1.6. Полупроводниковые материалы

Основные параметры и свойства полупроводниковых материалов: определение полупроводников, собственные и примесные полупроводники, температурная зависимость электропроводности полупроводников, ширина запрещенной зоны, концентрация носителей заряда, подвижность и удельное сопротивление, время жизни неосновных носителей. Классификация полупроводниковых материалов. Функции полупроводников в ЭС. Кремний. Германий. Полупроводниковые соединения А^ХВ^У.

Литература [1, 45, 57 - 59].

Основные признаки полупроводниковых материалов.

1. При нормальной температуре удельное сопротивление ρ=10^-4 - 10^-9Ом • см.

2. Удельное сопротивление любого полупроводникового^материала можно изменить в широких пределах, изменяя концентрацию примесей.

3. При неизменном составе и структуре ρ может в широких пределах изменяться за счет воздействий от внешнего источника энергии: тепловой, электромагнитной, радиационной, ядерной, механической.

4. Удельное сопротивление падает при нагревании выше нормальной температуры, в связи с перебросом все большей доли электронов из валентной зоны в зону проводимости по мере того, как возрастает значение kT.

5. В широком диапазоне значений электрические параметры полупроводниковых материалов однозначны и прогнозируемы благодаря высокой частоте и совершенной (как правило, монокристаллической) структуре.

Любой полупроводниковый материал в зависимости от вида, концентрации примесей и температуры может быть собственным или примесным. Собственным называется полупроводник, в котором переход электронов в зону проводимости осуществляется только из валентной зоны.

Переход электронов в зону проводимости приводит к тому, что в валентной зоне образуются свободные уровни, которые также могут быть заняты электронами. Физические движения электронов в валентной зоне представляют собой многократные перескоки их из нейтрального атома на положительный ион, образовавшийся после перехода электрона в зону проводимости. Такие заряды получили название дырок. Дырка - это фиктивная частица с массой электрона и единичным положительным зарядом. Два вида носителей заряда (электроны и дырки) в беспримесном полупроводнике при воздействии энергии любого вида рождаются (генерируют) и гибнут (рекомбинируют) попарно. Электропроводность за счет движения электронов и дырок называется собственной: γ = е (n·μ_n+p·μ_p), где n и μ_n - концентрация и подвижность электронов, р и μ_p - концентрация и подвижность дырок.

Примесный - это такой полупроводник, электрофизические свойства которого определяются примесями. Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то их называют примесями замещения, а если в междуузлиях - примесями внедрения. Если в полупроводник четвертой группы (Si, Ge) ввести элемент пятой группы таблицы Менделеева (As), то атому примеси для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества необходимо четыре валентных электрона. Пятый электрон примеси в ковалентной связи не участвует. Со своим атомом он связан силой кулоновского взаимодействия, энергия которой мала (≈ 0,03 эВ при t = 20 °С). Очевидно, что будет происходить ионизация атомов примеси (As) вследствие отрыва пятого электрона, который становится свободным. Одновременно будет происходить ионизация основного вещества, но число электронов, оторванных от примеси, будет значительно больше количества электронов и дырок, образовавшихся в результате разрыва ковалентных связей (собственной проводимости). Поэтому доминирующую роль в проводимости будут играть электроны, которые называют основными носителями заряда, а дырки - неосновными. Такой полупроводник называют электронным или n - типа, а примесь, отдающую электроны, - донорной.

Если в полупроводник четвертой группы ввести элемент третьей группы таблицы Менделеева (Аl), то все три валентных электрона примесного атома будут участвовать в образовании ковалентных связей, одна из четырех связей с ближайшим атомом основного вещества окажется незавершенной. В незаполненную связь около алюминия за счет тепловой энергии может перейти электрон от соседнего атома основного вещества. При этом образуются отрицательный ион Аl и свободная дырка, перемещающаяся по связям основного вещества и принимающая участие в проводимости кристалла. Примесь, захватывающая электрон, называется акцепторной. Чтобы образовалась дырка, требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентных связей основного вещества. Поэтому дырок будет значительно больше, чем свободных электронов, и проводимость кристалла будет дырочной. Электронную проводимость обозначают n, а дырочную - р.

Электропроводностью собственных полупроводников управляют воздействиями температуры или излучений, что широко используется в датчиках. Удельная электропроводность у характеризует способность материала проводить электрический ток, и в общем виде γ = n·e·u , где n - концентрация носителей заряда, е - заряд носителя тока, u - подвижность носителей тока.

Концентрация собственных носителей заряда зависит от температуры: чем она выше, тем большее количество электронов приобретают энергию, больше ширина запрещенной зоны, и соответственно, больше возникает дырок.

Концентрация примесных носителей заряда зависит от концентрации примеси. При нагревании происходит возбуждение примесных носителей, и концентрация их увеличивается.

Подвижность носителей заряда электронов и дырок - параметр, характеризующий скорость перемещения (см²/с) носителей заряда в направленном поле за время их «жизни» при разности напряжения (В). Зависит от концентрации примесей, дефектов кристаллической решетки и температуры.

Время жизни носителей заряда г показывает время существования носителей тока с момента их возбуждения до момента потери энергии.

На электропроводность полупроводников влияет деформация, которая приводит к изменению междуатомных расстояний и, как следствие, к изменению концентрации и подвижности носителей заряда. Величиной, численно характеризующей изменение удельной проводимости полупроводников приопределенном виде деформации, является техночувствительность др =

Под воздействием света происходит перевод электрона в свободное состояние или образование дырки. Энергия, передаваемая светом каждому электрону, зависит от частоты световых колебаний и не зависит от яркости (силы) света. Фотопроводимость полупроводника определяется как разность удельной электропроводности при освещении и в темноте. Освобожденные светом электроны находятся в хаотическом перемещении в междуатомных промежутках очень короткое время – 10^-3 – 10^-7 с. Если к кристаллам приложить электрическое поле, то они будут участвовать в электропроводности. С понижением температуры уменьшается темновая проводимость (γ_т), служащая фоном, на котором появляется фотопроводимость, и поэтому роль фотопроводимости возрастает.

К важнейшим термоэлектрическим явлениям в полупроводниках, как и в металлах, относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томпсона. Сущность эффекта Зеебека, для полупроводников состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников (или полупроводника и металла), возникает ЭДС, если между концами этих материалов существует разность температур. Эффект, обратный явлению Зеебека, называют эффектом Пельтье. Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников (или полупроводника и металла) происходит поглощение или выделение теплоты в зависимости от направления тока.

Эффект Томпсона заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении тока в однородном материале, в котором существует градиент температур.

При одновременном действии на полупроводник электрического и магнитного полей наступает явление, получившее название гальваномагнитный эффект. Все гальваномагнитные эффекты делят на поперечные (действие электрического и магнитного полей обнаруживается на гранях полупроводника, параллельных электрическому и магнитному полям) и продольные (проявляются вдоль образца). К поперечным относят эффекты Холла и Эттинегаузена, к параллельным - изменение сопротивления образца в магнитном поле и эффект Нернста (продольная разность температур).

Основным элементом структуры большинства типов полупроводниковых приборов (ППП) является переход - переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электропроводности, причем одна из областей может быть металлом. Электрический переход между двумя областями полупроводника с электропроводностью р-типа и n-типа называют электронно-дырочным переходом или р-n переходом. Создают такой переход введением донорной или акцепторной примеси в полупроводник таким образом, чтобы одна часть полупроводника обладала электронной, а другая часть - дырочной электропроводностью.

Все полупроводниковые материалы делят на простые и сложные. К простым относят германий, кремний, селен и другие. Из трех основных простых полупроводников (Ge, Si, Se) наименьшая ширина запрещенной зоны у германия, у него же и большая подвижность электронов и дырок, но наименьшая рабочая температура. Из германия изготавливают диоды, транзисторы, датчики ЭДС Холла, тензодатчики, а кроме того, фотодиоды и фототранзисторы, модуляторы света, оптические фильтры, счётчики ядерных частиц. Рабочий диапазон температур германиевых приборов (-60 - +70) °С.

Кремний идет на изготовление НЧ, ВЧ диодов, маломощных и мощных транзисторов, полевых транзисторов, стабилитронов, тиристоров, фотопреобразователей и т.п. Верхний предел рабочих температур - 180 - 200 °С.

Из бинарных соединений широко используется карбит кремния SiC с большой шириной запрещенной зоны (2,8 - 3,1 эВ). ППП могут работать при температуре вплоть до 700 °С. Применяют для изготовления варисторов, светодиодов и высокотемпературных диодов, транзисторов, тензорезисторов и др. Среди бинарных соединений практическое применение находят соединения А^IIIВ^V, A^IIB^VI, A^IVB^IV. Группа A^IIIB^V: GaP, InP, GaAs, InAs, InSb, GaSb.

Арсенид галлия GaAs занимает особое положение. Большая ширина запрещенной зоны (1,4 эВ), высокая подвижность электронов (0,85 м²/В·с) позволяют создавать приборы, работающие при высоких температурах и высоких частотах. В 1962 г. на GaAs был создан первый инжекционный лазер. Его используют для изготовления светодиодов, туннельных диодов, диодов Ганна, транзисторов, солнечных батарей и других приборов, для изготовления детекторов в ИК области спектра, датчиков Холла, термоэлектрических генераторов, тензометров применяют антимонид индия (InSb), имеющий очень маленькую ширину запрещенной зоны (0,17 эВ) и очень высокую подвижность электронов (7.7м²/В·с}. В серийном производстве светодиоды изготавливают из фосфида галлия GaP. Антимонид галлия (GaSb) обладает высокой чувствительностью к механическим напряжениям (для тензометров).

Полупроводниковые соединения A^IIB^VI - халькогениды цинка, кадмия, ртути. Среди них выделяют сульфиды (ZnS, CdS, HgS), сельниды (ZnSe, CdSe, HgSe) и теллуриды (ZnTe, CdTe, HgTe). Эти соединения - люминофоры, поэтому из них получают фоторезисторы, высокочувствительные датчики Холла и приемники далекого инфракрасного излучения.

Вопросы для самопроверки

1. Собственный и примесный полупроводник.

2. Донорные и акцепторные примеси.

3. Факторы, определяющие электропроводность полупроводников.

4. Концентрация носителей заряда.

5. Подвижность носителей заряда.

6. Ширина запрещенной зоны полупроводника.

7. Электронная и дырочная электропроводность.

8. Термоэлектрические эффекты в полупроводниках.

9. Фотоэлектрические эффекты в полупроводниках.

10. Электрический переход (p-n) между двумя областями полупроводника.

11. Простые и сложные полупроводники.

12. Германий, кремний, селен.

13. Соединения A^IIIB^V (GaP, InP, GaAs, InAs, InSb, GaSb).

14. Соединения A^IIB^VI.

Литература [1, 45, 57-59]