1. Классификация материалов электронной техники по проводимости

Проводниковыми называют материалы с сильно выраженной электропроводностью и низким удельным сопротивлением при нормальной температуре.

Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удельной проводимости промежуточными между проводниками и диэлектриками, отличительным свойством которых является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также от внешних энергетических воздействий (температуры, излучения и т.д.).

Диэлектрическими называют материалы с большей шириной запрещённой зоны, электропроводность в которых (в идеальных диэлектриках) отсутствует. Реальный диэлектрик тем ближе к идеальному, чем меньше его удельная проводимость.

Различают два типа диэлектриков: активные и пассивные.

Пассивные диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов. Диэлектрическая проницаемость таких материалов должна быть как можно меньшей, чтобы не вносить в схемы и электрические сети паразитных ёмкостей.

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.

Сегнетоэлектрики – кристаллические диэлектрики (полупроводники), обладающие в определённом диапазоне температур спонтанной поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий.

Сегнетоэлектрические материалы – кристаллы, которые имеют спонтанный электрический заряд.

Пьезоэлектрики – диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект).

Условно к проводникам относят материалы с удельным сопротивлением 10⁻⁵ Ом⋅ м , а к диэлектрикам – материалы, у которых 10⁸ Ом⋅ м. Хорошими проводниками являются металлы. Чёткую границу между различными классами материалов провести нельзя. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков – возбуждённым.

2. Собственные и примесные полупроводники

Полупроводники – основа различных активных приборов, способных усиливать мощность сигнала и преобразовывать один вид энергии в другой в малом объеме твердого тела и без существенных потерь.

Использование полупроводников привело к созданию микроэлектроники, оптоэлектроники, в последнее время – наноэлектроника. Это позволило реализовать достижения технической кибернетики, создать более совершенные машины.

Полупроводниковые материалы (например, Si) являются физической основой микроэлектроники, так как интегральная схема представляет собой кристалл полупроводника, насыщенный по его поверхности конденсаторами, транзисторами, полупроводниковыми контактами, защитными слоями, диодами, p-n-переходами и т.д.

Плотность диэлектрика слабо зависит от состава электрически активных примесей, а у полупроводников концентрация примесей может значительно изменять плотность. Особенно велик диапазон значения плотности у полупроводниковых соединений. Электрические параметры полупроводников предсказуемы и изменяются при высокой степени очистки. Относительное загрязнение должно составлять 10^-10 – 10^-12 и должно иметь совершенную монокристаллическую структуру.

Полупроводники бывают собственные (те, которые преобладают собственной проводимостью за счет электронов или дырок; можно пренебречь влиянием примесей при данной температуре) и примесные (такой полупроводник, электрофизические свойства которого в основном определяются примесями).

В собственном полупроводнике при температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости абсолютно свободна. Из-за блокирующего действия запрещенной зоны собственный полупроводник при 0К не обладает электропроводностью, т.е. ведет себя подобно идеальному диэлектрику.

При температурах, отличных от абсолютного нуля, имеется конечная вероятность того, что некоторые из электронов за счет тепловых флюктуаций (неравномерного распределения тепловой энергии между частицами) преодолеют потенциальный барьер и окажутся в зоне проводимости. В собственном полупроводнике каждый переход электрона в зону проводимости сопровождается образованием дырки в валентной зоне. Благодаря дыркам электроны валентной зоны также принимают участие в процессе электропроводности за счет эстафетных переходов под действием электрического поля на более высокие освободившиеся энергетические уровни.

Примесный – это такой полупроводник, электрофизические свойства которого в основном определяются примесями. Как правило, примеси создают дополнительные уровни в запрещенной зоне полупроводника. При малой концентрации примесей расстояние между примесными атомами велико, их электронные оболочки не взаимодействуют друг с другом.

Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то их называют примесями замещения, если в междоузлиях = примесями внедрения.

Роль примесей могут играть и всевозможные дефекты структуры. К числу таких дефектов относятся, в первую очередь, вакансии и междоузельные атомы.