Полупроводники. Классификация полупроводниковых материалов

Общее определение полупроводников отсутствует из-за разнообразия свойств и материалов. Ранее существовало определение полупроводников как веществ, удельная электропроводность которых имеет промежуточное значение между металлами и диэлектриками. Но оно не является строгим. Известны так называемые вырожденные полупроводники, удельная электропроводность которых примерно равна удельной электропроводности металлов, а также известны соединения, которые относят к полупроводникам, имеющие удельную электропроводность примерно как у диэлектриков (ZnS). По-видимому, более правильным является определение полупроводников как веществ, способных сильно изменять свои свойства под влиянием слабых внешних воздействий температуры, давления, света, электрических и магнитных полей и др. Класс полупроводников обширен, полупроводниковыми свойствами обладают 12 элементов, находящихся в середине периодической системы (Ge, Si, Se и т. д.). По мнению академика Иоффе, полупроводники - это практически весь окружающий нас мир. Полупроводниковыми свойствами обладают и многие органические вещества (антрацен, полиакрилнитрия, индиго и др.).

В электронной технике самое большое применение нашли неорганические полупроводники. Они могут быть кристаллические и аморфные (стеклообразные), твердые и жидкие, магнитные и немагнитные, простыми по составу и сложными. Одной из особенностей полупроводников, позволяющей отличать их от металлов, является отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления. Фарадей, открыв это в 1833 г. на Ag₂S, фактически открыл этот класс материалов. Кроме того, в отличии от металлов примесь в полупроводниках может по разному отражаться на их проводимости (у металлов примеси увеличивают удельную электропроводность).

В настоящее время ни один класс материалов не влияет так на развитие многих отраслей техники, как полупроводники. В то же время массовое применение находят только несколько полупроводниковых материалов Si, Ge, соединения A^IIIB^V, A^IVB^VI, твердые растворы КРТ и СОТ. Классификация полупроводников по составу и свойствам можно представить в таком виде:

Собственные и примесные полупроводники

В отличие от металлов, электрический ток в которых связан с наличием свободных электронов, в полупроводниках проводимость определяется в первую очередь чистотой материала и температурой.

Собственный полупроводник - это полупроводник, в котором можно пренебречь влиянием примесей при данной температуре. Согласно зонной теории твердого тела для полупроводников характерно наличие не очень широкой запрещенной зоны на энергетической диаграмме. Она выражает количественно энергетические затраты на разрыв связи и освобождение электронов из валентной зоны. Собственный полупроводник при 0^°К не обладает электропроводностью (зона проводимости свободна). При температуре выше 0^°К из-за тепловых флуктуаций некоторые электроны могут оказаться в зоне проводимости. При этом в валентной зоне образуются “дырки”. Дырки тоже участвуют в электропроводности за счет своих эстафетных переходов под действием электрического поля.

Чем больше Т и меньше Е, тем выше скорость генерации носителей. Одновременно в полупроводнике идет обратный процесс – рекомбинация носителей заряда, то есть возвращение электронов в валентную зону. В результате в полупроводнике устанавливается равновесная концентрация “n” и “p”. Специфика собственного полупроводника в том, что в нем

n _i = p _i n_i + p_i = 2n_i

Концентрация носителей в нем определяется из выражения

n_i = p_i = exp(- ,

где N_C и N_B –эффективные плотности состояния в зоне проводимости и в валентной зоне. График в координатах ln n = f(1/T)-прямая линия, tg которой характеризует . Собственный полупроводник в приборах используют редко.

Примесный – это полупроводник, электрофизические свойства в котором определяются примесями. Примеси создают дополнительные уровни в запрещенной зоне. При малой концентрации примесей, расстояние между примесными атомами велико, их электронные оболочки не взаимодействуют, и примесные энергетические уровни являются дискретными. Примеси, исходя из своего местонахождения, называются примесями замещения и примесями внедрения.

Примеси поставляющие электроны в зону проводимости называются донорными . Их уровни располагаются в запрещенной зоне вблизи нижнего края зоны проводимости. В таком полупроводнике > ,поэтому полупроводник называется “n”- типа. Уровни расположенные несколько выше валентной зоны называются акцепторными, а создающие их примеси называются акцепторными. Так как электроны, заброшенные на них, не участвуют в проводимости (больше ), то в таком полупроводнике > , а полупроводник называется полупроводником “р”- типа. На поведение примесных атомов влияет их валентность. Примеси замещения, валентность которых больше валентности основных атомов решетки проявляют свойства доноров, а если их валентность меньше, то акцепторов. Так Si,As,Sb,P - доноры, а Al,B,Ga, - акцепторы. Носители, концентрация которых больше, называются основными, а концентрация, которых меньше, неосновными.

Соотношения n_i p_i = n_i² , называется соотношением действующих масс для носителей заряда.