойства усиленно исследовались. Процедура выращивания полупроводников этого типа еще не совсем понятна, поэтому их применение пока ограничено. Исключение составляет оксид цинка (ZnO), соединение 2—6 групп, применяемый в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La 2 CuO 4 с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La 2 CuO 4 в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa 2 Cu 3 O 8 . При высоком давлении её значение составляет 134 К.

ZnO, оксид цинка, используется в варисторах, голубых светодиодах, датчиках газа, биологических сенсорах, покрытиях окон для отражения инфракрасного света, как проводник в ЖК-дисплеях и солнечных батареях. dE=3.37 эВ.

Слоистые кристаллы

Двойные соединения, подобные дииодиду свинца, селениду галлия и дисульфиду молибдена, отличаются слоистым строением кристалла. В слоях действуют значительной силы, намного сильнее ван-дер-ваальсовских связей между самими слоями. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоёв изменяется введением сторонних атомов — интеркаляцией.

MoS 2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений — нафталин, полиацетилен (CH 2) n , антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида -С=С-С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки — тоже полупроводниками.

Фуллерен имеет структуру в виде выпуклого замкнутого многогранника из чётного количества атомов углеорода. А легирование фуллерена С 60 щелочным металлом превращает его в сверхпроводник.

Графен образован одноатомным слоем углерода, соединённого в двумерную гексагональную решётку. Обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, высокой жёсткостью

Нанотрубки представляют собой свернутые в трубку пластины графита, имеющие несколько нанометров в диаметре. Эти формы углерода имеют большую перспективу в наноэлектронике. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Магнитные полупроводники

Соединения с магнитными ионами европия и марганца обладают любопытными магнитными и полупроводниковыми свойствами. Примеры полупроводников этого типа — сульфид европия, селенид европия и твёрдые растворы, подобные Cd 1-x- Mn x Te. Содержание магнитных ионов влияет на то, как в веществах проявляются такие магнитные свойства, как антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Полумагнитные полупроводники — это твёрдые магнитные растворы полупроводников, которые содержат магнитные ионы в небольшой концентрации. Такие твёрдые растворы обращают на себя внимание своей перспективностью и большим потенциалом возможных применений. Например, в отличие от немагнитных полупроводников, в них можно достигнуть в миллион раз большего фарадеевского вращения.

Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Перовскиты, подобные Mn 0,7 Ca 0,3 O 3, своими свойствами превосходят переход металл-полупроводник, прямая зависимость которого от магнитного поля имеет следствием явление гигантской магнето-резистивности. Применяются в радиотехнических, оптических приборах, которые управляются магнитным полем, в волноводах СВЧ-устройств.

Полупроводниковые сегнетоэлектрики

Этот тип кристаллов отличается наличием в них электрических моментов и возникновением спонтанной поляризации. Например, такими свойствами обладают полупроводники титанат свинца PbTiO 3 , титанат бария BaTiO 3 , теллурид германия GeTe, теллурид олова SnTe, которые при низких температурах имеют свойства сегнетоэлектрика. Эти материалы применяются в нелинейно-оптических, запоминающих устройствах и пьезодатчиках.

Разнообразие полупроводниковых материалов

Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-5 2 (AgGaS 2) и 2-4-5 2 (ZnSiP 2) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3-5 и 2-6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As 2 Se 3), — полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.

Твёрдые тела — это металлы, полупроводники и диэлектрики. Они отличаются друг от друга по своим электронным свойствам. Электропроводность твёрдых тел определяется свойствами электронов.


Определение

Полупроводники
относятся к металлам, к твердым телам. К их числу принадлежат германий, кремний, мышьяк и др., а также различные сплавы и химические соединения.

Металлы
— это твердые тела, которые имеют определенную структуру.

Сравнение

Рассмотрим, как возникает электрический ток в полупроводниках. У атомов германия на внешней оболочке находятся четыре слабо связанных валентных электрона. В кристаллической решетке около каждого атома находятся еще четыре. Атомы в кристалле полупроводника связаны парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Если происходит повышение температуры, какая-то часть валентных электронов получит энергию, которая достаточна для разрыва ковалентных связей. В кристалле появятся свободные электроны, называемые электронами проводимости. Одновременно на месте ушедших электронов образуются вакансии, дырки. Вакантное место могут занять валентные электроны соседней пары, тогда дырка будет на новом месте в кристалле. При определенной температуре в полупроводнике существует определенное количество электронно-дырочных пар. Свободный электрон, встречаясь с дыркой, восстанавливает электронную связь. Дырки похожи на положительно заряженные частицы. Если электрического поля нет, дырки и электроны проводимости движутся хаотично. Если полупроводник поместим в электрическое поле, то дырки и свободные электроны начнут двигаться упорядоченно. Поэтому ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. Количество носителей свободного заряда меняется, не остается постоянным и зависит от температуры. При ее увеличении сопротивление полупроводников возрастает.

Металлы имеют кристаллическую структуру. Они состоят из молекул и атомов, которые занимают определённое, упорядоченное положение. Металл представляется в виде кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы, или ионы, или молекулы, которые колеблются около своего местоположения. Между ними в пространстве находятся свободные электроны, которые хаотично движутся в разных направлениях. Но при появлении электрического поля они начинают двигаться упорядоченно в сторону положительного полюса, в металлах появляется электрический ток. Количество электронов постоянное. При понижении температуры скорость движения электронов замедляется, сопротивление металлов падает.

Выводы сайт

  1. Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.
  2. Электрический ток в металлах — это направленное движение электронов.
  3. У чистых полупроводников электронно-дырочный механизм проводимости.
  4. Удельное сопротивление полупроводников и металлов зависит от температуры по-разному.

Все вещества состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из положительно заряженных ядер вокруг которых располагаются отрицательные электроны. При определенных условиях электроны способны покидать свое ядро и передвигаться к соседним. Сам атом при этом становится положительно заряженным, а соседний получает отрицательный заряд. Передвижение отрицательных и положительных зарядов под действием электрического поля получило название электрического тока.

В зависимости от свойства материалов проводить электрический ток их делят на:

  1. Полупроводники.

Свойства проводников

Проводники отличаются хорошей электропроводностью
. Это связано с наличием у них большого количества свободных электронов не принадлежащих конкретно ни одному из атомов, которые под действием электрического поля могут свободно перемещаться.

Большинство проводников имеют малое удельное сопротивление и проводят электрический ток с очень небольшими потерями. В связи с тем, что идеально чистых по химическому составу элементов в природе не существует, любой материал в своем составе содержит примеси. Примеси в проводниках занимают места в кристаллической решетке и, как правило, препятствуют прохождению свободных электронов под действием приложенного напряжения.

Примеси ухудшают свойства проводника. Чем больше примесей, тем сильнее они влияю на параметры проводимости.

Хорошими проводниками с малым удельным сопротивлением являются такие материалы:

  • Золото.
  • Серебро.
  • Медь.
  • Алюминий.
  • Железо.

Золото и серебро – хорошие проводники, но из-за высокой стоимости применяются там, где необходимо получить хорошие качественные проводники с малым объемом. Это в основном электронные схемы, микросхемы, проводники высокочастотных устройств у которых сам проводник изготовлен из дешевого материала (медь), который сверху покрыт тонким слоем серебра или золота. Это дает возможности при минимальном расходе драгоценного металла хорошие частотные характеристики проводника.

Медь и алюминий — более дешевые металлы. При незначительном снижении характеристик этих материалов, их цена на порядки ниже, что дает возможность для их массового применения. Применяют в электронике, в электротехнике. В электронике – это дорожки печатных плат, ножки радиоэлементов, радиаторы и др. В электротехнике очень широко применяется в обмотках двигателей, для прокладки электрических сетей высокого и низкого напряжения, разводку электричества в квартирах, домах, в транспорте.

Параметр проводимости очень сильно зависит от температуры самого материала. При увеличении температуры кристалла, колебания электронов в кристаллической решетке увеличивается, препятствуя свободному прохождению свободных электронов. При снижении – наоборот, сопротивление уменьшается и при некотором значении близком к абсолютному нулю, сопротивление становится нулевым и возникает эффект сверхпроводимости.

Свойства диэлектриков

Диэлектрики в своей кристаллической решетке содержат очень мало свободных электронов
, способных переносить заряде под действием электрического поля. В связи с этим при создании разности потенциалов на диэлектрике, ток, проходящий через него такой незначительный, что считается равным нулю — диэлектрик не проводит электрический ток. Наряду с этим, примеси, содержащиеся в любом диэлектрике, как правило, ухудшают его диэлектрические свойства. Ток, проходящий через диэлектрик под действием приложенного напряжения в основном определяется количеством примесей.

Наибольшее распространение диэлектрики получили в электротехнике там, где необходимо защитить обслуживающий персонал от вредного воздействия электрического тока. Это изолирующие ручки разных приборов, устройств измерительной техники. В электронике – прокладки конденсаторов, изоляция проводов, диэлектрические прокладки необходимые для теплоотвода активных элементов, корпуса приборов.

Полупроводники – материалы, которые проводят электричество при определенных условиях, в другом случае ведут себя как диэлектрики.

Таблица: чем отличаются проводники и диэлектрики?

Диэлектрик
Наличие свободных электронов Присутствуют в большом количестве Отсутствуют, или присутствуют, но очень мало
Способность материалов проводить электрический ток Хорошо проводит Не проводит, или ток незначительно мал
Что происходит при увеличении приложенного напряжение Ток, проходящий через проводник, увеличивается согласно закону Ома Ток, проходящий через диэлектрик изменяется незначительно и, при достижения определенного значения, происходит электрический пробой
Материалы Золото, серебро, медь и ее сплавы, алюминий и сплавы, железо и другие Эбонит, фторопласт, резина, слюда, различные пластмассы, полиэтилен и другие материалы
Сопротивление от 10 -5 до 10 -8 степени Ом/м 10 10 – 10 16 Ом/м
Влияние посторонних примесей на сопротивление материала Примеси ухудшают свойство проводимости материала, что ухудшает его свойства Примеси улучшают проводимость материала, что ухудшает его свойства
Изменение свойств при изменении температуры окружающей среды При увеличении температуры – сопротивление увеличивается, при снижении – уменьшается.{–10}$ Ом–1·см–1) (про­во­ди­мость ука­за­на при ком­нат­ной темп-ре). Ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью П. яв­ля­ет­ся силь­ная за­ви­си­мость их про­во­ди­мо­сти от темп-ры, при­чём в дос­та­точ­но ши­ро­ком ин­тер­ва­ле темпе­ра­тур про­во­ди­мость П., в от­ли­чие от ме­тал­лов, экс­по­нен­ци­аль­но уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том темп-ры $T$: $$σ=σ_0\exp(–ℰ_a/kT).\tag{*}$$ Здесь $k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на, $ℰ_a$ – энер­гия ак­ти­ва­ции элек­тро­нов в П., ко­то­рая мо­жет ме­нять­ся от не­сколь­ких мэВ до не­сколь­ких эВ, $σ_0$ – ко­эф. про­пор­цио­наль­но­сти, ко­то­рый так­же за­ви­сит от темп-ры, но эта за­ви­си­мость бо­лее сла­бая, чем экс­по­нен­ци­аль­ная. С по­вы­ше­ни­ем темп-ры те­п­ло­вое дви­же­ние раз­ры­ва­ет часть хи­мич. свя­зей в ато­мах П. и элек­тро­ны, чис­ло ко­то­рых про­пор­цио­наль­но $\exp(–ℰ_a/kT)$, ста­но­вят­ся сво­бод­ны­ми и уча­ст­ву­ют в элек­трич. про­во­ди­мо­сти. Энер­гия, не­об­хо­ди­мая для то­го, что­бы ра­зо­рвать хи­мич. связь и сде­лать ва­лент­ный элек­трон сво­бод­ным, на­зы­ва­ет­ся энер­ги­ей ак­ти­ва­ции.

П. и ди­элек­три­ки от­но­сят к од­но­му клас­су ма­те­риа­лов; раз­ли­чие ме­ж­ду ни­ми яв­ля­ет­ся ско­рее ко­ли­че­ст­вен­ным, чем ка­че­ст­вен­ным. Про­во­ди­мость ди­элек­три­ков так­же име­ет ак­ти­ва­ци­он­ный ха­рак­тер, од­на­ко $ℰ_a$ для них со­став­ля­ет 10 эВ и бо­лее, по­это­му собств. про­во­ди­мость ди­элек­три­ков мог­ла бы стать су­ще­ст­вен­ной толь­ко при очень вы­со­ких темп-рах, при ко­то­рых уже на­сту­па­ют струк­тур­ные из­ме­не­ния ве­ще­ст­ва. В свя­зи с этим тер­мин «П.» час­то по­ни­ма­ют в уз­ком смыс­ле как со­во­куп­ность ве­ществ, по­лу­про­вод­ни­ко­вые свой­ст­ва ко­то­рых яр­ко вы­ра­же­ны при ком­нат­ной темп-ре (300 К).

Хи­мич. свя­зи мо­гут быть ра­зо­рва­ны не толь­ко те­п­ло­вым дви­же­ни­ем, но и разл. внеш­ни­ми воз­дей­ст­вия­ми: элек­тро­маг­нит­ным из­лу­че­ни­ем, по­то­ком бы­ст­рых час­тиц, де­фор­ма­ци­ей, силь­ным элек­т­рич. и маг­нит­ным по­ля­ми и др. По­это­му для П. ха­рак­тер­на вы­со­кая чув­ст­ви­тель­ность про­во­ди­мо­сти к внеш­ним воз­дей­ст­ви­ям, а так­же к кон­цен­тра­ции струк­тур­ных де­фек­тов и при­ме­сей.

Классификация полупроводников

По аг­ре­гат­но­му со­стоя­нию П. де­лят­ся на твёр­дые и жид­кие (см. Жид­кие по­лу­про­вод­ни­ки), по внутр. струк­ту­ре – на кри­стал­лич. и аморф­ные (см. Аморф­ные и стек­ло­об­раз­ные по­лу­про­вод­ни­ки), по хи­мич. со­ста­ву – на не­ор­га­ни­че­ские и ор­га­ни­че­ские. Наи­бо­лее ши­ро­ко изу­че­ны и ис­поль­зу­ют­ся в по­лу­про­вод­ни­ко­вой элек­тро­ни­ке кри­стал­лич. не­ор­га­нич. П. К ним от­но­сят­ся:

– эле­мен­тар­ные П. – эле­мен­ты IV груп­пы ко­рот­кой фор­мы пе­рио­дич. сис­те­мы хи­мич. эле­мен­тов – уг­ле­род С (гра­фит, ал­маз, гра­фен, на­нот­руб­ки), гер­ма­ний Ge и крем­ний Si (ба­зо­вый эле­мент боль­шин­ст­ва ин­те­граль­ных схем в мик­ро­элек­тро­ни­ке), эле­мен­ты VI груп­пы – се­лен Se и тел­лур Te, а так­же их со­едине­ния, напр. кар­бид крем­ния SiC, об­ра­зую­щий слои­стые струк­ту­ры, и не­пре­рыв­ный ряд твёр­дых рас­тво­ров SixGe1–x;

– со­еди­не­ния AIIIBV, где А=Al, Ga, In; В=N, Р, As, Sb, напр. GaAs, AlAs, InAs, InSb, GaN, GaP и др.

– со­еди­не­ния AIIBVI, где А=Zn, Cd, Hg; B=S, Se, Te, напр. ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS, CdTe, CdS, HgTe и др.;

– со­еди­не­ния эле­мен­тов I и V групп с эле­мен­та­ми VI груп­пы, напр. PbS, PbSe, PbTe, Bi2Se3, Bi2Te3,Cu2O и др.;

– трой­ные и чет­вер­ные твёр­дые рас­т­во­ры на ос­но­ве со­еди­не­ний A III B V и A II B VI , напр. GaxAl1–xAs, GaxAl1–xN, CdxHg1–xTe, CdxMn1–xTe, GaxIn1–xAsyP1–y и др.

При­ме­ры аморф­ных и стек­ло­об­раз­ных П.: аморф­ный гид­ри­ро­ван­ный крем­ний a-Si:H, аморф­ные Ge, Se, Te, мно­го­ком­по­нент­ные стек­ло­об­раз­ные спла­вы халь­ко­ге­ни­дов на ос­но­ве S, Se, Te.

К ор­га­ни­че­ским П. от­но­сят­ся: ряд ор­га­нич. кра­си­те­лей, аро­ма­тич. со­еди­не­ния (наф­та­лин, ан­тра­цен и др.), по­ли­ме­ры с со­пря­жён­ны­ми свя­зя­ми, не­ко­то­рые при­род­ные пиг­мен­ты. Ор­га­нич. П. су­ще­ст­ву­ют в ви­де мо­но­кри­стал­лов, по­ли­кри­стал­лич. или аморф­ных по­рош­ков и плё­нок. Дос­то­ин­ст­во ор­га­нич. П. – от­но­сит. де­ше­виз­на их про­из-ва и ме­ха­нич. гиб­кость. Они при­ме­ня­ют­ся как све­то­чув­ст­вит. ма­те­риа­лы для фо­то­эле­мен­тов и ПЗС-мат­риц; на их ос­нове соз­да­ны све­то­из­лу­чаю­щие дио­ды, в т. ч. для гиб­ких эк­ра­нов и мо­ни­то­ров.

Боль­шин­ст­во изу­чен­ных П. на­хо­дят­ся в кри­стал­лич. со­стоя­нии. Свой­ст­ва та­ких П. в зна­чит. ме­ре оп­ре­де­ля­ют­ся их хи­мич. со­ста­вом и сим­мет­ри­ей кри­с­тал­лич. ре­шёт­ки. Ато­мы крем­ния, об­ла­дая че­тырь­мя ва­лент­ны­ми элек­тро­на­ми, об­ра­зу­ют ку­бич. кри­стал­лич. ре­шёт­ку ти­па ал­ма­за с ко­ва­лент­ной свя­зью ато­мов (кри­стал­ло­гра­фич. класс $m\bar 3m$, или $O_h$). Та­кую же кри­стал­лич. ре­шёт­ку име­ют гер­ма­ний и се­рое оло­во. В GaAs ка­ж­дый атом об­ра­зу­ет 4 ва­лент­ные свя­зи с бли­жай­ши­ми со­се­дя­ми, в ре­зуль­та­те че­го по­лу­ча­ет­ся кри­стал­лич. ре­шёт­ка, по­доб­ная ре­шёт­ке ал­ма­за, в ко­то­рой бли­жай­ши­ми со­се­дя­ми ка­тио­на Ga яв­ля­ют­ся анио­ны As и на­обо­рот. За счёт час­тич­но­го пе­ре­рас­пре­де­ле­ния элек­тро­нов ато­мы Ga и As ока­зы­ва­ют­ся раз­но­имён­но за­ря­жен­ны­ми и свя­зи ме­ж­ду ато­ма­ми ста­но­вят­ся час­тич­но ион­ны­ми. Кри­стал­лич. ре­шёт­ка GaAs не об­ла­да­ет цен­тром ин­вер­сии, по­это­му в та­ких П. воз­ни­ка­ют эф­фек­ты, от­сут­ст­вую­щие в цен­тро­сим­мет­рич­ных по­лу­про­вод­ни­ко­вых струк­ту­рах, напр. пье­зо­элек­три­че­ст­во (см. Пье­зо­элек­три­ки), ге­не­ра­ция 2-й оп­тич. гар­мо­ни­ки, фо­то­галь­ва­ни­че­ские эф­фек­ты. Струк­ту­рой, по­доб­ной ар­се­ни­ду гал­лия, об­ла­да­ют InAs, InP, ZnTe, ZnSe и др.

Чис­тые и струк­тур­но со­вер­шен­ные П. по­лу­ча­ют в ре­зуль­та­те кри­стал­ли­за­ции из рас­пла­ва или рас­тво­ра. Для соз­да­ния тон­ких по­лу­про­вод­ни­ко­вых плё­нок при­ме­ня­ют ме­тод эпи­так­сии из жид­кой или га­зо­вой фа­зы.

Электроны и дырки в полупроводниках

В твёр­дом те­ле вол­но­вые функ­ции ва­лент­ных элек­тро­нов со­сед­них ато­мов пе­ре­кры­ва­ют­ся, их ва­лент­ные элек­тро­ны обоб­ще­ст­в­ля­ют­ся и воз­ни­ка­ет ус­той­чи­вая хи­мич. (ко­ва­лент­ная) связь. На ка­ж­дую связь ме­ж­ду ато­ма­ми при­хо­дит­ся по два элек­тро­на, и рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти в про­стран­ст­ве ока­зы­ва­ет­ся жё­ст­ко фик­си­ро­ван­ным. Про­во­ди­мость П. по­яв­ля­ет­ся, ес­ли ра­зо­рвать свя­зи ме­ж­ду не­ко­то­ры­ми ато­ма­ми, напр., те­п­ло­вым или оп­тич. воз­дей­ст­ви­ем, пе­ре­дав не­боль­шой час­ти ва­лент­ных элек­тро­нов до­пол­нит. энер­гию и пе­ре­ве­дя их на ва­кант­ные (пус­тые) элек­трон­ные ор­би­та­ли, рас­по­ло­жен­ные вы­ше по энер­гии. Та­кие элек­т­ро­ны мо­гут сво­бод­но пе­ре­дви­гать­ся по кри­стал­лу, пе­ре­хо­дя с од­но­го ато­ма на дру­гой, и пе­ре­но­сить от­ри­цат. элек­трич. за­ряд. Ра­зо­рван­ная связь с не­дос­тат­ком элек­тро­на (дыр­ка) так­же мо­жет пе­ре­ме­щать­ся по кри­стал­лу за счёт пе­ре­хо­да на неё элек­тро­на из со­сед­ней свя­зи. По­сколь­ку ра­зо­рван­ная связь оз­на­ча­ет на­ли­чие ло­каль­но­го по­ло­жи­тель­но­го элек­трич. за­ря­да, дыр­ки пе­ре­но­сят по­ло­жи­тель­ный за­ряд. Дыр­ки, как и элек­тро­ны, мо­гут пе­ре­ме­щать­ся на зна­чит. рас­стоя­ния в пе­рио­дич. по­тен­циа­ле кри­стал­ла без рас­сея­ния.

В иде­аль­ных кри­стал­лах, не со­дер­жа­щих де­фек­тов и при­ме­сей, элек­тро­ны и дыр­ки все­гда по­яв­ля­ют­ся па́­ра­ми в си­лу со­хра­не­ния элек­трич. за­ря­да, од­на­ко под­виж­но­сти элек­тро­нов и ды­рок, как пра­ви­ло, раз­лич­ны. В ле­ги­ро­ван­ных П. кон­цен­тра­ции сво­бод­ных элек­тро­нов и ды­рок мо­гут раз­ли­чать­ся на неск. по­ряд­ков, так что элек­тро­про­вод­ность осу­ще­ст­в­ля­ет­ся прак­ти­че­ски пол­но­стью но­си­те­ля­ми за­ря­да од­но­го ти­па.

Чередование разрешённых и запрещённых энергетических зон в кристаллических полупроводниках. Заполнение разрешённых зон: (а) при абсолютном нуле температуры; (б) при отличной от нуля температуре. Чёрны…

По­сле­до­ва­тель­ное и стро­гое опи­са­ние со­стоя­ний но­си­те­лей за­ря­да и их дви­же­ния в кри­стал­лах мож­но сде­лать в рам­ках зон­ной тео­рии. Осн. со­стоя­ние крис­тал­ла при темп-ре 0 К фор­ми­ру­ет­ся за счёт по­сле­до­ва­тель­но­го за­пол­не­ния элек­тро­на­ми наи­низ­ших энер­ге­тич. со­стоя­ний. Со­глас­но прин­ци­пу Пау­ли, в ка­ж­дом со­стоя­нии с оп­ре­де­лён­ным зна­че­ни­ем спи­на мо­жет на­хо­дить­ся толь­ко один элек­трон. В за­ви­си­мо­сти от кри­стал­лич. струк­ту­ры и от чис­ла элек­тро­нов в ка­ж­дом из ато­мов, со­став­ляю­щих кри­сталл, воз­мож­ны два слу­чая: 1) элек­тро­ны пол­но­стью за­пол­ня­ют неск. ниж­них раз­ре­шён­ных зон, а все верх­ние зо­ны ос­та­ют­ся пус­ты­ми; 2) од­на из раз­ре­шён­ных зон за­пол­не­на час­тич­но. В пер­вом слу­чае рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти в кри­стал­ле фик­си­ро­ва­но, элек­тро­ны не мо­гут уча­ст­во­вать в про­во­ди­мо­сти и кри­сталл яв­ля­ет­ся П. или ди­элек­три­ком. Во вто­ром слу­чае часть элек­тро­нов в пре­де­лах час­тич­но за­пол­нен­ной зо­ны мо­жет сво­бод­но пе­ре­ме­щать­ся по кри­стал­лу3 и крис­талл яв­ля­ет­ся ме­тал­лом. В П. и ди­элек­три­ках верх­няя пол­но­стью за­пол­нен­ная раз­ре­шён­ная зо­на энер­гий на­зы­ва­ет­ся ва­лент­ной зо­ной, ниж­няя пус­тая зо­на – зо­ной про­во­ди­мо­сти. Энер­ге­тич. ин­тер­вал ме­ж­ду дном (ми­ни­му­мом энер­гии) зо­ны про­во­ди­мо­сти и по­тол­ком (мак­си­му­мом энер­гии) ва­лент­ной зо­ны на­зы­ва­ет­ся ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны $ℰ_g$. Раз­ли­чие ме­ж­ду П. и ди­элек­три­ка­ми чис­то ко­ли­че­ст­вен­ное: ус­лов­но счи­та­ют, что ве­ще­ст­ва с $ℰ_g<2$ эВ яв­ля­ют­ся П., а с $ℰ_g>2$ эВ – ди­элек­три­ка­ми. При от­лич­ной от ну­ля темп-ре те­п­ло­вое дви­же­ние пе­ре­рас­пре­де­ля­ет элек­тро­ны по энер­гии: часть элек­тро­нов «за­бра­сы­ва­ет­ся» из ва­лент­ной зо­ны в зо­ну про­во­ди­мо­сти. При этом по­яв­ля­ют­ся сво­бод­ные но­си­те­ли за­ря­да – элек­тро­ны в зо­не про­во­ди­мо­сти и дыр­ки в ва­лент­ной зо­не (рис.). Ко­ли­че­ст­во сво­бод­ных элек­тро­нов и ды­рок экс­по­нен­ци­аль­но за­ви­сит от темп-ры, по­это­му тем­пе­ра­тур­ная за­ви­си­мость про­во­ди­мо­сти П. оп­ре­де­ля­ет­ся фор­му­лой ( * ).

В ши­ро­ком клас­се П. ши­ри­на энер­ге­тич. зон зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ет те­п­ло­вую энер­гию при ком­нат­ной темп-ре (0,025 эВ), по­это­му но­си­те­ли за­ря­да за­пол­ня­ют со­стоя­ния толь­ко вбли­зи экс­тре­му­мов раз­ре­шён­ных зон, т. е. вбли­зи дна зо­ны про­во­ди­мо­сти и по­тол­ка ва­лент­ной зо­ны. За­ви­си­мость энер­гии от ква­зи­им­пуль­са вбли­зи экс­тре­му­ма час­то ока­зы­ва­ет­ся квад­ра­тич­ной, и мож­но вве­сти пред­став­ле­ние об эф­фек­тив­ной мас­се но­си­те­лей за­ря­да, ко­то­рая за­ви­сит от но­ме­ра раз­ре­шён­ной зо­ны и на­прав­ле­ния ква­зи­им­пуль­са. В не­ко­то­рых П. од­но­му зна­че­нию энер­гии от­ве­ча­ет неск. экс­тре­му­мов в пер­вой зо­не Брил­лю­эна и но­си­те­ли за­ря­да рас­пре­де­ле­ны по эк­ви­ва­лент­ным «до­ли­нам» (ок­ре­ст­но­стям экс­тре­му­мов). Та­кие П. на­зы­ва­ют мно­го­до­лин­ны­ми.

Примеси и дефекты в полупроводниках

Элек­трич. про­во­ди­мость П. мо­жет быть обу­слов­ле­на как элек­тро­на­ми соб­ственных ато­мов дан­но­го ве­ще­ст­ва (соб­ст­вен­ная про­во­ди­мость), так и элек­т­рона­ми и дыр­ка­ми при­мес­ных ато­мов (при­мес­ная про­во­ди­мость). Про­цесс вне­дре­ния при­ме­сей в П. для по­лу­че­ния не­об­хо­ди­мых фи­зич. свойств на­зы­ва­ет­ся ле­ги­ро­ва­ни­ем по­лу­про­вод­ни­ков. По­сколь­ку энер­гия свя­зи но­си­те­лей за­ря­да в при­мес­ных ато­мах со­став­ля­ет от не­сколь­ких мэВ до не­сколь­ких де­сят­ков мэВ, имен­но при­мес­ная про­во­ди­мость объ­яс­ня­ет экс­по­нен­ци­аль­ный рост кон­цен­тра­ции сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да в боль­шин­ст­ве П. в ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур вбли­зи ком­нат­ной.

При­ме­си в П. обыч­но вво­дят в про­цес­се рос­та струк­ту­ры, они мо­гут быть до­но­ра­ми или ак­цеп­то­ра­ми, т. е. по­став­щи­ка­ми элек­тро­нов или ды­рок. Ес­ли, напр., в гер­ма­ний Ge или крем­ний Si (эле­мен­ты IV груп­пы) вве­сти при­мес­ные ато­мы эле­мен­тов V груп­пы (As, P), то 4 внеш­них элек­тро­на этих ато­мов об­ра­зу­ют ус­той­чи­вую связь с че­тырь­мя со­сед­ни­ми ато­ма­ми ре­шёт­ки, а пя­тый элек­трон ока­жет­ся не­свя­зан­ным и бу­дет удер­жи­вать­ся око­ло при­мес­но­го ато­ма толь­ко за счёт ку­ло­нов­ско­го взаи­мо­дей­ст­вия, ос­лаб­лен­но­го ди­элек­трич. по­ля­ри­за­ци­ей сре­ды. Та­кой при­мес­ный атом яв­ля­ет­ся до­но­ром и лег­ко ио­ни­зу­ет­ся при ком­нат­ной темп-ре. Ак­цеп­тор воз­ни­ка­ет, напр., при вве­де­нии в Ge или Si эле­мен­тов III груп­пы (Ga, Al). В этом слу­чае для об­ра­зо­ва­ния всех че­ты­рёх свя­зей с бли­жай­ши­ми ато­ма­ми тре­бу­ет­ся до­пол­нит. элек­трон, ко­то­рый бе­рёт­ся из внутр. обо­ло­чек ато­мов, так что при­мес­ный атом ока­зы­ва­ет­ся за­ря­жен от­ри­ца­тель­но. Элек­тро­ней­траль­ность вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся за счёт то­го, что внутр. не­за­пол­нен­ная ор­би­таль рас­пре­де­ля­ет­ся вбли­зи со­сед­них ато­мов ре­шёт­ки, рас­по­ло­жен­ных от при­мес­но­го на рас­стоя­ни­ях, пре­вос­хо­дя­щих меж­атом­ное рас­стоя­ние. На­ли­чие до­но­ров или ак­цеп­то­ров при­во­дит со­от­вет­ст­вен­но к про­во­ди­мо­сти n- или р-ти­па.

П., в ко­то­рых мо­гут од­но­вре­мен­но су­ще­ст­во­вать ак­цеп­тор­ные и до­нор­ные при­ме­си, на­зы­ва­ют­ся ком­пен­си­ро­ван­ны­ми. Ком­пен­са­ция при­ме­сей при­во­дит к то­му, что часть элек­тро­нов от до­но­ров пе­ре­хо­дит к ак­цеп­то­рам, и в ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ет зна­чит. кон­цен­тра­ция ио­нов, ко­то­рые эф­фек­тив­но влия­ют на про­во­ди­мость по­лу­про­вод­ни­ков.

Ам­пли­ту­да вол­но­вой функ­ции элек­тро­нов или ды­рок, ло­ка­ли­зо­ван­ных на при­мес­ных ато­мах, со­став­ля­ет 1–10 нм. Это оз­на­ча­ет, что при кон­цен­тра­ции при­мес­ных ато­мов ок. 1018 см–3 вол­но­вые функ­ции элек­тро­нов и ды­рок со­сед­них ато­мов на­чи­на­ют пе­ре­кры­вать­ся, но­си­те­ли за­ря­да мо­гут пе­ре­хо­дить от ио­на к ио­ну и П. ста­но­вит­ся вы­ро­ж­ден­ным (см. Вы­ро­ж­ден­ные по­лу­про­вод­ни­ки). Та­кие П. на­зы­ва­ют­ся силь­но­ле­ги­ро­ва­ны­ми. Из-за силь­но­го эк­ра­ни­ро­ва­ния ку­ло­нов­ско­го при­тя­же­ния но­си­те­ли за­ря­да в них ока­зы­ва­ют­ся сво­бод­ны­ми да­же при та­ких низ­ких темп-рах, при ко­то­рых бы­ла не­воз­мож­на тер­мич. ак­ти­ва­ция элек­тро­на или дыр­ки из изо­ли­ро­ван­но­го ато­ма.

В от­сут­ст­вие внеш­не­го элек­трич. по­ля или ос­ве­ще­ния кон­цен­тра­ция сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да на­зы­ва­ет­ся рав­но­вес­ной и оп­ре­де­ля­ет­ся ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны П., эф­фек­тив­ны­ми мас­са­ми но­си­те­лей за­ря­да, кон­цен­тра­ци­ей при­ме­сей и энер­ги­ей свя­зи при­мес­ных но­си­те­лей за­ря­да.

На­ря­ду с при­ме­ся­ми, ис­точ­ни­ка­ми но­си­те­лей за­ря­да мо­гут быть и разл. де­фек­ты струк­ту­ры, напр. ва­кан­сии (от­сут­ствие од­но­го из ато­мов ре­шёт­ки), ме­ж­узель­ные ато­мы, а так­же не­дос­та­ток или из­бы­ток ато­мов од­но­го из ком­по­нен­тов в по­лу­про­вод­ни­ко­вых со­еди­не­ни­ях (от­кло­не­ния от сте­хио­мет­рич. со­ста­ва).

Электрические свойства полупроводников

Во внеш­нем элек­трич. по­ле на но­си­те­ли за­ря­да в твёр­дом те­ле дей­ст­ву­ет си­ла, ко­то­рая из­ме­ня­ет их ско­рость и при­во­дит к на­прав­лен­но­му дви­же­нию. Под дей­ст­ви­ем си­лы но­си­те­ли за­ря­да долж­ны ус­ко­рять­ся, од­на­ко в кри­стал­лах вслед­ст­вие взаи­мо­дей­ст­вия элек­тронов с де­фек­та­ми, ко­ле­ба­ния­ми ре­шёт­ки и т. д. воз­ни­ка­ет си­ла тре­ния, ко­то­рая урав­но­ве­ши­ва­ет си­лу, дей­ст­вую­щую со сто­ро­ны по­ля. В ре­зуль­та­те но­си­те­ли за­ря­да дви­жут­ся с по­сто­ян­ной сред­ней (дрей­фо­вой) ско­ро­стью $v_{др}$, за­ви­ся­щей от на­пря­жён­но­сти $E$ элек­трич. по­ля. Мож­но вве­сти по­ня­тие под­виж­но­сти но­си­те­лей за­ря­да $μ=v_{др}/E$. Дей­ст­вие си­лы тре­ния оз­на­ча­ет, что в элек­трич. по­ле но­си­тель за­ря­да ис­пы­ты­ва­ет сво­бод­ное ус­ко­ре­ние толь­ко в про­ме­жут­ке вре­ме­ни $Δt$ ме­ж­ду дву­мя ак­та­ми рас­сея­ния, так что $v_{др}=eEτ/m$ ($m$ – эф­фек­тив­ная мас­са но­си­те­ля, $e$ – его за­ряд, $τ$ – вре­мя ре­лак­са­ции, за ко­то­рое сво­бод­ный но­си­тель за­ря­да в от­сут­ст­вие по­ля те­ря­ет свой на­прав­лен­ный ква­зи­им­пульс). Обыч­но $τ$ не за­ви­сит от ве­ли­чи­ны внеш­не­го по­ля и оп­ре­де­ля­ет­ся теп­ло­вым хао­тич. дви­же­ни­ем но­си­те­лей за­ря­да в твёр­дом те­ле, так что ско­рость те­п­ло­во­го дви­же­ния на неск. по­ряд­ков пре­вос­хо­дит $v_{др}$. Так, напр., для ти­пич­ных П. при $T=300$ К в весь­ма силь­ном элек­трич. по­ле ($E$=3·104 В/м) ско­рость $v_{др}$ со­став­ля­ет 10–100 м/с, а ве­ли­чи­на ср. те­п­ло­вой ско­ро­сти – 105–106 м/с.

Ве­ли­чи­ны $τ$ и $μ$ за­ви­сят от ти­па про­во­ди­мо­сти, хи­мич. со­ста­ва П., темп-ры, кон­цен­тра­ции де­фек­тов и при­ме­сей. При темп-рах ни­же темп-ры ки­пе­ния жид­ко­го азо­та (77 К) под­виж­ность $μ$ воз­рас­та­ет с рос­том темп-ры, а при темп-рах вы­ше 77 К – умень­ша­ет­ся, про­хо­дя че­рез мак­си­мум вбли­зи 100 К. Та­кая за­ви­си­мость $μ(T)$ объ­яс­ня­ет­ся на­ли­чи­ем двух осн. при­чин рас­сея­ния но­си­те­лей за­ря­да – на за­ря­жен­ных при­ме­сях и фо­но­нах. При низ­ких темп-рах, ко­гда при­мес­ные ато­мы ио­ни­зо­ва­ны, рас­сея­ние на них пре­вос­хо­дит рас­сея­ние на фо­но­нах, по­сколь­ку рав­но­вес­ных фо­но­нов ма­ло. С уве­ли­че­ни­ем темп-ры ср. энер­гия но­си­те­лей воз­рас­та­ет, эф­фек­тив­ность рас­сея­ния умень­ша­ет­ся, вре­мя ме­ж­ду столк­но­ве­ния­ми и под­виж­ность воз­рас­та­ют. При темп-рах ок. 100 К рез­ко воз­рас­та­ет кон­цен­тра­ция рав­но­вес­ных фо­но­нов и взаи­мо­дей­ст­вие с ни­ми ог­ра­ни­чи­ва­ет под­виж­ность, вслед­ст­вие это­го с уве­ли­че­ни­ем темп-ры под­виж­ность умень­ша­ет­ся. При $T$=300 К ха­рак­тер­ные зна­че­ния $τ$ для П. ле­жат в ин­тер­ва­ле 10–13–10–12 с, а $μ$  – в ин­тер­ва­ле 102–10–2 м/с. При мень­ших зна­че­ни­ях под­виж­но­сти дли­на сво­бод­но­го про­бе­га (про­из­ве­де­ние ср. ско­ро­сти теп­ло­во­го дви­же­ния на вре­мя $τ$) ста­но­вит­ся мень­ше рас­стоя­ния ме­ж­ду ато­ма­ми и го­во­рить о сво­бод­ном дви­же­нии но­си­те­лей за­ря­да нель­зя. Воз­ни­ка­ет прыж­ко­вая про­во­ди­мость, ко­то­рая обу­слов­ле­на пе­ре­ско­ка­ми но­си­те­лей за­ря­да в про­стран­ст­ве от од­но­го ио­на к дру­го­му (реа­ли­зу­ет­ся в ор­га­ни­че­ских по­лу­про­вод­ни­ках).

На­прав­лен­но­му дви­же­нию но­си­те­лей за­ря­да во внеш­нем элек­трич. по­ле пре­пят­ст­ву­ет их те­п­ло­вое хао­тич. дви­же­ние. Ес­ли в ре­зуль­та­те при­ло­же­ния элек­т­рич. по­ля но­си­те­ли со­би­ра­ют­ся у гра­ни­цы об­раз­ца и их кон­цен­тра­ция за­ви­сит от ко­ор­ди­нат, то хао­тич. дви­же­ние при­во­дит к вы­рав­ни­ва­нию кон­цен­тра­ции и но­си­те­ли пе­ре­хо­дят из об­лас­ти про­ст­ран­ст­ва с боль­шей кон­цен­тра­ци­ей в об­ласть, где их кон­цен­тра­ция мень­ше. Та­кой про­цесс на­зы­ва­ет­ся диф­фу­зи­ей но­си­те­лей за­ря­да и оп­ре­де­ля­ет­ся ко­эф. диф­фу­зии $D$. В ус­ло­ви­ях рав­но­ве­сия пол­ный по­ток но­си­те­лей за­ря­да от­сут­ст­ву­ет, так что диф­фу­зи­он­ный по­ток пол­но­стью ком­пен­си­ру­ет по­ток час­тиц во внеш­нем по­ле. Это оз­на­ча­ет, что ко­эф. диф­фу­зии свя­зан с под­виж­но­стью. Для не­вы­ро­ж­ден­ных но­си­те­лей $D=kTμ/e$ (со­от­но­ше­ние Эйн­штей­на). Для ти­пич­ных П. при ком­нат­ной темп-ре ве­ли­чи­на $D$ со­став­ля­ет 10–3–10–2 м2/с. Для не­рав­но­вес­ных но­си­те­лей за­ря­да, напр. в слу­чае ин­жек­ции в элек­трон­но-ды­роч­ном пе­ре­хо­де (см. p–n-Пе­ре­ход), вво­дит­ся по­ня­тие диф­фу­зи­он­ной дли­ны $L_D$, ко­то­рая оп­ре­де­ля­ет умень­ше­ние чис­ла но­си­те­лей в про­цес­се диф­фу­зии за счёт их реком­би­на­ции: $L_D=\sqrt{D\tau_0}$, где $τ_0$ – вре­мя жиз­ни не­ос­нов­ных но­си­те­лей.

На­ло­же­ние внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля из­ме­ня­ет ус­ло­вия про­те­ка­ния элек­трич. то­ка в П. и при­во­дит к галь­ва­но­маг­нит­ным яв­ле­ни­ям, ко­то­рые наи­бо­лее силь­но про­яв­ля­ют­ся в маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках и по­лу­маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках. В П. для ис­сле­до­ва­ний и прак­тич. при­ме­не­ний наи­бо­лее час­то маг­нит­ное по­ле при­кла­ды­ва­ют пер­пен­ди­ку­ляр­но элек­трич. по­лю, в этом слу­чае име­ют ме­сто Хол­ла эф­фект и Шуб­ни­ко­ва – де Хаа­за эф­фект, клас­сич. маг­ни­то­со­про­тив­ле­ние, сла­бая ло­ка­ли­за­ция но­си­те­лей за­ря­да, а в дву­мер­ных струк­ту­рах – кван­то­вый эф­фект Хол­ла и дроб­ный кван­то­вый эф­фект Хол­ла. В маг­нит­ном по­ле на за­ря­жен­ные час­ти­цы дей­ст­ву­ет си­ла Ло­рен­ца, они на­чи­на­ют вра­щать­ся в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной на­прав­ле­нию маг­нит­но­го по­ля, с цик­ло­трон­ной час­то­той $ω_с$ и со­хра­ня­ют свою ско­рость вдоль маг­нит­но­го по­ля. В за­ви­си­мо­сти от ве­ли­чи­ны про­из­ве­де­ния $ω_сτ$ раз­ли­ча­ют клас­си­че­ские сла­бые ($ω_сτ≪1$), клас­си­че­ские ($ω_сτ>1$) и кван­тую­щие ($ωсτ≫1$ и $\hbar ω_с≫kT$) маг­нит­ные по­ля, где $\hbar$ – по­сто­ян­ная План­ка.

В маг­нит­ных по­лях, ко­гда $ω_сτ∼1$, дви­же­ние но­си­те­лей за­ря­да мож­но опи­сы­вать клас­сич. урав­не­ния­ми Нью­то­на, в этом слу­чае име­ет ме­сто эф­фект Хол­ла, со­стоя­щий в воз­ник­но­ве­нии до­пол­нит. элек­трич. по­ля, пер­пен­ди­ку­ляр­но­го внеш­ним элек­трич. и маг­нит­но­му по­лям. Это до­пол­нит. по­ле ком­пен­си­ру­ет по­ток час­тиц, вы­зван­ный со­вме­ст­ным дей­ст­ви­ем при­ло­жен­ных элек­трич. и маг­нит­но­го по­лей, и за­ви­сит от ве­ли­чи­ны маг­нит­но­го по­ля и кон­цен­тра­ции сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да, а его на­прав­ле­ние оп­ре­де­ля­ет­ся зна­ком за­ря­да, по­это­му эф­фект Хол­ла ис­поль­зу­ет­ся для оп­ре­де­ле­ния зна­ка и кон­цен­тра­ции но­си­те­лей за­ря­да.

В бо­лее силь­ных по­лях, ко­гда $ω_сτ≫1$, но ха­рак­тер­ная энер­гия но­си­те­лей за­ря­да зна­чи­тель­но пре­вос­хо­дит $\hbar ω_с$, не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать кван­то­ва­ние но­си­те­лей за­ря­да во внеш­нем маг­нит­ном по­ле, в ре­зуль­та­те плот­ность со­стоя­ний как функ­ция об­рат­но­го по­ля при­об­ре­та­ет вид ост­рых, пе­рио­ди­че­ски рас­по­ло­жен­ных пи­ков.2$. Зна­че­ние про­доль­но­го со­про­тив­ле­ния об­ра­ща­ет­ся в нуль в маг­нит­ных по­лях, от­ве­чаю­щих сту­пень­кам на за­ви­си­мо­сти по­пе­реч­но­го со­про­тив­ле­ния от маг­нит­но­го по­ля и пи­кам ме­ж­ду сту­пень­ка­ми. Та­кое по­ве­де­ние объ­яс­ня­ет­ся осо­бен­но­стя­ми дви­же­ния но­си­те­лей за­ря­да в силь­ном маг­нит­ном по­ле в ус­ло­ви­ях дей­ст­вия слу­чай­ных элек­трич. и де­фор­ма­ци­он­ных по­лей, имею­щих разл. про­стран­ст­вен­ный мас­штаб. При ещё боль­шем маг­нит­ном по­ле име­ет ме­сто дроб­ный кван­то­вый эф­фект Хол­ла, про­яв­ляю­щий­ся в до­пол­нит. рас­ще­п­ле­нии сту­пе­нек. Од­на­ко кван­то­вый ха­рак­тер но­си­те­лей за­ря­да мо­жет про­яв­лять­ся и в сла­бых маг­нит­ных по­лях. Ока­за­лось, что при низ­ких темп-рах в П. и ме­тал­лах на­блю­да­ет­ся не­боль­шое (ок. 1–5% от об­ще­го) из­ме­не­ние про­во­ди­мо­сти, про­пор­цио­наль­ное квад­ра­ту маг­нит­но­го по­ля. Этот эф­фект объ­яс­ня­ет­ся яв­ле­ни­ем сла­бой ло­ка­ли­за­ции, со­стоя­щим в уве­ли­че­нии со­про­тив­ле­ния про­во­дя­щих ма­те­риа­лов за счёт уси­ле­ния рас­сея­ния на­зад при диф­фу­зи­он­ном дви­же­нии час­тиц.

Оптические свойства полупроводников

Зон­ная струк­ту­ра кри­стал­лов про­яв­ля­ет­ся в свой­ст­вах про­пус­ка­ния, от­ра­же­ния и по­гло­ще­ния по­лу­про­вод­ни­ка­ми элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния. Наи­бо­лее оче­вид­но су­ще­ст­во­ва­ние за­пре­щён­ной зо­ны сле­ду­ет из то­го, что из­лу­че­ние с энер­ги­ей кван­та, мень­шей ши­ри­ны за­пре­щён­ной зо­ны $ℰ_g$ чис­то­го П., не по­гло­ща­ет­ся. По­гло­ще­ние на­чи­на­ет­ся толь­ко то­гда, ко­гда энер­гия кван­та пре­вы­сит $ℰ_g$. Для П. ти­па GaAs при низ­ких темп-рах дли­на вол­ны, на ко­то­рой ин­тен­сив­ность па­даю­ще­го из­лу­че­ния умень­ша­ет­ся в $e$ раз, при­бли­зи­тель­но рав­на 0,1 мкм. При та­ком по­гло­ще­нии кван­та све­та в П. воз­ни­ка­ют элек­трон и дыр­ка и име­ет ме­сто за­кон со­хра­не­ния ква­зи­им­пуль­са. Обыч­но им­пульс све­та зна­чи­тель­но мень­ше квази­им­пуль­сов но­си­те­лей за­ря­да, и при оп­тич. пе­ре­хо­де элек­тро­на из ва­лент­ной зо­ны в зо­ну про­во­ди­мо­сти ква­зи­им­пульс не из­ме­ня­ет­ся, так что в мо­мент ро­ж­де­ния элек­трон и дыр­ка име­ют про­ти­во­по­лож­ные ква­зи­им­пуль­сы. Та­кие пе­ре­хо­ды на­зы­ва­ют­ся пря­мы­ми; они про­ис­хо­дят в т. н. пря­мо­зон­ных П. (GaAs, InSb, Te, SiC), в ко­то­рых по­то­лок ва­лент­ной зо­ны и дно зо­ны про­во­ди­мо­сти рас­по­ло­же­ны в од­ной точ­ке зо­ны Брил­лю­эна.

Элек­трон­ные пе­ре­хо­ды со зна­чит. из­ме­не­ни­ем ква­зи­им­пуль­са про­ис­хо­дят в т. н. не­пря­мо­зон­ных П. (Ge, Si, AlAs, GaP), у ко­то­рых вер­ши­на ва­лент­ной зо­ны и дно зо­ны про­во­ди­мо­сти раз­не­се­ны в про­стран­ст­ве ква­зи­им­пуль­сов на ве­ли­чи­ну по­ряд­ка $π/d$, где $d$ – меж­атом­ное рас­стоя­ние в кри­стал­лич. ре­шёт­ке. В этом слу­чае для вы­пол­не­ния за­ко­на со­хра­не­ния ква­зи­им­пуль­са не­об­хо­ди­мо уча­стие треть­ей час­ти­цы, в ка­че­ст­ве ко­то­рой мо­жет вы­сту­пать ли­бо при­мес­ный атом, ли­бо фо­нон. Ти­пич­ная дли­на по­гло­ще­ния для не­пря­мых пе­ре­хо­дов со­став­ля­ет 1–10 мкм.

В спек­тре по­гло­ще­ния П. при­сут­ст­ву­ют ши­ро­кие энер­ге­тич. по­ло­сы, что ука­зы­ва­ет на то, что элек­тро­ны в ва­лент­ных зо­нах свя­за­ны сла­бо и лег­ко по­ля­ри­зу­ют­ся под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля. Это оз­на­ча­ет, что П. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся от­но­си­тель­но боль­шой ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­стью $ε$, напр. в Ge $ε=16$, в GaAs $ε=11$, в PbTe $ε=30$. Бла­го­да­ря боль­шим зна­че­ни­ям $ε$ ку­ло­нов­ское взаи­мо­дей­ст­вие элек­тро­нов и ды­рок друг с дру­гом или с за­ря­жен­ны­ми при­ме­ся­ми силь­но по­дав­ле­но, ес­ли они на­хо­дят­ся друг от дру­га на рас­стоя­нии, пре­вы­шаю­щем раз­ме­ры эле­мен­тар­ной ячей­ки. Это и по­зво­ля­ет во мно­гих слу­ча­ях рас­смат­ри­вать дви­же­ние ка­ж­до­го но­си­те­ля за­ря­да не­за­ви­си­мо от дру­гих. Ес­ли бы ку­ло­нов­ское взаи­мо­дей­ст­вие не ос­лаб­ля­лось, то при­мес­ные ио­ны мог­ли бы свя­зы­вать но­си­те­ли за­ря­да в ус­той­чи­вые, ло­ка­ли­зован­ные в про­стран­ст­ве об­ра­зо­ва­ния с энер­ги­ей ок. 10 эВ. В этом слу­чае при темп-рах ок. 300 К те­п­ло­вое дви­же­ние прак­ти­че­ски не мог­ло бы ра­зо­рвать эти свя­зи, соз­дать сво­бод­ные но­си­те­ли за­ря­да и при­вес­ти к за­мет­ной элек­тро­про­вод­но­сти. Та­кое свя­зы­ва­ние име­ет ме­сто в П. и ди­элек­три­ках, но из-за ос­лаб­ле­ния ку­ло­нов­ско­го взаи­мо­дей­ст­вия и от­но­си­тель­но ма­лых эф­фек­тив­ных масс элек­тро­нов и ды­рок (ок. 0,1–0,5 от мас­сы сво­бод­но­го элек­тро­на) энер­гия свя­зи та­ких об­ра­зо­ва­ний (эк­си­то­нов) со­став­ля­ет 1–50 мэВ, что мно­го мень­ше энер­гии ио­ни­за­ции ато­мов. Эк­си­то­ны лег­ко иони­зу­ют­ся при темп-рах вы­ше темп-ры жид­ко­го азо­та и, т. о., не пре­пят­ст­ву­ют об­ра­зо­ва­нию сво­бод­ных но­си­те­лей. Тем не ме­нее при низ­ких темп-рах об­ра­зо­ва­ние эк­си­то­нов при­во­дит к по­гло­ще­нию в чис­тых П. элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния с энер­ги­ей кван­та, мень­шей $ℰ_g$ на ве­ли­чи­ну энер­гии свя­зи эк­си­то­на.

Про­зрач­ность П. в уз­кой об­лас­ти час­тот вбли­зи края собств. по­гло­ще­ния из­ме­ня­ет­ся под дей­ст­ви­ем внеш­них (элек­трич., маг­нит­но­го и др.) по­лей. Элек­трич. по­ле, ус­ко­ряя элек­трон, мо­жет в про­цес­се оп­тич. пе­ре­хо­да пе­ре­дать ему не­боль­шую до­пол­нит. энер­гию, в ре­зуль­та­те че­го пря­мые оп­тич. пе­ре­хо­ды из ва­лент­ной зо­ны в зо­ну про­во­ди­мо­сти про­ис­хо­дят под дей­ст­ви­ем кван­тов све­та с энер­ги­ей, мень­шей $ℰ_g$ (Кел­ды­ша – Фран­ца эф­фект).

В од­но­род­ном маг­нит­ном по­ле за­кон со­хра­не­ния ква­зи­им­пуль­са при­во­дит к со­хра­не­нию кру­го­во­го дви­же­ния элек­тро­нов и ды­рок по­сле по­гло­ще­ния из­лу­чения. В ре­зуль­та­те за­ви­си­мость ко­эф. по­гло­ще­ния от час­то­ты па­даю­ще­го из­лу­че­ния при­ни­ма­ет вид уз­ких пи­ков. Кро­ме собств. по­гло­ще­ния (за счёт пря­мых или не­пря­мых пе­ре­хо­дов), в П. име­ет ме­сто по­гло­ще­ние све­та сво­бод­ны­ми но­си­те­ля­ми, свя­зан­ное с их пе­ре­хо­да­ми в пре­де­лах од­ной раз­ре­шён­ной зо­ны. Их вклад в об­щее по­гло­ще­ние мал, по­сколь­ку чис­ло сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да в П. ма­лó по срав­не­нию с пол­ным чис­лом ва­лент­ных элек­тро­нов, и для их реа­ли­за­ции тре­бу­ет­ся уча­стие треть­ей час­ти­цы – при­ме­си или фо­но­на. Кро­ме то­го, в не­ле­ги­ро­ван­ных П. со зна­чит. до­лей ион­ной свя­зи на­блю­да­ет­ся по­гло­ще­ние да­лё­ко­го ИК-из­лу­че­ния за счёт воз­бу­ж­де­ния ко­ле­ба­ний ре­шёт­ки – фо­но­нов.

Спектр фо­то­лю­ми­нес­цен­ции П. со­сре­до­то­чен в уз­кой об­лас­ти вбли­зи ши­ри­ны за­пре­щён­ной зо­ны. Вклад в фо­то­лю­ми­нес­цен­цию П. мо­гут вно­сить разл. ме­ха­низ­мы из­лу­ча­тель­ной ре­ком­би­на­ции: зо­на – зо­на, зо­на – при­месь, до­нор – ак­цеп­тор, с уча­сти­ем фо­но­на, из­лу­че­ние сво­бод­ных, свя­зан­ных или ло­ка­ли­зо­ван­ных эк­си­то­нов, эк­си­тон-по­ля­ри­тон­ная, би­эк­си­тон­ная ре­ком­би­на­ции. В не­ле­ги­ро­ван­ных струк­ту­рах с кван­то­вы­ми яма­ми низ­ко­тем­пе­ра­тур­ная фо­то­лю­ми­нес­цен­ция об­у­слов­ле­на из­лу­ча­тель­ной ре­ком­би­на­ци­ей эк­си­то­нов, ло­ка­ли­зо­ван­ных на ше­ро­хо­ва­то­стях по­верх­но­сти и флук­туа­ци­ях со­ста­ва.

Оп­тич. свой­ст­ва твёр­дых рас­тво­ров П. мож­но ме­нять в ши­ро­ких пре­де­лах, под­би­рая хи­мич. со­став рас­тво­ра, что об­услов­ли­ва­ет их ши­ро­кое при­ме­не­ние в при­бо­рах оп­то­элек­тро­ни­ки, в пер­вую оче­редь в ка­че­ст­ве ра­бо­чих ма­те­риа­лов ла­зе­ров, све­то- и фо­то­дио­дов, сол­неч­ных эле­мен­тов, де­тек­то­ров из­лу­че­ния.

Полупроводниковые гетеро- и наноструктуры

Совр. фи­зи­ка П. – это, пре­ж­де все­го, фи­зи­ка по­лу­про­вод­ни­ко­вых ге­те­ро­ст­рук­тур и на­но­ст­рук­тур. В по­след­них воз­ни­ка­ет ряд но­вых фи­зич. яв­ле­ний, ко­то­рые не­воз­мож­ны в объ­ём­ных П., напр. кван­то­вые це­ло­чис­лен­ный и дроб­ный эф­фек­ты Хол­ла. В на­но­ст­рук­ту­рах дви­же­ние сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да ог­ра­ни­че­но в од­ном или не­сколь­ких на­прав­ле­ни­ях, что при­во­дит к раз­мер­ным эф­фек­там, кар­ди­наль­но из­ме­няю­щим энер­ге­тич. спек­тры но­си­те­лей за­ря­да, а так­же фо­но­нов и др. ква­зи­ча­стиц. Важ­ную роль в на­но­ст­рук­ту­рах иг­ра­ют ге­те­ро­гра­ни­цы, по­сколь­ку в сис­те­мах ма­ло­го раз­ме­ра от­но­ше­ние пло­ща­ди по­верх­но­сти к внутр. объ­ё­му струк­ту­ры яв­ля­ет­ся боль­шим. Наи­бо­лее со­вер­шен­ные по­лу­про­вод­ни­ко­вые на­но­ст­рук­ту­ры по­лу­ча­ют ме­то­да­ми мо­ле­ку­ляр­но-пуч­ко­вой эпи­так­сии и га­зо­фаз­ной эпи­так­сии из ме­тал­ло­ор­га­нич. со­еди­не­ний.

В нач. 21 в. сло­жи­лась ус­той­чи­вая тер­ми­но­ло­гия низ­ко­раз­мер­ной фи­зи­ки П. Сис­те­ма­ти­ка на­чи­на­ет­ся с оди­ноч­но­го ге­те­ро­пе­ре­хо­да ме­ж­ду дву­мя ком­по­зи­ци­он­ны­ми ма­те­риа­ла­ми – по­лу­про­вод­ни­ка­ми A и B. Один или оба ма­те­риа­ла мо­гут быть твёр­ды­ми рас­тво­ра­ми (при­ме­ры ге­те­ро­пар A/B: GaAs/Al1–xGaxAs, ZnSe/BeTe). По оп­ре­де­ле­нию, в ге­те­ро­пере­хо­дах пер­во­го ти­па за­пре­щён­ная зо­на $ℰ_g$ од­но­го из ком­по­зиц. ма­те­риа­лов ле­жит внут­ри за­пре­щён­ной зо­ны др. ма­те­риа­ла. В этом слу­чае по­тен­ци­аль­ные ямы для элек­тро­нов или ды­рок рас­по­ло­же­ны в од­ном и том же слое. В ге­те­ро­пе­ре­хо­дах вто­ро­го ти­па дно зо­ны про­во­ди­мо­сти ни­же в од­ном, а по­то­лок ва­лент­ной зо­ны вы­ше в дру­гом П. Для ука­зан­ных ге­те­ро­пар за­пре­щён­ные зо­ны пе­ре­кры­ва­ют­ся. Име­ют­ся так­же гете­ро­пе­ре­хо­ды вто­ро­го ти­па (напр., InAs/GaSb), у ко­то­рых за­пре­щён­ные зо­ны не пе­ре­кры­ва­ют­ся и дно зо­ны про­во­ди­мо­сти од­ного П.B_g$.

К по­лу­про­вод­ни­ко­вым на­но­ст­рук­ту­рам от­но­сят кван­то­вые ямы, кван­то­вые про­во­ло­ки, кван­то­вые точ­ки. В кван­то­вой яме дви­же­ние сво­бод­но­го но­си­те­ля за­ря­да (элек­тро­на или дыр­ки) ог­ра­ни­че­но в од­ном из на­прав­ле­ний. В ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ет про­стран­ст­вен­ное кван­то­ва­ние и энер­ге­тич. спектр по од­но­му из кван­то­вых чи­сел из не­пре­рыв­но­го ста­но­вит­ся дис­крет­ным – ка­ж­дая трёх­мер­ная энер­ге­тич. элек­трон­ная зо­на пре­вра­ща­ет­ся в се­рию дву­мер­ных под­зон раз­мер­но­го кван­то­ва­ния. Ес­теств. раз­ви­ти­ем од­но­барь­ер­ной струк­ту­ры яв­ля­ют­ся двух- и муль­ти­барь­ер­ные струк­ту­ры, на ос­но­ве ко­то­рых соз­да­ют­ся ре­зо­нанс­но-барь­ер­ные при­бо­ры. От оди­ноч­ной кван­то­вой ямы пе­ре­хо­дят к струк­ту­ре с дву­мя или тре­мя кван­то­вы­ми яма­ми и струк­ту­рам с це­лым на­бо­ром изо­ли­ро­ван­ных кван­то­вых ям. По ме­ре то­го как барь­е­ры ста­но­вят­ся тонь­ше, тун­не­ли­ро­ва­ние но­си­те­лей за­ря­да из од­ной ямы в дру­гую ста­но­вит­ся за­мет­нее, и элек­трон­ные со­стоя­ния в под­зо­нах раз­мер­но­го кван­то­ва­ния изо­ли­ро­ван­ных ям транс­фор­ми­ру­ют­ся в трёх­мер­ные ми­ни­зон­ные со­стоя­ния. В ре­зуль­та­те пе­рио­дич. струк­ту­ра изо­ли­ро­ван­ных кван­то­вых ям, или тол­сто­барь­ер­ная сверх­ре­шёт­ка, пре­вра­ща­ет­ся в тон­ко­барь­ер­ную сверх­ре­шёт­ку, или про­сто сверх­ре­шёт­ку. По­лу­про­вод­ни­ко­вая сверх­ре­шёт­ка ис­поль­зу­ет­ся для со­зда­ния кван­то­вых кас­кад­ных ла­зе­ров, из­лу­че­ние ко­то­рых воз­ни­ка­ет при пе­ре­хо­де элек­тро­нов ме­ж­ду слоя­ми струк­ту­ры.

Кро­ме струк­тур с кван­то­вы­ми яма­ми, су­ще­ст­ву­ют и др. дву­мер­ные сис­те­мы, напр. гра­фен и струк­ту­ра ме­талл – ди­элек­трик – по­лу­про­вод­ник (МДП-струк­ту­ра), ко­то­рая ис­поль­зу­ет­ся в мик­ро­элек­тро­ни­ке в ви­де по­ле­во­го МДП-тран­зи­сто­ра.

В од­но­мер­ных сис­те­мах – кван­то­вых про­во­ло­ках – дви­же­ние но­си­те­лей за­ря­да сво­бод­но толь­ко в од­ном на­прав­ле­нии (напр., в уг­ле­род­ной на­нот­руб­ке, по­лу­чае­мой свёр­ты­ва­ни­ем гра­фе­но­вой по­лос­ки и за­кре­п­ле­ни­ем её про­ти­во­по­лож­ных сто­рон). Др. при­мер та­кой струк­ту­ры – кван­то­вая яма, вы­ра­щен­ная на ско­ле, со­дер­жа­щем пер­пен­ди­ку­ляр­ную ему кван­то­вую яму. Кван­то­вая ме­ха­ни­ка до­пус­ка­ет фор­ми­ро­ва­ние од­но­мер­ных элек­трон­ных со­стоя­ний на сты­ке двух та­ких ям.

В кван­то­вых точ­ках дви­же­ние но­си­те­лей за­ря­да ог­ра­ни­че­но во всех трёх на­прав­ле­ни­ях, напр. в на­нок­ри­стал­лах CdSe, вы­ра­щен­ных в стек­лян­ной мат­ри­це, и в эпи­так­си­аль­ных кван­то­вых точ­ках GaAs/InAs, вы­ра­щен­ных по ме­ха­низ­му Странс­ки – Кра­ста­но­ва.

Ши­ро­кое при­ме­не­ние по­лу­чи­ли по­лу­про­вод­ни­ко­вые ла­зе­ры на кван­то­вых ямах и мас­си­вах кван­то­вых то­чек. В струк­ту­ре с двой­ным ог­ра­ни­че­ни­ем сти­му­ли­ро­ван­ное из­лу­че­ние вы­хо­дит из тор­ца, пер­пен­ди­ку­ляр­но на­прав­ле­нию рос­та. Кван­то­вый мик­ро­ре­зо­на­тор, т. е. кван­то­вые ямы или кван­то­вые точ­ки, вы­ра­щен­ные в ак­тив­ной об­лас­ти оп­тич. мик­ро­ре­зо­на­то­ра, ис­поль­зу­ет­ся для соз­да­ния вер­ти­каль­но из­лу­чаю­щих ла­зе­ров.

Воз­мож­ность в ши­ро­ких пре­де­лах управ­лять фи­зич. свой­ст­ва­ми П. при­во­дит к их мно­го­чис­лен­ным и раз­но­об­раз­ным при­ме­не­ни­ям (см. По­лу­про­вод­ни­ко­вые ма­те­риа­лы).

Примесные полупроводники

В статье проводимость полупроводников мы выяснили, что в беспримесном (собственном) полупроводнике, движение носителей заряда осуществляется за счёт процессов термогенерации и рекомбинации.

В примесных полупроводниках носители заряда создаются благодаря вводимой в кристалл примеси. Это делается для того чтобы создать полупроводник электронной или дырочной проводимости. В полупроводнике электронной проводимости (n -типа) основными носителями заряда являются электроны, а полупроводнике дырочной проводимости (p -типа) – дырки.


Чтобы создать примесный полупроводник n – типа, в кристалл вводят донорную примесь. Донорной она называется потому, что добавляет электроны в структуру кристалла. Например, если в кремний ввести атом элемента из 5 группы таблицы Менделеева, то получится избыточный электрон. Это произойдёт потому, что кремний, имеющий 4 валентных электрона, образует ковалентную связь только с 4 электронами фосфора, который имеет 5 валентных электронов. Получается, один электрон окажется слабо соединённым со своим атомом, и достаточно даже небольшого воздействия, чтобы он его покинул и перешёл в зону проводимости. При этом атом примеси становится положительным ионом.

 

Избыточные электроны на энергетической диаграмме располагаются на так называемых локальных валентных уровнях. Эти уровни расположены в запрещенной зоне совсем рядом с зоной проводимости. Для того чтобы попасть в неё, электронам локального уровня необходимо получить около 0,1 эВ. Выходит, что в зоне проводимости оказываются в основном электроны созданные примесью, так как им легче перейти в неё, чем тем электронам, который находятся в валентной зоне и которым необходимо перейти всю запрещенную зону. Поэтому электронов оказывается во много раз больше чем дырок, и они являются основными носителями, а дырки неосновными.

Чтобы создать полупроводник p— типа, в кристалл вводится акцепторная примесь. Например, если ввести в кристалл германия атом индия, то в результате получится положительный нескомпенсированный заряд. Это произойдёт потому, что германий имеет 4 валентных электрона, а индий 3. Индий образует ковалентную связь с тремя ближайшими атомами германия, а одна связь будет разрушена и на её месте останется дырка. При незначительном увеличении температуры соседние электроны займут эту дырку, но тем сам они оставят её в другом месте. Таким образом, получится движение положительного заряда. На рисунке показано, где может располагаться дырка в примесном атоме и электрон, который с увеличением температуры займет её место.

На энергетической диаграмме, дырки акцепторной примеси создают локальные валентные уровни в запрещенной зоне, вблизи валентной зоны. Энергия, которая требуется для перехода электронам на локальные уровни, крайне мала, поэтому при воздействии температуры, все они оказываются заполненными электронами, перешедшими из валентной зоны. В связи с этим, в валентной зоне повышается концентрация дырок, вызванная акцепторной примесью. Следовательно, основными носителями заряда в полупроводнике являются дырки, образованные примесью, а электроны являются неосновными носителями.

 

Концентрация носителей заряда зависит от температуры. При самых низких температурах, в зону проводимости начинают проходить электроны примеси. Это продолжается до некоторого значения, пока все электроны не перейдут. Затем с дальнейшим ростом температуры начинает происходить процесс термогенерации и образовываться новые электроны и дырки. В конечном итоге может стать так, что количество дырок будет примерно соответствовать количеству электронов, другими словами произойдет вырождение полупроводника.

  • Просмотров:
  • Типы, применение и примеры полупроводников / электроника | Thpanorama

    полупроводник они являются элементами, которые избирательно выполняют функцию проводников или изоляторов, в зависимости от внешних условий, которым они подвергаются, таких как температура, давление, излучение и магнитные или электрические поля..

    В периодической таблице присутствуют 14 полупроводниковых элементов, среди которых кремний, германий, селен, кадмий, алюминий, галлий, бор, индий и углерод. Полупроводники представляют собой кристаллические твердые тела со средней электропроводностью, поэтому их можно использовать в качестве проводника и изолятора двойным способом..

    Если они используются в качестве проводников, при определенных условиях условия допускают циркуляцию электрического тока, но только в одном направлении. Кроме того, они не имеют такой высокой проводимости, как у проводящих металлов..

    Полупроводники используются в электронных приложениях, особенно для изготовления таких компонентов, как транзисторы, диоды и интегральные схемы. Они также используются в качестве аксессуаров или аксессуаров для оптических датчиков, таких как твердотельные лазеры, и некоторых силовых устройств для систем передачи электроэнергии..

    В настоящее время этот тип элементов используется для технологических разработок в области телекоммуникаций, систем управления и обработки сигналов, как в быту, так и в промышленности..

    индекс

    • 1 Типы
      • 1.1 Собственные полупроводники
      • 1.2 Внешние полупроводники
    • 2 Характеристики
    • 3 Приложения
    • 4 примера
    • 5 ссылок

    тип

    Существуют различные типы полупроводниковых материалов в зависимости от присутствующих в них примесей и их физической реакции на различные воздействия окружающей среды..

    Собственные полупроводники

    Те элементы, молекулярная структура которых состоит из одного типа атома. К таким типам полупроводников относятся кремний и германий..

    Молекулярная структура собственных полупроводников является тетраэдрической; то есть он имеет ковалентные связи между четырьмя окружающими атомами, как показано на рисунке ниже.

    Каждый атом собственного полупроводника имеет 4 валентных электрона; то есть 4 электрона, вращающиеся во внешнем слое каждого атома. В свою очередь каждый из этих электронов образует связи со смежными электронами.

    Таким образом, каждый атом имеет 8 электронов в своем наиболее поверхностном слое, который образует прочный союз между электронами и атомами, составляющими кристаллическую решетку..

    Из-за этой конфигурации электроны не могут легко перемещаться внутри структуры. Таким образом, в стандартных условиях собственные полупроводники ведут себя как изолятор.

    Однако проводимость собственного полупроводника возрастает всякий раз, когда температура увеличивается, поскольку некоторые валентные электроны поглощают тепловую энергию и отделяются от связей.

    Эти электроны становятся свободными электронами и, если на них правильно воздействует разница в электрическом потенциале, они могут способствовать циркуляции тока в кристаллической решетке..

    В этом случае свободные электроны переходят в зону проводимости и переходят к положительному полюсу источника потенциала (например, батареи)..

    Движение валентных электронов вызывает вакуум в молекулярной структуре, что приводит к эффекту, подобному тому, который мог бы вызвать положительный заряд в системе, поэтому они рассматриваются как носители положительного заряда..

    Затем имеет место обратный эффект, поскольку некоторые электроны могут выпадать из зоны проводимости до тех пор, пока валентный слой не высвободит энергию в процессе, который получает название рекомбинации..

    Внешние полупроводники

    Они соответствуют включением примесей в собственные проводники; то есть путем включения трехвалентных или пятивалентных элементов.

    Этот процесс известен как легирование и направлен на повышение проводимости материалов, улучшение физических и электрических свойств этих.

    Подставляя собственный атом полупроводника на атом другого компонента, можно получить два типа внешних полупроводников, которые подробно описаны ниже..

    Полупроводник типа Р

    В этом случае примесь является трехвалентным полупроводниковым элементом; то есть с тремя (3) электронами в своей валентной оболочке.

    Нарушающие элементы в структуре называются легирующими элементами. Примерами этих элементов для полупроводников P-типа являются бор (B), галлий (Ga) или индий (In).

    Не имея валентного электрона для образования четырех ковалентных связей собственного полупроводника, полупроводник P-типа имеет зазор в недостающем звене.

    Это делает прохождение электронов, которые не принадлежат к кристаллической сети через эту дырку с носителем положительного заряда.

    Из-за положительного заряда зазора звена этот тип проводников называется буквой «Р» и, следовательно, они распознаются как акцепторы электронов..

    Поток электронов через зазоры связи создает электрический ток, который течет в направлении, противоположном току, получаемому от свободных электронов..

    Полупроводник типа N

    Навязчивый элемент в конфигурации дается пятивалентными элементами; то есть те, которые имеют пять (5) электронов в валентной зоне.

    В этом случае примесями, которые включены в собственный полупроводник, являются такие элементы, как фосфор (P), сурьма (Sb) или мышьяк (As).

    Присадки имеют дополнительный валентный электрон, который, не имея ковалентной связи для присоединения, автоматически может свободно перемещаться по кристаллической сети..

    Здесь электрический ток циркулирует через материал благодаря избытку свободных электронов, обеспечиваемых легирующей добавкой. Поэтому полупроводники N-типа считаются донорами электронов..

    черты

    Полупроводники характеризуются двойной функциональностью, энергоэффективностью, разнообразием применений и низкой стоимостью. Наиболее выдающиеся характеристики полупроводников подробно описаны ниже.

    — Его реакция (проводник или изолятор) может варьироваться в зависимости от чувствительности элемента к освещению, электрическим полям и магнитным полям окружающей среды..

    — Если полупроводник подвергается воздействию низкой температуры, электроны будут удерживаться вместе в валентной зоне, и, следовательно, не будут возникать свободные электроны для циркуляции электрического тока.. 

    Напротив, если полупроводник подвергается воздействию высоких температур, тепловая вибрация может влиять на прочность ковалентных связей атомов элемента, оставляя свободные электроны для электропроводности..

    — Проводимость полупроводников варьируется в зависимости от доли примесей или легирующих элементов внутри собственного полупроводника..

    Например, если 10 миллионов атомов бора включены в миллион атомов кремния, это соотношение увеличивает проводимость соединения в тысячу раз по сравнению с проводимостью чистого кремния..

    — Проводимость полупроводников варьируется в диапазоне от 1 до 10-6 S.cm-1, в зависимости от типа используемого химического элемента.

    — Составные или внешние полупроводники могут иметь оптические и электрические свойства, значительно превосходящие свойства собственных полупроводников.Примером этого аспекта является арсенид галлия (GaAs), преимущественно используемый в радиочастотных и других применениях оптоэлектронных приложений..

    приложений

    Полупроводники широко используются в качестве сырья при сборке электронных элементов, которые являются частью нашей повседневной жизни, таких как интегральные схемы.

    Одним из основных элементов интегральной схемы являются транзисторы. Эти устройства выполняют функцию обеспечения выходного сигнала (колебательный, усиленный или выпрямленный) в соответствии с конкретным входным сигналом..

    Кроме того, полупроводники также являются основным материалом диодов, используемых в электронных схемах для обеспечения прохождения электрического тока только в одном направлении..

    Для конструкции диодов образуются внешние полупроводниковые соединения типа P и типа N. Посредством чередующихся элементов носителя и доноров электронов активируется механизм баланса между обеими зонами..

    Таким образом, электроны и дыры в обеих зонах пересекаются и дополняют друг друга при необходимости. Это происходит двумя способами:

    — Происходит перенос электронов из зоны N-типа в зону P. В зоне N-типа преобладает зона положительного нагружения..

    — Представлен проход электрононосных дырок из зоны P-типа в зону N-типа. Зона P-типа приобретает преимущественно отрицательный заряд.

    Наконец, создается электрическое поле, которое вызывает циркуляцию тока только в одном направлении; то есть из зоны N в зону P.

    Кроме того, используя комбинации внутренних и внешних полупроводников, можно получить устройства, которые выполняют функции, аналогичные вакуумной трубке, объем которой в сотни раз превышает ее объем..

    Этот тип приложений применяется к интегральным схемам, таким как микропроцессорные микросхемы, которые покрывают значительное количество электрической энергии.

    Полупроводники присутствуют в электронных устройствах, которые мы используем в нашей повседневной жизни, таких как оборудование коричневой линии, такое как телевизоры, видеоплееры, звуковое оборудование; компьютеры и сотовые телефоны.

    примеров

    Наиболее распространенным полупроводником в электронной промышленности является кремний (Si). Этот материал присутствует в устройствах, которые составляют интегральные схемы, которые являются частью нашей повседневной жизни..

    Германий и кремниевые сплавы (SiGe) используются в высокоскоростных интегральных схемах для радаров и усилителей электрических инструментов, таких как электрогитары.

    Другим примером полупроводника является арсенид галлия (GaAs), широко используемый в усилителях сигнала, в частности, сигналы с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем шума..

    ссылки

    1. Брайан, М. (с.ф.) Как работают полупроводники. Получено с: electronics.howstuffworks.com
    2. Ландин П. (2014). Собственные и внешние полупроводники. Получено с: pelandintecno.blogspot.com
    3. Rouse, M. (s.f.). Semiconductor. Получено с: whatis.techtarget.com
    4. Полупроводник (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Лондон, Великобритания. Получено с: britannica.com
    5. Что такое полупроводники? (Н.Д.). © Hitachi High-Technologies Corporation. Получено с: hitachi-hightech.com
    6. Википедия, Свободная энциклопедия (2018). Semiconductor. Получено с: en.wikipedia.org

    Свойства полупроводников. Устройство и работа. Применение

    Свойства полупроводников — свойство янтаря после натирания шерстью притягивать к себе мелкие предметы, было подмечено очень давно. Но электрические явления, непостоянные и преходящие, долго находились в тени магнитных явлений, более стабильных во времени.

    В 17-18 веках электрические опыты оказались широко доступными, и был сделан ряд новых открытий. В 1729 году англичанин Стефан Грей обнаружил, что все вещества делятся на 2 класса: неспособные переносить электрический заряд изоляторы (называемые «электрическими телами», поскольку их можно было электризовать трением), и способные переносить заряд проводники (называемые «неэлектрическими телами»).

    Современные представления об электрических свойствах веществ

    С развитием дальнейших представлений свойства веществ проводить электрический ток стали характеризовать количественно – значением удельной электрической проводимости, измеряемой в сименсах на метр (См/м). При комнатной температуре проводимость проводников лежит в диапазоне от 106 до 108 См/м, а у диэлектриков (изоляторов) меньше 10-8 См/м.

    Вещества, по проводимости занимающие промежуточное положение, логично назвать полупроводниками или полуизоляторами. Исторически закрепилось первое название. Проводимость полупроводников лежит в пределах от 10

    -8 до 106 См/м. Между этими 3 видами веществ не существует резких границ, качественные отличия определяются разницей количественных свойств.

    Из физики известно, что электрон в твердом теле не может обладать произвольной энергией, эта энергия может принимать лишь определенные значения, называемые энергетическими уровнями. Чем ближе электрон в атоме к ядру, тем ниже его энергия. Наибольшей энергией обладает удаленный электрон. В электрических и химических процессах участвуют лишь электроны внешней оболочки атома (электроны т.н. валентной зоны).

    Электроны с более высокой энергией, чем электроны валентной зоны, относятся к электронам зоны проводимости. Эти электроны не связаны с отдельными атомами, и они беспорядочно движутся внутри тела, обеспечивая проводимость.

    Атомы вещества, отдавшего электрон в зону проводимости, рассматриваются как заряженные положительно ионы, они неподвижны и образуют кристаллическую решетку вещества, внутри которой движутся электроны проводимости. У проводников (металлов) зона проводимости примыкает к валентной зоне, и каждый атом металла без помех отдает в зону проводимости один или большее число электронов, что и обеспечивает металлам свойство электропроводности.

    Свойства полупроводников определяются шириной запрещенной зоны

    У полупроводников и диэлектриков между валентной зоной и зоной проводимости существует т.н. запрещенная зона. Электроны не могут обладать энергией, соответствующей энергии уровней этой зоны. Деление веществ на диэлектрики и полупроводники производится в зависимости от ширины запрещенной зоны. При ширине запрещенной зоны в несколько электрон-вольт (эВ), у электронов валентной зоны мало шансов попасть в зону проводимости, что и делает эти вещества непроводящими. Так, у алмаза ширина запрещенной зоны 5,6 эВ. Однако, с повышением температуры, электроны валентной зоны увеличивают свою энергию, и некоторая часть попадает в зону проводимости, что ухудшает изолирующие свойства диэлектриков.

    Если же ширина запрещенной зоны порядка одного электрон-вольта, вещество приобретает заметную проводимость уже при комнатной температуре, становясь еще более проводящим с повышением температуры. Подобные вещества мы и относим к полупроводникам, и свойства полупроводников определяются шириной запрещенной зоны.

    При комнатной температуре ширина запрещенной зоны у полупроводников менее 2,5-3 эВ. В качестве примера, ширина запрещенной зоны германия 0,72 эВ, а кремния 1,12 эВ. К широкозонным полупроводникам относятся полупроводники с шириной запрещенной зоны более 2 эВ. Обычно, чем выше у полупроводника ширина запрещенной зоны, тем выше его температура плавления. Так, у германия температура плавления 936 °С, а у кремния 1414 °С.

    Два вида проводимости полупроводников – электронная и дырочная

    При температуре абсолютного нуля (-273 °С), в чистом полупроводнике (собственном полупроводнике, или полупроводнике i-типа) все электроны находятся в составе атомов, и полупроводник является диэлектриком. При повышении температуры часть электронов валентной зоны попадает в зону проводимости, и возникает электронная проводимость. Но когда атом теряет электрон, он становится заряженным положительно.

    Перемещаться под действием электрического поля атом, занимающий место в кристаллической решетке, не может, но он способен притянуть электрон из соседнего атома, заполнив «дырку» в своей валентной зоне. Потерявший электрон атом, в свою очередь, также будет искать возможность заполнить образовавшуюся во внешней оболочке «дырку». Дырка обладает всем и свойствами положительного заряда, и можно считать, что в полупроводнике существуют 2 вида носителей – отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дырки.

    Электроны проводимости могут занимать свободные места в валентной зоне, т.е. объединяться с дырками. Такой процесс называется рекомбинацией, и, поскольку генерация и рекомбинация носителей происходит одновременно, при данной температуре количество пар носителей находится в состоянии динамического равновесия – количество возникающих пар сравнивается с количеством рекомбинирующих.

    Собственная проводимость полупроводника i-типа складывается из электронной и дырочной проводимости, при этом преобладает электронная проводимость, поскольку электроны подвижнее дырок. Удельная электрическая проводимость металлов или полупроводников зависит от числа носителей заряда в 1 куб. см, или от концентрации электронов и дырок.

    Если число атомов в 1 куб. см вещества порядка 1022, то при комнатной температуре в металлах число электронов проводимости не меньше числа атомов, т.е. также порядка 1022, при этом в чистом германии концентрация носителей заряда порядка 1013 см-3, а в кремнии 1010 см-3, что значительно меньше, чем у металла, оттого проводимость полупроводников в миллионы и миллиарды раз хуже, чем у металлов.

    Все дело в примесях

    При приложении к полупроводнику напряжения возникающее в нем электрическое поле ускоряет электроны и дырки, их движение становится упорядоченным, и возникает электрический ток – ток проводимости. Помимо собственной проводимости, в полупроводниках существует еще и примесная проводимость, обязанная, как можно догадаться по названию, наличию в полупроводнике примесей.

    Если к 4-валентному германию добавить ничтожное количество 5-валентной сурьмы, мышьяка или фосфора, на связь с атомами германия атомы примеси задействуют 4 электрона, а пятый окажется в зоне проводимости, что резко улучшает проводимость полупроводника. Такие примеси, атомы которых отдают электроны, называются донорами. Поскольку в таких полупроводниках преобладает электронная проводимость, они называются полупроводниками n-типа (от английского слова negative — отрицательный). Чтобы все атомы донора отдавали по электрону в зону проводимости, энергетическая зона атомов донора должна располагаться как можно ближе к зоне проводимости полупроводника, несколько ниже ее.

    При добавлении к 4-валентному германию примеси 3-валентного бора, индия или алюминия, атомы примеси отнимают электроны от атомов германия, и германий приобретает дырочную проводимость, становится полупроводником p-типа (от английского слова positive – положительный). Примеси, создающие дырочную проводимость, называются акцепторами.

    Чтобы акцепторы могли легко захватывать электроны, энергетические уровни атомов акцептора должны примыкать к уровням валентной зоны полупроводника, располагаясь чуть выше ее.

    Примесная проводимость обычно значительно превышает собственную, поскольку концентрация атомов донора или акцептора значительно превышает концентрацию собственных носителей. Получить полупроводник со строго дозированным количеством примеси очень сложно, при этом и исходный полупроводник должен быть очень чистым. Так, для германия допускается не более одного атома посторонней примеси (т.е. не донора и не акцептора) на 10 миллиардов атомов германия, а для кремния требования по чистоте еще в 1000 раз выше.

    Переход металл-полупроводник

    В полупроводниковых приборах возникает необходимость применения контактов полупроводника с металлом. Вещество (металл или полупроводник) характеризуется энергией, требуемой электрону для выхода из вещества – работой выхода. Обозначим работу выхода из металла Aм, а из полупроводника Aп.

    Омические контакты

    При необходимости создания омического контакта (т.е. невыпрямляющего, когда сопротивление контакта мало при любой полярности приложенного напряжения) достаточно обеспечить контакт металла с полупроводником при создании следующих условий:
    • При контакте с n-полупроводником: Aм < Aп;
    • При контакте с p-полупроводником: Aм > Aп.

    Подобные свойства полупроводников объясняется тем, что в приграничном слое полупроводника накапливаются основные носители, что и обеспечивает его малое сопротивление. Накопление основных носителей обеспечивается тем, что электроны всегда переходят из вещества с меньшей работой выхода в вещество с большей работой выхода.

    Выпрямляющие контакты

    А вот если с полупроводником n-типа в контакте находится металл с Aм > Aп, то электроны перейдут из полупроводника в металл, и в приграничном слое образуется обедненная основными носителями область, обладающая малой проводимостью. Для того, чтобы преодолеть создавшийся барьер, к контакту необходимо приложить напряжение определенной полярности и достаточной величины. При приложении обратной полярности проводимость контакта еще более ухудшится – такой контакт обладает выпрямляющими свойствами. Нетрудно видеть, что аналогичные свойства полупроводников односторонней проводимости обладает контакт металла с полупроводником p-типа при Aм < Aп.

    История полупроводникового детектора

    Подобные свойства полупроводников металл-полупроводник были открыты еще немецким физиком Фердинандом Брауном в 1874 году. Самые первые диоды на основе контакта металл-полупроводник появились около 1900 года, когда в радиоприемниках стали использоваться детекторы, состоящие из вольфрамовой проволоки, прижатой к поверхности кристалла галенита (сульфида свинца). Радиолюбители делали детекторы самостоятельно, сплавляя свинец с серой.

    В 1906 году французский ученый Г. Пикар сконструировал детектор из кремниевого кристалла и спиральной контактной пружины с острием, и получил на него патент. Электронные приборы на основе контакта металл-полупроводник называют диодами Шоттки по имени исследовавших подобные контакты немецкого физика Вальтера Шоттки.

    В 1926 году появились мощные купроксные выпрямительные элементы, представляющие собой медную пластину с нанесенным слоем закиси меди, получившие широкое применение в силовых блоках.

    Электронно-дырочный переход

    Электронно-дырочный переход, или n-p-переход – это область на границе двух полупроводников разного типа проводимости, и работа полупроводниковых приборов основывается на использовании свойств подобных переходов. При отсутствии приложенного к переходу напряжения носители заряда перемещаются из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией — из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа перемещаются электроны, а в обратном направлении дырки.

    В результате этих перемещений по обе стороны границы раздела возникают области с объемным зарядом, а между этими областями возникает контактная разность потенциалов. Эта разность потенциалов образует потенциальный барьер, что препятствует дальнейшему переходу носителей через барьер. Высота барьера (контактная разность потенциалов) зависит от концентрации примесей, и для германия составляет обычно 0,3-0.4 В, доходя до 0,7 В. В установившемся режиме ток через переход отсутствует, поскольку p-n-переход обладает большим сопротивлением в сравнении с остальными областями полупроводников, и образовавшийся слой называют запирающим.

    Если к n-p-переходу приложить внешнее напряжение, то, в зависимости от его полярности, переход поведет себя по-разному.

    Протекание через переход прямого тока

    Если к полупроводнику p-типа приложить «плюс» источника напряжения, то создаваемое источником поле действует противоположно полю контактной разности потенциалов, суммарное поле уменьшается, снижается высота потенциального барьера, и его преодолевает большее число носителей. Через переход начинает протекать ток, называемый прямым. Одновременно уменьшается толщина защитного слоя и его электрическое сопротивление.

    Для возникновения существенного прямого тока к переходу достаточно приложить напряжение, сравнимое с высотой барьера в отсутствие приложенного напряжения, т.е. в десятые доли вольта, а при еще большем напряжении сопротивление запирающего слоя станет близким к нулю.

    Протекание через переход обратного тока

    Если же внешнее напряжение «переполюсовать», т.е. приложить к p-полупроводнику «минус» источника напряжения, поле внешнего напряжения будет складываться с полем контактной разности потенциалов. Высота потенциального барьера увеличивается, что затруднит диффузию основных носителей через переход, и ток через переход, называемый «обратным», окажется небольшим. Запирающий слой становится толще, его электрическое сопротивление возрастает.

    Выпрямляющие свойства электронно-дырочных переходов используются в диодах разной мощности и назначения — для выпрямления переменного тока в силовых блоках питания и слабых сигналов в устройствах различного назначения.

    Другие применения свойства полупроводников

    Электронно-дырочный переход при обратном напряжении ведет себя аналогично заряженному электрическому конденсатору емкостью от единиц до сотен пикофарад. Эта емкость зависит от приложенного к переходу напряжения, что позволяет использовать некоторые виды полупроводниковых приборов в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых приложенным напряжением.

    Свойства n-p-перехода также значительно зависят от температуры среды, что позволяет применять отдельные виды полупроводниковых приборов в качестве датчиков температуры. Приборы с тремя областями различной проводимости, как, например, n-p-n, позволяют создавать устройства, обладающие свойствами усиления электрических сигналов, а также их генерации.

    Похожие темы:

    Применение полупроводников

    Увеличение проводимости полупроводников происходит с повышением температуры, так как этому способствует рост количества носителей заряда. Зависимость проводимости полупроводников представляется как:

    Где E является энергией активации, k – постоянной Больцмана. Около абсолютного нуля все полупроводники становятся изоляторами. Зависимость их сопротивления от температуры позволяет применять в различных областях техники.

    Термисторы

    Определение 1

    Приборы, которые основываются на зависимости величины сопротивления от температуры, называются термисторами.

    Для их производства применяют полупроводники, обладающие существенной величиной отрицательного сопротивления. Их изготавливают в форме цилиндрических стержней, бусин, нитей, располагаемых в баллончиках из стекла, керамики или металла с изоляцией.

    Параметры, характеризующие термисторы:

    • наличие сопротивления с t=20 °C;
    • температурный коэффициент сопротивления при t=20 °C;
    • время тепловой инерции – временной промежуток, за который сопротивление термистора изменяется до определенной величины;
    • максимальная температура эксплуатации;
    • теплоемкость.

    По предназначению термисторы классифицируют на:

    • Измерительные. Применяют для получения данных о температуре и влажности воздуха. Ток, пропускаемый через него, имеет малую величину, поэтому не способен вызвать заметный разогрев термистора. Температура меняется вместе с температурой окружающей среды.
    • Прямого подогрева. Изменение сопротивления происходит за счет джоулева тепла. Его использование способствует стабилизировать напряжение при существенных колебаниях и небольших токах, как в телефонных линиях. Применение позволяет поддерживать постоянство сопротивления электросетей. (Термисторы обладают отрицательным температурным коэффициентом, а остальные металлические элементы – положительным). Они способны заменить движковые реостаты. Данный тип термисторов способен производить нарастание тока в цепи.
    • Косвенного подогрева. Нагревание производится за счет внешнего источника. Применяются в качестве сигнализации о перегреве отдельных частей машины.

    Фотосопротивления

    Электроны в полупроводниках способны переходить в зону проводимости не только при повышении температуры, но и при поглощении фотона (внутренний фотоэффект). Существуют полупроводники, энергия перехода электронов у которых составляет десятые доли электрон-вольта, то есть на сопротивление подобных проводников оказывает влияние не только видимый свет, но и инфракрасное излучение.

    Определение 2

    Прибор, который основывается на изменении сопротивления полупроводников под действием освещенности, называют фотосопротивлением. Для видимой части спектра применяют полупроводники из селена, германия, сернистого кадмия, таллия. Для инфракрасной – сернистый, селенистый и теллуристый свинец.

    Подобные фотосопротивления характеризуются зависимостью фототока I от величины светового потока Φ. В большинстве случаев ее изображают как:

    Вольт-амперные характеристики фотосопротивлений обладают линейным характером. Фотосопротивления являются инерционными, то есть достижение максимума фототока происходит не мгновенно, спад – при прекращении подачи света.

    Фотосопротивления применимы для автоматики, сортировке изделий по покраске или размерам.

    Нужна помощь преподавателя?

    Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

    Описать задание

    Варисторы

    Опытным путем было доказано, в небольших полях закон Ома для полупроводников считается применимым. У разных веществ величина критического поля имеет отличия. Она зависит от природы полупроводника, температуры, концентрации примесей.

    Электропроводность полупроводника от напряженности поля определяется законом Пуля:

    Где α является коэффициентом, зависящим от температуры, Ek – напряженность критического поля.

    Определение 3

    Полупроводники, проводимость которых растет с увеличением напряженности электрического поля, называют варисторами (ограничители перенапряжений).

    Примерами полупроводников варисторов считаются такие, в состав которых входит карбид кремния, используемый в виде дисков в разрядниках, защищающих высоковольтные линии электропередач.

    Полупроводниковые выпрямители

    Некоторые проводники после контакта характеризуются явлением, при котором ток хорошо проходит в одном направлении и практически не идет в обратном. Существование такого эффекта обусловлено наличием разного типа проводимости полупроводников. Односторонняя проводимость разнородных полупроводников используется в диодах, триодах. Чаще всего применяют германий и кремний. Такие триоды и диоды имеют большой срок работы с малыми габаритами, высоким коэффициентом выпрямления, экономят энергию.

    Униполярная проводимость между проводником применяется в вентильных элементах.

    Термоэлементы

    Термоэлементы изготавливают из полупроводников. Из чего состоят полупроводники? Они включают в себя два полупроводника, соединенные металлической пластиной. Нагрев полупроводника происходит на месте соединения, на противоположных концах происходит охлаждение. К свободным концам присоединяют внешнюю цепь, так как они считаются полюсами термоэлемента. Термоэлектрические батареи создают из термоэлементов. Определение термоэлектрической ЭДС Ε возможно по формуле:

    Где α1 и α2 – это термоэлектродвижущие силы каждого полупроводника с разностью температур на концах, равняющейся 1°С. КПД термобатарей составляет 6-7%.

    При пропускании электротока через термоэлемент, имеет место появление эффекта Пельтье, то есть один спай нагревается, другой охлаждается. Данное явление применимо в холодильной камере.

    Пример 1

    Происходит отступление от закона Ома в полупроводниках с сильными электрическими полями. С чем это связано?

    Решение

    Необходимо записать закон Ома в дифференциальной форме:

    I=σE (1.1).

    Значение I является силой тока, σ – коэффициентом проводимости, E – напряженностью электрического поля.

    Определение силы тока происходит по формуле:

    I=qenυ (1.2) с qe, являющимся зарядом электрона, n – концентрацией заряженных частиц, υ — скоростью движения электронов. Применим выражения (1.1), (1.2) для получения σ:

    σ=qenυE=qenυ (1.3).

    Из формулы υ обозначают в качестве неподвижности электронов. Если следовать из выражения (1.3), то происходит соблюдение закона Ома при неизменной подвижности и концентрации во время изменения самой напряженности поля. При увеличении Е идет рост подвижности электронов и их концентрация, так как поле влияет на энергосостояние электронов в атомах. В больших полях может быть получена энергия для свободного электрона, которой достаточно для прохождения процессов ионизации атома решетки или атома примеси, что влияет на увеличение концентрации электронов проводимости.

    Ответ: отступление закона Ома связано с влиянием сильных полей на подвижность электронов и их концентрацию.

    Пример 2

    Произвести описание процесса появления термоэлектродвижущей силы в полупроводниках.

    Решение

    Рост кинетической энергии теплового движения электронов в полупроводниках возможен при увеличении абсолютной температуры. Если создается разность температур в полупроводнике, то можно получить рост концентрации электронов на конце при имеющейся там высокой температуре.

    Отсюда следует, что будет наблюдаться диффузия свободных электронов по направлению от горячего конца к холодному. Холодный конец получит отрицательный зарядой, а горячий – положительный. Продолжение диффузии идет до тех пор, пока разность потенциалов не компенсирует диффузионный поток при помощи возникшего электрического тока обратного направления. Данное равновесие способно определить термо ЭДС.

    Полупроводниковые материалы: Типы Группы Классификация

    — существует много различных типов полупроводниковых материалов, которые часто классифицируются по своим группам и другим, но все они имеют немного разные свойства.


    Полупроводники Включает:
    Что такое полупроводник
    Полупроводниковые материалы
    Дырки и электроны


    Есть много различных типов полупроводниковых материалов.

    Эти разные типы полупроводников имеют немного разные свойства и подходят для различных применений в различных формах полупроводниковых устройств.

    Некоторые из них могут быть применимы для стандартных сигнальных приложений, другие для высокочастотных усилителей, в то время как другие типы могут быть применимы для приложений питания и суровых условий или другие для приложений, излучающих свет. Во всех этих различных приложениях, как правило, используются разные типы полупроводниковых материалов.

    Типы / классификации полупроводников

    Есть две основные группы или классификации, которые можно использовать для определения различных типов полупроводников:

    • Внутренний материал: Внутренний тип полупроводникового материала, имеющий очень высокую химическую чистоту.В результате он обладает очень низким уровнем проводимости с очень небольшим количеством носителей заряда, а именно дырок и электронов, которыми он обладает в равных количествах.
    • Внешний материал: Типы внешних полупроводников — это полупроводники, в которых к основному внутреннему материалу добавлено небольшое количество примесей. В этом «легировании» используется элемент из другой группы периодической таблицы, и таким образом он будет иметь больше или меньше электронов в валентной зоне, чем сам полупроводник.Это создает либо избыток, либо недостаток электронов. Таким образом, доступны два типа полупроводников: Электроны являются носителями отрицательного заряда.
      • N-тип: Полупроводниковый материал N-типа имеет избыток электронов. Таким образом, свободные электроны доступны внутри решеток, и их общее движение в одном направлении под влиянием разности потенциалов приводит к протеканию электрического тока. В полупроводнике N-типа носителями заряда являются электроны.
      • Тип P: В полупроводниковом материале P-типа наблюдается нехватка электронов, то есть в кристаллической решетке имеются «дырки». Электроны могут перемещаться из одной пустой позиции в другую, и в этом случае можно считать, что дырки движутся. Это может произойти под влиянием разности потенциалов, и видно, что отверстия текут в одном направлении, что приводит к протеканию электрического тока. На самом деле дыркам двигаться труднее, чем свободным электронам, и поэтому подвижность дырок меньше, чем подвижность свободных электронов.Дырки — это носители положительного заряда.

    Группы полупроводниковых материалов

    Наиболее часто используемые полупроводниковые материалы представляют собой твердые неорганические кристаллические вещества. Эти материалы часто классифицируются в соответствии с их положением или группой в периодической таблице. Эти группы определяются электронами на внешней орбите отдельных элементов.

    Хотя большинство используемых полупроводниковых материалов являются неорганическими, все больше органических материалов исследуется и используется.

    Перечень полупроводниковых материалов

    Есть много различных типов полупроводниковых материалов, которые можно использовать в электронных устройствах. У каждого есть свои преимущества, недостатки и области, в которых его можно использовать для обеспечения оптимальной производительности.

    Материал Химический знак
    / формула
    Группа Детали
    Германий Ge IV Этот тип полупроводникового материала использовался во многих ранних устройствах, от диодов обнаружения радаров до первых транзисторов.Диоды показывают более высокую обратную проводимость и температурный коэффициент, что означает, что ранние транзисторы могут страдать от теплового разгона. Предлагает лучшую подвижность носителей заряда, чем кремний, и поэтому используется в некоторых ВЧ-устройствах. В наши дни не так широко используются, поскольку доступны лучшие полупроводниковые материалы.
    Кремний S IV Кремний — наиболее широко используемый тип полупроводникового материала. Его главное преимущество состоит в том, что он прост в изготовлении и обеспечивает хорошие общие электрические и механические свойства.Еще одно преимущество состоит в том, что при использовании в интегральных схемах он образует высококачественный оксид кремния, который используется в качестве изоляционных слоев между различными активными элементами ИС.
    Арсенид галлия GaAs III-V Арсенид галлия является вторым наиболее широко используемым типом полупроводников после кремния. Он широко используется в высокопроизводительных ВЧ-устройствах, где используется его высокая подвижность электронов. Он также используется в качестве подложки для других полупроводников III-V, например.грамм. InGaAs и GaInNAs. Однако это хрупкий материал и имеет более низкую подвижность дырок, чем кремний, что делает невозможными такие применения, как КМОП-транзисторы P-типа. Его также относительно сложно изготовить, и это увеличивает стоимость устройств на основе GaAs.
    Карбид кремния SiC IV Карбид кремния находит применение во многих областях. Он часто используется в силовых устройствах, где его потери значительно ниже, а рабочие температуры могут быть выше, чем у устройств на основе кремния.Карбид кремния имеет разрушающую способность, которая примерно в десять раз выше, чем у самого кремния. Формы карбида кремния были типами полупроводникового материала, которые использовались с некоторыми ранними формами желтых и синих светодиодов.
    Нитрид галлия GaN III-V Этот тип полупроводникового материала начинает все более широко использоваться в микроволновых транзисторах, где требуются высокие температуры и мощность. Он также используется в некоторых микросхемах СВЧ.GaN трудно легировать, чтобы получить области p-типа, и он также чувствителен к электростатическому разряду, но относительно нечувствителен к ионизирующему излучению. Используется в некоторых синих светодиодах.
    Фосфид галлия GaP III-V Этот полупроводниковый материал нашел множество применений в светодиодной технологии. Он использовался во многих ранних светодиодах низкой и средней яркости, дающих различные цвета в зависимости от добавления других легирующих примесей. Чистый фосфид галлия излучает зеленый свет, легированный азотом, он излучает желто-зеленый, легированный ZnO излучает красный цвет.
    Сульфид кадмия CdS II-VI Используется в фоторезисторах, а также в солнечных элементах.
    Сульфид свинца ПБС IV-VI Используемый в качестве минерального галенита, этот полупроводниковый материал использовался в самых ранних радиодетекторах, известных как «кошачьи усы», где точечный контакт оловянной проволоки с галенитом для выпрямления сигналов.

    Другие основные концепции электроники:
    Напряжение
    Текущий
    Мощность
    Сопротивление
    Емкость
    Индуктивность
    Трансформеры
    Децибел, дБ
    Законы Кирхгофа
    Q, добротность
    Радиочастотный шум

    Вернуться в меню «Основные понятия электроники». . .

    Что такое полупроводник? Типы, примеры и применение

    Здравствуйте, друзья, надеюсь, у вас сегодня все хорошо.Сегодня мы рассмотрим подробный обзор полупроводников. Мы подробно обсудим примеры полупроводников, применение полупроводников, свойства полупроводников, компании, производящие полупроводники, наиболее часто используемые полупроводниковые материалы и т. Д. После открытия электричества (заслуга Бенджамина Франклина) ученые разделили земные материалы на 3 основные категории в зависимости от на их электропроводность под названием:

    1. Проводник : обладает способностью проводить электричество i.е. Медь, серебро, золото, алюминий и т. Д.
    2. Изолятор : не пропускает электрические заряды, например пластик, стекло, резину, бумагу и т. Д.
    3. Полупроводник : это материал, свойства которого находятся между проводником и изолятором, то есть кремний, германий, арсенид галлия и т. Д.

    Давайте углубимся.

    Что такое полупроводник?

    • Полупроводник — это материал, свойства проводимости которого лежат между проводником и изолятором.
    • При определенных условиях полупроводники могут действовать как чистый проводник или как чистый изолятор.
    • Более того, полупроводники (после создания PN-перехода) также могут управлять направлением потока электрических зарядов, чего нельзя сказать о проводниках (поскольку они позволяют току течь в обоих направлениях).
    • Примерами полупроводниковых материалов являются кремний, германий, арсенид галлия и т. Д., Из которых кремний является наиболее часто используемым.
    • Арсенид галлия является вторым по качеству полупроводниковым материалом и используется в солнечных элементах, лазерных диодах, интегральных схемах СВЧ-диапазона и т. Д.

    Почему они ведут себя как полупроводники?

    • Чистые полупроводники обычно относятся к 4-му столбцу периодической таблицы и, таким образом, имеют равное количество электронов и дырок в их валентной оболочке (а это 4).
    • Итак, в чистом виде нет свободных электронов или дыр, доступных для проведения электричества, и поэтому они действуют как изолятор.
    • Посредством процесса, называемого легированием, в чистый полупроводниковый материал добавляется примесь, которая генерирует в нем свободный электрон или дырку, и этот полупроводниковый материал начинает действовать как проводник.
    • Повышение температуры также может обеспечить носителям заряда достаточно энергии, они могут разорвать свои ковалентные связи и начать проводить (в чистых проводниках удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры).

    Для чего используются полупроводники?

    Полупроводники совершили революцию в области электроники. Полупроводники используются для разработки электронных компонентов.

    • Наиболее часто используемый полупроводниковый компонент — это диод ., который позволяет току течь только в одном направлении и, таким образом, действует как односторонний электронный клапан.
    • После диода был изобретен транзистор , который используется для быстрого переключения или усиления тока.
    • Изобретение диода и транзистора открыло дверь в нанотехнологии, и были разработаны новые интегрированные микросхемы, то есть микроконтроллеры, ULN2003, CD4050 и т. Д.
    • Все эти интегрированные микросхемы имеют встроенные полупроводниковые компоненты.

    Проще говоря, полупроводник привнес в электронные схемы автоматическое управление, которое невозможно с проводниками.

    Типы полупроводников

    Инженеры разделили полупроводники на два основных типа:

    1. Внутренние полупроводники.
    2. Внешние полупроводники.

    Внутренние полупроводники

    • Полупроводники в их чистом виде называются Внутренние полупроводники и практически бесполезны, поскольку они не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами.
    • В чистом виде валентная оболочка (из полупроводникового материала) несет равное количество дырок и электронов (кремний имеет 4 валентных электрона).

    Внешние полупроводники

    • Примеси (например, бор, мышьяк, сурьма и т. Д.) Добавляются к чистым полупроводникам методом под названием Doping , который увеличивает проводящие свойства полупроводников, и такие легированные полупроводники известны как внешние полупроводники . (Мы скоро обсудим допинг)

    В зависимости от используемого легирующего материала, внешние полупроводники делятся на два типа, которые называются:

    • полупроводники N-типа.
    • Полупроводники P-типа.

    Полупроводники N-типа

    • Когда пятивалентный (имеющий 5 валентных электронов) материал используется в качестве легирующего агента, четыре его электрона в валентной оболочке создают ковалентные связи с соседними атомами Si, а 5-й электрон (из пятивалентный элемент) становится свободным электроном. Такие внешние полупроводники называются полупроводниками N-типа .
    • В полупроводниках N-типа основными носителями заряда являются электроны (отрицательно заряженные).
    • Пятивалентными элементами, обычно используемыми в процессе легирования, являются сурьма, мышьяк, фосфор и т. Д.
    • Поскольку полупроводник принимает свободный выборщик, он называется Acceptor , а пятивалентный элемент называется Donor , поскольку он отдает свой электрон.

    Полупроводники P-типа

    • Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентным (имеющим 3 валентных электрона) материалом, три валентных электрона (трехвалентного элемента) создают ковалентные связи с соседними атомами Si, но это не может обеспечить 4-й электрон и, таким образом, создает дырку (положительно заряженную), которая на самом деле является вакансией и ждет электрон.Такие легированные полупроводники называются полупроводниками P-типа .
    • В полупроводниках P-типа основными носителями заряда являются дырки (положительно заряженные).
    • Примерами трехвалентных элементов, используемых в процессе легирования, являются бор, галлий, алюминий, индий и т. Д.
    • Здесь трехвалентным элементом является Acceptor , а полупроводником — Donor .

    Легирование полупроводников

    • Как мы обсуждали ранее, полупроводник в чистом виде действует как изолятор, поскольку он имеет равное количество электронов и дырок в своей внешней оболочке (называемой валентной оболочкой).
    • Итак, чтобы создать проводящие свойства в полупроводниках, к ним добавляется строго контролируемое количество примесей (например, мышьяк, бор и т. Д.), И этот метод называется Doping .
    • Интенсивность проводящего поведения зависит от типа и количества добавленных примесей.
    • Обычно используются два типа примесных элементов, а именно:
      • Пятивалентный : Создает полупроводники N-типа.
      • Трехвалентный : создает полупроводники P-типа.

    PN-переход в полупроводниках

    • Если полупроводниковый материал легирован как трехвалентными, так и пятивалентными примесями, то области P-типа и N-типа создаются в одном веществе.
    • В результате на границе этих двух областей создается специальный барьер, который останавливает поток носителей заряда и называется PN Junction .
    • Этот PN-переход лег в основу первого полупроводникового компонента под названием Diode .
    • Различные варианты PN перехода привели к созданию других основных компонентов, например, транзистора, полевого транзистора, полевого МОП-транзистора и т. Д.

    Теперь давайте взглянем на несколько примеров полупроводниковых материалов:

    Полупроводниковые материалы

    Доступно множество полупроводниковых материалов, некоторые из них следующие:

    1. Группа IV Периодической таблицы

    • В современных обозначениях IUPAC она называется группой 14 Периодической таблицы, в то время как в круге полупроводников она все еще считается группой IV.
    • Элементы группы IV являются наиболее часто используемыми полупроводниками, но немногие элементы этой группы имеют большие запрещенные зоны и, таким образом, действуют как изоляторы.
    • Полупроводники, представленные в этой группе: углерод, кремний, германий, олово.

    2. Составные полупроводники

    • Составные полупроводники создаются путем химической комбинации двух различных элементов.
    • Составные полупроводники обычно конструируются с использованием элементов III и V групп периодической таблицы.
    • Несколькими примерами сложных полупроводников являются арсенид галлия, карбид кремния и т. Д.

    3. Органические полупроводники

    • Органические полупроводники содержат полимерные структуры, обычно состоящие из углерода или водорода.
    • Первым обнаруженным органическим полупроводником была соль Бехгаарда (TMTSF) 2 PF 6 в 1980 году.

    4. Жидкие / аморфные полупроводники

    • Обычно полупроводники доступны в твердом состоянии, но очень мало жидких / аморфных полупроводников. обнаружил я.е. гидрированный аморфный кремний.
    • Некоторые оксиды и сплавы также отражают поведение полупроводников.

    Применение полупроводниковых материалов

    В современном мире электроника просто умрет, если мы удалим из нее полупроводниковые компоненты. Полупроводники находят применение почти во всех секторах электроники. Давайте посмотрим на несколько применений полупроводников:

    1. Потребительские товары (электроника)

    • Мы не можем представить себе мир без электронных устройств (т.е.е. мобильные телефоны, ноутбуки, микроволновые печи, холодильники и т. д.).
    • Все эти устройства используют полупроводниковые компоненты (например, диод, транзистор, полевой МОП-транзистор, интегрированный чип и т. Д.) В своих электронных блоках управления.

    2. Встроенные системы

    • Микроконтроллеры / микропроцессоры произвели революцию в мире и считаются основой встраиваемых систем.
    • В эти встроенные контроллеры встроены нанотранзисторы (полупроводниковые компоненты), которые действуют как интеллектуальные переключатели.
    • Итак, полупроводники также играют важную роль во встроенных системах.

    3. Теплопроводность

    • Поскольку немногие полупроводники обладают высокой теплопроводностью и поэтому используются в качестве охлаждающего агента в термоэлектрических устройствах.

    4. Светоизлучающий диод

    • Вместо тепла несколько полупроводников также излучают свет и поэтому используются в светодиодах, OLED и т. Д.
    • Эти полупроводники обычно доступны в жидкой или аморфной форме и используются в виде тонкой пленки с покрытием.

    На сегодня все. Надеюсь, эта статья окажется для вас полезной. Если у вас есть какие-либо вопросы, вы можете обратиться ко мне в разделе ниже. Я хотел бы помочь вам как можно лучше. Приглашаем вас оставить свои предложения в разделе комментариев ниже, они помогают нам создавать качественный контент. Спасибо, что прочитали этот пост.

    различных типов полупроводниковых устройств

    В этой статье мы немного поговорим о полупроводниковых устройствах в целом, о некоторых наиболее известных типах полупроводниковых устройств и многих других аспектах полупроводников.

    Введение

    За последние 70 лет полупроводники стали ключевым элементом в производстве электроники. С момента изобретения транзистора мир электроники всегда находился на экспоненциальной кривой с точки зрения исследований, разработок, производства, создания новых устройств и технологий.

    Электронные устройства предназначены для обработки информации, то есть для высокоскоростной передачи, сбора и обработки информации в отраслях промышленности и производства, связи, искусства, медицины и даже во время войны.

    Но все это можно связать с сердцем современной электроники и ее производства: полупроводниковыми приборами.

    Несмотря на то, что электронная система изготавливается с использованием металлов, диэлектриков и полупроводников (подробнее об этом позже), полупроводники считаются основой электроники.

    Что такое полупроводник?

    Прежде чем перейти к обсуждению различных типов полупроводниковых устройств, важно иметь представление о том, что такое полупроводник.

    Проще говоря, полупроводники — это материалы, которые не являются ни проводниками, ни изоляторами. Если немного подробнее остановиться на этом, материалы классифицируются на проводники, изоляторы и полупроводники в зависимости от их способности проводить электричество.

    Проводники — это материалы с очень хорошей электрической проводимостью. Обычно металлы обладают хорошей электропроводностью, и вы можете найти медь или алюминий в электропроводке вашего дома.

    Напротив, изоляторы — это материалы с очень плохой электропроводностью.Стекло, дерево и бумага — хорошие примеры изоляторов.

    Теперь давайте поговорим о важной категории материалов для нашего обсуждения, то есть о полупроводниках. При комнатной температуре полупроводники представляют собой материалы с более низкой электропроводностью, чем проводники, но с более высокой электропроводностью, чем изоляторы.

    ПРИМЕЧАНИЕ: Для более детального понимания полупроводников, вы должны углубиться в красиво сложную квантовую механику, которая «определенно» выходит за рамки этого обсуждения.

    Полупроводниковые материалы

    Если говорить об электропроводности в единицах Ом -1 см -1 , полупроводниковыми материалами являются материалы с удельной электропроводностью между 10 -9 Ом -1 см -1 и 10 2 Ом -1 см -1 .

    Традиционно элементы группы IV, такие как кремний (Si) и германий (Ge), считаются элементарными полупроводниковыми материалами, то есть полупроводниками, состоящими только из одного атома.

    Существуют и другие типы полупроводниковых материалов, которые могут быть образованы путем объединения элементов из группы III с элементами группы V, и они известны как составные полупроводники. Арсенид галлия (GaAs) — самый известный полупроводниковый материал в этой категории и фактически второй после кремния как наиболее часто используемый полупроводниковый материал.

    Что такое полупроводниковые приборы?

    Проще говоря, полупроводниковые устройства — это тип электронных компонентов, которые спроектированы, разработаны и изготовлены на основе таких полупроводниковых материалов, как кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs).

    С момента своего использования в конце 1940-х (или начале 1950-х) полупроводники стали основным материалом при производстве электроники и ее разновидностей, таких как оптоэлектроника и термоэлектроника.

    До использования полупроводниковых материалов в электронных устройствах, вакуумные лампы использовались в конструкции электронных компонентов. Основное различие между электронными лампами и полупроводниковыми устройствами заключается в том, что в электронных лампах проводимость электронов происходит в газообразном состоянии, тогда как в случае полупроводниковых устройств это происходит в «твердом состоянии».

    Полупроводниковые устройства можно найти как в виде дискретных компонентов, так и в виде интегральных схем.

    Почему полупроводники?

    Основная причина использования полупроводниковых устройств (и, следовательно, лежащих в основе полупроводниковых материалов) в производстве электронных устройств и компонентов — это возможность легко управлять проводимостью носителей заряда, то есть электронов и дырок.

    Как упоминалось ранее, электропроводность полупроводниковых материалов находится между проводниками и изоляторами.Даже эта проводимость может контролироваться внешними или внутренними факторами, такими как электрическое поле, магнитное поле, свет, температура и механические искажения.

    На данный момент игнорируя внешние факторы, такие как температура и свет, процесс, называемый легированием, обычно применяется к полупроводниковым материалам, когда в его структуру вводятся примеси для изменения структурных, а также электрических свойств.

    Чистый полупроводник известен как внутренний полупроводник, а нечистый или легированный полупроводник известен как внешний полупроводник.

    Когда количество свободных электронов в полупроводниковой структуре увеличивается после легирования, полупроводник известен как полупроводник n-типа. Точно так же, если количество отверстий увеличено, он известен как полупроводник p-типа.

    Различные типы полупроводниковых устройств

    Ниже приводится небольшой список некоторых из наиболее часто используемых полупроводниковых устройств. В зависимости от физической структуры устройства следующий список подразделяется на устройства с двумя терминалами и устройства с тремя терминалами.

    Двухполюсные полупроводниковые приборы
    • Диод
    • Диод Шоттки
    • Светоизлучающий диод (светодиод)
    • DIAC
    • Стабилитрон
    • Фотодиод (фототранзистор)
    • PIN-диод
    • 22 Лазерный диод

    • Туннельный лазерный диод
    • Фотоэлемент
    • Солнечный элемент
    • Диод Ганна
    • Диод IMPATT
    • Диод TVS (подавляющий диод переходного напряжения)
    • VCSEL (Лазер с вертикальной полостью, излучающий поверхность)
    Трехполюсные полупроводниковые устройства

      Биполярные устройства

    • Полевой транзистор
    • Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
    • Транзистор Дарлингтона
    • Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)
    • TRIAC
    • Тиристор
    • Однопереходный транзистор

    Есть также несколько четырехконтактных полупроводников (например, оптопары) Оптопару) и датчик на эффекте Холла.

    Для получения дополнительной информации о некоторых из вышеупомянутых полупроводниковых устройств прочтите « P-N Junction Diode », « Transistor », « Thyristor ».

    Применение полупроводниковых приборов

    Как упоминалось ранее, полупроводниковые приборы являются основой почти всех электронных устройств. Вот некоторые из областей применения полупроводниковых устройств:

    • Транзисторы являются основными компонентами в различных интегральных схемах, таких как микропроцессоры.
    • Фактически, они являются основными компонентами в конструкции логических вентилей и других цифровых схем.
    • Транзисторы также используются в аналоговых схемах, таких как усилители и генераторы.

    Определение полупроводника по Merriam-Webster

    полупроводник

    | \ ˌSe-mē-kən-ˈdək-tər

    , ˌSe-ˌmī-, -mi- \

    : любое твердое тело из класса (например, германий или кремний), электрическая проводимость которого находится между проводником и изолятором, почти такая же, как у металла при высоких температурах и почти отсутствует при низких температурах.

    Составной полупроводник | Составной полупроводник

    Что такое полупроводник?

    Полупроводник — это общий термин для материалов, которые обладают электропроводностью между проводниками (например, медью и алюминием) и изоляторами (например, резиной и стеклом).Из 92 элементов только несколько можно использовать в качестве полупроводниковых материалов. Кремний, германий и селен являются примерами полупроводниковых материалов. Среди них кремний был и остается самым распространенным полупроводником. Он имеет широкое коммерческое применение и легко доступен.

    Что такое сложный полупроводник?

    Составные полупроводники — это полупроводники, состоящие из двух или более элементов. Кремний состоит из одного элемента и поэтому не является составным полупроводником.

    Большинство сложных полупроводников получают из комбинаций элементов из группы III и группы V Периодической таблицы элементов (GaAs, GaP, InP и другие). Другие составные полупроводники изготавливаются из групп II и VI (CdTe, ZnSe и другие). Также можно использовать различные элементы из одной и той же группы (IV) для изготовления сложных полупроводников, таких как SiC.

    В прошлом сложные полупроводники не использовались в широко распространенных коммерческих приложениях и в больших объемах производства, типичных для кремния.Эти кристаллы труднее выращивать, чем кремний. Количество дефектов в кристалле больше, а стоимость изготовления кристалла выше. Составные полупроводники также имеют тенденцию быть более хрупкими. Все эти факторы ограничили рост производства полупроводниковых соединений для коммерческого использования.

    Однако в последние годы стоимость производства сложных полупроводников снизилась. Он по-прежнему намного превосходит кремний, но в то же время особые свойства этих кристаллов стали более важными для определенных приложений.Из-за своих фундаментальных свойств материала составные полупроводники могут делать то, что просто невозможно с кремнием.

    Полупроводниковые материалы — IEEE IRDS ™

    Полупроводниковые материалы варьируются по цене и доступности от кремния в большом количестве до дорогих редкоземельных элементов (РЗЭ). Солнечные элементы, полевые транзисторы, датчики Интернета вещей и схемы беспилотных автомобилей требуют для работы полупроводниковых материалов. Современный мир буквально обязан своим существованием полупроводникам и материалам, используемым при их производстве.

    По мере того, как существующие полупроводниковые материалы достигают своих физических ограничений, новые материалы готовы занять их место. Рынок этих материалов в сочетании с новыми полупроводниковыми приложениями меняет производство и закупку материалов во всей отрасли.

    Виды полупроводниковых материалов

    Чтобы понять меняющийся характер производства полупроводников, необходимо понять существующие полупроводниковые материалы и то, как их состав влияет на электронные устройства.Новости отрасли содержат последние сведения о ценах на материалы и исследованиях, но, как правило, предполагают осведомленность о текущих свойствах и ограничениях материалов.

    Какие полупроводниковые материалы используются чаще всего?

    Наиболее часто используемые полупроводниковые материалы — это кремний, германий и арсенид галлия. Из этих трех германий был одним из первых используемых полупроводниковых материалов. Германий имеет четыре валентных электрона, которые представляют собой электроны, расположенные на внешней оболочке атома.

    Количество валентных электронов в полупроводниковом материале определяет его проводимость.Хотя германий стал важным шагом в эволюции полупроводниковых материалов, он в значительной степени вышел из употребления в пользу нынешнего короля полупроводниковых материалов — кремния.

    Кремний широко используется в качестве полупроводникового материала с 1950-х годов. Самый распространенный элемент на Земле после углерода, кремний имеет четыре валентных электрона и плавится при более высокой температуре, чем германий (1414 градусов по Цельсию по сравнению с германием 938,3 градуса по Цельсию).

    Кремний в большом количестве присутствует в кварците.Процессы экстракции, очистки и кристаллизации кремния эффективны и экономичны. Элемент кристаллизуется в форме алмаза для относительно прочной связи, придавая кристаллам кремния сильные механические свойства.

    Арсенид галлия — второй наиболее распространенный полупроводник, используемый сегодня. В отличие от кремния и германия, арсенид галлия представляет собой соединение, а не элемент, и образуется путем объединения галлия с его тремя валентными электронами и мышьяком, который имеет пять валентных электронов.

    Восемь валентных электронов заставляют устройства на основе арсенида галлия быстро реагировать на электрические сигналы, что делает соединение хорошо подходящим для усиления высокочастотных сигналов, наблюдаемых на телевизионных спутниках. Однако у арсенида галлия есть некоторые ограничения: это соединение труднее производить в массовом порядке, чем кремний, а химические вещества, используемые при производстве арсенида галлия, довольно токсичны.

    Какие полупроводниковые материалы самые эффективные?

    В дополнение к арсениду галлия состав диоксида кремния имеет характеристики, превосходящие кремний, что позволяет использовать его в качестве изолятора, пассивирующего слоя и строительного слоя в металлооксидных кремниевых (MOS) устройствах, тип поля с изолированным затвором. -эффект транзистор.Диоксид кремния имеет высокую диэлектрическую прочность и более широкую запрещенную зону, чем кремний, что делает его эффективным изолятором, а соединение легко осаждается на других материалах.

    Какие из последних инноваций в полупроводниковых материалах?

    Кремний, являясь наиболее важным материалом в производстве полупроводников на протяжении большей части конца двадцатого и начала двадцать первого веков, приближается к пределу своей полезности. Спрос на все более компактные и быстрые интегральные схемы повысили эффективность материала до предела, и отраслевые эксперты опасаются, что кремний скоро достигнет пределов закона Мура.Исследования новых материалов продолжаются, и некоторые материалы имеют большие перспективы на будущее:

    • Нитрид галлия высокой мощности может быть использован для более эффективного и быстрого преобразования энергии в электрических сетях из-за его высокого критического энергетического поля.
    • Полупроводники на основе антимонида и висмута находят применение в улучшенных инфракрасных датчиках для медицинского и военного секторов.
    • Графен обладает потенциалом превзойти кремний как универсальный полупроводниковый материал, но его широкая коммерциализация может занять до двадцати пяти лет.
    • Пирит

    • может использоваться для замены теллурида кадмия из редкоземельного элемента, который широко используется в солнечных элементах, но имеет ограниченное количество. Пирит является обильным, недорогим и нетоксичным.

    Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS ™

    Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

    Свойства полупроводниковых материалов

    Полупроводниковые материалы обладают определенными характеристиками, связанными с электропроводностью.Будущее полупроводников зависит от того, смогут ли новые материалы с такими характеристиками производиться массово по цене, аналогичной стоимости кремния.

    Каковы отличительные характеристики полупроводниковых материалов?

    Материалы, обеспечивающие электрическую проводимость, естественно, называются проводниками. Примеры включают золото, серебро и медь. С другой стороны, изоляторы обладают высоким сопротивлением и препятствуют электропроводности. Резина, стекло и керамика — изоляторы.

    Полупроводники, как следует из названия, обладают характеристиками как проводников, так и изоляторов. Полупроводники обычно имеют кристаллическую форму и имеют небольшое количество свободных электронов, необходимых для обеспечения проводимости. Вместо этого их атомы группируются вместе, образуя кристаллическую решетку, через которую возможна электрическая проводимость, но только при правильных условиях.

    При низких температурах полупроводники обладают низкой проводимостью или вообще не имеют проводимости и действуют как изоляторы. Однако при комнатной температуре или при воздействии света, напряжения или тепла они могут проводить электричество.Именно это квазисостояние между проводниками и изоляторами делает полупроводники настолько важными для электронных устройств, поскольку они определяют, как, когда и где течет электричество.

    Как работают полупроводники?

    Металлы проводят электричество, потому что их свободные электроны могут свободно перемещаться между атомами, поскольку электричество требует потока электронов от одного атома к другому. Полупроводники, такие как чистый кремний, имеют мало свободных электронов и действуют больше как изоляторы.

    Поведение кремния можно изменить в сторону проводимости с помощью процесса, называемого легированием.Легирование приводит к смешиванию крошечных примесей с полупроводниковыми материалами. Примеси добавляют к основному материалу «донорные атомы», повышая проводимость. Количество примесей, добавленных к полупроводниковым материалам, ничтожно — всего один донорный атом на десять миллионов атомов полупроводника — но достаточно, чтобы обеспечить электрическую проводимость.

    Используются две категории примесей, N-тип и P-тип:

    • Полупроводники N-типа содержат фосфор или мышьяк. Оба вещества имеют по пять валентных электронов.При добавлении к решетке кремния одному из легирующих электронов не с чем связываться, поэтому он может пропускать электрический ток. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому эти полупроводники называют полупроводниками N-типа.
    • Полупроводники

    • P-типа «легированы» бором или галлием. Два легирующих элемента имеют только три валентных электрона. Когда они смешиваются с решеткой кремния, нескольким электронам кремния не с чем связываться, обеспечивая электрическую проводимость. Отсутствие электрона создает положительный заряд, поэтому кремний, легированный бором или галлием, называется полупроводником P-типа.

    Как производятся полупроводниковые материалы?

    При производстве интегральных схем компоненты схемы, такие как транзисторы и проводка, осаждаются на поверхности тонкой кремниевой кристаллической пластины. Затем тонкая пленка компонента покрывается фотостойким веществом, на которое с помощью технологии фотолитографии проецируется рисунок схемы.

    В результате получается один слой схемы с транзисторами на самом нижнем уровне. Затем процесс повторяется со многими схемами, сформированными друг над другом и на полупроводниковой основе.

    Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS ™

    Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

    Применение полупроводниковых материалов

    Производство полупроводников обеспечивает базовое оборудование почти для всех электронных устройств. Он используется для усиления энергии, переключения, преобразования энергии, датчиков и многого другого.

    Какие изделия обычно изготавливают из полупроводниковых материалов?

    Распространенные продукты и компоненты, изготовленные из полупроводниковых материалов, включают следующее:

    • транзисторы биполярные
    • диоды
    • Транзисторы полевые
    • микросхемы
    • переходной полевой транзистор
    • Светодиоды (LED)
    • Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы)
    • Выпрямители с кремниевым управлением

    Какие отрасли промышленности используют полупроводниковые материалы больше всего?

    Полупроводниковые материалы являются важным компонентом электронных устройств, что делает их жизненно важными практически для всех основных отраслей промышленности.Во всем мире ежедневно используется более ста миллиардов полупроводников.

    Секторы, которые особенно зависят от полупроводниковых материалов, включают следующее:

    • искусственный интеллект
    • чистая энергия
    • связь
    • вычисления
    • энергия
    • здравоохранение
    • Интернет вещей
    • военный

    Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS ™

    Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

    Рынок полупроводниковых материалов

    Поскольку почти все промышленные секторы зависят от электронных устройств, рынок полупроводников относительно стабилен.Расходы на материалы, необходимые для первоначального производства полупроводниковых корпусов, варьируются от доступного кремния и керамики до дорогостоящих редкоземельных металлов.

    Как обстоят дела на мировом рынке полупроводниковых материалов?

    Рынок полупроводниковых материалов достиг более 50 миллиардов долларов в 2018 году и, по прогнозам, достигнет стоимости более 70 миллиардов долларов к концу 2025 года. Прогнозируемый среднегодовой темп роста в период с 2018 по 2025 год оценивается в 4,32 процента.

    Что делает полупроводниковые материалы такими ценными?

    Хотя некоторые полупроводниковые материалы дешевы и доступны в большом количестве (кремний является наиболее очевидным примером), РЗЭ, используемые в производстве диэлектриков с высоким κ и химико-механической полировке, могут быть дорогостоящими.

    На величину РЗЭ влияют несколько факторов. Процессы, необходимые для отделения РЗЭ от породы, в которой они обнаружены, сложны и дороги, требуя тысячи стадий для извлечения и очистки готового материала.

    Сложность извлечения РЗЭ из сырья заставила многие горнодобывающие компании отказаться от получения прибыли от РЗЭ. Китай — одна из немногих стран, сосредоточивших внимание на добыче и переработке РЗЭ, в результате чего страна производит 85 процентов мировых запасов вольфрама и молибдена.

    Жесткая хватка Китая над производством РЗЭ позволяет ему не только устанавливать цены, но и использовать ценный полупроводниковый материал в качестве политического оружия. В 2010 году Китай прекратил все продажи РЗЭ в Японию из-за спора по поводу задержания Японией китайского рыболовного капитана. Решит ли Китай использовать экспорт РЗЭ во время продолжающейся торговой войны между США и Китаем, вызывает озабоченность.

    Как перерабатываются и утилизируются полупроводниковые материалы?

    Учитывая ценность некоторых полупроводниковых материалов, рециркуляция и утилизация ценных РЗЭ и других веществ возможны.В настоящее время переработка РЗЭ наиболее успешна при работе с крупномасштабными полупроводниковыми продуктами, такими как солнечные элементы, автомобильные катализаторы и магниты ветряных турбин. РЗЭ также извлекают из аккумуляторных батарей.

    Переработка более мелких полупроводниковых материалов проблематична с финансовой точки зрения, учитывая небольшое количество материала, утилизируемого из отдельных продуктов, таких как смартфоны. Переработка полупроводниковых материалов также сопряжена с собственными экологическими издержками: процесс приводит к значительным отходам и выбросам множества токсичных загрязнителей.Этические соображения также вызывают озабоченность, поскольку многие использованные полупроводниковые продукты попадают на предприятия по переработке электронных отходов в странах третьего мира, известные тем, что эксплуатируют детский труд.

    Самый очевидный способ снизить затраты на РЗЭ — начать добычу и переработку собственных месторождений РЗЭ в других странах, кроме Китая (несмотря на свое название, РЗЭ равномерно распределены по земле, хотя это затрудняет поиск крупных залежей в одном месте) . Однако, как отмечает Communications ACM , для этого требуется готовность инвестировать в разработку рентабельных процессов добычи, добычи и переработки.

    Хотите узнать больше о полупроводниковых материалах? Рассмотрите возможность чтения Международной дорожной карты для устройств и систем (IRDS ™). IRDS ™ — это набор прогнозов, которые исследуют будущее электроники, полупроводников и компьютерной индустрии на пятнадцатилетний горизонт. Он охватывает ряд критических областей и технологий, от приложений до устройств и производства. Присоединяйтесь к техническому сообществу IRDS ™, чтобы загрузить дорожную карту и быть в курсе наших последних мероприятий.

    Как скачать IRDS ™

    Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

    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 в полупроводниковый материал (чистый такой материал называется «внутренний »). Примеси, добавляемые к материалу для изменения его электрических свойств, называются «легирующими добавками » , а процесс добавления примесей к чистому полупроводниковому материалу называется легированием.

    Типы полупроводников

    Полупроводники бывают двух 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.Они чаще всего 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 — это устройство, сделанное из цельного куска полупроводникового материала, которое используется для усиления и переключения электронных сигналов.Транзистор может быть активен только в одном направлении и может потреблять больше или меньше тока через нагрузочный резистор.

    Производство полупроводников

    Производство полупроводников требует знаний и опыта. Производство должно производиться 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 тестирование

    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

    Полупроводниковая промышленность 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
    • Типовой проект
    • Управление материальными потоками
    • Изготовление / Производство
    • Гарантия качества
    • Административный

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

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    2021 © Все права защищены.