29

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы – материалы имеющие ρ=10^-5.. 10^-5ом, при этом ширина зоны ∆Э≈(0,08..3)эв

Наблюдается явление односторонней проводимости, пьезо-эффект, эффект Холла, и так далее.

Полупроводники классифицируют:

По химическому составу:

Неорганические

Органические

По структуре:

Кристаллические

Аморфные

По количеству элементов:

Простые

Бинарные

Сложные

По чистоте

Собственные

Примесные

Компенсированные

Особенность примесных:

Создание в запрещенной зоне дополнительных уровней разрешенных энергий.

А кцепторные примеси создают зоны находящиеся выше валентной.

Донорные примеси создают зоны проводимости ниже валентной.

При этом, чтобы заряды переходили на эти уровни, требуется энергия ионизации < энергии активации, которая равна ширине запретной зоны.

Эи<∆Э=Эа

Примеси называют мелкими ,если Эи<0.1в. В противном случае примеси – глубокие.

Глубокие примеси применяют для компенсации загрязнений с целью очистки полупроводника. Такие полуповодники называют компенсированными. Высокое содержание примесей приводит к вырождению полупроводника.

П олупроводники в основном применяют для создания p-n переходов, которые применяются в диодах, и так далее.

В.А.Х. p-n перехода:

Основные материалы используемые в ЭРМ: Si, Ge.

Материал	Эа при Θ=20˚С	Ρv при Θ=20˚С Ом*м	Е	Θраб.max. ˚С	Содержание в земной коре %
Si	1.11 эВ	2300	12,5	180-200	~26
Ge	(0,65..0,7)эВ	(0,47..0,6)	16	60-70	~7*10^-4

1. Общие сведения и классификация полупроводников

Полупроводники по удельному сопротивлению, которое при комнатной температуре лежит в пределах 10^-6—10⁹ Ом см, зани­мают промежуточное положение между проводниками и диэлектри­ками. Полупроводники обладают рядом характерных только для них свойств, резко отличающихся от проводников:

в большом интервале температур их удельное сопротивление уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэффи­циент удельного сопротивления;

при введении в полупроводник ничтожного количества приме­сей их удельное сопротивление резко изменяется;

полупроводники чувствительны к различного рода внешним воздействиям — свету, ядерному излучению, электрическому и маг­нитному полям, давлению и т.д.

Полупроводниковыми свойствами обладает целый ряд материа­лов — природных и синтетических, органических и неорганических, простых и сложных по химическому составу.

К простым полупроводникам относятся германий, кремний, се­лен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое оло­во, иод.

Полупроводниками являются сложные соединения различных элементов таблицы Д. И. Менделеева, соответствующие общим форму­лам:

двойные (бинарные) соединения: А^I B^VII (CuCl, AgBr и др);

А^I B^VI (Cu₂ O, CuS и др); А^I B^V (KSb, K₃ Sb и др.); А^II B^VII (ZnCl₂, CdCl₂, и др.): А^II B^VI (ZnO, ZnS, CdS и др.); А^II B^V (ZnSb, Mg₃ Sb₂, и др.); А^II B^IV (Mg₂ Sn, CaSi и др.); А^III B^VI (GaS, In₂ Fe₃ и др.);

А^III B^V (GaP, GaAs, InSb и др); А^IV B^VI (GeO₂, PbS и др.);

А^IV B^IV (SiC); А^V B^VI (Sb₂ Te₃, Bi₂ S₃ и др.); А^VI B^VI (МоОз, WO₃);

А^VII B^VI (Fe₂ O_3, NiO);

тройные соединения: А^I В¹¹¹ В₂ ^VI (CuAlS₂, CuInS₂ и др.);

А¹ B^V B^VI(CuSbS₂), CuAsS₂ и др.); A^I B^VIII B₂^VI (CuFeS₂ и др);

А^II В^IV В₂^V (ZnSiAs₂, ZnGeAs₂ ); A^IV B^V B₂^VI (PbSiSe₂);

твердые растворы: GeSi, GaAs_1-x P_x ; In_x Al_1-x Sb и др.

К органическим полупроводникам относятся фталоцнанин, актрацин, нафталин, коронел и др.

А) Собственные и примесные полупроводники. Как и в металлах, электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда. Но если в металлах наличие свободных электронов обуслов­лено самой природой металлической связи, то появление носителей заряда в полупроводниках определяется рядом факторов, важней­шими из которых являются чистота материала и температура. В за­висимости от степени чистоты полупроводники подразделяют на собственные и примесные.

Полупроводник, в котором в результате разрыва связей образу­ется равное количество свободных электронов и дырок, называет­ся собственным. На рис. 8.1, а показана плоская картина располо­жения атомов в собственном полупроводнике, например кремния. Каждый атом на своей внешней оболочке содержит четыре электро­на. Каждый из этих четырех элект­ронов создает пару с электроном соседнего атома, образуя ковалентную связь. Ковалентная связь достаточно прочная, и для того, чтобы освободить электрон, требу­ется определенная энергия.

С повышением температуры из-за увеличения тепловой энергии некоторые электроны разрывают ковалентную связь и появляются в зоне проводимости (рис. 8.2, а). В кристалле собственного полу­проводника каждому электрону в зоне проводимости соответствует одна дырка, оставленная им в ва­лентной зоне. В этом случае сво­бодный электрон обладает энерги­ей, большей той, которую он имел в связанном состоянии, на величи­ну не менее энергии ширины запре­щенной зоны.

Так как при каждом акте воз­буждения в собственном полупро­воднике одновременно создаются два носителя заряда противопо­ложных знаков, то общее количе­ство носителей заряда будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости, т. е. n_i == p_i; n_i + p_i = 2n_i.

При приложении к кристаллу внешнего электрического поля свободные электроны будут пере­мещаться против поля (из-за от­рицательного заряда), а дырки —

в направлении поля. Но электроны, хотя и движутся в проти­воположном направлении, создают обычный ток, совпадающий с внешним приложенным полем. Следовательно, электронный и ды­рочный токи текут в одном и том же направлении и поэтому скла­дываются.

Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники.

Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а проводимость, созданная введенной примесью, носит название при­месной проводимости.

Если в полупроводник IV группы (кремний или германий) вве­сти элемент V группы таблицы Менделеева, например мышьяк, то атому примеси для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества необходимо четыре валентных электрона

(рис. 8.1, б). Пятый электрон атома примеси в ковалентной связи не участвует. Со своим атомом он связан силой кулоновского вза­имодействия. Энергия этой связи невелика — порядка сотых долей электрон-вольт. Так как при комнатной температуре тепловая энергия примерно 0,03 эВ, то очевидно, что при этой температуре будет происходить ионизация примесных атомов мышьяка вследствие от­рыва пятого валентного электрона, который становится свободным. Наряду с ионизацией примеси может происходить и ионизация ато­мов основного вещества. Но в области температур ниже той, при ко­торой имеет место значительная собственная проводимость, число электронов, оторванных от примеси, будет значительно больше количества электронов и дырок, образовавшихся в результате раз­рыва ковалентных связей. В силу этого преобладающую роль в про­водимости кристалла будут играть электроны, и поэтому они назы­ваются основными носителями заряда, а дырки — не основными.

Такой полупроводник называется электронным или n-типа, а при­месь, отдающая электроны, носит название донорной.

На энергетической диаграмме наличие примеси а решетке полу­проводника будет характеризоваться появлением локального уров­ня. лежащего в запрещенной зоне. Так как при ионизации атома мышьяка образуется свободный электрон и для его отрыва требует­ся значительно меньшая энергия, чем для разрыва ковалентных связей кремния, то энергетический уровень донорной примеси должен располагаться в запрещенной зоне на небольшой глубине под дном зоны проводимости (рис. 8.2. б).

Если теперь в полупроводник IV группы таблицы Менделеева ввести элемент III группы, например алюминий, то все три валент­ных электрона примесного атома будут участвовать в образовании ковалентных связей, одна из четырех связей с ближайшими атома­ми основного вещества окажется незавершенной (рис. 8.1. б). В не­заполненную связь около атома алюминия за счет тепловой энер­гии может перейти электрон от соседнего атома основного вещества. При этом образуются отрицательный нон алюминия и свободная дырка, перемещающаяся по связям основного вещества и, следова­тельно, принимающая участие в проводимости кристалла. Примесь, захватывающая электроны, называется акцепторной. Для образова­ния свободной дырки за счет перехода электрона от атома основного вещества к атому примеси требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентных связей кремния. В силу этого коли­чества дырок может быть значительно больше количества свободных электронов и проводимость кристалла будет дырочная.

В таком полупроводнике основными носителями заряда будут дырки, а неосновными — электроны.

Полупроводник с акцепторными примесями носит название ды­рочного полупроводника или р-типа.

На энергетической диаграмме, представленной на рис. 8.2, в. акцепторная примесь имеет энергетический уровень Еa. располо­женный на небольшом расстоянии над потолком валентной зоны. При ионизации акцепторной примеси происходит переход электро­на из валентной зоны на уровень Еа, а в валентной зоне появ­ляется дырка, которая и является свободным носителем заряда.

В полупроводниках могут одновременно содержаться как донорная, так и акцепторная примесь. Такие полупроводники назы­ваются компенсированными.