1. Полупроводниковые материалы

1.1. Характеристика основных свойств

Важнейшая роль полупроводников в радиоэлектронике обусловлена тем, что они служат основой активных приборов, способных усиливать мощность или преобразовывать одни виды энергии в другие (но не в тепло) в малом объеме твердого тела без существенных потерь [8].

Приведем признаки полупроводниковых материалов.

1. Основным признаком полупроводника является большая, чем у металлов, но меньшая, чем у диэлектриков, электропроводность.

2. Полупроводники при комнатной температуре могут иметь удельное сопротивление 10^-410⁹Омсм, удобное для технических применений.

3. Удельное сопротивление любого полупроводника можно изменять в широких пределах (на несколько порядков значений ), варьируя концентрацией электрически активных примесей - донорных и акцепторных. По этому признаку полупроводники отличаются от диэлектриков, удельное сопротивление которых слабо зависит от состава, поскольку электрически активных примесей для диэлектриков не существует.

4. При неизменном составе и структуре удельное сопротивление полупроводников может изменяться за счет подвода внешней энергии: тепловой, электромагнитной, радиационной, ядерной, механической.

5. Удельное сопротивление полупроводников падает при нагревании, так как растет число свободных электронов за счет увеличения числа перебросов электронов (3) из валентной зоны (2) в зону проводимости (1) (рис. 1.1).

6. Ширина запрещенной зоны полупроводников лежит в пределах 0<φ_З<3 эВ.

7. В широком диапазоне значений электрические параметры полупроводников строго однозначны и предсказуемы благодаря высокой чистоте и совершенной, как правило, монокристаллической структуре.

1.2 Классификация.

По агрегатному состоянию полупроводниковые материалы используются в твердом виде. По структуре бывают монокристаллические, поликристаллические и аморфные. По химическому составу полупроводниковые материалы делятся на простые и сложные, а также органические и неорганические. Большее применение получили неорганические. Простые полупроводники состоят из одного химического элемента: кремний (Si), германий (Ge). Сложные - из нескольких химических элементов, это могут быть двойные и тройные соединения, например, арсенид галлия (GaAs), арсенид галлия – алюминия (GaAl_xAs_(1-x)), x – % содержание компонента.

В зависимости от типа проводимости полупроводники делятся на собственные, электронные и дырочные.

1.3. Параметры полупроводниковых материалов:

1. Ширина запрещенной зоны. (_з, эВ) – энергия, которая необходима, чтобы вырвать электрон из связи. _з – не является константой материала, т. к. меняется с ростом температуры. Поэтому в справочниках указывают температуру, при которой измерено _з. Она является структурно не чувствительным параметром до тех пор, пока полупроводник не становится вырожденным. Она определяет и многие другие свойства полупроводниковых материалов, например верхнюю рабочую температуру полупроводниковых приборов. Чем больше _з, тем больше эта верхняя рабочая температура полупроводникового материала. Значение верхних рабочих температур приведено в таблице 1.1

Таблица 1.1

	з, эВ	T, C	ni, см^-3
Ge	0,71	80	10^13
Si	1,12	125	10^10
GaAs	1,43	250	10^6

Ширина запрещенной зоны (_з) определяет концентрацию собственных зарядов полупроводника (n_i) и чем больше _з, тем больше концентрация собственных зарядов. Соотношение _з и n_i приведено в таблице 1.1. Она так же определяет длину волны света, испускаемого полупроводником при излучательной рекомбинации, так называемую красную границу (_кр) испускания. Значение _кр определяется выражением:

Чем больше _з, тем меньше _кр. Значение _кр определяет оптическую прозрачность полупроводника. Для кремния с _з = 1,12 эВ красная граница лежит за пределами видимого спектра, фосфид индия имеет _з = 0,6 эВ, поэтому _кр находится в пределах видимого света, и он прозрачный материал жёлтого цвета.

2. n_i-концентрация собственных носителей заряда (cм^-3, м^-3).

Значение n_i указывается при строго определенной температуре, т. к. сильно зависит от нее. Эта зависимость носит экспоненциальный характер и определяется выражением:

Графическая зависимость изображается, как функция lnn_i от 1/Т и представлена на рис.1.2